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dq033PLC控制的节能洗衣机系统设计,毕业设计
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毕业设计 (论文 )文献综述 信息与电子工程 系 工业电气自动化 专业 04 级 1 班 课题名称： PLC 控制的节能洗衣机 系统设计 毕业设计 (论文 )起止时间： 2007 年 3 月 1 日 6 月 10 日 (共 16 周 ) 学生姓名： 计晓鹏 学号： 3040221127 指导教师： 黄云龙、朱秋琴、廖东进 报告日期： 2007-6-10 nts信息与电子工程系 毕业设计（文献综述） - 1 - 文献 综述 摘要 ：根据全自动洗衣机的工作原理，利用可编 程控制器 PLC 现实控制，说明了 PLC 控制的原理方法、特点及其洗衣机的特色。 1 关键词 ： 全自动 ； PLC 控制 ； 智能化 Abstract: According to the work principle of the full- automatic washing machine, the text make use of the programmable controller to control, and explain the principle, method and special features of the PLC control. Key word: full- automatic； PLC control； Intelligence 一、 引言 2 可编程控制器功能强大，可靠性高，应用面广，使用方便，在现代自动控制领域应用极其广泛。现行的全自动洗衣机只要选择好水位，打开水龙头，放入衣物、洗涤剂，接通操作开关，后面的全是洗衣机自动运行了，因此，完全可以用编程控制器来代替控制。下面主要说明 PC 控制的原理及特色。 二 PC 控制洗衣机的原理 3、 4 本人设计调试使用的 PC 机，为 西门子 S7-200 机， 1/0（输入 /输出接口）总点数为 30，其中最大输入点数为 14，最大输出点数为 10（总点数愈多，控制愈方便）。 三 洗衣机变频控制系统的控制要求设计 变频调速系统框图如图 1-1 所示 : 图 1-1 变频调速系统框图 洗衣机的工作流程示意 如 图 1-2 nts信息与电子工程系 毕业设计（文献综述） - 2 - 开 始变 频 调 速进 水洗 衣排 水脱 水结 束图 1-2 洗衣机的工作流程 图 本系统采用 PLC 和变频器调节交流异步电机转速的方法。给定的速度与经由PLC 高速计数模块反馈回来的实际速度相减产生速度误差，经 PLC 运算可得控制量，再由 RS-485 接口输出到变频器以驱动交流电机，从而达到调节电机转速的目的。由于 PLC 与变频器之间没有采用 D/A 进行转换，而是采用了 RS-485 进行数字通信，有效地提高了系统的抗干扰能力。测速装置采用编码器克服了过去调速系统中采用测速发电机输出特性存在死区和非线性区，体积大，误差大等缺点。 系统采用西门子 S7-200CPU224 制器作为基本控制模块，输入 14 点，输出10 点。能较大范围地包容了标准特点、执行速度更快、通讯功能更齐全，为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。它的基本指令执行时间高 0.37US，内置的用 户存储器为 8Kb 步，可以扩展到 16K 步，最大可以扩展到 256 个 I/O点，有多种特殊功能模块或功能扩展板，可以实现多轴定位控制。有功能很强的数学指令集，例如浮点数运算、开平方和三角函数等。目前 S7 系列 PLC 为国内地销量比较多的小型 PLC。 S7 系列 PLC 通过通信扩展板或特殊适配器可以实现多种通信和数据链接。西门子 S7系列 PLC支持以下五种类型的通信方式 :N:N网络 ;并行链接 ;计算机链接 ;无协议通信 ;可选编程口。 N:N 网络使用 RS-485 通信适配器或功能扩展板，实现最多 8 台 FX 系列 PLC 之间的信息交换。并行链接使 用RS-485 通信适配器或功能扩展板，实现 S7 系列 PLC 之间的信息自动交换。一台PLC 作为主站，另一台作为从站。用户不需编写通信程序，只需设置与通信相关的参数，两台计算机之间就可以自动的传送数据。无协议通信方式可以实现 PLC与各种 RS-2 犯接口的设备 (例如计算机、条形码阅读器和打印机 )之间的通信，其通信方式使用 RS 指令来实现。 这种通信方式最为灵活， PLC 与 RS-232 设备之间可以使用用户自定义的通信规约。计算机连接通信方式与 MODBUS 通信协议中的 ASCII 模式相似，采用专用通信协议，由计算机发出读写 PLC 数据的命令帧，PLC 收到后自动生成和返回响应帧。计算机连接可以用于一台计算机与一台配有RS-232 通信接口的 PLC 通信，计算机也可以通过 RS-485 通信网络与最多 16 台PLC 通信。 洗衣机的工作流程由进水、洗衣 ,排水和脱水 4 个过程组成 。 在半自动洗衣机中 ,这 4 个过程分别用相应的按钮开关来控制 。 全自动洗衣机中 ,这 4 个过程可做nts信息与电子工程系 毕业设计（文献综述） - 3 - 到全自 动依次运行 ,直至洗衣结束 。 自动洗衣机的进水 、 洗衣 、 排水和脱水是通过水位开关 ,电磁进水阀和电磁排水阀配合进行控制 ,从而实现自动控制的 。 水位开关是用来控制进水到洗衣机内高 ,中 ,低水位 ； 电磁进水阀起着通 /断水源的作用 。 进水时 ,电磁进水阀打开 ,将水注入 ； 排水时 ,电磁排水阀打开 ,将水排出 ； 洗衣时 ,洗涤电动机启动 ； 脱水时 ,脱水桶启动 。 四 PLC 控制洗衣程序的特色 1 这一全自动洗衣机快速程序，由于每遍的清洗、放水、甩干的时间由 PC 机内计数器控制，所以只要改变 计数器参数 K 就可以改变时间。可以把上面设定的程序时间固定下来，作为固定程序使用，也可以根据衣物的质地、数量及赃污的程度来编程。只要稍作改变，就可以设计出诸如要多洗多甩的牛仔类衣物、轻洗轻甩的羊毛类衣物以及通用的标准洗涤程序，充分表现现代家点用品的个性。 2 上例程序中，定时器用断电不复位，这样用户在洗衣时，如需要关机（用户外出），只要断开洗衣机操作开关，洗衣机就可暂停工作，回来再开洗衣机，洗衣机会“记忆”前面已执行过程序，继续执行完遗留的程序。本程序里还设计了一个报警器，机盖打开时会发出警示音（开机和甩干是联 锁的）。在洗衣机结束后（时间长短可调），亦发出诸如警示音的揭示。 3 以往机械式全自动洗衣机在进水、清洗、放水、甩干等环节控制转换时，继电器触点动作声音过大，使用寿命短，而用 PC 机控制的洗衣机实现了无触点连接，几乎听不到继电器动作声，延长了各零部件的寿命。 4 PLC 具有网络通信的功能，如 PROFIBUS-BP 是现场总线 PROFIBUS 中广泛应用的一种协议，主要用于现场级的主从通信，具有极好的抗电磁干扰性能。如在PLC 和远程 I/0、人机界面等之间的通信中，一旦其通讯功能完善，就能实现家用洗衣机的网络化。 5 结 合以上的控制功能，制作相应的透明演示模型，即能进行仿真控制。 五、 结论 本论文的研究主要完成了以下内容 :通过对 PLC 控制的节能洗衣机 系统的工作原理和控制原理的分析，用 PLC 语言结合硬件电路，设计出以 S7-200 为核心的 节能洗衣机 。并将模糊自整定 PLC 控制 应用到 洗衣机 中，使得用户在使用时更加方便快捷 高效 。 PLC 控制洗衣机洗涤程序有独特之处 。 首先 ,它是一个顺序控制系统程序 ； 其次 ,洗涤 ,排水 ,脱水时间是由 PLC内的计数器和定时器中 K参数控制的 ,只要改变它的 参数大小就可以改变整个程序时间长短 ； 第三 ,通过改 变 PLC 的型号 ,可以根据认物的质地 ,数量及脏物程度来实现标准洗 ,强洗 ,快洗的多功能 ； 第四 ,通过修改洗涤程序可实现进水洗涤 ,漂洗 ,排水 ,脱水的程序控制 ,也可实现或洗涤 ,或漂洗 ,或脱水等单体控制 ； 第五 ,在设计过程中 ,可以方便地加入相应的配套装置 ,如指示灯 ,蜂鸣器 。 因此 ,PLC 控制的洗衣机系统有多种性的 ,各种最优控制系统均可运行 ,但是必须考虑它的结构和成本 。 nts信息与电子工程系 毕业设计（文献综述） - 4 - 参考文献 1 廖常初 . PLC 基础及应用 . 北京 ;机械工业出版社 ,2003 2 周恩涛 .可编程控制器原理及其在液压系统中的应用 . 北京 ； 机械工业 出版社 ,2003 3 求是科技 . PLC 应用开发技术与工程实践 . 北京 ;人民邮电出版社 4 李向东 . 电气控制与 PLC. 机械工业出版社 nts 外文资料 (中文 ) 普通交流异步电动机变频调速的性能研究 在普通交流异步电动机的各种调速方式中，变频调速因其突出的性能，应用最为广泛，同时也是交流电动机调速技术最为活跃的研究领域。随着电力电子技术和控制理论的不断发展和完善，变频调速技术的性能还在不断提升，变频调速技术已成为我国企业节约能源、提高生产过程自动化、提高产品质量和改造传统产业的主要技术手段之一。 变频调速是通过改变异步电动机定子的电源频率，以改变其同步转速，从而达到调节电动机转速的目的。但是，当电源频率改变时，会对交流异步 电动机产生一系列的影响 :损耗增加，效率下降 :在工频以下，以恒转矩方式调速时，电动机的过载能力将会下降 ;在低频时电动机的散热能力变坏，电动机温度会过高等。由于电动机本身就是一个非线性、强祸合、多变量的对象，且更为严重的是，由于工作频率、温度和饱和效应的影响，定转子电阻、电感等参数在不同工况下变化明显。因而其动态建模非常困难，要从理论上准确的计算出电动机在不同频率和负载下的效率、温升、功率因数和临界转矩是十分困难的。所以，长期以来，在设计变频调速系统时，人们只是凭借经验来确定普通交流异步电动机变频调速的调速范围 ，而没有充分的理论依据。 本文以普通交流异步电动机和变频器组成的调速系统为研究测试对象，以普通交流异步电动机 T 形等效电路为基础，计算分析在基频以下及恒压频比方式供电下频率改变时普通交流异步电动机的启动电流、转矩和其运行性能的变化情况，并重点研究了电动机在不同频率下的运行性能，通过电动机测试平台，定量的测试出电动机在频率改变时的各项性能数据，并与理论计算的结果进行比较分析，在此基础上提出普通交流异步电动机变频调速的最佳调速范围，使电动机高效、长寿命运行，并为交流异步电动机变频调速系统的设计提供确定参数的依据。 一、普通交流异步电动机变频调速的启动性能 利用变频器实现软启动是变频器的优点之一，但是，有时会因为启动频率选择不当而导致启动转矩过小，或者启动电流过大，从而导致启动失败，因此，合理的选择变频调速系统的启动频率，寻找合适的启动频率范围，从而改善系统的启动特性，是十分重要的。为此，我们分析计算了在不同频率和转矩提升电压下，电动机启动转矩和启动电流的变化规律，进而提出了确定能满足电动机启动转矩和启动电流要求的启动频率的方法。 1. 1 变频调速时启动转矩的变化规律 当转矩提升电压 00 U时，根据启动转矩方程，可求出1fTst ， 212222222212121 50()50(fXRXXRfRCkfT st （） 令1fTst ，有： nts XRf 501 其中 R定转子电阻之和， X定转子电抗之和， 1f 电源频率 所以当XRf 501时， 05022221 XRf , ;01fTst 当 XRf 501 时，050 2 2221 X Rf , 01 fTST 。从而可知，当 XRf 500 1 且 501 f 时， stT 为 1f 的增函数，而在XRf 501 时，stT为 1f 的减函数 ，而在XRf 501 时，stT取得最大值，stT不仅与 1f 有关，同时与0U和XR有关。下面我们 以 Yl00Ll-4 如图 (1-1)电动机为例，分析在不同转矩提升电压时，启动转矩的变 化情况。 如图 (1-1)所示 : 从图中可以看出，当 00 U且比较小时，启动转矩相对于启动频率的变化趋势是 :当频率接近于零时，在理论上启动转矩非常高，启动转矩是启动频率的减函数，并达到一个极小值，这时对应的频率为ofmax1在频率 min11 ff 时，启动转矩为启动频率的增函数，一直上升到最大启动转矩，这时对应的频率为ofmax1当启动频率大于max1f且小于 50HZ 时，启动转矩为启动频率的减函数。 当0U逐渐增大时，在理论上，当频率接近零时，启动转矩非常大。总体上，启动频率nts的变化趋势与0U较小时的情形大体相似，但是也有不同之处，其特点是，最小启动转矩快速上升，而且相应的启动频率 min1f 变大，同时最大启动转矩也缓慢上升，而且相应的启动频率max1f减小。当0U达到一定值 (对 Yl00Ll-4,当0U=30V)最小启动转矩上升已经超过了最大启动转矩，整个启动转矩为启动 频率的单调递减函数，这时工频下的启动转矩最小。 .2 变频调速时启动电流的变化规律 对启动电流stI求偏导数，有 252120221221 )50(50fXRKURfXRfI st （ 1-2） 从式（ 1-2）可知，分母 0)50( 25212 fXR ; 02 R ;固只要有 050)(50 01220 UUfRXU e （其中50 0UUK e ，eU为电动机额定电压）则 01fIst 从而可以分析出，在400 0 U , 500 1 f ,并且电动机的参数满足 915.2RX 的条件下，函数的值将始终大于零，所以1fIst 也将大于零，这说明在该条 件下，在零频至工频范围内，启动电流 stI 为启动频率 1f 的增函数。 现在将 Y100L1-4 电动机参数代入，可得其启动电流的变化规律。 1.3 交流异步电动机起动频率范围的确定 根据启动转矩与启动电流相对于转矩提升电压和启动频率的变化规律，启动频率范围应为同时满足电动机启动转矩要求和变频器对启动电流要求的启动频率范围。即 : (1) 从启动转矩与负载转矩的比值对于启动频率的曲线中找出数值大于 1.2 的频率范围。 (2) 从启动电流与 额定电流之比值对应于启动频率的曲线中画出数值小于 5 的频率范围。 （ 3） 求出以上两部分的公共部分，既是所求的启动频率范围。 nts 现以 Yl00Ll-4, 0U= 0 时为例，来说明如何确定启动频率范围。若在特定工况下Yl00Ll-4 电动机的启动负载为 4 (n. m)，则启动转矩应该大于 4 1. 2=4. 8 (n. m), Y100L1-4电动机的额定电流为 5. 0 (A)，其启动电流应该小于 1. 5 5=7. 5 (A).则从电动机的启动转矩特性曲线和启动电流特性曲 线中可以找出启动转矩大于 4. 8 (n. m)和启动电流小于 7. 5 (A)的频率范围，两者的交集即为启动频率的范围。如图 (3-6)所示，从图中可以看出，电动机的最佳启动频率范围为 710 （ HZ）。 图（ 1-3）注： 1-启动电流曲线 2-启动转距曲线 ntsThe research of performance of Common induction motor workingwith variable frequency mode nts nts nts nts nts毕业设计 (论文 )任务书 学生姓名 _计晓鹏 指导教师 _黄云龙、廖东进、朱秋 琴 职称 副教授、助教 、 助教 系别 _信息与电子工程系 _专业 工自 年级 04_班级 1 课题名称 PLC 控制的节能洗衣机系统设计 任务与要求： 一、 设计（论文）要求： 本课题 的主要任务是通 PLC 控制 系统 ,采用变频器 实现对 洗衣机进行自动和手动 控制。 具体设计方案如下： 启动按钮脱水桶洗涤电动机电磁排水阀电磁进水阀水位检测设备（高中低）水位选择开关（高中低）手动脱水开关手动排水开关停止按钮变频调速其控制流程为： nts开 始正 常 运 行按 动 停 止 按 钮洗 涤 点 击 和 脱 水 桶 停 止 转 动进 水 和 排 水 电 磁 阀 闭 合打 开 手 动 脱 水 开 关脱 水打 开 手 动 排 水 开 关排 水结 束否是是是否否设计的主要内容和要求： 1、 根据所选的课题，参考一些优秀的学习网站，完成该课题的建设。 2、 参与该课题的各位同学必须分工合作。在设计中既要有自己一定的工作量，同时具备良好的团队合作精神。 3、 毕业设计论文体现了毕业设计的质量，所以各位同学必须在论文中体现自己在毕业设计中所采用的方法、思想 以及 设计策略。论文的格式包括：（ 1）中英文摘要（ 2）目录（ 3）正文（ 4）致谢（ 5）参考文献（ 6）附录 。论文书写要求语言精练、简洁，表达力求准确，字数 12000 以上，最后要求用 A4 开纸打印，并装订成册，形成书目结构。 4、 在整个设计当中要严格按照学校 和 系部的各种规章制度和要求，按时完成所要求完成的任务。 二、 设计（论文）条件： 提供 设计 所需 的书籍 、 计算机 、 PLC 设计 所需的 设备 等 。 三、 设计（论文）资料： nts提供 洗衣机 、 PLC 设计等相关所需资料。 四、 设计（论文）教学要求：（可以同一专业相同） 要求同学们有较强的学习和自学能力，能根据需要查找资料，独立思考和设计 。 要 求同学 熟悉步进电机的工作原理并 具有一定的单片机 设计能 力 。 五、 设计（论文）进度安排：（可以同一专业相同） 第 01 周至第 02 周：查阅中文及英文资料（并翻译一篇外文资料），了解 洗衣机 的工作原理以及 PLC 设计内容 ， 收集相关资料 ； 第 03 周至第 03 周：完成毕业设计（论文）开题报告，并开始进行毕业设计； 第 04 周至第 08 周： 完成 控制系统 的硬件设计 ； 第 09 周至第 12 周： 完成 控制系统 的软件设计 ； 第 13 周至第 13 周 ：软件和硬件的调试； 第 14 周至第 15 周：整理相关资料，完成毕业设计（论文）手稿及最终电脑打印的毕业论文； 第 16 周至第 16 周： 答辩 学生分组名单 叶 晓晨；计晓鹏 nts1、本课题所涉及的问题在国内 (外 )的研究现状综述 单片机技术现状 单片微型计算机简称单片机，是早期 Single Chip Microcomputer 的直译，它忠实地反映了早期单片机的形态和本质。随后，按照面向对象。突出控制功能，在片内集成了许多外围电路和外设接口，突破了传统意义的计算机结构。发展成 microcontroller的体系结构，目前国外己普遍称之为微控制器 MCU (Microcontroller Unit)鉴于它完全作嵌入式应用，故又称之为嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)。国内由于单片机一词已约定俗成，仍沿用至今。但应将单片机的“机”理解成为微控制器而不是微计算机。 二十世纪七十年代单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。计算机两大分支的产生大大促进了现代计算机技术的飞速发展。通用计算机系统以发展海量高速数值计算为己任，不必兼顾控制功能，其数据总线宽度不断更新，迅速从 8 位、 16 位过渡到 32 位、 64位，不断完善其通用操作系统。突出发展海量高速数值计算能力，并在数据处理、棋拟仿 真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛的应用；单片机则以面向对象的实时控制为己任。目前仍以 8 位机为主流，不断增强控制能力，降低成本，减小体积，改善开发环境。以空前的速度迅速而广泛地取代经典电子系统。 单片机具有体积小、重量轻、功能强、功耗低、运行速度快，抗干扰能力强、性价比高、可靠性高等特点，结构灵活，数据基本上都在单片机内部传送，易于组成各种微机应用系统口它既可用于工业自动控制等场合，又可用于机电一体化产品、智能仪器、测且仪器、医疗仪器、家用电拐等领域，在过程控制、计算机网络及通讯等方面得到 广泛应用。单片微型计算机经历了 1 位、 4 位、 8 位、 16 位及 32 位的发展阶段，世界上一些著名的半导体器件厂家都开发了单片微型计算机，如 Intel， Motorola。 Zilog（泽洛格公司）。 Fairchild 仙童摄像机与仪器公司、 Mostek莫斯裕克公司等，单片机的品种日益增加。在众多的通用单片机里，以 Intel 公司的 MCS-51 系列单片机微型计算机最为著名。 MCS-51 单片机系列有： 普通型： 51 子系列 8051/8751/8031； 增强型： 52 子系列 8052/8752/8032； 低功 耗型： 80C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C32。 8031 内部没有 ROM。 但外接一片 EPROM 就相当于 8051，它具有价格低、功能强、使用灵活、开发方便落特点，适合推广应用。 低功耗型单片机采用 CHMOS 半导体工艺，型号中用宇母 C 标识。如8051 功耗为 630mW 而 80C51 功耗仅为 120mW，适于便携式或野外作业仪器设备中使用。 特别值得一是的是 MCS-51 的布尔处理器。它实际上是一个完整的一位微计算机，这个一位机有自己的 CPU，位寄存器， I/O 口和指令集。把八位微机和一位 微机结合在一起是微机技术上的一个突破。一位机在开关决策，逻辑电路仿真和实时控制方面非常有效；而八位机在运算处理、数据采集方面有明显的长处。在 MCS-51 单片机中，八位机和一位机（布尔处理器）的硬件资源是复合在一起的，二者相辅相成，这是 MCS-51 在设计上的精美之nts 信息与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) - 1 - 处，也是一般微机所不具备的，而且具有特殊的多极通讯功能，可作为多机系统的一个子系统。 很多智能性应用场合，智能型产品都用到了单片微型计算机，单片微型计算机应用开发一直受到人们的重视，并且日益强劲。 MCS-51 单片机的应用设计一般包括两大方面，即硬件接 口设计和软件设计。软件设计中又分为与接口硬件有关的驭动程序的设计以及与接口硬件无关的数据运算和处理程序的设计。 步进电机驱动系统概述 步进电机的工作必须使用专用设备 步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进脉冲，按一 定的规律向电机各相绕组通电 (励磁 )，以产生必要的转矩，驱动转子运动。步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的 3 大部分。步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器性能的优劣。当电机和负载己经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动等 (1)单电压驱动 :主要特点是结构简单、成本低，通常在绕组回路中串接电阻，以改善电路的时间常数来提高电机的高频特性。缺点是串接电阻将产生大量的热，对驱 动器的正常工作极其不利，尤其是在高频工作时更加严重，因而它只适用于小功率或对性能指标要求不高的步进电机驱动。 (2)高低压驱动 :电机每相绕组导通时，首先施加高电压，使电流快速上升当电流上升到额定值时，将高电压切断，回路电流以低电压电源维持。这种方式由于电流波形得到了很大改善，电机的矩频特性较好，起动和运行频率得到了较大提高。但由于电机旋转反电势、相间互感等因素的影响易使电流波形的顶部呈凹形，致使电机的输出转矩有所下降且需要双电源供电。 (3)斩波恒流驱动 :为了弥补高低压驱动电路中电流波形的下凹，提高输出转矩 ，人们研制出斩波电路，采用斩波技术使绕组电流在额定值上下成锯齿形波动，流过绕组的有效电流相应增加，故电机的输出转矩增大，而且不需外接电阻，整个系统的功耗下降，效率较高，因而斩波恒流驱动应用相当广泛。 (4)调频调压驱动 :特点是施加在电机绕组的电压随工作频率的变化作相应的改变，步进电机在低频时工作在低压状态，减少能量的注入，从而抑制振荡 ;在高频时工作在高压状态，使电机有足够的驱动力矩。因而系统效率、运行特性等都有了明显改善。 (5)细分驱动 :它是将电机绕组中的电流细分，由常规的矩形波供电改为阶梯波供电。这样， 绕组中的电流经过若干个阶梯上升到额定值，或以同样的方式从额定值下降。虽然细分驱动电路的结构比较复杂，但在不改变电机内部参数的情况下，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一，使步距角不再受电机结构和制造工艺的限制。由于绕组的电流变化幅度也大大减小，从而极大的改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。近几年来，由于微处理机技术的发展，细分驱动技术在驱动器中获得了广泛应用。 nts 信息与电子工程 系毕业设计 (开题报告 ) - 2 - 二 毕业设计任务 本设计的题目来自于本人在东莞新科磁电技术研究开发有限公司实习时做的一个项目一锡球焊接新工序开发，项目中 如何提高锡球焊接的位置精确度至关重要，其中的执行机构就是三相混合式步进电机。本课题以设计一套基于单片机和步进电机细分控制技术的步进电机驱动器为主要目标，主要内容有 : (l)采用正弦脉宽调制技术、电流跟踪技术和细分技术实现对电机相电流的控制，以克服传统驱动技术下步进电机低速振动、存在共振现象、噪音大、高速转矩小等缺点。 (2)用开关电源为驱动器内部电路供电，减小驱动器的体积和重量，提高电源效率。 (3)驱动器的功率驱动环节采用美国国际整流器公司生产的功率 MOS 器件 (或IGBT)栅极驱动集成电路 IRZ130，它 能输出六路驱动信号，并且由于内部设有自举式悬浮电路，因此只用一路电源，使系统设计极为简化。 (4)控制电路主要由 AT89C51 单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、 EEPROM存储器及可编程键盘 /显示控制器 Intel 一 8279 等组成，单片机是控制系统的核心。采用了 Intel 公司研制的键盘、显示器接口电路芯片 8279，该芯片能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动扫描，识别闭合键的键号，使用非常方便。 8279 键盘、显示器接口器件是实现人机对话的主要部件，该接口电路 能大大节省 CPU 的开销，提高了可靠性和 CPU 工作效 nts 课题名称： PLC控制的节能洗衣机 系统设计 学生姓名 ： 计晓鹏 系（部） ： 信息与电子工程系 专业班级： 04 工自 (1)班 指导教师： 黄云龙、朱秋琴、廖东进 职 称 ： 副教授、 助教、 助教 报告日期： 2007.03.03 2007年 6 月 10 日 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） II 摘 要 目前，在自动化领域主要的控制方式有继电器控制、微机控制和 PLC 控制三种。由于 PLC 控制系统与继电器控制系统及微机控制系统相比，具有设计、安装、接线、调试工作量小，研制周期短，可靠性高，抗扰能力强，故障率低，对工作环境要求低，维护方便等一系列优点，因此，已成为国内外机加工控制对象的首选控制方案 。 本文采用 PLC 控制技术和 变频调速技术相结合的方法来 设计 PLC 控制的节能洗衣机。 关键词 ： 全自 动； PLC控制 ； 变频 器 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） III ABSTRACT At present, the main control way in autoimmunization field are relay control, microcomputer control and PLC control. Compared with the relay control system and the microcomputer control system, the PLC control system has a series of advantages, such as little work load of designing, installing, wiring and debugging, short cycle of development, high dependability, strong ability of anti-interference, low trouble rate, low requirement of working environment and convenient maintenance. So the PLC controls system. This paper combines PLC control technology and transducer technology to designs the PLC control the energy conservation washer. Keywords: main control ； PLC control； PID Control transducer nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） IV 目 录 第一章 绪论 .1 1.1引言 1 . 1 1.2 洗衣机的发展史 . 1 1.2.1中国洗衣机的发展状况 . 2 1.3 PLC技术在洗衣机中的发展现状 . 2 1.3.1 PLC技术现状 2、 3 . 2 1.3.2 将变频技术与 PLC相结合 4 . 3 1.3.3 PLC在洗衣机中应用的发展状况 5. 4 1.3.4 PLC控制的特点 6. 4 1.4 课题来源，研究内容及研究结果 . 6 1.5 毕业设计任务 . 7 第二章 PLC 控制和变频调技术简介 .8 2.1 变频调速的概念和作用 7 . 8 2.1.1变频调速的意义 8. 8 2.2 国内外变频技术的发展现状 9 . 9 2.2.1 国内变频调速技术的发展概况 . 9 2 2.2 国外变频调速技术的发展概况 . 9 2.3 PLC的结构和工作原理 10 . 10 2.3.1 PLC的基本结构 . 10 2.3.2 PLC的工作原理 . 11 2.3.3 PLC的指令系统 . 11 2.3.4 PLC的编程工具 . 12 2.4 选题的依据 . 12 第三章 洗衣机控制系统的硬件设计 .13 3.1衣机的工作原理 11 . 13 3.2洗衣机的设备控制要求 . 13 3.3 PLC控制系统的设计分析 12、 13 . 16 3.3.1洗衣机设计的控制系统构成图 . 17 3.4 PLC和变频器的选择 . 18 3.4.1 PLC型号的选择 14、 15、 16 . 18 3.4.2变频器的选择 17、 18 . 19 3.4.3 VS-616G5 型变频器的参数设置 . 20 第四章 洗衣机控制系统的软件设计 .22 4.1 程序的构成、下载、安装和调试 19 . 22 4.1.1 S7-200 的出错代码 20 . 22 4.2 洗衣机控制系统资源分配 . 24 4.3洗衣机的 PLC 程序设计 . 25 4.3.1 源程序 . 25 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程 系毕业设计（论文） V 4.3.2进水 、洗衣、排水、脱水、洗完报警程序 . 28 第五章 总结 .34 参考文献 .35 致 谢 .37 附录 .39 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -1- 第一章 绪论 1.1 引言 1 可编程控制器功能强大，可靠性高，应用面广，使用方便，在现代自动控制领域应用极其广泛。现行的全自动洗衣机只要选择好水位，打开水龙头，放入衣物、洗涤剂，接通操作开关，后面的全是洗衣机自动运行了，因此，完全可以用编程控制器来代替控制 。 1.2 洗衣机的发展史 从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而 在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打 这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：辛苦劳累。 1874 年， “ 手洗时代 ” 受到了前所未有的挑战 有人发明了木制手摇洗衣机。发明者是美国人比尔 布莱克斯。布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上 6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到 “ 净衣 ”的目的。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。 1880年，美国又出现了 蒸汽 洗衣 机， 蒸汽 动力开始取代人力。 之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。到 1911 年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。 10年之后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！直至今日，滚筒式洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。 随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮 产生的强烈涡流，使衣物和nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -2- 洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。 1955 年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。 20世纪 60年代以后，洗衣机在一些发达国家的消费市场开始形成系列，家庭普及率迅速上升。此间洗衣机在日本的发展备受瞩目。 60 年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为 “ 半自动型洗衣机 ” 。 70 年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。 70 年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机横空出世，让人 耳目一新。到 80 年代， “ 模糊控制 ” 的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚 进入 90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。 1.2.1 中国洗衣机的发展状况 中国，由于历史原因，洗衣机工业起步较晚，直到 1978 年才正式生产家用洗衣机。但是，随着人们认识的发展，尤其是改革开放的不断深化，进入 80 年代后的洗衣机工业并没有像一些人预料的那样停步不前，而是保持着旺盛的发展势头。 1983年洗衣机产量由 1978年的 400 台飙升到 365万台，此后全国各地掀起了大规模的技术引进热潮，大约有 40多个厂家先后从洗衣机技术先进国日本、英国、法国、意大利、澳大利亚等引进技术 60多项。技术的引进、吸收和创新，极大地提升了国产洗衣机的产业素质与生产能力，缩短了同发达国家之间的差距。如今，我国洗衣机年产量约占世界年产量的四分之一，居于世界首位。除了在数量和品种上满足国内市场外，还出口到北美、欧洲、东南亚等地，跻身于国际洗衣机市 场的竞争行列。 1.3 PLC 技术在洗衣机中的发展现状 1.3.1 PLC 技术现状 2、 3 可编程控制器（ Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -3- 工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller），简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（ Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC。它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入 /输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制 。 随着微处理器 CPU和微型计算机技术在 PLC中的应用，形成了现代意义上的 PLC。现在的 PLC产品已经使用了 16位、 32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多信道处理。 目前，世界上有 200 多个产家生产 PLC 产品，比较著名的有美国的 AB、通用 （ GE）、莫迪康，日本的三菱、欧姆龙、松下电工，德国的西门子，法国的TE。我国自 20世纪 70年代末以来，先是引进技术，后来是合作开发，现是自行设计开发。目前， PLC技术正在不断的地向综合性的工业控制发展。随着机器人使用的增加及其集合为生产线，以及科学技术的迅速发展， PLC不仅控制自动化工厂，而且还监视和控制有关生产过程，未来 PLC将朝两极化、多功能、只能化和网络化的模式发展。 1.3.2 将变频技术与 PLC 相结合 4 随着变频调速技术的应用日益广泛，应用水平的不断提高，对变频调速控制系统的精度要求也越来越 高。目前，许多变频调速装置属于开环控制方式，不能满足较高精度的要求。为提高调速系统的精度，一般都需要进行闭环控制。交流异步电机因其价格低廉，经久耐用，易于维修，适合在恶劣的环境中使用等优点已得到广泛的应用。但交流电机的数学模型和运算较为复杂，其控制特性会受对象内部参数变化的影响，因而用固定的调节器去控制时，往往难以得到较理想的静动态特性。采取可靠的 PLC和变频器控制交流 异步电机方法 ，提高了系统的静动态特性。 本文结合异步电动机速度闭环控制，提出了一种基于 PLC的 变频 控制实现方nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -4- 法。首先对变频调速系统进 行总体设计，然后重点进行 PLC、变频器程序设计。在此基础上，论述了模糊控制器的原理和结构，用 PLC编程实现了 控制 的设计。 所开发的系统将 变频技术 与 PLC 相结合，克服了传统的调节器超调大的缺点，充分发挥了 PLC 控制灵活、编程方便、适应性强的优点，提高了控制的精确度。实验结果表明，该系统能对电机转速实现精确控制，实用性强，具有一定的推广价值。 1.3.3 PLC 在洗衣机中应用的发展状况 5 一般洗衣机的控制系统都采用单片机控制，一旦出现故障，维修比较困难，而采用目前工业控制常用的 PLC控制器作为主控元 件的控制系统，其特点是价格低，编程简单，一般工程技术人员以及稍懂电气维修人员都能编程，并且易于功能扩展，实现洗涤时间设置的更改，平均无故障时间有可靠的保障，适合各型全自动洗衣机使用 。 在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤，脱水程序是由 PLC位中心控制系统工作的。它是整体模块。集中了驱动电路，检测电路和保护电路以及通讯联网功能。因此在运用中，硬件也相对简单，提高控制系统的可靠性。另外它的编程也是比较简单的。 PLC会不断完善自身缺陷，随着 INTERNET 发展， PLC的硬件和软件也会提高，我相信 PLC 一定会有生命力小型 PLC 将存在很长时间 ,因为它经济 ,可靠 ;大型PLC的一部分可能会被 PC-BASE,智能 I/O,现场总线取代 。 1.3.4 PLC 控制的特点 6 1、高可靠性 （ 1）所有的 I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC内部电路之间电气上隔离。 （ 2）各输入端均采用 R-C滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms。 （ 3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 （ 4）采用性能优良的开关电源。 （ 5）对采用的器件进行严格的筛选。 （ 6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况， CPU立即采nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -5- 用有效措施，以防止故障扩大。 （ 7）大型 PLC还可以采用由双 CPU构成冗余系统或有三 CPU构成表决系统 ,使可靠性更进一步提高。 2、丰富的 I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的 I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人 -机对话的接口模块 ; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 3、 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC以外，绝大多数 PLC均采用模块化结构。 PLC的各个部件，包括 CPU，电源， I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4、编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 5、安装简单，维修方便 PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场 的各种设备与 PLC 相应的 I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 PLC的功能 （ 1） 逻辑控制 （ 2） 定时控制 （ 3） 计数控制 （ 4） 步进 (顺序 )控制 方式有继电器控制、微机控制和 PLC 控制三种。由于 PLC控制系统与继电器控制系统及微机控制系统相比，具有设计、安装、接线、调试nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -6- 工作量小，研制周期短，可靠性高，抗扰能力强，故障率低，对工作环境要求低，维护方便等 一系列优点，因此，已成为国内外机加工控制对象的首选控制方案。而继电器控制系统因技术性能差，功能单一，早已在机加工控制对象上淘汰掉了。微机控制系统因抗扰能力较差，对工作环境要求较高，设计研制周期较 PLC 控制系统长，因此，在机加工控制对象上的应用呈逐年下降的趋势 。为机加工控制对象设计研制一个技术性能优良的控制系统，对于提高 加工控制对象的整体技术性能来说具有十分重要的意义。本文正是针对这一课题，选择 PLC 控制系统作为机加工控制对象的控制方案，这对提升机加工控制对象的整体技术性能可以起到良好的作用。 在基于 PLC 的 机加工控制系统设计中，提出并采用了跳步法，从而大大节省了该系统所需的用于各单机手动和半自动控制的总按钮数 ， 及其占用的 PLC 输入点数，节省了该系统的研制费用，减少了该系统的安装、接线工作量，也为日后对机加工控制对象的操作带来了方便；首次为该系统开发出了一套能使机加工控 。 1.4 课题来源，研究内容及研究结果 1、 课题来源 :本项目来 PLC控制在洗衣机中的实际应用。 2、 研究内容 :本设计研究 可编程控制器 在洗衣机系统中的应用。并且 与变频技术相结合， 让洗衣机操作简单，安全，快捷，节能。 3、 研究结果：经过研究设计，实 际运行，该系统具有以下基本功能 : （ 1） 根据赃物的程度自行选者洗涤的程度。 （ 2）节能，采用变频技术，控制洗衣机转数，达到节能效果。 （ 3）具有自动报警功能， 洗衣机在工作过程中 ,如发生下列情况之一 :门锁开关、门折页开关因故断开 ； 电机过流使热继电器动作 ； 在脱水和甩干过程中 , 洗衣机由 于震动幅度过大 , 使安装在洗衣机上的平衡开关断开。这时系统就会自动切断控制回路 ,使洗衣机停止工作 ,并由蜂鸣器报警。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -7- 1.5 毕业设计任务 本次毕业设计课题是 PLC控制的节能洗衣机系统 ，我的主要任务是应用软件设 计和程序的设计，大体为以下五项内容： 1. PLC控制的洗衣机 现状和发展 主要介绍其 采用可编程序的存贮器 , 用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令 , 并通过数字的、模拟的输入和输出 , 控制各种类型的机械或生产过程 . 其特点是价格低 ,编程简单 ,并且易于功能扩展 ,维修简单 ,可靠性强 . 2. 洗衣机控制系统的 PLC选型和资源配置。 3. PLC控制的洗衣机 系统的理论原理以及总体方按的设计 4系统硬件设计 ： (1) 确定安排 PLC 的输入、输出点 ； (2) 设计外围电路 , 包括主电路 ； (3) 选购 PLC 并进行现场安装接线等内容 5. 软件设计 ： (1) 洗衣机控制系统的控制要求设计 (2) 洗衣机控制系统的 PLC选型和资源配置 (3) 洗衣机控制系统程序设计和调试 (4) 系统调试 ： 根据设计要求 , 对程序进行调试和修改 , 必要时还可对硬件进行修改 , 直到符合要求为止 总之，在本次设计中，必须完成图表：论文说明书、控制电路图、 程序流程图、程序清单等。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -8- 第二章 PLC 控制和变频调技术简介 2.1 变频调速的概念和作用 7 交流电动机变频调速是利用交流电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变交流电动机的供电频率进行调速。通用变频器和交流电动机相结合，实现对生产机械的传动控制称为变频器传动，属运动控制范畴。变频器传动具有综合性的技术优势，应用到不同的场合，可以体现出不同的功能，达到不同的目的。 随着电力电子器件制造、基于电力电子电路的电力变换、计算机、现代控制、微电子、全数字化控制、网络通信等技术 的迅速发展，通用变频器技术也日新月异。特别是通用变频器的全数字化、网络化控制技术，在提高其性能方面起到了举足轻重的作用，使电气远动控制技术发生了深刻的历史性变革，如交流调速取代直流调速、全数字化控制技术取代模拟控制技术、网络控制技术取代单机控制已成为现实，现代交流电动机传动控制已不再局限于单一的调速控制要求，而更多的是要求装置化、系统化应用。新一代的变频调速控制技术是基于正弦波脉宽调制（ SPWM）技术、矢量变换技术、直接转矩控制和网络通信技术为基础的全数字化控制技术。微处理技术、 PWM控 制技术和电力电子开关 器件是通用变频器控制技术的基础 。 2.1.1 变频调速的意义 8 据资料证实，在所有的能源中，电力能源约占 50%，而电力能源中有 40%是必须经过电力电子设备的转换才能使用，电力能源中 70%以上将用于交流电动机的控制，我国电动机的总装机容量已达 4亿 kW，年耗电量达 6000亿 kWh，约占工业耗电量的 80%。我国各类在用电动机中 ,80%以上为 220kW以下的中小型异步电动机 ,在我国 60%的发电量是通过各类电动机消耗的，因此变频调速技术一直得到国家重视。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -9- 2.2 国内外变频技术的发展现状 9 2.2.1 国内变频 调速技术的发展概况 我国电气传动产业始建于 1954年，当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司。现在我国己有 200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上 80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司开放。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了生产和生活需要。国内 很多合资公司生产当今先进的产品，国内很多公司自行开发、生产产品的能力较弱，对国外公司的依赖严重。 从总体上看我国电气传动的技术水平较国外先进水平差距 10-15 年。在大功率无换相器电机等变频调速技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的 V/F控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种质量还不能满足市场需要，每年需大量进口变频控制设备。国内交流变频调速技术产业现状是 : (1)变频器的整机技术落后，国内虽有很多单 位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术开发能力和生产规模。 (2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。 (3)相关配套产业及行业落后。 (4)产销量少，可靠性及工艺水平不高 。 2 2.2 国外变频调速技术的发展概况 在大功率交 交变频调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达 3万千瓦的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利 ABB公司提供了单机容量为 6 万千瓦的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司的 Simovert A电流型晶闸管变频调nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -10- 速设备容量为 10-2600KVA 和 Simovert P GTO PWM 变频调速设备单机容为100-900KVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士 BJT 变频器最大单机容量为 700KVA, IGBT变频器己形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。 国外交流变频调速技术高速发展有以下特点 : (1)市场需求空间大。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球化短缺，变频技术越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等 各个行业以及风机、水泵等设备，并取得显著的经济效益。 (2)功率器件的发展。近几年来高电压、大电流的 GTR, GTO, IGBT, IGCT 等器件的生产和面世，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 (3)控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础 ;16位、 32位高速微处理器以及信号处理器 (DSP)和专业集成电路 (ASIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能和智能化提供了硬件手段。 (4)基础工业和各种制造业的高速发展， 变频器相关配套件社会化、专业化生产。 2.3 PLC 的结构和工作原理 10 2.3.1 PLC 的基本结构 PLC实质 是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根据结构形式的不同， PLC的基本结构分为整体式和模块式两类。 1.整体式结构的 PLC 整体式结构的 PLC有中央处理器（ CPU）、储存器、输入 /输出（ I/O）单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在一起。基本结构框架如图 1-1所示。 2.模块式结构的 PLC 模块式结构的 PLC是将中央处理器（ CPU）、储存器、输入 /输出（ I/O）单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据控制要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线相互联系。基本结构框架如图 1-2所示。 3.PLC各组成部分介绍 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -11- （ 1）中央处理器（ CPU）：是 PLC的核心部分，相当于 PLC的“大脑”。它通过系统总线与用户储存器、输入 /输出（ I/O）单元、通信端口等单元相连。 （ 2）储存器：用来存放控制的编程程序。 （ 3）输入 /输出（ I/O）单元：是 PLC与外部设备连接的纽带。 （ 4）电源部分：不同型号的 PLC有不同的供电方式，所以 PLC电源的输入电压既有 12V和 24V直流，又有 110V和 220V交流。 （ 5）通信端口： PLC 的 CPU模块上至少有一个通信端口，通过这个通信端口，PLC可以直接和编程器或上位机相连。 （ 6）编程器：几乎每个 PLC厂家都有自己的编程器，用户通过编程器来编写控制程序，并通过编程器接口将自己的控制程序输入到 PLC。它还可以在线检测程序的运行情况。 （ 7）特殊功能单元：主要包括模拟量输入 /输出单元、远程 I/O模块、高速计数模块、中断输入模块和 PID调解模块等。 2.3.2 PLC 的工作原理 PLC的工作原理与继电器构成的控制装置一样，但是 工作方式不太一样。继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触电立即动作。而 PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作。也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而 PLC 控制则需要输入传送、执行程序命令、输出 3个阶段才能完成控制过程。 2.3.3 PLC 的指令系统 如同计算机编程一样， PLC也有自己的指令系统。 PLC程序就是由指令按照控制要求组合起来的，也可以说， PLC控制系统动作的过程就是 PLC 内部一 条条指令执行的过程。不同 PLC厂家有不同的指令系统。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -12- 2.3.4 PLC 的编程工具 每个 PLC公司都有自己的编程器一般比较小，而且比较轻，适合在现场使用。但是它只能使用助记符语言对 PLC进行编程，而且由于屏幕较小，每次只能显示一两行程序，难于对程序从整体上进行分析。 PLC公司提供的编程软件则能使用梯形图、助记符或功能块图语言进行编程，通过编程软件，不仅能在一个屏幕上看到十几页，甚至几十页的程序，从宏观上对程序进行编程和分析，而且它还能对程序的运行情况进行监视。 2.4 选题的依据 随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正面临一场历史性的革命。经过了二十多年的发展，近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。电机交流变频调速是当今节电改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的起动、调速和制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的应用范围等优点被国内为公认为最有发展前途的调速方式。 交流异步电动机是一个非线性，强祸合的对象，异步电动机变频调速时传递函数的推导过程是相当复杂的，即使作了很多简化 (例如假设磁势是正弦分布的，磁 路不饱和，没有磁滞与涡流损耗等 )所得到的一组微分方程式也是非线性的，一般不能用解析法来求解，而只能借助于模拟计算机去模拟系统的动态方程或者借助于数字计算机去求取一组数值解，这样用常规的控制方法来实现精确度高的变频调速是较困难的。针对这一情况，采取可靠的 PLC和变频器控制交流异步电机方法 。 变频调速系统主要有以下优点 : (1)整个控制系统结构简单，维护简单。 (2)计算精确，无漂移，控制精度高。 (3)调试简单，通用性强。 (4)监控、通信能力强等。 总之，变频调速系统是值得研究和探讨的，它开辟了变频 调速系统改善系统性能的新途径，具有十分重要的实用价值和广阔的应用前景。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -13- 第 三 章 洗衣机控制系统的硬件设计 3.1 衣机的工作原理 11 洗衣机的工作流程示意图如 3-1图所示 开 始变 频 调 速进 水洗 衣排 水脱 水结 束图 3-1 洗衣机工作流程图 洗衣机的工作流程由开始变频，进水 、 洗衣、排水和脱水 5个过程组成。在半自动洗衣机中 , 进水 、 洗衣、排水和脱水这 4个过程分别用相应的按钮开关来控制。全自动洗衣机中 ,这 4个过程可做到全自动依次运行 ,直至洗衣结束。 自动洗衣机的进水、 洗衣、排水和 脱水是通过水位开关 ,电磁进水阀和电磁排水阀配合进行控制 ,从而实现自动控制的。水位开关是用来控制进水到洗衣机内高 ,中 ,低水位；电磁进水阀起着通 /断水源的作用。进水时 ,电磁进水阀打开 ,将水注入；排水时 ,电磁排水阀打开 ,将水排出；洗衣时 ,洗涤电动机启动；脱水时 ,脱水桶启动。 3.2 洗衣机的 设备控制要求 全自动洗衣机控制系统的要求是能实现“正常运行”和“强制运行”两种控nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -14- 制方式。 1、 正常运行 ，如图 3-2 开 始设 定 水 位按 动 启 动 按 钮停 止 进 水进 水水 到 指 定 水 位计 时 2 S洗 衣 5 次洗 衣 过 程 运 行 3次计 时 2 0 S计 时 3 0 S是 否 排 完正 转 洗 衣排 水脱 水反 转 洗 衣洗 完 报 警计 时 2 0 S计 时 3 S结 束是是是是是是是是否否否否否否否否否否图 3-2 洗衣机正常运行 “正常运行”方式具体控制要求 如下 : nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -15- (1)将水位通过水位选择开关设在合适的位置 (高、中、低 ),按下“启动”按钮 ,开始进水 ,达到设定的水位 (高、中、低 )后 ,停止进水； (2)进水停止 2S 后开始洗衣； (3)洗衣时 ,正转 20S,停止 2S,然后反转 20S,停止 2S； (4)如此循环共 5次 ,总共 220S后开始排水 ,排空后脱水 30S； (5)然后再进水 ,重复 (1)(4)步 ,如此循环共 3次； (6)洗衣过程完成 ,报警 3S并自动停机。 2、 强制停止 ，如图 3-3 开 始正 常 运 行按 动 停 止 按 钮洗 涤 点 击 和 脱 水 桶 停 止 转 动进 水 和 排 水 电 磁 阀 闭 合打 开 手 动 脱 水 开 关脱 水打 开 手 动 排 水 开 关排 水结 束否是是是否否图 3-3 洗衣机的强制停止 (1)若按下“停止”按钮 ,洗衣过程停止 ,即洗涤电机和脱水桶转 ,进水电磁阀和排水阀全部闭合； (2)可用手动排水开关和手动脱水开关进行手动排水和脱水。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -16- 3.3 PLC 控制系统的设计分析 12、 13 1. PLC控制系统的设计基本原则 设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象 (生产设备或生产过程 )的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计 PLC控制系统时，应遵循以下基本原则 : （ 1） PLC的选择除了应满足技术指标的要求之外，特别应指出的是还应重点考 虑该公司的产品的技术支持与售后服务的情况，一般应选择在国内特别是在所设计系统本 着 有着较为方便的技术服务机构或较有实力的代理机构的公司产品，同时应尽量选择主流机型。 （ 2） 最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。 （ 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。 1) 保证控制系统的安全、可靠。 2) 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择 PLC容量时，应适当留有裕量。当 然对手不同的用户要求的侧重点有所不同，设计的原则应 有 所区别，如果以提高产品产量和安全为目标，则应将系统可靠放在设计的重点，甚至考虑采用冗余控制系统 ， 如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化。 2. PLC控制系统的设计的主要内容 PLC控制系统是由 PLC与用户输入、输入设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。因比， PLC控制系统设计的基本内容应包括 : （ 1） 根据生产设备或生产过程的工艺要求，以及所提出的各项控制指标与经济预算，首先进行系统的总体设计。 （ 2） 根据控制要求基 本确定数字 I/O 点和模拟量通道数，进行 I/O 点 的 初步分配，绘制 I/O使用资源图。 （ 3） 进行 PLC系统配置设计，主要为 PLC的选择。 PLC是 PLC控制系统的核心部 ，正确选择 PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -17- PLC,应包括机型的选择、容量的选择、 1/O模块的选择、电源模块的选择等。 （ 4） 选择用户输入设备 (按钮、操作开关、限位开关、传感器等 )、输出设备 (继电器、接触器、信号灯等执行元件 )，以及由输出设备驱动的控制对象 (电动机、电磁阀等 )，这些设备属于一般的电器元件。 （ 5） 设计控 制程序。在深入了解与掌握控制要求与主要控制的基本方式以及应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等方面情况之后。对较复杂的控制系统，可用状态流程图的形式全面地表达出来。必要时还可将控制任务分成几个独立部分，这样可化繁为简，有利于编程和调试。程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、编制语句表 、 程序清单。 控制程序是控制整个系统工作的条件，是保证系统工作正常，安全、可靠的关键。因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止 。 3. PLC控制系统程序设计的步骤 ， 在对一个控制系统 进行设计之前，最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求，只有这样才可能提出准确的、合理的系统总体设计方案，进而实现各个阶段的设计任务。 3.3.1 洗衣机 设计的控制系统构成图 控制 图如下图 3-4所示 ： 启动按钮脱水桶洗涤电动机电磁排水阀电磁进水阀水位检测设备（高中低）水位选择开关（高中低）手动脱水开关手动排水开关停止按钮变频调速图 3-4 PLC 控制图 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -18- 3.4 PLC 和变频器的选择 3.4.1 PLC 型号的选择 14、 15、 16 全自动洗衣机控制采用西门子公司的 S7-200系列整体式 PLC。 PLC实物图如 3-5图所示 ： 图 3-5 PLC 实物图 1、 S7-200系列 PLC简介 （ 1） S7-200系列 PLC的特点： 1）它结构紧凑 2）扩展性良好 3）指令功能强大 4）价格低廉成为当代各种小型控制工程的理想控制器。 （ 2） S7-200PLC的产品： 1）集成一定数字 I/O点的 CPU： CPU221、 CPU 222、 CPU 224、 CPU 226、 CPU 226XM 2）扩展模块：主要有 数字量扩展模块： EM221、 EM222、 EM223 模拟量扩展模块： EM231、 EM 232、 EM 235 通讯模块： EM277、
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