PLC工业洗衣机的电气系统方案设计书

1、封面作者：PanHongliang仅供个人学习摘要PLC 在工业洗衣机中的运用，是对旧式普通型、半自动型洗衣 机的是综合改造。它不同与家用全自动洗衣机，这是一款应用在工 厂需大批量洗涤场合，解决生产生活中洗涤任务繁重的需要而设计的。在思考工业全自动洗衣机的电气控制方式中，选择 PLC 作为微 电脑程序控制，同时由其控制变频器带动电动机的运行方向。可编程控制器（PLC）技术，在当今社会发展异常迅速，各生产厂 家也推出了许多强大的新型 PLC、各种特殊模块和通信联网器件， 使可编程控制器成为集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的 通用工业控制装置，既提高了操作的准确性、安全性、稳定性，同 样也带

2、来了极大的经济性，成为实现工业自动化的一种强有力的工 具。应用 PLC 技术，解决工业全自动洗衣机的编程，稳定性相当 好，同时实现了洗衣机的多功能性。本篇论文主要介绍了在工厂这种特殊场合有 PLC 应用在工业洗 衣机控制系统中，解决生产生活中洗涤任务繁重的需要而制造的。关键词：PLC、变频器、洗衣机目录第一章 洗衣机概述. .31.1 洗衣机的应用与发展. .31.2 工业洗衣机设计及工作原理.3第二章工业洗衣机硬件系统设计. 52.1 主电机调速电路的设计 . 52.2 变频器与电机应用. 72.3 PLC 系统及外围电路的设计. 10第三章工业洗衣机软件系统设计. 173.1 洗衣机控制要

3、求及整机流程. 173.2 整机软件程序图. 18总结. 22致谢. 23参考文献. 24第一章 洗衣机概述1.1 洗衣机的应用与发展早在上个世纪初人类就已经发明制造出洗衣机了，可以说洗衣 机这种产品的发明创造是工业发展的结晶，给人们的现实生活带来 了极大的便利。当时的洗衣机只有一个盛水桶，在应用中只能进行 简单的操作而无法实现更多的功能比如说脱水。再后来，随着机 械、电气技术的进步又相继出现了双桶洗衣机既所谓的半自动型洗 衣机，它具有洗涤和脱水两个同心桶结合于一体，可分别进行洗涤 和脱水的双用功能。时间的推移，科学技术在飞速发展。二十一世纪的今天，对洗 衣机而言已经彻底发生了巨大的变化，具有

4、全自动多功能的洗衣机 已经早在现实生活中广泛使用。不仅在洗涤质量上有更强的突破， 在洗衣机的制造业还提出了 6 大要素：最合适的控制力度，最适宜 的洗涤温度，最和谐的急缓节奏，最恰当的运行转速，最科学的洗 涤时间，最佳的脱水转速；并且在稳定性、安全性、性价比方面与 以往普通型洗衣机相比都实现了本质的超越。随着工业技术日益成熟，我们利用现有技术开发创新出一种具 有商业用途的多功能型工业大容量洗衣机，实现工业衣物的大批洗 涤。1.2 工业洗衣机设计及工作原理在设计这一款多功能型全自动洗衣机之前，考虑了好多问题， 比如说洗衣机在可靠性、安全性、开发推广价值等方面的具体实际 问题。整合了方方面面，认为

5、为工厂大型洗衣房设计的这款商业机 型，进行控制，能够实现被控对象的工艺要求，能够提高实际生产 效率和完成卫生高效的洗涤质量。设计的全自动洗衣机中，通过比较搅拌式、滚筒式还有波轮式 洗衣机，在大型洗衣量方面我选择了波轮式洗衣机。因为，滚筒洗 衣机虽然具有洗涤均匀性好，衣物磨损小，自动化程度高等诸多优 点，可是洗净率方面却很不够理想；搅拌式洗衣机洗净度较高，但 洗涤时衣服全部浸泡在洗涤液中，洗衣量比波轮式洗衣机多。所 以，我选择了波轮式洗衣机在大型场合的应用。在采用控制技术上选择 PLC 作为控制器，来设计工业洗衣机控 制系统，在这里主要为了其产品实现功能齐全、外围电路简单、维 护容易方便，容易继

6、续写入编程语言实现更新升级等。最大限度地满足被控对象的控制要求，在应用中保证 PLC 控制系统安全可靠， 适应企业发展的需要，为需要强洗涤工作量的企业提供了极大便 利。为此设计的洗衣机框架结构示意图如下图 1.2 所示图 1.2 工业动洗衣机结构图该洗衣机的进水、排水系统分别由进水电磁阀和排水电磁阀来 执行。进水时，通过PLC 控制系统使进水阀打开，经进水管将水注 入到外桶。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，作脱水用。内桶的四周 有很多小孔，使内外桶的水流相通。洗涤之前，按照所选水位的 高、中、低事前选择好，选择洗涤功能是普通洗还是强效洗，之

7、后 进入模式状态，开始进水并且内置加热器开始加热，达到量程要求 有阀内浮球控制闭合水位量程开关，进而来控制 PLC 的输出让进水阀失电。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高速正转 进行甩干。启动按钮用来启动洗衣机进入工作状态。 停止按钮用来 实现手动停止电机运转， 进而完成排水脱水的洗涤任务。这款工业洗衣机的设计中综合考虑了水温有利于对洗涤衣物的洗 净度效果，所以在外桶底下安置了加热器，最利于洗涤剂去除油 污。我考虑了它的最有应用价值的方面：帮

8、助企业提高自身的企业文 化形象：洗涤工厂里工人们的大量油污工作服。避免员工自己在家 洗的种种不变，给员工创造了舒适的业余生活，带来了工作中的愉 悦心情，潜移默化中提升了企业的文化内涵。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

9、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。由于是大批量洗涤衣物，在选择主电机方面选择了三相交流异 步电动机功率在4.0KW适宜大型洗衣机的洗涤， 电磁阀选用直流 24V作为控制进水和排水的任务及要求，电热器控制电路采用单相 线路，在洗涤功能指示灯方面选择 LED 丁。第二章工业洗衣机硬件系统设计2.1 主电机调速电路的设计在以往老式的洗衣机调速中多采用交流调速（交流调速与直流调速相比，具有容量大、转速高、耐高压、节能、经济、可靠等优越性）中的串接电阻调速。在设计中我考虑串入附加电阻而增加的转差率，是以发热的形式消耗在附加电阻上的，从而导致系统的效率减低，而且调速

10、范围小，静差率大，平滑性差，只能用于小功率电动机。由于它属于消耗转子功率来实现调速，所以改用其他调速。现代电力传动技术重要发展方向在调速中直接利用交流电在变频器的变频下实现平稳的调速，可以说它将逐渐取代了过去老式的串阻调速，变极调速，直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于多领域。通过了解，在工业洗衣机的调速方面，我们选择使用变频器作为 理想的调速方式。它是把工频电源（我国 50Hz）变换成需要频率的交 流电源，实现电机的无极变速运行，洗衣机的控制电路完成对交流 电机主电路的控制。变频器中，整流电路将交流电变换成直流电， 直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电 逆成交流电。它

11、是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到目的。变频器的分类方法有多种，如下表 2.1分类方式变频器变频器主电路工作方式电压型电流型开关方式PAWPWM制高载频 PWM工作原理V/F 控制转差频率控制实际用途高频单相和三相VVVF 改变电压、改变频率 CVCF 恒电压、恒频率。各国使用的交流供电电 源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为400V/50Hz 或200V/60Hz(50Hz)。用于电机控制的变频器，在工业洗衣机中选择改变频率作为 控制电机运转的加强和缓慢。在了解了变频器的一系列种类及性能用途后，考 虑了这款洗衣机的实际使用价值和在学校用过的三菱变频器，在实现被控对象 的工艺要

12、求的条件下选择了稳定、可靠、较为经济的三菱E540变频器，铭牌及型号代码，如图 2.1-2 所示图 2.1-2 三菱变频器上图变频器只是示意，在应用中选择与电机匹配的FR-E540-5.5K-CHT变频器。通常在使用之前，我们一定要注意其铭牌，以免不正确使用导致变频器异常运行，降低使用寿命，甚至会损坏变频器。另夕卜，变频器不能单独运行，选择正确的外部设备，正确的连接以确保科学由于在电源投入时，变频器会流入很大的冲击电流，在设计中必须 选择好断路器。电磁接触器不能启动和停止变频器，这样会降低变 频器的使用寿命。在使用中，为了改善功率因数或应用大容量电源(500KVA 以上接线距离小于 10M)时

13、必须使用电抗器。下图 2.1-3 为变频器的正确使用示意结构图图 2.1-32.2 变频器与电机应用在应用变频器作为洗衣电动机的正反向调速时，端子的接法很重要，如果把接线端子接错将影响变频器正常应用。下图2.2-1 为FR-E540 的接线端子平面图。图 2.2-1RH: 高速 ARM 中速 B:异常输出RL: 低速CMRS: 输出停止 1025: 频率设定器RES: 复位4:DC420Ma(+)SD:公共输出端 SD 公共输入端PC 直流 24V 输出和外部晶体管端子 STF:正转启动SE:集电极开路输出公共端 STR 反转启动RUN 运行 SD:公共输入端FU : 频率检测 除了在接线方面

14、要保证接线端子的正确性，另外在变频器的控 制面板方面一定要把操作运转的要求设置好。如下图 2.2-2图 2.2-2 ，变频器的面板模式示意图 洗衣机的动力源选择适用于变频器的三相交流异步电动机，它 具有比较理想的调速方法，其调速性能最好、效率最高。我们知 道，交流电动机的同步转速表达式为：n = 60 f(1 s)/p = (1-S)n1n-异步电动机的转速；p-电动机极对数。n1-同步转速f- 异步电动机的供电频率；s- 电动机转差率；由式可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f ，就可以改变 异步电动机的同步转速 n1,从而改变其转子转速 n,即可改变电动机 的转速，当频率 f

15、 在 050Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范 围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的， 是一种理想的高效率、高性能的调速手段。在应用变频器进行工作时，一定要进行模式的设置。在 PU 操作 模式中要把出厂时的 Pr.79 的值选择为 1。下图 2.2-3 为变频器频 率及转向的设置流程图；图 2.2-3参数的设定方法，除了部分参数之外，参数的设定仅用在Pr.79 选择模式时可以实施。一个参数值的设定既可以用数字键设 定也可以用增减键来完成。按下SET 键 1.5S 写入设定值并更新。另外，作为与运行模式无关的设定方法，可将Pr.77 设为 2.表 2.2-4 是对上面面板

16、各部的名称进行介绍说明表 2.2-4下表 2.2-5 为设计所需的参数值测定参数号设定值功能Pr.793组合操作模式一Pr.150上限频率Pr.20下限频率Pr.350基底频率Pr.2050加减速基准频率Pr.75加速时间Pr.85减速时间Pr.450高速强效洗涤Pr.535中速普通洗涤表 2.2-5 变频器参数值设定2.3 PLC 系统及外围电路的设计在洗衣机的系统控制器方面，由于以前老式工业洗衣机采用的 是继电顺序控制，这种方式不利于系统的稳定而且维修率较高，耗 时费工，由此在考虑现代工业迅速发展的基础上洗涤衣物的工作量 之大，选择稳定可靠价格合理的 PLC 作为洗衣机的控制器。现代技 术

17、发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置，与之前半自 动洗衣机比较起来，PLC 系统配置既固定又灵活，更高的性能， 安 全性也比之前半自动洗衣机更好。选择 PLC 作为控制器，是因为它在外围设备的配置上及其灵活 方便，使用起来非常稳定。下面对 PLC 及其在工业洗衣机控制外围设备上做一些介绍，下图 2.3-1PLC 及外围控制设备。图 2.3-1PLC 及外围控制设备上图两大部分控制 PLC 的输入，PLC 的输出控制三大部分。在工业洗衣机中，按钮的输入有洗衣机的启动按钮、选择按 钮、水位开关按钮、停止按钮、中途揭盖按钮、终止并排脱水按 钮。水量控制按钮是选择洗涤期间需要的高中低洗涤水位控

18、制。输出控制的三大部分：变频器在前一节有所介绍，它有PLC 来控制其功能的实现，另外变频器控制洗衣机电机，普通洗时为中 速，强效洗时为高速，控制电机的方向正反转。PLC 输出来控制继电器，通过继电器的通断来实现脱水指示灯 和加热器。其中电磁阀主要是关断进水阀和排水阀，实现进水和排 水功能。同时在洗衣机选择普通洗或强效洗的时候指示灯会有提示，当 洗涤完成后洗衣机会自动报警提示洗涤任务完成。下图 2.3-2 为外 围控制设备由 PLC 输出部分控制的线路图；2.3-2 为外围控制设备部分控制线路图上图中（C）采用把单相电转化为直流 24V 作为脱水灯 HLO 的供 电电源。（B）部分由 PLC 继

19、电器控制着加热器的通断，工业洗衣机 大循环一次时加热器断开。这样做可以有效节约其他费用，尽管不 可以在洗涤的全过程一直加热但是同样可以达到预期的洗涤效果。 图中（A） PLC 控制 VVVF 正常工作，其与 PLC 的接线图如下 2.3-3 ；图 2.3-3 变频器与 PLC 的接线图上图（A）有 PLC 控制 VVVF 正常工作，PLC 输出控制变频器的 STF,STR 和高速与中速。通过变频器缓慢进行加速达到一个良好的 综合效果，而且可以延长三相电机的寿命。与 PLC 输出端相连的辅 助继电器是用来控制阀和加热器的工作。电磁阀部分：工业洗衣机 进水排水是通过控制器水位开关与电磁进水阀配合来

20、控制以及电机的通断：实现自动控制的。电磁进水阀起着通断水源作用。如 2.3- 4 图图 2.3-4当电磁线圈 1 断电时，移动铁芯 2 在重力和弹簧力的作用下， 紧紧顶在橡胶膜片 3 上，并将膜片的中心小孔 4 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 5 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。如图2.3- 5 ，图 2.3-5气室 1 的入口与洗衣桶中的贮气室相联接。当

21、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 2 受压而胀起，推 动顶杆 3 运动而使触点 4 改变，从而实现自动通断。在外围电路确 立的情况下，下面汇总了 PLC 控制设备的输入输出部分如下表所示2.3- 6 。表 2.3-6 由控制分析可知，系统共有开关量输入点 7 个，开关量输出点 12（ 3 个指示灯），其中包括。基于上述 PLC 的输入、输出的特 点，在寻求最大限度地满足被控对象的控制要求，保证PLC 控制系统安全可靠，另外在经济适用及维修方面的考虑，选择 FX1S- 30MRPL 作为洗衣机的控制器型号。在了解

22、了洗衣机的控制器系统后， 下面进行对编程器的 I/O 进 行规划和分配，以到达所需的功能下表 2.3-7 为 PLC 的 I/O 分配 表：PLC I/O 分配表I 分配表O 分配表输入功能代码输入功能代码X0启动SB1Y1进水阀YV1X1普洗SB2Y2排水阀YV2X2强洗SB3Y12变频器正转控制STFX3水位开关SAY13变频器反转控制STRX7停止SBOY3脱水KM1X6桶盖中途揭开SQ1Y14高速RHX7终止并排脱水SB0Y15中速RMY7报警Y4加热KM2表 2.3-7 PLC 控制系统 I/O 分配表由上面的地址分配表，下面来画PLC 的接线图如下图 2.3-8 ;图 2.3-8

23、工业洗衣机的电气原理图在设计中选用了洗衣机的部分元器件予以列出2.3-9，以利于进行查看和购选表 2.3-9 元器件清单图 2.3-10工业洗衣机控制系统接线图第三章工业洗衣机软件系统设计3.1 工业洗衣机控制要求及整机流程本洗衣机，在设计上具有普通洗和强效洗的多功能型。考虑工厂等 场合衣物具有油污的特点，在洗涤方面需要具有一定的水温才可以 达到充分去污的特效，所以本洗衣机带有水温加热功能。系统的基本任务及要求：按下启动按钮和水位选择开关（分普 通洗和强效洗两种洗衣方式）； （ 1）开始进水同时加热 , 加水量直到达到要求水位关水 ,2 秒后开始 洗涤；（2）洗涤时，普通洗电机在变频器的控制下

24、五秒达到要求转速，之后正转 10s,停 2s，然后开始反转，同样电机在变频器的控制 下五秒达到要求转速 反转 10s,停 2s;当选择强效洗时电机在变频器的控制下五秒达到要求转速，之后正转 20s，停 2s，然后开始反转，同样电机在变频器 的控制下五秒达到要求转速反转 20s，停 2s ；（3）如此循环 3 次，之后排水，排空后脱水 30s，同时有指示灯 亮；（ 4） 再次开始清洗,重复三次；（5）洗涤任务完成后,报警 5 秒并完成；（ 6） 若在清洗过程中,按下停止按扭,强行进入排水、脱水功能 一次性后停机完成； 说明：（一）在洗涤过程中,若打开洗衣机桶盖这时整机将停止洗 涤,桶盖合上洗衣机

25、将再次进行之前的洗涤任务。（二）选择强效和普通洗涤的时候有指示灯显示 , 脱水也有指示 灯。工业洗衣机通过控制面板显示选择洗衣模式；能够检测水位, 自动完成进、出水；按下启动按键之后进行选择洗衣方式,若洗衣 量很大则选择强效洗,洗衣机能够按照设定的洗衣程序,从进水、 洗涤、漂洗、排水到脱水,整个过程全自动进行；完毕后,能够自 动报警,停止工作。洗衣机的进水、排水分别由进水电磁阀和排水 电磁阀执行。 脱水时,由脱水电磁离合器合上、排水电磁阀吸 合,洗涤电动机正转高速进行甩干。洗涤完成由蜂鸣器报警。 图 3.1 为洗衣机的工作流程图,按下启动按扭和水位选择开关,这 个时候开始选择洗衣功能。选好后,

26、开始进水,进水到规定高度, 使水位开关接通，停止进水，在 2S 后实现洗涤正转；洗涤正转 10S 后， 停止洗涤， 2S 后开始洗涤反转； 洗涤反转 10S 后， 2S 后计数器 加 1 ，累计洗涤次数；若未满 3 次则重复进行洗涤，直至洗涤达到 3 次，开始排水 30S后，脱水进行 20S 后，计数器加 1 ，脱水停止。 然后再返回到进水动作重复上述过程 3 次，报警 5S 并停机. 其程序 流程如下图所示结束工作图 3.1 洗衣机的工作流程图3.2 整机软件程序图 在设计这段程序图时，用了半天时间进行反复调试，最后还是 正确按要求执行每一步的顺序动作，在程序的繁简上还没有达到最 简洁化，在

27、以后的设计中有待进一步提高下面是程序的梯形图流程；总结在论文的书写过程中，考虑工业洗衣机的洗涤特殊性，在电动 机选择及控制器方面的选择与家用洗衣机有所不同。因为工厂中的 衣物油污灰尘较多，增加了洗涤时的难度，通过控制水温，这样可 以达到一定的去污效果。 工业洗衣机显示方面，仅只显示普通洗和强效洗的模式。在洗涤次 数上，本想通过面板给予显示，但由于考虑工业洗方面，没有本质 的功能，在此暂且不做设计。这次技师论文设计 , 编程方面采用了三 菱 FR-1S 步进指令，既经济同时又满足了工业洗衣机编程的需求。在设计的这款工业洗衣机功能方面还有待进一步提高。比如在 洗涤过程中，若外部电源与供水中断，洗衣

28、机暂时停止工作，当电 源或供电恢复后，洗衣机在原来基础上继续工作，直到洗涤完成， 还有现在的家用全自动洗衣机要能够通过控制面板设定洗衣机的洗 涤时间、洗涤次数、脱水时间，选择洗衣模式；能够检测水位，自 动完成进、出水；按下启动按键洗衣机能够按照设定的洗衣程序，从进水、洗涤、漂洗、排水到脱水，整个过程全自动进行；完毕 后，能够自动报警，停止工作。这些功能在工业洗衣机中也能够实 现，还需得以进一步提高。程序通过 PLC 的调试最终得以成功实现所需的工作要求，万分 欣喜，这次论文的编写收获很多，懂得了实践与理论的结合至关重 要性，在以后的工作学习中还必须进一步提高。致谢本篇维修电工技师论文是在马玉福

29、老师的悉心指导和关心下完 成的。马老师在论文撰写过程中给予了热情的帮助和悉心的指导，对我所遇到的困难给予了帮助和建议，并对论文进行了多次审改。 马老师身体力行，言传身教，诲人不倦，其真诚厚道的为人作风和 严谨务实的治学态度使我深受感染，更使我受益终身。本课题的顺 利进行得到了马老师的悉心指导和全力支持， 在此我对马老师的教 诲和悉心指导表示衷心的感谢！感谢其他老师在我遇到难题时对我的建议和帮助！感谢同组胡国晨等同学， 在图书资料及调试中给予帮助， 使我 论文顺利进行！在三年的共同学习和生活中我们已经建立了牢固的友谊和共同 的信念，是三年时光将我们紧紧联系在一起！他们的鼓励与支持是 我论文得以最

30、终完成的重要动力！我的学校生活即将接近尾声，我也将走上新的人生旅途，在此 我再一次感谢所有曾经关心、帮助过我的老师和同学，你们的关心 和支持也将成为我心中最珍贵的记忆。衷心感谢各位老师抽出宝贵的时间评阅本论文！参考文献1三菱变频器调速器 FR-A50C 使用手册.三菱电机株式会社，19982马光.全自动洗衣机中的传感器J.家用电器，19993史国生.电气控制与可编程控制器技术.北京：化学工业出版社，20034孙振强.可编程控制器原理及应用教程.北京：清华大学出版社,2004阮友德电气控制与PLC 实训教程.北京：人民邮电出版社，2006蒋金周全自动洗衣机的 PC 智能控制J.机电一体化，20047王伟.变频器原理及应用.北京：化学工业出版社，20058劳动和社会保障部教材办公室组织编写.北京:中国劳动和社会保障出版社,2001版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整 理。版权为潘宏亮个人所有This article in eludes some parts, in cludi ng text,pictures, and desig n. Copyright is Pan Hon glia ngs pers onal own ership.用户可将本文的内容或服务用于个人学习