毕业论文（设计）
论文（设计）题目：基于PLC的全自动洗衣机
控制系统设计
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专业
年级 2011 级
指导教师
2014年5月8日
目录
摘要 (1)
ABSTRACT (2)
第1章绪论 (3)
1.1选题的背景意义 (3)
1.2洗衣机的发展历史 (3)
1.3自动控制的应用领域 (4)
第2章全自动洗衣机的工作原理 (5)
第3章电气控制系统硬件设计 (6)
3.1电动机的控制线路设计 (6)
3.1.1电动机控制电气元件的选择 (6)
3.1.2电动机控制线路图 (6)
3.2 PLC控制系统硬件部分的设计 (6)
3.2.1 PLC输入元件选择 (6)
3.2.2 PLC输入元件选择 (7)
3.2.3 PLCI/O元件分配表 (7)
3.2.4 PLC I/O接线图 (8)
第4章主要器件的选择 (10)
4.1 电动机的选择 (10)
4.2 传感器的选择 (10)
4.2.1 水温传感器的选择 (10)
4.2.2 水位传感器的选择 (10)
4.2.3 浑浊度传感器的选择 (10)
4.2.4 衣质传感器的选择 (10)
4.3 可编程控制器外部设计 (11)
4.3.1 可编程控制器的选择 (11)
4.3.2可编程控制器I/O口分配 (11)
4.3.3 外围接线图 (12)
第5章软件设计 (13)
5.1 系统的顺序功能图设计 (13)
5.2 全自动洗衣机的控制要求 (13)
5.3 控制系统顺序功能图 (14)
5.4 控制系统的梯形图设计 (15)
第6章结束语 (18)
参考文献 (19)
致谢 (20)
摘要
该设计描述了洗衣机由进水、洗涤、排水、脱水、报警到自动停机的循环过程，并设计相应的系统软件，结合相应的硬件系统，提高控制系统的可靠性，全自动洗衣机应用了可编程控制器，它的功能强、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。它结合全自动洗衣机控制系统的要求，进行程序的设计，从主要部件的选择、流程的分析、程序思路的产生来完成本次设计任务。从而实现对可编程控制。
此设计主要介绍了全自动洗衣机的工作原理，控制系统的plc造型和资源的配置，控制系统程序设计与调试。根据全自动洗衣机的工作原理，利用可编程控制器实现控制。
关键词：PLC；洗衣机；全自动；可编程控制器
ABSTRACT
The design is described by the water washing machines, washing, drainage, dewatering, alarm to automatically stop the cycle, and design the appropriate system software, combined with the appropriate hardware system to improve control system reliability, application of a programmable automatic washing machine controller, it features strong, highly reliable, simple to program, easy to use, small size. Automatic washing machine control system which combines the requirements for the design process, from the main part of the selection, process analysis, idea generation process to complete this design task. To realize the programmable control.
This design introduces a fully automatic washing machine works, plc control system modeling and resource allocation, control system programming and debugging. According to the working principle of automatic washing machine, using a programmable controller for control.
Keywords:PLC；washing machine; automatic; programmable controller
第1章绪论
本章阐述了毕业论文选题的背景意义、洗衣机的发展历史以及自动化控制在生活中所体现的应用价值，包括目前的应用范围及发展的前景。
1.1选题的背景意义
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。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
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、甩打这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：辛苦劳累。
1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战有人发明了木制手摇洗衣机。发明者是美国人比尔·布莱克斯。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。
1880年，美国又出现了蒸汽洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。到1911年，美国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。
电动洗衣机几经完善，在1922年迎来一种崭新的洗衣方式“搅拌式”。搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。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。
随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。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。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。
20世纪60年代以后，洗衣机在一些发达国家的消费市场开始形成系列，家庭普及率迅速上升。此间洗衣机在日本的发展备受瞩目。60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机横空出世，让人耳目一新。到80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚……进入90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。
1.3自动控制的应用领域
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家庭控制装置。
PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代家庭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。
第2章全自动洗衣机的工作原理
以日常生活中最常见的波轮式全自动洗衣机为例，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。排水按用来实现手动排水波轮式全自动洗衣机的实物。
图1
第3章电气控制系统硬件设计
3.1电动机的控制线路设计
3.1.1电动机控制电气元件的选择
电动机M 额定电压 380V 额定电流 0.38V
熔断器FU型号 RL1-15
热继电器FR型号 JR0-20/3
3.1.2电动机控制线路图
图2
3.2 PLC控制系统硬件部分的设计
3.2.1 PLC输入元件选择
基于控制系统的要求，需要选定工作方式:控制按钮SB1～SB3、限位开关SQ1～SQ2。
表1
元件名称元件符号元件功能元件参数
限位开关SQ1～SQ2 检测高、低水位使用温度：-20℃～+60℃
最大绝缘电压为：
AC-2500V、50Hz?1min
触点接触电阻≤50毫欧
按钮SB1～SB3 实现启动、停止、
停止排水工作温度：-25℃～+55℃
最大绝缘电压为：AC-2500V、50Hz?1min
触点接触电阻≤50毫欧
3.2.2 PLC输入元件选择
系统输出量为Y0～Y5，一一对应于进水、电机正转、电机反转、排水、脱水和报警，其中排水和脱水通过电磁阀YV1～YV2实现最终控制，电机的正反转通过电动机线圈KM1～KM2实现最终控制，脱水则通过离合器CL实现最终控制，BE控制报警。
表2
元件名称元件符号元件功能元件参数
电磁阀YV1～YV2 分别实现排水和脱水工作温度：-30℃～70℃
最大绝缘电压为：
AC-3000V、50Hz?1min
工作方式：100%ED 交流接触器KM1～KM2 控制电动机正反转交流50Hz或60Hz
额定电压380V
额定电流9～95A
3.2.3 PLCI/O元件分配表
输出元件分配表表3
进水YV1 Y0
排水YV2 Y3 电机正转KM1 Y1
电机反转KM2 Y2 脱水CL Y3
报警BE Y5
输入元件分配表
表4
元件名称元件符号输入点编号启动按钮SB1 X0
手动按钮SB2 X3 高水位开关SQ1 X1 低水位开关SQ2 X2
手动排水SB3 X3 3.2.4 PLC I/O接线图
图3
第4章主要器件的选择
4.1 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范围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。
4.2 传感器的选择
4.2.1 水温传感器的选择
水温检测可用热敏电阻或MTS102 半导体温度检测器。洗衣机水温一般为4 ℃～40 ℃,在该温度范围内MTS102线性好,温度敏感,水温检测常选用它。
4.2.2 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内腔气体变化的压力,驱动内腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁芯在某线圈内移动,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。
4.2.3 浑浊度传感器的选择
浑浊度传感器主要采用红外光电传感器。由红外发射管发出一定强度的红外光,红外接收管在溶液的另一侧接收红外线。红外线在溶液中透光性的大小就决定接收方产生光电电流的大小,光电流经整形放大和数据处理后,就可以判断出水的浑浊程度。
4.2.4 衣质传感器的选择
衣质的检测一般在洗涤之前，且主要用来测定所洗衣物属于棉类还是化纤类。在
一定水位的前提下不同的衣物成分不同,其布阻抗就不同。为了测出衣质,先加入一定的水并让电机转动,突然切断电源,由于惯性作用电机会维持短时间旋转。此时电机处于发电机状态,会产生一定感应电势并逐渐衰减到零。由于衰减速率与布阻抗有一定的线性关系,通过对定子绕组两端电热进行整流和检测,经光电隔离后形成脉冲,脉冲信号多，则布阻抗小,反之亦然。经过几次测量就可以判断出布阻抗,通过推理得出衣质。故选择电阻传感器。
4.3 可编程控制器外部设计
4.3.1 可编程控制器的选择
根据输入信号及输出信号的数量，经过初略计算，输人点数为6点，输出点数为6点；输人、输出信号都是数字量。增加20%备用量，以便随时增加控制功能：输入点数为： 6×(1+20%)=7.2
输出点数为： 6×(1+20%)=7.2
根据I/O点数，可选松下FP0-C16型可编程控制器，其输入点8点，输出点8点，扩展模块可用点数为16点。
4.3.2可编程控制器I/O口分配
表5
输入启动高水位
传感器低水位传感器浑浊度传感器衣质传感
器
停止
PLC输
入
X0 X1 X2 X3 X4 X5 输出Y0 Y1 Y2 Y6 Y3 Y7 Y4 Y5
PLC输出报警器进水控
制阀
正转高
速洗涤
正转低
速洗涤
反转高速
洗涤
反转低速
洗涤
排水控制
阀
脱水
4.3.3 外围接线图
图4
洗衣机要实现衣服的洗涤，漂洗和脱水，就要通过上述动作来实现，而这些动作可以通过PLC控制来实现。同时加上开关和按钮，数码管显示器，蜂鸣报警器和欠电压检测保护电路等，就可以形成完整的PLC控制系统。通过软件编程达到对整个洗衣过程进行检测控制和用户交互。
此外，在少数全自动洗衣机上，以继电器作各电气工作部件驱动电路的电源开关，由PLC控制继电器触点开关的通断，实现洗衣机的程序运转。
第5章软件设计
5.1 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(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。
5.2 全自动洗衣机的控制要求
1）PLC投入运行，系统处于初始状态准备好启动；
2）启动时开始进水；
3）水满(上限位)时停止进水并开始洗涤正转；
4）正转30s后暂停；
5）暂停2s后开始洗涤反转；
6）反转30s后暂停；
7）暂停2s后，若正、反转未满5次时，返回从正洗开始的动作；
8）暂停5s后，若正、反洗涤满5次时则开始排水；
9）水位下降到低水位时开始脱水井继续排水；
10）脱水30s即完成一次从进水到排水的大循环过程；
11）若完成2次大循环，洗完报警3s后自动停机；
12）可以按“停止”按钮实现手动停止进水、排水、脱水及报警；
13）可以按“排水”按钮实现手动排水；
5.3 控制系统顺序功能图
图 5
PLC 投入运行，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。
5.4 控制系统的梯形图设计
图6
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。