XXXX-电气自动化专业毕业论文

题目基于PLC的全自动洗衣机的设计

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系（院）班级

指导教师职称

20XX年X月XX日

原创性声明和关于论文使用授权的说明

原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。

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关于学位论文使用授权的声明

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摘要

在现代的社会，全自动洗衣机进入每个家庭，本文介绍了PLC用于全自动洗衣机的控制系统，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：洗衣机；全自动；可编程控制器

ABSTRACT

In the modern time, the Full-automatic washer is entering every family. The article describes the PLC control system ,which is used in fully-auto washing machine ,The design is described how the water washing machine drains away water from water--entering,clearing,dehydration and gives an alarm to the circulation process stopping calculation voluntarily. Have designed the appropriate system software, combined with the appropriate hardware system to improve control system reliability, application of a programmable automatic washing machine controller, Its function is strong,the reliability is high,the plait distance is simple and the usage is convenient.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: washing machine; automatic; programmable controller

目录

第一章绪论 (7)

1.1选题背景意义 (7)

1.2 洗衣机的发展历史 (7)

1.3控制系统选择 (9)

第二章全自动洗衣机控制方案确定 (10)

2.1总体控制方案确定 (10)

2.1.1 控制系统的比较 (10)

2.2洗衣机的PLC控制系统概述 (10)

2.3P L C的设计步骤 (11)

第三章全自动洗衣机的基本结构 (13)

3.1全自动洗衣机的原理和构造 (13)

3.2电气控制系统的硬件设计 (14)

3.2.1电动机控制电气元件的选择 (14)

3.2.2电动机控制线路图 (14)

3.3 PLC控制系统硬件部分设计 (14)

3.3.1 PLC输入元件选择 (14)

3.3.2 PLC输出元件选择 (15)

3.3.3 PLC输入输出元件分配 (16)

3.3.4P L C I/O接线图 (17)

第四章电气控制系统 (18)

4.1控制系统结构 (18)

4.2控制系统原理 (18)

4.3检测电路系统 (19)

第五章主要器件的选择 (21)

5.1电动机的选择 (21)

5.2传感器的选择 (21)

5.2.1 水温传感器的选择 (21)

5.2.2 水位传感器的选择 (21)

5.2.3衣质传感器的选择 (21)

5.3可编程控制器外部设计 (22)

5.3.1可编程控制器的选择 (22)

5.3.2外围接线图 (23)

第六章软件设计 (24)

6.1系统控制顺序功能图设计 (24)

6.2.全自动洗衣机的控制要求 (24)

6.3控制系统顺序功能图 (25)

6.4控制系统的梯形图设计 (26)

第七章课程设计总结 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

第一章绪论

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工业生产和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。但是传统的基于继电器的控制，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

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控制系统的选择

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。

第二章全自动洗衣机总体控制方案确定2.1总体控制方案确定

2.1.1 控制系统的比较

PLC系统的特点：

1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。

2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。

3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易。

单片机系统的特点：

1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。

2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。

3）功能单一只具有使用中所需要的功能。但是，它结构简单，处理速度快。

2.2洗衣机的PLC控制系统概述

全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由单片机为中心控制系统工作

的。首先由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序相对复杂；其次，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等这样增加了硬件的复杂性，隐含较高的故障率无形地增加了维修成本费用，在各种控制系统中广泛运用的PLC能克服单片机的缺点。它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。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1所示：

图1 典型的PLC控制系统的硬件组成框图

Fig.1 The hardware block of classical PLC control system

2.3PLC的设计步骤

开发应用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）确定安排PLC 的输入、输出点;

2）设计外围电路, 包括主电路;

3）选购PLC 并进行现场安装接线等内容；

软件设计, 大多数用梯形图和指令程序, 主要包括:

1）设计控制流程, 根据工艺要求先画出工作循环,如有必要再画详细的状态流程图;

2）根据工作循环图, 画出虚拟的电路图———继电器梯形图;按梯形图编写

指令程序表;

3系统调试: 根据设计要求, 对程序进行调试和修改, 必要时还可对硬件进行修改, 直到满足要求；

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。由于控制方式的不同，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，另外由于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。

第三章全自动洗衣机的基本结构

3.1全自动洗衣机的原理和构造

现如今，洗衣机的应用非常普遍，全自动洗衣机在结构上大致可分为3中类型，即波轮式，滚筒式和搅拌式。我国的洗衣机在结构上主要有波轮式和滚筒式两类，产品的类型以波轮式为主，其他类型为辅。我们就以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。排水按钮用来实现手动排水。波轮式全自动洗衣的实物示意图如图所示。

图2 波轮式全自动洗衣的实物示意图

3．2电气控制系统硬件设计

3.2.1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

3.2.2电动机控制线路图

图3 电动机控制线路图

3.3PLC控制系统硬件部分的设计

3.3.1 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 PLC输入元件选择

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

3.3.2 PLC输出元件选择

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 PLC 输出元件选择

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 3.3.3 PLC 输入输出元件分配

表3 输出元件分配表

表4 输入元件分配表

元件名称

元件符号 输入点编号 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

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

3.3.4 PLC I/O接线图

图4 PLC I/O接线图

第四章电气控制系统

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。

图5 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6 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。