基于三菱fx2n系列plc设计的全自动洗衣机.docx
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基于三菱fx2n系列plc设计的全自动洗衣机
电气职业技术学院
自动控制课程设计报告
设计题目：
全自动洗衣机控制系统的设计
专业班级：
学生：
学生学号：
指导教师：
成绩：
2011年月日
摘要
随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，家庭电器全自动化成为必然的发展趋势。
全自动洗衣机的产生极大的方便了人们的生活。
洗衣机是国家电业唯一不打价格战的行业，经过几年的平稳发展，国产洗衣机无论在质量上还是功能上都和世界领先水平同步。
纵观洗衣机市场，高效节能、省水、省电、环保型洗衣机一直在市场上占主导地位。
根据全自动洗衣机的工作原理,利用可编程控制器PLC实现控制,说明了PLC控制的原理方法,特点及控制洗衣机的特色。
PLC的优点是：
可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等，为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。
全自动洗衣机控制系统利用了三菱FX2N系列PLC的特点,对按鈕,电磁阀,开关等其他一些输入/输出点进行控制,实现了洗衣机洗衣过程的自动化。
由于每遍的洗涤,排水,脱水的时间由PLC计数器控制,所以只要改变计数器参数就可以改变时间。
可以把上面设定的程序时间定下来,作为固定程序使用,也可以根据衣物的质地,数量及油污的程度来编程。
该论文就怎样利用PLC来控制全自动洗衣机进行了调查，对其中软件设计、硬件设计等问题进行了分析和研究，实现了全自动洗衣机的正常运行和强制性停止功能。
关键词：
PLC；自动；定时；控制
一、系统总体方案
1.PLC的定义
PLC可编程序控制器：
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。
它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC存中的程序，进行入出信息变换实现控制。
入出信息变换、可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。
入出信息变换靠运行存储于PLC存中的程序实现。
PLC程序既有生产厂家的系统程序（不可更改），又有用户自行开发的应用（用户）程序。
系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。
用户程序由用户按控制要求设计。
什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。
可靠物理实现主要靠输人（INPUT）及输出（OUTPUT）电路。
PLC的I/O电路，都是专门设计的。
输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。
而且与部计算机电路在电上是隔离的，靠光耦元件建立联系。
输出电路外也是电隔离的，靠光耦元件或输出继电器建立联系。
输出电路还要进行功率放大，以足以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等等。
I/O电路是很多的，每一输入点或输出点都要有一个I或O电路。
PLC有多I/O用点，一般也就有多少个I/O用电路。
但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，所占体积并不大。
输入电路时刻监视着输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。
每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。
输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点。
输出锁存器与输出点也是一一对应的。
这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I/O口的寄存器。
它们与计算机存交换信息通过计算机总线，并主要由运行系统程序实现。
把输人暂存器的信息读到PLC的存中，称输入刷新。
PLC存有专门开辟的存放输入信息的映射区。
这个区的每一对应位（bit）称之为输入继电器，或称软接点。
这些位置成1，表示接点通，置成0为接点断。
由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入状态。
2.CPU功能与结构的选择
PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点：
功能与任务相适应，PLC的处理速度应满足实时控制的要求、PLC结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。
全自动洗衣机控制所要求的控制功能简单，小型PLC就能满足要求了。
该控制系统CPU模块可采用CPU-224（AC/DC/继电器）模块，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。
同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带4个数字量输入点和6个数字量输出点，完全能满足全自动洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量和输出模块。
[9]
综上所述此次设计选用三菱FX2N-16MR-001输入点：
8，8继电器输出—型PLC。
3.全自动洗衣机的原理和构造
全自动洗衣机在结构上大致可分为3中类型，即波轮式，滚筒式和搅拌式。
我国的洗衣机在结构上主要有波轮式和滚筒式两类，产品的类型以波轮式为主，其他类型为辅。
首先做一下比较：
滚筒式洗衣机具有如下性能：
1）更好的软化衣物纤维，减小洗涤过程中衣物的损伤和变形，并且还可以使洗后的衣物柔软而蓬松。
2）提高温度来洗涤可充分溶解洗衣粉，加快洗衣粉中弱酸性物质与污物的化学反应速度，提高洗衣粉中酶的活性，同时有利于溶解汗渍，血渍，降低灰尘，油污的粘附作用，从而可在同样的洗净比下大幅度降低洗涤过程对机械力的需求。
3）温度高有利于污物在水中的扩散。
4）高温能有效的杀死一些细菌。
没有加温的洗涤的波轮式洗衣机无论怎样的水流，要达到一定的洗净比，都必须有足够的机械力，而机械力对衣物是由损伤的，这就决定了波轮式洗衣机的磨损率大大高于滚筒式洗衣机。
各种新水流基本原理是一样的，就是尽量以紊乱的水流减小衣物的缠绕，增大水流的冲刷力以用于洗涤，与以前依靠衣物与桶壁和衣物相互之间的摩擦方式相比，水流冲刷对衣物的损伤较小。
4.滚筒式洗衣机特点：
1）磨损低，没有缠绕，机械传动部分简单可靠，寿命长于波轮式洗衣机。
2）自动化程度高，可以自动投放洗衣粉，漂白粉等，为不同质地的棉制品，化纤制品，羊毛制品设计了不同的洗涤程序和洗涤温度，使洗涤更为科学。
设有防皱浸泡功能，可将洗好的衣物浸泡在清水里，到晾晒前再甩干，避免衣物甩干后不能及时取出晾晒而起皱。
1）省水，省洗衣粉。
滚筒式洗衣机不需要水位高过衣物，从而可节约用水，并可减少洗衣粉的投放量。
2）高温洗涤有一定的灭菌作用。
3）洗涤过程噪声小，滚筒式洗衣机属封闭式洗涤，可以有效屏蔽桶转动声和水流声；而波轮式洗涤的水流声，脱水桶转动声是不可避免的且刹车装置和电磁阀动作声音也很大。
由于滚筒式洗衣机的价格大大高于波轮式洗衣机，所以波轮式洗衣机仍然受到普遍欢迎。
波轮式洗衣机的特点：
1）水流方面。
现在波轮式全自动洗衣机出现了一种新水流的形式。
如LG的拳击棒，松下的双瀑布，荣事达的网络水流等都采用了这种水流。
2）程序控制器。
新推出的波轮式全自动洗衣机均采用单片机程序控制器，原来的机械式程序控制器基本上已被淘汰。
各厂家生产的各种型号的波轮式全自动洗衣机的控制程序有所不同。
如在模糊控制的洗衣机中，单片机通过采集水位传感器，布量传感器，光传感器的信号以及电动机的转速，判断出衣物的质地，多少，赃物程度，从而自动调整对衣物进行合理的洗涤。
3）不锈钢桶。
波轮式洗衣机采用了不锈钢桶，减小衣物和桶壁摩擦力，从而减轻衣物的磨损。
4）同心洗。
同心洗是直接把电动机轴与洗衣桶主轴同心安装，直接驱动。
使洗涤和脱水时洗衣桶振动减小，噪声降低。
5）变频波轮式洗衣机可以对不同质地的衣物自动选择不同的电动机转速，从而给不同质地的衣物以恰当的洗涤强度，在保证洗得干净的同时，也最大限度地降低衣物的磨损。
同时还可以在脱水甩干时，由慢到快地启动，使衣物在桶分布均匀，脱水效果好，同时由于衣物均匀分布在洗衣桶的四周，洗衣桶的重心落在轴心上，可以减小振动，降低噪声，但是价格较贵。
波轮式全自动洗衣机通常都采用将洗涤（脱水）桶套装在盛水桶的同轴套桶式结构，虽然它们各自牌号和型号都不同，但其结构都是由洗涤，脱水系统，进，排水系统，电动机和传动系统，电器控制系统以及支撑机构5大部分组成的。
支撑机构主要有箱体，吊杆及控制台组成，它除了安装和连接洗衣机的各种零件外，还具有减振及防护，装饰的作用。
如图所示：
全自动套筒洗衣机部结构图。
图2全自动套筒洗衣机部结构图
二、控制系统分析
1.控制系统原理
程序控制器中存储着多种程序，一旦通过选择开关选好某种程序后，程序控制器便按这种程序自动实施对电动机，进水和排水电磁阀的控制。
安全开关又称为盖开关，在洗衣机运行过程中起安全保护作用，它的功能为：
在洗衣机工作时误开盖，安全开关便会切断电动机电源，自动中断程序；在脱水过程中如桶衣物摆放不均匀而产生大幅度振动时，安全开关自动中断脱水过程，启动蜂鸣器。
按照采用的程序控制器的不同，波轮式全自动套桶洗衣机的电气控制电路可分为电动机驱动式程序控制器和单片机式程序控制器电路。
电动机驱动式程序控制器又称为机械式程序控制器，它具有程序组合量大，工作可靠，抗干扰能力强，而且能直接控制较大电流等优点，单片机程序控制器具有结构紧凑，操作简便，功能齐全，运行可靠等优点。
目前，机械式程序控制器基本上已被淘汰。
用PLC（单片机）控制的全自动洗衣机各种动作典型的系统结构如图所示：
图5全自动洗衣机各种动作典型的系统结构图
PLC在系统中是处于中心位置，水位开关的PLC的输入信号控制开关，进水阀，排水阀和电动机是洗衣机各种动作的执行机构。
其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态；电动机的工作状态也由控制中心PLC给定信号来决定，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。
2.洗涤脱水系统
它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。
盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。
盛水桶固定在钢制底板上，通过4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。
电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。
洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。
波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。
按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm左右）新水流两类。
3.排水和进水系统
波轮式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）。
波轮式全自动套桶洗衣机使用最多的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关3部分组成，用来监视水位的高低。
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。
而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。
进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用，220V交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电磁线圈吸合。
自动打开香蕉阀门，洗衣机里的水就顺着管道流出去了。
断电后，电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出去了。
4.电动机及传动系统
波轮式全自动套桶洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成，离合器又有普通离合器和减速离合器两种。
其中普通离合器用在采用小波轮的套桶洗衣机上，这种洗衣机在洗涤或者漂洗时波轮的转速和脱水时离心桶的转速相同，目前各种大波轮新水流套桶洗衣机普遍采用减速离合器，它在洗涤，漂洗时波轮的转速较慢，而脱水时离心桶的转速较快。
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。
由于一般全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大，因此电动机的功率较大。
采用减速离合器的全自动套桶洗衣机传动系统的原理如图所示：
图3采用减速离合器的全自动套桶洗衣机传动系统的原理图
电动机与固定在离合器下端的大传动带盘之间用V带传动。
经第一级减速后大传动带盘得到150r/min的转速。
当洗衣机处于洗涤或漂洗状态时，再经离合器部的行星齿轮减速后，使波轮得到175r/min低转速。
此时，洗涤（脱水）桶不动。
当洗衣机处于脱水状态时，离合器输出的是未经减速的850r/min的高转速，驱动脱水桶和波轮作同步高速运转。
对于使用普通离合器的小波轮套桶洗衣机来说，有区别的仅仅是离合器部没有行星齿轮减速机构，因此在洗涤或漂洗时其波轮的转速与脱水时的转速时相同的。
5.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。
1）水位传感器
水位检测的精度直接影响洗净度、水流强度、洗涤时间等参数。
2）浑浊度传感器
人工洗衣时可以随时用眼睛检查衣物是否洗净，但在洗涤桶的衣物不断地进行翻滚运行，无法直接捡测衣物的洗净程度。
全自动洗衣机通过采用光传感器检测洗涤液的透光率，从而间接捡测了洗净程度。
在洗衣机排水管两侧分别安装红外发光管和光电接收管。
洗涤前，排水管中充满清水，光电接收管受光导通，以此时光敏三极管输出电压为设定值。
洗涤开始后，衣物上的污垢不断地扩散到洗涤液中，洗涤液逐渐变浑浊，致使透光率降低．相应地，光敏三极管的输出电压也随之下降。
经过一段时间后，该输出电压趋于稳定值，洗涤过程结束，然岳进漂洗阶段。
3）衣质传感器
衣质传感器又叫布质传感器，它是为检测衣物的质地而设置的。
根据衣物纤维中棉纤维、化学纤维所占比例的大小，衣物的布质分为“柔软棉”、“较硬棉”、“棉与化纤”以及“化纤”四个挡。
4）衣量传感器
衣量传感器又称衣物负载传感器，它是用来检测洗衣时衣物量多少的。
当洗涤桶注入一定量的清水后将衣物放入桶，这时让驱动电机以断续通电运转的方式工作一分钟左右。
利用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。
下一步需要做的就是，根据衣物量来设定水位。
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。
在进行衣质检测时。
首先使洗涤桶的水位比设定水位低一个挡级，然后仍按照测衣物量的方法让驱动电机以通断电的方式工作一段时间。
检测每次断电期间衣量传感器发出的脉冲数并求其平均值。
用测衣量时得到的脉冲数减去测衣质时得到的脉冲数，二者之差即可以判别衣质。
若桶的衣物棉纤维所占比例大，脉冲数差就大，若化学纤维所占比例大脉冲数差就小。
5）水温传感器
适当的洗衣温度有利于污垢的变化。
可以提高洗涤效果。
水温传感器装在洗涤桶的下部。
以热敏电阻为检测元件。
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。
三、主要器件的选择
1.电动机的选择
由于家庭提供的电源限制故选单相电容运转式异步电动机。
以3.6公斤全自动洗衣机为例，由于全自动洗衣机的脱水桶直径较大，这一偏心不能不考虑，所以计算时应以洗涤物可能产生前最大偏心为计算依据。
脱水时电机功率比洗涤时要大，在确定电机功率时应以脱水时消耗的功率为依据，也就是说脱水时电机功率就是该洗衣机所确定的电机额定功率。
由于在计算时一些因素如电机转子的转动惯量等没考虑，造成一些偏差，所以3.6公斤全自动洗衣机电机额定功率选为180瓦。
符合全自动洗衣机的功率围120W～250W。
故选择YY104-180型号单相电容运转式电动机，功率180瓦,额定电压220V，转速1350r/min，电流1.7A。
2.传感器的选择
水位传感器的选择
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利用电磁谐振电路LC作为传感器的敏感元件,将被测物体的变化转变为LC参数的变化,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腔气体变化的压力,驱动腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁芯在某线圈移动,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。
四、软件设计
1.系统的顺序功能图设计
全自动洗衣机工作原理：
全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（桶）是以同一中心安放的。
外桶固定，作盛水用。
桶可以旋转，作脱水（甩水）用。
桶的四周有很多小孔，使外桶的水流相通。
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，通过电动控制系统，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。
停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。
排水按钮用来实现手动排水。
2.控制系统顺序流程图
3.I/O分配
I/o分配表
输入
输出
输入元件
名称
输出元件
名称
备注
X0
启动
Y0
进水
YV1
X1
高水位
Y1
正转
KM1
X2
低水位
Y2
反转
KM2
X3
停止
Y3
排水
YV2
Y4
脱水
KM3
Y5
报警
4.I/o接线图
5.控制系统的梯形图设计
6.控制系统指令表
总结：
通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。
既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了再实践中遇到的问题怎样用理论去解决。
几天的课程设计，让我加深了对PLC的认识和理解，也知道了PLC应用于工业控制的优点所在，更重要的是让我看到了自己知识的匮乏，也坚定了以后要不断的学习，不断的向身边的人虚心请教，同时要借助图书馆和网络来扩充自己的知识面和决心。
在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。
有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作花大量的时间才能解决。
自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。
为在以后的工作积累了经验，增强了信心。
参考文献：
[1]王兆义.可编程序控制器教程.机械工业，1993；
[2]鲁远栋.PLC电机控制系统应用设计技术.电子工业.2006；
[3]廖常初.PLC使用技术问答（S7-200）电子工业，2006；
[4]王永华.现代电气控制及PLC应用技术.航天大学.2008；
[5]克明、夏路易主编，可编程控制器原理与程序设计.电子工业；
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