基于PLC全自動洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

./PLC全自動洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生：所在院系：所學(xué)專業(yè)：導(dǎo)師：完成時(shí)間：年月日摘要可編程控制器<PLC>是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的通用自動化控制裝置,它的功能性強(qiáng),可靠性高,編程簡單,使用方便,體積小巧,近年來在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用,被譽(yù)為當(dāng)代工業(yè)自動化主要支柱之一。在現(xiàn)代的社會,全自動洗衣機(jī)進(jìn)入各個(gè)家庭,本文介紹了PLC用于全自動洗衣機(jī)的控制系統(tǒng),其可改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足,簡化結(jié)構(gòu),有利于降低成本和提高可靠性。關(guān)鍵詞:全自動洗衣機(jī);可編程控制器;簡化結(jié)構(gòu);降低成本;AbstractProgrammableLogicController<PLC>isacommoncomputertechnologyasthecoreautomationandcontroldevices,itsfunctionality,highreliability,simpletoprogram,easytouse,compact,industrialproductioninrecentyearsbeenwidelyused,ishailedasoneofthemainpillarsofcontemporaryindustrialautomation.Inmodernsociety,fullyautomaticwashingmachinesintoeachhome,thisarticledescribesthePLCcontrolsystemforautomaticwashingmachine,whichcanimprovetheshortcomingsofexistingtechnologytosimplifythestructure,helptoreducecostsandimprovereliability.Keywords:automaticwashingmachine;programmablecontrollers;simplifiedstructure;reducecosts1引言世界上第一臺洗衣機(jī)于1858年誕生,但這臺洗衣機(jī)使用費(fèi)力,且損傷衣服,因而沒被廣泛使用,但這卻標(biāo)志了用機(jī)器洗衣的開端。1874年,"手洗時(shí)代"受到了前所未有的挑戰(zhàn),美國人發(fā)明了木制手搖洗衣機(jī)。1880年,美國發(fā)明了蒸氣洗衣機(jī),蒸氣動力開始取代人力。蒸汽洗衣機(jī)之后,水力洗衣機(jī)、燃機(jī)洗衣機(jī)也相繼出現(xiàn)。1910年,美國試制成功世界上第一臺電動洗衣機(jī),電動洗衣機(jī)的問世,標(biāo)志著人類家務(wù)勞動自動化的開端。1922年,美國改造了洗衣機(jī)的洗滌結(jié)構(gòu),把拖動式改為攪拌式,使洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)固定下來,這也就是第一臺攪拌式洗衣機(jī)的誕生。1932年,美國研制成功第一臺前裝式滾筒洗衣機(jī)。1955年,在引進(jìn)英國噴流式洗衣機(jī)的基礎(chǔ)之上,日本研制出獨(dú)具風(fēng)格、并流行至今的波輪式洗衣機(jī)。全自動洗衣機(jī)從結(jié)構(gòu)上分有波輪式,攪拌式,滾筒式。目前,國市場上銷售的大都是波輪式和滾筒式,供應(yīng)最多的是波輪式洗衣機(jī)。波輪式洗衣機(jī)的特點(diǎn)是洗凈率高,但對衣服的磨損很大,隨著人們生活水平不斷地提高,絲綢,毛料,羊毛等大量走進(jìn)普通家庭,廠商又適時(shí)地推出了滾筒洗衣機(jī),它最大的優(yōu)點(diǎn)是磨損率小,但洗凈率比波輪式低,價(jià)格高。洗衣機(jī)產(chǎn)品可以分三類：普通型、半自動型和全自動型。普通型和半自動型洗衣機(jī),都需要人為參與操作,才能完成洗衣、甩干、排水全過程；而全自動洗衣機(jī)在整個(gè)洗滌、甩干、排水過程中,無需人為操作和監(jiān)控。國外洗衣機(jī)品牌有海爾、小天鵝、榮事達(dá)、松下、惠而浦水仙、LG熊貓、西門子、日立好用。2.全自動洗衣機(jī)的工作原理以日常生活中最常見的波輪式全自動洗衣機(jī)為例,洗衣機(jī)的洗衣桶〔外桶和脫水桶〔桶是以同一中心安放的。外桶固定,作盛水用。桶可以旋轉(zhuǎn),作脫水〔甩水用。桶的四周有很多小孔,使外桶的水流相通。該洗衣機(jī)的進(jìn)水和排水分別由進(jìn)水電磁閥和排水電磁閥來執(zhí)行。進(jìn)水時(shí),通過電控系統(tǒng)使進(jìn)水閥打開,經(jīng)進(jìn)水管將水注入到外桶。排水時(shí),通過電控系統(tǒng)使排水閥打開,將水由外桶排出到機(jī)外。洗滌正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)由洗滌電動機(jī)驅(qū)動波盤正、反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn),此時(shí)脫水桶并不旋轉(zhuǎn)。脫水時(shí),通過電控系統(tǒng)將離合器合上,由洗滌電動機(jī)帶動桶正轉(zhuǎn)進(jìn)行甩干。高、低水位開關(guān)分別用來檢測高、低水位。啟動按鈕用來啟動洗衣機(jī)工作。停止按鈕用來實(shí)現(xiàn)手動停止進(jìn)水、排水、脫水及報(bào)警。排水按鈕用來實(shí)現(xiàn)手動排水。波輪式全自動洗衣機(jī)的實(shí)物示意圖如圖所示。3．電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1電動機(jī)的控制線路設(shè)計(jì)3.1.1電動機(jī)控制電氣元件的選擇電動機(jī)M額定電壓380V額定電流0.38V熔斷器FU型號RL1-15熱繼電器FR型號JR0-20/33.1.2電動機(jī)控制線路圖3.2PLC控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)3.2.1PLC輸入元件選擇基于控制系統(tǒng)的要求,需要選定工作方式:控制按鈕SB1～SB3、限位開關(guān)SQ1～SQ2。元件名稱元件符號元件功能元件參數(shù)限位開關(guān)SQ1～SQ2檢測高、低水位使用溫度：-20℃～+60℃最大絕緣電壓為：AC-2500V、50Hz?1min觸點(diǎn)接觸電阻≤50毫歐按鈕SB1～SB3實(shí)現(xiàn)啟動、停止、停止排水工作溫度：-25℃～+55℃最大絕緣電壓為：AC-2500V、50Hz?1min觸點(diǎn)接觸電阻≤50毫歐3.22PLC輸入元件選擇系統(tǒng)輸出量為Y0～Y5,一一對應(yīng)于進(jìn)水、電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)、排水、脫水和報(bào)警,其中排水和脫水通過電磁閥YV1～YV2實(shí)現(xiàn)最終控制,電機(jī)的正反轉(zhuǎn)通過電動機(jī)線圈KM1～KM2實(shí)現(xiàn)最終控制,脫水則通過離合器CL實(shí)現(xiàn)最終控制,BE控制報(bào)警。元件名稱元件符號元件功能元件參數(shù)電磁閥YV1～YV2分別實(shí)現(xiàn)排水和脫水工作溫度：-30℃～70℃最大絕緣電壓為：AC-3000V、50Hz?1min工作方式：100%ED交流接觸器KM1～KM2控制電動機(jī)正反轉(zhuǎn)交流50Hz或60Hz額定電壓380V額定電流9～95A3.2.3PLCI/O元件分配表輸出元件分配表元件名稱元件符號輸入點(diǎn)編號進(jìn)水YV1Y0排水YV2Y3電機(jī)正轉(zhuǎn)KM1Y1電機(jī)反轉(zhuǎn)KM2Y2脫水CLY3報(bào)警BEY5輸入元件分配表元件名稱元件符號輸入點(diǎn)編號啟動按鈕SB1X0手動按鈕SB2X3高水位開關(guān)SQ1X1低水位開關(guān)SQ2X2手動排水SB3X33.2.4PLCI/O接線圖4主要器件的選擇4.1電動機(jī)的選擇由于家庭提供的電源限制故選單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)式異步電動機(jī)。以3.6公斤全自動洗衣機(jī)為例,由于全自動洗衣機(jī)的脫水桶直徑較大,這一偏心不能不考慮,所以計(jì)算時(shí)應(yīng)以洗滌物可能產(chǎn)生前最大偏心為計(jì)算依據(jù)。脫水時(shí)電機(jī)功率比洗滌時(shí)要大,在確定電機(jī)功率時(shí)應(yīng)以脫水時(shí)消耗的功率為依據(jù),也就是說脫水時(shí)電機(jī)功率就是該洗衣機(jī)所確定的電機(jī)額定功率。由于在計(jì)算時(shí)一些因素如電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量等沒考慮,造成一些偏差,所以3.6公斤全自動洗衣機(jī)電機(jī)額定功率選為180瓦。符合全自動洗衣機(jī)的功率圍120W～250W。故選擇YY104-180型號單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)式電動機(jī),功率180瓦,額定電壓220V,轉(zhuǎn)速1350r/min,電流1.7A。4.2傳感器的選擇4.2.1水溫傳感器的選擇水溫檢測可用熱敏電阻或MTS102半導(dǎo)體溫度檢測器。洗衣機(jī)水溫一般為4℃～40℃,在該溫度圍MTS102線性好,溫度敏感,水溫檢測常選用它。4.2.2水位傳感器的選擇對于PLC控制的洗衣機(jī),要求水位的檢測必須是連續(xù)的,諧振式水位傳感器是利用電磁諧振電路LC作為傳感器的敏感元件,將被測物體的變化轉(zhuǎn)變?yōu)長C參數(shù)的變化,最終以頻率參數(shù)輸出。其工作原理是將水位的高低通過導(dǎo)管轉(zhuǎn)換成一個(gè)測試腔氣體變化的壓力,驅(qū)動腔上方的一塊隔膜移動,帶動隔膜中心的磁芯在某線圈移動,從而線圈電感發(fā)生變化。由此引起諧振電路的固有頻率隨水位變化。故常采用諧振式水位傳感器。4.2.3渾濁度傳感器的選擇渾濁度傳感器主要采用紅外光電傳感器。由紅外發(fā)射管發(fā)出一定強(qiáng)度的紅外光,紅外接收管在溶液的另一側(cè)接收紅外線。紅外線在溶液中透光性的大小就決定接收方產(chǎn)生光電電流的大小,光電流經(jīng)整形放大和數(shù)據(jù)處理后,就可以判斷出水的渾濁程度。4.2.4衣質(zhì)傳感器的選擇衣質(zhì)的檢測一般在洗滌之前,且主要用來測定所洗衣物屬于棉類還是化纖類。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。為了測出衣質(zhì),先加入一定的水并讓電機(jī)轉(zhuǎn)動,突然切斷電源,由于慣性作用電機(jī)會維持短時(shí)間旋轉(zhuǎn)。此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài),會產(chǎn)生一定感應(yīng)電勢并逐漸衰減到零。由于衰減速率與布阻抗有一定的線性關(guān)系,通過對定子繞組兩端電熱進(jìn)行整流和檢測,經(jīng)光電隔離后形成脈沖,脈沖信號多,則布阻抗小,反之亦然。經(jīng)過幾次測量就可以判斷出布阻抗,通過推理得出衣質(zhì)。故選擇電阻傳感器。4.3可編程控制器外部設(shè)計(jì)4.3.1可編程控制器的選擇根據(jù)輸入信號及輸出信號的數(shù)量,經(jīng)過初略計(jì)算,輸人點(diǎn)數(shù)為6點(diǎn),輸出點(diǎn)數(shù)為6點(diǎn)；輸人、輸出信號都是數(shù)字量。增加20%備用量,以便隨時(shí)增加控制功能：輸入點(diǎn)數(shù)為：6×<1+20%>=7.2輸出點(diǎn)數(shù)為：6×<1+20%>=7.2根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù),可選松下FP0-C16型可編程控制器,其輸入點(diǎn)8點(diǎn),輸出點(diǎn)8點(diǎn),擴(kuò)展模塊可用點(diǎn)數(shù)為16點(diǎn)。可編程控制器I/O口分配輸入啟動高水位傳感器低水位傳感器渾濁度傳感器衣質(zhì)傳感器停止PLC輸入X0X1X2X3X4X5輸出Y0Y1Y2Y6Y3Y7Y4Y5PLC輸出報(bào)警器進(jìn)水控制閥正轉(zhuǎn)高速洗滌正轉(zhuǎn)低速洗滌反轉(zhuǎn)高速洗滌反轉(zhuǎn)低速洗滌排水控制閥脫水圖6可編程控制器I/O口分配表4.3.3外圍接線圖圖7可編程控制器外圍接線圖洗衣機(jī)要實(shí)現(xiàn)衣服的洗滌,漂洗和脫水,就要通過上述動作來實(shí)現(xiàn),而這些動作可以通過PLC控制來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)加上開關(guān)和按鈕,數(shù)碼管顯示器,蜂鳴報(bào)警器和欠電壓檢測保護(hù)電路等,就可以形成完整的PLC控制系統(tǒng)。通過軟件編程達(dá)到對整個(gè)洗衣過程進(jìn)行檢測控制和用戶交互。此外,在少數(shù)全自動洗衣機(jī)上,以繼電器作各電氣工作部件驅(qū)動電路的電源開關(guān),由PLC控制繼電器觸點(diǎn)開關(guān)的通斷,實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的程序運(yùn)轉(zhuǎn)。5軟件設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)的順序功能圖設(shè)計(jì)全自動洗衣機(jī)工作原理：全自動洗衣機(jī)的洗衣桶<外桶>和脫水桶<桶>是以同一中心安放的。外桶固定,作盛水用。桶可以旋轉(zhuǎn),作脫水<甩水>用。桶的四周有很多小孔,使外桶的水流相通。該洗衣機(jī)的進(jìn)水和排水分別由進(jìn)水電磁閥和排水電磁閥來執(zhí)行。進(jìn)水時(shí),通過電動控制系統(tǒng),使進(jìn)水閥打開,經(jīng)進(jìn)水管將水注入到外桶。排水時(shí),通過電控系統(tǒng)使排水閥打開,將水由外桶排出到機(jī)外。洗滌正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)由洗滌電動機(jī)驅(qū)動波盤正、反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn),此時(shí)脫水桶并不旋轉(zhuǎn)。脫水時(shí),通過電控系統(tǒng)將離合器合上,由洗滌電動機(jī)帶動桶正轉(zhuǎn)進(jìn)行甩干。高、低水位開關(guān)分別用來檢測高、低水位。啟動按鈕用來啟動洗衣機(jī)工作。停止按鈕用來實(shí)現(xiàn)手動停止進(jìn)水、排水、脫水及報(bào)警。排水按鈕用來實(shí)現(xiàn)手動排水。5.2全自動洗衣機(jī)的控制要求1PLC投入運(yùn)行,系統(tǒng)處于初始狀態(tài)準(zhǔn)備好啟動；2啟動時(shí)開始進(jìn)水；3水滿<上限位>時(shí)停止進(jìn)水并開始洗滌正轉(zhuǎn)；4正轉(zhuǎn)30s后暫停；5暫停2s后開始洗滌反轉(zhuǎn)；6反轉(zhuǎn)30s后暫停；7暫停2s后,若正、反轉(zhuǎn)未滿5次時(shí),返回從正洗開始的動作；8暫停5s后,若正、反洗滌滿5次時(shí)則開始排水；9水位下降到低水位時(shí)開始脫水井繼續(xù)排水；10脫水30s即完成一次從進(jìn)水到排水的大循環(huán)過程；11若完成2次大循環(huán),洗完報(bào)警3s后自動停機(jī)；12可以按"停止"按鈕實(shí)現(xiàn)手動停止進(jìn)水、排水、脫水及報(bào)警；13可以按"排水"按鈕實(shí)現(xiàn)手動排水；5.3控制系統(tǒng)順序功能圖圖9全自動洗衣機(jī)控制系統(tǒng)順序功能圖PLC投入運(yùn)行,系統(tǒng)處于初始狀態(tài),準(zhǔn)備好啟動。按下啟動按鈕時(shí)開始進(jìn)水,水滿<即水位到達(dá)高水位>時(shí)停止進(jìn)水,2s后開始正轉(zhuǎn)洗滌。正轉(zhuǎn)洗滌30s后暫停,暫停2s后開始反轉(zhuǎn)洗滌。反轉(zhuǎn)洗滌30s后暫停,暫停2s后,若正、反洗滌未滿5次,則返回從正轉(zhuǎn)洗滌開始的動作;若正、反洗滌滿5次時(shí),則開始排水。排水水位若下降到低水位時(shí),開始脫水并繼續(xù)排水。脫水30s即完成一次從進(jìn)水到脫水的工作循環(huán)過程。若未完成2次大循環(huán),則返回從進(jìn)水開始的全部動作,進(jìn)行下一次大循環(huán);若完成了2次大循環(huán),則進(jìn)行洗完報(bào)警。報(bào)警3s結(jié)束全部過程,自動停機(jī)。若按下停止按鈕,可以手動排水和手動脫水。5.4控制系統(tǒng)的梯形圖設(shè)計(jì)圖10PLC控制系統(tǒng)的梯形圖按下啟動按鈕S1,X0動合觸點(diǎn)閉合,部輔助繼電器R10得電為"1",同時(shí)R10動合觸點(diǎn)閉合自鎖;R10動合觸點(diǎn)閉合使輸出繼電器Y1得電為"1",進(jìn)水閥打開,開始注水。到高水位檢測傳感器,K1閉合,使其動斷觸點(diǎn)X1斷開,進(jìn)水閥關(guān)閉;同時(shí)X1動合觸點(diǎn)閉合,計(jì)時(shí)器T0開始通電計(jì)時(shí),2s后T0動合觸點(diǎn)閉合,輸出繼電器Y2得電為"1",洗衣機(jī)開始正轉(zhuǎn)洗滌；同時(shí)計(jì)時(shí)器T1得電,30s后T1動斷觸點(diǎn)斷開,Y2斷電,正轉(zhuǎn)洗滌停止。同時(shí)T1動合觸點(diǎn)閉合,計(jì)時(shí)器T2得電,2s后T2動合觸點(diǎn)閉合,輸出繼電器Y3得電為"1",洗衣機(jī)開始反轉(zhuǎn)洗滌,同時(shí)計(jì)時(shí)器T3得電,30s后T3動合觸點(diǎn)閉合,T4得電,2s后T4動合觸點(diǎn)閉合,計(jì)數(shù)器CT100計(jì)數(shù)1次;T4動斷觸點(diǎn)斷開,計(jì)時(shí)器T0、T1、T2、T3、T4失電復(fù)位,T4失電后其動斷觸點(diǎn)恢復(fù)閉合,T0得電,2s后,Y2得電,開始正轉(zhuǎn)洗滌,如此循環(huán)5次,計(jì)數(shù)器CT100計(jì)數(shù)5次后,C100動合觸點(diǎn)閉合,輸出繼電器Y4得電為"1",排水閥打開排水,待排水至低水位檢測開關(guān)K2時(shí),輸入繼電器X2動斷觸點(diǎn)斷開,Y4失電為"0",停止排水,同時(shí)X2動合觸點(diǎn)閉合,輸出繼電器Y5得電為"1",脫水電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),開始脫水,同時(shí)計(jì)時(shí)器T5得電,30s后T5動斷觸點(diǎn)斷開,Y5失電為"0",脫水停止;同時(shí)T5動合觸點(diǎn)閉合,計(jì)數(shù)器CT101計(jì)數(shù)1次。同時(shí)T5動合觸點(diǎn)閉合,使高水位進(jìn)水閥打開注水,開始第2次大循環(huán),第2次大循環(huán)結(jié)束后,計(jì)數(shù)器CT101動合觸點(diǎn)閉合,輸出繼電器Y0得電為"1",報(bào)警器報(bào)警,同時(shí)計(jì)時(shí)器T6得電,3s后T6動斷觸點(diǎn)斷開,Y0失電為"0",報(bào)警停止,自動洗衣過程完成。其中S2為手動排水按鈕,S3為手動脫水按鈕,S4為手動停止按鈕。6結(jié)束語該系統(tǒng)采用PLC為控制核心結(jié)構(gòu)合理、測試方法可靠,它具有較強(qiáng)的靈活性,提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,保證新產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)開發(fā)的同步性,提高了勞動效率,達(dá)到了良好的經(jīng)濟(jì)效果。此外,PLC可以重復(fù)使用,降低了測試經(jīng)費(fèi)。它的靈活性、操作方便性也方便測試者隨時(shí)輸入、調(diào)試和修改控制程序。PLC又設(shè)有串行接口,方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接,組成