基于PLC全自动滚筒洗衣机控制设计

毕业设计（论文）
题目: 基于PLC全自动滚筒洗衣
机控制设计
院 (系)：机电工程系
专业：电气自动化技术
姓名：宁学尧
学号: 58020220100117 指导教师：段莉
二〇一三年一月一十五日
毕业设计（论文）任务书
毕业设计(论文)进度计划表
本表作评定学生平时成绩的依据之一毕业设计(论文)中期检查记录表
本文介绍了利用三菱FX2N系列PLC对全自动洗衣机控制系统总体控制,阐述了控制方案。

实现全自动洗衣机控制系统总体控制有多种，可以采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路。

近年来随着科技的飞速发展，单片机、PLC的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。

本文采用日本三菱公司生产的FX2N-48MR型PLC作为核心控制器进行全自动洗衣机控制系统的设计，并且设计出了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案。

同时根据全自动洗衣机控制系统总体控制要求和特点,确定PLC的输入输出分配,并进行现场调试。

关键词：PLC 全自动洗衣机控制系统 PLC程序设计
This paper describes the use of PLC FX2N mitsubishi series of automatic washing machine control system, overall control, this paper expounds the control scheme. Realize full-automatic washing machine control system has a variety of overall control, can use the analog and digital early hybrid circuit module circuit or. In recent years, with the rapid development of science and technology, the application of PLC and single-chip constantly to further, while traditional control test technology constantly updated. Based on the production FX2N mitsubishi Japan as the core 48MR - type PLC controller for automatic washing machine control system design, and the system structure and design program instruction, ladder diagram and the input and output terminals of allocation scheme. According to the overall control of automatic washing machine control system, PLC requirements and characteristics of distribution of input and output, and commissioning
Key words: PLC automatic washing machine control system, PLC program design
目录
第一章前言 (1)
第二章全自动洗衣机的基本结构 (2)
第一节全自动洗衣机的原理和构造 (2)
第二节洗涤脱水系统 (3)
第三节排水和进水系统 (3)
第四节电动机及传动系统 (4)
第三章电气控制系统 (6)
第一节控制系统结构 (6)
第二节检测电路系统 (6)
第四章全自动洗衣机控制系统总体控制方案确定 (8)
第一节控制系统的比较 (8)
第二节洗衣机的PLC控制系统概述 (8)
第五章软件设计 (10)
第一节系统的顺序功能图设计 (10)
第二节全自动洗衣机的控制要求 (10)
第三节控制系统顺序功能图 (12)
第四节控制系统的梯形图设计 (13)
第五节程序I/O表 (20)
结论 (22)
致谢 (23)
参考文献 (24)
第一章前言
PLC作为一种通用的工业控制器对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，使用方便灵活，能重复多次使用，编程简单，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，实时监测效果逼真，且与计算机控制容易。

近几年，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，让更多的有需求者使用，使PLC的使用更加灵活与多变，能极大满足每个家庭对于洗衣机不同的需求。

第二章全自动洗衣机的基本结构
第一节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三种类型，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。

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：
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。

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。

不锈钢内桶，波轮式洗衣机采用了不锈钢内桶，减小衣物和内桶壁摩擦力，从而减轻衣物的磨损。

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。

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，使衣物在桶内分布均匀，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）桶套装在盛水桶内的同轴套桶式结构，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：全自动套筒洗衣机内部结构图。

图2.1 全自动套筒洗衣机内部结构图
第二节洗涤脱水系统
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。

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。

第三节排水和进水系统
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）。

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。

第四节电动机及传动系统
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2.2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，再经离合器内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内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。

第三章电气控制系统
第一节控制系统结构
波轮式全自动洗衣机的电气控制系统由于洗衣机型号的不同而不尽相同，但电气控制系统主要有程序控制器，电动机，进水电磁阀，排水电磁阀，水位开关，安全开关及各种功能选择开关等组成的，控制的基本原理也都一样。

全自动洗衣机能实现洗衣的自动化，整个洗衣过程都是在PLC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。

图3.1 波轮式全自动套桶洗衣机控制系统的基本原理方框图
第二节检测电路系统
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，但在洗涤桶内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。

当洗涤桶内注入一定量的清水后将衣物放入桶内，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。

首先使洗涤桶内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。

若桶内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。

第四章全自动洗衣机控制系统总体控制方案确定
第一节控制系统的比较
PLC系统的特点：
（1）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，出现事故几率低。

（2）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。

（3）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。

单片机系统的特点：
（1）单片机对环境的适应能力较低，出现事故情况几率高。

（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，难以掌握。

（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。

第二节洗衣机的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。

典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图4.1所示：
图4.1 PLC控制系统的硬件组成框图
软件设计，大多数用梯形图和指令程序，主要包括；
(1）设计控制流程，根据工艺要求先画出工作循环，如有必要再画详细的状态流程图。

(2）根据工作循环图，画出虚拟的电路图———继电器梯形图；按梯形图编写指令程序表。

(3)系统调试，根据设计要求，对程序进行调试和修改，必要时还可对硬件进
行修改，直到满足要求。

第五章软件设计
第一节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(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。

第二节全自动洗衣机的控制要求
（1）按下电源按钮，系统默认是全程洗涤、中水位。

（2）根据不同的要求进行水位的选择，洗涤程序的选择和洗涤方式的选择。

（3）按下启动按钮。

洗衣机按照随选择的方式进行洗涤，全程如下所示。

如选择标准全程洗涤、高水位，按下启动按钮，进入洗涤程序，首先进水，达
到高水位停止进水并正传洗涤，正转洗涤8秒后暂停2秒反转洗涤8秒后暂停2秒；如此反复10分钟后开始排水，水位降至低水位后延时5秒开始脱水，30秒后停止
脱水，进入清漂过程。

清漂过程与洗涤过程相似。

实施电动机正反的时间不同，清
漂的时间不同。

经过进水—清漂—排水—脱水—第二次进水—第二次清漂—第二
次排水，完成清漂的过程进行最后的脱水，2分钟后停止脱水，报警蜂鸣器间断接
通10次，以示洗衣全过程的结束，关断电源。

（4）水位选择要求水位按钮一次，进行一次水位选择，按照高、中、低循环的
方式进行选择，某个水位被选择时，对应的指示灯亮。

在洗衣的过程中，按水位按
钮都有效，除了排水和脱水状态外，洗衣桶的水位低于选择的水位时将进水。

（5）洗涤程序选择要求按动程序按钮一次，进行一次选择。

按全程洗洗，清漂洗、脱水循环选择，对应的指示灯亮。

洗衣机工作后按键无效。

（6）洗涤方式选择要求按动一次程序选择按钮，进行一次选择，按照标准洗、轻柔洗循环选择，对应的指示灯亮。

洗衣工作后，按此键无效。

（7）如清漂过程中，清漂指示灯断续点亮，显示系统正在进行清漂过程中。

清漂结束，轻飘指示灯熄灭。

洗涤过程、脱水过程与此相同。

（8）洗衣过程中，按下启动/暂停按钮，暂停洗衣，再按按钮，系统从暂停点开始运行。

洗衣过程中按下电源开关按钮，系统复位并断开电源。

第三节控制系统顺序功能图
图 5.1 全自动洗衣机控制系统顺序功能图
PLC运行，系统处于初始状态，准备好启动。

按下启动按钮时开始进水，水满(即水位到达高水位)时停止进水，2s后开始正转洗涤。

正转洗涤30s后暂停，暂停2s后开
始反转洗涤。

反转洗涤30s后暂停，暂停2s后，若正、反洗涤未满5次，则返回从正转洗涤开始的动作；若正、反洗涤满5次时，则开始排水。

排水水位若下降到低水位时，开始脱水并继续排水。

脱水30s即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。

若未完成2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2次大循环。

则进行洗完报警。

报警3s结束全部过程，自动停机。

若按下停止按钮，可以手动排水和手动脱水。

第四节控制系统的梯形图设计
(1)电源按键功能模块
说明：用二分频原理设计，然后加进一个主控电路。

(2)程序选择功能模块：
说明：按下X3，C11加一，然后通过比较指令CMP，若C11<2，则M12接通；
若C11＝2，则M13接通：若C11>2，则M14接通。

然后相应的指示灯亮。

注：M14全程，M13脱水，M12清漂
(3）水位选择功能模块：
说明：其实现和程序选择原理相同，其功能除了实现水位的选择和显示外，增加了步进指令，满足了任务书中的第四点要求，即在洗衣的过程中，按水位按钮都有效，除了排水和脱水状态外，洗衣桶的水位低于选择的水位时将进水。

注：M0高水位，M1低水位，M2中水位
(4）方式选择功能模块
说明：与电源按键同理，采用二分频电路。

注：M25-OFF代表标准洗；M25-ON代表轻柔洗(5）启动/暂停功能模块
说明：采用二分频电路，然后用主按指令
(6）进水—到达选择水位功能模块
说明：相应的水位按键按下，相应的指示灯亮(7）电机正转—电机停止—电机反转步进功能模块
说明：S502代表正转，S503代表停止，S504代表反转，是标准洗还是轻柔洗由M25决定，所选的时间也不同。

(8）排水（时间：到最低水位后再延时5s）功能模块
说明：X7低水位开关按下，表示排到最低水位，然后开始计时5S。

(9）过程脱水功能模块
说明：该步属于洗涤过程脱水30S，相应的指示灯在该脱水过程亮。

(10）最后脱水（标准：2min/轻柔：1min）
说明：相应的指示灯亮，二分频和T1配合，使脱水灯达到闪烁效果。

脱水过程的的时间由标准洗或轻柔洗决定，即由M25的通断决定。

(11）洗涤过程洗涤灯闪烁和清漂过程清漂灯闪烁功能模块
说明：这两步，使Y011（洗涤灯）闪烁，在洗涤过程采用并行分支、汇合编程法，同时执行这两步即可。

清漂过程同理。

(12）最后工作完成报警功能模块
说明：通过不循环地执行S519和S520，达到报警十次的效果。

按下启动按钮S1，X0动合触点闭合，内部辅助继电器R10得电为“1”，同时R10动合触点闭合自锁；R10动合触点闭合使输出继电器Y1得电为“1”，进水阀打开，开始注水。

到高水位检测传感器，K1闭合，使其动断触点X1断开，进水阀关闭；同时X1动合触点闭合，计时器T0开始通电计时，2s后T0动合触点闭合，输出继电器Y2得电为“1”，洗衣机开始正转洗涤；同时计时器T1得电，30s后T1动断触点断开，Y2断电，正转洗涤停止。

同时T1动合触点闭合，计时器T2得电，2s后T2动合触点闭合，输出继电器Y3得电为“1”，洗衣机开始反转洗涤，同时计时器T3得电，30s后T3动合触点闭合，T4得电，2s后T4动合触点闭合，计数器CT100计数1次；T4动断触点断开，计时器T0、T1、T2、T3、T4失电复位，T4失电后其动断触点恢复闭合，T0得电，2s后，Y2得电，开始正转洗涤，如此循环5次，计数器CT100计数5次后，C100动合触点闭合，输出继电器Y4得电为“1”，排水阀打开排水，待排水至低水位检测开关K2时，输入继电器X2动断触点断开，Y4失电为“0”，停止排水，同时X2动合触点闭合，输出继电器Y5得电为“1”，脱水电机运转，开始脱水，同时计时器T5得电，30s后T5动断触点断开，Y5失电为“0”，脱水停止；同时T5动合触点闭合，计数器CT101计数1次。

同时T5
动合触点闭合，使高水位进水阀打开注水，开始第2次大循环，第2次大循环结束后，计数器CT101动合触点闭合，输出继电器Y0得电为“1”，报警器报警，同时计时器T6得电，3s 后T6动断触点断开，Y0失电为“0”，报警停止，自动洗衣过程完成。

其中S2为手动排水按钮，S3为手动脱水按钮，S4为手动停止按钮。

第五节 程序I/O 表
全自动洗衣机系统的输入输出端子地址分配为：
I/O 端子分配
X0：电源开/关按钮SB0 Y0
：电动机正转接触器KM1 X1：启动/暂停按钮SB1 Y1
：电动机反转接触器KM2 X2：水位设置按钮SB2 Y2
：进水电磁阀YV1 X3：程序选择按钮SB3 Y3
：排水电磁阀YV2 X4：洗涤方式选择按钮SB4 Y4
：脱水电磁阀YV3 X5：高水位开关SQ1 Y5
：报警蜂鸣器HA X6：中水位开关SQ2 Y6
：高水位指示灯HL1 X7：低水位开关SQ3 Y7
：中水位指示灯HL2 Y10
：低水位指示灯HL3 Y11
：洗涤指示灯HL4 Y12
：清漂指示灯HL5 Y13
：脱水指示灯HL6 Y14
：标准洗指示灯HL7 Y15
：轻柔洗指示灯HL8
I/O 端子接线图为：
图5.2 PLC I/O端子接线图
该系统采用PLC为控制核心结构合理、测试方法可靠，它具有较强的灵活性，提高了设备运行的可靠性，缩短产品开发周期，保证新产品各项技术开发的同步性，提高了劳动效率，达到了良好的经济效果。

此外，PLC可以重复使用，降低了测试经费。

它的灵活性、操作方便性也方便测试者随时输入、调试和修改控制程序。

PLC又设有串行接口，方便地与计算机进行连接，组成测控系统，给系统的维护和使用带来了很大方便。