全自动洗衣机的三菱PLC控制系统设计分解
摘要
描述了全自动洗衣机控制系统的运作要求，实现了洗衣机由进水、洗涤、排水、脱水、报警到自动停机的循环过程。设计了相应的系统软件，结合相应的硬件系统，并通过三菱公司的FX2N系列的PLC仿真系统模拟出全自动洗衣机的运行过程。此项设计对于提高学生的动手能力和帮助学生对一些理论知识的理解都具有积极的作用。
关键词：PLC，洗衣机，全自动，程序控制器
ABSTRACT
Have described that the fullautomatic washing machine controls the systematic operation request. Have come true the washing machine drains away water from waterentering , cleansing, dehydration, gives an alarm to the circulation process stopping calculation voluntarily. Have designed corresponding system software , having put up fullautomatic washing machine operation process combining with the corresponding hardware system, and the simulated PLC system imitate passing the FX2N of Mitsubishi company series. This item designs that the ability and understanding helping a student to a little theory knowledge all have the active effect to getting to work improving a student.
Keywords：PLC， Washing machine， Fullautomatic， Procedure controller
目录
第一章 PLC控制系统设计概述 (4)
1.1 选题背景 (4)
1.2 全自动洗衣机发展概况 (4)
1.3 为何选用PLC控制 (4)
1.3.1 PLC的发展历史 (4)
1.3.2 PLC的特点 (5)
第二章全自动洗衣机控制系统设计 (8)
2.1 系统描述 (8)
2.2 控制要求 (8)
2.3 控制方案 (8)
2.4检测元件 (8)
2.4.1 水位检测元件说明 (8)
2.4.2 混浊度检测元件说明 (9)
2.5 I/O分配图 (12)
2.6 梯形图以及指令表 (12)
2.7 程序工作原理分析 (17)
2.8 选型以及规格 (18)
第三章性能测试与分析 (19)
3.1 程序的整体调试 (19)
3.2 性能分析 (19)
第四章结束语参考文献附录 (20)
第一章 PLC控制系统设计概述
1.1 选题背景
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。在工业生产中应用也十分广泛。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来作为控制器，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 全自动洗衣机发展概况
全自动洗衣机是一种除放、取衣物和开动洗衣机这三道手续外，其余洗衣各程序全部自动完成的设备。
1874年美国的比尔?布莱克斯通发明了木制手摇洗衣机，这是世界上第一台人工搅动洗衣机。1911年美国人又研制了世界上第一台电动洗衣机。1920年美国的玛依塔格公司又把洗衣机的木制桶改为铝制桶体，第二年又把铝制桶体改为外层铸铝、内层为铜板的双层结构。1936年，他们又将搪瓷用于洗衣机桶体。与此同时，世界各地也相继出现了洗衣机。欧洲国家研究成功了喷流式洗衣机和滚筒式洗衣机。1932年后，美国一家公司研制成功了第一台前装式滚筒全自动洗衣机，洗涤、漂洗和脱水都在同一个滚筒内自动完成，使洗衣机的发展跃上了一个新台阶。这种滚筒洗衣机，目前在欧洲、美洲等地得到了广泛的应用。
第二次世界大战结束后，洗衣机得到了迅速的发展，研制出具有独特风格的波轮式洗衣机。这种洗衣机由于其波轮安装在洗衣桶底，又称涡卷式洗衣机。
近几十年，在工业发达国家，全自动洗衣机制造技术又得到迅速发展，其年总产量及社会普及率均以达到相当高得水平。
目前世界洗衣机年总产量近5000万台，而全自动洗衣机的产量呈增长趋势，在技术性能上正向着节水、节能、高效、结构更趋合理的方向发展。微电脑控制功能、新型的洗涤方式、高速脱水以及低噪音等方面都有了很大提高。
1.3 为何选用PLC控制
1.3.1 PLC的发展历史
可编程控制器（Programmable Controller）简写成 PLC，其中 L为逻辑（Logic）的意思，第一台可编程控制器是1969年在美国面世的。经过30多年的发展，现在可编程控制器已经成为最重要、最可靠、应用场合最广泛的工业控制微型计算机。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；它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻
辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入／输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
可编程控制器具有诸多优点：
（1）PLC的生产厂家都着力于提高可靠性的指标。
（2）PLC还具有编程方便、易于使用的优点。
（3）PLC控制功能极强，除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能模块还可实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远方设备。
（4）PLC的扩展以及与外部联接极为方便。
可编程逻辑控制器，又称可编程控制器，可以看作是一种经过特殊设计的工业计算机，整个的设计原则就是简单与实用。PLC的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，正是这些高新技术的发展推动了可编程控制器的发展。
PLC的硬件和软件进展：
采用新的、先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间；
小型的、低成本的PLC，可以替代4到10个继电器，现在获得更大的发展动力；
高密度的I/O系统，以低成本提供了节省空间的接口；
基于微处理器的智能I/O接口，扩展了分布式控制能力。包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成；
特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等；外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为了PLC的标准功能。
以上这些硬件的改进，导致了PLC的产品系列的丰富和发展，使PLC从最小的只有十个I/O点的微型PLC，到8000点的大型PLC，应有尽有。这些产品系列，用普通的I/O系统和编程外部设备，可以组成局域网，并与办公网络相连。整个PLC的产品系列概念对于用户来说，是一个非常节约成本的控制系统概念。
与硬件的发展相似，PLC的软件也取得了巨大的进展，大大强化了PLC的功能：
小型PLC也提供了强大的编程指令，并且因此延伸了应用领域；
高级语言，如BASIC，C在某些控制器模块中已经可以实现，在与外部通讯和处理数据时提供了更大的编程灵活性；
梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能；
诊断和错误检测功能，从简单的系统控制器的故障诊断，扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备进行诊断；
1.3.2 PLC的特点
PLC发展如此迅速的原因，在于它具有一些其它控制系统，包括DCS和通用计算机在内，所不
及的一些特点。下面对这些特点做一个介绍：
①可靠性
可靠性包括产品的有效性和可维修性。可编程控制器的可靠性高，表现在下列几个方面：
a) 可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间缩短，因此可靠性得到提高；
b) 可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计，例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警和运行信息显示和信息保护及恢复等，使可靠性得到提高；
c) 可编程控制器有较强的易操作性，它具有编程简单，操作方便，编程的出错率大大降低，而为恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高；
一份用户选用PLC原因的调查报告指出：在各种选用PLC的原因中，首选原因是可靠性高的，占93%，其次，才是性能和维修方面的原因。
②易操作性
PLC的易操作性表现在下列三个方面：
a) 操作方便：对PLC的操作包括程序的输入和程序更改操作，大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改操作。现在的PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行，更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找，然后可以在线或离线更改；
b) 编程方面：PLC有多种程序设计语言可以使用，对现场电气人员来说，由于梯形图与电气原理图相似，因此，很容易理解和掌握。采用语句表语言编程时，由于编程语句是功能的缩写，便于记忆，并且与梯形图有一一对应的关系，所以有利于编程人员的编程操作。
c) 维修方便：PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求较低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。
③灵活性
PLC的灵活性主要表现在以下3个方面：
a) 编程的灵活性：PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程，编程方法的多样性使编程方便。由于PLC内部采用软连接，因此，在生产工艺流程更改或者生产设备更换后，可不必改变PLC的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统和数字电路控制系统所不能比拟的。
b) 扩展的灵活性：PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可以根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。这种扩展的灵活性大大方便了用户。
c) 操作的灵活性：操作的灵活性指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。操作变得十分方便和灵活，监视和控制变得很容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化。目前，PLC之所以能够在越来越多的场合取得应用，同前面所提到的PLC的特点是分不开的。这些
特点就是：可靠性，易操作性，和灵活性。这些特点是PLC必须要保留的。这些特点的形成，是由PLC的结构、内部软件和硬件的构成特点决定的，同时也是PLC之所以是PLC而不是其它控制系统的标志。
PLC可靠稳定，在我们的现实生活中实际上家庭用洗衣机不会这样做！
因为：1.全自动洗衣机工作环境不会太恶劣；
2.全自动洗衣机要控制成本抢占市场，它会选用便宜的单片机控制；
3.洗衣机一般不需要长时间高强度工作。
对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，手尾少，但成本较高。
PLC的梯形图你可以理解成是与汇编等计算器语言一样是一种编程语言,只是使用范围不同!实际上，设计PLC的主要工作就是开发解释梯形图语言的程序。
第二章全自动洗衣机控制系统设计
2.1系统描述
波轮式全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安装的，外桶是固定的，而内桶可以旋转，作为脱水甩干用。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。洗涤和脱水由同一台电动机拖动，通过电磁离合器来控制，将动力传给洗涤波轮或甩干桶（内桶）。电磁离合器失电，电动机带动洗涤波轮实现正、反转，进行洗涤；电磁离合器得电，电动机带动内桶单向旋转，进行甩干，此时波轮不转。水位高低分别由高低水位开关进行检测。启动按钮用来启动洗衣机工作。
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、低水位控制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。
2.2控制要求
按下启动按钮后，洗衣机开始进水。水满时（即水位到达高水位，高水位开关由OFF变为ON），PLC停止进水，并开始正转洗涤，正转洗涤15S后暂停，暂停3S后开始反转洗涤，反洗15S后暂停，暂停3S后再正转洗涤，如此反复循环30次。洗涤结束后，则开始排水。水位下降到低水位时（低水位开关由ON变为OFF），开始脱水并继续排水，脱水10S，这样即完成一次从进水到脱水的大循环过程。若脱出的水是混浊的，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；若脱出的水已不再混浊，则进行洗完报警。报警10S后结束全部过程，自动停机。此外，还要求按停止按钮以实现手动停止进水、排水、脱水及报警。
2.3控制方案
水位控制：高水位、低水位2档；
洗涤过程为：进水→洗涤（正转15s，暂停3 s,反转15s，暂停3s，如此反复30次）→排水→脱水→混浊度检测看衣服是否洗干净并决定是否停止洗涤；
如果脱出的水是混浊的，混浊度检测开关X5将保持闭合,则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；
如果脱出的水已不再混浊，混浊度检测开关X5将断开,则进行洗完报警。
2.4检测元件
2.4.1水位检测元件说明
图2-1 1020系列洗衣机水位传感器
主要用于水位检测；
产品参数：工作温度范围：－40 —+125℃；压力范围：15～115 kPa；供电电压：5.0±0.5VDC；精度：±2.5%VFSS。
图2-1为洗衣机的水位检测电路，CON4连接水位传感器，水压大小产生LC 震荡，压力越小则频率越大，反之亦然。当接近零水位时，输出频率约在27.8KHz。此频率通过F/V 转换电路，转换为模拟电压输入至芯片内ADC 模块来计算水位高低。
F/V 转换电路由IC7所产生，电路组件R33 与C36 形成输入端高通滤波器以滤除直流电压，输出电压大小由R30、C33 与输入频率决定，电压计算式为: Vo = R30 x C33 x Vcc x Fin；其中Vcc 为+5V、Fin 为输入频率。本水位控制器是农用无塔增压式供水器，采用点接点压力作为检测控制装置，其水位检测电路简单，在水源不足或潜水泵出现故障时能自动切断水泵电动机的工作环电源，同时还能发出声音报警。
2.4.2 混浊度检测元件说明
图2-2混浊度检测元件
（1）元件介绍：
洗衣机的外观上形成可以显示两种色的发光二极管组合体，通过二极管的亮或暗，向外表示洗涤水的水质。洗衣机包括检测装置，显示部，微处理器组成。检测装置检测洗涤水的硬度，洗涤剂量以及温度。显示部根据检测装置检测的结果，让不同色的二极管发光或关闭。微处理器把检测结果和已设定的洗衣机标准值进行比较，并按比较结果控制显示部。使用者只要确认发光二极管组合
体的亮/暗，即可知道由洗涤水硬度，洗涤剂量，温度等综合因素决定的水质状态，可以调整洗涤剂的投放量和洗涤水温度，提高洗涤效率。图2-2混浊度检测元件是显示水质状态的洗衣机的检测元件。
洗衣机水质感知装置的结构，包括装洗涤水的外桶；安装在洗衣桶的开口管，检测洗涤水水质的水质感知装置，还包括在水质感知装置的一侧，与外桶外形上相吻合，确定水质感知装置的位置的定位叶片；在外桶的一侧，当水质感知装置的错误安装时，防止位置设定用叶片不在外形上吻合，能避免水质感知装置的错误安装的防误装叶片。洗衣机水质感知装置的结构依靠的定位叶片和防止误装叶片，水质感知装置能以最佳的安装位置和方向安装到洗衣桶，能简化安装水质感知装置的操作。
图2-3 APMS-11GVCF-KIT低NTU混浊度传感器
图2-4 混浊度传感器 APMS-11GVCF-KIT
图2-3 为 APMS-11GVCF-KIT低NTU混浊度传感器，该传感器能测量出溶液中的微粒含量,使用时应供以满足规定偏差的5Vdc供电电源并要求从本装置输出插脚处得到模拟输出。低NTU混浊度传感器提供一个光学装置放大和修正电位计的集成组成件。
图2-4 混浊度传感器 APMS-11GVCF-KIT，该传感器可用于适应的控制方案以监测和控制洗涤过程，帮助改善洗涤质量并能将能耗水材料和时间降低到最低。
混浊度测量在水或类似液体中悬浮颗粒的相对量混浊度不是悬浮颗粒的直接测量，而是测量这些粒子在光照下所具有的吸收散射效应，任意粒子所分散光的量决定于粒子的尺寸形状组成和折射
指数。传感器给出的信号和散射检测器的输出一致，输出确保高度准确性而有较窄的灵敏度范围比例，混浊度的读数范围是0 NTU至600 NTU传感器用可调电位计来调节放大级的增益和偏置电位计预置后传感器的输出范围的满量程由0.5Vdc至4.5Vdc。
低NTU混浊度传感器不具有反向电压保护如传感器供电极性相反可引起永久性损坏。不要浸没或冲洗冲洗传感器的接头区域低NTU混浊度传感器背面对环境不密封如液体通过接头区域进入可产生永久性损坏。在应用中要保持传感器的光学面永远潮湿重复的湿/干循环可引起洗涤剂造成的结垢或矿物质薄膜。
（2）应用信息：
气泡类似悬浮颗粒会产生散射效应，光学混浊度传感器对气泡泡沫和晶体很敏感大的气泡会产生输出峰值而悬浮状态的小气泡将使浊度读数有波动。使用时应确保传感器与气泡效应隔绝避免出现不正确的浊度读数应，正确定位传感器或使用某些形式的屏蔽或离心式泡沫分离器，另一种方法是短时间内关停搅拌系统让气泡上升到高于传感器的位置，应使用清洁水进行基线测试用以定量气泡效应然后再取任何水质量数据。请注意传感器对气泡的敏感性可得到有利的应用，其中一个可能的应用是确定流量气泡的存在。其很好的指示了流量已产生于该系统中这样在该应用场合有了这传感器就可不用流量计或压力传感器。
传感器内任何夹带的水分，可冷凝在传感器光学表面内侧改变混浊度读数。在任何时候都要保持传感器光学表面湿润，反复的湿润和干燥可形成一层溶解无机盐膜，这将取决于液体介质传感器，可定位在贮罐底有水的区域以确保贮罐排尽后传感器仍被湿润，如果装置是在流量通过传感器的情况下使用的必须让水留存在软管中，以防止产生无机盐膜。
使用洗涤剂可使光学元件产生无机盐膜高固体含量的溶液，也可使传感器结垢引导被测液体流过传感器，可防止结垢，有时让一股清洁的去离子水冲刷传感器几分钟，可以帮助减少霉菌生长的可能性和保持传感器的清洁。
（3）传感器的输出：
传感器输出可能需要求出平均值，以产生平稳的混浊度信号，瞬时读数会变化很大，这是由于泥浆中的泥土量有变化或大量异物流过传感器的缘故，数次读数后的一个动态平均值可帮助稳定输出信号，诸如混浊度变化率之类的数据也可用来确定工艺过程的流量和过程终止的情况。
散射信号为测量高至600 NTU的混浊度提供了非常正确的低微粒读数和良好的性能，在使用单散射信号进行测量时必须特别小心，因为在散射光被介质吸收之后，混浊度会提高输出信号，由此可能开始降低变得模糊不清这种现象称为“输出折返”如图2-5所示。
图2-5 唯一散射信号特性2.5 I/O分配图
指令表：
0 LD M8002
1 SET S0
3 STL S0
4 LD X0
5 ANI X1
6 SET S20
7 STL S20
8 LDI X3
9 OUT Y0
10 LD X3
11 SET S21
13 STL S21
14 OUT Y1
15 OUT T0 K20
18 LD T0
19 SET S22
21 STL S22
22 OUT T1 K20
25 LD T1
26 SET S23
28 STL S23
29 OUT Y2
30 OUT T3 K20
33 LD T3
34 SET S24
36 STL S24
37 OUT T4 K20
40 OUT C0 K30
43 LD T4
44 AND C0
45 SET S25
47 LDI C0
48 AND T4
49 SET S21
51 STL S25
52 RST C0
54 OUT Y3
55 LD X4
56 SET S26
58 STL S26
59 OUT Y3
60 OUT Y1
61 OUT Y4
62 OUT T4 K20
65 LD T4
66 ANI X5
67 SET S27
69 LD T4
70 AND X5
71 SET S20
73 STL S27
74 OUT Y5
75 OUT T5 K20
78 LD T5
79 OUT S0
81 RET
82 END
2.7 程序工作原理分析
当按下启动按钮X0后，进水电磁阀Y0得电，表示洗衣机开始进水工作。当水位达到高水位时，高水位开关X3闭合，则停止进水，同时电机正转控制端子Y1得电，即开始正转洗涤，正转洗涤15S 后暂停，即15S后Y1失电，暂停3S后电机反转控制端子Y2得电，即开始反转洗涤，反洗15S后暂停，即15S后Y2失电，暂停3S后再Y1得电正转洗涤，如此反复循环30次。洗涤结束后，则排水电磁阀Y3得电，即开始排水。当水位下降到低水位时，低水位开关X4断开，同时脱水电磁离合器Y4得电，即开始脱水并继续排水，即Y3保持得电状态，脱水10S后，Y3和Y4均失电，这样即完成一次从进水到脱水的大循环过程。如果脱出的水为混浊的，混浊度检测开关X5将保持闭合,则返回从进水开始的全部动作过程，进行下一次大循环；如果脱出的水已不再混浊，混浊度检测开关X5将断开,则报警蜂鸣器Y5得电，即进行洗完报警，报警10S后Y5失电，则结束全部过程，自动停机。
此外，如果按下停止按钮X1可以实现手动的停止进水、排水、脱水及报警。
2.8 选型以及规格
选择PLC的型号，根据系统所需要的功能和规模选择CPU模块，电源模块和数字量输入和输出模块，对硬件进行组态，确定输入、输出模块在机架中的安装位置和它们的起始地址，图2-6为所选用的FX2N系列PLC的外形图。
图2-6 FX2N系列PLC的外形图
1）.FX2N型号标住实例：
(1).型号为FX2N- 40MR- D的PLC
(2).属于FX2N系列
(3).有40个I/O点的基本单元
(4).继电器输出型
(5).使用DC24V电源。
2）.FX2N扩展配置：
FX2N扩展模块仅由输入输出接口组成，需由基本单元或扩展单元供电，其控制用电源为DC5V，FX2N还有特殊功能板、特殊模块及特殊单元等特殊扩展设备可供选用，特殊扩展设备需由基本单元或扩展单元供DC5V电源。
第三章性能测试与分析
3.1程序的整体调试
在程序的整体调试过程中,混浊度检测开关在实际的实物接线和程序中不一致,因其在水是混浊时应该是闭合的,所以应接常闭的。当液位低于低水位时，低水位开关X4应断开；高于低水位时，低水位开关X4应闭合，对于这一点有一些模糊。在程序的调试过程中能够及时的发现问题并解决问题，最后很快调试成功。
3.2 性能分析
采用PLC控制可靠稳定，性能更好，运行稳定，延长了洗衣机的使用寿命，原来的全自动洗衣机是必须要漂洗三次，即必须要经历三次从进水到脱水的大循环过程，现在将其改进成具有混浊度检测功能的全自动洗衣机，根据水的混浊度来判断是否还需要进行再次漂洗，与原来的必须漂洗三次相比，避免了衣服洗不干净或者已经洗干净了但是还必须要完成三次漂洗过程而出现的浪费水资源现象，从而可以大大节约用水和避免洗衣机做无用功而耗费电能。
第四章结束语
参考文献
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