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1、1 概述目前中国洗衣机市场正进入更新换代期，市场潜力巨大，人们对于洗衣机的要求也越来越高，目前的洗衣机主要有强弱洗涤功能、进排水系统故障自动诊断功能、暂停等七大功能，在许多方面还不能达到人们的需求。这就要求设计者们有更高的专业和技术水平，能够提出更多好的建议和新的课题，将人们的需要变成现实，设计出更节能、功能更全面、更人性化的全自动洗衣机。目前的洗衣机都没有实现全方面的兼容，大多洗衣的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特长，突出一两个与别的洗衣机不同的个性化的功能，洗衣机的各项功能是PLC控制实现的，控制功能灵活，因此，设计出基于PLC全自动洗衣机控制电路系统具有很强的实用性。本设计采用物美价廉的三
2、菱为控制核心,为保证洗衣机及人身安全,设计了蜂鸣报警电路.功率驱动电路由可控硅实施对电动机,进水阀,排水阀的控制.本设计只设计了全自动洗衣机的基本功能,其他的一些功能可在原有的基础上扩展升级,使全自动洗衣机能更加智能化,更加完善.我们是采用PLC可编程控制技术设计的全自动化洗衣机。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
3、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。它能实现的功能有：首先系统处于初始状态时，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，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
4、过程。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。报警10秒结束全部过程，自动停机。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。全自动洗衣机的实物示意图如下图1所示。图1 全自动洗衣机的实物示意图全自动洗衣机有各种洗涤程序,可供自由选择,工作时间可任意调节，而且工作状态及洗、脱时间在面板都有显示,能自动处理脱水不平衡(具有各种故障和高低电压自动保护功能),工作结束或电源故障会自动断电,无需看管,确保安全。它还具有浸泡,手洗水流功能。它省时省力，操作简单，非常方便的适用于人们的日常生活中，给人们带来了更多的好处。
5、2 总体方案设计21 拖动方案选择拖动方式主要由液压拖动、电机拖动和气压驱动等。液压驱动以高压油液作为工作介质。驱动机构可以是开环的，也可以是闭环的，可以是直线的或者旋转的。液压油液可达到较高压力，使机构体积小，能得到较大的推力或转矩，适用于大型机器人和大负载。其优点为工作平稳可靠，噪声低。压力流量可调，无需减速齿轮，易实现自动控制。具有自润滑性能，机械效率高。缺点为油液粘度受温度变化影响，性能不稳定,且高温容易引起燃烧爆炸等危险。液体存在泄漏，应用场合受限制。需要专门的供油系统，成本高，需要维护。以电动机作为原动机拖动机械设备运动的一种拖动方式。又称电气传动。由于电能获得方便，使用电动机的设
6、备体积比其他动力装置小,并且没有汽、油等对环境的污染,控制方便，运行性能好，传动效率高，可节省能源等。所以，80以上的机械设备，应用电力拖动电力拖动装置由电动机及其自动控制装置组成。自动控制装置通过对电动机起动、制动的控制，对电动机转速调节的控制，对电动机转矩的控制以及对某些物理参量按一定规律变化的控制等，可实现对机械设备的自动化控制。采用电力拖动不但可以把人们从繁重的体力劳动中解放出来，还可以把人们从繁杂的信息处理事务中解脱出来，并能改善机械设备的控制性能，提高产品质量和劳动生产率。按电动机供电电流制式的不同，有直流电力拖动和交流电力拖动两种交流电动机没有机械式整流子，结构简单、使用可靠,有
7、良好的节能效果,在功率和转速极限方面都比直流电动机高。在所有的驱动方式中，气压驱动是最简单的，在工业上应用很广。在机器人中主要应用于1/2自由度的开关类型关节。气动执行元件既有直线气缸，也有旋转气动马达。它具有压缩空气粘度小，容易达到高速、操作简单、可完成大量的点位搬运操作任务、无需专用气源，系统成本低廉、空气介质清洁无污染、工作压力低，气动元件成本低等特点。它同时也有压缩空气工作压力低输出推力小、工作平稳性差，速度控制困难，位置控制困难的缺点。在本次设计中采用电机拖动方式。22 控制方式选择控制方式有多种，目前普遍使用的有PLC控制、单片机控制和FPGA控制。PLC由于采用现代大规模集成电路
8、技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容
9、易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。PLC由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。单片机与通用微型计算机相比较，它在硬件结构、指令设置上均有其独到之处。单片机中的存储器ROM和RAM是严格分工的。ROM为程序存储器，只存放程序、常数及数据表格。而RAM则为数据存储器，用作工作区及存放变量。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储空间，把已调试好的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中，这样，小容量数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加快单片机的执行速度。但单片机上RAM
10、是作为数据存储器用，而不是当作高速数据缓冲存储器（Cache）用。单片机采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机的逻辑控制能力要优于同等级的CPU，持别是单片机具有很强的位处理能力。由于体积小、成本低、运用灵活、易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电仪一体化。它可用于工业控制、仪器仪表、电讯技术、办公自动化和计算机外部设备、汽车与节能、导航与控制等领域。FPGA是现场可编程门阵列，其可以设计为各种逻辑功能，设计灵活。当然它也可嵌入各种CPU做为处理器，如8051，ARM，NIOS_ii等等构架的CPU。其优点是并行处理，因此速度快，适合与高速场合，例如图像，视频
11、数据采集与处理。在本次设计中，鉴于以上几种控制方式，选用PLC控制方式。23 工作方式选择控制方式主要有知道自动工作、半自动工作和手动工作。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。手动控制方式是指每一操车设备的动作在满足闭锁条件下,靠人工控制操作台上的相应按钮来实现的.而在自动控制方式下,只要每一操车设备的动作满足了相应的闭锁逻辑条件,该动作就会自动完成,此时操作台上的指令按钮功能失效。半自动指的是
12、在安全区可以由操作人员手动调节，到工作区则由系统控制。全自动洗衣机主要是采用自动控制方式，为了紧急情况和检修，同时采用手动控制方式。24 信号检测装置选择 信号检测是针对反应偏差问题的一种系统研究测试方法。信号检测并不严格地关注感觉过程，而是强调刺激事件出现与否的决策判断过程。本设计采用控制阀来检测水位。洗衣机控制面板的水位控制阀有一根细管与洗衣机内桶的底部侧面相通。当洗衣机加水时， 管内空气被压缩，当达到一定压力时，推动控制阀内电源铸点相通。控制阀水位高、中、低所需要压力不同。所以能控制不同水位。25 保护措施1、短路保护电气设备由于各种原因相接加相碰，产生电流突然增大的现象叫短路。短路一般
13、分为相间短路和对地短路两种。短路的破坏作用瞬间释放很大热量，使电气设备的绝缘受到损伤，甚至把电气设备烧毁。大的短路电流，可能在用电设备中产生很大的电动力，引起电气设备的机械变型甚至损坏。短路还可能造成故障点及附近的地区电压大幅度下降，影响电网质量。短路保护应当设置在被保护线路接受电源的地方。电气设备一般采用熔断器、自动空气开关、过电流继电器等作为短路保护措施。2、过负荷保护过负荷保护是指用电设备的负荷电流超过额定电流的情况。长时间的过负荷，将使设备的载流部分和绝缘材料过度发热，从而使绝缘加速老化或遭受破坏。设备具有过负荷能力即具有一定的过载而又不危及安全的能力。对连续运转的电力机都要有过负荷保
14、护。电气设备装设自动切断电流或限止电流增长的装置，例如自动空气开关和有延时的电流继电器等作为过负荷保护。 3、欠压和失压保护电气设备应具有在电网电压过低时能及时地切断电源，同时当电网电压在供电中断再恢复时，也不自动起动，即有欠压、失压保护能力。因电力设备自行起动会造成机械损坏和人身事故。电动机等负载如电压过低会产生过载。通常电气设备采取接能器联锁控制和手柄零位起动等作为欠压和失压保护措施。4、缺相保护所谓缺相，就是互相供电电源缺少一相或三相中有任何一相断开的情况。造成供电电源一线断开的原因是：低压熔断器或刀闸接触不良；接触器由于长期频繁动作而触头烧毛，以至不能可靠接通；熔丝由于使用周期过长而氧
15、化腐蚀，以致受起动电流冲击烧断，电动机出线盒或接线端子脱开等等。此外，由于供电系统的容量增加，采用熔断器作为短路保护，结果也使电动机断相运行的可能性增大。为此，国际电工委员(IEC)规定：凡使用熔断器保护的地方，应设有防止断相的保护装置。在本次设计中，为了保护人身安全和洗衣机，主要采用熔断器，在线路上有其他的保护措施，例如空气开关等。3 主电路设计洗衣机的主电路图如图2所示。整个线路的工作原理为：接触器KM1主触点得电闭合时，电机M正转运行，接触器KM2主触点得电闭合时，M反转运行。为防止全自动洗衣机在工作过程中电路发生短路、过载，损坏电动机和电路中的各种电气设备，因此在主电路中安装了熔断器和
16、热继电器，当电路出现短路故障时，能迅速、可靠的断开电。图2 主电路4 PLC控制系统设计41 控制系统组成框图 控制系统组成框图如图3所示。图3 控制系统组成框图自动洗衣机的进水、洗衣、排水和脱水是通过水位开关、电磁进水阀和电磁排水阀配合进行控制，从而实现自动控制的。水位检测设备用来检测水的低高位，检测到信号后，控制相应设备的动作；电磁进水阀起着通/断水源的作用。进水时，电磁进水阀打开，将水注入；排水时，电磁排水阀打开，将水排出；洗衣时，洗涤电动机启动；脱水时，脱水桶启动。4.2 PLC的选用依据系统资源分配以及I/O分配表，同时继电器式的输出接口可用于交流和直流两种电源，接通、断开的频率低，
17、故选择三菱FX2N-32MR模块。由于CPU模块有16点数字量输入，有16点数字量输出，所以不再需要输入/输出模块。采用I/O 分配自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是X0X15，输出端子对应的输出地址是Y0Y15。 4.3控制流程图根据控制要求，画出控制流程图4所示。图4 控制流程图4.4 I/O通道分配I/O通道分配包含输入地址分配和输出地址分配。（1）输入地址分配洗衣机控制系统主要是数字量控制。系统数字量输入有启动按钮、停止按钮、手动排水开关、高水位开关水、低水位开关共5个输入控制信号，需要5个PLC的输入端点。控制电器与PLC端点关系如表1所示。表1 输入地址分配表PLC输入
18、地址对应洗衣机控制电器电器元件代号X000停止按钮SB1X001启动按钮SB2X002手动排水按钮SB3X003高水位选择开关SQ1X004低水位选择开关SQ2(2)输出地址分配洗衣机控制系统的执行电器有进水电磁阀、排水电磁阀、电动机正转接触器、电动机反转接触器、脱水电磁离合器、报警蜂鸣器等6个，需要PLC的6个输出信号控制，即需要6个PLC输出端点。执行电器与PLC端点关系如表2所示。表2 输出地址分配表输出地址对应外部设备继电器元件代号Y000进水电磁阀YV1Y001洗涤电机正转接触器KM1Y002洗涤电机反转接触器KM2Y003排水电磁阀YV2Y004脱水电磁离合器YV3Y005报警蜂鸣
19、器HA由表1和表2可知，洗衣机控制系统需要PLC提供5输入通道和6个输出通道，FX2N-32MR系列产品设置有16个输入通道和16个输出通道，因此采用此系列产品能够满足控制要求。4.5 定时器和计数器分配洗衣机洗衣过程控制中，需要使用多个定时器和计数器进行洗衣工作状态转换控制，故对它们也需要依据使用目的进行分配，定时器与计数器的使用如表3所示。表3 定时器和计数器分配表类别元件设定值作用定时器T020进水到位暂停T1150正转洗涤计时T230正转暂停T3150反转洗涤计时T430反转暂停T5100排水计时T6100报警计时计数器C03正、反循环洗涤次数C13脱水（大循环）计数4.6 系统接线图
20、PLC控制的全自动洗衣机共用到了5个输入口和6个输出口。输入口分别控制操纵洗衣机工作的按钮和开关，输出口连接的是进、排水电磁阀和洗涤电动机及脱水桶和报警器。其整体外部接线图如图5所示。图5 系统外部接线4.7 状态转移图根据系统接线图，画出状态转移如图6所示。图6 状态转移图4.8 梯形图设计梯形图的单元设计如下:按下启动按钮X1时，S20初始化。按下停止按钮X0，采用区间复位ZRST指令使洗衣机停止工作。启动和停止的梯形图如图7所示。图7 启动、停止程序梯形图按下启动按钮X1，状态元件S20驱动进水电磁阀YV1输出线圈Y000，洗衣机进水，按下X2可以实现手动排水，水到达高水位时X3闭合，状
21、态元件S21驱动定时器T0延时2S. 梯形图如图8所示。图8 进水及手动排水程序梯形图延时到后，状态元件S22驱动接触器KM1闭合，驱动输出线圈Y001电动机M正转，开始洗涤。延时15S，再暂停3S后，状态元件S24驱动接触器KM2闭合，驱动输出线圈Y002电动机M反转。同样洗涤15S，在暂停3S。通过计数器C0和定时器T4的控制，如此洗涤3次。梯形图如图9所示。图9 正反转程序梯形图洗涤3次后，状态元件S26驱动输出线圈Y003,开始排水。低水位开关X4，脱水离合器YV3驱动输出线圈Y004，开始脱水。通过计数器C1计数3次，洗涤完成，状态元件S27驱动线圈Y005报警10S结束整个洗衣机的
22、洗涤。脱水和报警结束梯形图如图10所示。图10 脱水及报警结束程序4.9 程序指令表见附录二。设计小结通过本系统的设计，我对三菱FX2N系列PLC的特点有了深入的理解。全自动洗衣机控制系统利用了三菱FX2N系列PLC的特点，对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入输出点进行控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。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
23、 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。经过这次课程设计我也学到了很多，不光是知识本身还有思维过程的锻炼。比如，在这次设计中我就发现自己的想法太片面，缺乏开放性。我明白了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。在设计的过程中，如对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，基本上算是把所学过的知识又重新温故了一遍。参考文献1 史国生.电气控制与可编程控制器技术（第三版）M. 化学工业出版社, 2010.52 汪志峰.可编程序控制器原理与应用M.北京:西安电子科技大学出版社,2004.23 廖常初.可编程序控制器应用技术（第四版）M. 重庆大学出版社, 2002.5致谢感谢罗老师对我们一个学期的悉心教导以及对此次课程设计的耐心批改。罗老师的严谨作风和一丝不苟的教学态度，让我受益匪浅，使我从中学到了不少知识和PLC编程技巧，也增加了不少的课外知识。让我对PLC技术有了一种框架感，懂得了如何方便快捷高效的作好设计。同时也感谢那些给与我帮助的所有同学们。附录一 梯形图附录二 指令表
