全自动洗衣机

桂林航天工业学院 综合实训 课程名称 PLC 综合实训 题 目 全自动洗衣机的 plc 控制 专业班次 机电一体化 组 员 李栋燊 学号 z0143 奉贤涛 学号 z0112 指导教师 卢 望 学 期 2014 2015 学年 第一学期 日 期 2014 12 第一章 课程设计任务和控制要求第一章 课程设计任务和控制要求 一 概述一 概述 洗衣机的应用现在比较普遍 全自动洗衣机的实物示意图如图所示 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 电机功率为 2 2KW AC380V 二 设计任务和要求二 设计任务和要求 该全自动洗衣机的要求可以用流程图来表示 PLC 投入运行 系统处于初始状态 准备好启动 启动时开始进水 水满 即水位到达 高水位 时停止进水并开始正转洗涤 正转洗涤 15 s 后暂停 暂停 3 s 后开始反转洗涤 反 转洗涤 15s 后暂停 暂停 3 s 后 若正 反洗涤未满 3 次 则返回从正转洗涤开始的动作 若正 反洗涤满 3 次时 则开始排水 排水水位若下降到低位时 开始脱水并继续排水 脱水 10s 即完成一次从进水到脱水的工作循环过程 若未完成 3 次大循环 则返回从进水 开始的全部动作 进行下一次大循环 若完成了 3 次大循环 则进行洗完报警 报警 10s 结束全部过程 自动停机 此外 还要求可以按排水按钮以实现手动排水 按停止按钮以实现搬运 停止进水 排 水 脱水及报警 第二章第二章 全自动洗衣机全自动洗衣机 PLC 控制设计方案控制设计方案 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 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 PLC 控制系统的硬件组成框图 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 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 首 先做一下比较 滚筒式洗衣机具有如下性能 1 更好的软化衣物纤维 减小洗涤过程中衣物的损伤和变形 并且还可以使洗后的衣 物柔软而蓬松 2 提高温度来洗涤可充分溶解洗衣粉 加快洗衣粉中弱酸性物质与污物的化学反应速 度 提高洗衣粉中酶的活性 同时有利于溶解汗渍 血渍 降低灰尘 油污的粘附作用 从而可在同样的洗净比下大幅度降低洗涤过程对机械力的需求 3 温度高有利于污物在水中的扩散 4 高温能有效的杀死一些细菌 没有加温的洗涤的波轮式洗衣机无论怎样的水流 要达到一定的洗净比 都必须有足 够的机械力 而机械力对衣物是由损伤的 这就决定了波轮式洗衣机的磨损率大大高于滚 筒式洗衣机 各种新水流基本原理是一样的 就是尽量以紊乱的水流减小衣物的缠绕 增大水流的 冲刷力以用于洗涤 与以前依靠衣物与桶壁和衣物相互之间的摩擦方式相比 水流冲刷对 衣物的损伤较小 滚筒式洗衣机有如下特点 1 磨损低 没有缠绕 机械传动部分简单可靠 寿命长于波轮式洗衣机 2 自动化程度高 可以自动投放洗衣粉 漂白粉等 为不同质地的棉制品 化纤制品 羊毛制品设计了不同的洗涤程序和洗涤温度 使洗涤更为科学 设有防皱浸泡功能 可将 洗好的衣物浸泡在清水里 到晾晒前再甩干 避免衣物甩干后不能及时取出晾晒而起皱 1 省水 省洗衣粉 滚筒式洗衣机不需要水位高过衣物 从而可节约用水 并可减 少洗衣粉的投放量 2 高温洗涤有一定的灭菌作用 3 洗涤过程噪声小 滚筒式洗衣机属封闭式洗涤 可以有效屏蔽内桶转动声和水流 声 而波轮式洗涤的水流声 脱水内桶转动声是不可避免的且刹车装置和电磁阀动作声音 也很大 由于滚筒式洗衣机的价格大大高于波轮式洗衣机 所以波轮式洗衣机仍然受到普遍欢 迎 波轮式洗衣机的特点 1 水流方面 现在波轮式全自动洗衣机出现了一种新水流的形式 如 LG 的拳击棒 松下的双瀑布 荣事达的网络水流等都采用了这种水流 2 程序控制器 新推出的波轮式全自动洗衣机均采用单片机程序控制器 原来的机 械式程序控制器基本上已被淘汰 各厂家生产的各种型号的波轮式全自动洗衣机的控制程 序有所不同 如在模糊控制的洗衣机中 单片机通过采集水位传感器 布量传感器 光传 感器的信号以及电动机的转速 判断出衣物的质地 多少 赃物程度 从而自动调整对衣 物进行合理的洗涤 3 不锈钢内桶 波轮式洗衣机采用了不锈钢内桶 减小衣物和内桶壁摩擦力 从而 减轻衣物的磨损 4 同心洗 同心洗是直接把电动机轴与洗衣桶主轴同心安装 直接驱动 使洗涤和 脱水时洗衣桶振动减小 噪声降低 5 变频波轮式洗衣机可以对不同质地的衣物自动选择不同的电动机转速 从而给不 同质地的衣物以恰当的洗涤强度 在保证洗得干净的同时 也最大限度地降低衣物的磨损 同时还可以在脱水甩干时 由慢到快地启动 使衣物在桶内分布均匀 脱水效果好 同时 由于衣物均匀分布在洗衣桶的四周 洗衣桶的重心落在轴心上 可以减小振动 降低噪声 但是价格较贵 波轮式全自动洗衣机通常都采用将洗涤 脱水 桶套装在盛水桶内的同轴套桶式结构 虽波轮式全自动洗衣机通常都采用将洗涤 脱水 桶套装在盛水桶内的同轴套桶式结构 虽 然它们各自牌号和型号都不同 但其结构都是由洗涤 脱水系统 进 排水系统 电动机然它们各自牌号和型号都不同 但其结构都是由洗涤 脱水系统 进 排水系统 电动机 和传动系统 电器控制系统以及支撑机构和传动系统 电器控制系统以及支撑机构 5 5 大部分组成的 支撑机构主要有箱体 吊杆及大部分组成的 支撑机构主要有箱体 吊杆及 控制台组成 它除了安装和连接洗衣机的各种零件外控制台组成 它除了安装和连接洗衣机的各种零件外 还具有减振及防护 装饰的作用还具有减振及防护 装饰的作用 3 23 2 洗涤脱水系统洗涤脱水系统 它主要有盛水桶 洗涤桶和波轮组成 盛水桶又称为外桶 主要用来盛放洗涤液 盛 水桶固定在钢制底板上 通过 4 根吊杆悬挂在洗衣机箱体上 电动机 离合器 排水阀等 部件都装在桶底下面 洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶 也称为内桶 它的主要功能是用 来盛放衣物 在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能 在脱水时便成为离心式的脱 水桶 波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件 按波轮的形状来分 基本 上有小波轮 直径在 160mm 左右 的涡卷式水流和大波轮 直径在 300mm 左右 新水流两 类 3 33 3 排水和进水系统排水和进水系统 波轮式全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制 为了对桶内的水位进行检测 和控制 洗衣机上都安装有水位控制器 水位开关 波轮式全自动套桶洗衣机使用最多 的水位开关是空气压力式开关 主要有气压传感器装置 控制装置及电触点开关 3 部分组 成 用来监视水位的高低 此外电磁阀分进水和排水电磁阀 进水电磁阀是洗衣机上的自 动进水开关 它受水位开关动断触点的控制 而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水 装置 同时还起改变离合器工作状态 进水 排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的 原理 洗衣机电磁阀在进 排水时使用 220V 交流电压与电磁阀线圈接通 形成磁场 电 磁线圈吸合 自动打开香蕉阀门 洗衣机里的水就顺着管道流出去了 断电后 电磁阀线 圈失去电流 磁场消失 电磁铁松开 橡胶阀门自动关闭 洗衣机里的水就流不出去了 3 43 4 电动机及传动系统电动机及传动系统 波轮式全自动套桶洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成 离合器又有普 通离合器和减速离合器两种 其中普通离合器用在采用小波轮的套桶洗衣机上 这种洗衣 机在洗涤或者漂洗时波轮的转速和脱水时离心桶的转速相同 目前各种大波轮新水流套桶 洗衣机普遍采用减速离合器 它在洗涤 漂洗时波轮的转速较慢 而脱水时离心桶的转速 较快 电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源 普遍采用主 副绕组完全对称的电容式电 动机 由于一般全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大 因此电动机的功率较大 电动机与固定在离合器下端的大传动带盘之间用 V 带传动 经第一级减速后大传动带 盘得到 150r min 的转速 当洗衣机处于洗涤或漂洗状态时 再经离合器内部的行星齿轮减 速后 使波轮得到 175r min 低转速 此时 洗涤 脱水 桶不动 当洗衣机处于脱水状态 时 离合器输出的是未经减速的 850r min 的高转速 驱动脱水桶和波轮作同步高速运转 对于使用普通离合器的小波轮套桶洗衣机来说 有区别的仅仅是离合器内部没有行星齿轮 减速机构 因此在洗涤或漂洗时其波轮的转速与脱水时的转速时相同的 第四章电气控制系统第四章电气控制系统 4 1 控制系统结构控制系统结构 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 2 波轮式全自动套桶洗衣机控制系统的基本原理方框图 4 24 2 控制系统原理控制系统原理 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 3 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 34 3 检测电路系统检测电路系统 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 5 5 主要器件的选择主要器件的选择 5 15 1 电动机的选择电动机的选择 由于家庭提供的电源限制故选单相电容运转式异步电动机 以 3 6 公斤全自动洗衣机 为例 由于全自动洗衣机的脱水桶直径较大 这一偏心不能不考虑 所以计算时应以洗涤 物可能产生前最大偏心为计算依据 脱水时电机功率比洗涤时要大 在确定电机功率时应 以脱水时消耗的功率为依据 也就是说脱水时电机功率就是该洗衣机所确定的电机额定功 率 由于在计算时一些因素如电机转子的转动惯量等没考虑 造成一些偏差 所以 3 6 公 斤全自动洗衣机电机额定功率选为 180 瓦 符合全自动洗衣机的功率范围 120W 250W 故选择 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 5 25 2 传感器的选择传感器的选择 5 2 15 2 1 水温传感器的选择水温传感器的选择 水温检测可用热敏电阻或MTS102 半导体温度检测器 洗衣机水温一般为4 40 在该温度范围内MTS102线性好 温度敏感 水温检测常选用它 5 2 25 2 2 水位传感器的选择水位传感器的选择 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利用电磁谐 振电路LC 作为传感器的敏感元件 将被测物体的变化转变为LC 参数的变化 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 5 2 35 2 3 浑浊度传感器的选择浑浊度传感器的选择 浑浊度传感器主要采用红外光电传感器 由红外发射管发出一定强度的红外光 红外接 收管在溶液的另一侧接收红外线 红外线在溶液中透光性的大小就决定接收方产生光电电 流的大小 光电流经整形放大和数据处理后 就可以判断出水的浑浊程度 5 2 45 2 4 衣质传感器的选择衣质传感器的选择 衣质的检测一般在洗涤之前 且主要用来测定所洗衣物属于棉类还是化纤类 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 为了测出衣质 先加入一定的水并让 电机转动 突然切断电源 由于惯性作用电机会维持短时间旋转 此时电机处于发电机状态 会产生一定感应电势并逐渐衰减到零 由于衰减速率与布阻抗有一定的线性关系 通过对定 子绕组两端电热进行整流和检测 经光电隔离后形成脉冲 脉冲信号多 则布阻抗小 反之亦 然 经过几次测量就可以判断出布阻抗 通过推理得出衣质 故选择电阻传感器 5 3 可编程控制器外部设计 5 3 1 可编程控制器的选择 根据输入信号及输出信号的数量 经过初略计算 输人点数为 6 点 输出点数为 6 点 输人 输出信号都是数字量 增加 20 备用量 以便随时增加控制功能 输入点数为 6 1 20 7 2 输出点数为 6 1 20 7 2 根据 I O 点数 可选西门子 S7 200 型可编程控制器 5 3 2 可编程控制器 I O 口分配 输入地址分配 名称符号地址 启动按钮 SB1I0 0 停止按钮 SB2I0 1 高水位按钮 SB3I0 2 中水位按钮 SB4I0 3 低水位按钮 SB5I0 4 排空检测开关 ST1I0 5 高水位检测开关 ST2I0 6 中水位检测开关 ST3I0 7 低水位检测开关 ST4I1 0 手动排水按钮 SB6I1 1 手动脱水按钮 SB7I1 2 输出地址分配 名称符号地址 启动指令 J1Q0 0 进水阀控制继电器 J2Q0 1 电动机正转继电器 J3Q0 2 电动机反转继电器 J4Q0 3 排水阀控制继电器 J5Q0 4 脱水阀控制继电器 Jj6Q0 5 报警蜂鸣器 HAQ0 6 高水位指示灯 HL1Q0 7 中水位指示灯 HL2Q1 0 低水位指示灯 HL3Q1 1 图4 可编程控制器I O口分配表 5 3 3 外围接线图 98 S7 200 I0 1 I0 22 2 I0 3 I0 4 I1 1 I1 2 I0 6 Q0 2 I0 7 Q0 5 I1 0 Q0 1 Q0 4 Q0 0 KA 1 YV 1 YV 2 排 水 进 水 脱 水 正 转 M1 报 警 I0 0 L1 启动 高水位开 关 停 止 低水位开 关 中水位开 关 手动排 水 中液位传感 器 手动脱 水 高液位传感 器 低液位传感 器 SB 1 SB 2 SA 1 S A3 SB 3 SB 4 ST 1 S A2 ST 2 ST 3 KA 2 Q0 6 Q0 7 Q1 0 Q1 1 1 L1 通 电 L6 高 位 L7 中 位 L8 低 位 水