毕业设计论文-全自动洗衣机plc设计.doc

《建筑电气控制技术》课程设计

课题 全自动洗衣机PLC设计

系 别： 电气与信息工程学院
专 业： 建筑电气与智能化
姓 名： 张 雷 凯
学 号： 094412156
指导教师： 孙炳海 任琦梅

河南城建学院
2015年6月8日

成绩评定·

一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。

二、成绩

指导教师签字 年 月 日

目 录

1 概述 - 1 -
1.1 洗衣机的工作原理 - 1 -
1.2 全自动洗衣机 - 1 -
1.2洗衣机的智能化 - 1 -
2 设计目的及其设计要求 - 2 -
2.1 工艺要求及动作流程 - 2 -
2.2 控制要求 - 3 -
3 PLC控制系统方案设计 - 3 -
3.1 PLC控制系统设计的基本原则 - 3 -
3.2 PLC的选型 - 4 -
3.2.1 控制功能 - 4 -
3.2.1 I/O模块及点数 - 4 -
3.2.2 PLC输出类型选择 - 5 -
3.3电机拖动 - 6 -
3.4 指示/显示方式选择 - 6 -
3.5 保护措施 - 7 -
4 电路与系统设计 - 7 -
4.1主电路设计 - 7 -
4.1.1 控制电机主电路 - 7 -
4.1.2 PLC控制电路设计 - 8 -
4.2 洗衣机工作流程图 - 11 -
4.3 全自动洗衣机控制系统程序设计调试 - 12 -
4.3.1 编程软件 - 12 -
4.3.2 程序步骤说明 - 12 -
4.3.3 程序清单 - 16 -
5 课程设计总结 - 17 -
参考文献 - 18 -

- 2 -

1 概述
1.1 洗衣机的工作原理
洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉入水中来实现洗净的目的。首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿桶壁上升。在波轮中心处，因甩出液体而形成低压区，又使得洗涤液流回波轮附近。这样，在波轮附近形成了以波轮轴线为中心的涡流。衣物在涡流的作用下，作螺旋式回转，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩擦。又由于波轮中心是低压区，衣物易被吸在波轮附近，不断地与波轮发生摩擦，如同人工揉搓衣物，污垢被迫脱离衣物。其次，当衣物被放进洗涤液之后，由于惯性作用运动缓慢，在水流与衣物之间存在着速度差，使得两者发生相对运动，水流与衣物便发生相对摩擦，这种水流冲刷力同样有助于污垢离开衣物。再次由于洗衣涌形状的不规则，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度和方向都发生了改变，形成湍流。在湍流的作用下，衣物做无规则地运动并翻滚，其纤维不断被弯曲、绞纽扣拉长，衣物相互相摩擦，增大了洗涤的有效面积，提高衣物的洗净的均匀性。
1.2 全自动洗衣机
　　全自动洗衣机是通过水位开关与电磁进水阀配合来控制进水、排水以及电机的通断，从而实现自动控制的。电磁进水阀起着通、断水源的作用。当电磁线圈断电时，移动铁芯在重力和弹簧力的作用下，紧紧顶在橡胶膜片上，并将膜片的中心小孔堵塞，这样阀门关闭，水流不通。当电磁线圈通电后，移动铁芯在磁力作用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小孔流入洗衣桶内。由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔的流通能力，膜片上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。
水位开关实际上是一个压力开关。气室的入口与洗衣桶中的贮气室相联接。当水注入洗衣桶后，贮气室口很快被封闭，随水位上升，贮气室的水位也上升，被封闭的空气压强亦增大，水位开关中的波纹膜片受压而胀起，推动顶杆运动而使触点改变，从而实现自动通断。
1.2洗衣机的智能化
　　智能型模糊控制的全自动洗衣机还可以自动判断水温、水位、衣质衣量、衣物的脏污情况，决定投放适量的洗涤剂和最佳的洗涤程序。当洗衣桶内衣物的多少和质地不同，而注入水使其达到相同的水位时，其总重量是不同的。利用这一点，通过对洗衣电动机低速转动后的惯性测量，可以判断衣质和衣量。方法是：在洗衣桶内注入一定量水后使电机低速运转，平稳后快速断电，洗衣桶在惯性作用下带动电机继续转动。此时，电机绕组产生反电动势，对其半波整流并放大整形后获得一矩形脉冲系列。通过分析脉冲个数和脉冲宽度。就能得到衣质衣量情况。
　　衣物的脏污程度是通过水的透明度来判断的。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。
　　脱水时采用压电传感器。当脱水桶高度旋转时，从脱水桶喷射出来的水作用于压电传感器上，根据这个压力变化，自动停止脱水运转
2 设计目的及其设计要求
2.1 工艺要求及动作流程
洗衣机的应用现在比较普遍。全自动洗衣机的实物示意图如下图1所示。

图1 自动洗衣机示意图
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。排水按钮用来实现手动排水。
2.2 控制要求
PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。
（1） 按下启动按扭及水位选择开关，开始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水。
（2）2秒后开始洗涤。
（3）洗涤时，正转15秒后暂停，暂停3秒后开始反转洗涤，反转洗涤15秒后暂停，暂停3秒。
（4） 如此循环3次后开始排水，排空后（水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水10秒即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。
（5） 若未完成3次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；若完成了3次大循环，则进行洗完报警。
（6）报警10秒结束全部过程，自动停机。
（7） 此外按排水按钮可实现手动排水；按停车按扭可停止进水、排水、脱水及报警。
3 PLC控制系统方案设计
3.1 PLC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，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
1. 最大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，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意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问题和疑难问题。
2. 保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。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：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（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，但新工程的投入、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，一方面要注意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使控制系统简单、经济，而且要使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，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
3.2 PLC的选型
3.2.1 控制功能
1.逻辑控制功能
逻辑控制功能是PLC最基本功能之一,是PLC最基本的应用领域，可取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例。
2.定时控制功能
定时控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值(定时时间)可以在编程时设定，也可以在运动过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确实时控制。
3.计数控制功能
计数控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC为用户提供许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号(计数值到)，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。 计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。
3.2.1 I/O模块及点数
输入/输出接口通常也称I / O 单元或I / O 模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。
PLC输入接口---用户设备需输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器输出的开关量或模拟量(要通过模数变换进入机内)等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理单元能够接收和处理的信号，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据。
PLC输出接口---路将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。
I / O 接口的作用：
电平转换功能：由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。
I / O 接口的类型：
开关量输入/输出接口
模拟量输入/输出接口
输入/输出（I/O）点数：
PLC的I/O点数是指PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数的总和。本次设计的全自动洗衣机需要8个输入点，11个输出点。
3.2.2 PLC输出类型选择
PLC的输出类型有继电器和晶体管两种类型，两者的工作参数差别较大，
1．继电器和晶体管输出工作原理
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中。电磁式继电器是一种机电元件，通过机械动作来实现触点的通断，是有触点元件。
晶体管是一种电子元件，它是通过基极电流来控制集电极与发射极的导通。它是无触点元件。
2．继电器与晶体管输出的主要差别
由于继电器与晶体管工作原理的不同，导致了两者的工作参数存在了较大的差异。
（1）驱动负载不同
继电器型可接交流220V或直流24V负载，没有极性要求；晶体管型只能接直流24V负载，有极性要求。继电器的负载电流比较大可以达到2A，晶体管负载电流为0.2-0.3A。同时与负载类型有关。
（2）响应时间不同
继电器响应时间比较慢（约10ms-20ms），晶体管响应时间比较快，约0.2ms-0.5ms，Y0、Y1甚至可以达到10 us。
（3）使用寿命不同
继电器由于是机械元件受到动作次数的寿命限制，且与负载容量有关，随着负载容量的增加，触点寿命几乎按级数减少。晶体管是电子原件只有老化，没有使用寿命限制。
3．继电器与晶体管输出选型原则
继电器型输出驱动电流大，响应慢，有机械寿命，适用于驱动中间继电器、接触器的线圈、指示灯等动作频率不高的场合。晶体管输出驱动电流小，频率高，寿命长，适用于控制伺服控制器、固态继电器等要求频率高、寿命长的应用场合。在高频应用场合，如果同时需要驱动大负载，可以加其他设备（如中间继电器，固态继电器等）方式驱动。
综上所述：全自动洗衣机控制采用三菱公司的FX2N系列整体式PLC。根据设计要求，故选择PLC的型号为FX2N-32MR001，如图2所示。

3.3电机拖动
单相交流的洗衣机电容运转式电动机的特点：
正转、反转交替运转：电容运转式电动机是把电容器串接在副绕组上，使通过副绕组的电流超前主绕组电流90电角度，从而产生旋转磁场，使电动机转子启动运转。电容运转式电动机实际上是一种两相电动机。正转、反转工作状态相同。也就是说，电动机无论是正转还是反转，都要有相同的输出功率、相同的额定转速、相同的启动转矩及相同的最大转矩等，以达到相同的洗涤效果。
启动性能好:由于洗衣机电动机是在洗衣桶内放人额定水量、额定洗涤物的情况下启动的，故启动负荷比较大，而且需要频繁启动，中洗每分钟大约2次，弱洗每分钟大约4次，这就要求电动机的启动转矩大，启动电流小。启动转矩大，可以缩短启动时间；启动电流小，可以延长定时器的使用寿命。
过载能力强:洗衣机在工作过程中，由于衣物相对于波轮的位置不同及衣物散开还是成团的状态不同，故造成电动机的负荷极不稳定，经常有超负荷的情况出现，这就要求电动机有较强的过载能力。为此，洗衣机的电动机在额定负荷的情况下，主绕组和副绕组的电流夹角不是900电角度，而是设计成1000 -1100电角度。在过载10-30％的情况下，主绕组和副绕组的电流夹角才是90电角度，以获得较强的过载能力。一般规定，洗衣机电动机最大转矩是额定转矩的1.8倍，输出功率为120 W洗涤电动机的最大转矩一般达12-13 kg·cm。
对效率的要求比较低:电动机的效率是指输出功率与输人功率的比，用百分数来表示。输出功率为120 W的洗涤电动机，效率一般规定为50％。也就是说，它的输人功率是240 W。洗衣机是一种短时工作的家用电器，平均每天使用的时候很短，电动机效率低一些，对电能损耗不大，却能获得较大的启动转矩和最大的转矩，以提高洗衣机工作的可靠性并延长寿命。
3.4 指示/显示方式选择
LED发光二极管优点：寿命长、耗能低，价格低廉，应用非常灵活，控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光，不同光色的组合变化多端。
LCD是一种液晶显示器，其有微功耗，显示丰富，质量高，接口简单，超薄轻巧等优点。
CTR的优点是显示面积大，效率高。
综上所述：使用LED比较合适，因为洗衣机上的显示不需要太复杂，LED使用起来简单方便又便宜，而LCD的显示亮度不够，CTR比较占空间使用不方便。
3.5 保护措施
过载保护：就是当电源停电或者由于某种原因电源电压降低过多(欠压)时，保护装置能使电动机自动从电源上切除。因为当失压或欠压时，接触器线圈电流将消失或减小，失去电磁力或电磁力不足以吸住动铁心，因而能断开主触头，切断电源。
热继电器是比较理想的自我保护的设备，在工业应用中一般，都用热继电器来过载保护。
失压保护：就是当电源停电或者由于某种原因电源电压降低过多(欠压)时，保护装置能使电动机自动从电源上切除。因为当失压或欠压时，接触器线圈电流将消失或减小，失去电磁力或电磁力不足以吸住动铁心，因而能断开主触头，切断电源。
过流保护：很多电子设备都有个额定电流，不允许超过额定电流，不然会烧坏设备。所以有些设备就做了电流保护模块。当电流超过设定电流时候，设备自动断电，以保护设备。
4 电路与系统设计
4.1主电路设计
4.1.1 控制电机主电路
全自动洗衣机的PLC控制系统主接线路图如图3所示。通过PLC来实现电动机的正反转，并且实现洗衣机按预先设置的程序自动执行，完成洗衣。当需要手动排水与脱水时，可以强制止自动程序的运行，掏出自动切换到手动操作。
为防止全自动洗衣机在工作过程中，电路发生短路，损坏电动机和电路的各种电气设备，因此在主电路中安装了熔断器，当电路出现短路故障时，能迅速、可靠的断开电源。全自动洗衣机的电机容量较小，主电路中的熔断器可同时作为控制电路的短路保护，所以在主电路中使用熔断器就足够了。PLC部分和开关电源那的熔断器也是为了防止电路过电流，保护电路和电路中的电器元件。
全自动洗衣机在长时间工作下，为了防止电机绕组的温升超过额定值而损坏，采用热继电器作为保护元件，与熔断器搭配使用，可靠地保护电动机。
人机接口部分的按钮等都选择低压电器元件，保护操作者的安全。

图3 主接线路图
4.1.2 PLC控制电路设计
1、I/O口分配表：

类别
元件
端子符号
功能作用
输入
SB0
X0
启动按钮
SB1
X1
停止按钮
SB2
X2
排水按钮
SB3
X3
高水位开关
SB4
X4
低水位开关
SB5
X5
调节水位开关
SB6
X6
中水位开关
SB7
X7
少水位开关
输出
KM6、LED1
Y0
进水口
KM1
Y1
洗涤正转
KM2
Y2
洗涤反转
KM7、LED2
Y3
排水口
KM8、LED3
Y4
内同离合器
KM1
Y5
内筒正转
BELL
Y6
报警
LED4
Y7
启动指示灯
KM3、LED5
Y10
高水位传感器开关
KM4、LED6
Y11
中水位传感器开关
KM5、LED7
Y12
低水位传感器开关
2. 定时器、计数器说明：
类别
器件号
设定值
功能作用
定时器
T0
2S
进水后暂停时间
T1
15S
正传洗涤时间
T2
3S
正转暂停时间
T3
15S
反转洗涤时间
T4
3S
反转暂停时间
T5
10S
脱水时间
T6
10S
报警时间
计时器
C0
3
正、反转洗涤循环次数
C1
3
脱水次数
C2
3
调节水位模式
2、PLC控制电路连接线路图如图4所示：
图4 PLC硬件连接线路图
3、线圈保护装置
全自动洗衣机的排水、进水电磁阀是一个很重要的部件，他的作用控制着排水、刹车带的放松和收紧、棘爪的升起和降落（即棘爪和棘轮的分离）。它的负担很重、受力很大，由于它是双线圈电磁阀，通过机械触点进行切换，在此过程中，触点间存在较为严重的大火现象，因此，触电的烧伤、电腐蚀在所难免，损坏的几率是比较大的。因此在线圈的两端并联了电容与电阻串联的电路构成回路，起到释放线圈中电流的作用。线圈保护装置如图5所示：

图5 线圈保护装置
4.2 洗衣机工作流程图
洗衣机开始洗衣时，在接通电源后，第一步是调节水位，再按启动按钮开关，开始进水，水满（即水位到设定水位）时停止进水。

2秒后开始洗涤。
洗涤时，正转15秒后暂停，暂停3秒后开始反转洗涤，反转洗涤15秒后暂停。

暂停3秒。

如此循环3次后开始排水，排空后开始脱水并继续排水。脱水10秒即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。

未完成3次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；完成了3次大循环，则进行洗完报警。

报警10秒结束全部过程，自动停机。

图6 运行流程图
4.3 全自动洗衣机控制系统程序设计调试
4.3.1 编程软件
编程软件采用三菱公司为其生产的PLC而设计的编程软件GX Developer 8.86版本。适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可编程控制器。支持梯形图、指令表、SFC、 ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，具有异地读写PLC程序功能,结构化程序的编写(分部程序设计)，可制作成标准化程序, 在其它同类系统中使用。
本软件包适用于三菱（MITSUBISHI FA）FX0N/1N/1S/2N/2NC、AnS/AnA、MELSEC-全系列工控PLC系统的程序编制。
4.3.2 程序步骤说明
1、调节水位程序段

启动洗衣机时第一步是调节水位，该洗衣机有三个水位，分别为“少”、“中”、“高”，本程序段将水位默认设为中水位，可以通过按按钮X005来调节水位，顺序为：Y010、Y011、Y012（即：中、高、少），依次循环。
2、启动、手动停止、手动排水程序段

X000表示启动洗衣机，Y007是启动运行指示灯，Y000是进水电磁阀。但按下按钮X000后，Y007和Y000通电，运行指示灯亮起，进水电磁阀开启进水。按下按钮X001起到手动停止运行功能。按下按钮X002起到手动排水功能。
3、到达指定水位开始运行程序段

X003、X007、X006分别为指定高度水位的传感器输入信号，T0为当水位到达指定水位是暂停2S时间。
4、小循环洗衣程序段

暂停2S之后，Y001开始运行（即洗衣机正转洗涤）15S，T2为正转洗涤15S后暂停3S，Y002开始运行（即洗衣机反转洗涤）15S，T4为反转洗涤15S后暂停3S，再跳到Y001正转洗涤，以此循环3次后（即C0为3），Y003导通开始排水。
5、正转脱水和大循环程序段

当排水时水位到达低水位X004感应，使离合器Y004导通，离合器合上，Y005导通开始正转脱水，时间10S后，脱水结束，这时T5为10S，复位C0、Y000到Y005，指令跳到“启动、手动停止、手动排水程序段”开始新的洗涤，直到C1为3时，大循环3次结束。
6、洗涤结束报警程序段

Y006为报警T6为10S报警时间，10S报警结束后，复位C1、Y007，整个洗涤过程结束。
4.3.3 程序清单

5 课程设计总结
在没有做设计以前觉得设计只是对这些天来所学知识的单纯总结，但是通过这次做设计发现自己的看法有点太片面。设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。注重理论与实践的相结合，使自己的学习更上一层楼。
刚开始的时候一点头绪都没有，后来在网上查了很多相关的资料才有了一点想法，根据课程设计的要求一点一点的做，遇到不懂得就查相关的规范或者查阅别人的设计方案。而且这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，通过合作，我们的合作意识得到加强，合作能力得到了提高。
这次课程设计我们还要特别感谢老师对我们的帮助和指导，我们一定会把这次课程设计交给我们的严谨认真的态度和团结协作的精神，发扬到我们今后的学习和工作当中。

参考文献
[1] 蒋金周 全自动洗衣机的PC智能控制 机电一体化
[2] 谢克明，夏路易.可编程控制器原理与程序设计 电子工业出版社
[3] 吴存宏.浅谈PLC在全自动洗衣机中运用 .家用电器科技，2000
[4] 廖常初 可编程序控制器应用技术（第四版） 重庆大学出版社 2002
[5] 自动化网论坛，全自动洗衣机PLC控制

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