全自动洗衣机的PLC控制电路设计

摘 要

随着科学技术不断进步和社会飞速发展，洗衣机成为人民日常生活息息相关的家用电器产品。目前中国洗衣机市场正进入更新换代期，市场潜力巨大，人们对于洗衣机的要求也越来越高。目前的洗衣机主要有强弱洗涤功能、进排水系统故障自动诊断功能、暂停等七大功能，在许多方面还不能达到人们的需求。这就要求设计者们有更高的专业和技术水平，能够提出更多好的建议和创造新的课题，将人们的需要变成现实，设计出更节能、功能更全面、更人性化的全自动洗衣机。

从全自动洗衣机诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种多样，从而使全自动洗衣机显得更加智能化，操作更加的方便、简单。本文利用可编程控制器PLC实现了对洗衣机的全自动控制，与传统的设计相比较，洗衣机可靠性、节能性得到了提高。PLC控制不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少，与此同时系统维修简单、维修时间缩短。

本文首先介绍了洗衣机的发展，其次介绍了可编程序控制器（PLC）和PLC控制系统设计的洗衣机相关知识。接着重点介绍了用PLC设计的洗衣机，对程序流程图及编程软件进行了说明。这设计采用PLC程序指令编程，根据工艺要求编程简单、PLC采样按钮及限位开关外部输入信号的变化，执行相应的程序，然后输出控制电机正反转及脱水处理，采用三菱公司的FX2N系列的PLC。

【关键词】：洗衣机，PLC，全自动

Abstract

Along with the science and technology progress and society rapid development, the People's Daily life become washing machine of household electrical appliances product. At present China washing machine is entering the market renewal period, the market potential is tremendous, the requirements of the people for washing machine more and more is also high. The washing machine mainly has strong or weak washing function, into the drainage system fault diagnosis function, such as automatic suspended seven function, in many ways can't reach people's needs. This requires the designers have higher professional and technical level, can put forward Suggestions and create more good new task, will the needs of the people into reality, design more energy saving, function more comprehensive, more human automatic washing machine.

Since it came from the automatic washing machine, the internal control system of the

circuit is constantly improving. Design method also began to varied, thus make automatic washing machine appear more intelligent, operation more convenient and simple. By using the programmable controller for washing machine PLC automatic control, and the design of the traditional compared, washing machine reliability, energy conservation is improved. PLC control don't need a lot of moving parts and electronic components, it also greatly reduce the connection, and at the same time system maintenance is simple, maintenance time is short.

This paper first introduces the development of the washing machine, then introduces the programmable controller (PLC) and PLC control system design of washing machine relevant knowledge. Then introduced the design of washing machine with PLC, the program flow chart and programming software are illustrated. This design USES PLC program instruction programming, according to the requirement of process programming is simple, PLC sampling button and limit switch the change of external input signal, executes programs, and then output control motor and reversing and dehydration treatment, and a series of mitsubishi FX2N of PLC.

【Keywords】: washing-machine,PLC, full automaticity.

目 录

引言 ...................................................................... 1 第1章 洗衣机简介 ......................................................... 2

1.1 洗衣机类型 ........................................................ 2 1.2 洗衣机洗净衣物的原理 .............................................. 2 1.3 PLC在全自动洗衣机中的应用 ......................................... 3 第2章 可编程控制器PLC ................................................... 4

2.1 PLC的基本概念 ..................................................... 4 2.2 PLC的定义 ......................................................... 4 2.3 PLC的特点 ......................................................... 4 2.4 PLC的基本结构 ..................................................... 4 2.5 PLC的工作原理 ..................................................... 5 第3章 全自动洗衣机的设计 ................................................. 7

3.1 全自动洗衣机设计方案 .............................................. 7 3.2 设计要求及工作原理 ............................................... 10

3.2.1 控制要求 .................................................... 10 3.2.2 全自动洗衣机的工作原理 ...................................... 11 3.3 设计思路及原理 ................................................... 12

3.3.1 设计思路 .................................................... 13 3.3.2 设计原则 .................................................... 13 3.3.3 设计步骤 .................................................... 13 3.4 PLC及I/O的选择 .................................................. 14

3.4.1 控制功能 .................................................... 14 3.4.2 I/O模块选择 ................................................ 16 3.5 控制面板 ......................................................... 18 3.6 全自动洗衣机中的传感器新技术 ..................................... 18 第4章 设计流程及程序 .................................................... 21

4.1 电动机选择 ....................................................... 21 4.2 控制流程图 ....................................................... 22

4.3 I/O分布表 ........................................................ 23 4.4 程序指令 ......................................................... 24 第5章 梯形图 ............................................................ 29

5.1 梯形图 ........................................................... 29 第6章 调试 .............................................................. 32

6.1 调试步骤 ......................................................... 32 6.2 方案解决及建议 ................................................... 32 总结 ..................................................................... 33 致 谢 ................................................................... 34 参考文献 ................................................................. 34 附录 ..................................................................... 36

全自动洗衣机的PLC控制电路设计

引言

随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，家庭电器全自动化成为必然的发展趋势。全自动洗衣机的产生极大的方便了人们的生活。洗衣机是国内家电业唯一不打价格战的行业，经过几年的平稳发展，国产洗衣机无论在质量上还是功能上都和世界领先水平同步。纵观洗衣机市场，高效节能、省水、省电、环保型洗衣机一直在市场上占主导地位。

根据全自动洗衣机的工作原理,利用可编程控制器PLC实现控制,说明了PLC控制的原理方法,特点及控制洗衣机的特色。PLC的优点是：可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等，为了进一步提高全自动洗衣机的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制全自动洗衣机这个课题。全自动洗衣机控制系统利用了FX2N系列PLC的特点,对按钮,电磁阀,开关等其他一些输入/输出点进行控制,实现了洗衣机洗衣过程的自动化。由于每遍的洗涤,排水,脱水的时间由PLC内计数器控制,所以只要改变计数器参数就可以改变时间。可以把上面设定的程序时间定下来,作为固定程序使用,也可以根据衣物的质地,数量及油污的程度来编程。该论文就怎样利用PLC来控制全自动洗衣机进行了调查，对其中软件设计、硬件设计等问题进行了分析和研究，实现了全自动洗衣机的正常运行和强制性停止功能。

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全自动洗衣机的PLC控制电路设计

第1章 洗衣机简介

1.1 洗衣机类型

（1）滚筒式洗衣机：衣物半浸没于水中，滚筒作有规律的正反转动，依靠滚筒内的凸起把衣物带至高处再跌下，起到揉搓作用，然后进行洗涤。这类型有：a、前装式滚筒洗衣机；b、顶装式滚筒洗衣机。

（2）波轮式（涡卷式）洗衣机也称日本式洗衣机，其优点：结构简单，体积小，重量轻，操作方便，耗电量少，洗净率高。缺点：漂洗衣物不均匀，损衣率较高。

（3）搅拌式或摆动式洗衣机：洗衣机有一根主柱，由电动机的动力，带动摆动叶绕定轴作周期性往复运动，每次转动角度小于360度，通过旋转的力度来达到洗涤衣物的效果，其他形式有：喷流式、喷射式、振动式等等，市场上比较少见，北美普遍用。

洗衣机发展到现在的洗衣机真的是多种多样，在中国，双缸洗衣机购买的人已经是越来越少了，滚筒洗衣机和波轮洗衣机已经成为了市场的主流，使用洗衣机就是图个方便省力，现在的全自动洗衣机都符合人们的要求。那么洗衣机还会怎样进步或发展呢？归纳起来，有以下几个趋势：

（1）高度自动化； （2）健康化； （3）节能； （4）品种多样化。

1.2 洗衣机洗净衣物的原理

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之间的洗涤液，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，与桶壁发生摩擦而达到洗衣的目的。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。再次由于洗衣桶形状

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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。

1.3 PLC在全自动洗衣机中的应用

PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。

全自动洗衣机控制系统利用了PLC的特点，对按钮、电磁阀、开关等其它一些输入/输出点进行控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化。充分表现现代家电用品的个性，在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由以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，需要多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护、过热保护以及欠压保护等。这样增加了硬件的复杂性，隐含较高的故障率，无形的增加了维修成本费用。在工业控制系统中广泛应用的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。因此在该设计中采用了PLC来实现全自动洗衣机的工作过程。

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第2章 可编程控制器PLC

2.1 PLC的基本概念

可编程控制器（programmable controller）是计算机家族总的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着科技的发展，这种装置的功能已经大大超越了逻辑控制的范围，因此，这种装置称为可编程，简称PC。但为了避免和坚韧计算机的简称混淆，所以称为PLC。

2.2 PLC的定义

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

2.3 PLC的特点

PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。

（1）可靠性高，抗干扰能力强。 （2）通用性强，使用方便。

（3）采用模块化结构，使系统组合灵活方便。 （4）编程语言简单、易学，便于掌握。 （5）系统设计周期短。

（6）对生产工艺改变适应性强。

（7）安装简单、调试方便、维护工作量小。

2.4 PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

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其结构如图2-1所示。

编程器 输入电路中央处理器 （CPU） 输出电路中央处理单元是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

2.5 PLC的工作原理

PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，循环扫描技术，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点，不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。PLC的控制需要内部处理、通信服务、输入扫描、执行扫描、输出扫描5个阶段才能完成控制过程。 (1) 内部处理

在内部处理阶段，PLC完成硬件自检测和监控定时器复位等内部工作。 (2) 通信服务

在通信服务阶段，PLC处理与计算机、编程器和别的智能装置的通信。 (3) 输入扫描

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数

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系统存储器 系统存储器 电源

2-1 PLC的结构图

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据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (4) 执行扫描

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 (5) 输出扫描

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出

同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

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第3章 全自动洗衣机的设计

3.1 全自动洗衣机设计方案

洗衣机是一种在家庭中不可缺少的家用电器，发展非常快，全自动式洗衣机因使用方便得到大家的青睐，全自动即进水、浸泡、洗涤、漂洗、排水、甩干等一系列过程自动完成，控制器通常设有几种洗涤程序，对不同的衣物可供用户选择。全自动洗衣机控制系统可选择多种控制方案，如继电器、单片机、PLC等均能完成。 1.继电器控制方案分析

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

继电器一般都有能反映一定输入变量的感应机构，有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构，在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。但缺点明显，机械寿命短,容易受到干扰而引起误操作,继电器控制是硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；继电器控制速度慢，触点易抖动；继电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；继电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能。

2.单片机控制方案分析

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统,尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输

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出系统集成在一块芯片上。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。

我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影，它主要是作为控制部分的核心部件。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。它是一种在线式实时控制计算机，需要有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。

单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板，但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。

由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。

3.PLC控制方案分析

PLC可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设

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计的。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，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC控制特点：

（1）可靠性高，抗干扰能力强：

高可靠性是电器控制设备的关键性能。PLC由于采用大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路都用上了先进的抗干扰技术，所以具有很高的可靠性。PLC带有硬件故障自我检测功能，当出现故障时可及时发出警报信息。 （2）适用性强；

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 （3）易学易用；

PLC作为通用工业控制计算机，它接口容易，编程语言都很容易被工程技术人员接受。梯形图语言和图形符号的表达方式和继电器电路图都相当接近，现在只用PLC的少量的开关量逻辑控制指令，就可以方便地实现继电器电路的功能。这可以为那些不熟悉电子电路、不会汇编语言和不懂计算机原理的人油条洁净，为他们在计算机从事工业控制方面打开了方便之门。

(4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 (5)体积小，重量轻，能耗低；

新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。这是别的控制系统所不能达到的，由于体积小很容易装入机械内部，这是理想的控制设备。

4.PLC的应用领域

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目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 (1)开关量的逻辑控制； (2)模拟量控制； (3)运动控制； (4)过程控制； (5)数据处理； (6)通信及联网；

综上所述，PLC的功能强大而且控制操作简单，我决定选择PLC控制方法。PLC控制洗衣机洗涤程序有独特之处。首先，它是一个顺序控制系统程序；其次，洗涤，排水，脱水时间是由PLC内的计数器和定时器中参数控制的，只要改变它的参数大小就可改变整个程序时间长短；第三，通过改变PLC的型号，可以根据衣物的质地，数量及脏污程度来实现标准洗，强洗，快洗的多功能；第四，通过修改洗涤程序可实现进水洗涤，漂洗，排水，脱水的顺序控制，也可实现或洗涤，或漂洗，或脱水等单体控制；第五，在设计过程中，可以方便的加入相应的配套装置，如指示灯，蜂鸣器。

3.2 设计要求及工作原理

3.2.1 控制要求

全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“强制停止”两种控制方式。“正常运行”具体控制要求如下：

(1)按启动按扭及水位选择开关，开始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水。 (2)2秒后洗衣机开始洗涤。

(3)洗涤时，正转20秒后暂停，暂停2秒后开始反转洗涤，反转洗涤20秒后暂停，暂停2秒。

(4)照前面过程如此循环3次，总共180秒后，开始排水，排空后（水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水10秒即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。

(5)若未能完成3次大循环，则返回从进水开始时的全部动作，进行下一次大循环；若完成了3次大循环，则进行洗完报警。

(6)报警3秒，全部过程结束自动停机。 “强制停止”具体控制要求如下：

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（1）若按“停止”按钮，洗衣过程停止，即洗涤电机和脱水桶转、进水电磁阀和排水电磁阀全部闭合；

（2）可用手动排水开关和手动脱水开关进行手动排水和脱水。

3.2.2 全自动洗衣机的工作原理

全自动洗衣机的实物示意图如图3-1所示。全自动洗衣机的洗衣桶和脱水桶是以同一中心安放的。外桶固定，作盛水用。内桶是可以旋转的，作脱水用。内桶壁的四周有很多小孔，这可使内外桶的水流相通。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，通过电控系统将进水阀打开，进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统将排水阀打开，使水由外桶排出到机外。洗衣机洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波轮正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水工作时，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。高水位和低水位开关分别用来检测高、低水位。启动按钮是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。排水按钮是用来实现手动排水。

图3-1全自动洗衣机实物示意图

它能实现的功能有：首先系统处于初始状态时，按下启动按扭及水位选择开关，开

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始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水。2秒后开始洗涤，洗涤时，正转20秒后暂停，暂停2秒后开始反转洗涤，反转洗涤20秒后暂停，暂停2秒。如此循环3次，总共180秒后开始排水，排空后（水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水10秒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10秒结束全部过程，自动停机。此外按排水按钮可实现手动排水；按停止按扭可停止进水、排水、脱水及报警。全自动洗衣机的PLC系统结构图如图3-2所示。

单循环工作流程示意图如图3-3所示。

图3-2 全自动洗衣机的PLC系统控制图

开始 进水 洗涤 结束 脱水 排水

图3-3全自动洗衣机的单循环工作流程示意图

3.3 设计思路及原理

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3.3.1 设计思路

按下电源开关，开始进水洗涤衣服。要使用PLC来实现洗衣机的全自动，它的输入设备主要有电源按钮，启动按钮，水位选择按钮（高、中、低），排水和脱水按钮等。输出设备主要有电源指示灯，水位选择按钮信号灯（高、中、低），进水、排水指示灯，洗涤电动机由控制要求，首先打开电源，用户根据衣服的多少和大小进行水位的选择，并有指示灯提示；按下启动按正、反转指示灯和报警蜂鸣器等。 3.3.2 设计原则

PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好的实现工艺提出的控制要求。PLC控制系统的设计应遵循以下原则：

1.根据工艺的流程进行设计，它的要求是让设计出来的控制系统能最大限度的满足控制要求。

2.并在满足控制要求的这一前题下，我们必须尽量减少PLC系统硬件费用，节省设计的成本

3.要考虑以后控制要求的变化，控制系统设计时应考虑到PLC的可扩展性。这是很重要的

4.控制系统使用方便安全可靠。 3.3.3 设计步骤

PLC控制系统的设计步骤具体操作如下： （1）控制要求分析

在设计PLC控制电路系统之前，必须对课题进行简要的分析，了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己要完成的任务，有了任务才能相处方法，进而设计出符合要求的控制系统。

（2）I/O设备选择

根据控制要求选择合理的输入设备和输出设备。当选好输入/输出设备时，再根据其类型和数量，从而确定PLC的I/O点数。

（3）选择PLC

要选择好什么类型的PLC，先确定PLC的点数，I/O点数，在对控制要求等进行分析，从而选择合适的PLC。包括选择机型、存储器的容量、智能模块、输入/输出模块和电源模块等。

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（4）PLC程序设计编程

本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。首先把课题设计分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出信号要控制的设备，不同阶段之间有什么样的关系，然后画出程序流程图，最后进行程序编程。

（5）I/O分配

I/O分配就是PLC的I/O端子和输入/输出设备之间的对应关系，并画出I/O接线原理图或接线表。

（6）模拟调试

I/O接线图画好，程序编制好后，用按钮和开关模拟数字量，电流源和电压源代替模拟量，进行模拟调试，对程序能否达到要求进行验证，最后使其达到控制要求。

3.4 PLC及I/O的选择

3.4.1 控制功能 1. PLC主机

本次设计采用的PLC是PLC中最先进的FX2N系列，FX2N系列PLC是日本三菱公司近年推出的小型高性能整体式PLC。FX2N系列是FX家族中最先进的系列，它最大范围的包容了标准特点、执行速度更快、通讯功能更齐全，具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

组成：由基本单元、扩展单元、扩展模块、特殊模块及特殊功能单元构成。通过扩展单元、扩展模块与基本单元的连接，能任意选用16~256个输入输出点。 2. 启动按钮

启动按钮用来控制全自动洗衣机进行工作与否，用户在洗衣机内放入衣服，准备好开始洗衣服时，按启动按钮，全自动洗衣机就开始洗衣。 3. 停止按钮

停止按钮用来停止运行中的全自动洗衣机工作。在洗衣服的过程中，洗衣完毕或需要停止洗衣。就可以直接按下停止按钮，洗衣机立即会停止工作。 4. 高水位

高水位是指洗衣机在洗衣过程中，洗衣机筒内保持的水位高低，一旦选择了高水位，则在洗衣过程中的水位将保持系统设定下的两个水位中的相对高一点的水位。这里，在

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操作面板上，用一个按钮来设置高水位，按下按钮表示选择高水位。 5. 低水位

低水位是指洗衣机在洗衣过程中，洗衣机筒内保持的水位的高低，是相对于高水位来说的，在洗衣机系统的初始设计中，设计了两种水位，这个是相对比较低的一个水位，但是同样可以完成洗衣过程。在操作面板上，用一个按钮来设置低水位，按下按钮表示选择低水位。

需要注意的是，用户在使用中，只能选择一种水位——高水位或者低水位，但是，但是在实际生活中，很有可能用户不小心同时按下了高水位按钮和低水位按钮，因此，在设计中必须要考虑到水位的互锁。当然也可以将高水位与低水位选择设计成一个按钮，按下去的时候为高水位，不按则是低水位。

需要说明的是，高水位的选择必须在用户开始一次洗衣之前完成。 6. 标准按钮

标准按钮用来设置洗衣机洗衣服的模式，当按下标准按钮时，选择了标准模式，洗衣机自动按照标准模式洗衣服。 7. 柔和按钮

柔和按钮用来设置洗衣机洗衣服的模式，当按下柔和按钮时，选择了柔和模式，洗衣机自动按照柔和模式洗衣服。

在洗洗衣机衣服的模式中，标准和柔和是两种相对的概念，标准比柔和的洗衣要剧烈一些。同样地，与高、低水位的选择一样，用户只能同时选择一种模式，因此，也需要在设计中考虑到标准与柔和模式的互锁。也可以将标准与柔和按钮设计成一个按钮，按下去时为柔和模式，不按下去则为标准模式。

需要说明的是，标准模式与柔和模式的 选择必须在用户一开始洗衣之前完成。 8. 高水位探测器

高水位探测器用来检测洗衣机水位是否已经达到了高水位。采用数字量输出式水位探测器这样就可以直接将高水位探测器的输出直接送到PLC主机的数字量输入端口上。 9. 低水位探测器

低水位探测器用来检测洗衣机水位是否已经达到了低水位。采用数字量输出式水位探测器这样就可以直接将低水位探测器的输出直接送到PLC主机的数字量输入端口上。 10．进水电磁阀

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进水电磁阀用来控制洗衣机的进水。当然洗衣机需要外界进水时，PLC主机发出控制信号，进水电磁阀会打开，水自动从外界送入洗衣机筒内，当水已经达到了设定的水位时，PLC主机发出信号自动关闭进水电池阀，同时控制洗衣机进入下一个洗衣步骤。 11. 电机正转接触器

电机正转接触器用于PLC主机控制洗衣机电机的正转。可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接电机正转接触器，在洗衣机洗衣服的过程中，电机会正转与反转同时轮流进行。 12. 电机反转接触器

电机反转接触器用于PLC主机控制洗衣机电机的反转。可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接电机反转接触器，在洗衣机洗衣服的过程中，电机会正转与反转同时轮流进行。 13. 排水离合器

排水离合器用于PLC主机控制洗衣机机筒内的排放。选用数字式离合器，可以直接用PLC主机的数字量输出端口来连接到排水离合器，当洗衣机在完成洗衣或者漂洗后，需要将机筒内的脏水排出机筒，此时，PLC主机发出控制命令打开排水离合器，进行排水。 14. 脱水离合器

洗衣机洗衣服的最后一道工序就是对衣服进行脱水，脱水电磁离合器正是用于PLC主机控制洗衣机进行脱水，脱水需要电机带动机筒旋转，有了电磁离合器后，就可以直接使用PLC主机的数字量输出端口来控制电磁离合器，最终达到控制脱水执行电机的目的。在脱水过程不涉及电机的调速问题，因此，用PLC主机加电磁离合器这样一种比较觉得简单的方式就可以完成控制任务。 15. 蜂鸣器

蜂鸣器用来指示洗衣机洗衣过程中的一些声音提示。采用工业用直流供电的蜂鸣器，这样就可以直接用PLC主机的数字量输出端口来控制蜂鸣器。 3.4.2 I/O模块选择

一般I／O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I／O模块有开关量I／O模块、模拟量I／O模块及各种特殊功能模块等。不同的I／O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。

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（1）开关量I／O模块的选择

输入信号的类型及电压等级 输入接线方式

注意同时接通的输入点数量 输入门槛电平

（2）开关量输出模块的选择

输出方式 输出接线方式 驱动能力

注意同时接通的输出点数量

输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关

根据上面1、2所示，依据实际要求选出最适合的I/O模块，但还有一些特殊的功能模块。

（3）特殊模块选择。

目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I／O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I／O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。

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3.5 控制面板

全自动洗衣机的设计必须在满足上述功能以外，还需要考虑外观设计、造型等方面。尤其是在洗衣机的手动控制操作面板上，必须符合人机界面的基本要求。

设计全自动洗衣机的操作面板如图3-4所示。其中，进水、正转、反转、排水、脱水为信号灯指示当前洗衣机的工作状态；蜂鸣器为声音指示，指示洗衣机整个洗衣过程完成的提示；启动、停止、高水位、低水位、标准、柔和等为手动控制按钮，用来人为手动地输入一些控制信号。

进水正转反转排水脱水蜂鸣器全自动洗衣机启动停止高水位低水位标准柔和 图3-4全自动洗衣机操作面板

在实际中，操作面板一般位于洗衣机的上表面，需要在设计的时候加入更多的个性化平面设计元素，并且操作面板往往与控制器不放置在一起，这就需要考虑线路布线的问题。

3.6 全自动洗衣机中的传感器新技术

近年来家电市场上的智能型模糊控制全自动洗衣机越来越受到消费者的青睐。这种洗衣机以人们洗衣操作的经验作为模糊控制的规则，采用多种传感器把水温，布质，布量，洗净度等洗衣状态信息检测出来，并将这些信息送到单片机中，单片机应用模糊控制程序对所检测到的信息进行分析，以确定其最佳的洗涤时间，水流强度，漂洗方式，脱水时间以及注水水位等参数，对洗衣机全过程进行自动控制，最大限度的模拟人工操

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作，达到最佳的洗涤效果。以下对全自动洗衣机的几种主要传感器作一介绍。 1. 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，这让驱动电机一段需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，这样就间接的“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。 2. 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”，“棉于化纤”，以及“化纤”四个档。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，首先是将洗涤桶内的水位比设定到水位低这一档级，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，两者之差即可以判别衣质。若桶内的衣物面纤维所占比例大，脉冲数差就大；若化学纤维所占比例大，脉冲数差就小。 3. 水位传感器

用单片机控制电子式水位传感器可以自动准确的控制水位。洗涤桶内的水位不同，对桶底的压力也就不同，将这种压力转变为橡胶隔膜的形变，使固定在隔膜上的磁芯片发生位移，磁芯的移动使得电感线圈的电感量发生改变，从而使LC振荡电路的振荡频率也产生变化。对于不同的水位，LC电路都有对应的频率脉冲信号输出，将这个信号输入单片机接口，当水位传感器输出的脉冲信号与选定储存在单片机中频率相同时，单片机判定已达到了要求的水位，停止注水，开始执行洗涤程序。 4. 水温传感器

适当的洗衣温度有利于污垢的活化，可以提高洗涤效果。水温传感器装在洗涤桶的下部，以热敏电阻为检测原件。测定时打开洗衣机开关使得温度为环境温度，注水结束时的温度为水温，将所测温度信号输入给单片机，为模糊推论提供信息。 5. 光传感器

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光传感器即洗净程度传感器。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，无法直接检测衣物的洗净程度。全自动洗衣机通过采用光传感器检测洗涤液的透光率，从而检测了洗净程度。在洗衣机排水管两侧分别安装红外发光管和光电接受管。洗涤时，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，衣物上的污垢不断的扩散到洗涤液中，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，然后进入漂洗阶段。

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第4章 设计流程及程序

全自动洗衣机的过程包括启动、进水、洗涤、排水和脱水等功能。在实现控制过程中，各种采样信息都是通过控制中心进行各种判断、比较和选择，再经信息线路反馈给洗衣机各控制执行机构，决定洗衣机的工作状态。

4.1 电动机选择

如图4-1所示为三相异步电动机正反转控制的主电路图，其中FU为熔断器，KM1、KM2分别是控制正转和反转的交流接触器。图中用KM1和KM2的主触点改变电动机三相电源的相序，即可改变电动机的旋转方向。图中FR为热继电器，在电动机过载时，它的常闭触点断开，电动机停转。

AC220/380VNL1L2L3FU去PLC I/O接线图KM1KM2FR3M~

图4-1 全自动洗衣机电动机主电路图 图3.1 全自动洗衣机电动机主电路图

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图4-15计数器指令应用梯形图 图4-16计数器指令应用时序图

1、编程输入程序并检验，然后运行程序。 2、当X0开关断/通一次，计数器现行值加1。 3、当X0开关断/通5次时，计数器现行值加1。 4、当X1开关接通/断开时，C0复位，Y0灯灭。

（7）步进指令

图4-17进指令梯形图

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1、编程：输入程序，并检验。

2、运行程序，监控S0、S1顺序接通X0-X3开关，观察Y0、Y1的发光指示。 3、X3为关闭步进转换指令。

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第5章 梯形图

5.1 梯形图

梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。

梯形图起源于继电器逻辑和执行线路，它用不同的图符来表示不同的指令，用串、并联的概念组织图符的顺序位置来表述逻辑。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。

梯形图编程中，用到以下四个基本概念： 1．软继电器； 2．能流； 3．母线；

4．梯形图的逻辑解算。

工步介绍：S0 初始化 S20洗衣机进水 S21电动机正转 S22电动机反转 S23洗衣机脱水 S24报警 本程序的梯形图如下图5-1所示

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图 5-1 梯形图

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