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机械毕业设计
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UPS供电“全自动洗衣机”机械设备控制设计,机械毕业设计
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机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 1 页 /共 25 页 毕业 设计 题目 UPS 供电“全自动洗衣机”运动模式机械设备的控制机制研究 院（系） 机电工程 学院 班级 机电一体化 学号 040802010118 姓名 卢海泉 指导教师 张文凡教授、罗琴老师 完成日期 2006-12-02 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 2 页 /共 25 页 目录 摘要 .1 前言 .1 1.尝试在洗衣机系统中增加不断电的系统 .3 1.1 UPS 创新 简介 .3 1.2 UPS 需要具备的基本功能 .3 1.3 UPS 的工作过程 .4 1.4 UPS 中各控制器设计工作原理要求 .5 1.5 运行与调试 .7 2、 全自动洗衣机控制系统简介和设计要求 .8 2.1 洗衣机的工作说明 .8 2.2 各种电器设备的控制方式及控制要求 .10 2.2.1 电动机机能和特性 .10 2.2.2 液面传感器 .10 3、 全自动洗衣机的 PLC系统设计 .11 3.1控制系统硬件设计 .11 3.2控制系统软件设计 .11 3.2.1I/O地址分配 .12 3.3控制 流程图 .13 3.4状态转移图的设计 .14 3.4.1弄清各状态的功能 .14 3.4.2状态转移图 .15 3.5控制程序梯形图 .16 3.6 调试与运行 .23 4、 结论 .23 参考文献 .24 致谢 .23 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 3 页 /共 25 页 UPS 供电“全自动洗衣机”运动模式机械设备的控制机制研究 摘 要： 本文引用 UPS 供电解决了如何使洗衣机在市电突然断了后还能继续一段时间工作的问题，并 在三菱 PLC 应用的基础上，讲述该种全自动洗衣机运动模式机械设备的控制机制研究，系统编程中包括设计原理、设计过程给出了设计原理框图，流程图和梯形并作相关介绍，并引用 UPS 供电解决了如何使洗衣机在市电突然断了后还能继续一段时间工作的问题。 关键词 UPS 电源 可编程控制器 梯形图 前 言： 生产效率是一个和人们生活有密切关系的物理量。 目前，有的全自动洗衣机上还采用了模糊技术，即洗衣机能对传感器提供的信息进行逻辑推理，自动判别衣服质地、重量、脏污程度，从而自动选择最佳的洗涤时间、进水量、漂洗次数、脱水时间，达到了整个洗涤时间自动化，使用方便，节能节水。 这里我提到 PLC控制应用系统，三菱 PLC是一块集成了计算机的所有组成单元的芯片。它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、，它是超大规模集成电路工艺技术发展的产物，它出现以来，以其这种独特的结构和优点，深受广大用户欢迎和重视，在许多行业都得到了广泛的应用。特别是在控制方面，已进入国民经济的各个领域之中，发挥了很大的效益。选择用 PLC来实现全自动控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，也可以使自动控制系统达到很高的集成 化、智能化，大副度提高被工作效率，减少劳nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 4 页 /共 25 页 动力。 当我在设计系统电路的具体实践中发现， 市场上出售的全自动洗衣机按程控器分类，可分为机电式程控器和微电脑式程控器两大类。机电式程控器的 特点是利用同步电机的旋转来带动控制系统工作，此类洗衣机具有工作可靠，抗干扰能力强，成本低、寿命 长、价格低等优点。微电脑程控器由微型 可编程控制器 和电子元件组成，程控器根据选定的程序发出指令，控 制各个有关部件工作，无需手动即可完成全部的洗衣过程。电子程控器具有结构紧凑、外形美观、操作简便 、精度高、寿命更长等优点，价格比机电式全自 动洗衣机高 ， 目前，机电式全自动洗衣机已逐步 被微电脑全自动洗衣机所取代。 当我在设计系统电路的具体实践中发现， 全自动洗衣机是集洗涤、脱水于一体，并且能自动完成洗衣全过程的洗衣机，真正做到了它工作，您休息。 基于以上种种原因，我尝试着使用一种新型的三菱 PLC设计，来解决以上的问题。在这个控制系统中，我尝试 UPS 作为洗衣机的重要外设，在保护控制数据、保证电网电压和频率的稳定 ,改进电网质量 ,防止瞬时停电和事故停电对用户造成的不便等。 我相信随着微型计算机技术的发展，可编程控制器将向更加集成化、智能化方向不断前进！ nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 5 页 /共 25 页 1 洗衣机系统中增加不断电的系统 在各类工业生产过程中广泛应用的各种电器，对供电系统要求严格控制；还有在日常生活中，如家用电器供电系统控制也必然成为重中之重。但有时市电造成一些不必要的损失，如何解决这个问题呢？ 1.1 创新简介 我 尝试 后备式电源 作为改进洗衣机的电源输入 ，在保护控制数据、保证电网电压和频率的稳定 ,改进电网质量 ,防止瞬时停电和事故停电对用户造成的不便 ， 当市电中断后，由供电分钟 ， 洗衣机仍旧能够正常工作 。 1.2 UPS需要具备的基本功能 （ 1） 为 负载设备提供连续的不间断的交流电能供给。具体采用的技术方法是：平时由电网系统供电，在电网出现异常而突然停电的时候，能够迅速地切换到 UPS 内部电源供电。由于负载设备对供电稳定性的要求不同，对选用的 UPS 的切换速度要求也有所不同。比如， 洗衣机 内部的滤波电容放电只能维持计算机工作 8 10ms 的时间，如果超过这个时间，机器就进入自检重启状态。为了避免出现这些情况，必须要求 UPS 能在停电后 10ms 以内恢复对负载的正常供电， （ 2） 提供电压、频率稳定的，准确的交流电能供给。电网中的一些强脉冲尖峰、高能浪涌等干 扰也会引起计算机等一些电器设备的误操作而带来不必要的损失；市电供应在一些特殊情况下电压也nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 6 页 /共 25 页 会发生较大的波动，对精确设备的工作也会造成不量的影响。因此，UPS 供电系统，实际上还需要起到稳定电压、频率，过滤洁净电源环境等功能。 1.3 UPS的工作过程 洗衣机工作开始， 首先 市电电源先经过输入滤波器，将市电中的高频电磁干扰、射频干扰、尖峰脉冲等干扰进行吸收、抑制处理，然后分成四路进入下面不同的处理部分： （ 1）送到具有 “ 功率团数校正功能 ” 的整流器输人端进行整流处理。 （ 2）进入 UPS 锁相同步电路，提取同步信 号以便逆变器在市电停电时将蓄电池组产生的直流电进行瞬时同步逆变，保证负载侧供电的同步连续性。 （ 3）经充电器对 UPS 所配置的蓄电池组进行 “ 浮充 ” 式充电，以便市电中断时向逆变器提供充足的逆变能源。其浮充电压应为电池组标称端电压的 1.125 倍。 （ 4）直接经交流旁路供电通道馈送到切换开关的常闭触点上。这样设计的目的是为了在当逆变器或微处理器发生故障时直接由市电向负载供电避免负载供电中断，同时，启动蜂鸣器报警，提示值班人员采取措施。这也是 UPS 高可靠性的一个体现。 其工作过程如图 1.1 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 7 页 /共 25 页 图 1.1 1.4 UPS设计 中各控制器 设计 工作原理 要求 （ 1） 整流器将输入的无干扰市电整流为幅值稳定的直流高压电源送到逆变器的直流总线输入端，当市电正常时，整流输出电压高于DC DC 输出的直流电压，开关二极管 D 截止，蓄电池不向逆变器提供逆变电源。逆变器在微处理器提供的正弦脉宽调制脉冲的控制下，将整流器输出的高 压直流电逆变成标准的 50Hz 的正弦波电源。 当市电中断时或市电过高过低时在微处理器的控制下， DC DC 直流变换器立即投入运行，将蓄电池的直流低电压提升到完全符合逆变器输入所要求的较高电压，再经逆变器向负载输出标准波形交流电源。 为了保证市电中断时， UPS 机内的控制电路继续工作，控制电路所需静态开关 1 静态开关 2 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 8 页 /共 25 页 的直流电压不是取自市电输入端，而是由蓄电池组的直流电源经 DC DC 变换得到的。 （ 2） “ 同步 锁 相电路 ” 除了实现主备电源的同步切换外，还能使逆变器输出的电压频率保持在所要求的误差范围内（即同步窗口）。当市电频率超 过这个范围时，逆变器电源不再跟踪市电电源，而同步于本机石英晶体振荡频率 50Hz 0.5，从而确保逆变器输出电压频率稳定在同步窗口之内。 （ 3） “ 输入功率因数校正电路 ” 的作用是使进入整流器的输入电流和电压保持良好的相位一致的关系，提高输入功率因数，同时也就提高了对市电的利用率。 （ 4） “ 自动保护电路 ” 具有两种主要的保护功能，一是逆变器输出过载或短路的自动保护，它可以有效地防止逆变器中的 IGBT 等大功率开关元件在负载短路时被烧毁。二是电池电压过低自动保护。 UPS在市电中断或不正常时将会把蓄电池 组的能量立即提供给逆变器，随着蓄电池放电时间的延长，电池所存贮的能量逐渐释放出来，电池的电压也随之降低，当下降到阈值电平时，为防止电池组因过度放电而损坏，保护电路会立即停止逆变器的工作，中断电池组的放电过程。 “ 逆变器输出电压负反馈电路 ” 。在逆变器输出电路中，通过建立“ 逆变器输出 微处理器 逆变器 PWM 调节 逆变器输入 ” 这样一个电子负反馈闭环控制回路，可确保 UPS 向负载提供电压误差 2的高精度稳压电源。 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 9 页 /共 25 页 （ 5）由市电旁路供电到蓄电池直流供电的切换 当市电掉电时，随着静态开关 1（旁路）关断的同时，关断静 态开关 1 的触发脉冲，并对静态开关 2 进行触发，使其被触发导通。 （ 6）由直流供电到市电交流旁路供电的切换 如图 8 所示，首先关断静态开关 2 的触发脉冲，当市电电压正半周到来的瞬间，将静态开关 1（旁路）触发导通，用市电电压正半周的峰值（ 311V）大于蓄电池电压（ 300V）的值来关断静态开关 2。 工作过程如图 1.2 所示 图 1.2 用市电正半周电压峰值关断静态开关 2 的示意图 1.5运行与调试 应用该系统功能当把该电源接入洗衣机中， UPS 输出接 PLC 可控制器驱动电机负载， 当市电正常时，通过内部的整流、稳压、滤波，直接输出电压，并对机内的蓄组浮充电，电池及逆变等器件都处于后备状态；当市电中断时，蓄电池组由充电状态变为放电状态，各部件处于逆变状态，经逆变器和升压器处理输出电压供 洗衣机 PLC 可控制器 驱动负载 使用 如图 1.3 。 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 10 页 /共 25 页 输 入 输出 市电正常 市电故障 图 1.3 综上所述， UPS 的工作过程中电源的变换顺序是， 220V 交流市电变为直流电，通过逆变器再将直流电变换为交流电。通过这样的变换过程， UPS 向负载提供的电源具有如下显著的特点：（ 1）稳压精度高；（ 2）频率稳定度高；（ 3）谐波少；（ 4）波形失真小。 从而确保洗衣机还在市电中断时仍旧可以工作。 2 全自动洗衣机控制系统简介和设计要求 2.1 洗衣机工作说明 全自动洗机的洗衣桶（外桶）和（内桶）是以同一中心安放的外 外桶固定，作盛水用。内桶可以旋转，作脱水（甩干）用。内桶的四周有很多小孔，使内、外桶的水流相通。 全自动洗衣机的结构 如 图 2.1 所示 滤波 转换开关 充电器 电池 逆变器 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 11 页 /共 25 页 图 2.1 通过增加 UPS 不断电系统 全自动洗衣机电路图如图 2.2 所示 图 2.2 过滤器 排水阀 排水管 洗涤物 密封圈 洗涤液 玻璃视孔 圆形前窗 操作面板 洗涤剂 小皮带轮 主电动机 三角传动带 排水管 洗涤液筒 轴承体 大皮带轮 进水电磁阀 进水 进水 脱水 进水阀 指示灯 水位选择 定时器 洗涤选择 排水阀 电动机 脱水阀 UPS 开关 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 12 页 /共 25 页 这种洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时，通过电控系统使水阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干，高、低位开关分别用来检测高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作。 2.2各种电器设备的控制方式及控制要求 2.2.1电动机的机能和特性 洗衣机的电动机是一种 单相交流电源供电的旋转式单相异步电动机，具有结构简单，成本低廉，运行可靠等一系列优点，该洗衣机利用了电动机正反转原理实现顺序流程。 2.2.2传感器 采用接近开关作为水位检测用，接近开关有三根连线（红、蓝、黑），红色接电源的正极，黑色接电源的负极，蓝色为输出信号，当与水位液面接近时输出电平为低电平，否则为高电平，其结构如图 2.1所示： 图 2.3 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 13 页 /共 25 页 3 全自动洗衣机的 PLC 系统设计 3.1 控制系统硬件设计 PLC 硬件设计是指 PLC 外部设备的设计。在硬件设计中要 进行输入设备的选择（如控制按钮、开发及计算机保护装置的输入信号等），还有执行元件的选择以及控制台、柜的设计等，硬件设计还包括 PLC 输入输入 /输出通道的分配，为便于程序设计和阅读，常作出I/O 通道分配表 ，表中包含有 I/O 编号，设备代号、名称及功能等。 洗衣机控制系统电气原理图如图 3-1 所示 图 3.1 3.2 控制系统软件设计 软件设计主要是指编写工艺流程图，即将整个流程分解为若干步，确定每步的控制要求及转移条件，配合定时计数、分支、循环、跳转及某些特殊功能指令便可完成梯形图的 设计。 FU2 FU2 FX2N -32MRnts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 14 页 /共 25 页 3.2.1 I/O 地址分配 I/O 地址分配如表 3.1 表示 名称 符号 定义号 名称 符号 定义号 启动按钮 SA X0 蜂鸣器 HA Y6 低水位限位检测开关 ST1 X1 进水电磁阀 YV1 Y0 高水位限位检测开关 ST2 X2 排水电磁阀 YV2 Y3 洗涤方式选择按钮 SB2 X3 脱水电磁阀 YC Y5 低水位选定显示 LED4 Y4 电动机正转接触器 KM1 Y1 高水位选定显示 LED3 Y7 电动机反转接触器 KM3 Y2 元件明细表 3.2： 代号 名称 型号 规格 数量 用途 M1 单相异步电动机 YL17-132 250W 1 驱动负载 FU1 熔断器 RL1-60/30 60A、 容体 2 电源保护 FU2 熔断器 RL1-15 15A、容体 2 控制电路保护 KM1 接触器 CJ0-10 线圈电压 220V 1 电机正转 KM2 接触器 CJ0-10 线圈电压220V 1 电机反转 FR 热继电器 JR10-10 整定电路 9.5A 1 M1过载保护 SB1 按钮 SB1 绿色 1 启动按钮 ST1 高水位传感器 ST1 绿色 1 感应 ST2 低水位传感器 ST2 绿色 1 感应 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 15 页 /共 25 页 3.3控制流程 图 洗衣机工作流程如 图 3.2 所示。 图 3.2 PLC 投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。启动时开始进nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 16 页 /共 25 页 水，水满（即水位到达高水位）时停止进水，若选择洗衣机一般洗涤，洗衣机开始正转洗涤 8S 后暂停。暂停 2S 后又开始反转洗涤。反转8S 后暂停 2S；若在进水后选择强洗，洗衣机开始正转 2S 暂停。暂停3S 后又开始反转洗涤，反转 2S 后暂停 3S， 弱洗涤方法 是在 满 6 次 后开始， 若正、反转未满 6 次，则返回从正转 洗涤开始： 强洗涤方法是在满 5 次后开始排水，若正、反转未满 5 次，则返回从正转洗涤开始若正、反转满 5 次后。则开始排水 如果排水 下降到底水位时开始脱水排出，脱水 10S 后即完成一次从进水到脱水的大循环过程。若未完成 3 次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环：若完成 3 次循环，则进水洗完报警。报警 5S 后结束全部过程，自动停机。 3.4 状态转移图的设计 状态转移图的设计，是运用状态编程思想解决顺序控制问题的过程，该过程分为：任务分解，弄清每个状态功能，找出每个状态的转移条件及方向和设置初始状态四个阶段，下 面说明全自动洗衣机控制系统状态转移图的设计过程。 3.4.1 弄清 各 状态的功能 S20 进水电磁阀得电打开 Y000 为 ON S21 高水位显示 Y007 为 ON S22 弱正转洗涤 8S Y001 为 ON，定时 T0 K80 S23 暂停 2S T1 为 ON， K20，延时 2S nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 17 页 /共 25 页 S24 弱洗反转洗涤 8S Y002 为 ON，定时 T2 K80 S25 暂停 2S T3 为 ON， K20，延时 2S 洗涤次数计数 5 次， C0 K6 S26 强洗正转洗涤 2S Y010 为 ON，定时 T4， K20S S27 暂停 3S T5 为 ON， K30，延时 3S S28 强洗反转洗涤 2S Y001 为 ON，定时 T6 K20 S29 暂停 3S T7 为 ON， K30，延时 3S 洗涤次数计数 3 次 ,C1 K5 S30 使 排水电磁阀 得电 打开 Y003 为 ON S31 低水位显示 Y004 为 ON S32 脱水 排 水电磁阀打开 Y003 为 ON 脱水 离合器得电 Y005 为 ON 电机正转 Y001 为 ON 脱水定时 10S T8， K100S S33 报警 (蜂鸣器工作 ) Y006 为 ON，定时 T5 K50 3.4.2 状态转移图的设计 找出各状态的转移条件和转移方向 ，将系统中各状态连接成状态转移图，并 设置 初始条件，结果如图 3.3 所示： nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 18 页 /共 25 页 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 19 页 /共 25 页 3.5 控制程序梯形图 全自动洗衣机梯形图 3-5 所示 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 20 页 /共 25 页 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 21 页 /共 25 页 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 22 页 /共 25 页 图 3-5 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 23 页 /共 25 页 指令表如图 3-6 所示： nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 24 页 /共 25 页 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 25 页 /共 25 页 图 3-6 nts机电工程 学院 毕业设计（论文）： UPS 供电 ”全自动洗衣 ”运动模式机械设备的 控制 机制研究 第 26 页 /共 25 页 3.6 调试与运行 FX2N 系列 PLC 机器上有两组电源端子，分别用于 PLC 电源的输入和输入回路所用直流电源的供出。其中 L、 N 是 PLC 的电源接 UPS电源输出 端 ，以保证在洗衣过程市电突然中断影响 洗衣机正常工作，PLC 机器上的 24+、 COM 是机器为输入回路提供的直流 24V 电源，为减少接线，其正极在机器内已与输入回路连接。当某输入点需给定输入信号时，只需将 COM 通过输入设备接至对应的输入点，一旦COM 与对应点接通，该点就为 ON，此
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