基于PLC的洗衣机一次洗涤和一次漂洗控制设计技

    洗衣机是一种作为清洗家居衣物及毛巾等纺织品的机器，是最常用的家用电器之一。按洗衣机额定洗涤容量分为家用和集体用两类。我国规定洗涤容量在6kg以下的属于家用洗衣机。常见的洗衣机分三大类，即滚筒式洗衣机、波轮式洗衣机和搅拌式洗衣机。    普通型波轮洗衣机由洗衣桶、电动机、定时器、传动部件、箱体、箱盖及控制面板等组成。依靠装在洗衣桶底部的波轮正、反旋转，带动衣物上、下、左、右不停地翻转，使衣物之间、衣物与桶壁之间，在水中进行柔和地摩擦，在洗涤剂的作用下实现去污清洗。    机械全自动洗衣机由电动程控器、水位开关、安全开关（盖开关）、排水选择开关、不排水停机开关、储水开关、漂洗选择开关、洗涤选择开关等组成。它通过各种开关组成控制电路，来控制电动机、进水阀、排水电磁铁及蜂鸣器的动作次序，使洗衣机实现程序运转。    不管哪一种、哪一类洗衣机其工作流程大致相同：向洗衣机内注水一水位到位后开始洗涤一按照洗涤方式，洗涤电动机正／反旋转一当洗涤时间到后，进行排水一排完水进行脱水一完成一次洗涤。一般需要进行一次洗涤、二或三次漂洗，才算完成一次洗衣任务。其工作流程如图3-1所示。下面我们以一次洗涤和一次漂洗为例介绍用PLC控制的方法。
    图3-1    洗衣工作流程    一、PLC控制电路的设计    对上面洗衣机工作流程进行分析我们可以知道，洗衣机的工作过程是一个以洗衣筒内“水位”满为条件的时间顺序控制系统。其PLC控制系统应具有的功能如下。    (1)洗涤方式选择。我们在这里只指定有“强”、“中”、“弱”三种方式，用一个按钮进行选择。洗涤的“强／中／弱”就是洗涤电动机单方向旋转时间的长短。其中“强”为50s、“中”为25s、“弱”为10s。    (2)洗涤时间选择。同样只指定有“5min”、“10min”、“15min”三种洗涤时间。由一个按钮进行选择。    (3)脱水时间选择。同样也指定有“1min”、“3min”两种脱水时间。由一个按钮进行选择。    (4)水位满。当该输入点闭合时应关闭进水电磁阀，起动洗涤电动机开始工作。    (5)洗衣机工作按钮。当洗涤方式、洗涤时间和脱水时间都设定完毕后即可按下“工作按钮”，起动洗衣机工作。    (6)进水电磁阀。用来控制洗衣机的进水。    (7)排水电磁阀。用来排除洗衣机筒内的水。    (8)3个洗涤方式指示。分别指示“强”、“中”、“弱”三种洗涤方式。    (9)3个洗涤时间指示。分别指示“5min”、“10 min”、“15 min”三种洗涤时间。    (10)2个脱水时间指示。分别指示“1min”、“3min”两种脱水时间。    (11)电动机正转。电动机正向旋转。    (12)电动机反转。电动机反向旋转。    根据控制系统的功能要求，我们列出了用PLC控制洗衣机应具有的输入、输出点如下。    PLC输入点有：①洗涤方式选择按钮；②洗涤时间选择按钮；③脱水时间选择按钮；④水位满；⑤起动按钮；⑥停止按钮。    PLC输出点有：①进水电磁阀；②排水电磁阀；③3个洗涤方式指示；④3个洗涤时间指示；⑤2个脱水时间指示；⑥电动机正转；⑦电动机反转。    结合SL-FX2N-28MR-4AD-2DA嵌入式增强型PLC，可绘制出控制系统的原理图，如图3-2所示。由于该PLC的输出点只有12点，所以省去了脱水制动、脱水时间选择和指示，将脱水时间恒定为1min。并增加了洗衣完成提示蜂鸣。各点功能见表3-1。    表3-1    洗衣机PLC控制输入、输出各点功能

    图3-2    洗衣机PLC控制原理图    二、应用程序设计    1．梯形图编制    在编制洗衣机PLC控制程序时，由于没有现存的继电器一接触器控制线路，无法从继电器控制电路来演变成PLC控制梯形图。因此我们采取功能图设计法，从基本功能着手、逐步完善的方法。    洗衣机的洗涤和漂洗过程对洗衣机来说，实质上是一个相同的过程。其不同在于洗涤过程中我们在洗衣筒内加了洗衣粉，而漂洗过程则是不加洗衣粉。因此一次洗涤和一次漂洗就是同一洗衣工作流程重复执行两次即可。    从图3-1洗衣工作流程中我们不难得到程序流程图，如图3-3 (a)所示。整个过程可以分为初始化、进水、洗涤、排水、脱水、完成提示六个阶段。其中需要重复进行的有进水、洗涤、排水、脱水四个阶段。开始加水过程的条件是：水位未满，即输入点X03未闭合；我们用辅助继电器M1表示加水步。洗涤过程开始的条件是：水位满，即X03闭合；我们用辅助继电器M2表示洗涤步。排水开始的条件是：洗涤时间到；洗涤时间有时间继电器T100控制。我们用辅助继电器M3表示排水步。脱水过程开始的条件是：排水时间到；排水时间由时间继电器T101控制。我们用辅助继电器M4表示脱水步。脱水时间由时间继电器T102控制。这四个工作步都是在系统起动按钮被按下的条件下才被执行。通过细化我们就不难得到洗衣工作步，如图3-3 (b)所示。
    图3-3    程序流程及洗衣工作步    (a)程序流程；(b)洗衣工作步    由于洗涤方式、洗涤时间、洗涤次数、脱水时间都会因操作人或洗涤物的不同而有所变化，因此我们用一个数据寄存器来存放不同的数值。其中洗涤方式用数据寄存器D0、洗涤时间用数据寄存器D1、脱水时间用数据寄存器D2、洗涤次数用数据寄存器D10。    依照洗衣工作步，选用相应功能的PLC指令，我们就可以进行梯形图程序编制了。    首先我们按照图3-3 (b)洗衣工作步编制一个单一洗涤方式固定洗涤时间的工作流程，即洗涤强度“弱”、洗涤时间固定为5min的“加水”、“洗涤”、“排水”、“脱水”四步，洗涤步骤梯形图如图3-4所示。然后实现两次循环，洗涤结束蜂鸣提示。其梯形图程序如图3-5所示（圈内部分），这部分程序我们在调试中加入。最后实现洗涤方式、洗涤时间的选择功能。这部分程序留给读者思考。图3-6是初始化梯形图程序。初始化工作主要是设定洗涤方式、洗涤时间、脱水时间的默认值。
    图3-4    洗涤步骤梯形图（光盘“实例3-1”中“实例3-1.PMW”）    2．程序的录入    打开存放编程软件的文件夹“FXGPWIN”，找到程序文件“FXGPWIN．EXE”，用鼠标左键双击该文件的图标。在初始界面上点“文件”菜单，在弹出的下拉菜单中选“新文件”；或直接点快捷按钮“新文件”。桌面出现“PLC类型设置”对话框，在对话框中点“FX2N/FX2NC”，使其前面的单选框圆中出现一个黑点。设置完后点“确认”按钮。接着点“文件”下拉菜单，在菜单上选“另存为…”。在“File Save As”对话框中设置好存放文件的驱动器、文件夹和文件名，其中对话框中“驱动器”下的文本框中选驱动器、“文件夹”下的路径框中设定文件夹、“文件名”下面的文本框中输入文件名“xyjkz”（注意，后缀不能改），再点“确定”按钮，把新建的文件另存为“XYJKZ．PMW”，如图3-7所示。
    图3-5    蜂鸣提示梯形图
    图3-6    初始化梯形图    接着在工作空间内，把图3-4和图3-6中的梯形图逐一录入。图3-5的梯形图待在调试中加入。具体步骤如下。    第①步录入初始化梯形图。将鼠标移至元件库中“动合触点”元件上，点击鼠标左键；在弹出的“输入元件”对话框内的文本框中录入“m8002”后点“确认”按钮，如图3-8所示。再点击元件库中“功能块”，在弹出的“输入指令”对话框内的文本框中录入“MOVK250 D0”后点“确认”按钮，如图3-9所示。    第②录入主梯形图。用同样的方法将图3-4的主梯形图录入。录入后的工作空间如图3-10(a)所示。    第③点转换并保存。直接点击工具栏上的“转换”按钮即可。转换后再点“保存”按钮保存文件。转换后的界面如图3-10 (b)所示。注意背景颜色变化。为防止程序丢失，可随时点击“保存”按钮，将文件及时保存。
    图3-7    保存文件
    图3-8    录入m8002动合触点
    图3-9    录入功能指令

    图3-10    梯形图录入    (a)转换前的工作空间；(b)转换后的梯形图    三、安装与调试    1．控制电器选择    图3-2中控制按钮SB1、SB2、SB4和SB5选用KD2型仪表用按钮；指示灯HL1～HL6选用Φ5的发光二极管，颜色分黄、绿、红三种；蜂鸣器HA选用YMD-12095-B，额定电压24V;继电器KJ、KJC、KJCC选用RM24-11/4；进水电磁阀YV1选用FCD-270B型，线圈电源220VAC;排水电磁阀YV2选用ZDC-B1 F50N型DC200V行程16mm。选用的控制电器分别如图3-11所示。
    图3-11    选用的控制电器    (a)发光二极管；(b)按钮；(c)蜂鸣器；(d)进水阀；(e)排水阀；(f)继电器    2．电器安装    按钮、指示灯和蜂鸣器安装在操作面板上，布局如图3-12所示。PLC、继电器等电器安装在一块260mm×260mm底板上，电器元件布局如图3-13所示。电动机、电磁阀等的控制原理如图3-14所示。
    图3-12    操作面板布局    3．控制系统调试    1．程序下载    用通信线将电脑与PLC连接好后，给PLC上电并起动电脑。运行编程软件FXGPWIN，打开先前保存的应用程序文件XYJKZ.PMW（见光盘“实例3-1”中）。打开PLC上的“运行／停止”开关盖板，将开关拨到“停止”位置；用鼠标点下拉菜单“PLC”选“传送”下面的“写出”， 其界面如图3-15 (a)所示。由于我们的程序较短，没有超过200步，因此在“PC程序写入”范围选择对话框中我们选“范围设置”，并把“终止步”设置为“200”，如图3-15 (b)所示，以加快下载速度。设置完后，点“确认”按钮，软件开始向PLC写入程序，如图3-15 (c)所示。
    图3-13    电器元件布局
    图3-14    电动机、电磁阀控制原理


    图3-15    程序下载    (a)选择“写出”； (b)写入范围选择；(c)写入进度提示    2．运行监控    应用程序下载完毕后，把PLC上的“运行／停止”开关拨到“运行”位置；并将编程软件界面转为“监控”状态，如图3-16所示。    按下“起动”按钮，进入“加水”状态，监控界面如图3-16 (b)所示；水位满后，输入触点X3闭合，进入洗涤状态，界面如图3-16 (c)所示；洗涤时间(T100)到后转入排水状态，界面如图3-16 (d)所示；排水时间(T101)到后转入脱水状态，界面如图3-16 (e)所示；脱水时间(T103)到后结束洗涤。    验证了图3-10 (b)的程序正确后，我们再添加实现1次洗涤和1次漂洗，即2次循环的控制程序。添加后别忘记点“转换”并保存。    将修改后的程序重新下载到PLC中，再运行PLC（注意拨动开关位置）。完成2次循环后蜂鸣器鸣叫的状态如图3-17所示。完成洗衣后的状态如图3-18所示。




    图3-16    洗涤过程监控    (a)选择“开始监控” (b)进水状态；(c)洗涤状态；(d)排水状态；(e)脱水状态
    图3-17    蜂鸣器呜叫状态
    图3-18    洗衣完成状态    四、图形图程序解释    图3-19所示为初始化程序。图中左侧动合触点M8002是一个特殊软元件，其功能是在程序开始运行时的第一个扫描周期时接通(ON)。右侧三个都是功能相同的数据传送功能指令，其功能是把十进制数（首字母K表示十进制数，首字母H表示十六进制数）250、3000、600分别送到数据寄存器D0、D1、D2内。图中初始化程序实现的功能是：在程序开始运行时的第一个扫描周期时把十进制数250、3000、600分别送到寄存器D0、D1、D2内。这些数据就是对应洗衣机功能的默认值。
    图3-19    初始化程序    数据传送指令MOV格式为
      功能为：当该功能指令前面串接的常开触点闭合时，将源数据传送到指定的目标中，即[S]→D。其中软元件S可以是K、H、KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z；软元件D可以是KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z。    图3-20所示为起动／停止程序。该梯形图与常规的电动机起动／停止控制相同，只是在该行中串接了蜂鸣时间继电器的动断触点，目的是用来结束洗衣过程。辅助继电器M0是洗衣机的工作状态步，M0吸合洗衣机进入工作状态。
    图3-20    起动／停止程序    图3-21所示为进水控制程序。当洗衣机进入工作状态后，进水电磁阀就吸合进水，直到水满→输入触点X3闭合→辅助继电器M1吸合→M1的动断触点断开→输出继电器Y0释放→进水电磁阀关闭。由于除了洗涤状态步可以向洗衣筒内进水外，其他状态步一概不能进水，因此在输出继电器Y0前串联了这些步的动断触点。这样一旦进入这些状态步，进水阀就不会被开启。
    图3-21    进水控制程序    图3-22    所示为洗涤控制程序。该程序实现“洗涤方式”和“洗涤时间长短”两个功能。洗涤方式实际上是按波轮正转或反转时间的长短来分的。洗涤时间由时间继电器T100来控制，时间的长短由数据寄存器D1中值的大小来决定。因此改变D1中的值的大小就是更改洗涤时间了。而洗涤方式则随数据寄存器D0中的值的大小来变化。该梯形图在上一章“指示灯显示”一节中解析过，这里不再说明。
    图3-22    洗涤控制程序    图3-23所示为排水控制程序。这个梯形图已见过多次，不再说明了。
    图3-23    排水控制程序    图3-24所示为脱水控制程序。这个梯形图也见过多次，不再说明了。
    图3-24    脱水控制程序    图3-25所示为洗涤／漂洗次数控制程序。图中第一行右侧是一个“减1”功能指令，当左侧T102常开触点每闭合一次，右侧数据寄存器Dl0中的值减1。    减1指令DEC格式为
      功能为：当该功能指令前面串接的常开触点闭合时，由D指定的软元件中的值自动减1。若用连续指令，则每个扫描周期减1，即[D]-1→D。其中软元件D可以是KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z。    图中第二行左侧是一个接点相等指令，当数据寄存器中的值等于0时，驱动右侧的继电器M5。    接点相等指令LD=格式为
      功能为：当源软元件S中的值与目标软元件D中的值相等时，驱动右侧的软元件动作。其中软元件S、D可以是K、H、KnY、KnM、KnS、T、C、D、V、Z。
    图3-25    洗涤次数控制程序    图3-26所示为蜂鸣控制程序。这个梯形图已见过多次，不再说明了。
    图3-26    蜂鸣控制程序