波轮式全自动洗衣机plc控制论文

1 绪论
1.1选题背景及意义
洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。

随着现代人们生活节奏的不断加快传统的基于继电器控制的洗衣机，已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求了。

洗衣机需要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。

而随着PLC技术的发展，用PLC作为控制器，就能很好地满足全自动洗衣机对自动化的要求，并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。

自动化技术的飞速发展使得洗衣机由初始的半自动式洗衣机发展到现在的全自动洗衣机，又正在向智能化洗衣机方向发展。

1.2洗衣机的发展历史及现状
洗衣机是一种以机洗代替人工搓洗的洗涤设备。

从第一台洗衣机的出现至今已有一百多年的历史，1874年，美国人比尔·布莱克斯发明了木制手摇洗衣机，这是世界上第一台人工搅动洗衣机。

布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。

这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。

1911年，美国又试制成功世界上第一台电动洗衣机。

电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。

1920年美国的玛依塔格公司将洗衣机的木质桶改为铝制桶，第二年又把铝制桶改为外层铸铝、内层为铜板的双层结构，之后又研制成功搅拌式洗衣机，这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。

搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。

不过10年之后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。

这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！直至今日，滚筒式洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。

第二次世界大战后，洗衣机得到迅速发展，首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。

1955
年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。

这种洗衣机由于其波轮安装在洗衣桶底，又称为涡卷式洗衣机。

至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。

近几十年，在工业发达国家，全自动洗衣机技术又得到迅速发展，其年产量及社会普及率均已达到相当高的水平。

目前世界洗衣机年总产量近5000万台，全自动洗衣机产量增长迅速在技术性能上正朝着节水、节能、高效、结构更趋合理的方向发展。

近几年我国的洗衣机制造技术也得到迅速发展，从生产单薄论单筒式、到双筒波轮式逐步向套筒波轮式全自动洗衣机和滚筒式全自动洗衣机方向发展，其中年产量已占洗衣机总量的10%左右。

生产规模不断扩大，技术工艺日趋完善，全自动洗衣机产品质量稳步提高，已生产出技术性能优良的多种牌号的全自动洗衣机供应市场。

1.3自动控制应用领域
现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器简称PLC（Programmable Logic Controller）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。

PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，当然PLC 在其他领域也得到了迅速的发展。

在发达的工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，在我国有越来越多的行业领域开始应用到PLC。

PLC的应用领域主要有数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、通信联网等几个方面。

2全自动洗衣机的系统构成与功能
2.1 全自动洗衣机的概述
全自动洗衣机在结构上大致可分为3种类型，即波轮式，滚筒式和搅拌式。

下面
主要对前两种类型做具体的介绍（尤其是本设计涉及的波轮式洗衣机）：1）滚筒式洗衣机。

这种洗衣机的结构特点是有一个盛水的圆柱形外筒，外筒中有一个可旋转的内筒，内筒壁上开了许多规则排列的小孔，并有几条突出的筋。

衣物投放在内筒中内筒有规律的旋转，突出的筋将衣物带起到一定高度又将衣物抛落在洗涤液中，这样就在桶内完成了洗涤过程。

这类洗衣机洗净度低，机内常设有加热器，加热洗涤液以提高洗净度，这样以来可充分溶解洗衣粉，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，因此其洗涤作用柔和，对衣物损伤较小，适合洗涤毛料衣物。

滚筒式洗衣机属封闭式洗涤，可以有效屏蔽内桶转动声和水流声，因此洗涤过程噪声小。

而波轮式洗涤的水流声，脱水内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。

但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。

2）波轮式洗衣机。

波轮式洗衣机在洗涤过程中衣物是完全浸没在洗涤液中的，依靠波轮连续转动或定时正反向转动的方式形成强烈的涡流进行洗涤。

由于没有加温洗涤的功能，波轮式洗衣机要达到一定的洗净度，都必须有足够的机械力，而机械力对衣物是有损伤的，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。

在水流方面，现在波轮式全自动洗衣机出现了一些新的水流形式。

如LG的拳击棒，松下的双瀑布，荣事达的网络水流等水流方式。

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。

在程序控制器方面，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。

新式的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，但其结构大都是由机械支撑系统，洗涤脱水系统，电动机和传动系统，电器控制系统5大部分组成的。

全自动套筒洗衣机实物及内部结构图
2.2机械支撑系统
机械支撑系统包括外箱体、弹性支承结构、面框等部分。

1)外箱体。

外箱体是洗衣机的外壳，主要是对箱体内部零部件起保护及支撑、紧固的作用。

箱体正前方右下角装有调整脚，保证洗衣机安放平稳。

箱体内壁上贴有泡沫塑料衬垫，用以保护箱体。

箱体上部的四角处装有吊板，用于安装吊杆，电容器通过固定夹固定在箱体的后侧内壁上，电源线、排水口盖、后盖板等也固定在箱体上。

2)弹性支承结构。

全自动洗衣机脱水时，由于洗涤物的分布不均匀是不可避免的，高速离心脱水将使内外桶产生剧烈的震动和晃动，为此，常采用将外桶吊挂在机箱壳上的一种弹性支承结构来减震，即采用四根柔性吊杆将外桶吊挂在机箱的四个角上。

全自动洗衣机采用的一种弹性支承结构如左图所示，吊板固定在箱体上部四角处，外桶吊耳与盛水桶下部相连吊杆穿过吊板及外桶吊耳将两者连在一起。

吊杆为钢丝，上部挂在吊杆挂头上，吊杆挂头可以转动，吊杆下部套着阻尼筒，阻尼筒内装有减震弹簧和阻尼胶碗，如右图所示，阻尼筒挂在外桶吊耳上，可见，四根吊杆通过阻尼筒承受桶体的全部重量，而桶体的重量则将阻尼筒内的减震弹簧压缩。

工作时，由于桶内水的多少不同使减震弹簧的压缩量也不同，桶体的高低位置也不同。

当洗涤、脱水发生振动时，阻尼筒一方面沿吊杆挂头摆动，另一方面沿吊杆上下滑动，这样可以吸收振动能量，减少由于桶体的振动而引起的洗衣机振动，保持整机的平稳工作。

3)面框。

面框位于洗衣机的上部，主要用于安装和固定电气部件和操作部件，面框内一般安装有控制器、进水阀、水位开关、安全开关、电源开关、操作开关等部件。

2.3洗涤脱水系统
洗涤脱水系统主要包括盛水桶、洗涤脱水桶、波轮等部件。

1)盛水桶盛水桶是盛放洗涤液或清水的容器，是用具有耐酸碱、抗冲击、耐热
等性能的塑料注塑成型，并固定在钢制底盘上。

盛水桶底部正中开有圆孔，与离合器上的大水封配合，防止漏水。

桶体底部有排水口，与排水阀相连接，由排水阀控制排放污水。

盛水桶上部离桶口一定距离的桶壁上开有溢水口，用于排出溢水和漂洗时的肥皂泡。

盛水桶下部侧壁上有一空气室，并开有导气接嘴口，通过导气软管与水位开关相连接，控制盛水桶内水位的高度。

2)洗涤脱水桶洗涤脱水桶也称为离心桶或内桶，全自动洗衣机洗涤与脱水是在同一桶内进行，所以该桶既要满足洗涤要求，又要满足脱水要求。

其结构如图5-16所示。

脱水桶内壁上设有多条凸筋和凹槽，洗涤时起到搓衣板似的搓揉作用。

凸筋的另一作用是增强洗涤液的涡漩。

洗涤脱水桶的凹槽内钻有许多小孔，脱水时，水从小孔中甩出，进入盛水桶内而排出。

洗涤脱水桶的内壁上还嵌有回水管，回水管的底部与波轮相配合，洗涤时，随着波轮的旋转，洗涤液被波轮泵出，沿着回水管上升，从回水管上部的出口处吐出，重新回到桶内，这样周而复始地不断循环，洗涤液中的绒毛、线屑等被滤网袋收集。

洗涤脱水桶的上口装有平衡圈，其作用是减少脱水时由于不平衡而产生的振动。

3)波轮。

波轮安装在洗涤脱水桶内，并固定在离合器的波轮轴上。

波轮一般由塑料注塑成型，要求外表光滑、无毛刺、不变形。

波轮是产生水流的主要部件，其形状、高低、大小、安装位置、转速及运转方式等，对洗衣机的洗净比和磨损率起着重要的作用。

2.4传动系统
全自动洗衣机的传动系统由电动机、离合器、三角皮带和电容器组成。

1)电动机。

电动机是洗衣机的重要部件之一。

洗涤时，电动机在程序控制器的控
制下，产生的运转状态是短时的正转一停一反转。

脱水时，通过电动机侧的皮带轮和离合器侧的皮带轮进行减速，带动离合器中的脱水轴作单方向的高速旋转。

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。

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，经离合器内部的行星齿轮减速后，使波轮得到175r/min低转速。

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。

2)离合器。

离合器是波轮式全自动洗衣机的关键部件，主要作用是实现洗涤和漂洗时的低速旋转和脱水时的高速旋转，并执行脱水结束时的刹车制动的动作。

目前大波轮新水流全自动洗衣机通常使用减速离合器，减速离合器主要由波轮轴、脱水轴、扭簧、行星减速器、刹车带、拨叉、离合杆、棘轮、棘爪、抱簧、离合套、外套轴以及齿轮轴等组成。

减速离合器的动作受排水电磁铁的控制，有洗涤和脱水两种状态。

脱水时，此时排水电磁铁吸合，定位套就向上运动一段距离，使得制动杆克服制动弹簧的作用力被推向上方，制动弹簧的中心轴做逆时针方向转动，连接在制动杆另一端的刹车带被迫向下移动，与脱水轴上的刹车盘产生间隙，脱水轴因此失去控制，也就可以顺利的进行脱水转动了。

同时，制动杆将棘爪拨叉上的调节螺钉顶向上方，也就使拨叉克服弹簧的压力，饶弹簧的中心轴做顺时针方向转动，于是棘爪抬起，放松了对棘轮的限制，这样被棘轮扭转一个小角度的方丝离合簧杂自身弹力的作用下恢复原来的位置，抱紧离合套。

当大皮带在电动机的带动下顺时针旋转时，可以产生巨大的摩擦力，使离合套和下半轴（脱水轴）联为一体，脱水工作就可以顺利进行了。

洗涤时，通过减速离合器降低转速带动波轮间歇正反转，此时洗涤脱水桶不转动。

3)电容器。

洗衣机采用的是单相异步电容运转式电动机，电容器是其中一个重要组成部分。

单相异步电容运转式电动机使用的电容器通常为金属化纸介质或聚丙烯薄膜介质电容器，容量为12～15µF，耐压400V以上(交流)，外形有圆柱体形的，也有长方体形的。

2.5进水、排水系统
波轮式全自动洗衣机的进水、排水系统主要由进水电磁阀、排水电磁阀和水位开关等组成。

1)进水电磁阀进水电磁阀称为进水阀或注水阀，其作用是实现对洗衣机自动注水和自动停止注水。

进水阀由电磁线圈、可动铁心、橡皮膜、弹簧等组成，其结构如图所示。

进水阀是一种电磁阀，阀中心是铁心，铁心外为电磁线圈，线圈不通电时，在小弹簧的作用下铁心被压下，封住了橡胶阀上所装的塑料盘中间的泄压孔，这时书从加压针孔进入控制腔，使进水腔和控制腔的水压相等。

由于橡胶阀上部的受压面积大于下部的受压面积，所以橡胶阀被压紧在阀座上起到了封闭作用。

其封闭的可靠性是由铁心所受的压力决定的，贴心的下端与泄压孔接触，铁心的上端受压面积大于下端的受压面积，显然水的压力越大，铁心对泄压孔的封闭压力越大，封闭越可靠。

早水压力低时，阀的封闭性就差，所以对水压有个最低要求，不能低于0.3Mpa。

其主要性能参数如下表所示：
进水阀的技术参数
进水电磁阀的流量特性
2)水位开关水位开关与进水电磁阀配合，根据洗衣桶内水位的高低，控制进水电磁阀的关闭或开启。

水位开关与程控器配合，根据洗衣程序与洗衣桶内水位的高低，控制洗涤电动机的通断。

水位开关是实现进水、洗涤、脱水以至排水的必经之路。

水位开关又叫水位压力开关，它是利用洗衣桶内水位所产生的压力来控制触点开关的通断，其基本结构如图所示。

水位开关由三部分组成：（1）压力传感部分由橡皮膜下部的气室组成；（2）电气开关部分由中间的一组触点、簧片及开关小压簧组成；（3）压力控制部分包括上部的顶心、压力弹簧以及调整压力的凸轮、杠杆等。

水位开关的气室经过软管与洗衣机外桶连接起来。

平时，橡皮膜处于平衡状态，当水注进外桶后，水首先将贮气室封闭起来，一部分的空气来不及跑出而被封闭在贮气室里。

由于贮气室与水位开关的气室间用压力软管相连通，贮气室的压力也就与水位开关气室的压力相同，随着外桶中水位的上升，贮气室、压力软管和水位开关气室间的空气不断的被压缩，随之压强也成比例地上升，这样就把外桶中的水压转换成了空气压力，并作用在橡皮膜上。

当注水到了预定的水位时，气室内的压力也升高到一定值。

当它足以克服压力弹簧通过顶心作用加在动簧片上的力时，就推动动簧片向上移动。

当动簧片移动到预定位置后，开关下压簧将推动动簧片弯到另一个方向，从而使动簧片上的公共触点与常闭触点分离，
而与常开触点接触，这样就向程控器发出了“水位已到”的信号，由程控器来控制进水电磁阀关闭，随即进入洗涤程序。

当完成个洗衣程序后，程控器向排水电磁铁发出信号，排水阀开启并排水。

随着水位的下降，气室内的压力也逐渐减小，在压力弹簧的作用下，顶心和橡皮膜逐渐下移，到了某有程度时动簧片又弯向上方，常开与常闭触点都恢复原位，等待下一个进水程序，此时水位开关虽然复位，但并不影响洗衣机继续排水。

旋转凸轮使杠杆上下移动，从而改变压力弹簧的压缩程度。

如果压力弹簧的压缩长度大，则压力大气室内的压力要高一些才能将动簧片推到预定位置，以次达到控制水位的目的。

3)排水电磁阀排水电磁阀是全自动洗衣机特有的电器部件。

排水电磁阀由电磁铁与排水阀组成，如图所示，电磁铁和排水阀是相互独立的部件，两者用排水阀杆连接起来，在连接板的右端以开口销与电磁铁动铁心连接，而左端钩在排水阀的内弹簧上。

当排水程序开始时，电磁铁由于线圈通电而吸合衔铁，将衔铁心往右拉，排水阀就呈打开状态。

此时盛水桶内的洗涤液便能通过水道和阀门，从排水口流出机外。

在连接板上还用螺栓固定着一个位置可调的定位套，在动铁心吸合的过程中，该定位套
向右运动，拨动了离合器上的制动杆，为脱水做准备。

当电磁铁失电时，排水阀在自身弹簧作用下将铁心拉出，排水阀关闭，洗衣机停止排水。

同时，离合器上制动杆靠制动弹簧的作用恢复原位，为洗涤漂洗过程中波轮转动做好准备。

3电气控制系统
3.1 控制系统结构
全自动洗衣机其特点是能自动完成洗涤，漂洗和脱水的转换，整个过程不需要人工操作。

这类洗衣机均采用套筒式结构，其进水，排水都采用电磁阀，由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令，驱动各执行器件动作，整个洗衣过程自动完成。

所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。

从控制方式的发展阶段上分：全自动洗衣机可分为两大类：
第一类电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成，电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。

第二类是电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。

随着计算机的及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现软件化。

本设计是基于PLC控制系统下波轮式洗衣机的功能实现，属于第二类。

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。

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 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；在脱水过程中如桶内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：
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。

3.3 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。

1）水位传感器
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内腔气体。