基于PLC的全自动洗衣机毕业设计.docx

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基于PLC的全自动洗衣机毕业设计

摘要

随着可编程控制器（PLC）在工业控制领域的广泛应用，及传统的控制技术的不断更新。

本文依据PLC为主要部件设计完成了全自动洗衣机的控制系统。

该控制系统的工作流程主要由进水、洗涤、排水、脱水4个步骤组成，在本控制系统中4个步骤依次运行直至洗衣结束。

所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。

控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计的时间、调试周期，且要降低成本。

根据洗衣机的工作原理从而对程序及其流程进行了设计,该系统具有智能化程度高、安全可靠和运行稳定等特点。

同时本文介绍了全自动洗衣机的控制系统的PLC设计方法、程序流程图、系统结构图、程序指令、梯形图等，实现全自动洗衣过程。

在系统资源分配中给出了详细的I/O地址分配及辅助继电器，是程序设计的基础，设计出的全自动洗衣机控制系统中克服了单片机的缺点，具有PLC可靠性高，耗电少，硬件简单，运行速度高等优点。

关键词：

PLC自动控制洗衣机

Abstract

Withtheprogrammablelogiccontroller（PLC）iswidelyusedinindustrialcontrolfield,andconstantlyupdatedtraditionalcontroltechnology.Inthispaper,themaincomponentsofthedesignbasisforPLCcompletedtheautomaticwashingmachinecontrolsystem.Theworkflowcontrolsystemismainlycomposedofwater,washing,draining,dewateringfoursteps,inthepresentcontrolsysteminfourstepsinsequenceuntilthelaundryoperationends.Controlmethodusedissimple,reliable,easytomaintainandrepair.Afterdeterminingthecontrolmethodtoshortenproductiontimecontrolsystemdesign,debugcycle,andtoreducecosts.

MeanwhilearticledescribesthedesignmethodPLCcontrolsystem,automaticwashingmachine,programflow,thesystemstructure,programinstructions,ladder,etc.,toachieveautomaticlaundryprocess.TheallocationofresourcesinthesystemaregivenindetailintheI/Oaddressassignmentandauxiliaryrelays,isthebasisforprogramdesign,designafullyautomaticwashingmachinecontrolsystemtoovercometheshortcomingsofthemicrocontroller,PLCwithhighreliability,lowpowerconsumption,simplehardware,operatingspeedadvantages.

Keywords:

PLCTheautomaticcontrolThewashingmachine

引言

可编程序控制器（ProgrammableLogicController,PLC）技术是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，是一种新型工业控制器装置，是对传统继电器一接触器控制系统的改进。

可编程逻辑控制器的内部编程使用面向用户的指令，并且使用数字式或模拟式的输入／输出来控制工业生产过程，使得PLC的操作更加方便灵活。

它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已经广泛应用于工业自动化、机电一体化、计算机控制等方面。

在以单片机为基础控制系统设计的全自动洗衣机中，存在着一些缺点。

第一，控制指令较PLC而言相对复杂；第二，相同控制系统稳定性中，单片机需要多种电路保护装置，例如过载保护、电流保护、电压保护等，正因为增加了这么多的电路从而大大增加了硬件隐含的故障率。

如果采用基于PLC控制的全自动洗衣机控制系统则能有效克服这些缺点，首先PLC的编程语言简单，梯形图明确，测试容易。

其次，PLC采用了整体模块，系统驱动电路，检测电路和保护电路等都集中在一个模块中，硬件简单。

基于此使得控制系统的可靠性大大增加。

1课题背景及意义

1.1洗衣机发展概况和现状

自1858年，一个叫汉密尔顿·史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机，至今洗衣机的发展经历了一个多世纪。

世界上第一台电动洗衣机于1910年问世，这标志着人类家务劳动自动化的开端。

第一台自动洗衣机于1937年问世。

1955年，在英国喷流式洗衣机的基础之上，波轮式洗衣机由日本研发生产。

至此，洗衣机大体上被分为波轮式、滚筒式、搅拌式三种类型的局面初步形成。

被称之为“半自动型洗衣机”的可甩干衣服的双桶洗衣机，在60年代出现首次出现于日本，到了70年代，则生产出了波轮式套桶全自动洗衣机。

70年代后期，以电脑（实际上是微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。

80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完善，更可以人为选择洗衣程序，随着加工技术的发展，洗衣机的外观也更加时尚。

90年代，出现的宽范围的转速变换与调节技术，在这个基础上研发出来了新水流洗衣机。

随着电机驱动方式的日新月异，日本研发了不需要齿轮传动和变速机构，改为电机直接驱动式的洗衣机，这在根本上改变了洗衣机的驱动方式。

之后，随着科技的进一步发展，滚筒洗衣机已经成了大家非常熟悉的产品。

伴随着科技的进一步发展，相信新型更适合人们使用的洗衣机会给我们的生活带来新的方式。

20 世纪末到 21 世纪初，变频洗衣机问世，使洗衣机的功能更加人性化，实现了真正意义上的智能化控制。

按洗衣机结构原理分类

1.波轮式洗衣机：

在洗衣机的底部中心处装有一个带凸筋的波轮，波轮旋转时，洗涤液在桶内形成螺旋状涡卷水流，从而带动衣物旋转翻动而达到洗涤目的。

这种洗衣机的主要优点是洗涤时间短，洗净度较高，水位可调，品种多，适宜于洗涤棉、麻、纤和混纺等织物。

缺点是易使衣物缠绕，影响洗净的均匀性，磨损率也较高。

新颖的大波轮、新水流洗衣机，其性能有明显的改善。

2.滚筒式洗衣机：

滚筒式洗衣机为套桶装置，内桶为圆柱形卧置的滚筒，筒内有3～4条凸棱，当滚筒绕轴心旋转时，带动衣物翻滚，并循环反复地摔落在洗涤液中，从而达到洗涤的目的。

滚筒式洗衣机，按投放衣物的位置不同，可分为上装入式和侧装式。

其优点是洗涤动作比较柔和，对衣物的磨损小，用水量和洗涤剂都比较省，适合洗涤毛料织物。

但机器结构复杂，洗净度低，耗电量大，售价较高。

3.搅拌式洗衣机：

搅拌式洗衣机在立式洗衣桶的中央置有一根垂直立轴，轴上装有搅拌桨。

靠轴的旋转使衣物在洗涤液中不断地被搅动，达到洗涤的目的。

这种洗衣机好似手工洗涤的揉搓，衣物受力均匀，衣物磨损小，洗涤容量大。

缺点是洗涤时间长，结构比较复杂，售价高。

4.喷流式洗衣机：

喷流式洗衣机的洗涤容器为立桶，只是波轮装在桶的侧壁上。

电动机起动后，侧壁波轮产生强烈的水流将衣物在洗涤液中甩打、抛掷、揉搓、冲刷，使衣物洗净。

其特点是洗涤时间短，污垢容易洗掉，机器结构简单，故障较少。

但由于水流激烈，衣物容易拧绞在一起，因而洗涤不均，对衣物损伤较重，洗涤时洗涤液容易飞溅。

1.2研究的目的和意义

以单片机为中心控制系统工作的全自动洗衣机，存在着一些本身不能克服的缺点如单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强,开发周期长。

而且洗衣机控制系统中相对复杂的指令系统，编写洗涤、脱水程序相对复杂；其次，在设计控制系统硬件时，需要多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护及欠压保护等等。

将PLC引入全自动洗衣机控制系统则可以有效的避免上述问题。

采用PLC控制开发的周期短，开发成本低，可以直接用于工业现场控制。

PLC控制具有实时性、信号处理时间短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目，可靠性高，丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便，PLC控制能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。

因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统设计的灵活性及控制系统的可靠性。

本设计以操作简单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。

2可编程序控制技术

2.1PLC的定义

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，各种类型的机械或生产过程的控制。

可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体，扩大其功能的原则进行设计。

2.2PLC的硬件结构

1.中央控制处理单元（CPU）是可编程控制器的控制中枢，在系统监控下工作，承担着将外部输入信号的状态写入输入映像寄存器区域，然后将结果送到输出映像寄存器区域。

通用微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096等。

2.可编程控制器的存储器由只读存储器ROM和随机存储器RAM两大部分构成，只读存储器ROM用以存放系统程序；中间运算数据和用户程序存放在随机存储器RAM中，掉电时，中间运算数据和用户程序保存在只读存储器EEPROM或由高能电池支持的RAM中。

3.输入输出接口作用：

连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。

4.开关量输入接口电路，各种输入接口均采取了抗干扰措施。

如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号进行隔离；并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。

通常有三种类型：

直流（12∽24）V输入、交流（100∽120）V输入与交流（200∽240）V输入和交直流（12∽24）V输入。

直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供，输入输出端子的两种接法：

隔离式，输出各自独立，无公共点：

各输出端子各自形成独立回路；汇点式，全部输入点（输出点）共用一个公共点。

组内的各点必须使用同一电压类型和同一电压等级，各组可使用不同电压类型和等级的负载。

5.电源：

PLC的供电电源一般是市电，其内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（5V直流）。

当输入端子为非干结点（无源结点）结构时，为外部输入元件提供24V直流电源（仅供输入端点使用）。

6.外围设备：

编程器、打印机、演示板等。

利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。

7.用户输入输出设备，用户输入器件有控制开关和检测元件，即各种开关、按钮、传感器等；用户输出设备主要有接触器、电磁阀、指示灯等。

信号接通时输入电流一般小于10mA；交流输入模块的电源一般由用户提供。

2.3PLC的基本工作原理

2.3.1基本工作模式

PLC的基本工作模式有运行模式和停止模式。

运行模式：

分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段；停止模式当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。

2.3.2PLC工作过程

PLC采用循环扫描的工作方式。

这种工作方式是在系统程序的控制下顺序扫描各输入点的状态，根据用户程序进行运算处理，则该序列相应的控制信号的输出。

顺序扫描的工作方式简单直观，它简化了程序的设计并提供了一个非常有用的，以确保PLC的可靠运行。

一方面后，扫描的指令被执行，结果可以立即扫描被指导使用；另一方面，为了避免在CPU内部故障使程序进入一个由错误的结果导致无限循环。

从而避免由于内部CPU进入一个无限循环程序的故障和失效产生的影响。

PLC的工作过程就是程序执行过程。

PLC投入运行后，便进入程序执行过程。

它分为三个阶段进行，即输入采样（或输入处理）阶段、程序执行（或程序处理）阶段和输出刷新（或输出处理）阶段。

1.输入处理：

PLC在执行程序前，将PLC的整个输入端子的ON／OFF状态写入到输入数据存储器中。

在执行程序的过程中，即使输入变化，输入数据存储器的内容也不变，而在下一个周期的输入处理时，写入这种变化。

输入滤波器会造成输入响应滞后（约10ms），如采用数字滤波的输入端子，可以通过程序修改滤波时间。

2.程序处理：

PLC根据程序存储器的指令内容，从输入数据存储器与其他软器件的数据存储器中读出各软器件的ON／OFF状态，从零开始写操作步骤的顺序每次将结果写入数据存储器。

此外，输出继电器的内部触点可利用输出数据存储器的内容执行。

3.输出处理：

所有命令执行结束时，对在末端的ON/OFF状态的数据存储和输出数据存储器Y输出，这成为PLC的实际输出。

PLC的外部输出触点的动作按输出用器件的响应滞后时间动作（10ms）。

2.4PLC工作方式与特点

PLC的工作包括集中采样、集中输出、周期性循环扫描，“串行”工作方式。

1.扫描周期：

PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。

每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。

PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度有关，与I/O点的情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。

通常用PLC执行1K指令所需时间来说明其扫描速度（一般1~10ms/K）。

2.输出滞后：

指从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。

一般为几十—100ms。

引起输出滞后的因素：

输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的滞后。

3.由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。

4.由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关。

这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。

避免了触点的临界竞争，减少繁琐的联锁电路。

3全自动洗衣机的控制系统的设计方法

3.1全自动洗衣机的控制系统工作原理

洗衣机一般由支承系统、洗涤系统、脱水系统、电器控制系统及进排水系统组成。

按部件来分又可以细分为由电机、定时器、进水电磁阀、排水电磁阀、水位开关、离合器、蜂鸣器等组成。

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，内桶可以旋转主要作为洗涤、脱水用，内桶与外桶有小孔相连，实现水流相通。

洗衣机的进水和排水靠进水电磁阀和排水电磁阀执行。

其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态；洗涤要求中的正转和反转主要是靠电动机驱动波盘的正、反转来实现，而电动机的正、反转状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态，而电动机的工作状态也是由控制中心PLC给定信号来决定的。

电机在快速转换过程中，电势能够快速转换，但电机内部磁场和电势不是同步换向的，因此在设计控制过程中要考虑电机有一个暂停过程，以便电机可靠地转换电势方向下。

PLC在系统中是处于中心位置，如果没有暂停的过程将直接影响洗衣机的洗涤和脱水程序在实现控制过程中，各种采样信息都是通过控制中心进行各种判断、比较和选择，再经信息线路反馈给洗衣机各控制执行机构，决定洗衣机的工作状态。

图2PLC对洗衣机的控制图

3.2控制系统结构

由于洗衣机型号的不同全自动洗衣机的电气控制系统而不尽相同，但控制的基本原理都不尽相同，而且主要的电气控制系统程序控制器，电机，进水电磁阀，排水阀也都相同。

全自动洗衣机可以实现自动化洗衣，整个洗衣过程都是在程序控制器的“指挥”下进行的。

如把离合器比作全自动套桶洗衣机的心脏，则程序控制器就是全自动洗衣机的“大脑”。

如图所示以程序控制器为核心的波轮式全自动套桶洗衣机控制系统的基本原理方框图。

3.2.1电动机及传动系统

一般全自动洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成，传动系统是工业洗衣机极其重要的组成部分,因主要为洗衣机提供动力支持而参与全部洗涤过程。

传动系统由电动机和各种变速机构组成,现在主要使用变频器,故而显著简化了其组成部件,一般是由变频器、变频电动机、带轮及传动带等组成。

且其整个洗涤阶段,随着变频器的频率自动调节而实现无冲击、无中间过渡（变速箱、变速装置或联轴器、离合器等）装置的恒转矩变速（无级调速）,使洗涤过程的能耗得到明显下降电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源，普遍采用主，副绕组完全对称的电容式电动机。

电动机的功率跟全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量有关。

3.2.2 进水和排水系统

全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。

为了对桶内的水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关）。

此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。

它由排水旋钮、拉带、弹簧、密封套和四通排水管组成。

排水阀阀体内部的结构是橡胶密封套内装有一只压缩弹簧。

橡胶密封套依靠弹簧弹力的作用紧贴阀体底部，关闭阀门，于是洗涤桶内就可蓄水洗涤。

需排水时，由于拉带下端与密封套底部连接，当旋动排水旋钮时，向上提起拉带，橡胶密封套克服弹簧的弹力向上收缩，阀门被打开，洗涤捅排水。

排水结束，放下拉带，橡胶密封套又在弹簧的弹力作用下关闭阀门

3.2.3检测电路系统

检测电路主要由各类传感器组成。

在洗衣过程中起决定作用的物理量有衣量、

衣质、水位、水温和浑浊度等这些物理量都需要有适当的传感器来获取信息

并转换成PLC能接收的电信号。

⑴水位传感器是用来检测洗衣机内水位高低的，它的精确度直接影响洗净程度、洗涤时间等参数。

⑵浑浊度传感器是用来判断衣物的脏污程度，在洗衣桶的排水口处加一红外光电传感器，使红外光通过水而进入另一侧的接收管。

若水的透明度低，接收管获得的光能小，说明衣物较脏。

 洗涤前，排水管中为清水，清水透明度高所以光电接收管感光被导通，通过先前测试测得输出电压，此时光敏三极管输出电压为先前测定值。

洗涤开始后，衣物上的污垢扩散至洗涤液中，洗涤液逐渐变浑浊，透光率也会随之降低。

红外线在溶液中的透光性就决定接收产生光电电流的大小，光电流经放大和数据处理就可以判断出水的浑浊程度。

⑶衣质传感器又称为布质传感器，它的功能是检测衣物的质地。

为了测出布置，先加入一定的水并让电机转动，突然切断电源，由于惯性的作用电机会维持短时间的旋转。

此时电机处于发电机状态，会产生一定感应电势并逐渐衰减的零。

由于衰减速率与布阻成一定的线性关系，通过对定子绕组两端电势进行整流和检测，经光电隔离后形成脉冲信号。

脉冲信号多则布抗小，通过模糊推理得出布质地。

⑷衣量传感器衣量传感器又称衣物负载传感器，衣质传感器和衣量传感器是同一个装置，只是检测的方法不同。

它的作用是用来检测洗衣时衣物量多少的。

当洗涤桶注入有一定量的水，并把衣物放入桶中，然后用一分钟左右的间歇性的动力运行模式驱动电动机。

由电机绕组上产生的感应电动势，经光电隔离及比较整型，产生脉冲信号。

这种矩形脉冲数目与电机惯性转过的角度成比例。

若衣物多，则电机受到的阻力大，电机惯性转过的角度就小，相应地，传感器产生的脉冲就少，这样就间接地“测量出了衣物量的多少。

⑸水温传感器，它的内部结构均为热敏电阻，而且温度越低阻值越高，温度越高阻值越低。

测定打开洗衣机开关时的温度为环境温度，注水结束时的温度为水温，将所测温度信号输给PLC，适当的洗衣温度有利于提高洗衣液中酶的活性，可以提高洗涤效果。

3.3全自动洗衣机的控制系统功能

在全自动洗衣机控制系统中，PLC主要完成的控制功能如下：

第一，控制洗衣机的进水、排水、脱水动作；第二，控制洗涤过程中循环的次数；第三，控制各动作间的转换；第四，控制完成时的蜂鸣提示。

在整个过程中，PLC需要同时完成两个检测功能：

一个是检测进水是否到了需要的水位即进水是否完成。

如果进水完成，即开始进行洗涤。

第二个就是检测排水是否完成。

如果排水完成，即开始进行脱水。

3.4全自动洗衣机的控制要求

图3全自动洗衣机的控制流程图

全自动洗衣机控制系统的要求是能够实现“正常运行”和“强制停止”两种控制方式。

只需要在正常操作期间按下电源按钮。

然后按“启动／暂停”按钮，洗衣机自动执行所有的洗衣过程到结束为止。

强制停止是指在正常运行的过程中。

不希望再运行时．可以通过手动某些按钮或开关之类的控制设备来强制停止在运行的程序。

（1）全自动洗衣机处于正常运行状态。

系统在初始状态，准备好启动。

选择水位，按启动按钮打开进水阀，自来水经进水管进入到外筒。

到达预定水位时，停止进水，并开始洗涤正转当按下启动按钮，洗衣机即开始进行正常的工作。

定时2s，开始进行洗涤。

洗涤开始后，开启计数器l和计数器2，先让电动机正转，并同时开始定时10s，定时完成后，电动机停止转动，同时定时2s。

2s的定时完成后，电动机开始反转，并同时定时10s，定时器10s完成后，再定时2s。

然后计数器l加l，如此重复正转和反转电动机的循环，并对计数器进行加l，直至计数器为15后，停止电动机的转动，并开启排水阀门，待水排空后，即排空传感器输入信号时，洗衣机开始脱水。

这时定时器定时20s。

之后，计数器2加1。

重复上述洗涤过程，并每完成一次，计数器2加l。

知道计数器2的数值为3，则停止洗涤。

并开启蜂鸣器和定时器，完成2s的蜂鸣。

其流程如图3所示。

（2）全自动洗衣机处于强制停止状态。

全自动洗衣机的“强制停止”具体控制要求如下：

在操作过程中，如果按下“启动／暂停”键，当前洗衣过程暂停，相应的电动机、进、排水电磁阀和脱水设备全部关闭；等到继续时，再次按下“启动/暂停”键在相应的装置处恢复程序，相应的设备再次开启；在操作过程中，若按下“电源”按钮，洗衣过程停止，相应的电动机、进、排水电磁阀和脱水设备全部关闭；完全“停止”后可通过手动“电源”按钮和“脱水”按钮来排水和脱水。

当按“脱水”按钮后洗衣机是自动确定排水和不排水，未排完则自动开启排水电磁阀脱水。

4硬件设计及I/O分配

4.1硬件设计结构连线图

根据以上对全自动洗衣机控制系统设计所提出的要求，PLC控制的硬件设计接线如图所示。

4.2可编程控制器I/O口分配

输入

输出

元件

元件名称

PLC地址

元件

元件名称

PLC地址

SB1

电源按钮

X0

YV1

进水电磁阀

Y0

SB2

启动按钮

X1

YV2

排水电磁阀

Y1

SB3

高水位选择按钮

X2

KM1

洗涤电动机正转接触器

Y2

SB4

中水位选择按钮

X3

KM2

洗涤电动机反转接触器

Y3

SB5

低水位选择按钮

X4

YC

脱水电磁离合器

Y4

SB6

排水按钮

X5