基于PLC控制自动洗衣机设计

机电一体化专业设计交流

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一、摘要

  该设计使用可编程控制器作为主要控制组件，并使用计算机编程来模拟和控制洗衣机自动控制系统。本文主要介绍洗衣机的内部和外部结构，还包括对自动洗衣机使用的控制系统的详细分析。在这种情况下，基于PLC和模型的洗衣机管理计划说明了洗衣机的工作原理，开发了洗衣机的工作程序和工作程序，并控制了所有其他进/出点，以实现洗衣布的洗涤过程。由于洗衣机的洗涤，干燥和干燥时间是由PLC中的计数器控制的，因此洗涤，干燥时间和排水系统将被更改，更改其计时器参数。此外，还对软件设计和硬件设计进行了分析和研究，了解了其正常运行的简单模式和全自动洗衣机关机功能。该技术的特点是高安全性，高可靠性，高智能性，高灵活性和高便利性。
关键词：PLC自动；定时器；控制；

二、绪论

  本章介绍了本主题的背景和重要性，以及洗衣机的发展历史以及在生产和工业生活中实施自动控制的成本。还有现在的自动洗衣机的应用能力还有发展的势头。

1.1 选题背景

  洗衣机在我们日常生活中都是一种常见的家用电器，它已经成为了我们每个人生活中不可或缺的生活电器。在其他生产生活中的应用也非常的广泛。但是，由于上一代洗衣机是通过继电器操作的，因此在洗衣机的自动操作方面无法满足我们的要求。 这就是为什么现代洗衣机必须更好地满足人们的自动化需求的原因，因此我们必须依靠自动化技术的发展。 随着PLC技术的发展，使用PLC作为控制器可以满足我们对自动洗衣机自动化的要求。 该技术的控制方法灵活多样，控制方式也可以相应改变。 在各种场合中的应用在自动化技术飞速发展的世纪，洗衣机已从原始的半自动洗衣机发展到全自动洗衣机，在我们这个时代，它正向智能洗衣机发展。这必将是一次智能化的飞越。

1.2 自动洗衣机发展概况

  从最开始的原始阶段到现代化阶段，在洗衣机问世之前，洗衣是我们生活中不可避免的一部分，因为对于我们许多人来说，正如一首美丽的诗中所描述的那样，洗衣并不充满欢乐和兴奋，普通的工作常常使人疲惫不堪。1874年，手洗衣服遇到了从未拥有的挑战，然后一个用木头慢慢地发明了木制的洗衣机。 发明人是美国的比尔·布莱克斯。 由这个美国人发明的洗衣机的结构非常简单。 他在木制机器上安装了6个木柄，并使用机械转移手柄和杠杆来不断更换管道中的织物，实现洗衣服的目的，这个机械逐渐成为人们生活的一部分。就让那些为了提高生活效率冥思苦想的人士收到了很大的启发，洗衣机的改进历程开始加快了脚步。
  全自动洗衣机是一种需要两个步骤才能放置和打开洗衣机的设备。设备和所有其他洗涤程序将自动检查并完成。 1874年，比尔·布莱克斯（Bill Blackstone）发明了世界上第一本美国历史记载中的木制洗手机。 1911年，美国人发明了世界上第一台电动洗衣机。第二年，将铝制容器转变为双重结构，外层为铝铸件，内层为铜板。 1936年，他们再次使用搪瓷用作了洗衣机桶体。在本世纪，洗衣机出现在世界各地。同时，欧洲国家开发了喷射洗衣机和滚筒洗衣机，1932年以后，一家美国公司设法生产出了第一台这种全自动洗衣机，可以在同一滚筒中自动进行洗涤，脱水和排水，从此洗衣机到了新的高度。这些全自动的新型洗衣机在欧洲，美洲和其他地方被广泛使用。后来，在第二次世界大战结束后，洗衣机迅速发展，并且出现了独特的脉冲式洗衣机。该洗衣机垫圈安装在洗衣机桶的末端，也称为滑动洗衣机。近几十年来，在工业化国家，全自动洗衣机的技术发展迅速，社会生活中生产能力的总体生产和使用水平很高。目前，全世界洗衣机的数量估计约为5000万，随着洗衣机在节水，节能以及高效领域的发展，全自动洗衣机的发展趋势明显。其结构在技术性能上更智能，在计算机控制功能，新的洗涤方法，快干和低噪音方面已取得了显着改进。近年来，我的家用洗衣机技术已从单浴和双浴洗衣机的生产迅速发展到全自动洗衣机和半自动洗衣机。全自动洗衣机的生产量约为洗衣机总产量的10％。生产规模不断扩大，技术越来越先进，产品质量不断提高，制造出了具有良好技术性能的不同品牌的全自动洗衣机，从而对人们的生活需求进行了满足。

1.2.1 洗衣机驱动方式的历程

  在20世纪60年代以后，洗衣机在日本的发展备受瞩目。另外，洗衣机在某些发达国家的消费市场中正逐渐成为主流，几乎所有家庭都在使用它们，这大大提高了其普遍使用水平。 “半自动洗衣机”实现了脱水桶和洗涤桶的分离。在1970年代，生产了带有脉冲容器的全自动洗衣机。在1970年代后期，微型计算机被用于操作全自动洗衣机，这是一种引起了所有人注意的新型洗衣机。直到1980年代，模糊控制应用程序才使洗衣机更简单，功能更完整，洗衣机程序更可调，外观更时尚。结果，在上世纪90年代，汽车的速度控制技术得到了极大的改进，洗衣机进行了各种各样的修改和速度调节，并且出现了许多新的洗衣机。从那时起，随着电机技术的发展和进步，日本一直在生产不带旋转和变速机构的直接驱动式洗衣机。可以说，这是发动机转换的历史性创新。

1.3控制系统的选择

  这取决于自动洗衣机管理系统的安全性，可扩展性和可靠性，而自动洗衣机管理系统是当今最受欢迎的洗衣机管理系统。主要有PLC控制、单片机控制以及工业控制计算机集中控制等类型。随着社会的不断进步，随着集成芯片技术的不断发展，特别是单片机的普及，自动洗衣机由计算机芯片和外围芯片组成。 即使单片机具有体积小，能耗大和实时管理功能强的优点。 但是需要开发工具来开发软件和硬件。 其次，该系统难以修复。 在设计控制系统设备时，自学习和书写，清洗，冲洗和其他应用程序不可用，但是其他管理方法更加复杂。 您有多种类型的保护设备，例如过流保护，过载保护。 关于电压保护，过流保护和电气保护，这增加了硬件的复杂性，显示出更高的故障率，并增加了进一步维护的成本。    
   PLC在控制方面具有设计、施工、调试周期短的优势。利用PLC去完成一项控制工程时，本身它的硬件、软件齐全，并且在设计和施工可双向同时进行，大大缩短了运转周期。更容易实现机电一体化。另外PLC的结构方面紧凑，且体积小，重量也比较轻，可靠性很高，抗振防潮和耐热能力也很强，各方面的优势让它更适合于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。PLC控制洗衣机有一个特别的独特之处就是它的洗衣程序。第一它是采用了一种顺序控制的系统程序；其次洗衣机的洗涤、漂洗、排水、脱水时间都是由PLC内的计数器和定时器中参数来实现控制的，改变了计数器和定时器参数大小就可改变整个程序时间长短；还可以根据改变PLC的型号、衣物的质地、数量及脏污程度来实现洗涤的轻重程度功能；那么实现进水、洗涤、漂洗、排水 脱水的顺序控制可以通过修改洗衣程序来进行控制；最后在设计过程中可以方便地加入相应的配套装置，像指示灯、蜂鸣器此类的辅助装置。经过以上的分析，我们知道了全自动洗衣机的控制系统是有多样性的，虽然不同的控制系统都可以实现洗涤的目的，但是考虑到它的结构和成本，相比较优劣，最终PLC的控制程序占有诸多优势，所以根据自动控制系统的需要，我们此次设计选择了德国西门子公司生产的S7-200系列可编程序控制器，其性价比相对较高。

1.4主要研究的内容

  这个毕业项目主要使用西门子S7-200PLC来控制洗衣机，并且在整个洗衣机过程中建立一个微机监控界面，以实时控制电动机和其他设备，并完成上述所有操作。 我们将对监控界面管理功能进行进一步的研究，监控界面功能是确保设备到位而无需人员在那儿。

二、PLC控制自动洗衣机的具体方案

2.2洗衣机的PLC控制系统概述

  全自动洗衣机采用PLC控制系统适应工作环境的能力较强，进一步提高了洗衣工作效率。全自动洗衣机在洗衣机的洗涤、脱水一系列的程序都是由单片机为中心控制系统来运行工作的。但是因为单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序相对复杂；然后就是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装置，因此这样大大增加了硬件的复杂性，无形中就增加了较多故障率，从而它的维修成本费用也在不断增加；后来在各种控制系统中广泛运用的PLC能克服单片机的这些缺点。它即可以驱动电路、检测电路和保护电路以及具有通讯联网功能。因此在运用中，硬件也相对简单，提高控制系统的可靠性。另外它的编程语言也相对简单。
  典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图2.1所示：

图2.1 PLC控制系统的硬件组成框图

2.3 PLC的设计步骤

PLC的设计任务分为硬件和软件设计两部分。硬件设计主要包括:
1.首先确定PLC的输入点和输出点;
2.设计主控电路以及其他辅助的外围电路;
3.选择购买PLC，现场确定安装线路并安装；

  软件设计主要利用梯形图和指令表程序,它主要包括:
  1.首先根据工艺流程，画出工作循环图，设计控制程序,为了进一步掌握状态信息，也可以画出详细的状态流程图。
  2.依据工作循环图画出虚拟的电路图；
  3.系统调整：根据不同的要求，我们要求在更正要求之前先对程序进行更正，自动洗衣机中有两种不同的控制方法：程序控制和模糊控制。 由于控制方法的不同，两台洗衣机的结构和原理也大不相同。 程序控制的洗衣机基于洗衣机制造商提供的数十种实际应用。 客户可以根据负载，重量和样式，衣物污染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，对程序的选择有一点轻微的难度，需要有经验的洗衣人士基本教识。
  模糊控制程序洗衣机配备有不确定的驱动器，该驱动器具有用于各种信息源的传感器，其功能是关于负载，织物质量，污染程度和传感器的污染特性的否定逻辑结论。 相关信息，清洗和检测参数以及清洗过程的实时监控。 几个清洗按钮可完全控制洗衣机。 就控制类型而言，模棱两可的管理是指智能控制，它是自动化控制的一种高级形式，代表了自动化控制的发展方向。 但这是自动控制的形式。模糊程序还不能完全胜任，最关键一点是在这些传感器和模糊程序的成本费用和后期维护费用较高，所以在日常生活中没有广泛运用开来。

三、自动洗衣机控制系统的控制要求

3.1自动洗衣机的工作原理

3.1.1控制系统的组成

  洗衣机的工作流程分为四个过程，它是由进水，洗涤，排水，和脱水组成。在半自动洗衣机中，这四个过程由相应的按钮顺序控制。 在全自动洗衣机中，这四个过程可以完全自动化，直到完成洗涤并停止洗涤为止。 四个自动洗衣机的洗涤过程由水位开关，洗衣机，电磁进气口和电磁阀同时控制。 水位开关用于控制洗衣机中的水位，此外，电磁进水阀控制水源的打开和关闭。 当水进入时，电磁阀入口打开，降水排出；洗涤时，洗涤电动机正常启动，正反转交替运转；脱水时，脱水桶启动。其示意图如下图所示：

图3.1 系统结构框图
  如图3.1所示可以看出，本次设计根据了自动洗衣机的设计工作原理,因为在现实生活中，洗衣机在脱水时的所用功率远大于洗涤时所用功率，所以洗涤和脱水需要选用两个不同功率的电机独立运转。洗衣机的工作流程由进水、洗涤、脱水、排水四个进程组成。相对于半自动洗衣机而言，这四个工作进程都是由独立的开关按钮完成操作。利用可编程控制器PLC实现控制,用于说明PLC控制的原理方法,特点及工作特色。此次全自动洗衣机控制系统设计利用了西门子S7-200系列PLC的特点,对按鈕,电磁阀,开关等其他一些输入点和输出点进行控制，实现了洗衣机全自动控制。

3.2设备的控制要求

  本次设计分为全程序过程和简单程序两个程序
  全程序运行的控制过程：
1.首先打开电源总开关，选择档位，设定水位的高低。
2.按下启动按钮，加水至所设置好的水位高度，自动停止进水并开始洗涤。
3.洗涤的时候，开始正传动作，再停止几秒后又进行反转动作，又停止几秒，正反转进行的时间相同，正反转中途的停止时间也是相同的。
4.如此正反转进行数次后，达到洗涤所设置的时间后，就启动排水开关进行排水。
5.排水系统检测到水位已排出后又启动脱水功能进行脱水。
6.根据个人需求往复循环以上动作，达到设定需求。
7.清洗完成后，它会自动发出报警声并随即几秒后自动断开电源停止运行。
8.如果选择手动开关，可以手动完成进水、洗涤、排水、脱水的循环动作。
  简单的运行程序：
1.首先打开总电源启动开关，选择简单程序。
2.再按下进水按钮，开始进水直至到所设置水位，然后开始洗涤。
3.进行洗涤时，同样进行正反转，且正反转中途有停顿交换。
4.重复以上动作数次后，就开始排水。
5.排水完成后又开始进行脱水。
6.依次重复几次达到需求。
7.洗涤完成后，也会发出报警声，接着停止作业。
8.如果按下停止按钮，也可以根据需求手动完成洗涤等一系列动作。

四 硬件的理论与设计

4.1 自动洗衣机整体结构图

  如图4.1为洗衣机的整体硬件结构，它包括了自动洗衣机的主要控制面板、有进水口、水位探测器、洗涤电机等。在控制界面的按钮中包括了全过程模式和简易模式的切换、高中低水位按键切换、标准轻柔强洗档位选择、手动排水、脱水等按键设置。
此外，选择水位按钮时，洗衣机桶内还设有高，中和低水位检测器。 如果选择了高水位，当水位高时，喷雾将自动停止。

图4.1 自动洗衣机示意图

4.2 系统硬件电路的设计

  不管是哪种硬件系统都是实现功能化的主要部分，在洗衣机中硬件系统同样也是实现功能运行的主导，为了充分满足控制系统的设置要求，所以硬件的设计和配置也要控制完美，在设计电路的时候要利用PLC来进行信息的处理和传输。另外我们可以利用开关和转换线圈的方式来来进行控制，假如说波轮机的正传反转状态。PLC的输出信号来控制接触器线圈。在洗衣机洗涤的时候，我们要适当增大电阻，从而来实现电源线路中的电阻可控性，这样就可以让电机的运行速度，洗衣过程完成后，点击开始高速旋转进行衣物的脱水甩干工作，此过程就要求尽量降到最小的电机线路电阻值。因此在洗涤时波轮转速较慢，脱水甩干是波轮转速较快。如图4.2所示，该设计图是洗衣机控制系统硬件电路框图。

图4.2 洗衣机控制系统硬件电路框图
  洗衣机从注水、洗涤、排水、脱水、等一系列的运行任务都需要控制系统中的核心组件PLC去完成，因此包含了有电动机、控制面板、指示灯、感应器等的硬件。电动机依靠复杂的程序代码来完成工作时间的长短，所以它是整个运行系统中最为关键点。通过水位传感器将信号传递给PLC，然后电磁阀产生反馈来控制进水阀和排水阀的开关。控制面板显示灯是用来显示洗衣机的运行状态和运行时间。在整个洗涤过程中，蜂鸣器用来提示某项工作程序已经完成，可以根据需求进行手动操作另一项工作。本次设计中，实验器材的局限性和不可操作性，所以我们选择了简单的控制显示面板来总体代替了蜂鸣器和电磁阀，人为设定了水位的高低，开关代替了传感器，本次设计选择了极其简易的洗涤程序，没有洗涤程序选择的功能。

4.3 plc控制

  本文设计的全自动洗衣机所采用的控制器为三菱公司 FX 2n 系列 PLC——FX 2n -48MR-D。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller， PLC），它采用了一类可以进行的编程存储器，它的作用是用于内部存储程序，执行顺序控制、逻辑运算、计数、定时还有算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

总结

  在设计此PLC控制的洗衣机时，我对自动洗衣机控制系统有深刻的了解。 洗衣机自动控制系统采用西门子PLC的功能，让我们在日常生活中洗涤衣物节省了好多时间，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。因为每次洗涤的四个过程都是通过PLC 内的计数器来进行控制,所以我们可以根据自已所需时间长短来更换计时器参数来达到时间上的调整需求。我们也可以根据常用时间来设定稳定的计数器参数，从而达到持续性的洗涤且干净的体验,也可以根据衣服的面料进行编程。 只要稍微更改程序，就可以制定想要实现的洗衣目标。例如强洗、标准、轻柔等通用的洗涤程序,充分的展现了其实用性。
  由于这次设计，让我在自动化控制理论和应用方面有更深一步的理解，通过理论和实际的相结合，让我养成了多动手、多动脑的好习惯。在设计中，我遇到了好多问题，通过查阅相关资料，更多的是林老师的指导，才让我越过了重重难题。
  总而言之，这次设计扎深了我理论知识的专业性，为我们打开了以后面向实际应用的大门，为我们以后做各项工作和进一步学习奠定了良好的基础。