基于三菱 PLC的智能洗衣机设计

谭志德 韦烔梅 罗锦婷 陈英源 胡伟志

摘要：本文提出了一种基于三菱PLC作为主控制器的智能工业洗衣机，主要包括设计总体思想、原理的分析、算法运用等内容，详细的介绍设方案设计。本设计选用的PLC是三菱FX2N-32MR型作为主控制器进行对智能洗衣机控制系统的设计，不仅降低了洗衣机的故障率，而且方便维护，最重要的是利用模糊算法使洗衣机在运作的过程中更节能、更智能、更高效。

关键词：三菱PLC；可编程控制器；智能工业洗衣机；模糊算法

1、引言

随着时代的进步，人们越来越依靠机器来协助我们的日常劳动，中国的洗衣机市场正在朝着更节能、智能化的方向发展，拥有着巨大的市场潜力，人们对于洗衣机的洗衣质量要求也越来越高，普通的洗衣机虽然省力、省时，但是对于不同的衣物，以及对洗衣粉和水的量通常都是需要人们来确定的。而且洗的是否干净，我们只有等到洗衣结束才能知晓，因此，我们设计出一种模糊控制洗衣机的控制系统，通过模仿人的思维进行判断下一步操作的一种智能工业洗衣机，模糊控制洗衣机可以根据反馈的信息随时变化，所以进一步的接近了人工智能[1]。

2、设计思路

本设计基于三菱PLC的智能工业洗衣机，其整体结构为滚筒型，主要采用不锈钢制成，内筒平整光滑、耐腐蚀、不易损伤织物，内部主要由一下几个机构组成：进、排水装置，检测装置，脱水装置，电机传动装置，PLC控制系统等。动力部分选用三相异步电动机来提供运转，传送部分由电机通过二级三角胶带传至滚筒主轴带动内胆，驱动内胆进行正反向转动，从而带动水和衣物作不同步运动，使水和衣物得到充分的相互摩擦、搓揉，从而达到洗净的目的，并且运转平稳，不仅振动减小，而且提高了使用寿命[2]。

2.1 自动洗涤流程

将衣物放入洗衣机中→按下“启动”按钮→洗涤指示灯亮→开启进水电磁阀→接收检测装置数据→推理洗涤规则→当水位升到指定水位时关闭进水电磁阀→外筒门上锁(“门闭锁”指示灯亮)→电机启动低速运转→10秒后转中速运行，并按照“正转20秒反转20秒”循环运行设定流程后停止运行→通过检测装置反馈的数值合格→“洗涤”指示灯灭→脱水环节。

2.2 自动脱水流程

以上洗涤流程完毕后延时10秒→“脱水”指示灯亮并打开出水阀→约120秒后关闭电磁阀停止排水→启动电机以高速正转→5分钟后停止运行，→“脱水”指示灯灭→延时5秒后解除外筒门的锁→发出10秒“提示”信号，提醒工作人员取出衣物，结束自动洗衣工作流程[3]。

3 硬件电路的设计

3.1 控制器的选择

因为工业洗衣机的功耗比较大，对电压的要求相对比较高，所以控制器我们采用交流220V的电压，一般情况下根据I/O地址的输入和输出的总点数来选择的可编程控制器（PLC）并留有10%～20%的I/O裕量[4]，而且参照实现的功能来进行选择。综合考虑我们选用了由日本三菱生产的 FX2N-32MR型PLC。

3.2 动力系统的确定

由于工业洗衣机的驱动功率比较大，而且启动转矩大，所以本设计采用三相异步电机提供动力，其型号是Y132M-4；洗涤过程是由三相异步电机中速正反转实现；脱水功能由三相异步电机高速正转实现；因为变频器具有改电压变频率从而调节电机速度的功能，所以选择三菱的E540变频器来进行转速调速，由交流电机的同步转速表达式：

n=60f(1-s)/p=(1-s)n1。

由公式可知，转速n与频率f成正比的关系，所以只要改变频率f,就能改变电动机的同步转速n1，进而调节转速n,因为频率f可以在0~50Hz的范围内做任意调节，所以电机的速度可调范围还是比较大，符合本系统的转速要求。

4 控制系统设计

4.1 浑浊度检测系统

在洗涤的过程中受洗涤液、洗涤方式等因素的影响，被洗衣物的污染程度难以准确的检测出来，对污染性质就更难判定了，运用浑浊度传感器，时刻检测浑浊度和洗涤液的导电率的变化，可根据反馈的数据源改变洗涤时间、漂洗次数，能节省水和电的消耗,进行检测浑浊度时，控制器PLC先控制继电器打开电磁阀，延迟15秒后等待洗衣机内的洗涤液进入排水泵后，控制器PLC控制排水泵，延迟20秒后等待洗涤液流入浑浊度测量槽，等待20秒后，执行洗涤液浑浊度测量。

4.2 模糊PID控制器的设计

模糊PID控制器主要是以操作人员多年的经验来作为控制依据，通过获取该运行系统的状态;再通过模糊推理、模糊判决、解模糊过程后得出了精准控制量来实现对输出量的控制。

组织结构和算法的确定,在本设计中，为了让系统的洗涤质量更进一步提高，我们选用了模糊PID的二维模糊控制器，即以给定的偏差e和偏差变化ec作为输入； , , 作为输出的模糊PID控制器。

其中PID控制部分采用的是离散型PID算法，公式如下。

+ (1)

模糊规则的确定,通过实验，我们观察了 , , 对系统输出特性的影响情况，大致归纳出 , , 的整定规则。

在偏差比较大时，应取 较大， ，同时为防止系统响应出现超调的情况， 值应较小，一般取0；当偏差和变化率为中等大小时，应取 小一点， 取适当的值。 在这一种状态的取值对系统影响比较大，所以 的值取小一点；在偏差变化率较小时， 、 的值要适当的增大，此时 要适当的选取。

5. 结束语

对当前的工业洗衣机研究现状来说，智能洗衣机的研究还有很大的空间和很多未开发的领域，这需要经历长时间的探索和大量的验证；由于本人个人能力有限，所研究设计的只是对工业洗衣机的控制系统和其结构进行优化，增加了其智能化程度和提高了洗衣的质量，在前人研究的基础上改进了一些缺点，对于更加全面和更加智能的方面没能深入的研究。

本项目由2019年校级大学生创新创业项目支持（NO. SJ2019022）

6 参考文献

[1]李志斌,PLC 和变频器在工业洗衣机控制系统中的应用[J].上海:机电与控制应用.2008

[2]陈浩,保和平.洗衣机原理与维修技术郑州[M].河南:河南科学技术出版社，1999

[3]王建民,工业洗衣机节水自动控制系统的研究[J].辽宁:节能.2005

[4]张进秋,陈永利,张中民.可编程控制器原理及应用实例[M].北京.机械工业出版社.2003