基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计Word文档下载推荐.docx

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引言

随着生活水平的日益提高，人们已经不再满足半自动洗衣机的洗涤方式，改为选用全自动洗衣机。

全自动洗衣机通过可编程控制器来实现洗涤过程。

以往以单片机为中心控制系统工作的全自动洗衣机中，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。

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。

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。

第一章概述

1.1全自动洗衣的概述

1.1.1全自动洗衣机的产生与分类

从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打等等，这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常是辛苦劳累。

随着洗衣机、半自动洗衣机和全自动洗衣机的产生，人们对衣物的洗涤已经进入了一种新的时代。

全自动洗衣机就是将洗衣的全过程（泡浸-洗涤-漂洗-脱水）预先设定好N个程序,洗衣时选择其中一个程序,打开水龙头和启动洗衣机开关后洗衣的全过程就会自动完成,洗衣完成时由蜂鸣器发出响声。

目前市场上出售的全自动洗衣机大体分为三类。

发明最早的是前置式侧开门滚筒式洗衣机，这种洗衣机是欧洲发明的，擅长洗涤真丝、棉毛等面料，不缠绕无磨损，在洗涤时保证衣物不受损害，而且有良好的加温措施。

但也有它不好的一面，由于不缠绕无磨损洗涤方式等因素，这种洗衣机洗涤时间长、洗净度差、用水用电量大，是其它洗衣机的几倍，尤其是采用了不锈钢内筒，产生的噪音较大。

这种洗衣机适用于生活水平较高，穿着大体以真丝、纯毛、棉毛之类较高档的面料为主，而且更换衣服较勤的家庭。

发明最晚的洗衣机是亚洲人发明的波轮上开门洗衣机。

这种洗衣机的特点是洗涤时间短，用水量小，洗净度高，是滚筒式的很多倍，由于内筒是塑料材料制成，噪音小，而且上开盖，能使洗涤液反复利用，价格也比较经济。

这种洗衣机适用于居住在绿化较差，空气尘埃量较大，平均每2至3天换一次衣服的家庭，主要以洗净度为主，服装面料以化纤、腈纶为主。

另外一种是美洲人发明的“搅拌式”洗衣机，由于美洲风沙比较大，人们主要穿着牛仔服装之类粗厚面料的服装，所以他们适用搅拌式洗衣机，这种洗衣机洗净度非常高，是波轮式洗衣机的十几倍，但由于洗净度和磨损率成正比，所以很损伤衣物，这种洗衣机市场上很少见。

1.1.2全自动洗衣机的发展前景

全自动洗衣机的发展趋势主要表现在以下几个方面。

首先表现在洗涤方式发生巨大变化。

原先大多侧重于水流的改变、动力的加大。

现在，超音波、电解水、臭氧和蒸汽洗涤的运用，使洗衣机的去污能力从单纯依靠洗衣粉、洗涤剂的化学作用和强弱变化的水流机械作用，向更高层次的健康、环保洗涤方式转变，特别是电解水、超音波技术在洗衣机行业的运用几乎改变了洗衣机的历史——洗衣不用或少用洗衣粉、洗涤剂，减少化学品对皮肤的损害和对环境的污染。

电解水、臭氧、蒸汽的杀菌除味及消毒功能倍受青睐，引发了洗衣机消费健康潮。

另一变化就是高度自动化、智能化、人性化。

从全自动到现在流行的人工智能、模糊控制，只需按一下按钮一切搞定！

同时，用户可以按照自己的洗衣习惯，自主选择时间和方式，自编和记忆程序让用户真正做到随心所欲。

人性化还表现在使用的方便和舒适，如子母分洗洗衣机可以做到不同衣物分开洗；

斜桶和顶开滚筒可以做到取放衣物方便不需深弯腰；

蒸汽烘干功能使得晾晒更加方便，DD直驱电机在节能降噪方面效果更加突出，等等。

另外，大容量成为不变的消费趋势。

前几年，洗衣机容量多为4-5公斤，6公斤的大容量尚很少见。

现在，7公斤的容量已经很普遍，8公斤也正常。

现代人居空间不断扩大，对宽敞、舒适、方便要求更多，大能容小，大容量洗衣机一台可顶一套。

伴随着尖端洗涤技术的革新，所表现出的洗衣方式更加注重健康和个性化，已在市场发展中倍受欢迎。

1.2可编程控制器的概述

可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的。

现已广泛应用于工业控制的各个领域。

它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。

1.2.1PLC的产生和发展

20世纪20年代，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家熟悉的传统的继电器控制系统。

在工业控制领域中一直占据着主导地位。

但是继电器控制系统具有明显的缺点：

设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能弱，通用性差，难于实现较复杂的控制。

到20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模产生的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求；

但由于价格高，输入、输出电路信号不匹配、编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。

1968年，美国通用汽车公司首先提出可编程控制器的概念。

在1969年，美国数字设备公司（DEC）终于研制出世界上第一台PLC。

这是由一种新的控制系统代替继电器的控制系统，它要求尽可能地缩短汽车流水线控制系统的时间，其核心采用编程方式代替继电器方式来实现生产线的控制。

这种控制系统首先在美国通用汽车的生产线上使用，并获得了令人满意的效果。

随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期出现了微处理和微型计算机，人们将微机技术应用到PLC中，使得它能更多地发挥其功能，不仅用逻辑控制取代了硬线控制，还增加了运算、数据传送和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设备。

国外工业界在1980年正式将其命名为可编程控制器（PC,ProgrammableController），简称PC。

但由于它和个人计算机的简称容易混淆，所以现在仍把可编程控制器简称做PLC。

1.2.2PLC的特点

PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动化控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。

用可编程控制器PLC来代替传统的继电器硬件布线控制，使控制系统有了极大的柔性和通用性，同时由于PLC功能齐全，不仅能完成复杂的逻辑控制，而且可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、灵活通用，能在恶劣的工况环境下长时间连续运行，结构简单、编程简单、维护简单、使得系统可靠性大大提高。

可以模拟全自动洗衣机的工作环境，也可以按照自己要求任意设定仪器的工作环境。

第二章全自动洗衣机控制系统整体方案的确定

2.1全自动洗衣机控制系统的要求

本论文描述的是一种全自动洗衣机，它可以自动地完成洗衣的全过程。

全自动洗衣机系统中，用PLC做控制器，完成对洗衣机的智能控制，从而提高系统的自动化程度。

该系统应具有按系统设置自动洗涤功能，根据人工设定洗涤时间完成洗涤的自动控制功能。

PLC主要完成以下功能：

1.检测功能：

（1）检测洗衣的方式：

标准或者是柔和的选择。

（2）检测洗衣时的水位：

高水位或者是低水位的选择。

（3）检测进水是否到了需要的水位，即进水是否完成。

（4）检测排水是否已经完成。

2.控制功能：

（1）控制进水、洗涤、排水、漂洗、脱水等洗衣机的动作。

（2）控制洗涤、漂洗、脱水等的时间长短。

（3）控制洗涤、漂洗等的次数。

（4）控制在洗衣机完成一个动作后到下一个动作的准确转换。

（5）控制完成洗衣时的信号提示。

2.2总体控制方案的确定

2.2.1检测系统的比较和选择

方案一：

由于系统要求检测洗衣方式，洗衣的水位，进排水是否完成等。

可以采用相应的传感器做检测元件，把检测信号传递给PLC，然后由PLC控制相应的开关完成检测控制系统。

方案二：

由于洗衣方式的选择分为标准和柔和两种，可以采用选择按钮来完成检测并直接把选择信号传递给PLC。

对于高低水位的选择，采用水位选择按钮。

而对进、排水是否完成的检测直接采用高、低水位检测开关和零水位检测开关。

比较以上两种方案，方案一，其优点是开关的选取方便，且无特殊要求，但在检查与开关动作之间，需要信号的传递，且用PLC做控制，增加程序的复杂性。

而方案二，检测与动作都由其同时完成，只需把完成信号传递给PLC，减少不必要的信号传递，和PLC的处理时间，更提高了系统的稳定性，只需采用相应的检测开关就可完成信号的检测与动作。

通过比较，本系统采用方案二做检测系统。

2.2.2控制系统的比较与选择

控制系统采用逻辑控制系统。

逻辑控制系统与传统的继电器控制系统相类似，通过相应触点的断开与闭合来控制相应的线圈得电与失电，从而完成对系统的控制。

控制系统采用顺序控制系统。

由于本设计分为多个系统，可采用顺序控制系统，方便的完成系统与系统之间的联系。

在一个系统内也可用转移完成其相应控制系统的功能。

比较以上两种方案。

方案一，因为其结构与传统的继电器控制系统相类似，其理解方法简单，但由于本系统的控制条件多，且结构复杂，大大加大了控制系统的难度。

而方案二，采用顺序控制系统，状态与状态之间的转换明了，只需找出相应的条件，就可直接完成转换功能，让人一目了然。

同时有些程序之间的循环，也可用转换完成，减少程序的复杂性。

通过比较，本系统采用方案二做控制系统。

2.2.3支持结构的比较与选择

目前市场上的洗衣机主要有滚筒型、波轮型和搅拌型三大类。

它们都是通过化学作用、机械作用、时间和温度来洗净衣物的。

采用搅拌型洗衣机。

搅拌型洗衣机依靠装在洗衣桶底部的波轮正、反旋转，带动衣物上、下、左、右不停地翻转，使衣物之间、衣物与桶壁之间，在水中进行柔和地摩擦，在洗涤剂的作用下实现去污清洗。

采用滚筒型洗衣机。

滚筒洗衣机是由滚筒作正反向转动，衣物利用凸筋举起，依靠引力自由落下，模拟手搓，完成对衣服去污清洗工作。

其优点是，洗净度均匀，损衣率低，衣服不易缠绕。

滚筒洗衣机还可加热，能激活洗衣粉中的生物酶，进一步提高洗涤效果。

方案三：

采用波轮型洗衣机。

波轮洗衣机则是依靠波轮的高速运转所产生的涡流冲击衣物，借助洗涤剂的作用洗涤衣物，完成对衣服的清洗工作。

其洗涤力度比滚筒式要高，但是因机械力作用大，易便衣物缠绕打结，磨损度较大。

通过比较，搅拌型洗衣机洗涤效果差，且难以实现脱水功能。

虽然滚筒型洗衣机的洗净度高，损衣率低，但对其控制比较复杂，且价格昂贵。

而波轮型洗衣机，其洗净度适中，价格适中，且能实现脱水等功能，能够完成洗衣机的全自能化。

所以本系统采用方案三做支持结构。

2.2.2系统的结构框图

全自动洗衣机的系统从结构上分，系统由人机界面，电气控制系统（PLC），检测系统，电动机传动系统和支持结构五部分组成。

按照其实现的功能上分，系统分为三个主要系统：

进水、排水系统，洗涤系统和脱水系统。

从结构上看，支持机构主要起到安装和连接洗衣机的各种零件的作用，还具有减振及防护，装饰的作用。

而对于全自动洗衣机系统的设计，其波轮型洗衣机已定，不会对系统的控制产生影响。

所以在本系统的结构框图中，无支持结构。

本系统的结构框图如图2.1。

系统结构框图图2.1

以电气控制系统（PLC）为核心，通过人机界面实现人对洗衣机的控制，电动机传动系统是动力的来源，检测系统接收PLC的控制信号，同时负责对水位等信号的检测与传递任务。

在洗衣机运转过程中，同时人还可以通过人机界面对洗衣机的工作状态进行实时监控。

2.2.3全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。

停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。

排水按钮用米实现手动排水。

第三章全自动洗衣机的基本结构和系统组成

3.1全自动洗衣机的基本结构

全自动洗衣机的基本结构主要分为人机界面，电气控制系统（PLC），检测系统，电动机传动系统和支持结构五部分组成。

3.1.1人机界面

人机界面主要完成人与全自动洗衣机之间的信息交换。

人机界面由启动按钮St，停止按钮Sb，洗涤方式选择按钮Sb1，洗涤水位选择按钮Sb2，排水按钮Sb3，高水位选择指示灯LED1，低水位选择指示灯LED2，标准洗涤指示灯LED3，柔和洗涤指示灯LED4等组成。

同时人机界面还包括报警系统，报警系统主要由蜂鸣器HA来完成报警功能。

3.1.2电气控制系统（PLC）

电气控制系统是全自动洗衣机能够完成自动化的核心，其能够实现洗衣的自动化，在于整个洗衣过程都是在程序控制器的“指挥”下进行的。

电气控制系统主要由PLC做控制器，完成对电动机正、反转的控制和洗衣机智能化的控制。

PLC接收人机界面与检查系统的信号，来控制触点的断开与闭合，通过设定好的程序来控制相应的线圈的断开与闭合，从而完成对电动机、相应指示灯、蜂鸣器等开关的控制。

3.1.3检查系统

检测电路系统主要由检测开关和电磁阀组成。

检测排水是否完成用零水位检测开关St1对其检测并控制开关的闭合。

高水位检测开关St3和低水位检测开关St2分别用来检测高水位状态下和低水位状态下进水过程是否完成，并完成开关闭合动作。

3.1.4电动机传动系统

电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成，离合器又分普通离合器和减速离合器两种，这里采用减速离合器。

洗衣全自动减速离合器，它主要由输入轴，输出轴，输入轴套，输出轴套，自动轮和脱水电磁阀组成。

安装在自动轮内的双套行星齿轮机构及离合销组成。

洗涤时自动轮被完全自动，传动电机双向旋转，同时驱动输出轴及输出轴套相互逆向、双向反复旋转。

托水时，制动轮被完全松开。

传动电机单项连续旋转，减速离合器被自动结合为一体进行离心脱水。

PLC通过对脱水电磁阀的接通与关断的控制，从而控制离合状态。

由于电动机安装在洗衣机中，洗衣机是家用电器，所以其供电电压采用220V的交流电。

从控制要求可知，电动机要实现正、反转转换问题。

考虑到实际问题，采用直流电动机做传动系统的传动机构。

配上整流变压器将220V交流电转换成220V的直流电。

电动机的主电路图如图3.1。

电动机的主电路图3.1

3.1.5支持结构

支持机构主要由箱体，吊杆和控制台组成，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。

3.2全自动洗衣机的系统组成

本设计的波轮式全自动洗衣机采用将洗涤（脱水）桶套装在盛水桶内的同轴套桶式结构，系统主要由洗涤、漂洗和脱水系统，排水和进水系统组成。

3.2.1洗涤、漂洗和脱水系统

洗涤、漂洗和脱水系统主要有盛水桶，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。

洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，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。

本系统的洗涤方式包括标准洗和柔和洗两种。

标准洗：

洗涤时间为670秒，电机正转40秒，停止2秒，反转40秒，停止2秒。

循环8次。

漂洗3回，脱水4回。

柔和洗：

洗涤时间为318秒，电机正转30秒，停止2秒，反转30秒，停止2秒。

循环5次。

漂洗2回，脱水3回。

漂洗：

无洗涤添加剂的洗涤为漂洗。

无论是标准洗还是柔和洗，漂洗的时间都相同。

一次漂洗的时间为318秒，电机正转30秒，停止2秒，反正30秒，停止2秒。

在不同的洗涤方式下，漂洗的次数不同。

脱水系统：

当每一次排水系统工作完成后，脱水系统开始工作。

电器控制系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行脱水。

一次脱水时间为150秒。

电动机在此过程中只做正转。

3.2.3进水和排水系统

排水和进水系统采用了电磁阀控制。

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，即水位开关。

此外电磁阀分进水电磁阀和排水电磁阀，进水阀用于控制洗衣机的进水量，排水阀用于控制排水。

进水系统包括高水位进水系统和低水位进水系统。

当洗衣机需要注水时，PLC控制进水电磁阀Y1开启，洗衣机开始注水。

PLC通过接受到的信息，来选择高水位或低水位进水检测系统。

当水位达到相应的检测系统时，PLC控制进水电磁阀Y1关断，进水系统工作完成。

在一次洗涤过程中，进水系统多次工作。

排水系统主要完成洗涤或漂洗后的脱水工作。

当洗涤或漂洗结束后，PLC控制排水电磁阀开启，全自动洗衣机开始排水。

本系统用零水位检测开关St1来检测排水过程是否完成。

当水位到达零水位点，PLC控制排水电磁阀关断，排水系统工作完成。

同理，在一次洗涤过程中，排水系统的工作次数与进水系统的工作次数相同。

第四章主要器件的选择

4.1电动机的选择

全自动洗衣机的电动机选用直流电动机，电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源。

由于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。

电动机的额定功率选用360W，额定电压为220V的交流电，额定功率为50Hz。

4.2PLC型号的选择

根据控制系统的需要，采用德国西门子公司生产的S7-200CPU226型PLC。

S7-200PLC属于小型PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上集成了24输入/16输出，I/O共计40点，在本程序的设计中，无需扩展I/O模块。

其程序存储器和数据存储器的容量足以满足本设计的需要，无需扩展。

本系统中无模拟量信号，无需扩展模拟量模块。

该种PLC结构紧凑、可靠性高、通用性强，功能完善、操作方便，在一个PLC里面集成了输入端、输出端、操作键盘和显示面板，设计紧凑，所有功能集成在一起，使用简单，十分灵活方便，编程可以通过在微机上面提供的STEP7-Micro/WIN32软件创建、测试、仿真和修改PLC控制程序，然后使用西门子提供的专用电缆非常简单的将程序载入和载出模块。

4.3支持结构的选择

支持机构的器件，也就是洗衣机的机体选用小天鹅的XQB48-510CL+型号的洗衣机，其部件包括：

箱体、波盘、电动机、洗涤脱水桶、电脑操作面板、液体洗涤剂漂白剂注入口、过滤网袋、门盖、干衣机接口、电缆线、进水阀、洗衣粉盒和排水管等。

同时还需要一些系统的配置，如水位开关、定时计数器高速脱水绕组、蜂鸣器等。

4.4全自动洗衣机的示意图

全自动洗衣机的示意图如图4.1

全自动洗衣机的示意图4.1

人机界面主要包括，启动按钮St，停止按钮Sb，洗涤方式选择按钮Sb1，洗涤水位选择按钮Sb2，高水位选择指示灯LED1，低水位选择指示灯LED2，标准洗涤指示灯LED3，柔和洗涤指示灯LED4和蜂鸣器HA。

第五章软件设计

5.1系统的I/O分配

本系统的I/O分配表如表1所示。

洗衣机的启动按钮用St，停止按钮用Sb。

洗衣机通过零水位检测开关St1，低水位检测开关St2和高水位检测开关来检测水位的高度位置（检测开关遇水就通：

ON；

离水就断：

OFF）。

水位选择有一个选择按钮来完成，进水和排水系统由PLC来控制进水阀门和排水阀门动作；

电动机驱动波盘来实现正、反转，电机在快速转换过程中，电势能够快速转换，由于电机内部磁场和电势不是同步换向的，所以在设计控制过程中考虑电机要有一个暂停过程，以便电机可靠地转换电势的方向，否则直接影响洗衣机的洗涤和脱水程序。

利用该PIC设计的全自动洗衣机可根据衣物的洁净程度实现标准洗涤方式或柔和洗涤方式，洗涤方式选择由另一个按钮Sb1来完成。

洗涤水位选择用Sb2来实现，并且用4个LED发光二极管来指示当前的工作状况。

当人为停止洗衣机工作时，由于洗衣机中还有存水，可以通过排水按钮