【基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计13000字（论文）】

基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计摘要在生活节奏不断加快的现状之下，对于清洁衣物这样的家务活，人们越发追求方便和快捷，全自动洗衣机凭借其智能化的控制系统及简单的操作方式，得到人们的青睐。本文对全自动洗衣机的具体设计分为硬件设计和软件设计。其中，在硬件的选择上主要选用了FX2N-48MR型PLC、FX2N-4AD型模拟量输入模块、电动机、CDI9200变频器、水温传感器、水位传感器以及浑浊度传感器。在软件设计上，绘制了整个系统的接线图、洗衣机工作流程图、I/O分配表以及梯形图。要求能够进行水位、水温以及浑浊度的设定，并对这三个变量进行监测和比较，实现洗衣机启动、加热、正反转洗衣、浑浊度比较、排水、脱水等功能。本设计采用GXWorks2和GTDesinger3软件组合的方式进行仿真测试，在测试过程中，洗衣机能够正常运行并且正确实现所规定的功能，基本满足了设计要求。关键词：PLC；FX2N-48MR；FX2N-4AD；全自动洗衣机目录TOC\o"1-3"\h\u18653摘要 I94971绪论 1195831.1研究背景 1297731.2研究意义 2216501.3设计目标 3224411.4设计任务 386722 全自动洗衣机方案设计 4192502.1程序控制器 4286812.1.1基本结构 4105322.1.2工作原理 5286842.2洗涤系统 6290182.3进水系统 7169112.4排水系统 7169112.5检测系统 735892.6保护措施 8317632.6.1过载保护 8224092.6.2过流保护 8168862.6.3失压保护 88123全自动洗衣机控制系统硬件设计 964673.1PLC 964673.2变频器 1164673.3电动机 12307883.4传感器选择 13112973.4.1水位传感器 13207163.4.2水温传感器 13272473.4.3浑浊度传感器 13254583.5指示灯 .1595044全自动洗衣机软件设计 154.1工作流程 154.2I/O分配 164.3梯形图 16152655仿真测试 23173285.1强力洗模式仿真测试 2442885.2标准洗模式仿真测试 29250985.3柔和洗模式仿真测试 31194986总结与展望 3575506.1总结 3575506.2展望 356529参考文献 37 PAGE211绪论1.1研究背景PLC技术于上世纪70年代进入人们的视野，在历经近半个世纪的研究下，PLC技术以取得巨大进步，逐步走向成熟。纵观国外PLC市场，各品牌得益于技术的成熟而得到了较好的推广和认可，如德国的西门子，日本的三菱、欧姆龙等PLC。现在，这些品牌的PLC在中国市场占有相当大的份额，成为了人们选购PLC时的最优选择。这样的情况无疑激起了国产PLC加入竞争的的愿望。近年来，国产PLC品牌也逐渐被人们所知晓和接受，例如台达、和利时、永宏等。而国产PLC想要拥有更大的市场地位，则需要做出更多改善。在中国，PLC厂商要充分考虑各行各业的差异性，从而设计出专用的控制器。因为一些批量生产的设备需要固定的开关量分配以及模拟量分配。如果仅仅使用普通的PLC，会浪费一些I/O点，而根据需要的点数采用与之对应的PLC，则降低了一定量的成本。国内厂商在研发、生产、销售上具有一定的优势，可以根据用户的需要及时做出调整，从而制作出用户所需要的产品。在生产PLC产品的同时，制作出优秀的控制系统，也大大的提高了国产PLC产商的利润[1]。在国外，大型PLC的价格较为昂贵。在这样的背景之下，国产小型PLC相对便宜的价格及较为完善的功能势必会赢得一定的市场，这也成为国产PLC厂商的一次机遇。国内有实力的厂商更应该把握此契机，寻求技术的突破，进而赢得更大的市场。总体上来说，国产与国外在小型PLC上的差距正在一步步缩小，但相较于国外PLC行业数十年的发展和系统化来说，中国的很多PLC品牌还需要进行大量的改进。由于1996年德国的西门子公司取得了划时代的进展，即PLC和继电器之间的空缺在该公司的努力之下得到了填补。正是这一空缺的填补，使得负载可以直接接入而不需要使用接触器或者中间继电器。这一突破性的成就的产生，使得研究者们将眼光转向了PLC技术，利用PLC来设计洗衣机控制系统的想法应运而生，为全自动洗衣机今后的发展奠定了基础。从那时起，研究者开始进行大量的研究和设计，洗衣机的性能越发完善，被更多人认可和使用[2]。随着社会的不断发展和进步，最初费时费力的手洗衣物的方式逐渐被简单方便的机洗所代替，洗衣机成了人们生活的必需品。现在的洗衣机，只需我们放入衣物，选择好洗衣要求，启动洗衣机，便可去做其他事情，再无需进行其他操作。全自动洗衣机的出现，给人们带来了极大方便，体现出科学技术的进步带来的积极影响。传统全自动洗衣机使用单片机制作控制系统。而随着控制技术的不断进步，单片机在驱动和控制等方面表现出了明显的不足，已然无法满足用户对于高品质生活的需要。这样的变化带来的重大改变是人们开始逐渐使用PLC来取代单片机来进行控制系统的设计。如今，PLC依靠其多样的控制方式和强大的功能，成为现代工业当中重要的控制技术之一。PLC还具有简单的编程、简单的操作、强大的反干涉能力、高可信度、维护方便且工作量小等优点。1.2研究意义就目前洗衣机所拥有的功能而言，还需进一步优化提高，进而满足人们的要求，牢牢把握住市场要想设计出功能更加完善的洗衣机，实现人们对洗衣机的更多期望，就需要设计者们具备更加扎实的专业知识，拥有创新精神，深入探索，创造出更好的设计方案。目前，洗衣机的兼容性仍有待提高，各厂商设计出个性化的功能来彰显技术，进行市场竞争[3]。这就要求制造业要能够对市场的需求迅速做出反应，生产的产品在质量高的基础上，还需要做到品种丰富，成本低等要求。这些要求都能够通过PLC来很好地实现[4]。本设计采用三菱系列的FX2N-48MR型号PLC作为控制核心，结构合理，测试方法可靠，灵活性强，设备运行可靠，缩短了产品开发周期，提高了效率，达到了良好的经济效果[5]。另外，该PLC能够再使用的特点使得成本降低。其操作方便、灵活的特性使得测试者可以随时对控制程序进行调试和修改等操作。其中设有串行接口，方便地与计算机进行连接，组成测控系统，给系统的维护和使用带来了很大方便[6]。1.3设计目标本设计使用AutoCAD进行接线图的绘制，使用GXWorks2进行梯形图的编写，并使用GTDesigner3进行画面设计以及仿真测试，需要实现以下功能：能够选择洗衣模式并自行设定温度、水位、浑浊度值；启动运行后，能够实现洗涤剂的添加、加热、正反转洗衣的功能；每次正反转洗衣结束后，均能够进行浑浊度差值的比较，将差值与设定值比较，从而判断继续洗衣还是进行排水操作；浑浊度差值小于设定值会进行排水和脱水操作，之后进行漂洗，洗衣过程循环次数为3次，洗涤完毕报警提示；1.4设计任务本设计使用AutoCAD进行接线图的绘制，使用GXWorks2进行梯形图的编写，并使用GTDesigner3进行画面设计以及仿真测试，具体任务有：硬件设计：PLC选型、变频器、电机、水位传感器、水温传感器、浑浊度传感器。软件设计：全自动洗衣机工作流程图、系统接线图、I/O分配表、梯形图。仿真测试。2 全自动洗衣机方案设计本文提出全自动洗衣机的洗涤系统、进水系统、排水系统、检测系统以及指示灯的设计方案，以满足所要达到的控制要求。全自动洗衣机自动进水功能是在其进水系统的作用下实现的，自动排水功能的实现得益于排水系统。其洗涤系统能够保证洗衣机清洗衣物的过程正常进行。洗衣机发动机的主要部件为电动机，离合器用于控制洗涤、漂洗及脱水过程中的转速，电动机和离合器共同组成了洗衣机的传动系统。各传感器构成了检测系统。其总体框图如图2-1所示：图2-1全自动洗衣机控制系统框图图2-1为控制系统总框图，开启电源后，程序控制器运行。安全开关的设置是为确保运行过程中出现故障时停止运行。洗衣机进水阀开启期间进行进水，进水量达到设定值停止进水，排水电磁阀用于控制排水。离合器和电动机共同组成传动系统，在传动系统的作用下，洗衣机能够进行洗涤操作。2.1程序控制器2.1.1基本结构本设计使用三菱系列PLC作为程序控制器，型号为FX2N-48MR，其主要组成部分有：CPU模块、电源、I/O模块、存储器、输入输出接口电路、扩展模块与外接通信模块等[7]。基本结构图如图2-2所示。图2-2PLC基本结构框图PLC通常会选择220V交流电源或24V直流电源以保证正常工作。在所有组成部分当中，CPU是程序控制器的核心，其存储器的速度和容量决定了程序控制器的工作效率。根据PLC系统的功能，用户数据和程序被其接受和保存[8]。I/O模块能够实现控制器与实际生产间的连接。开关量模块一般是接入开关量的输入和输出模块，模拟量模块接入模拟量信号，分为输入和输出模块，相应的信号只能接入相应的模块中，否则可能烧坏或者无法实现想要的功能。与此同时，PLC将通过输出界面对控制对象进行测试，以满足控制要求[9]。I/O接口一般具有绝缘光电和过滤两种功能，这两种功能大大提高了PLC的防干扰功能。为了让PLC更容易保持和管理，我们通常在I/O接口设有状态标识器，所以PLC的工作状态可以更加直观地被查看[10]。扩展接口的存在，使得PLC在使用过程中灵活性更高，可以满足各种实际需求[11]。2.1.2工作原理在运行过程中，一共需要经历三个阶段，这三个阶段分别为：输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。（1）输入采样阶段在这一阶段中，PLC会扫描所有的输入端点，所有扫描到的输入端的状态都会存储到相应的映像寄存器当中，这时，输入映像寄存器就会更新[12]。此阶段结束后将进入后两个阶段，在这两个阶段当中，无论发生怎样的变化，寄存器中的内容不发生任何改变。这种情况会一直持续到下一个扫描周期的输入采样阶段，那时新的内容才会被重新写入。所以，输入信号的宽度要比扫描周期大，这样才能将所有信号都予以保留。（2）程序执行阶段此阶段，PLC扫描应用程序，应用程序主要是以梯形图形式进行编写，并且按照梯形图的扫描准则进行扫描。但遇到程序跳转指令，则依据跳转条件是不是满意来决议程序跳转地址。程序履行进程中，当指令中触及输入、输出状况时，PLC就从输入映像寄存器中读入对应输入端子状况，从输出映像寄存器读入对应元件的当时状况。然后进行相应的运算，运算成果再存入输出映像寄存器中。对输出映像寄存器来说，每一个元件的状况会跟着程序履行进程而改变[13]。（3）输出刷新阶段整个程序运行完成后，进入第三阶段。因上一阶段中运算结果只保留在输出映像区，并没有传送到输出端口。所以，本阶段将结果送至输出锁存器，然后由锁存器通过输出模块发生本周期的操控输出。若是内部输出继电器的状况为“1”，则输出继电器触点闭合，通过输出端子驱动外部负载。2.2洗涤系统洗涤系统是洗衣机进行衣物清洗工作的主要承担者。该系统由：洗衣桶、电动机、波轮、离合器、带轮和传动带等部分构成[14]。洗衣机的洗涤系统能够所处的位置在洗衣机的中部，洗衣桶采取竖直摆放的形式，洗衣桶的下方放有电动机和离合器。当洗衣机处于洗涤状态时，电动机处于工作状态，其旋转方向由控制电路进行控制，在传动带的带动之下，离合器也随之一起旋转。脱水时，离合器因受到电磁铁牵引器的控制带动脱水桶进行脱水。波轮通过螺丝固定在离合器的波轮轴上，通过离合器和电动机的带动从而使其产生正、反转。洗衣桶由两部分组成，分别是盛水桶和脱水桶。盛水桶主要用于盛水，在盛水桶上具有桶圈和溢水管，在支撑装置的作用下固定在洗衣机的箱体上。脱水桶放置于洗衣机离合器的脱水轴上，为了使脱水工作稳定进行，其内壁上设有很多的排水孔。本设计采用的是变频电机充当其发动机的主要部件，采用变频电机主要基于其调速容易并且节能的优点，并于所要使用的变频器相对应。而洗衣机的变速装置主要由离合器来充当，在离合器的作用下，洗衣机能够在洗涤和脱水功能之间进行转换。在进行衣物清洗时，波轮会进行旋转，其旋转功能的实现取决于电动机带动离合器的波轮轴进行旋转。在此过程中，为避免脱水轴动作需对其进行制动，这需要将牵引电机处于断电的状态，制动杆将制动带收紧来达到这一结果。脱水时，脱水桶需要处于高速旋转来甩去多余水分，其旋转的实现是基于电动机带动离合器的脱水轴进行旋转。2.3进水系统洗衣机的进水系统指的是给洗衣机加水的装置和相关的管路系统，其作用是控制进入洗衣机的水量从而为接下来的洗涤工作做准备。洗衣机的进水系统可细分为进水电磁阀、水位开关及外部部件等部分[15]。洗衣机能够实现进水和停止进水两种功能主要依靠进水电磁阀。水位开关用于检测水位，进水是否停止取决于水位是否达到预定位置，在水位到达预定位置时，会引起水位开关的动作从而停止进水。2.4排水系统排水系统主要进行排水，保证洗衣机在洗好衣服之后，精确地进入下一个工序，在洗衣机的工作过程中起着重要作用。该系统置于洗衣机下方，其主要构成是排水阀和排水阀牵引器，与排水管进行连接，排水阀中还装有内弹簧、橡胶阀等器件。排水系统在控制电路的作用下工作，控制电路输出控制信号，控制信号通过晶体管触发双向晶闸管导通，此时，牵引器开始工作，在牵引器的动作下，排水阀开始动作[16]。本设计采用电机牵引式排水系统，其工作原理是通过电机旋转力矩来带动排水阀的工作。电动机牵引器在线缆的连接下与控制电路板相连，在电路板的作用下，电动机牵引器得到控制，保证其工作状态。牵引器停电后，电机内部所设有的齿轮组开始转动，其转动带动钢丝线进行动作，在钢丝线的动作下挡块也随之运动。由于排水阀当中装有内弹簧，挡块进行移动时，弹簧随之被拉伸，此时如果满足内弹簧的弹力大于外弹簧的弹力这一条件时，橡胶阀就会与管口分离，从而实现排水。2.5检测系统检测系统由多个传感器构成，主要用于检测变量。本文主要针对水温、水位、浑浊度三个变量进行传感器的选择[17]。其中，水位传感器的主要作用是检测水位。水温传感器用于检测温度，对衣物进行适当加热有利于洗去污渍，达到洗净衣物的目的。在洗衣机工作过程当中，我们无法直观地观察到衣物是否清洗干净，因此，设置浑浊度传感器是很有必要的，有利于检测出衣物是否清洗干净从而进行下一项操作。2.6保护措施2.6.1过载保护安全电流传输容量代表的是线路不会过热并且允许持续通过线路的电流量[18]。导线过载就是指通过导线产生的电流超出了安全电流传输的容量。一般情况下,导线在工作过程中温度不超过是65°c。若温度高于65°c，则发生过载状态,使绝缘体迅速老化,严重时还会使得电路发生燃烧的情况。导线截面的不当选择是超负荷的主要原因，会使实际负荷超过导线正常工作时的安全电流。此外，在线路中接入了过多的大功率设备也会发生过载，因为这超过了配电线路的负载能力[19]。热继电器是比较理想的自动过载保护的设备，在工业应用中一般，都用热继电器来做过载保护，本设计采用热继电器进行过载保护。2.6.2过流保护过流保护是通过保护器的常闭触点动作来实现的。要求保护器在主回路不工作和正常工作时执行继电器不动作，在电机启动和运行故障时动作[20]。这些保护程序适合电脑输出和逻辑组控制电路、正方向以及反方向运转的电机以及各种主机开关的接口，以克服使用过程的局限[21]。2.6.3失压保护当因外部原因突然断电时，处于工作状态中的电机会自动切断电源[22]。这种情况下即使重新供电，电动机也不会自动启动[23]。这样就可以避免突然停电时，操作人员忘记切断电源，导致重新得电后电动机自行启动，而造成设备损坏或人身伤亡的事故[24]。其原理就是当电源停电或者由于某种原因电源电压降低过多时，保护装置可以使电动机自动断电。接触器的线圈电流因失电压或低电压而产生一定的损失，这种情况下会出现电磁力流失或者电磁力不能够吸住铁心的现象[25]。主接点因此而产生分离，电源供给装置被切断。当电源电压恢复时，如不重按启动键，电动机就不会自行转动，避免了事故的发生[26]。停电时，很多情况下电源开关都会被忽略而没有拉开，因此如果直接用刀开关代替继电接触控制，那么当电源电压恢复后，电机就会自动启动，从而引发事故。继电接触控制可以防止电机燃烧，保证电动机在电压过低的情况下不会工作。比如起重机械、风机水泵等，既可以保证人身安全和设备安全，又可以确保能源的利用效率[27]。3全自动洗衣机控制系统硬件设计根据设计方案，本设计中所需要使用的硬件包括变频器、变频电机、FX2N-48MR型PLC、FX2N-4AD模拟量输入模块、水位传感器、水温传感器、浑浊度传感器以及指示灯等。总接线图如图3-1所示。图3-1控制系统总接线图3.1PLC本设计选用的FX2N-48MR型PLC，是基于其以下工作特点：强大的软硬件功能。其功能十分强大，定时、计算器、寄存器、等内部功能非常完善，可以方便地快速实现锁存、延时、跳转等功能。除了逻辑运算、算术运算、数据转换及顺序控制外，还能够实现模拟显示、运算和监测等功能。抗干扰能力强。在硬件设计上，为了提高抗干扰性能，在开关量的输入和输出上都采用了光耦器件，这样的做法使得其内部电路与外部电路之间实现了电隔离，这样由外部的电磁干扰造成的影响就被很好地消除了。另外，在PLC的电源线路和I/O回路当中，还采用了多重滤波电路，可以有效降低高频干扰产生的影响。维修方便，改造简便。在实际使用过程中，PLC以存储方式代替现有的接线方式。这样的方式，大大减少了系统外部的接线，既节约了接线的时间，也减少了错误，使得控制系统能够在较短的时间内完成，维护也更为简便。图3-2FX2N-48MR型PLC接线图如图3-2，所接电源为220V交流电，使用到了6个输入点。其中，X000对应设备启动，X001对应设备停止，X002对应变频故障，X003-X005分别对应强力洗、标准洗、柔和洗三种洗衣模式。使用了13个输出端，使用中间继电器进行继电保护，传递控制电路中的信号。其中，Y000表示设备运行，Y001代表洗涤剂阀门，Y002表示进水，Y003表示加热、Y004和Y005分别代表正转、反转洗衣，Y006排水，Y007代表报警提示，Y010-Y013分别对应表示不同洗衣模式下，电机的运转速度。Y014代表故障灯。图3-3FX2N-4AD接线图因本设计当中需要对温度、水位以及浑浊度进行监测，因此，需要使用模拟量输入模块，本设计使用FX2N-4AD作为模拟量输入模块，其接线图如图3-3所示，它包含4个通道，并且所有的通道都可以进行AD转换，其输入电压应在-10V至+10V之间，转换的速度在6至15毫秒之间。3.2变频器因为经常进行改变电机转速以及正反转交替旋转洗衣的现象，在洗涤和脱水的过程当中，电机的转速不断变化。因此需要采取措施使电源的输出得到一定的控制，来使电机达到不同的运行效果。本设计采用的为CDI9200系列变频器，此变频器故障保护功能完善，控制面板操作方便，可实现一键运行、一键停止。变频器参数如下表所示：表3-1变频器主要参数表输入电压380V额定电流1.5~320A功率规格0.75KW输入频率50/60HZ温度范围-20~+60℃图3-4CDI9200变频器接线图如图3-4所示为CDI9200变频器接线图，D1-D6为多功能输入，D7、D8为多功能端子输入，分别对应不同的运转状态。COM和GND分别为I/O信号和模拟信号的公共端子。VF1、VF2功能为模拟输入电压/电流模拟输入电压为0-10V,模拟输入电流为0/4-20mA。右侧的T1A、T1B、T1C表示运行中信号，运行时T1A和T1C之间处于断开状态，T1A和T1B之间闭合。T2A、T2B、T2C表示故障指示输出，当发生故障时，T2A和T2C端子之间断开，T2A和T2B之间闭合。YO为开集电极输出，CME为开集电极输出共同点，P24为数字信号电源，FM1、FM2功能为频率输出。3.3电动机设计中为与变频器相对应，选择使用变频电机，变频电机的主要参数如下表：表3-2变频电机主要参数表额定电压380V额定功率180W旋转方向左、右旋转绝缘等级E使用环境-5~+40℃、湿度不超过85％RH保护环境-5~+40℃、湿度不超过85％RH变频电机线路图如下：图3-5变频电机线路图如图3-2，变频电机与变频器相连，用于控制不同情况下电机的运转，其DI1-DI6端口分别对应变频正转、反转、慢速、中速、高速和超快速状态。3.4传感器选择为实现设计方案中对全自动洗衣机当中的水位、水温及浑浊度实现监测，选择使用传感器来满足设计需求。3.4.1水位传感器洗衣机必须拥有水位检测功能，水位的检测必须连续，考虑到这样的情况，本设计采用谐振式水位传感器。对于水位高低的检测而言，主要是根据与洗衣机的洗衣桶内侧相连的水压气管里空气压力的大小来对水位进行判断。水位越高，相对应的水压就会越大，这就导致传感器当中电感线圈的电感量越大，根据电感与电容的并联谐振频率公式：f=1/2π√LC得出谐振频率就越小，反之则反。然后通过产生的谐振频率来判定水位的高低。3.4.2水温传感器首先，为了达到洗涤的目，必须对衣服进行加热。一般来说，洗衣机洗衣服时水温在4℃～40℃之间，在这个温度范围内，可以选择MTS102半导体温度检测器，MTS102在此温度区间内具有良好的线性和温度敏感性。3.4.3浑浊度传感器在我们手洗衣服时，我们可以通过眼睛来观察和判断衣服是否清洗干净。而在洗涤桶内衣物在不断翻转，肉眼难以判断洗净的程度。这里选用光传感器来进行检测，检测的方式是通过检测洗涤液的透光率，来达到简洁检测衣物浑浊度的目的。需要安装红外线发射管和光电接收管，按照要求，安装在洗衣机的排水管的两侧。在洗涤衣物之前，将一定量的清水注入到排水管当中，此时光电接收管受光导通，将此时的输出电压设为额定值。开始洗涤后，洗涤液由于污渍扩散而逐渐污浊，电压随之下降。电压过一段时间后倾向于稳定的数值，洗涤过程就此结束。3.5指示灯指示灯可以被用来显示洗衣机的工作过程。此设计使用LED灯作为洗衣机工作过程当中的显示装置。选用LED是因为其优点是：LED耗能低，使用寿命较长，控制十分方便，通过调整电流的大小就可以对亮度进行调节并且不同的光色能够进行多样的组合，此外，还可以做成各种不同形式的符合需求的产品，显示形式丰富且显示质量高。4全自动洗衣机软件设计根据设计方案，本文规定了全自动洗衣机的控制要求，并作出了其整个运行的流程图，通过GXWorks2进行程序编写来达到预期的控制要求。4.1工作流程洗衣机的洗衣过程为：开始—进水—洗衣—脱水—排水—结束。在对基本的工作流程了解的基础上对洗衣机的具体功能进行设计，使其在进水的过程当中对水位进行不间断检测，在到达设定水位后停止进水进行加热衣物，然后开始洗涤工作。洗涤时进行正反转交替洗衣，并在每次洗衣后检测浑浊度是否达到预设值，洗净衣物后脱水，脱水完成后警报器开始发出洗衣完成的警报，到达时间后停止运行。具体流程如图4-2所示：图4-1全自动洗衣机工作流程图具体流程为：启动洗衣机，此时进水阀开始，洗衣机开始进水，期间由水位传感器对水位进行监测。当达到目标水位时，进水阀关闭。第一次洗涤开始，此时对衣物进行加热处理，加热处理完成后，开始洗衣，洗涤方式为正反转洗衣，按照正转洗涤30秒，停顿2秒，反转洗衣30秒，停顿两秒的方式交替洗衣，每次循环都对浑浊度进行监测，浑浊度小于设定值后，出水阀打开，开始排水，将所有水排空。之后进入脱水，脱水工作时间为10秒。洗涤过程一共循环执行3次，3次之后开始报警，达到设定时间后报警停止，整个洗衣过程结束。4.2I/O分配根据设计需要，共需要6个数字量输入、3个模拟量输入以及13个数字量输出，具体如下表所示：表4-1全自动洗衣机I/O分配表开关量输入开关量输出模拟量输入设备启动X000设备运行中Y000温度AI0设备停止X001洗衣剂阀Y001水位AI1变频故障X002进水运行Y002浑浊度AI2选择强力洗X003加热运行Y003选择标准洗X004正转运行Y004选择柔和洗X005反转运行Y005出水运行Y006报警运行Y007变频慢速Y010变频中速Y011变频快速Y012变频超快速Y013变频故障灯Y0144.3梯形图本设计使用GXWorks2对全自动洗衣机所要实现的功能进行程序的编写，该软件能够实现程序编辑、参数设定、程序修改、在线调试及更改等多种功能，满足设计的需要。图4-2全自动洗衣机启动梯形图按下X000，此时Y000导通，洗衣机开始启动。图4-3添加洗涤剂梯形图洗衣机运行后，添加洗衣剂的阀门开启，开始向洗衣机当中添加洗涤剂，添加洗涤剂的时间为3秒钟，3秒时间到，添加洗涤剂的阀门关闭。图4-4进水、加热及开始运行梯形图程序图4-5进水、加热及开始运行梯形图程序对水温和温度进行设定。设置完成后，洗衣机开始进水，此时水位与设定水位进行比较，当水位与设定水位值相同时，进水停止。启动对衣物的加热，将加热过程中的温度与设定值进行比较，当加热温度达到预设温度时，加热停止，加热过程仅在第一次循环过程当中进行。两个步骤完成后，洗衣机准备进入洗涤环节。图4-6正转洗衣梯形图洗衣机开始进行正转洗涤。图4-7浑浊度设定及比较梯形图在洗衣开始前预先设定浑浊度的值，洗涤过程中将当前浑浊度与之前浑浊度差值和预设值进行比较。图4-8洗衣机正转运行梯形图洗衣机开始正转洗衣，每次正转的时间是30秒，30秒时间到，有2秒钟的停顿时间。图4-9洗衣机正转停顿时间及反转梯形图正转停顿时间为2秒钟，2秒时间到，进入反转洗衣状态。图4-10反转运行梯形图洗衣机进入反转洗衣状态，反转洗衣时间为30秒，时间到后，进入反转等待状态。图4-11反转停顿时间及浑浊度判定梯形图反转洗衣时间到后，停顿2秒。在此期间会进行浑浊度的比较，若浑浊度大于设定值或等于设定值，则再次进入正转洗衣过程。图4-12浑浊度判定梯形图若浑浊度大于设定值或等于设定值，则再次进入正转洗衣过程。若浑浊度小于设定值则开始排水。图4-13脱水运行梯形图在脱水过程当中，对当前水位进行监测，监测水位是否到达低水位，当到达低水位后，再次进行正转洗衣操作。图4-14脱水过程梯形图脱水过程中，洗衣机朝一个方向进行运转达到脱水的目的，脱水时间为15秒钟。图4-15脱水过程梯形图图4-16脱水过程梯形图整个洗衣过程的循环次数为3次，因此，脱水过程也进行3次。当脱水次数达到3次后，开始报警提示衣物清洗完毕。图4-17报警系统梯形图报警提示时间为5秒钟，5秒后，洗衣过程全部结束，洗衣机停止运行。5仿真测试本设计选择使用GTDesigner3与GXWorks2组合的方式进行仿真测试，GTDesigner3是最新用于三菱电机自动化GOT1000系列图形操作终端的画面设计软件，并且集成有GTSimulator3仿真软件，具有仿真模拟的功能，满足本次仿真测试的需要。图5-1GTDesigner3软件使用界面仿真测试初始状态图如下图5-2所示，所控制的3个变量为温度、水位和浑浊度。其三个变量的预设值与实际值的不同将使得运行状态有着一定的不同。图5-2仿真测试初始状态图5.1强力洗模式仿真测试图5-3强力洗模式变量设置测试图首先，对温度、水位、浑浊度进行设定，本次仿真测试设定温度值为50，水位值为50，浑浊度为10。浑浊度的设定可根据清洗衣物的不同来进行设置。在日常使用过程中，如需清洗工作服等衣物时，对于清洁程度的要求相对低一些，此时，我们可以将浑浊度的设定值设大一些，这样在一定程度上节约了水量，而在清洗内衣等衣物时，对于清洁度要求高，此时，则将浑浊度值设小一些。本设计中当前浑浊度指的是差值，即当前浑浊度与上一清洗过程中浑浊度的差值。设定完毕后，点击设备启动按钮，此时可选择洗涤模式，仿真测试中，首先选择强力洗模式，此时洗衣机开始运行，洗衣机指示灯亮起，洗衣剂阀开启，开始添加洗涤剂。图5-4强力洗模式水位测试图图5-5强力洗模式水位测试图当水位未达到设定值，如图5-3-2所示，此时，洗衣机依旧进行进水的操作。当水位到达设定值，如图5-3-3所示时，进行加热操作。图5-6强力洗模式温度测试图图5-7强力洗模式洗涤测试图当温度未到达设定值，如图5-3-4所示，此时温度值为40，继续加热操作。当温度达到设定值时，洗衣机进行洗涤操作，因选择强力洗模式，此时洗衣机快速运转，变频快速指示灯亮起。图5-8强力洗模式洗涤测试图图5-9强力洗模式洗涤测试图正转洗涤时间到，停顿2秒，如图5-3-6所示，2秒后开始反转洗衣。图5-10强力洗模式洗涤测试图图5-11强力洗模式洗涤测试图反转洗衣后检测衣物浑浊度，以浑浊度25为例，此时浑浊度的差值为25，比预设的10大，此时进行下一次正转洗衣的操作。图5-12强力洗模式洗涤测试图图5-13强力洗模式洗涤测试图正转洗衣完成，进行反转洗衣，正反转洗衣结束，检测浑浊度，检测到当前浑浊度为28，与上一循环当中浑浊度差值为3，小于设定值，表示衣物即将洗涤干净，此时进行排水操作。图5-14强力洗模式洗涤测试图图5-15强力洗模式洗涤测试图排水完成，水位降低至0，此时进行脱水操作，脱水时，排水阀处于打开状态，且洗衣机朝一个方向进行高速旋转。脱水完成后，准备进行下一次洗涤循环。图5-16强力洗模式洗涤测试图图5-17强力洗模式洗涤测试图第二次正反转洗衣开始，其状态与第一次正反转洗涤相同。图5-18强力洗模式洗涤测试图图5-19强力洗模式洗涤测试图反转洗衣结束，检测到当前浑浊度为29，与上一次洗衣结束时28的浑浊度差值为1，表示衣物即将清洗干净，此时排水，直到水位下降为0。图5-20强力洗模式洗涤测试图图5-21强力洗模式洗涤测试图水位下降为0后开始进行脱水操作，洗衣机告诉旋转。脱水时间到再次进水。图5-22强力洗模式洗涤测试图图5-23强力洗模式洗涤测试图水位达到设定值后，再次进行正反转洗衣操作。图5-24强力洗模式洗涤测试图图5-25强力洗模式洗涤测试图正反转洗衣完成后，检测浑浊度，此时发现浑浊度仍为29，与上一次洗衣后检测的浑浊度差值为0，表示衣物已经清洗干净，此时开始脱水。图5-26强力洗模式洗涤测试图图5-27强力洗模式洗涤测试图因衣物已清洗干净，此时不再需要继续洗涤，因此，洗衣机开始报警，提示洗衣机即将完成所有洗衣操作，报警运行时间到，洗衣机停止工作，强力洗模式下全部工作状态结束。5.2标准洗模式仿真测试图5-28标准洗模式仿真测试图图5-29标准洗模式仿真测试图设定温度、水位、浑浊度的值，启动洗衣机，首先进行洗衣剂的添加，洗衣剂添加时间到后，洗衣机开始进水，此时，将对水位进行监测。图5-30标准洗模式仿真测试图图5-31标准洗模式仿真测试图由于选择标准洗模式，此时，电动机中速旋转，变频中速指示灯亮，开始进行正反转洗衣的操作。图5-32标准洗模式仿真测试图图5-33标准洗模式仿真测试图反转结束时，对浑浊度进行采集，此时浑浊度为10，与初始情况下的0差值为10，高于预定值6。此时洗衣机不进行排水操作而是继续进行正反转洗衣的操作。图5-34标准洗模式仿真测试图图5-35标准洗模式仿真测试图正反转完成后，再次检测浑浊度，此时浑浊度为12，与上一次浑浊度的差值为2，小于设定值6。此时洗衣机开始排水，水位下降至0后，洗衣机开始脱水。图5-36标准洗模式仿真测试图图5-37标准洗模式仿真测试图脱水时间到，开始进水，水位达到设定值后，开始正转洗衣。图5-38标准洗模式仿真测试图图5-39标准洗模式仿真测试图正转洗衣时间到后进入反转洗衣，反转洗衣操作完成，检测浑浊度，此时浑浊度为12，与上一循环中所测浑浊度相同，表示衣物清洗干净，洗衣机开始进行脱水操作。图5-40标准洗模式仿真测试图图5-41标准洗模式仿真测试图水位下降至0，开始脱水，脱水工作时间到，此时因衣物已经清洗干净，因此不再进水，洗衣机开始报警，提示洗衣工作即将结束。图5-42标准洗模式仿真测试图全部洗衣过程结束，洗衣机停止运行。5.3柔和洗模式仿真测试图5-43柔和洗模式仿真测试图图5-44柔和洗模式仿真测试图设定温度、水位、浑浊度值，例如：设定温度值为60，水位值为30，浑浊度为12。开始运行，选择柔和洗衣模式。首先添加洗衣剂，添加完毕后，洗衣机开始进水，此时，对水位进行监测。图5-45柔和洗模式仿真测试图图5-46柔和洗模式仿真测试图水位达到设定值，开始对衣物进行加热处理，当加热温度达到设定值，加热停止，否则继续加热。加热完成后进入正转洗衣，因选择柔和洗，因此电机转速为慢速。图5-47柔和洗模式仿真测试图图5-48柔和洗模式仿真测试图正转洗衣后进入反转洗衣，正反转洗衣完毕，对浑浊度进行检测，此时，浑浊度为11，与初始状态下0相差11，小于设定值12，因此洗衣机开始排水操作。图5-49柔和洗模式仿真测试图图5-50柔和洗模式仿真测试图排水完成后进行脱水，脱水时间到，洗衣机开始进水，以进行第二次洗涤。图5-51柔和洗模式仿真测试图图5-52柔和洗模式仿真测试图水位达到要求，开始第二次正反转洗衣。图5-53柔和洗模式仿真测试图图5-54柔和洗模式仿真测试图正反转洗涤结束，测得此时浑浊度为12，与第一次洗衣时浑浊度11差值为1，表示衣物即将洗涤干净。此时进行排水和脱水操作。图5-55柔和洗模式仿真测试图图5-56柔和洗模式仿真测试图开始进水，准备下一次洗涤工作，进水完成，开始正转洗涤衣物。图5-57柔和洗模式仿真测试图图5-58柔和洗模式仿真测试图反转洗衣，正反转洗衣完成后，进行衣物浑浊度检测，此时浑浊度为12，未发生变化，代表此时衣物清洗完毕，洗衣机开始排水。图5-59柔和洗模式仿真测试图图5-60柔和洗模式仿真测试图洗衣机开始脱水，电机高速旋转，脱水完成之后不再进行进水操作。此时衣物清洗干净，洗衣机开始报警提示洗衣即将完成。图5-61柔和洗模式仿真测试图全部工作状态结束。6总结与展望6.1总结全自动洗衣机的智能化和方便性，使其走进千家万户，成为不可缺少的家用电器。本文提出的全自动洗衣机的设计方案，主要对全自动洗衣机进水系统、排水系统、洗涤系统和检测系统进行设计。其中，检测系统主要对三个变量进行检测，分别是水位、水温和浑浊度。使用的可编程序控制器为三菱系列的FX2N-48MR，同时使用FX2N-4AD作为模拟量输入模块。本设计使用GXWorks2进行梯形图的编写，采用GXWorks2和GTDesinger3组合的方式进行控制系统的仿真测试。经仿真测试结果显示，该控制系统实现了全自动洗衣机三种洗衣模式的选择、加热衣物、添加洗涤剂、洗涤、排水、脱水、浑浊度检测以及报警提示的功能，能够根据所设定的时间准确进行每一项操作，能够识别衣物是否清洗干净，基本完成了预期的