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1.2本课题的意义

传统的基于继电器的控制，已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求了。

洗衣机需要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。

随着自动化技术的飞速发展。

洗衣机由初始的半自动式洗衣机发展到现在的全自动洗衣机，又正在向智能化洗衣机方向发展。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展。

以往以单片机为中心控制系统工作的家用全自动洗衣机中，存在着一些本身不能克服的缺点。

首先由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序也相对复杂;

其次，在设计控制系统硬件时，要有多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等，这样不但增加了硬件的复杂性，而且隐含较高的故障率，还无形地增加了维修成本费用。

PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置。

它采用可编程序的存储器．用来存储用户指令．通过数字或模拟的输入／输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、计数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。

它的优点是：

可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等。

随着PLC技术的发展，用PLC来作为控制器．就能很好地满足全自动洗衣机对自动化的要求．并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。

如果在全自动洗衣机的控制系统中采用PLC来控制将能克服单片机的这些缺点。

因为PLC是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。

所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统的设计的灵活性及控制系统的可靠性。

1.3本课题研究的主要内容

本课题需研制出可靠性高、易于操作的波轮式全自动洗衣机控制方法，该系统采用三菱PLC控制，主要包括电动机正反转控制、进排水电磁阀控制、循环控制、保护和报警﹑I/O端口设计。

一﹑设计目的：

熟悉全自动洗衣机的工作原理，工作顺序及I/O端口的设计

熟悉此类设备的编程方法

熟悉计数器在编程中的应用

熟悉全自动的硬件设计

二﹑设计要求：

1﹑控制要求：

（1）洗衣机进水加洗衣粉，水位到高位后停止进水，开始洗涤

（2）洗涤时，正传20S，暂停3S，反转洗涤20S，赞暂停3S后在正传洗涤，如此循环环三次，洗涤结束后，然后排水，当水位下降到低水位时进行脱水（同时排水），脱水时间是10S，这样完成一个大循环。

（3）整个洗涤分为三次大循环，一次为加洗衣粉，两次净水洗涤，经过三次大循环后洗衣结束，并且报警，报警10S后全过程结束，自动停机。

（4）在洗涤过程中当按下停止按钮是洗涤停止。

（5）FX系列PLC实现

2﹑洗衣机的I/O端口分配及输入输出图的设计

（1）I/O分配

（2）输出接线图

（3）洗涤过程转移图

3﹑图纸要求

（1）电气原理图

（2）外结构图

（3）传动机构图

第2章自动洗衣机的概述

2.1自动洗衣机的工作原理

全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的。

外桶固定，作盛水用。

内桶可以旋转，作脱水（甩水）用。

内桶的四周有很多小孔，使内外桶的水流相通。

该洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。

进水时，通过电控系统使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。

排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外，洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正反转来实现，此时，脱水桶并不旋转。

脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。

高低水位开关分别用来检测高低水位。

启动按钮用来启动洗衣机工作，停止按钮用来手动停止进水、停水、脱水及报警，排水按钮用来手动排水。

图2.1自动洗衣机示意图

2.2全自动洗衣机控制面板及控制系统

全自动洗衣机控制面板由工作指示区、编程选择键、增键、减键、和启动键组成。

　　全自动洗衣机一般采用轻触式开关，在按下开关后，字符旁边的指示灯会亮。

当指示灯亮起表示程序选中，指示灯闪烁表示正在执行此程序，指示灯熄灭表示程序未选择或执行完毕。

全自动洗衣机电气控制系统包括微处理器、排水电磁铁、电容器、门开关、按键开关、指示灯、中间继电器，水位压力开关、蜂鸣器及进水电磁阀等部件组成。

通过微处理器，能自动完成进水，洗涤（漂洗）、排水、脱水、报警等全部程序，只需设计软件就可以来达到预想控制的目的。

图2-2全自动洗衣机控制系统方框图

2.3自动洗衣机的洗涤与脱水系统

全自动洗衣机主要是通过波轮对衣物的翻滚达到洗涤目的。

波轮安装在洗涤桶的正中，托盘连接着盛水桶。

套桶式全自动洗衣机的脱水桶（甩干篮）既要保证能离心脱水，又要能容纳洗涤的衣物，全自动洗衣机的洗涤桶其上部略大，下部略小，呈圆锥形。

为了保证洗涤效果，洗涤桶的内壁上必需设计成凸形来增大摩擦力，达到满意的洗涤效果，当衣物与洗涤桶接触时，桶壁就产生像搓板那样的洗涤作用，而且能增强涡旋作用，提高洗涤率。

洗涤系统的传动部分由风叶、皮带、皮带轮、和洗衣轴体组成。

脱水系统由脱水桶、脱水定时器、安全开关、电动机、制动机构等组成。

洗衣机具有盖的带锁装置，该锁定装置，包括洗衣机盖板、洗衣机箱体，还包括控制开关，与控制脱水的开关联动；

电磁铁，与控制开关连接；

洗衣机盖板翻口端内面在对应洗衣机箱体内壁处设有凹缘，凹缘上设有锁孔，洗衣机箱体上端设有所述电磁铁，电磁铁衔铁的伸缩口位于洗衣机箱体内壁，而且电磁铁通电后其衔铁伸出端正好位于盖好的洗衣机盖板凹缘的锁孔内。

由于电磁铁的控制开关与洗衣机控制脱水的开关联动，使洗衣机在脱水时电磁铁的衔铁能伸出，而且正好锁住洗衣机盖板凹缘的锁孔，使用户在脱水时不能打开洗衣机盖板，从而确保了洗衣机脱水时的操作安全

2.4自动洗衣机的进水和排水系统

全自动洗衣机的进水系统采用水位压力开关和进水阀，由程序控制器调节。

设有溢水口，其位置在盛水桶上口部。

漂洗时，它能让洗涤液中的泡沫和污水溢出，有利于漂清。

全自动洗衣机水位开关一般有两档水位控制,并都有低水位、高水位、再注水等功能当进水阀注水，内桶水位增高到预选水位时，导通橡皮气膜受到内部空气的压缩而被顶出，中触片上跳，与上触片闭合。

此时主电机导通，进水阀断开（原来中触片与下闭合），并开始洗衣。

当旋钮旋至低水位时，凸轮转动，但曲率半径较小。

通过一定的机构，橡皮气膜压簧被压缩而产生压力P1，压迫气膜。

当桶内水量达到30L时，软管内的空气被压缩，产生空气压力F1，当F1>

P1时,中触片上跳,与上触片闭合,主电动机动作,进水阀关闭.

　　全自动洗衣机的排水系统由程序来控制排水电磁铁，牵引排水阀。

排水阀主要由阀盖、阀芯弹簧、阀芯拉簧，橡皮阀和阀体组成。

排水电磁铁主要用来控制自动型洗衣机排水阀的开闭,在套桶式自动型洗衣机中同起到改变减速离合大的洗涤、脱水状态、排水电磁铁主要由线圈、磁轭、静铁芯、衔铁和短路铜环等组成。

2.5自动洗衣机的传动系统

全自动洗衣机的传动系统设在洗衣机脱水桶的底部,主要由波轮、脱水桶、离合器、传动带、电动机、电磁阀及单相电容式电动机组成。

离合器是内外轴复合为一体的结构。

离合器的内轴（洗涤轴），一端固定波轮，另一端固定离合套，离合套上固定大带轮，离合器外轴（离心轴）的一端固定离心桶（脱水桶），另一端通过抱簧与离合套连接。

内外桶的联动或分动（即实现脱水或洗洗涤），是由拨叉控制抱簧和刹车盘来实现的

离合器轴包括脱水轴合洗涤轴。

洗涤或漂洗时，牵引电机处在断电状态，制动杆将制动带收紧，对脱水轴制动。

棘爪将棘轮拔动一定角度使方丝离合簧被拔松，所以电机做正转或反转转矩都不能传递给脱水轴，而只是经过行星减速器再输出给波轮，实现洗涤运转。

脱水时，牵引电机是通电状态，拉动制动杆使得制动带松开，棘轮和方丝离合器处于自由状态，大皮带轮顺时针旋转将方丝离合簧旋紧，使输入转矩有效地传递给脱水轴，实现高速脱水运转。

如果大皮带轮逆时针转动，则方丝离合簧被拨松而不能传递转矩给脱水轴，所以脱水只能顺时针单向转动。

洗衣机外箱体是洗衣机的盔甲，很多洗衣机采用高分子聚合塑钢材料作为外箱体，不怕水，不腐烂，永不生锈，耐碰撞，防漏电，机身轻便，易于搬动。

特意添加的抗老化剂，令外箱体历久弥新。

有的采用刚柔相济的不锈钢做内桶刚性，在于不锈钢材质表面分子结构致密，空隙小，故可抗击细菌等物质的侵入和腐蚀，以达到抗菌，抑菌，耐腐蚀的作用。

柔性，超级镜面不锈钢材料光滑柔细，即便是最娇柔的面料也不会受到损伤。

很多洗衣机内桶完全采用世界一流的不锈钢材料制成，拥有顶级的品质保证。

2、6全自动洗衣机的工作流程

洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水和脱水4个过程组成。

在半自动洗衣机中，这4个过程分别用相应的按钮开关来控制。

全自动洗衣机中，这4个过程可做到全自动依次运行，直至洗衣结束。

自动洗衣机的进水、洗衣、排水和脱水是通过水位开关、电磁进水阀和电磁排水阀配合进行控制，从而实现自动控制的。

水位开关用来控制进水到洗衣机内高、中、低水位；

电磁进水阀起着通\断水源的作用。

进水时，电磁进水阀打开，将水注入；

排水时，电磁排水阀打开，将水排出；

洗衣时，洗涤电动机启动；

脱水时，脱水桶启动。

图2.3全自动洗衣机的工作流程示意图

第3章自动洗衣机硬件

3.1进水电磁阀

进水电磁阀是保证全自动洗衣机正常工作的关键部件，它通过接受PLC的指令和水位传感器的反馈信号控制洗衣过程中的进水动作。

全自动洗衣机进水电磁阀结构主要由阀体、电磁线圈、可动铁芯、橡皮膜、过滤网等部件组成。

其工作原理为:

电磁阀在未通电时，可动铁芯在其上端的弹簧力和自身重力作用下，通过橡皮膜，关闭住导流孔，这样进水腔内的水压与橡皮膜和塑料导阀之间密封腔内的水压相等，使橡皮膜牢牢压住阀体中的水管口，切断了水流，保证了进水阀的正常关闭。

当电磁阀接通电源后，由于电磁力的作用，可动铁芯被吸起，中心孔被打开，这时橡皮膜和塑料导阀间的空腔压力低于进水腔内的自来水水压，橡皮膜被顶开，电磁阀开始进水工作。

3.2排水阀与电磁铁

排水阀工作时，由排水电磁铁将它打开，与此同时，它还带动刹车臂转动，放开刹车带和棘轮，使的脱水轴能够自由地转动。

交流电磁铁由固定铁芯、线包电磁线圈和衔铁三部分组成。

当它的线包接通220V交流电时，由于电磁感应的作用，定子铁芯便对衔铁产生吸引力，将衔铁吸合，同时拉动排水阀的拉杆和橡胶密封膜，打开水门放水，并带动刹车零件动作，使后面的一系列工作顺利进行。

3.3水位开关和水位传感器

水位开关是波轮式全自动洗衣机控制洗涤桶中水量的电器件。

洗衣机的洗涤桶中水位的高低代表着桶内水量的多少。

在向桶内注水时，当水位达到一定高度后，水位开关将切断电磁进水阀的电路，同时，通过PLC接通洗涤电机的电路，完成进水与洗涤电路的交换。

在排水时，当水位降到脱水桶底以下时，它也将接通或断开相应的电路，完成预定的工作。

水位开关的作用原理是这样的，当进水电磁阀向洗涤桶内注水时，桶内的水平面会不断升高，在它超过盛水外桶底部的气室入口时，气室内的空气就被封住了出口。

随着水平面的不断升高，桶底的压力就越来越大，气室、导气管和水位开关内部的空气被压缩，气压也随之增大。

当桶内的水位逐渐下降时，也就是水量减少时，气压也跟着下降。

因此，桶内的水位高低，就转换成桶底压力的变化，水压力的变化导致了气室内气压的变化，同时，气压的变化又引起了水位开关内橡皮膜的机械动作，这种机械运动在牵动触点簧片的上下移动，最后起了通、断电路的功能，完成了预定的水位控制工作。

所以说，水位开关也可以称之为“启动开关”。

当气室内的压力逐渐升高时，气室上方的橡皮膜被逐渐向上推起，使得顶芯就克服弹簧的压力被推向上方，同时带动动簧片中间的部分一起向上移动。

当它超过两侧部分的位置时，中间小簧片上的压力方向会突然改变，两侧会快速地向下方弯曲，动簧片上的触电与下方的静触点接触，原来的电路被断开，另一条电路被接通。

经过这一过程后，再加上PLC内部电路使电磁进水阀的电路被切断，进水停止，同时接通了洗涤电机的电路，波轮开始运转，洗涤工作开始。

洗涤工作完成后，排水电磁阀被打开，洗涤桶内的水位下降，气室内的水压降低，水位开关的阀心在弹簧的压力下向下移动，达到一定的位置后，动簧片中间不分低于两侧部分，小簧片的压力方向又迅速改变，动簧片两侧被推向上方，下面的电路被切断，上面的电路导通。

这是PLC内部电路已经发生改变，电机接通的时脱水电路。

在开关水位的内部，还有一个长弹簧，他的作用是顶住与凸轮接触的杠杆，使它以右方为轴，而左方能紧紧的靠在凸轮的凹处。

凸轮的作用是调节水位的高低，当杠杆处于凸轮的不同位置时，弹簧的压缩量不同，对于阀芯的压力也就不同，从而控制了阀芯动作多需要的气压（也就是水的压力），这也就达到了控制水位高低的目的。

凸轮上有几个凹部位水位开关就有几个控制水位。

在水位开关上，出了固定的几档水位之外，还有一个补水档位。

补水档位的作用是将原来的低水位水量补充进水到较高水位。

从图中凸轮的形状就可以看出来，在凸轮右部凹处逐渐向上过渡，与中心的距离急速扩大。

是想当我们将凸轮放到高水位时（图中的情况是动簧片触点与上触点接触，处于接通电磁进水阀的状态），继续转动旋钮，杠杆在凸轮的作用下会继续下压，弹簧上的压力不断增大，这时候，橡皮膜要想向上运动，只有在气室内的压力有相当大的增加才行。

所以电磁进水阀的电路也就不能断开，洗衣机便保持这种进水状态，直到我们将旋钮放到某一档位为止。

补水档地作用是将原来的低水位改换成高水位。

所以，当我们运转水位开关旋钮，达到补水档，电磁进水阀重新进水后，就要将它退回到合适位置（例如高水位），这样，当桶内的水平面上升到一定高度后，就可以停止进水，继续洗涤。

水位传感器是在水位开关的工作原理基础上，在适当的位置，安装光敏元件，利用光敏元件受到不同强度光会导致内部通过的电流强度产生变化这一原理，来实现水位的多级控制。

由于水位的变化是连续的，所以光敏元件内的电流变化也是逐渐进行的。

因此这种PLC就可以将原来的水位开关的几档水位控制改变成更多的档次，甚至于变成无级水位的控制，这只要将PLC内的程序事先加以认真编程即可。

对于PLC控制的洗衣机,要求水位的检测必须是连续的,谐振式水位传感器是的变化,最终以频率参数输出。

其工作原理是将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变化的压力,驱动内腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁芯在某线圈内移动,从而线圈电感发生变化。

由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。

故常采用谐振式水位传感器。

3.4电机和电容

电机是自动洗衣机的心脏，是整个洗涤工作的动力来源。

工业上用的电机各式各样，规格型号数不胜数，其中按使用电源可以分为交流电机和直流电机两种。

交流电机又分为异步电机和同步电机。

洗衣机上所用到的电机是单相电容起动运转式异步电机，使用220v交流电源。

全自动洗衣机上使用的电机输出功率一般150W以上，配12μF以上的电容器。

这种电机的特点是启动转矩大，过载能力强，可以充分满足洗衣机负载频繁变化的使用要求。

在洗衣机中使用的电机都要配接电容器。

电容器的作用是加大电机的起动转矩和工作转矩，它还起确定旋转方向的作用。

在洗衣机中使用的电容器一般都是纸介质或塑料介质的。

电容器容量的大小一定要按照电机的要求选配，容量大了，容易使电机升温过高，缩短电机寿命；

容量小了，会降低电机的起动转矩和过载能力。

电容器的电压也要按照电机标牌的要求选配，一般洗衣机电机对电容器的要求电压为400伏到450伏交流电。

电动机正反转工作原理

图3.1电动机正反转接线图

当在控制电路中，按下正转启动按钮时，KM1线圈通电，其主触点及辅助触点吸合，形成自锁，电动机正转；

同理，按下反转启动按钮时，KM2线圈通电，其主触点及辅助触点吸合，形成自锁，电动机反转。

第4章PLC控制系统设计基本原则与设计步骤

4.1PLC系统的特点：

1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。

对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。

2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。

3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易.

单片机系统的特点：

1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。

2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。

3）功能单一只具有使用中所需要的功能。

但是，它结构简单，处理速度快。

4.2洗衣机的PLC控制系统概述

全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。

在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由单片机为中心控制系统工作的。

首先由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序相对复杂；

其次，在设计控制系统硬件时．要有多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等这样增加了硬件的复杂性，隐含较高的故障率无形地增加了维修成本费用，在各种控制系统中广泛运用的PLC能克服单片机的缺点。

它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。

因此在运用中，硬件也相对简单，提高控制系统的可靠性。

另外它的编程语言也相对简单。

典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图1所示：

图1PLC控制系统的硬件组成框图

4.3PLC控制系统设计的基本原则

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，再设计PLC控制系统时，因遵循以下基本原则：

1.限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要的前提，这也是设计中最重要的一条原则。

这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，手机控制现场的资料，收集相关国内、国外资料。

同时要注和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点为难题和疑难问题。

2.PLC控制系统的安全可靠

保证PLC控制系统能长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统重要原则。

这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。

例如：

应电保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常条件下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

3．力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，担心工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。

因此，在满足控制要求的前提下，一方面不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。

这就要求设计者不仅应该是、使控制系统简单、经济，而且要是控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

4．适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统也将不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统的发展和完善的需要。

这就要求在选择PLC、输入\输出模块、I\O数和内存容量时，要适当留有余量，以满足今后的生产发展和工艺的改进。

4.4设计步骤

一般PLC控制系统的设计步骤如下图2-1所示，具体操作如下：

（1）控制要求分析

在设计PLC控制系统之前，必须对工艺流程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己要完成的任务，设计出令人满意的控制系统。

（2）确定I/O设备

根据控制要求选择合理的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等）。

并根据选用的输入、输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数。

（3）选择合适的PLC

确定PLC的点数后，就根据I/O点数、控制要求等来进行PLC的选择。

选择包括机型、存储器容量、输入输出模块、电源模块和智能模块等。

（4）PLC程序设计

本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。

首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的关系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。

（5）I/O点数分配

点数分配就是PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系，画出I/O接线原理图。

（6）模拟调试

程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。

（7）现场联机调试

现场联机调试是将PLC与现场设备进行调试。

这一步中可以发现程序存在的实际问题，经过修正后使其满足控制要求。

（8）整理技术文件

这一步主要包括整理与设计有关的文档，包括设计说明书、I/O接线原理图、程序清单和使用说明书等。

图4.1设计步骤示意图

4.5全自动洗衣机控制系统的PLC选型和资源配置

控制系统图如图4.2所示。

图4.2全自动洗衣机控制系统图

4.6PLC选型

PLC是一种用作数字控制的专用电子计算机，它根据用户给的指令，通过输入接口现场采样信息执行逻辑或数值运算，再通过输出接口去控制各种执行机构动作。

它主要由CPU、存储器、I/O接口模板三部分。

它是整体模块形式，由它作为洗衣机控制系统，在硬件设计上就相对简单点。

通过对结构图的分析，可知全自动洗衣机