【基于PLC的全自動洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)12000字（論文）】

PAGE38 基于PLC的全自動洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)TOC\o"1-2"\h\u168341緒論 171051.1研究背景 1131341.2國內(nèi)外現(xiàn)狀及水平 2152831.2研究意義 3139071.3設(shè)計目標(biāo) 4184912全自動洗衣機方案設(shè)計 455322.1程序控制器 5191632.2洗滌系統(tǒng) 679122.3進(jìn)水系統(tǒng) 791102.4排水系統(tǒng) 7159982.5檢測系統(tǒng) 7124422.6保護措施 763283全自動洗衣機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 8205413.1PLC 962793.2變頻器 11306693.3電動機 12254713.4傳感器選擇 13117863.5指示燈 13263574全自動洗衣機軟件設(shè)計 13282244.1工作流程 1438764.2I/O分配 15249234.3梯形圖 151275總結(jié)與展望 221130參考文獻(xiàn) 24PAGE38PAGE38摘要：在生活節(jié)奏不斷加快的現(xiàn)狀之下，對于清潔衣物這樣的家務(wù)活，人們越發(fā)追求方便和快捷，全自動洗衣機憑借其智能化的控制系統(tǒng)及簡單的操作方式，得到人們的青睞。本文對全自動洗衣機的具體設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。其中，在硬件的選擇上主要選用了FX2N-48MR型PLC、FX2N-4AD型模擬量輸入模塊、電動機、CDI9200變頻器、水溫傳感器、水位傳感器以及渾濁度傳感器。在軟件設(shè)計上，繪制了整個系統(tǒng)的接線圖、洗衣機工作流程圖、I/O分配表以及梯形圖。要求能夠進(jìn)行水位、水溫以及渾濁度的設(shè)定，并對這三個變量進(jìn)行監(jiān)測和比較，實現(xiàn)洗衣機啟動、加熱、正反轉(zhuǎn)洗衣、渾濁度比較、排水、脫水等功能。本設(shè)計采用GXWorks2和GTDesinger3軟件組合的方式進(jìn)行仿真測試，在測試過程中，洗衣機能夠正常運行并且正確實現(xiàn)所規(guī)定的功能，基本滿足了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：PLC；FX2N-48MR；FX2N-4AD；全自動洗衣機1緒論1.1研究背景PLC技術(shù)于上世紀(jì)70年代進(jìn)入人們的視野，在歷經(jīng)近半個世紀(jì)的研究下，PLC技術(shù)以取得巨大進(jìn)步，逐步走向成熟?？v觀國外PLC市場，各品牌得益于技術(shù)的成熟而得到了較好的推廣和認(rèn)可，如德國的西門子，日本的三菱、歐姆龍等PLC?，F(xiàn)在，這些品牌的PLC在中國市場占有相當(dāng)大的份額，成為了人們選購PLC時的最優(yōu)選擇。這樣的情況無疑激起了國產(chǎn)PLC加入競爭的的愿望。近年來，國產(chǎn)PLC品牌也逐漸被人們所知曉和接受，例如臺達(dá)、和利時、永宏等。而國產(chǎn)PLC想要擁有更大的市場地位，則需要做出更多改善。在中國，PLC廠商要充分考慮各行各業(yè)的差異性，從而設(shè)計出專用的控制器。因為一些批量生產(chǎn)的設(shè)備需要固定的開關(guān)量分配以及模擬量分配。如果僅僅使用普通的PLC，會浪費一些I/O點，而根據(jù)需要的點數(shù)采用與之對應(yīng)的PLC，則降低了一定量的成本。國內(nèi)廠商在研發(fā)、生產(chǎn)、銷售上具有一定的優(yōu)勢，可以根據(jù)用戶的需要及時做出調(diào)整，從而制作出用戶所需要的產(chǎn)品。在生產(chǎn)PLC產(chǎn)品的同時，制作出優(yōu)秀的控制系統(tǒng)，也大大的提高了國產(chǎn)PLC產(chǎn)商的利潤。在國外，大型PLC的價格較為昂貴。在這樣的背景之下，國產(chǎn)小型PLC相對便宜的價格及較為完善的功能勢必會贏得一定的市場，這也成為國產(chǎn)PLC廠商的一次機遇。國內(nèi)有實力的廠商更應(yīng)該把握此契機，尋求技術(shù)的突破，進(jìn)而贏得更大的市場。總體上來說，國產(chǎn)與國外在小型PLC上的差距正在一步步縮小，但相較于國外PLC行業(yè)數(shù)十年的發(fā)展和系統(tǒng)化來說，中國的很多PLC品牌還需要進(jìn)行大量的改進(jìn)。由于1996年德國的西門子公司取得了劃時代的進(jìn)展，即PLC和繼電器之間的空缺在該公司的努力之下得到了填補。正是這一空缺的填補，使得負(fù)載可以直接接入而不需要使用接觸器或者中間繼電器。這一突破性的成就的產(chǎn)生，使得研究者們將眼光轉(zhuǎn)向了PLC技術(shù)，利用PLC來設(shè)計洗衣機控制系統(tǒng)的想法應(yīng)運而生，為全自動洗衣機今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。從那時起，研究者開始進(jìn)行大量的研究和設(shè)計，洗衣機的性能越發(fā)完善，被更多人認(rèn)可和使用。隨著社會的不斷發(fā)展和進(jìn)步，最初費時費力的手洗衣物的方式逐漸被簡單方便的機洗所代替，洗衣機成了人們生活的必需品?，F(xiàn)在的洗衣機，只需我們放入衣物，選擇好洗衣要求，啟動洗衣機，便可去做其他事情，再無需進(jìn)行其他操作。全自動洗衣機的出現(xiàn)，給人們帶來了極大方便，體現(xiàn)出科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步帶來的積極影響。傳統(tǒng)全自動洗衣機使用單片機制作控制系統(tǒng)。而隨著控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，單片機在驅(qū)動和控制等方面表現(xiàn)出了明顯的不足，已然無法滿足用戶對于高品質(zhì)生活的需要。這樣的變化帶來的重大改變是人們開始逐漸使用PLC來取代單片機來進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計。如今，PLC依靠其多樣的控制方式和強大的功能，成為現(xiàn)代工業(yè)當(dāng)中重要的控制技術(shù)之一。PLC還具有簡單的編程、簡單的操作、強大的反干涉能力、高可信度、維護方便且工作量小等優(yōu)點。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀及水平1.2.1洗衣機的分類普通洗衣機：普通洗衣機采用交流電機，因技術(shù)的原因，它們不具備變頻功能，其洗滌、脫水、漂洗、晾干等功能均需由人工操作，不僅耗能、噪聲大，人工操作也很不方便；半自動洗衣機：半自動洗衣機就是在放置完畢衣物、洗衣液和足夠的水后，再人工設(shè)定好洗衣程序，就能實現(xiàn)自動完成洗衣、甩干、排水的全過程，等洗衣過程完畢就自動提醒用戶，然后取出晾曬。全自動洗衣機：在無需人工干預(yù)和監(jiān)督的情況下，全自動洗衣機能獨自自動地完成洗滌、漂洗和脫水的所有過程。1.2.2全自動洗衣機在國內(nèi)外的現(xiàn)狀及水平當(dāng)今市面上的全自動洗衣機大體可分為三個大類，分別是攪拌式全自動洗衣機、滾筒式全自動洗衣機和波輪式全自動洗衣機，它們分別占全球洗衣機市場份額的15％、52％和33％。以下僅對波輪式和滾筒式兩種洗衣機進(jìn)行討論：(1)滾筒洗衣機滾筒洗衣機具有質(zhì)量可靠的基本結(jié)構(gòu)和美觀的外形設(shè)計，一般采用不銹鋼內(nèi)筒，制作精巧緊湊，占用空間小，方便安全，而且滾筒洗衣機大多都采用節(jié)水技術(shù)，其缺點是添加和取出衣服較為麻煩而且相對于其他洗衣機而言，滾筒洗衣機更為耗電，洗衣時間也較久，時間一般在一小時左右。(2)波輪式洗衣機波輪洗衣機的優(yōu)點：很輕易地就能把衣物洗干凈，省時省電、空間占比小、操作簡單、在洗衣的途中可以隨時添放衣服或洗衣液、快速上手、經(jīng)濟實惠且靈活方便。與當(dāng)今國民經(jīng)濟相符合，在國內(nèi)波輪上開門洗衣機的消費量可謂是最大的。洗衣機內(nèi)筒由塑料制成，幾乎是在靜音情況下完成洗衣過程，上開蓋的設(shè)計，使用起來也更加快捷方便。所以波輪上開門洗衣機適用于頻繁清洗衣服的家庭，以洗凈為主。波輪工作原理：以把衣物洗干凈為目的，波輪上開門洗衣機的洗滌過程主要是由機械運動產(chǎn)生的沖刷和洗滌液的滲潤、散布等共同作用下使污垢脫離衣物。散布在波輪葉片之中的洗衣溶液在翻滾中朝桶壁被拋出，并同時隨著洗衣桶的內(nèi)壁攀升。在脈動器中心，由于液體的拋出形成的低壓區(qū)域，導(dǎo)致洗滌液返回到波輪地周邊。為此，在以軸線為中心的渦流在波輪附近產(chǎn)生，在渦流的作用下，衣服作旋轉(zhuǎn)運動。衣物被吸入到洗衣桶的核心后，衣服又被扔向洗衣機內(nèi)的筒壁上，如人工搓洗衣物一般衣物不斷被摩擦。因為波輪的核心位置是低壓區(qū)域，所以衣服很容易被附著在波輪周邊并不斷與其產(chǎn)生摩擦。在摩擦過程中污漬便會脫離衣服。此外，當(dāng)往洗衣機內(nèi)放入洗衣液后，因為慣性運動較為遲緩，水的流動和衣服之間存在一定的速度差。兩者之間的相對運動是由水和衣服之間的相互摩擦引起的。水流到衣服上也有助于去除衣服上的污漬。因為洗衣涌內(nèi)部的不規(guī)則，當(dāng)翻滾著的水沖擊桶的內(nèi)壁時，其方向?qū)l(fā)生變化，從而形成湍流。進(jìn)而衣服做無規(guī)律的滾動，衣物彼此搓洗摩擦，洗衣面積被最大程度地增大，也更均勻地洗滌了衣物。由于滾筒式機器的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于波輪式機器，因此使用波輪式機器對我們來說更經(jīng)濟更實用性價比也更高，因此它普遍受到我國消費者的青睞。關(guān)于市面上新推出的波輪式洗衣機采用的控制器，它們多以微控制器的程序控制器為主。各廠家生產(chǎn)的各種波輪自動洗衣機擁有不同的控制程序。至少有幾個控件，每個控件都有幾種不同的洗滌程序可供選擇，這些程序足以用于不同的洗滌需求。使用不銹鋼材質(zhì)作為洗衣機內(nèi)桶的目的也很明確，就是為了讓衣服和筒壁之間的摩擦有一個較好的緩沖，這樣就可以有效地減少衣物的損耗，用戶在購買洗衣機時應(yīng)把它計算在內(nèi)。關(guān)于同心清洗：同心清洗是將電機軸直接安裝到清洗缸軸上并直接驅(qū)動。這減少了洗滌和脫水過程中浴缸的振動，并也降低了噪音。為達(dá)到一定的清潔效果，要求有一定程度上的攪拌力，但過大的攪拌力對衣服也會造成一定的損傷，這使本款洗衣機的衣物損耗率要比傳統(tǒng)的滾筒洗衣機要高出不少。1.2研究意義就目前洗衣機所擁有的功能而言，還需進(jìn)一步優(yōu)化提高，進(jìn)而滿足人們的要求，牢牢把握住市場要想設(shè)計出功能更加完善的洗衣機，實現(xiàn)人們對洗衣機的更多期望，就需要設(shè)計者們具備更加扎實的專業(yè)知識，擁有創(chuàng)新精神，深入探索，創(chuàng)造出更好的設(shè)計方案。目前，洗衣機的兼容性仍有待提高，各廠商設(shè)計出個性化的功能來彰顯技術(shù)，進(jìn)行市場競爭。這就要求制造業(yè)要能夠?qū)κ袌龅男枨笱杆僮龀龇磻?yīng)，生產(chǎn)的產(chǎn)品在質(zhì)量高的基礎(chǔ)上，還需要做到品種豐富，成本低等要求。這些要求都能夠通過PLC來很好地實現(xiàn)。本設(shè)計采用三菱系列的FX2N-48MR型號PLC作為控制核心，結(jié)構(gòu)合理，測試方法可靠，靈活性強，設(shè)備運行可靠，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了效率，達(dá)到了良好的經(jīng)濟效果。另外，該PLC能夠再使用的特點使得成本降低。其操作方便、靈活的特性使得測試者可以隨時對控制程序進(jìn)行調(diào)試和修改等操作。其中設(shè)有串行接口，方便地與計算機進(jìn)行連接，組成測控系統(tǒng)，給系統(tǒng)的維護和使用帶來了很大方便。1.3設(shè)計目標(biāo)本設(shè)計使用AutoCAD進(jìn)行接線圖的繪制，使用GXWorks2進(jìn)行梯形圖的編寫，并使用GTDesigner3進(jìn)行畫面設(shè)計以及仿真測試，需要實現(xiàn)以下功能：（1）能夠選擇洗衣模式并自行設(shè)定溫度、水位、渾濁度值；（2）啟動運行后，能夠?qū)崿F(xiàn)洗滌劑的添加、加熱、正反轉(zhuǎn)洗衣的功能；（3）每次正反轉(zhuǎn)洗衣結(jié)束后，均能夠進(jìn)行渾濁度差值的比較，將差值與設(shè)定值比較，從而判斷繼續(xù)洗衣還是進(jìn)行排水操作；（4）渾濁度差值小于設(shè)定值會進(jìn)行排水和脫水操作，之后進(jìn)行漂洗，洗衣過程循環(huán)次數(shù)為3次，洗滌完畢報警提示；1.4設(shè)計任務(wù)本設(shè)計使用AutoCAD進(jìn)行接線圖的繪制，使用GXWorks2進(jìn)行梯形圖的編寫，并使用GTDesigner3進(jìn)行畫面設(shè)計以及仿真測試，具體任務(wù)有：（1）硬件設(shè)計：PLC選型、變頻器、電機、水位傳感器、水溫傳感器、渾濁度傳感器。（2）軟件設(shè)計：全自動洗衣機工作流程圖、系統(tǒng)接線圖、I/O分配表、梯形圖。2全自動洗衣機方案設(shè)計本文提出全自動洗衣機的洗滌系統(tǒng)、進(jìn)水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)以及指示燈的設(shè)計方案，以滿足所要達(dá)到的控制要求。全自動洗衣機自動進(jìn)水功能是在其進(jìn)水系統(tǒng)的作用下實現(xiàn)的，自動排水功能的實現(xiàn)得益于排水系統(tǒng)。其洗滌系統(tǒng)能夠保證洗衣機清洗衣物的過程正常進(jìn)行。洗衣機發(fā)動機的主要部件為電動機，離合器用于控制洗滌、漂洗及脫水過程中的轉(zhuǎn)速，電動機和離合器共同組成了洗衣機的傳動系統(tǒng)。各傳感器構(gòu)成了檢測系統(tǒng)。其總體框圖如圖2-1所示：圖2-1全自動洗衣機控制系統(tǒng)框圖圖2-1為控制系統(tǒng)總框圖，開啟電源后，程序控制器運行。安全開關(guān)的設(shè)置是為確保運行過程中出現(xiàn)故障時停止運行。洗衣機進(jìn)水閥開啟期間進(jìn)行進(jìn)水，進(jìn)水量達(dá)到設(shè)定值停止進(jìn)水，排水電磁閥用于控制排水。離合器和電動機共同組成傳動系統(tǒng)，在傳動系統(tǒng)的作用下，洗衣機能夠進(jìn)行洗滌操作。2.1程序控制器2.1.1基本結(jié)構(gòu)本設(shè)計使用三菱系列PLC作為程序控制器，型號為FX2N-48MR，其主要組成部分有：CPU模塊、電源、I/O模塊、存儲器、輸入輸出接口電路、擴展模塊與外接通信模塊等。基本結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。圖2-2PLC基本結(jié)構(gòu)框圖PLC通常會選擇220V交流電源或24V直流電源以保證正常工作。在所有組成部分當(dāng)中，CPU是程序控制器的核心，其存儲器的速度和容量決定了程序控制器的工作效率。根據(jù)PLC系統(tǒng)的功能，用戶數(shù)據(jù)和程序被其接受和保存。I/O模塊能夠?qū)崿F(xiàn)控制器與實際生產(chǎn)間的連接。開關(guān)量模塊一般是接入開關(guān)量的輸入和輸出模塊，模擬量模塊接入模擬量信號，分為輸入和輸出模塊，相應(yīng)的信號只能接入相應(yīng)的模塊中，否則可能燒壞或者無法實現(xiàn)想要的功能。與此同時，PLC將通過輸出界面對控制對象進(jìn)行測試，以滿足控制要求。I/O接口一般具有絕緣光電和過濾兩種功能，這兩種功能大大提高了PLC的防干擾功能。為了讓PLC更容易保持和管理，我們通常在I/O接口設(shè)有狀態(tài)標(biāo)識器，所以PLC的工作狀態(tài)可以更加直觀地被查看。擴展接口的存在，使得PLC在使用過程中靈活性更高，可以滿足各種實際需求。2.1.2工作原理在運行過程中，一共需要經(jīng)歷三個階段，這三個階段分別為：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。（1）輸入采樣階段（1）在這一階段中，PLC會掃描所有的輸入端點，所有掃描到的輸入端的狀態(tài)都會存儲到相應(yīng)的映像寄存器當(dāng)中，這時，輸入映像寄存器就會更新。此階段結(jié)束后將進(jìn)入后兩個階段，在這兩個階段當(dāng)中，無論發(fā)生怎樣的變化，寄存器中的內(nèi)容不發(fā)生任何改變。這種情況會一直持續(xù)到下一個掃描周期的輸入采樣階段，那時新的內(nèi)容才會被重新寫入。所以，輸入信號的寬度要比掃描周期大，這樣才能將所有信號都予以保留。（2）程序執(zhí)行階段此階段，PLC掃描應(yīng)用程序，應(yīng)用程序主要是以梯形圖形式進(jìn)行編寫，并且按照梯形圖的掃描準(zhǔn)則進(jìn)行掃描。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則依據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是不是滿意來決議程序跳轉(zhuǎn)地址。程序履行進(jìn)程中，當(dāng)指令中觸及輸入、輸出狀況時，PLC就從輸入映像寄存器中讀入對應(yīng)輸入端子狀況，從輸出映像寄存器讀入對應(yīng)元件的當(dāng)時狀況。然后進(jìn)行相應(yīng)的運算，運算成果再存入輸出映像寄存器中。對輸出映像寄存器來說，每一個元件的狀況會跟著程序履行進(jìn)程而改變。（3）輸出刷新階段整個程序運行完成后，進(jìn)入第三階段。因上一階段中運算結(jié)果只保留在輸出映像區(qū)，并沒有傳送到輸出端口。所以，本階段將結(jié)果送至輸出鎖存器，然后由鎖存器通過輸出模塊發(fā)生本周期的操控輸出。若是內(nèi)部輸出繼電器的狀況為“1”，則輸出繼電器觸點閉合，通過輸出端子驅(qū)動外部負(fù)載。2.2洗滌系統(tǒng)洗滌系統(tǒng)是洗衣機進(jìn)行衣物清洗工作的主要承擔(dān)者。該系統(tǒng)由：洗衣桶、電動機、波輪、離合器、帶輪和傳動帶等部分構(gòu)成。洗衣機的洗滌系統(tǒng)能夠所處的位置在洗衣機的中部，洗衣桶采取豎直擺放的形式，洗衣桶的下方放有電動機和離合器。當(dāng)洗衣機處于洗滌狀態(tài)時，電動機處于工作狀態(tài)，其旋轉(zhuǎn)方向由控制電路進(jìn)行控制，在傳動帶的帶動之下，離合器也隨之一起旋轉(zhuǎn)。脫水時，離合器因受到電磁鐵牽引器的控制帶動脫水桶進(jìn)行脫水。波輪通過螺絲固定在離合器的波輪軸上，通過離合器和電動機的帶動從而使其產(chǎn)生正、反轉(zhuǎn)。洗衣桶由兩部分組成，分別是盛水桶和脫水桶。盛水桶主要用于盛水，在盛水桶上具有桶圈和溢水管，在支撐裝置的作用下固定在洗衣機的箱體上。脫水桶放置于洗衣機離合器的脫水軸上，為了使脫水工作穩(wěn)定進(jìn)行，其內(nèi)壁上設(shè)有很多的排水孔。本設(shè)計采用的是變頻電機充當(dāng)其發(fā)動機的主要部件，采用變頻電機主要基于其調(diào)速容易并且節(jié)能的優(yōu)點，并于所要使用的變頻器相對應(yīng)。而洗衣機的變速裝置主要由離合器來充當(dāng)，在離合器的作用下，洗衣機能夠在洗滌和脫水功能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行衣物清洗時，波輪會進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)功能的實現(xiàn)取決于電動機帶動離合器的波輪軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在此過程中，為避免脫水軸動作需對其進(jìn)行制動，這需要將牽引電機處于斷電的狀態(tài)，制動桿將制動帶收緊來達(dá)到這一結(jié)果。脫水時，脫水桶需要處于高速旋轉(zhuǎn)來甩去多余水分，其旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)是基于電動機帶動離合器的脫水軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。2.3進(jìn)水系統(tǒng)洗衣機的進(jìn)水系統(tǒng)指的是給洗衣機加水的裝置和相關(guān)的管路系統(tǒng)，其作用是控制進(jìn)入洗衣機的水量從而為接下來的洗滌工作做準(zhǔn)備。洗衣機的進(jìn)水系統(tǒng)可細(xì)分為進(jìn)水電磁閥、水位開關(guān)及外部部件等部分。洗衣機能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)水和停止進(jìn)水兩種功能主要依靠進(jìn)水電磁閥。水位開關(guān)用于檢測水位，進(jìn)水是否停止取決于水位是否達(dá)到預(yù)定位置，在水位到達(dá)預(yù)定位置時，會引起水位開關(guān)的動作從而停止進(jìn)水。2.4排水系統(tǒng)排水系統(tǒng)主要進(jìn)行排水，保證洗衣機在洗好衣服之后，精確地進(jìn)入下一個工序，在洗衣機的工作過程中起著重要作用。該系統(tǒng)置于洗衣機下方，其主要構(gòu)成是排水閥和排水閥牽引器，與排水管進(jìn)行連接，排水閥中還裝有內(nèi)彈簧、橡膠閥等器件。排水系統(tǒng)在控制電路的作用下工作，控制電路輸出控制信號，控制信號通過晶體管觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，此時，牽引器開始工作，在牽引器的動作下，排水閥開始動作。本設(shè)計采用電機牽引式排水系統(tǒng)，其工作原理是通過電機旋轉(zhuǎn)力矩來帶動排水閥的工作。電動機牽引器在線纜的連接下與控制電路板相連，在電路板的作用下，電動機牽引器得到控制，保證其工作狀態(tài)。牽引器停電后，電機內(nèi)部所設(shè)有的齒輪組開始轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動帶動鋼絲線進(jìn)行動作，在鋼絲線的動作下?lián)鯄K也隨之運動。由于排水閥當(dāng)中裝有內(nèi)彈簧，擋塊進(jìn)行移動時，彈簧隨之被拉伸，此時如果滿足內(nèi)彈簧的彈力大于外彈簧的彈力這一條件時，橡膠閥就會與管口分離，從而實現(xiàn)排水。2.5檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)由多個傳感器構(gòu)成，主要用于檢測變量。本文主要針對水溫、水位、渾濁度三個變量進(jìn)行傳感器的選擇。其中，水位傳感器的主要作用是檢測水位。水溫傳感器用于檢測溫度，對衣物進(jìn)行適當(dāng)加熱有利于洗去污漬，達(dá)到洗凈衣物的目的。在洗衣機工作過程當(dāng)中，我們無法直觀地觀察到衣物是否清洗干凈，因此，設(shè)置渾濁度傳感器是很有必要的，有利于檢測出衣物是否清洗干凈從而進(jìn)行下一項操作。2.6保護措施2.6.1過載保護安全電流傳輸容量代表的是線路不會過熱并且允許持續(xù)通過線路的電流量。導(dǎo)線過載就是指通過導(dǎo)線產(chǎn)生的電流超出了安全電流傳輸?shù)娜萘俊Ｒ话闱闆r下,導(dǎo)線在工作過程中溫度不超過是65°c。若溫度高于65°c，則發(fā)生過載狀態(tài),使絕緣體迅速老化,嚴(yán)重時還會使得電路發(fā)生燃燒的情況。導(dǎo)線截面的不當(dāng)選擇是超負(fù)荷的主要原因，會使實際負(fù)荷超過導(dǎo)線正常工作時的安全電流。此外，在線路中接入了過多的大功率設(shè)備也會發(fā)生過載，因為這超過了配電線路的負(fù)載能力。熱繼電器是比較理想的自動過載保護的設(shè)備，在工業(yè)應(yīng)用中一般，都用熱繼電器來做過載保護，本設(shè)計采用熱繼電器進(jìn)行過載保護。2.6.2過流保護過流保護是通過保護器的常閉觸點動作來實現(xiàn)的。要求保護器在主回路不工作和正常工作時執(zhí)行繼電器不動作，在電機啟動和運行故障時動作。這些保護程序適合電腦輸出和邏輯組控制電路、正方向以及反方向運轉(zhuǎn)的電機以及各種主機開關(guān)的接口，以克服使用過程的局限。2.6.3失壓保護當(dāng)因外部原因突然斷電時，處于工作狀態(tài)中的電機會自動切斷電源。這種情況下即使重新供電，電動機也不會自動啟動。這樣就可以避免突然停電時，操作人員忘記切斷電源，導(dǎo)致重新得電后電動機自行啟動，而造成設(shè)備損壞或人身傷亡的事故。其原理就是當(dāng)電源停電或者由于某種原因電源電壓降低過多時，保護裝置可以使電動機自動斷電。接觸器的線圈電流因失電壓或低電壓而產(chǎn)生一定的損失，這種情況下會出現(xiàn)電磁力流失或者電磁力不能夠吸住鐵心的現(xiàn)象。主接點因此而產(chǎn)生分離，電源供給裝置被切斷。當(dāng)電源電壓恢復(fù)時，如不重按啟動鍵，電動機就不會自行轉(zhuǎn)動，避免了事故的發(fā)生。停電時，很多情況下電源開關(guān)都會被忽略而沒有拉開，因此如果直接用刀開關(guān)代替繼電接觸控制，那么當(dāng)電源電壓恢復(fù)后，電機就會自動啟動，從而引發(fā)事故。繼電接觸控制可以防止電機燃燒，保證電動機在電壓過低的情況下不會工作。比如起重機械、風(fēng)機水泵等，既可以保證人身安全和設(shè)備安全，又可以確保能源的利用效率。3全自動洗衣機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計根據(jù)設(shè)計方案，本設(shè)計中所需要使用的硬件包括變頻器、變頻電機、FX2N-48MR型PLC、FX2N-4AD模擬量輸入模塊、水位傳感器、水溫傳感器、渾濁度傳感器以及指示燈等?？偨泳€圖如圖3-1所示。圖3-1控制系統(tǒng)總接線圖3.1PLC本設(shè)計選用的FX2N-48MR型PLC，是基于其以下工作特點：（1）強大的軟硬件功能。其功能十分強大，定時、計算器、寄存器、等內(nèi)部功能非常完善，可以方便地快速實現(xiàn)鎖存、延時、跳轉(zhuǎn)等功能。除了邏輯運算、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及順序控制外，還能夠?qū)崿F(xiàn)模擬顯示、運算和監(jiān)測等功能。（2）抗干擾能力強。在硬件設(shè)計上，為了提高抗干擾性能，在開關(guān)量的輸入和輸出上都采用了光耦器件，這樣的做法使得其內(nèi)部電路與外部電路之間實現(xiàn)了電隔離，這樣由外部的電磁干擾造成的影響就被很好地消除了。另外，在PLC的電源線路和I/O回路當(dāng)中，還采用了多重濾波電路，可以有效降低高頻干擾產(chǎn)生的影響。（3）維修方便，改造簡便。在實際使用過程中，PLC以存儲方式代替現(xiàn)有的接線方式。這樣的方式，大大減少了系統(tǒng)外部的接線，既節(jié)約了接線的時間，也減少了錯誤，使得控制系統(tǒng)能夠在較短的時間內(nèi)完成，維護也更為簡便。圖3-2FX2N-48MR型PLC接線圖如圖3-2，所接電源為220V交流電，使用到了6個輸入點。其中，X000對應(yīng)設(shè)備啟動，X001對應(yīng)設(shè)備停止，X002對應(yīng)變頻故障，X003-X005分別對應(yīng)強力洗、標(biāo)準(zhǔn)洗、柔和洗三種洗衣模式。使用了13個輸出端，使用中間繼電器進(jìn)行繼電保護，傳遞控制電路中的信號。其中，Y000表示設(shè)備運行，Y001代表洗滌劑閥門，Y002表示進(jìn)水，Y003表示加熱、Y004和Y005分別代表正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)洗衣，Y006排水，Y007代表報警提示，Y010-Y013分別對應(yīng)表示不同洗衣模式下，電機的運轉(zhuǎn)速度。Y014代表故障燈。圖3-3FX2N-4AD接線圖因本設(shè)計當(dāng)中需要對溫度、水位以及渾濁度進(jìn)行監(jiān)測，因此，需要使用模擬量輸入模塊，本設(shè)計使用FX2N-4AD作為模擬量輸入模塊，其接線圖如圖3-3所示，它包含4個通道，并且所有的通道都可以進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，其輸入電壓應(yīng)在-10V至+10V之間，轉(zhuǎn)換的速度在6至15毫秒之間。3.2變頻器因為經(jīng)常進(jìn)行改變電機轉(zhuǎn)速以及正反轉(zhuǎn)交替旋轉(zhuǎn)洗衣的現(xiàn)象，在洗滌和脫水的過程當(dāng)中，電機的轉(zhuǎn)速不斷變化。因此需要采取措施使電源的輸出得到一定的控制，來使電機達(dá)到不同的運行效果。本設(shè)計采用的為CDI9200系列變頻器，此變頻器故障保護功能完善，控制面板操作方便，可實現(xiàn)一鍵運行、一鍵停止。變頻器參數(shù)如下表所示：表3-1變頻器主要參數(shù)表輸入電壓380V額定電流1.5~320A功率規(guī)格0.75KW輸入頻率50/60HZ溫度范圍-20~+60℃圖3-4CDI9200變頻器接線圖如圖3-4所示為CDI9200變頻器接線圖，D1-D6為多功能輸入，D7、D8為多功能端子輸入，分別對應(yīng)不同的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。COM和GND分別為I/O信號和模擬信號的公共端子。VF1、VF2功能為模擬輸入電壓/電流模擬輸入電壓為0-10V,模擬輸入電流為0/4-20mA。右側(cè)的T1A、T1B、T1C表示運行中信號，運行時T1A和T1C之間處于斷開狀態(tài)，T1A和T1B之間閉合。T2A、T2B、T2C表示故障指示輸出，當(dāng)發(fā)生故障時，T2A和T2C端子之間斷開，T2A和T2B之間閉合。YO為開集電極輸出，CME為開集電極輸出共同點，P24為數(shù)字信號電源，F(xiàn)M1、FM2功能為頻率輸出。3.3電動機設(shè)計中為與變頻器相對應(yīng)，選擇使用變頻電機，變頻電機的主要參數(shù)如下表：表3-2變頻電機主要參數(shù)表額定電壓380V額定功率180W旋轉(zhuǎn)方向左、右旋轉(zhuǎn)絕緣等級E使用環(huán)境-5~+40℃、濕度不超過85％RH保護環(huán)境-5~+40℃、濕度不超過85％RH變頻電機線路圖如下：圖3-5變頻電機線路圖如圖3-2，變頻電機與變頻器相連，用于控制不同情況下電機的運轉(zhuǎn)，其DI1-DI6端口分別對應(yīng)變頻正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、慢速、中速、高速和超快速狀態(tài)。3.4傳感器選擇為實現(xiàn)設(shè)計方案中對全自動洗衣機當(dāng)中的水位、水溫及渾濁度實現(xiàn)監(jiān)測，選擇使用傳感器來滿足設(shè)計需求。3.4.1水位傳感器洗衣機必須擁有水位檢測功能，水位的檢測必須連續(xù)，考慮到這樣的情況，本設(shè)計采用諧振式水位傳感器。對于水位高低的檢測而言，主要是根據(jù)與洗衣機的洗衣桶內(nèi)側(cè)相連的水壓氣管里空氣壓力的大小來對水位進(jìn)行判斷。水位越高，相對應(yīng)的水壓就會越大，這就導(dǎo)致傳感器當(dāng)中電感線圈的電感量越大，根據(jù)電感與電容的并聯(lián)諧振頻率公式：f=1/2π√LC得出諧振頻率就越小，反之則反。然后通過產(chǎn)生的諧振頻率來判定水位的高低。3.4.2水溫傳感器首先，為了達(dá)到洗滌的目，必須對衣服進(jìn)行加熱。一般來說，洗衣機洗衣服時水溫在4℃～40℃之間，在這個溫度范圍內(nèi)，可以選擇MTS102半導(dǎo)體溫度檢測器，MTS102在此溫度區(qū)間內(nèi)具有良好的線性和溫度敏感性。3.4.3渾濁度傳感器在我們手洗衣服時，我們可以通過眼睛來觀察和判斷衣服是否清洗干凈。而在洗滌桶內(nèi)衣物在不斷翻轉(zhuǎn)，肉眼難以判斷洗凈的程度。這里選用光傳感器來進(jìn)行檢測，檢測的方式是通過檢測洗滌液的透光率，來達(dá)到簡潔檢測衣物渾濁度的目的。需要安裝紅外線發(fā)射管和光電接收管，按照要求，安裝在洗衣機的排水管的兩側(cè)。在洗滌衣物之前，將一定量的清水注入到排水管當(dāng)中，此時光電接收管受光導(dǎo)通，將此時的輸出電壓設(shè)為額定值。開始洗滌后，洗滌液由于污漬擴散而逐漸污濁，電壓隨之下降。電壓過一段時間后傾向于穩(wěn)定的數(shù)值，洗滌過程就此結(jié)束。3.5指示燈指示燈可以被用來顯示洗衣機的工作過程。此設(shè)計使用LED燈作為洗衣機工作過程當(dāng)中的顯示裝置。選用LED是因為其優(yōu)點是：LED耗能低，使用壽命較長，控制十分方便，通過調(diào)整電流的大小就可以對亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)并且不同的光色能夠進(jìn)行多樣的組合，此外，還可以做成各種不同形式的符合需求的產(chǎn)品，顯示形式豐富且顯示質(zhì)量高。4全自動洗衣機軟件設(shè)計根據(jù)設(shè)計方案，本文規(guī)定了全自動洗衣機的控制要求，并作出了其整個運行的流程圖，通過GXWorks2進(jìn)行程序編寫來達(dá)到預(yù)期的控制要求。4.1工作流程洗衣機的洗衣過程為：開始—進(jìn)水—洗衣—脫水—排水—結(jié)束。在對基本的工作流程了解的基礎(chǔ)上對洗衣機的具體功能進(jìn)行設(shè)計，使其在進(jìn)水的過程當(dāng)中對水位進(jìn)行不間斷檢測，在到達(dá)設(shè)定水位后停止進(jìn)水進(jìn)行加熱衣物，然后開始洗滌工作。洗滌時進(jìn)行正反轉(zhuǎn)交替洗衣，并在每次洗衣后檢測渾濁度是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，洗凈衣物后脫水，脫水完成后警報器開始發(fā)出洗衣完成的警報，到達(dá)時間后停止運行。具體流程如圖4-2所示：圖4-1全自動洗衣機工作流程圖具體流程為：啟動洗衣機，此時進(jìn)水閥開始，洗衣機開始進(jìn)水，期間由水位傳感器對水位進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)水位時，進(jìn)水閥關(guān)閉。第一次洗滌開始，此時對衣物進(jìn)行加熱處理，加熱處理完成后，開始洗衣，洗滌方式為正反轉(zhuǎn)洗衣，按照正轉(zhuǎn)洗滌30秒，停頓2秒，反轉(zhuǎn)洗衣30秒，停頓兩秒的方式交替洗衣，每次循環(huán)都對渾濁度進(jìn)行監(jiān)測，渾濁度小于設(shè)定值后，出水閥打開，開始排水，將所有水排空。之后進(jìn)入脫水，脫水工作時間為10秒。洗滌過程一共循環(huán)執(zhí)行3次，3次之后開始報警，達(dá)到設(shè)定時間后報警停止，整個洗衣過程結(jié)束。4.2I/O分配根據(jù)設(shè)計需要，共需要6個數(shù)字量輸入、3個模擬量輸入以及13個數(shù)字量輸出，具體如下表所示：表4-1全自動洗衣機I/O分配表開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出模擬量輸入設(shè)備啟動X000設(shè)備運行中Y000溫度AI0設(shè)備停止X001洗衣劑閥Y001水位AI1變頻故障X002進(jìn)水運行Y002渾濁度AI2選擇強力洗X003加熱運行Y003選擇標(biāo)準(zhǔn)洗X004正轉(zhuǎn)運行Y004選擇柔和洗X005反轉(zhuǎn)運行Y005出水運行Y006報警運行Y007變頻慢速Y010變頻中速Y011變頻快速Y012變頻超快速Y013變頻故障燈Y0144.3梯形圖本設(shè)計使用GXWorks2對全自動洗衣機所要實現(xiàn)的功能進(jìn)行程序的編寫，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)程序編輯、參數(shù)設(shè)定、程序修改、在線調(diào)試及更改等多種功能，滿足設(shè)計的需要。圖4-2全自動洗衣機啟動梯形圖按下X000，此時Y000導(dǎo)通，洗衣機開始啟動。圖4-3添加洗滌劑梯形圖洗衣機運行后，添加洗衣劑的閥門開啟，開始向洗衣機當(dāng)中添加洗滌劑，添加洗滌劑的時間為3秒鐘，3秒時間到，添加洗滌劑的閥門關(guān)閉。圖4-4進(jìn)水、加熱及開始運行梯形圖程序圖4-5進(jìn)水、加熱及開始運行梯形圖程序?qū)λ疁睾蜏囟冗M(jìn)行設(shè)定。設(shè)置完成后，洗衣機開始進(jìn)水，此時水位與設(shè)定水位進(jìn)行比較，當(dāng)水位與設(shè)定水位值相同時，進(jìn)水停止。啟動對衣物的加熱，將加熱過程中的溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)加熱溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時，加熱停止，加熱過程僅在第一次循環(huán)過程當(dāng)中進(jìn)行。兩個步驟完成后，洗衣機準(zhǔn)備進(jìn)入洗滌環(huán)節(jié)。圖4-6正轉(zhuǎn)洗衣梯形圖洗衣機開始進(jìn)行正轉(zhuǎn)洗滌。圖4-7渾濁度設(shè)定及比較梯形圖在洗衣開始前預(yù)先設(shè)定渾濁度的值，洗滌過程中將當(dāng)前渾濁度與之前渾濁度差值和預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。圖4-8洗衣機正轉(zhuǎn)運行梯形圖洗衣機開始正轉(zhuǎn)洗衣，每次正轉(zhuǎn)的時間是30秒，30秒時間到，有2秒鐘的停頓時間。圖4-9洗衣機正轉(zhuǎn)停頓時間及反轉(zhuǎn)梯形圖正轉(zhuǎn)停頓時間為2秒鐘，2秒時間到，進(jìn)入反轉(zhuǎn)洗衣狀態(tài)。圖4-10反轉(zhuǎn)運行梯形圖洗衣機進(jìn)入反轉(zhuǎn)洗衣狀態(tài)，反轉(zhuǎn)洗衣時間為30秒，時間到后，進(jìn)入反轉(zhuǎn)等待狀態(tài)。圖4-11反轉(zhuǎn)停頓時間及渾濁度判定梯形圖反轉(zhuǎn)洗衣時間到后，停頓2秒。在此期間會進(jìn)行渾濁度的比較，若渾濁度大于設(shè)定值或等于設(shè)定值，則再次進(jìn)入正轉(zhuǎn)洗衣過程。圖4-12渾濁度判定梯形圖若渾濁度大于設(shè)定值或等于設(shè)定值，則再次進(jìn)入正轉(zhuǎn)洗衣過程。若渾濁度小于設(shè)定值則開始排水。圖4-13脫水運行梯形圖在脫水過程當(dāng)中，對當(dāng)前水位進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測水位是否到達(dá)低水位，當(dāng)?shù)竭_(dá)低水位后，再次進(jìn)行正轉(zhuǎn)洗衣操作。圖4-14脫水過程梯形圖脫水過程中，洗衣機朝一個方向進(jìn)行運轉(zhuǎn)達(dá)到脫水的目的，脫水時間為15秒鐘。圖4-15脫水過程梯形圖圖4-16脫水過程梯形圖整個洗衣過程的循環(huán)次數(shù)為3次，因此，脫水過程也進(jìn)行3次。當(dāng)脫水次數(shù)達(dá)到3次后，開始報警提示衣物清洗完畢。圖4-17報警系統(tǒng)梯形圖報警提示時間為5秒鐘，5秒后，洗衣過程全部結(jié)束，洗衣機停止運行。5總結(jié)與展望全自動洗衣機的智能化和方便性，使其走進(jìn)千家萬戶，成為不可缺少的家用電器。本文提出的全自動洗衣機的設(shè)計方案，主