基于PLC洗衣机

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目录

1 引言5

2 全自动洗衣机控制系统总体控制方案确定6

2.1 总体控制方案确定6

3 全自动洗衣机的基本结构8

3.1洗涤脱水系统8

3.2排水和进水系统8

3.3电动机及传动系统9

4 电气控制系统9

4.1 控制系统结构9

4.2 控制系统原理9

4.3检测电路系统10

5 主要器件的选择11

5.1 电动机的选择11

5.2 传感器的选择11

5.3 可编程控制器外部设计12

6 软件设计14

6.1 系统的顺序功能图设计14

6.2 全自动洗衣机的控制要求14

6.3 控制系统顺序功能图15

6.4 控制系统的梯形图设计16

6.5 程序语句表18

设计体会 (18)

7 结束语18

致谢19

参考文献20

引言

随着科学技术的和生活水平的提高，科学技术的广泛应用与人们的日常生活当中洗衣服作为一项难于逃避的家务劳动，在洗衣机出现以前，这项劳动充满了艰辛和劳累，每个步骤和过程都是简单的重复，留给人的感受常常是辛苦劳累。而如今，随着时代的发展，洗衣机的发展也经历了巨大的变化。无论那种洗衣机，其原理都是通过电动机驱动波轮转动从而产生水流，再有水流几轮波、滚筒产生力来洗涤衣物。

70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向，让人耳目一新。

90年代，因为电动机调速技术的提高，洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。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，大大的降低了劳动强度。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。这种新型的洗衣机必将在与旧型洗衣机的竞争中表现出巨大的优势，从而无可争议的成为受欢迎的产品。

全自动洗衣机可分为两种：

第一种---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，其产品类型属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。随着计算机技术、控制技术、通信技术继电气控制技术、微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台

第二种---电脑控制洗衣机，它的控制系统是有微型计算机所控制。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统, 专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器, 用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令, 并通过数字的、模拟的输入和输出, 控制各种类型的机械或生产过程. 可编程序控制器及其有关设备, 都应按易于与各种控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。

在电脑控制的全自动洗衣机中，又存在着两种不同的控制方式，即程序控制和模糊控制。因为控制方式的不同，两种洗衣机在结构和原理上都有很大的区别。程序控制洗衣机以洗衣机生产厂家设定的数十种操作程序为基础，用户在使用时可根据洗衣量，布质的轻重以及衣物的脏污程度性质等因素，选择不同的洗衣程序。程序控制全自动洗衣机的控制按钮很多，对程序的选择需要有一定的洗衣经验。

模糊控制洗衣机以其内部设置的各种传感器为信息采集源，对传感器传回的洗衣量，衣物布质，脏污程度以及脏污性质信息进行模糊逻辑推理，从而自动设置相应的洗涤参数，并对洗衣的全过程进行实时的检测与控制。模糊控制全自动洗衣机的洗衣按钮只有很少几个。从控制类型上来说，模糊控制属于智能控制，是自动控制的较高形式，代表着自动控制的发展方向。但是，受自动控制水平的限制，目前的模糊控制洗衣机还不能实现全功能上的模糊控制，另外因

为使用了各种传感器和模糊逻辑控制器，使模糊控制洗衣机的成本远高于程序控制洗衣机。故一般不采用。

2 全自动洗衣机的基本结构

2.1 全自动洗衣机的基本工作原理

自从全自动洗衣机诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种多样，从而使全自动洗衣机显得更加智能化。可编程控制器(PLC>以微处理器为核心，普遍采用依据继电、接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活,而且结构简单，抗干扰能力强。三菱系列可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备更是符合全自动洗衣机控制系统的要求与特点。本设计选择三菱为核心部件，实现了全自动洗衣机控制系统的自动化。

全自洗衣机的洗衣桶<外桶）和脱水桶<内桶）是以同一心安放的，内桶可以旋转，作为脱水用。内桶的周围有许多小孔，使内桶和外桶的水流相通，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。进水时通过控制系统将进水电磁阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过控制系统将排水电磁阀打开，将水由外桶排到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘的正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，控制系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。高、中、低水位控制开关分别用来检测高、中、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。普通洗衣机的工作流程示意图如图1.1

4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动

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。

在此系统中，用户首先设置参数、按下‘启动’键、注水、洗涤、排水、脱水。重复以上动作直到规定的次数，当次数达到后，洗衣过程完成，设置的自动报警系统会发出响声，同时电动机停止工作，洗衣过程结束。如果未经设置而直接按下‘启动’键，则系统按照标准的模式洗涤脱水。

在洗涤、脱水系统过程中，若按下‘暂停’键，则电机停转，电源指示灯闪烁，其他指示灯灭，显示关闭。当取消‘暂停’时，洗衣机继续暂停前的状态工作。在洗涤、脱水时，对应的指示灯用2位数码管显示工作时间。

在洗涤脱水系统中，有PLC控制的系统可以实现控制电路对主电路的控制。当按下启动键后，电动机开始运行，程序在控制系统控制下自动运行。首先，总开关闭合，控制开关闭合，线圈KM1通电，衔铁吸合，主电路中KM1开关闭合，洗衣机实现正转。当KM1闭合后，时间继电器闭合，启动通电延时功能，在这里设置好需要的时间如15s,当正转15s后。开关KT闭合，线圈KM2得电，主电路中开关KM2闭合，从而实现电动机反转，完成洗衣机洗涤系统的反向工作。

2.3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。

PLC投入运行时，系统处于初始状态，启动时进水，水位达到一定高度后，进水停止开始洗涤，一次循环完成后，开始排水，当检测到水位下降到低水位时，开始脱水并继续排水，脱水10s后完成一次进水到脱水的循环。完成3此循环后，自动报警，之后自动停机。

2.4 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。因为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3 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。

4 电气控制系统

4.1 控制系统结构

波轮式全自动洗衣机的电气控制系统因为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。

图4 波轮式全自动套桶洗衣机控制系统的基本原理方框图

4.2 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：

图5 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。

4.3 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

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。

5 主要器件的选择

5.1 电动机的选择

因为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，因为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。因为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。

5.2 传感器的选择

5.2.1 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。

5.2.2 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。

5.2.3 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。

5.2.4 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,因为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。因为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。

5.3 可编程控制器外部设计

5.3.1 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。

5.3.2 可编程控制器I/O口分配

图6 可编程控制器I/O口分配表

5.3.3 外围接线图

图7 可编程控制器外围接线图

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。

6 软件设计

6.1 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。

6.2 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；6.3 控制系统顺序功能图

图 9 全自动洗衣机控制系统顺序功能图

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。

6.4 控制系统的梯形图设计

图10PLC控制系统的梯形图

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。

6.5 程序语句表

图11程序语句表