毕业设计（论文）-基于PLC控制的洗衣机变频调速.doc

存档日期： 存档编号： 本科生毕业设计（论文）论 文 题 目：基于plc控制的洗衣机变频调速 姓 名： 系 别： 机电工程系 专 业： 电气工程及其自动化 年 级 、 学 号： 12z电气 108320002 指 导 教 师： 江苏师范大学科文学院印制iii摘 要工业洗衣机主要用于学校、宾馆、医院等需要大量洗涤的行业，它具有操作简单、洗涤容量大、高效率的特点.随着变频技术的发展，变频技术已经得到了广泛的应用，在工业洗衣机中，变频技术的应用使得洗衣机的使用更加的方便快捷。本设计建立在已有技术的基础之上，根据自己的理解完成了本次设计。本设计采用西门子s7-200系列plc、三菱fr-a740变频器与旋转编码器相结合来实现闭环回路，从而达到稳定转速的目的。另外采用触摸屏实现可视化操作，解决了plc 的开放性不足的问题。本设计中根据实际的需要设计了8个档位，档位可根据所洗涤物件的多少来进行适当的选择。本设计采用模块化进行设计，有利于各个模块的分析。当然，本设计中仍存在大量的缺陷有待于后期的完善。关键词：工业洗衣机 plc 变频器 变频调速abstract industrial washing machine is mainly used for washing the industry requires a lot of schools, hotels, hospitals, etc., it has a simple, large washing capacity, high efficiency. this design based on the prior art, according to their own understanding of this design completed. the design uses a siemens s7-200 series plc, mitsubishi inverter fr-a740 combines with rotary encoder to achieve closed loop, so as to achieve steady speed purposes. in addition ,the use of touch-screen visualization operations to solve the lack of openness plc problem. the design according to the actual need to design the gear 8, the gear according to the number of the washing object is appropriately selected. this design uses a modular design, each module facilitate analysis. of course, there are still a large number of defects to be perfect the design of the latter. keywords: industrial washing machine plc inverter frequency control 目 录摘 要iabstractii1 引言11.1 工业洗衣机的发展史11.2 工业洗衣机的工作原理12 系统设计22.1 工业洗衣机系统性分析22.2 基于plc控制的变频调速洗衣机的工作原理23 工业洗衣机控制硬件53.1 plc53.2 变频器133.3 旋转编码器163.4 触摸屏193.5 pid控制233.6 电源模块的选择254 工业洗衣机控制的软件系统27总 结32致 谢33参考文献34附 录35江苏师范大学科文学院本科生毕业设计 基于plc控制的洗衣机变频调速1 引言1.1 工业洗衣机的发展史工业洗衣机是指应用于酒店、学校、医院、宾馆、工厂等洗涤量大的场所。工业洗衣机的广泛应用不仅增加了洗涤数量，而且还提高了洗涤效率。1874年，美国发明人比尔.布莱克斯发明了拇指手摇式洗衣机，这是史上最早的洗衣机。“手洗时代”因他的发明遭遇了前所未有的挑战。布莱克斯的洗衣机是通过在木桶里安装6个叶片，利用手柄和齿轮转动，使衣服在桶内翻滚，来达到洗净衣物的目的的1。手摇式洗衣机的问世使当时的许多人士受到启发，1880年美国人又发明了蒸汽洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。之后，水利洗衣机、内燃机洗衣机相继问世。第一台电动洗衣机在1911年问世，这标志着人类教务劳动自动化的开端。玛依塔格公司研制的搅拌式洗衣机于1922年问世，他们通过在洗衣机的桶中心装上一个立轴，在立轴的下端装设搅拌翼，立轴通过电动机带动进行周期性正反摆动，使水流与衣物不断地翻滚、摩擦，一次性洗涤污垢。1932年美国本德克航空公司研制出第一台前装式滚筒洗衣机。滚筒洗衣机的出现使电动洗衣机在形式上跃进了一个新的台阶2。带干桶的双桶洗衣机即“半自动型洗衣机”于20世纪60年代出现在日本，70年代后期微电脑控制的全自动洗衣机横空出世，这使人耳目一新。到80年代，模糊控制的应用使得洗衣机操作更加的简单，随着程序的不断完善，功能也越来越尽如人意。到了90年代，随着电机调速技术的发展与提高，洗衣机实现了宽范围转速变换与调节。1.2 工业洗衣机的工作原理洗衣机的电机是通过皮带进行连接到内胆，通过时序控制器使电机进行正反运行，从而带动衣物转动。由于水和衣物不同步，故在水和衣物、衣物和内壁、衣物和衣物之间等相互摩擦，从而达到和人在洗衣服时对衣物揉搓除污一样的效果。2 系统设计2.1 工业洗衣机系统性分析随着科学技术的发展，自动化技术成为了技术领域的宠儿。越来越多的自动化设备进入人们 的世界，代替人们复杂的、耗费体力的劳动。自动化技术在工业中的广泛应用，不仅使产品的使用者感觉到方便，也为生产者带了巨大的利润。工业洗衣机的自动化，无疑为医院、学校、酒店等需要洗涤大量物品的需求者带来了福音。随着变频技术的发展，变频调速又将工业洗衣机带向另一个高度。那么什么是自动化，如何实现工业洗衣机的自动化，这就是我们所研究的课题。所谓自动化就是指在没有人参与或很少参与的情况下机器设备或者系统能够按照人们要求，经过信息采集、处理、分析判断、执行等一系列过程自动运行，从而实现预期的目标的过程。本次设计的工业洗衣机的自动化就是指，可根据衣物的多少来实现转速调节。要想实现转速调节，根据三相异步电机的调速原理，我们可以通过变频调速、变转差率调速、变极对数调速来实现，但是在实际应用中，介于变转差率与变极对数调速的复杂性、成本的高低等因素，工业生产中通常使用变频调速3。要实现变频调速，那么就需要变频器，根据变频器的特性，我们就需要输入与反馈信号，输入和反馈信号就需要由单片机或plc来输出，为了操作的简单性一般单片机或plc还需外接一个触摸屏。要想实现洗衣机的自动化那么整个系统就必须实现闭环，将输出的转速送至plc或者是单片机。如何测量出输出的转速那，那就需要使用旋转编码器。经上述分析，我们可以确定工业洗衣机的变频调速系统可由：触摸屏、plc或者单片机、变频器、旋转编码器组成。2.2 基于plc控制的变频调速洗衣机的工作原理在控制环节，我们使用plc来实现。那么下面让我们来看一下基于plc控制的变频洗衣机的调速原理。首先通过触摸屏启动plc以及变频器，电机开始按初设设置进行旋转。根据衣物的多少输入转速，输入值经传输线送至plc，经plc内部程序换算，从模拟量输出端输出010v电压到变频器的输入端2、5；实际的转速经旋转编码器测速输入plc的高速计数器，经计算可以得出转速，经模拟输出模块输出420ma的反馈电流，反馈电流送入变频器的4、5端，在变频器中进行pid输出所需频率。其结构框图如图2-1所示。图2-1 plc控制的变频调速系统框图1.根据洗衣机的洗涤过程我们可将本次设计洗涤流程分为以下几步：（1）分别按下启动按钮；（2）进水阀打开开始进水，水位升到到一定高度，高水位水位传感器动作（水位传感器又称为压力开关或水位开关，通过一个比较细的水管直接接入洗涤桶，通过进入桶内的水形成的压力，当压力达到一定状态后，水位传感器内的弹簧片弹起，断开进水阀，使其不再进水，同时接通电源）关闭进水阀，启动洗涤；（3）正转10s后暂停3s，反转10s后，暂停3s。与此同时旋转编码器进行测速反馈到plc经过内部程序实现稳定输出；（4）重复（3）动作10次，暂停洗涤，打开排水阀排水；（5）当低水位检测器检测到信号时关闭排水阀；（6）重复（2）、（3）、（4）、（5）4次，启动脱水正转转速；（7）经时间60s后发出报警信号持续3s；（8）3s过后停止运行。流程图如图2-2所示。图2-2 洗衣机流程图3 工业洗衣机控制硬件3.1 plc 在自动化控制系统中自动化设备都需要具备足够的动力、能够完成预定的工作目标、能够自动化完成完整的工作过程，plc作为一种集成度高、功能控制性能强的电器产品，被广泛的应用于自动化控制系统中。3.1.1 西门子plc简介 西门子公司的主要产品是s5、s7系列。s7系列是在s5系列的基础上推出的新产品。其中s7-200s属于微型plc、s7-300属于中小型plc、s7-400属于中高性能的plc4。西门子公司的plc的用户控制采用通过组合各种程序模块构成的模块化形式的程序结构，在这种模块化的程序结构中各模块相对独立。由于其具有控制目标规模小，易于编程，方便实现标准化的特点，使其在程序修改过程中十分方便。其工作原理也是内部处理阶段、通信处理阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段5个阶段的周期循环的工作过程4。s7系列的产品的程序是主要使用setp7-micro/winv4.0进行程序编写的，由组织模块、程序模块、功能模块和数据模块等组成程序的程序块。组织块由plc直接调用，用于控制循环程序与中断驱动程序运行，缺少组织块，用户程序无法运行，组织块相当于主程序。程序块是有设计者自己编写的，对设备进行具体的控制，这种程序块可被组织块多次调用，它也可调用其它程序块。功能块是具有特定功能的程序块，也是由编程人员编写的，用于反复调用或完成复杂的功能，相当于子程序块。数据块完全是由数据决定的，由于在程序中存储和传输数据。西门子s7-200系列的plc的产品提供了4中不同的基本型号，它们分别是cpu221、cpu222、cpu224和cpu226。.西门子s7-200系列的plc的扩展模块可分为数字扩展模块、模拟扩展模块。数字扩展模块有em221、en222、em222（继电器型）、em223，模拟扩展模块有em231、em232、em235。本次设计所使用的是cpu226可扩展7个模块，使用的扩展模块是em2355。3.1.2 扩展模块em235下面让我们介绍一下模拟量i/o扩展口em235。em235是4路模拟量输入2路模拟量输出（实际的物理端子数为4输入，1输出）技术指标如表3-1所示。表3-1 em235技术指标技术指标em235尺寸（宽高长）71.28062mm质量（g）186技术指标em235功耗（w）2电源要求+5v dc30ma+24v dc60ma(带输出20ma)led显示24v dc状态 亮：无故障 灭：无24v dc电源输入类型差分输入隔离无输入电流范围420ma最大输入电压30va/d转换时间250us模拟量输入相应1.5ms电压输出范围10vem235是最常使用的模拟量扩展模块，图3-2是模拟量扩展模块的接线方法。按正负极的形式将电压信号接入，对于电流信号则是通过rx和x+短接后接入电流的输入信号；未连接传感器的通常要短接。 图3-2 em235扩展模块的接线方式em235通过将plc传送过来的数据通过下列公式（3-1）的转换，从输出端口输出010v电压或者420ma的反馈电流5。当标准信号时a0am（如420ma）a/d转换后的数值为d0dm（如64003200），假设模拟量的标准电信号是a，a/d转换后的是d,由于存在线性关系。 （3-1）根据方程式就可以计算出a。本次设计根据触摸屏输入转速，假设为960r/min的信号转换成为变频器的给定值，其转换过程如图3-3所示。 图3-3 模拟量转速转换成数字量根据比例图可得，则960r/min所对应的数字量就是30000再根据图3-4可得出给定电压值。 图3-4 数字量转换成模拟量根据比例关系可得，根据上式计算得到的数字量30000，我们就可以得到转换后的模拟量即电压信号为u=9.375v。当输入的转速在64960r/min之间时，模拟块输出的电压范围为0.625v09.375v，同理我们可以计算出反馈电流值的范围为519ma。3.1.2 高速计数器在机械转速测量、皮带位移测量等机械位置测量与机械传动的过程中经常使用旋转编码器来检测，旋转编码器发出的是脉冲信号，可根据脉冲数量来计算转速、位移等量。在plc中有一般计数器和高速计数器两种，两者均可对脉冲进行计数，但是两者的计数频率不同。一般计数器其工作频率不仅与输入点的应用有关，还与plc程序的扫描周期有关。当输入信号周期短于扫描周期时，就会出现信息丢失的现象6。因此一般计数器只适用于输入信号周期比扫描周期长的信号。当出现比扫描周期短的短信号时，我们就使用高速计数器。所谓高速计数器就是是指脱离主机扫描周期独立计数的计数器，。高速计数器的输入脉冲频率比plc扫描信号高的多，其输入信号频率可达30khz，因此它不会像一般计数器一样丢失脉冲信号。不同型号的plc主机高速计数器的数量也是不同，比如说使用的cpu221和cpu222有4个，它们是hsc3hsc5,而cpu224和cpu226就有6个，它们分别是hsc0hsc57。本次设计中使用的是cpu226因此有6个高速计数器，我们使用的是hsc1， hsc1的工作模式及输入点如表3-5所示。通过hdef可以设置高速计数器的工作模式，梯形图如图3-6所示。hsc为高速计数器编码，属于字节型常量，范围是05；mode为工作模式，是字节型常量，范围是011；en是输入有效值，为高速计数器分配的一种工作模式，用来建立高速计数器与工作模式之间的联系8。这是每个高速计数器使用之前必须使用的一个指令，而且只能使用一次。对一个高速计数器hdef只执行一次，使用首次扫描存储位sm0.1，在第一个扫描周期内调用包含hdef指令的子程序来定义高速计数器模式。表3-5 hsc1的工作模式及输入点工作模式说明输入点i0.6i0.7i1.0i1.10具有内部方向控制的单相增/减计数器sm47.3=0 sm47.3=1计数启动1复位23具有外部方向控的单相增/减计数器i0.7=0 i0.7=1计数方向4复位5启动6具有增减计数输入的两相计数器计数（增）计数（减）7复位8启动9a/b相正交计数a相超前b相90，顺时方向旋转；b相超前a相90，逆时针方向旋转计数相（a）计数相(b)10复位11启动图3-6 高速计数器定义指令下面让我们看一下高速计数器的设定。高速计数器hsc0hsc5分别通过smb37、smb47、smb57、smb147的第三位来设定复位与启动输入的有效电平及1倍或4倍速计数方式。表3-7为计数频率为4倍脉冲的复位与启动输入信号控制位9。高速计数器分别使用smb37、smb47、smb57、smb57、smb147的高5位作为控制位，高速计数器hsc1的控制位如表3-8所示。表3-7 计数频率为4倍脉冲的复位与启动输入信号控制位hsc0hsc1hsc2hsc4功能描述sm37.0sm47.0sm57.0sm147.0复位信号有效电平控制位0：复位高电平有效1：复位低电平有效sm47.1sm57.1启动有效控制位0：复位高电平有效1：复位低电平有效smb37.2sm47.2sm57.2sm147.2正交计数器计数速率选择0:4计数脉冲频率1:1计数脉冲频率表3-8 高速计数器hsc1的控制位hsc1 功能描述sm473.计数方向控制0：减计数 1：增计数sm47.4向hsc中写入计数方向0：不更新 1：更新计数方向sm47.5向hsc中写入预置值0：不更新 1：更新初始值sm47.6向hsc中写入新的初始值0：不更新 1：更新初始值sm47.7hsc允许 0：禁止hsc 1：允许hsc每个高速计数器都有一个32位的初始值和一个32位的预置值，初始值和预置值都是符号整数，其存储器的安放地址表3-9所示。在执行hdef指令之前一定要根据需要进行控制位的设定，否则计数器对计数模块选择缺省设置，故在初始化程序中一定要使用mov指令对控制字节设定。如图3-10所示。表3-9 初始值和预置值的存储器要装入的值hsc0hsc1hsc2hsc3hsc4hsc5初始值smd38smd48smd58smd138smd148smd158预置值smd42smd52smd62smd142smd152smd162图3-10 控制字节设定将初始值和预置值写入存储器可用mov指令中的双字节指令。赋值如图3-11所示。图3-11 初始值和预设值的设置在控制程序中除了初始值和预设值、控制字节外，高速计数器还要依靠当前值来进行程序的计算，本设计就是用到了此点。高速计数器的当前值是只读数据，可以用读的操作直接访问，数据长度为双字节即32位，赋值如图3-12所示。 图3-12 读高速计数器的当前值当然在高速计数器工作的过程中会出现中断，在cpu226中有34个中断事件，其中14个和高速计数器有关10。这些中断可分为3类：当前值等于预置值中断、外部复位中断、改变计数方向中断。除了模式0,1,2之外所有的高速计数器均具有计数方向中断。中断事件号如图3-13所示。表3-13 hsc中断中断事件号中断描述中断事件号中断描述12hsc0 cv=pv27hsc0计数器方向改变13hsc1 cv=pv28hsc0外部复位14hsc1计数器方向改变29hsc4 cv=pv15hsc1外部复位30hsc4计数器方向改变16hsc2 cv=pv31hsc4外部复位17hsc2计数器方向改变32hsc43cv=pv18hsc2外部复位33hsc5 cv=pv中断梯形图如图3-14所示。图3-14 高速计数器中断梯形图通过上述设置后，使用高速计数器指令（hsc），配置、激活控制高速计数器，使用指令如图3-15所示，n指定高速计数器号。图3-15 激活高速计数器综上所述高速计数器的初始化程序包括工作模式、初始值预置值、中断响应、激活高速计数器的设置，初始值设定结束后需要调用初始化，那么就使用到了初始化调用程序如图3-16所示。 图3-16 初始化子程序的调用 高速计数器的在测速系统中占有重要的地位，若想正确使用则需根据上述的部分参数表进行设定。若想进一步了解高速计数器的使用请自行查阅资料。3.2 变频器3.2.1 变频器概述对变频器的描述有很多，从工业应用的角度来说变频器就是指把工频交流电（或直流电）变换为电压和频率可变的、可根据需要进行控制的电气设备12。变频器以能够节能、提高产品的质量和劳动生产率的特点被广泛的应用于机械、自动化控制、电力、电子、城市供水等领域。3.2.2 变频器的工作原理以三菱fr-a740变频器变频器为例来分析变频器的原理。根据使用方式对变频器进行初始化设置当给定值经2、5端口输入到变频器内部，反馈电流经4、5端输入到变频器中，两者的输入值经pid调节稳定输出所需频率。另外一种则是通过plc控制的端口，根据变频器内部设置频率来实现多速度调速13。变频器的设置在3.2.4三菱fr-a740变频器中介绍。3.2.3 变频器的选择原则在选择变频器时，应考虑以下三个方面：（1）变频器的容量控制一般变频器的容量控制可由电动机的容量一栏中的参数来选择，除此之外还要更根据异步电机的额定电流来进行选择，一般情况下变频器的额定输出电流应略大于异步电机的额定电流，尤其是经常性过载的电动机两者大的差值应该更大1。另外还要考虑电机的启动、加/减速、电机的数目以及负载情况等14。（2）选择变频器的类型变频器可分为三大类：通用型变频器、高性能变频器、专用型变频器。a.通用型变频器 也被称为简易变频器，所谓简易就是指没有矢量控制功能的变频器。b.高性能变频器 是指有矢量控制功能的变频器，高性能变频器主要应用于轧钢、造纸、塑料等对动态性能要求较高的生产机械设备中。c.专用变频器 根据某种类型的机械负载而设计的变频器称为专用变频器。如电梯、起重机、水泵、风机等。用户根据实际的电源输入、适合于plc连接方式选择变频器。另外，根据工作环境的不同，选择的变频器也不同，如考虑在电力电网供电和降低供电电流以交直交型的变频器最佳，在向特殊用户提供直流电源时，可采用直交型的直流电源供电的变频器。（3）性价比和售后服务 性价比主要从三个方面：a.从品牌之间形成的价格、性能方面差距评估；b.在高性能变频器与通用型变频器之间进行比较选择；c.在品质与价格之间评估。 售后服务：这主要是看服务及服务代理机构的设置，技术范围、零件的配置是否齐全、三保的范围和期限、公司技术能力和诚信等方面进行评估。3.2.4 三菱fr-a740变频器三菱fr-a740变频器是三菱公司生产的新一代具有高性能重负载的、拥有最高水准的驱动性能变频器15。其接口如图3-17所示。表3-18 变频器的输入端口说明接点端子号端子名端子号端子名stf正转启动rt第二加/减速时间选择str反转启动mrs输出停止stop自起保护选择res复位rh、rm、rl多段选择au电流输入选择jog电动模式选择cs瞬时停电在启动选择sd公共输入端（漏型）模拟频率设定模拟量输入10e频率设定电源5频率设定公共端101辅助频率设定24频率设定（电流）变频器的输入端口说明如表3-18所示，输出端口如表3-19所示。 图3-17 三菱fr-a740变频器接口表3-19 输出端口说明集电极开路端子号端子名端子号端子名uvw输出端su频率到达abc异常输出端ol过负荷保护run变频器运行ipf瞬时停电fu频率检测fm指示仪表用se集电极开路公共端am模拟信号输出 变频器在使用时需要对端口进行设定，变频器的设置是通过变频器的操作面板进行设定。设定的参数如表3-20所示。变频器的pid参数可以进行计算也可以进行现场整定，但在工业中经常使用现场整定的方法来进行。表3-20 变频器的设置参数号出厂设定设置范围设置pr.1(上限频率)120hz0120hz100hzpr.2（下限频率）0hz0120hz0hzpr.14(适用负荷选择0：恒转矩负载1：变转矩负载2：提升类负载3：提升类负载 1pr.17(mrs输入选择)00、22pr.81(电动机极数)99994pr.128（选择pid控制）1020pr.129（pid比例常数）100%0.1100%、9999120%pr.130（pid积分时间）99990.1360s、999910spr.134（pid微分时间）99990.0110s、99990pr.249990400hz10 hzpr.259990400hz20 hzpr.269990400hz34 hzpr.279990400hz37.5 hzpr.232999 0400hz41 hzpr.2339990400hz45 hzpr.2349990400hz48 hz3.3 旋转编码器旋转编码器是用来检测转速或者转角的元件，旋转编码器与电机相连接，是最常见的一种plc高速计数器专用计数器输入设备及直接竖直输入设备。旋转编码器可分为增量式旋转编码器和绝对式旋转编码器两种，它们一般用于被控装置上的距离、角位移，转速、线速度等反馈值得采集16。我们通过接收器接收表示角度的二进制数码或者循环码送入计算机来完成绝对式编码器功能17。绝对式编码器常被用来检测转角，对转角进行微分，就可得到我们需要的转速信息2。增量型旋转编码器又称为脉冲盘式数字传感器如图3-21所示。图3-21 增量型旋转编码器结构图基本是由光源、码盘、光电元件三部分组成，结构如图3-22所示。 图3-22 结构图脉冲盘式数字传感器之所以被称之为脉冲盘式数字传感器，是因为在它的码盘上均匀刻着一定数量的光栅，当电机旋转时码盘随着一起转动，通过光栅的作用不断地关闭或者开放光通道。在接受装置的输出端得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，通过方波脉冲序列就可以计算转速。当需要判断正反转时，就需增加两对发光和接受装置，让两对发光和接受装置错开光栅节距的1/4,那么两组脉冲序列a和序列b相位就会产生相差90的相位差。然后根据a相是超前还是滞后b相来判断是正转还是反转。当a相超前b相时，电机正转；当b超前a相时，电机反转。再根据这个判定进行逻辑处理，分别加/减计数各自的脉冲，然后送入高速计数脉冲。采用旋转编码器进行的数字测速方法有三种：m法、t法、m/t法。下面我们介绍一下m法19。m测速法是指在一定的时间内测量出输出脉冲的个数,用以计算这段时间内的转速。我们将除以就可以得到旋转编码器的输出脉冲频率公式，所以m测速法又称为频率法。要想得到单位时间内电动机的转速，我们要除以z，但在习惯上是以s为单位的，而转速是以r/min为单位的，经过变换我们可得到（3-2）。 （3-2）z-电动机每转一圈共产生脉冲个数，倍频系数我们一般情况下取4。-采样周期根据香浓采样定理，实际的转速最大值为960r/min ，根据公式，我们使用的电源的最大频率50hz（实际使用的约48hz），那么我们的最大采样时间就为10ms，再将数值带入公式（3-2），我们可以得到由于z和是常数，故转速n和计数值成正比，这也是此测速法被称为m测速法的原因。在测速中衡量方法对被测转速变化的分辨率能力的叫做分辨率，我们用计数前后转速变化量之差来表示，符号用q。那么我们可得到公式（3-3）。 （3-3）-计数值增加前-计数值增加后当计数值增加一次时即计数值由变为+1，使用(3-2)分别求得转速，代入公式（3-4）可得 （3-4）可见，m测速法的分辨率与实际的转速的大小无关。所以我们要想提高分辨率，必须增加z或者。但是在实际的生活中，两者都受到了限制增大旋转编码器的脉冲数受到旋转编码器制造能力的限制；根据采样频率，采样周期是控制对象的时间常数的1/51/10,又不能够无限制的加大采样周期。旋转编码器的输出接口与plc的接口位置是由选择的高速计数器的计数模式决定的，高速计数器的选择接口如下图所示：图3-23 高速计数器输入/输出脉冲模式描述输入点/输入脉冲hsc0i0.0i0.1i0.2hsc1i0.6i0.7i0.2i1.1hsc2i1.2i1.3i1.1i1.2hsc3i0.1hsc4i0.3i0.4i0.5hsc5i0.40带内部计数方向控制的单向计数器计数脉冲1复位2复位启动3带外部方向控制的单向计数器4复位5复位启动6带有加/减计数脉冲的双向计数器增计数脉冲减计数脉冲7复位8复位启动9a/b正交计数器计数脉冲a变相脉冲b10复位11复位启动当我们选择高速计数器的在hsc1的模式10工作的时候，我们就需连接i0.6、i0.7、i1.0、i1.1。这次系统设计的旋转编码器我们选择了无锡光洋电子公司的trd-s/sh系列的旋转编码器其分辨率可达2500p/r（脉冲/转），它的价格低廉可降低系统的成本。3.4 触摸屏触摸屏是plc控制系统不可或缺的人机对话设备，它一改plc控制系统开放性不足的缺点，使系统运行时人机对话/监控的目的得以解决。触摸屏与plc连接简单，通信方便，有利于用户的二次开发。3.4.1 触摸屏的组成原理与分类触摸屏（gp）是一种人机界面，用来显示工业图形，也称为hmi(human machine interface)或mmi（man machine interface）19。当手或者使用其它物体触摸安装在显示器上的触摸屏时，控制器监测所摸的位置。当需要屏显信息时，信息可按相反的路径返回，显示在屏前的相关坐标位置。触摸屏内部结构组成如图（3-24）所示。触摸屏系统由触摸屏控制器和触摸屏监测装置两部分组成：图3-24 触摸屏内部结构触摸屏控制器是用来监测触摸点装置上的信息，采集信息后并将它们转换成触点在屏幕上的坐标后送至cpu，能够在触摸屏上同时接收并执行的较为负载的系统。触摸屏监测装置一般安装在显示屏的前端，主要的用来检测用户的触摸位置，并且将信息发送至触摸屏控制器。按照其工作原理的不同，可将触摸屏分为电阻感应式触摸屏、电容感应式触摸屏、红外式触摸屏和表面声波触摸屏等几种。电阻感应式触摸屏：电阻感应式触摸屏是紧贴计算机屏幕的由电阻感应组件组成的薄膜，表面一层是塑胶，底层是玻璃。当有压力作用于某一点上时，该被作用点的电阻值将发生变化，从而可以判断触摸点的位置。电阻式感应式触摸屏的响应速率一般在1020ms之间；其分辨率根据信号处理的精度，最高可达10241024，但在实际的应用中，由于电阻膜受环境的影响以及使用中压力的限制，精度达不到那么高。由于其价格低廉，加工方便仍被广泛的应用。电阻感应式触摸屏手感和透气性较差，因此适合应用于佩戴手套和不直接触控的场合；电容式触摸屏：电容式触摸屏是在玻璃的表面贴了一层透明的特殊金属物质构成的，是一层电容感应组件组成的薄膜。它紧贴在屏幕上，当有压力作用于某点时，该点的电容感应组件组的容值将发生变化，根据变化可以判断出该点的位置。但是电容感应式触摸屏会发生漂移，是由于电容随温度、湿度或接地情况不同而变化，因此其稳定性较差。这种触摸屏的分辨率较高，适合于系统开发调试阶段；红外式触摸屏：红外式触摸屏是由装在触摸屏外框上的红外线发射与接收感测组件构成的，类似一个长方形矿框，可以固定在计算机的显示器上的。红外式触摸屏通过红外发射和接收装置发射水平和垂直光，在屏幕上形成一个红外探测网。当方框中没有物体时，由发射端发出的红外线可全部到达接收端，当有物体如手指、铅笔等指向屏幕时，则将红外线阻隔，使红外线不能到达接收端，这时在垂直和水平接收端就不能接收红外线。其主要的优点就是价格便宜安装方便，不需要控制器或者其它控制器，应用范围广。由于这种红外式触摸屏没有电容的充放电过程，所以响应速度也比电容式快，但是分辨率较低。另外，由于红外式触摸屏不受电流、电压、静电的干扰，故可在恶劣的环境下使用；表面声波感应式触摸屏：表面声波感应式触摸屏是一种比较新颖的触摸屏，是一个贴在计算机屏幕上的薄膜。能过沿介质表面传播的机械波是表面声波，这种感应式触摸屏在触摸屏的角上安装了超声波换能器，能发送一种跨越屏幕表面的高频率声波。当手指触摸屏幕时，触电的声波就会被阻止，这和红外式触摸屏有些相似，由此我们可以确定出坐标位置。表面声波感应式触摸屏分辨率极高，寿命长，透光率高，能保持清晰透明的图像质量；不受温度、湿度等环境的影响，没有漂移现象；只需安装时校验一次，最适合用于公共场所使用20。3.4.2 触摸屏的工作原理在工业控制中，电阻感应式触摸屏的价格使得它被广泛应用于自动化控制的场合。下面我们就以电阻感应式为例来介绍一下触摸屏的工作原理。电阻感应式触摸屏的屏体部分是一块由多层复合薄膜构成的，并与显示器表面紧密配合，由一层玻璃或有机玻璃构成基础，基础层表面涂有一层透电层，并且上面盖有一层处理膜其外表硬化，它的内表面也涂有一层透明的ito氧化物导电层，在两层导电层之间通过许多细小的透明隔离点把它们隔开并绝缘。当用手指触摸屏幕时，相互绝缘的两层导电层就在触摸点的位置有了一个接触，从其中一面导电层接通x轴方向的电源，使控制器侦测到侦测层电压由0变为非0的信号。控制器首先将模拟电压值进行a/d转换，然后传送给计算机，计算机再将检测到的电压值与电压源电压值比较，即可得到触摸点的x轴坐标，同理得出y轴的坐标。这就是所有电阻感应式触摸屏共有的最基本原理。其等效图如下图3-25所示。图3-25 电阻触摸屏的等效电路原理图3.4.3 触摸屏与plc的通信在触摸屏系统内部有强进的通信软件使之具有直接直接连接、多对一连接和存储器连接三种通讯方式。触摸屏上的sio接口可以设置成rs-232或者rs-422,。与plc连接时，一般情况下使用串行通信接口进行数据的传输。因为在该方式下，触摸屏的输入的要求可以直接读入plc或者直接写入plc，这种通信无需编制专门的通信程序，能够自动地进行数据的传输，实现与plc内部地址的一对一交换。多对一的连接是指一台plc下连接不超过16个触摸屏的通行方式16。存储器连接方式是指触摸屏与计算机，单片机等没有对应的通信协议的时候使用的通信方式18。使用串行通信协议rs-232建立plc与触摸屏的联机通信时，连接线与plc连接。在这种连接方式下，触摸屏占控制通信的主导地位，控制通信的读和写。根据实际需要我们选择西门子tp270-6触摸屏，其参表如表3-26所示。在系统运行的过程中，我们可以通过触摸屏来进行对系统的控制，图3-27所示的为本次设计所使用的人机界面.表3-26 tp270-6触摸屏型号参数规格tp270 6英寸显示彩色stn液晶显示（lcd） stn:超扭曲向列型液晶显示屏尺寸（宽高）5.7/11586分辨率320240/256色键盘、鼠标、读码器usb处理器64-bit risc cpu操作系统microsoft windows ce3.0串行接口rs-232/rs-422/rs-485/rs-232连接至控制接口simatic s7（mpi），simatic 505（nitp），allen bradley，omron，ge fanuc，mitsubishi fx，telemecanique unitelway，aeg modicon；通过profibus-dp（集成）连接至simatic s7/s5/505电源24v dc(1830v)时钟硬件时钟，带电池备份前面板尺寸212156安装尺寸19814259重量约为1千克 图3-27 plc控制的变频调速系统界设置档速与频率对应表如表3-28所示。表3-28 档速与频率对应表频率（hz）转速（r/min）510010200204003468037.57504182045900489603.5 pid控制变频器在进行恒压、恒速、恒流的控制过程中，需要使被控制的物理量保持恒定，那么此系统必须具有反馈环节，反馈值通过与变频器的给定值进行比较、判断，给出变频信号，随时调整电动机的转速，从而达到恒定物理量的目的，若想达到此目的，则需要使用pid控制，其控制框图如图3-29所示。图3-29 变频器pid控制图 变频器有两个输入端子：给定值输入、反馈值输入。给定值是根据目标值折合到变频器端的电压值，反馈信号和目标信号的给定电压值在变频器中进行比较，得到差值x，然后经过pid处理，生成频率控制信号 ，控制逆变器的输出频率。当x为正时，控制器升速；当x为负时，控制器减速；当x=0时，变频器恒速7。pid是由p(比例控制器)、i(积分控制器)、d(微分控制器)构成。p(比例控制器)是一种线性电子放大器，是一种最简单的控制方式。由于系统存在惯性，比例增益太大时，反馈量随着被控制量的变化而变化时，有可能被控制量一下子增大许多，使变频器的输出频率很容易形成超调，于是反过来调整，引起被控制量忽大忽小，形成震荡。因此要视情况而定。i(积分控制器)积分控制器用来消除稳态误差，积分相对偏差取决于时间的积分。虽然出现超调现象，但是（频率给定信号，该信号用于控制变频器的频率输出）只能在“积分时间”内逐渐增大（或减小），从而缓解了的变化速度，防止了震荡。只要偏差不消除，积分就不停止，稳态误差就会进一步减小在，最终消除误差。但是并不是时间越长越好，当时间过长时，如果系统负载急剧变化时，被控制量难以迅速恢复。因此也要视情况而定。d(微分控制器)在控制系统中由于存在较大的惯性环节或滞后环节有抑制误差的作用，所以在克服误差的调节过程中会出现震荡甚至失稳。为解决此问题就要使抑制误差的作用变化“超前”，即在误差接近于0的时候抑制误差仅放大误差的幅值，而微分就具有超前控制特性，它能预测误差变化趋势。pd控制器能够使提前抑制误差的作用等于0，甚至为负值，从而避免了被控对象的超调。所以pd控制器对惯性较大或滞后的被控对象能够改善在系统调节过程中的动态特性。但是在多数的情况下并不需要同时设置三个参数使之有效，如在被控制对象属于流量，张力、压力等过程控制量时，可以单独设立、（积分时间）或者是、（微分时间）。现在工业使用中经常使用现场整定参数的方法来设定参数，本次设计根据实际需要进行现场整定。3.6 电源模块的选择电源对所有的设计来说都是至关重要的一个环节，电源的高低直接影响系统工作的稳定性。举个最常见的列子，在日常生活中在电源正常工作的情况下，我们的电灯是正常发光，当电压较低时，等灯的亮度就会减弱，有的时候电压较低使得一些家用电器无法正常工作；当电压过高时，灯的亮度会增加，有时让人感觉不舒服，有时还伴随这过热引起事故。本次设计使用的是直流24v电源根据表3-30所示的plc电源特性，我们可以设计出整流电源模块电路图如图3-31所示。表3-3 0plc电源特性电源类型24dc电源电源电压的允许输入范围20.428.8v掉电保持时间不隔离输入电源到逻辑电路10ms 24v dc24v dc传感器电源输出不隔离电压范围l5v电源内部熔断器3a 250v慢速熔断图 3-31 电源模块设计随着信息技术的发展，人们越来越注重简单实用性，现代工业的快速发展，使越来越多的行业形成合作化生产，开关电源就是其中之一。在众多的开关电源中，如何选择是我们面临的一个问题，那么选择一个开关电源应该就应注意以下几个参数：1封装 封装分成两部分。模块的大小：这要根据使用环境的场合来进行适当的选择。模块的接口：模块的接口是要找到适用于模块的连接线。2电压的输入范围 电压的输入范围，要注意下列指标。输入电压的性质：在选择时我们要输入电压是直流（dc还是交流(ac)输入电压数值：不同的国家，市电也是不同的，比如说中国的市电是交流220v，日本的市电是交流110v，欧洲的通信母线是dc 48v,北美的是dc24