全自動洗衣機畢業設計及組態王仿真(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 高、易于操作的全自動洗衣機控制方法，該系統采用 PLC 控制，主要包括電動機正反轉控制、離合器控制、進排水電磁閥控制、循環控制、保護和聯鎖。 研究的具體內容包括： 1. 深入了解洗衣機的發展、結構及控制要求。 2. 控制系統設計。包括硬件設計， PLC的選擇，各硬件模塊的介紹，軟件設計，編程 方法。 3. 對編寫好的編譯程序進行實際調試。 4．用組態王軟件對系統進行仿真。 洛陽理工學院畢業設計（論文） 8 第 2 章 系統硬件設計 全自動洗衣機的原理和構造 全自動洗衣機總體構造 全自動洗衣機在結構上大致可分為 3 中類型，即波輪式，滾筒式和攪拌式。我國的洗衣機在結構上主要有波輪式和滾筒式兩類，產品的類型以波輪式為主，其他類型為輔，外形結構圖如圖 21 所示。 圖 21 全自動洗衣機外形結構圖 洗滌脫水系統 洗滌脫水系統主要由盛水桶，洗滌桶和波輪組成。盛水桶 又稱為外桶，主要用來盛放洗滌液。盛水桶固定在鋼制底板上，通過 4 根吊桿懸掛在洗衣機箱體上。電動機，離合器，排水閥等部件都裝在桶底下面。洗滌桶又稱為脫水桶或者離心桶，也稱為內桶，它的主要功能是用來盛放衣物，在洗滌時配合波輪完成洗滌功能，在脫水時便成為離心式的脫水桶。波輪是全自動洗衣機中對衣物產生機械作用的主要部件。按波輪的形狀來分，基本上有小波輪（直徑在 160mm 左右）的渦卷式水流和大波輪（直徑在 300mm洛陽理工學院畢業設計（論文） 9 左右）新水流兩類。 排水和進水系統 全自動洗衣機的進排水系統都采用了電磁閥控制。為了對桶內的 水位進行檢測和控制，洗衣機上都安裝有水位控制器（水位開關）。全自動套桶洗衣機使用最多的水位開關是空氣壓力式開關，主要有氣壓傳感器裝置，控制裝置及電觸點開關 3 部分組成，用來監視水位的高低。此外電磁閥分進水和排水電磁閥，進水電磁閥是洗衣機上的自動進水開關，它受水位開關動斷觸點的控制。而排水電磁閥是全自動洗衣機上的自動排水裝置，同時還起改變離合器工作狀態。進水、排水電磁閥是采用電流流過線圈形成磁場的原理，洗衣機電磁閥在進，排水時使用， 220V 交流電壓與電磁閥線圈接通，形成磁場，電磁線圈吸合。自動打開閥門，洗衣機里 的水就順著管道流出去了。斷電后，電磁閥線圈失去電流，磁場消失，電磁鐵松開，閥門自動關閉，洗衣機里的水就流不出去了。 電動機及傳動系統 全自動套桶洗衣機的電動機及傳動系統主要由電動機和離合器組成，離合器又有普通離合器和減速離合器兩種。其中普通離合器用在采用小波輪的套桶洗衣機上，這種洗衣機在洗滌或者漂洗時波輪的轉速和脫水時離心桶的轉速相同，目前各種大波輪新水流套桶洗衣機普遍采用減速離合器，它在洗滌，漂洗時波輪的轉速較慢，而脫水時離心桶的轉速較快。電動機同時作為洗滌和脫水時的動力源，普遍采用主，副繞 組完全對稱的電容式電動機。由于一般全自動套桶洗衣機的額定洗滌容量較大，因此電動機的功率較大。 元件選擇 輸入元件選擇 根據要求，可以選擇 4 個按鈕 (SB)作為程序選擇和暫停，選用三個位置開關（ SQ）作為高、中、低水位的輸入。 洛陽理工學院畢業設計（論文） 10 1．按扭（ SB） 按鈕是一種人工控制的主令電器。主要用來發布操作命令，接通或開斷控制電路，控制機械與電氣設備的運行。按鈕的工作原理很簡單，對于常開觸頭 ,在按鈕未被按下前 ,電路是斷開的 ,按下按鈕后 ,常開觸頭被連通 ,電路也被接通；對于常閉觸頭，在按鈕未被按下前，觸頭是 閉合的，按下按鈕后，觸頭被斷開，電路也被分斷。其正好可以作為開啟和停止洗衣機工作的按鈕。 2．位置開關（ SQ） 位置開關，稱限位開關，是一種將機器信號轉換為電氣信號，以控制運動部件位置或行程的自動控制電器。是一種常用的小電流主令開關。在電氣控制系統中，位置開關的作用是實現順序控制、定位控制和位置狀態的檢測。一類為以機械行程直接接觸驅動，作為輸入信號的行程開關和微動開關；另一類為以電磁信號（非接觸式）作為輸入動作信號的接近開關。 輸出元件選擇 1．繼電器（ KM） 電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜 鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。 2．電磁閥（ YV） 電磁閥是用電磁控制的工業設備，用在工業控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。電磁閥可以配合不同的電路來實現預 期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統的不同位置發揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調節閥等。 而在本設計中，可用來控制洗衣機的進水和排水等動作。 洛陽理工學院畢業設計（論文） 11 3．指示燈（ HL） 用來顯示洗衣機的實時工作情況，使用戶一目了然。選用 4 個指示燈分別用作電源指示（表示洗衣機電源已接通，等待選擇以全自動、單排水、單脫水三者中的那種工作方式運行）、全自動運行指示、單排水指示、單脫水指示。對于洗衣機的運行指示選用 24V 的指示燈便可。 電動機的選擇 選用 Y132M4 型異步電動機，相關參數為：額定功率為 、額定電壓為 220V、額定電流為 、額定轉速為 1440rpm（ r/min）功率因素為 、效率為 87%。 由于洗衣機容量為 300kg，其負載轉矩理論上為： ? ? ? ? ? ? ? ?LT F r m g D k g N k g m N m11 3 0 0 9 .8 / 2 1 4 7 044 式中： TL 為負載轉矩， Nm； F 為力， N； r 為圓心到力的有效距離，m；， D 為圓柱的直徑，設為兩米，由于圓柱類物體其重力在數學微積分算得在其半徑的一半處，所以 ?14rD， ? /g N kg ，為重力加速度。 而電動機的輸出轉矩為： ? ? ? ?NN NPT N mn95 50 17 90 .6 輸出轉矩比負載轉矩大， 所示能帶動，同時有一定的余量，是考慮到傳動裝置、摩擦等因素要有一定的阻轉矩。 異步電動機轉速與變頻器頻率關系計算： 同步轉速： ?? ? ?11 6 0 6 0 5 0 15002fN r / m inP 轉差率： ? ? ?? ? ? ?111115 00 14 00 0 041500NN N N 轉速與頻率關系： 洛陽理工學院畢業設計（論文） 12 ? ? ? ? ? ? ?11 1 16 0 6 01 1 0 9 9 9 6 2 9 9 8 82fN N ( S ) ( S ) . f . fp 所以，轉速 N 與頻率 f1 對應關系 如 表 21 所示 。 表 21 頻率與轉速的關系 異步電動機的轉速（ r/min） 40 70 600 800 1200 異步電動機的轉速（ r/min） PLC 的選擇 1. I/O 點數統計 I/O 點數是 PLC 的一項重要指標。合理選擇 I/O 點數既可使系統滿足控制要求，又可使系統總投資最低。考慮到今后的調整和擴充，一般應在估計的總點數上再加上 20%—30%的備用量。該系統有 11 個數字輸入點10 個數字輸出點，具體的輸入輸出 如 表 22 所示 。 表 22 I/O 點數統計表 輸入點 輸出點 啟動按扭 進水電磁閥 停止按扭 排水電磁閥 水位選擇開關（高水位） 洗滌電動機正轉繼電器 水位選擇開關（中水位） 洗滌電動機反轉繼電器 水位選擇開關（低水位） 脫水桶 手動排水開關 報警器 手動脫水開關 運行指示燈 高水位傳感器 高水位指示燈 中水位傳感器 中水位指示燈 低水位傳感器 低水位指示燈 水排空傳感器 洛陽理工學院畢業設計（論文） 13 2. I/O 容量估計 PLC 常用的內存有 EPROM、 EEPROM 和帶鋰電池供電的 RAM。一般微型和小型 PLC 的存儲容量是固定的，介于 1—2KB 之間。用戶應用程序占用多少內存與許多因素有關，如 I/O 點數、控制要求、運算處理量、程序結構等。因此在程序設計之前只能粗略地估算。根據經驗，每個 I/O 點及有關功能元件占用的內存量大致如下： 開關量輸入元件： 10—20B/點 開關量輸出元件： 5—10B/點 定時器 /計數器： 2B/個 模擬量： 100—150B/個 通信接口：一個接口一般需要 300B 以上 根據上面算出的總字節數再考慮增加 25%左右的備用量，就可估算出用戶程序所需的內存容量，從而選擇合適的 PLC 內存。該系統有 11 個數字輸入點 10 個數字輸出點，需內 存 280B，有定時器 6 個，計時器 2 個，需內存 16B，考慮余量后需要內存 370B。 3. CPU 的選擇 PLC 的功能日益強大，一般 PLC 都具有開關量邏輯運算、定時、計數、數據處理等基本功能，有些 PLC 還可擴展各種特殊功能模塊，如通信模塊、位置控制模塊等，選型時可考慮以下幾點：功能與任務相適應， PLC 的處理速度應滿足實時控制的要求、 PLC 結構合理、機型統一、在線編程和離線編程的選擇。該控制系統 CPU 模塊可采用 CPU226（ AC/DC/繼電器）模塊，它可控制整個系統按照控制要求有條不紊地進行。同時由于該模塊采用 交流 220V 供電，并且自帶 14 個數字量輸入點和 10 個數字量輸出點，完全能滿足全自動洗衣機控制系統的要求，所以不再需要另外的電源模塊、數字量和輸出模塊。 I/O 地址分配表 輸入地址分配表 根據系統要求，輸入地址的分配如表 23 所示 。 洛陽理工學院畢業設計（論文） 14 表 23 輸入地址分配表 名稱 符號 地址 啟動按鈕 SB1 停止按鈕 SB2 高水位按鈕 SB3 中水位按鈕 SB4 低水位按鈕 SB5 手動排水開關 ST1 手動脫水開關 ST2 高水位傳感器 ST3 中水位傳感器 ST4 低水位傳感器 SB6 排空檢測開關 SB7 輸出地址分配表 根據系統要求，輸出地址的分配如表 24 所示。 表 24 輸出地址分配表 名稱 符號 地址 進水電磁閥 YV1 排水電磁閥 YV2 洗滌電動機正轉繼電器 KM1 洗滌電動機反轉繼電器 KM2 脫水 KM3 報警 HA 運轉指示燈 HL1 高水位指 示燈 HL2 中水位指示燈 HL3 低水位指示燈 HL3 洛陽理工學院畢業設計（論文） 15 內部元件地址分配表 全制動洗衣機控制時，需用到 PLC 內部的計時器和計數器對其進行過程控制，現對控制中要用到的內部位元件地址分配表歸納如表 25 所示。 表 25 內部地址分配表 定時器 /計時器 對應的作用 T37 進水暫停計時 T38 正洗計時 T39 正洗暫停計時 T40 反轉計時 T41 反轉暫停計時 T42 脫水計時 T43 報警計時 C50 正反洗循環計數 C51 大循環計 數 硬件連線圖 主電路電氣原理圖 圖中 KM1， KM2 代表 2 個繼電器 “正轉 ”、 “反轉 ”，為控制電動機電源方向的兩個繼電器組，它們的線圈分別與 PLC 的輸出端 、 相連，受控于 PLC 的輸出信號。其中正轉組和反轉組是通過變頻器的限制后接入電動機的，因此，改變變頻器參數就可以改變洗滌時的速度。而脫水繼電器組直接與電源和電動機相連，這樣，當洗衣機處于脫水狀態時，電動機按額定轉速工作。其中加入了不少電氣保護元件，如果出現突發情況，如短路、短路等時，可以保護其它電氣元件不會因為突發情況 而損壞，具體主電路電氣原理圖如圖 22 所示。 洛陽理工學院畢業設計（論文） 16 MQ SK M 1F RK M 2L 1L 2L 33 ～F U 圖 22 主電氣原理圖 I/O 外部接線圖 洗衣機要實現衣服的洗滌和脫水，就要通過上述動作來實現，而這些動作可以通過 PLC 控制來實現。同時加上開關和按鈕，數碼管顯示器，蜂鳴報警器和欠電壓檢測保護電路等，就可以形成完整的 PLC 控制系統。通過軟件編程達到對整個洗衣過程進行檢測控制和用戶交互，外部接線圖如圖 23 所示 。 洛陽理工學院畢業設計（論文） 17 I 0 . 0S B 1S B 2S T 1S T 2S T 3S B 3S B 4S T 4S T 5S T 6I 0