PLC洗衣机毕业设计论文.doc

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文PLC洗衣机毕业设计论文目录摘要I1.前言21.1洗衣机的起源与发展21.2本课题的意义31.3本课题研究的主要内容42.自动洗衣机的概述52.1 自动洗衣机的工作原理52.2 全自动洗衣机控制面板及控制系统72.3自动洗衣机的洗涤与脱水系统82.4自动洗衣机的进水和排水系统92.5 自动洗衣机的传动系统、箱体与支承系统102.6 洗衣全过程简述113.自动洗衣机硬件143.1 进水电磁阀143.2 排水阀与电磁铁153.3 水位开关和水位传感器153.4 减速离合器193.5 电机和电容294.PLC选型314.1 PLC的主要功能和应用314.2 PLC与其他工业控制系统的比较324.3 PLC的系统硬件设计335.基于三菱FX2N-24MR软件设计375.1自动洗衣机的控制要求375.2自动洗衣机的控制流程图。375.3 I/O端口配置395.4 三菱FX2N-24MR PLC接线图395.5 SWOPC-FXGP/WIN-C软件进行程序设计396.毕业设计总结与展望456.1 毕业设计总结456.2 工作展望45致谢47参考文献48附录501.前言1.1洗衣机的起源与发展1897年，“手洗时代”受到前所未有的挑战，有人发明了木质手摇洗衣机。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，是在木桶里装上六块叶片，用手柄和齿轮转动，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，美国又出现了蒸汽机洗衣机，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1910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。随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机的研制的步伐，20世纪60年代，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，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，外形造型更为时尚。进入90年代，由于电动调速技术的提高，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，随着电动驱动技术的发展与提高，日本生产出了电动直接驱动式洗衣机，省去了齿轮转动和驱动方式的巨大改革。自动洗衣机的发明是洗衣机技术的一个重大革命，设计人员设计的洗衣程序使这款洗衣机更加智能化。它不仅大大节省了人力，而且还进一步扩大了机洗衣物的范围。羽绒服、羽绒被、面料结实的棉服等等都可省去手洗的麻烦和送到洗衣店干洗的费用。使用全自动洗衣机洗衣时可以根据衣物的质地、体积，在微电脑控制板上选择水流的强弱、时间的长短以及水量的多少。所以从问世至今，自动洗衣机一直都受到消费者的偏爱。 1.2本课题的意义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。随着自动化技术的飞速发展。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。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展。以往以单片机为中心控制系统工作的家用全自动洗衣机中，存在着一些本身不能克服的缺点。首先由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序也相对复杂;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，这样不但增加了硬件的复杂性，而且隐含较高的故障率，还无形地增加了维修成本费用。PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置。它采用可编程序的存储器用来存储用户指令通过数字或模拟的输入输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、计数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。它的优点是：可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等。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。如果在全自动洗衣机的控制系统中采用PLC来控制将能克服单片机的这些缺点。因为PLC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。所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统的设计的灵活性及控制系统的可靠性。但由于PLC相对于普通单片机来说，价格比较昂贵，所以现在基于PLC的自动洗衣机多出现在工业洗衣机中，工业洗衣机适用于宾馆、酒店、医院、学校、服装厂，水洗厂，工矿企业等，满足大容量的洗衣要求。家用洗衣机采用PLC进行控制的还相对较少。1.3本课题研究的主要内容本课题需研制出可靠性高、易于操作的波轮式全自动洗衣机控制方法，该系统采用三菱PLC控制，主要包括电动机正反转控制、进排水电磁阀控制、循环控制、保护和报警。研究的具体内容包括： 深入了解洗衣机的发展、结构及控制要求。 控制系统设计。硬件选型与设计。PLC的选型，洗衣机程序设计。对编写好的编译程序进行实际调试并仿真。2.自动洗衣机的概述2.1 自动洗衣机的工作原理1.折叠式上盖 2.操作板 3.吊杆 4.平衡环 5.洗涤脱水桶 6.离合器 7.电动机 8.三角皮带 9.皮带轮 10.调整脚 11.进水软管 12.进水阀 13.程序控制器 14.外箱体 15.布屑收集过滤网带 16.波轮 17盛水桶 18导气软管 19.空气室 20.排水阀 21.皮带轮 22.排水软管 23.漂白剂、液体洗涤剂注入口 24.预约洗涤专用洗涤剂加入盘 25.除湿型干燥机用的排水口 26软管挂架 27柔软剂注入口 28.电源开关 29.启动暂停按钮图2-1 波轮式全自动洗衣机的结构全自动洗衣机综合运用了大量力学、电学、光学等知识，以下就其原理和构造作一分析。洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉入水中来实现洗净的目的。首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿桶壁上升。在波轮中心处，因甩出液体而形成低压区，又使得洗涤液流回波轮附近。这样，在波轮附近形成了以波轮轴线为中心的涡流。衣物在涡流的作用下，作螺旋式回转，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩擦。又由于波轮中心是低压区，衣物易被吸在波轮附近，不断地与波轮发生摩擦，如同人工揉搓衣物，污垢被迫脱离衣物。其次，当衣物被放进洗涤液之后，由于惯性作用运动缓慢，在水流与衣物之间存在着速度差，使得两者发生相对运动，水流与衣物便发生相对摩擦，这种水流冲刷力同样有助于污垢离开衣物。再次由于洗衣涌形状的不规则，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度和方向都发生了改变，形成湍流。在湍流的作用下，衣物做无规则地运动并翻滚，其纤维不断被弯曲、绞纽扣拉长，衣物相互相摩擦，增大了洗涤的有效面积，提高衣物的洗净的均匀性。全自动洗衣机是通过水位开关与电磁进水阀配合来控制进水、排水以及电机的通断，从而实现自动控制的。电磁进水阀起着通、断水源的作用。当电磁线圈断电时，移动铁芯在重力和弹簧力的作用下，紧紧顶在橡胶膜片上，并将膜片的中心小孔堵塞，这样阀门关闭，水流不通。当电磁线圈通电后，移动铁芯在磁力作用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小孔流入洗衣桶内。由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔的流通能力，膜片上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。水位开关实际上是一个压力开关。气室的入口与洗衣桶中的贮气室相联接。当水注入洗衣桶后，贮气室口很快被封闭，随水位上升，贮气室的水位也上升，被封闭的空气压强亦增大，水位开关中的波纹膜片受压而胀起，推动顶杆运动而使触点改变，从而实现自动通断。智能型模糊控制的全自动洗衣机还可以自动判断水温、水位、衣质衣量、衣物的脏污情况，决定投放适量的洗涤剂和最佳的洗涤程序。其方法是：在洗衣桶内注入一定量水后使电机低速运转，平稳后快速断电，洗衣桶在惯性作用下带动电机继续转动。此时，电机绕组产生反电动势，对其半波整流并放大整形后获得一矩形脉冲系列。通过分析脉冲个数和脉冲宽度。就能得到衣质衣量情况。衣物的脏污程度是通过水的透明度来判断的。在洗衣桶的排水口处加一红外光电传感器，使红外光通过水而进入另一侧的接收管。若水的透明度低，接收管获得的光能小，说明衣物较脏。脱水时采用压电传感器。当脱水桶高度旋转时，从脱水桶喷射出来的水作用于压电传感器上，根据这个压力变化，自动停止脱水运转。2.2 全自动洗衣机控制面板及控制系统全自动洗衣机控制面板由工作指示区、编程选择键、增键、减键、和启动键组成。全自动洗衣机一般采用轻触式开关，在按下开关后，字符旁边的指示灯会亮。当指示灯亮起表示程序选中，指示灯闪烁表示正在执行此程序，指示灯熄灭表示程序未选择或执行完毕。全自动洗衣机电气控制系统包括微处理器、排水电磁铁、电容器、门开关、按键开关、指示灯、中间继电器，水位压力开关、蜂鸣器及进水电磁阀等部件组成。通过微处理器，能自动完成进水，洗涤（漂洗）、排水、脱水、报警等全部程序，只需设计软件就可以来达到预想控制的目的。图2-2全自动洗衣机控制系统方框图2.3自动洗衣机的洗涤与脱水系统图2-3 洗涤脱水桶全自动洗衣机主要是通过波轮对衣物的翻滚达到洗涤目的。波轮安装在洗涤桶的正中，托盘连接着盛水桶。套桶式全自动洗衣机的脱水桶（甩干篮）既要保证能离心脱水，又要能容纳洗涤的衣物，全自动洗衣机的洗涤桶其上部略大，下部略小，呈圆锥形。为了保证洗涤效果，洗涤桶的内壁上必需设计成凸形来增大摩擦力，达到满意的洗涤效果，当衣物与洗涤桶接触时，桶壁就产生像搓板那样的洗涤作用，而且能增强涡旋作用，提高洗涤率。洗涤系统的传动部分由风叶、皮带、皮带轮、和洗衣轴体组成。脱水系统由脱水桶、脱水定时器、安全开关、电动机、制动机构等组成。洗衣机具有盖的带锁装置，该锁定装置，包括洗衣机盖板、洗衣机箱体，还包括控制开关，与控制脱水的开关联动；电磁铁，与控制开关连接；洗衣机盖板翻口端内面在对应洗衣机箱体内壁处设有凹缘，凹缘上设有锁孔，洗衣机箱体上端设有所述电磁铁，电磁铁衔铁的伸缩口位于洗衣机箱体内壁，而且电磁铁通电后其衔铁伸出端正好位于盖好的洗衣机盖板凹缘的锁孔内。由于电磁铁的控制开关与洗衣机控制脱水的开关联动，使洗衣机在脱水时电磁铁的衔铁能伸出，而且正好锁住洗衣机盖板凹缘的锁孔，使用户在脱水时不能打开洗衣机盖板，从而确保了洗衣机脱水时的操作安全。2.4自动洗衣机的进水和排水系统 全自动洗衣机的进水系统采用水位压力开关和进水阀，由程序控制器调节。设有溢水口，其位置在盛水桶上口部。漂洗时，它能让洗涤液中的泡沫和污水溢出，有利于漂清。全自动洗衣机水位开关一般有两档水位控制,并都有低水位、高水位、再注水等功能当进水阀注水，内桶水位增高到预选水位时，导通橡皮气膜受到内部空气的压缩而被顶出，中触片上跳，与上触片闭合。此时主电机导通，进水阀断开（原来中触片与下闭合），并开始洗衣。当旋钮旋至低水位时，凸轮转动，但曲率半径较小。通过一定的机构，橡皮气膜压簧被压缩而产生压力P1，压迫气膜。当桶内水量达到30L时，软管内的空气被压缩，产生空气压力F1，当F1P1时,中触片上跳,与上触片闭合,主电动机动作,进水阀关闭.全自动洗衣机的排水系统由程序来控制排水电磁铁，牵引排水阀。排水阀主要由阀盖、阀芯弹簧、阀芯拉簧，橡皮阀和阀体组成。排水电磁铁主要用来控制自动型洗衣机排水阀的开闭,在套桶式自动型洗衣机中同起到改变减速离合大的洗涤、脱水状态、排水电磁铁主要由线圈、磁轭、静铁芯、衔铁和短路铜环等组成。2.5 自动洗衣机的传动系统、箱体与支承系统全自动洗衣机的传动系统设在洗衣机脱水桶的底部,主要由波轮、脱水桶、离合器、传动带、电动机、电磁阀及单相电容式电动机组成。离合器是内外轴复合为一体的结构。离合器的内轴（洗涤轴），一端固定波轮，另一端固定离合套，离合套上固定大带轮，离合器外轴（离心轴）的一端固定离心桶（脱水桶），另一端通过抱簧与离合套连接。内外桶的联动或分动（即实现脱水或洗洗涤），是由拨叉控制抱簧和刹车盘来实现的离合器轴包括脱水轴合洗涤轴。洗涤或漂洗时，牵引电机处在断电状态，制动杆将制动带收紧，对脱水轴制动。棘爪将棘轮拔动一定角度使方丝离合簧被拔松，所以电机做正转或反转转矩都不能传递给脱水轴，而只是经过行星减速器再输出给波轮，实现洗涤运转。脱水时，牵引电机是通电状态，拉动制动杆使得制动带松开，棘轮和方丝离合器处于自由状态，大皮带轮顺时针旋转将方丝离合簧旋紧，使输入转矩有效地传递给脱水轴，实现高速脱水运转。如果大皮带轮逆时针转动，则方丝离合簧被拨松而不能传递转矩给脱水轴，所以脱水只能顺时针单向转动。洗衣机外箱体是洗衣机的盔甲， 很多洗衣机采用高分子聚合塑钢材料作为外箱体，不怕水，不腐烂，永不生锈，耐碰撞，防漏电，机身轻便，易于搬动。特意添加的抗老化剂，令外箱体历久弥新。有的采用刚柔相济的不锈钢做内桶刚性，在于不锈钢材质表面分子结构致密，空隙小，故可抗击细菌等物质的侵入和腐蚀，以达到抗菌，抑菌，耐腐蚀的作用。柔性，超级镜面不锈钢材料光滑柔细，即便是最娇柔的面料也不会受到损伤。很多洗衣机内桶完全采用世界一流的不锈钢材料制成，拥有顶级的品质保证。2.6 洗衣全过程简述下面我们对洗衣机整个工作过程做一个简单的描述首先是进水。进水是有电磁进水阀来完成的。当我们按动按键，选择好水位的高低、水流的强弱后，按动程序控制面板上的启动按钮，这时，程控器的电源接通，开始工作运转，整个洗涤程序开始。于是，电磁进水阀被接通电源，阀内阀芯被吸合，进水的节门被打开，自来水管中的水就开始流入洗衣机。进水以后，洗涤桶内底部的水压力不断升高，当水位达到预定的高度以后（也就是达到一定的水量），水位开关导气管内的气压也就达到一定数值，使得水位开关的动弹簧片动作，将信号反应给程控器。于是进水阀的电路被切断，进水工作停止。同时洗衣机电机的电路被接通，电机在程控器的控制下，进行正反转的间歇运转，通过行星减速器降低转动速度以后，带动波轮运行，从而完成洗衣工作。在一般情况下，洗涤工作进行1015分钟，在波轮转动达到预定时间后，程控器便切断电机的电路，波轮停止转动。这时，排水电磁铁电路被接通，吸合衔铁。电磁铁的吸合控制三个动作：拉动排水阀杆，打开排水口，将洗涤桶内的水排出。将刹车臂推开一个角度，使得刹车带抱簧失去刹车作用，为脱水轴转动做好准备。抬起棘爪臂，将棘轮放开，使得动力簧可以抱紧皮带轮轴（离合套），将皮带轮与脱水轴连为一体。这三个动作都是脱水与洗涤之间的装换准备工作。在洗涤桶内的水位降到一定高度时，水压下降，水位开关动作，发出信号，程控器连通电机的脱水电路，电机进行单向转动，通过减速器带动脱水轴，使洗衣机进行漂洗前的脱水运行。达到预定时间后（一般12分钟），电机的电路又被切断，在惯性作用下，做减速运行。电磁铁随即也被切断电路。释放衔铁，排水阀关闭，刹车臂和棘爪臂恢复到初始位置，动力簧被扭转一个角度，脱水轴与皮带轮轴分离，并很快的被抱簧内的刹车带抱住，脱水刹车工作完成。在这同时，又做好了波轮运转的准备工作。这一脱水工作完成后，洗衣机将进行第一次漂洗工作。于是程控器再次接通电磁进水阀的电路，向洗涤桶内注水。在整个洗衣工作进行期间，洗涤与漂洗工作的机械动作时一样的，只是漂洗时波轮运转的时间要短一些。漂洗一般进行两次，在第二次漂洗前注水时，衣物的柔软调理剂被放入洗涤桶内，这个工作一般是利用离心力的原理放入的。利用电磁控制机构的洗衣机，在第二次漂洗前，程控器会将电磁铁的电路接通，把软化剂按时的投入洗涤桶中。第二次漂洗后的脱水是最终脱水，他的运转时间要长一些，一般控制在35分钟之间，以便将衣物内的水分充分甩出，达到一定的脱水率。最终脱水工作完成以后，除了电源指示灯以外，程控器将切断所有的电器零部件的电路，洗衣机不在运转，整个洗衣工作完成。以上我们可以看到，全自动洗衣机的整个洗涤过程的完成，也就是程控器按照一定的规律，将各个电器零部件按照顺序，接通和断开他们的有关电路，再由他们来推动其他机械结构的运行。电器部件的本身，也是由电路零件与机械零件的结合完成的（除电子线路外），所以，电器部件的结构也可以看作是为了达到预定的工作目的而设计的机电合一的机构。以上所提到的程控器在本课题中是可编程控制器，也就是PLC。3.自动洗衣机硬件3.1 进水电磁阀进水电磁阀是保证全自动洗衣机正常工作的关键部件，它通过接受PLC的指令和水位传感器的反馈信号控制洗衣过程中的进水动作。全自动洗衣机进水电磁阀结构主要由阀体、电磁线圈、可动铁芯、橡皮膜、过滤网等部件组成。其工作原理为:电磁阀在未通电时，可动铁芯在其上端的弹簧力和自身重力作用下，通过橡皮膜，关闭住导流孔，这样进水腔内的水压与橡皮膜和塑料导阀之间密封腔内的水压相等，使橡皮膜牢牢压住阀体中的水管口，切断了水流，保证了进水阀的正常关闭。当电磁阀接通电源后，由于电磁力的作用，可动铁芯被吸起，中心孔被打开，这时橡皮膜和塑料导阀间的空腔压力低于进水腔内的自来水水压，橡皮膜被顶开，电磁阀开始进水工作。本设计采用海尔洗衣机进水阀 FCD180A，它是海尔洗衣机最常见的进水电磁阀。3.2 排水阀与电磁铁排水阀工作时，由排水电磁铁将它打开，与此同时，它还带动刹车臂转动，放开刹车带和棘轮，使的脱水轴能够自由地转动。交流电磁铁由固定铁芯、线包电磁线圈和衔铁三部分组成。当它的线包接通220V交流电时，由于电磁感应的作用，定子铁芯便对衔铁产生吸引力，将衔铁吸合，同时拉动排水阀的拉杆和橡胶密封膜，打开水门放水，并带动刹车零件动作，使后面的一系列工作顺利进行。3.3 水位开关和水位传感器水位开关是波轮式全自动洗衣机控制洗涤桶中水量的电器件。洗衣机的洗涤桶中水位的高低代表着桶内水量的多少。在向桶内注水时，当水位达到一定高度后，水位开关将切断电磁进水阀的电路，同时，通过PLC接通洗涤电机的电路，完成进水与洗涤电路的交换。在排水时，当水位降到脱水桶底以下时，它也将接通或断开相应的电路，完成预定的工作。水位开关的作用原理是这样的，当进水电磁阀向洗涤桶内注水时，桶内的水平面会不断升高，在它超过盛水外桶底部的气室入口时，气室内的空气就被封住了出口。随着水平面的不断升高，桶底的压力就越来越大，气室、导气管和水位开关内部的空气被压缩，气压也随之增大。当桶内的水位逐渐下降时，也就是水量减少时，气压也跟着下降。因此，桶内的水位高低，就转换成桶底压力的变化，水压力的变化导致了气室内气压的变化，同时，气压的变化又引起了水位开关内橡皮膜的机械动作，这种机械运动在牵动触点簧片的上下移动，最后起了通、断电路的功能，完成了预定的水位控制工作。所以说，水位开关也可以称之为“启动开关”。当气室内的压力逐渐升高时，气室上方的橡皮膜被逐渐向上推起，使得顶芯就克服弹簧的压力被推向上方，同时带动动簧片中间的部分一起向上移动。当它超过两侧部分的位置时，中间小簧片上的压力方向会突然改变，两侧会快速地向下方弯曲，动簧片上的触电与下方的静触点接触，原来的电路被断开，另一条电路被接通。经过这一过程后，再加上PLC内部电路使电磁进水阀的电路被切断，进水停止，同时接通了洗涤电机的电路，波轮开始运转，洗涤工作开始。洗涤工作完成后，排水电磁阀被打开，洗涤桶内的水位下降，气室内的水压降低，水位开关的阀心在弹簧的压力下向下移动，达到一定的位置后，动簧片中间不分低于两侧部分，小簧片的压力方向又迅速改变，动簧片两侧被推向上方，下面的电路被切断，上面的电路导通。这是PLC内部电路已经发生改变，电机接通的时脱水电路。在开关水位的内部，还有一个长弹簧，他的作用是顶住与凸轮接触的杠杆，使它以右方为轴，而左方能紧紧的靠在凸轮的凹处。凸轮的作用是调节水位的高低，当杠杆处于凸轮的不同位置时，弹簧的压缩量不同，对于阀芯的压力也就不同，从而控制了阀芯动作多需要的气压（也就是水的压力），这也就达到了控制水位高低的目的。凸轮上有几个凹部位水位开关就有几个控制水位。在水位开关上，出了固定的几档水位之外，还有一个补水档位。补水档位的作用是将原来的低水位水量补充进水到较高水位。从图中凸轮的形状就可以看出来，在凸轮右部凹处逐渐向上过渡，与中心的距离急速扩大。是想当我们将凸轮放到高水位时（图中的情况是动簧片触点与上触点接触，处于接通电磁进水阀的状态），继续转动旋钮，杠杆在凸轮的作用下会继续下压，弹簧上的压力不断增大，这时候，橡皮膜要想向上运动，只有在气室内的压力有相当大的增加才行。所以电磁进水阀的电路也就不能断开，洗衣机便保持这种进水状态，直到我们将旋钮放到某一档位为止。补水档地作用是将原来的低水位改换成高水位。所以，当我们运转水位开关旋钮，达到补水档，电磁进水阀重新进水后，就要将它退回到合适位置（例如高水位），这样，当桶内的水平面上升到一定高度后，就可以停止进水，继续洗涤。水位传感器是在水位开关的工作原理基础上，在适当的位置，安装光敏元件，利用光敏元件受到不同强度光会导致内部通过的电流强度产生变化这一原理，来实现水位的多级控制。由于水位的变化是连续的，所以光敏元件内的电流变化也是逐渐进行的。因此这种PLC就可以将原来的水位开关的几档水位控制改变成更多的档次，甚至于变成无级水位的控制，这只要将PLC内的程序事先加以认真编程即可。本设计水位传感器采用深圳市安泰测控仪表有限公司所供应的1020系列洗衣机水位传感器，是一种带高集成度放大电路的硅压力传感器，工作温度范围：40 +125；压力范围：15115 kPa；供电电压：5.00.5VDC；精度：2.5%VFSS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。3.4 减速离合器早期设计的小波轮全自动洗农机的离合器没有减速功能，故洗涤和脱水转速相同。新型大波轮全自动洗衣机的离合器都具有洗涤减速功能，称减速离合器，其种类很多，但主要结构和工作原理基本相同。目前应用最为广泛的有两种：单向轴承式减速离合器与带制动式减速离合器。下面主要介绍一下单向轴承式减速离合器的工作原理。图3-5 减速离合器总承分解图3.4.1 基本结构离合器主要结构如下图3-6、3-7所示。离合器中部有两根轴：输入轴l和脱水轴l8。输人轴1的下端加工成四方形，与之相配的带轮3和离合套20的内孔也是方形。离合套20和带轮3被螺母2固定在输人轴1上，由于方轴与方孔的紧密配合，从而带轮3、输入轴I和离合套20联成了一体。输入轴1的上端加工成齿形花键，和行星减速器的中心轮内孔配合联接。输入轴l的外部是脱水轴18。在衣服洗涤时，脱水轴静止不转；而洗涤结束后，脱水轴应将带轮3的高转速直接传递给脱水桶，完成脱水功能。这种转换功能是由方丝离合弹簧4完成的。方丝离合弹簧的形状呈锥形，上端几圈的直径比下端略小一些。由于脱水轴18和离台套20的外径比方丝离合弹簧的内径略大，在自由状态时，方丝离合弹簧就抱紧在离合套20和脱水轴18的外壁上。当带轮带动离合套向弹簧旋紧方向旋转时，通过方丝离合弹簧就将带轮3的转动由离合套20传递到脱水轴18，这就是“合”时的脱水状态。在洗涤时，可以将方丝离合弹簧向反方向旋松，使其内径变大，从而与离合套20脱离接触，这就是“离”时的洗涤状态。实现弹簧旋松的机构是棘轮棘爪装置，图3-8是其工作原理简图。方丝离合弹簧下端的弹簧卡2卡在棘轮3的内槽中，通过棘爪5的摆动使棘轮3转动，从而带动方丝离合弹簧向旋松方向转动。图3-7中的8是单向滚针轴承部件，它的内圈与脱水轴18相接触，它的外圈与齿轮轴承座过盈配合成一体，齿轮轴承座嵌在支撑架19中，支撑架用螺栓和离合器外罩14固定在一起。在单向滚针轴承8的作用下，脱水轴l8只能向一个方向自由旋转。单向滚针轴承是滚针轴承产品领域中一种科技含量较高的产品，其结构紧凑，径向截面小。因为其外圈工作面是楔形所以只允许一个方向的转动可以起到单向离合器的作用。洗衣机单向滚针离合器的工作原理如图3-9所示，它由带楔形面的外圈7以及利用保持架3隔开的一系列滚针6组成，轴承直接套在脱水轴5上。当脱水轴5顺时针转动时，滚针落入楔形槽的大端中，此时脱水轴可顺时针转动；而当脱水轴逆时针转动时，滚针则卡紧在楔彤槽的小端处，这时脱水轴将无法转动。 在图3-7中，刹车装置外罩9、刹车扭簧l0、刹车带15、刹车盘16和十宁轴套17等组成了脱水轴18的刹车装置。十字轴套17用两颗紧定螺钉和脱水轴18固定在一起，刹车盘16又和十字轴套17用螺栓固定在一起，所以刹车盘16和脱水轴18联成了一体。刹车装置外罩9安装在脱水轴18上，为间隙配合，它对脱水轴的作用由刹车扭簧10控制。刹车扭簧10套装在刹车装置外罩9的外圆上，其下端固定在离合器外罩上，它的上端则嵌在拉杆21的一个方孔中，由排水电磁铁带动拉杆控制其状态。洗涤时，排水电磁铁断电，刹车扭簧处于自由旋紧的状态。当脱水轴18顺时针旋转时，由于刚性刹车带15紧紧抱住刹车盘16，而其一端又卡在刹车装置外罩9的方槽中，所以刹车盘、刹车带以及刹车装置外罩9都将一起顺时针旋转。刹车装置外罩9在顺时针旋转过程中，刹车扭簧10将被迅速旋紧，强大的摩擦力使刹车装置外罩9无法动作，此时刹车带15和刹车盘16将发生剧烈摩擦，对脱水轴18产生制动作用，防止脱水桶产生跟转现象。在脱水时，排水阀通电，排水电磁铁带动拉杆使刹车扭簧处于放松状态。由于刹车装置外罩9在顺时针旋转过程中，与旋松的刹车扭簧之间可以自由滑动，刹车不起作用，因此刹车装置外罩9、刹车盘16、刹车带15都将与脱水轴18一起高速旋转，完成脱水功能。图3-6 离合器结构3-7 洗衣机离合器结构图1.方丝离合弹簧 2.弹簧卡3.棘轮 4棘轮卡槽 5.棘爪图3-8 离合棘轮工作原理图行星减速器结构如图3-10所示。减速器外罩8和减速器底盖10用螺钉紧固在一起，再安装在法兰盘12上，法兰盘12和脱水轴2通过锁紧块13固定在一起，因为法兰盘12和脱水桶相联接，所以减速器外罩8、减速器底盖10、法兰盘12和脱水桶成一整体。减速器底盖10有上、下两个止口，从而保证了减速器和脱水轴2安装时的同心度。对行星减速器来说，输入轴1是动力的传入轴，其花键端插人中心轮11的内孔中。行星轮4其有4个，与中心轮11以及内齿圈6相啮合。内齿圈6通过其圆周槽卡在减速器底盖10上，与之联成一体。行星轮通过销轴5安装在行星架7上，当行星轮绕中心轮公转时，将带动行星架一起旋转。波轮轴9两端都加工成齿形花键，其下端与行星架7联接，上端与波轮相联，从而使波轮以低速旋转洗涤衣物。3.4.2工作原理脱水状态减速离合器脱水时的状态及装配戈系如图3-11所示，脱水状态下，排水电磁铁通电吸合，牵引拉杆移动约13mm，使排水阀开启。拉杆在带动阀门开启的同时，一方面拨动旋松刹车弹簧，使其松开刹车装置外罩，这时刹车盘随脱水轴5一起转动，刹车不起作用；另一方面又推动拨叉旋转，致使棘爪18脱开棘轮4，棘轮被放松，方丝离合弹簧3在自身的作用力下回到自由旋紧状态，这时也就抱紧了离合套2。大带轮l在脱水时是顺时针旋转的，由于摩擦力的作用，方丝离合弹簧3将会越抱越紧。这样脱水轴5就和离合套2联在一起，跟随大带轮1一起做高速运转。由于此时脱水轴5做顺时针运动，和单向滚针轴承7的运动方向一致，因此单向滚针轴承7对它的运动无限制。由于脱水轴5通过锁紧块与法兰盘9联接，而内桶12与行星减速器10均固定在法兰盘9上，所以脱水轴5带动内桶12以及减速器内齿圈的转速，与输入轴带动减速器中心轮的转速相同，这样致使行星轮无法自转而只能公转，从而行星架的转速与脱水轴是一样的，即波轮与脱水桶以等速旋转，保证了脱水桶内的衣物不会发生拉伤。脱水状态传动路线是：电动机小带轮大带轮l输入轴6离合套2方丝离合弹簧3脱水轴5法兰盘9内桶12。由于电动机输出转速只经带轮一级减速所以内桶转速较高，约680800rmin。 洗涤状态如图3-12所示，洗涤状态下，排水电磁铁断电，排水阀关闭，拉杆复位。这时刹车扭簧16被恢复到自然旋紧状态，扭簧抱紧刹车装置外罩，刹车装置8起作用；同时拨叉回转复位，棘爪18伸入棘轮4，将棘轮拨过一个角度，方丝离合弹簧3被旋松，其下端与离台套2脱离，这时离合套只是随输入轴空转。大带轮1带动输入轴6转动，经行星减速器减速后，带动波轮轴11转动，实现洗涤功能。输入轴至波轮轴的传动称为二级减速，其工作过程为：输人轴通过中心轮驱动行星轮，行星轮既绕自己的轴自转又沿着内齿圈绕输人轴公转，因为行星轮固定在行星架上，所以行星轮的公转也将带动行星架转动；行星架以花键孔与波轮轴下端的花键相联接，带动波轮轴和波轮转动。行星减速器的减速比i计算公式为：i=1+内齿圈齿数中心轮齿数。洗涤状态传动路线是：电动机小带轮大带轮l输入轴6中心轮行星轮行星架波轮轴11波轮。其间，电动机输出转速经带轮一级减速后，再经减速比约为4的行星减速器减速，所以转速约为140200rmin。内桶跟转现象的解决。洗涤时防止内桶出现跟转是设计中一个非常重要的问题。洗涤时，波轮将传动力矩传递给水和洗涤物，而转动的水和洗涤物又将转矩传递给内桶。因此，内桶如果不固定或固定不可靠，就要随之转动，这就是跟转现象。洗涤时，内桶跟转现象将减弱洗涤效果并对洗衣机不利，所以要防止山桶出现跟转。因为内桶和脱水轴是连成一体的，所以只要将脱水轴可靠固定，就可使内桶不跟转。为此除了刹车装置外，在脱水轴上还安装有单向滚针轴承，其工作原理如图3-9所示。 当波轮逆时针方向旋转时，内桶有逆时针方向跟转的倾向，这时与内桶成一体的脱水轴被单向滚针轴承卡住，不能转动，所以内桶也就不能转动。但在波轮顺时针力向转动时，单向滚针轴承允许转动的方向与之致，所以对脱水桶没有制动作用。 当波轮顺时针方向转动时，内桶有顺时针方向跟转的倾向，这时自然状态的刹车扭簧将被旋紧，紧紧抱住刹车装置外罩的轴端，相互之间产生足够的摩擦力使两者成为一整体。刹车装置外罩的顺时针旋转摩擦力将刹车带拉紧，刹车带对刹车盘转动产生摩擦阻力，这样就阻止了内桶跟转。刹车装置工作原理如图3-13所示。综合所述，当波轮逆时针转动时，依靠单向滚针轴承来防止桶跟转；当波轮顺时针方向转动时，依靠刹车装置来防止内桶跟转。脱水过程中突然打开洗衣机上盖，排水电磁铁失电，方丝离合弹簧恢复到洗涤状态，由于脱水是顺时针旋转，刹车扭簧将抱紧，刹车装置起作用，刹车带将使内桶迅速制动。3.5 电机和电容电机是自动洗衣机的心脏，是整个洗涤工作的动力来源。工业上用的电机各式各样，规格型号数不胜数，其中按使用电源可以分为交流电机和直流电机两种。交流电机又分为异步电机和同步电机。洗衣机上所用到的电机是单相电容起动运转式异步电机，使用220v交流电源。全自动洗衣机上使用的电机输出功率一般150W以上，配12F以上的电容器。这种电机的特点是启动转矩大，过载能力强，可以充分满足洗衣机负载频繁变化的使用要求。在洗衣机中使用的电机都要配接电容器。电容器的作用是加大电机的起动转矩和工作转矩，它还起确定旋转方向的作用。在洗衣机中使用的电容器一般都是纸介质或塑料介质的。电容器容量的大小一定要按照电机的要求选配，容量大了，容易使电机升温过高，缩短电机寿命；容量小了，会降低电机的起动转矩和过载能力。电容器的电压也要按照电机标牌的要求选配，一般洗衣机电机对电容器的要求电压为400伏到450伏交流电。本设计选择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。洗衣机中控制交流电机运转和实现电路保护的电路图如3-14所示。主电路的三相电源经隔离开关QS、主电路熔断器FU1、交流接触器KM1、KM2的主触头、热继电器FR的加热元件到三相异步电动机M构成主电路。通过接触器线圈得电控制其主触点的接通，能实现电动机正反转。该主电路既实现短路或过载保护。图3-144.PLC选型4.1 PLC的主要功能和应用PLC的主要功能和应用如下： 开关逻辑和顺序控制这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。 模拟控制在工业生产过程中，由许多连续变化的物理量需要进行控制，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。为了实现工业领域对模拟量控制的广泛要求，目前大部分PLC产品都具备处理这类模拟量的功能。特别是在系统中模拟量控制点数不多，同时混有较多的开关量时，PLC具有其他控制装置所无法比拟的优势。另外某些PLC产品还提供了典型控制策略模块，如PID模块，从而可实现对系统的PID等反馈或其他模拟量的控制运算。 定时控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时与计数器。其定时时间间隔可以由用户加以设定。对于计数器，如果需要对于频率较高的信号进行计数，可以选择高速计数器。 数据处理新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算，数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算、函数运算。 信号连锁系统信号连锁是安全生产所需的。在信号连锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和连锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。 通信把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。4.2 PLC与其他工业控制系统的比较4.2.1 PLC与继电器控制系统的比较几十年来，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业领域中大量地应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，与PLC相比较，存在着质的差别，表41给出了PLC与继电器控制系统功能与特点的比较。表4-1比较项目继电器控制PLC控制功能的实现通过对继电器进行硬接线完成相应的控制功能对进行编程实现所需控制要求对生产工艺变化的适应性需进行重新设计与接线适应性差只需对程序进行修改适应性强可靠性元器件多、触点多，容易出现故障采用大规模集成电路，绝大部分是软继电器，可靠性高柔韧性与灵活性差具有种类齐全的扩展单元，扩展灵活控制的实时性机械动作时间常数大，实时性差微处理器控制，实时性非常好占用空间与安装控制柜体积大、笨重，安装施工工作量大体积小，重量轻，安装工作量小使用寿命易损、寿命短寿命长复杂控制能力极差很强价格较低较高维护复杂、工作量大工作量小4.2.2 PLC与计算机控制系统的比较通用计算机具有十分强大的计算与数据处理能力，同时数据的处理速度已经达到极高的水平，但是应用通用计算机进行工业控制，在很多方面远远没有PLC功能强大，表4-2给出了它们的对比：表4-2比较项目通用计算机PLC工作方式中断方式扫描方式编程语言汇编语言、高级语言助记符语句，梯形图等工作环境较高可在较差的环境下工作对使用者的要求需进行专门的学习培训才能掌握语言易懂，稍加训练即可使用可靠性商业级要求工业级，且有多种特殊设计系统软件功能强大，但占用存储空间过大功能专用，占用存储空间小适用领域办公、管理，科学计算、家庭工业控制从上边的论述和比较可以看出。由PLC的硬件决定了它的可靠性和控制功能比继电器控制系统高的多，它是专门为工业控制场合设计的，所以他的稳定性也比一般通用计算机要好的多，而且它操作简单灵活，易于实现系统升级和功能扩展所以在本设计中采用PLC来进行逻辑控制。4.3 PLC的系统硬件设计4.3.1 PLC控制系统设计的基本原则任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。保证PLC控制系统安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下(如突然掉电再上电、按钮按错等)，也能正常工作。力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入输出模块、IO点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺改进。4.3.2 可编程控制器机型的选择为了完成设定的控制任务，主要根据自动洗衣机控制方式与输入输出点数和占用内存的多少来确定PLC的机型。本系统为自动洗衣机，采用集选控制方式。所需输入输出点数与内存容量估算如下：输入输出点的估算。输入点有：启动、高水位、低水位、手动正洗、手动反洗、手动脱水、手动进水、手动排水、手动自动，共9个输出点有：正洗控制、反洗控制、脱水离合器、进水电磁阀、排水电磁阀、报警控制，共6个。输入输出点增加15%20%作为备用量，所以12个输入输出点即可。内存容量的估算用户控制程序所需内存容量与内存利用率、输入输出点数、用户的程序编写水平等因素有关。因此，在用户程序编写前只能根据输入输出点数、控制系统的复杂程度进行估算。本系统有开关量IO总点数有15个，模拟量io数为0个。利用估算PLC内存总容量的计算公式：所需总内存字数=开关量IO总点数(1015)+模拟量IO总点数(150250)再按30左右预留余量。估算本系统需要约2.6K字节的内存容量。可编程控制器机型的选择。FX2，FXlN，FX2C系列是三菱公司今年来推出的高性能小型可编程控制器，FXOS，FXON，FX2N是微型可编程控制器。它们都体积都比较小，但功能强大，内置高速记数器，外观，高度，深度都差不多但性能价格有很大的差别。如表4-3所示。表4-3 FXOS，FXONFX2N性能比较型号I/O数用户程序步数功能指令通信功能基本指令执行时间模拟量模块FX0S10-30800步EEPROM50无1.6-3.6微秒无FX0N24-1282K步EEPROM55较强1.6-3.6微秒有FX2N16-2568K步RAM298强0.08微秒有FXOS的功能简单，价格便宜，可以用与小型开关量的控制系统，FXON可用于控制要求较高的中小型控制系统，FX2N的功能最强，可用与控制要求很高的控制系统。根据输入输出点数与内存容量的要求，再留出一定的IO节点与内存空间以供扩展时使用，以及指令的执行速度，因此选用三菱公司的FX2N系列的FX2N-24MR。它的输入继电器X0-X13共12个，输出继电器Y0-Y13共12个，程序容量为8K字节，完全满足要求。也给以后功能扩展留了足够的空间。 输入输出模块的选择根据系统控制的要求，本系统的输入选用直流24V的输入模块。输出模块选用继电器输出形式。开关量输出单元的作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。按照现场执行机构使用的电源的不同，可分为直流输出单元(晶体管输出方式。或者继电器触点输出方式)和交流输出单元(晶闸管输出方式或者继电器触点输出方式)。在继电器输出方式中，继电器作为开关元件，同时又是隔离器件。发光二极管(LED)构成输出状态显示器，当PLC输出一个接通信号时候，内部电路使继电器线圈K通电。继电器触点闭合使得负载回路的的负载L接通得电，VD作为续流二极管以消除线圈的反电动势，同时状态指示发光二极管(LED)导通点亮。根据负载的需要，负载回路的电源既可以选用交流电源，也可以选用直流电源。特别也指出的是，继电器模式具有断点确切，可以实际切断所控制的回路电器连接的作用，同时这种模式既适合于直流又适合于交流的情况，因此这种模式在开关频率不是太高的情况下是首先选择的输出控制方案。图4-1给出了这种输出方案的原理图。图4-1 继电器模式输出单元5.基于三菱FX2N-24MR软件设计5.1自动洗衣机的控制要求自动洗衣机的洗衣桶(外桶) 和脱水桶(内桶) 是同心安放的, 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