PLC和变频器在工业洗衣机控制中的.doc

论文 PLC 和变频器在工业洗衣机控制中的 应用设计 学 生 姓 名 学 生 学 号 院 系 年 级 专 业 指 导 教 师 助理指导教师 二 一一年六月 I 摘 要 随着社会经济的发展和科学技术水平的提高 工业全自动化成为必然的 发展趋势 工业全自动化洗衣机的产生极大的方便了企业的生产 国产工业 洗衣机经过几年的平稳发展 无论在质量上还是功能上都和世界领先水平同 步 纵观洗衣机市场 高效节能 省水 省电 环保型洗衣机一直在市场上 占主导地位 根据工业全自动洗衣机的工作原理 利用可编程控制器和变频器实现控 制 PLC 的优点是 可靠性高 耗电少 适应性强 运行速度快 寿命长 等 变频器的优点是高效 节能等 为了进一步提高工业洗衣机的功能和性 能 避免传统控制的一些弊端 就提出了用 PLC 和变频器来控制工业洗衣 机这个课题 该论文就怎样利用 PLC 和变频器来控制工业洗衣机进行了调 查 对其中软件设计 硬件设计等问题进行了分析和研究 实现了工业洗衣 机的正常运行和强制性停止功能 关键词 工业洗衣机 可编程控制器 变频器控制 II ABSTRACT As social and economic development and raising the level of science and technology industrial fully automated an inevitable trend of development Industrial production of fully automated washing machine very convenient for the production After several years of industrial washing machines made the smooth development or function in terms of both quality and world leading level of synchronization Throughout the washing machine market energy efficient save water and energy saving environment friendly washing machine has been dominant in the market According to the working principle of automatic washing machine industry the use of programmable controller and inverter to achieve control PLC s advantages are high reliability low power consumption adaptability fast and long life Inverter has the advantage of high efficiency energy saving etc in order to further improve the functionality and performance of industrial washing machines to avoid some shortcomings of traditional control proposed the use of PLC and frequency converter to control the industrial washing machine this topic The paper on how to use PLC and frequency converter to control the industrial washing machine for the investigation including software design hardware design issues such as analysis and research to achieve the normal operation of industrial washing machine and the compulsory stop function Key words industrial washing machine PLC frequency converter control I 目 录 摘摘 要要 I ABSTRACTABSTRACT II 1 1 绪论绪论 1 1 11 1 课题背景课题背景 1 1 21 2 本课题所做的工作本课题所做的工作 1 2 2 工业洗衣机概述工业洗衣机概述 2 2 12 1 工业洗衣机发展史工业洗衣机发展史 2 2 22 2 工业洗衣机的工作原理及结构工业洗衣机的工作原理及结构 2 2 32 3 工业洗衣机工艺流程及动力要求工业洗衣机工艺流程及动力要求 3 3 3 变频器简介变频器简介 4 3 13 1 变频器的基本原理及特点变频器的基本原理及特点 4 3 1 1 变频调速原理 4 3 1 2 变频器分类及特点 4 3 23 2 变频器应用前景变频器应用前景 7 3 33 3 变频器的选择变频器的选择 7 3 3 1 变频器种类的选择 7 3 3 2 变频器的规格和指标选择 8 3 3 3 变频器容量的选择 8 3 43 4 三菱三菱 FR A540FR A540 通用变频通用变频器器 9 3 4 1 FR A540 变频器控制端子接线 9 3 4 2 端子接线说明 10 4 4 工业洗衣机控制系统的硬件工业洗衣机控制系统的硬件 14 4 14 1 PLCPLC 简介简介 14 4 24 2 PLCPLC 的硬件选择的硬件选择 15 4 2 1 PLC 机型的选择原则 15 4 2 2 CONTROLLOGIX PLC 系统概述 15 4 2 3 输入模块的选择 17 4 2 4 输出模块的选择 17 4 2 5 PLC 的通信网络 18 4 2 6 PLC 控制器的选择 18 4 2 7 底板或机架 19 4 2 8 电源模块的选择 19 4 2 9 综述 19 II 4 34 3 控制综合连接控制综合连接 20 5 5 工业洗衣机控制系统软件工业洗衣机控制系统软件 21 5 15 1 R RSLOGIXSLOGIX50005000 软件介绍软件介绍 21 5 1 1 Rslogix5000 软件的功能 21 5 1 2 Rslogix5000 软件的安装步骤 21 5 1 3 设计所用的主要指令介绍 22 5 25 2 工业洗衣机程序设计工业洗衣机程序设计 22 5 2 1 PLC 输入输出地址分配 22 5 2 2 变频器参数设定 23 5 2 3 工业洗衣机控制流程 24 结结 论论 27 参参 考考 文文 献献 28 致致 谢谢 29 1 1 绪论 1 1 课题背景 洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电 已经成为人们生活中不可缺 少的家用电器 在工业生产中的应用也十分广泛 本课题在于对工业用洗衣 机的研究 工业用洗衣机适用于宾馆 饭店 医院 学校 工厂等领域 满 足大容量的洗衣要求 但是传统的基于继电器的控制 已经不能满足人们对 洗衣机的自动化程度的要求了 必须借助于自动化技术的发展 工业洗衣机 洗涤与脱水时的转速相差很大 通常使用变极电动机或数台一般电动机用离 合器切换运转 由于负载惯性很大 为了获得很大启动转矩特性要采用较大 的电阻的电动机 减速时需制动装置 由于工业洗衣机电机为直接启动或 Y 启动 启动电流等于 3 7 倍额定电流 这样会对机电设备和供电电网造 成严重的损坏 而且会对电网容量要求过高 启动时产生大的电流和震动对 设备的使用寿命极为不利 鉴于以上问题 采用 PLC 和变频器对工业洗衣 机进行改造 PLC 与人机界面的实时数据交换功能 从根本上解决设备控 制线路繁锁 故障点多 操作复杂等一系列问题 有效的提高设备生产效率 与设备性能 用变频器控制电动机即可实现一台电动机从低速到高速大范围 调速而且装置可做很小 控制性和操作性都得到很大提高 平衡了过程中洗 衣桶的转速 缩短了工作周期时间 1 2 本课题所做的工作 本课题以企业对工业洗衣机的实际需求为例 综合应用了相关的专业知 识研究了 PLC 和变频器对工业洗衣机控制系统的设计与实现 本文所做的 工作主要有 综合分析了控制系统的设计要求 分析了工业洗衣机控制系统中被广泛应用的变频调速原理及 PLC 的 控制 介绍了 PLC 和变频器等主要设备 重点设计了工业洗衣机控制系统的硬件电路 其中重点设计并论述了 PLC 控制电路的设计思路并给出了设计图及 PLC 和变频器的外部端子连接 重点设计了工业洗衣机控制系统各部分的软件 其中利用 RSLogix5000 设计出了系统人机界面程序 并给出了系统关键梯形图程序 2 2 工业洗衣机概述 工业用洗衣机是指额定洗涤容量大于 6kg 应用于专业洗涤部门及服务 行业使用的洗衣机 目前工业用洗衣机的主要结构是滚筒式 近年来在家用 全自动洗衣机大力推广的影响下 大型工业用洗衣机也从原来的继电器控制 方式逐步进入全自动控制时代 大型工业用洗衣机在全国各医院 酒店宾馆 及大型企业应用广泛 2 1 工业洗衣机发展史 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 美国又出现了蒸气洗衣机 蒸气动力开始取代人力 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 电动洗衣机几经完善 在 1922 年迎来一种崭新的洗衣方式 搅拌式 搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功 这种洗衣机是在筒中心装上一 个立轴 在立轴下端装有搅拌翼 电动机带动立轴 进行周期性的正反摆动 使衣物和水流不断翻滚 相互摩擦 以此涤荡污垢 搅拌式洗衣机结构科学 合理 受到人们的普遍欢迎 不过 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 2 2 2 工业洗衣机的工作原理及结构 工业洗衣机一般采用滚筒式的洗衣方式 由电机通过皮带变速带动内 胆转动 衣物在滚筒中不断地被提升摔下 再提升再摔下 做重复运动 加上洗衣粉和水的共同作用使衣物洗涤干净 因为衣物在洗涤过程中不缠绕 洗涤均匀 磨损小 所以就连羊绒 羊毛 真丝衣物也能在机内洗涤 工业洗衣机主要由外筒 转筒 传动部分 电器控制柜 左右密封罩 3 布 质 布 量 洗涤方式 浑浊程度 电机速度 洗涤时间 进水量 洗涤剂量 模糊 决策 管路仪表及放水阀等部件组成 转筒采用优质不锈钢板制成 有双舱室结构 和单舱室结构两种 运转平稳 取衣方便 外筒的轴承座上设计有密封装置 其密封可用压紧圈调节 洗衣机外壳上装有安全栓 用以支撑打开后的转筒 门 转筒的正反转由电器部分自动控制 放水阀采用手提式 放水速度快 2 3 工业洗衣机工艺流程及动力要求 整个洗涤过程分为进水 洗涤 排水 脱水四个部分 起动时开始进水 水位到达高水位时停止进水 并开始洗涤正转 洗涤正转 15s 暂停 3s 洗 涤反转 15s 暂停 3s 为一次小循环 若小循环不足 3 次 则返回洗涤正转 若循环达 3 次 则开始排水 水位下降到低水位时开始脱水并继续排水 脱 水 20s 即完成一次大循环 大循环不足 3 次 则返回进水 进行下一次大循 环 若完成 3 次大循环 则进行洗完报警 报警后 10s 结束全部过程 自动 停机 对于工业洗衣机滚筒来说 洗涤和漂洗过程是频繁的正 反转运行过程 均布排水过程是排除滚筒内洗涤用水并将衣物均匀分布在滚筒周围的平衡过 程 脱水是高速运转甩出衣物内含水的过程 干燥则是长时间的低速运转过 程 为了确定各过程的运行时间和转速 需要通过安装在洗衣机内部的各种 传感器检测衣物布质 布量 洗涤方式 混浊度等 再经过模糊决策的方法 得出最佳的洗涤策略 如图 2 1 所示 图 2 1 洗涤策略图 4 3 变频器简介 实现变频调速的装置称为变频器 变频器一般由整流器 滤波器 驱动 电路 保护电路以及控制器等部分组成 变频器主要用于交流电动机 异步 电机或同步电机 转速的调节 是公认的交流电动机最理想 最有前途的调 速方案 除了具有卓越的调速性能之外 变频器还有显著的节能作用 是企 业技术改造和产品更新换代的理想调速装置 自上世纪 80 后代被引进中国 以来 变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备 得 到了快速发展和广泛的应用 3 1 变频器的基本原理及特点 3 1 1 变频调速原理 变频调速器将电网中的三相交流电整流成直流电后 通过逆变器再将直 流电逆变成电压可调 频率可调的三相交流电驱动异步电动机 实现调速和 节电 三相异步电机转速为 式 211 1 60 1 nnsfsp 3 1 上式中 n2 转子转速 r min n1 同步转速 p 极对数 f1 电源频率 Hz s 转差率 由式 3 1 可知 转速可以通过改变电源频率 绕组的极对数或转差 率等进行改变 一般 p s 不变 即 21 nf 3 1 2 变频器分类及特点 从结构上看变频器可分为交 直 交 交 交变频器 电压源型和电流源型 逆变器 交 直 交变压变频器 交 直 交变压变频器先将交流电源通过整流器变换成直流 在通过逆变 器变换成可控频率和电压的交流 如图 3 1 所示 5 AC 50Hz 恒压恒频 CVCF 中间直流环节 变压变频 VVVF 整流 逆变 AC 由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个中间直 流环节 所以又称为间接式的变压变频器 具体的整流和逆变电路种类很多 当前应用最广泛的是由二极管组成的不可控整流桥和由功率开关器件 P MOSFET IGBT 等 组成的脉宽调制 PWM 逆变器 简称 PWM 变压变 频器如图 3 2 所示 PWM逆变 调压调频 AC 50Hz 恒压恒频 CVCF 中间直流环节 变压变频 VVVF AC PWM 变压变频器之所以如此广泛 由于它具有如下的一系列优点 1 在主电路和逆变两个单元中 只有逆变时可控 通过它同时调节电 压和频率 结构简单 采用全控型的功率开关器件 只通过驱动电压脉冲进 行控制 电路也简单效率高 2 输出电压波形是一系列的 PWM 波但由于采用了恰当的 PWM 控制 r 技术 正弦基波的比重较大 影响电动机运行的低次谐波受到很大抑制 因而转矩脉动小 提高了系统的调速范围和稳态性能 3 逆变器同时实现调压调频 动态响应不受中间直流环节滤波器参数 的影响 系统的动态性能也得到提高 4 采用不可控的二极管整流 电源侧功率因素较高 且不受逆变输出 电压大小的影响 图 3 1 交 直 交 间接 变压变频基本结构 图 3 2 交 直 交 PWM 变压变频器的基本结构 6 PWM 变压变频器常用的功率开关器件有 P MOSFET IGBT GTO 和 替代 GTO 的电压控制器件如 IGCT IEGT 等 受到开关器件额定电压和电 流的限制 对于特大容量电动机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管 SCR 并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交 直 交变压变频器如图 3 3 所示 AC 50Hz 恒压恒频 CVCF 中间直流环节 变压变频 VVVF AC SCR 可控整流器 六拍 逆变器 调压 调频 交 交变压变频器 交 交变频器在结构上没有明显的中间直流环节 或者叫 中间直流储 能环节 或 中间滤波环节 来自电网的交流电被直接变换为电压 频率 均可调的交流电 所以称为直接式变频器 电压源型和电流源型逆变器 在交 直 交变压变频器中 按照中间直流环节直流电源性质的不同 逆 变器可以分成电压源型和电流源型两类 两种类型的区分在于直流环节采用 怎样的滤波器 如图 3 4 绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图 逆变器 逆变器 Ld Cd Id a b Ud Ud 1 电压源型逆变器 Voltage Source Inverter VSI 直流环节采用大 电流滤波 因而直流电压波形比较平直 在理想情况下时一个内阻为零的恒 图 3 3 可控整流器调压 六拍逆变器调频的交 直 交变压变 频器 a 电压源逆变器 b 电流源型逆变器 图 3 4 电压源型和电流源型逆变器示意图 7 压源 输出交流电压时为矩形波或阶梯波 14 2 电流源型逆变器 Current Source Inverter CSI 简称电流源型逆变 器直流环节采用大电感滤波 直流电流波形比较平直 相当一个恒流源 输 出交流电流时为矩形波或阶梯波 7 9 3 2 变频器应用前景 变频器调速大大的节省了能耗 中国是能耗大国 能源利用率很低而能 源储备不足 在电力消耗中 60 70 为动力电 而在电动机带变频控制 的比重占有非常少 是电力能耗的重点 因此国家大力提倡节能措施 并着 重推荐变频调速技术 电动机系统节能是国家发展和改革委员会启动的十大重点节能工程之一 国家发展规划要求当前应推广变频调速节能技术 鼓励企业使用变频调速技 术 慢慢的工业机械都尽可能采用交流电动机变频调速工艺调速技术 电动 机系统节能是目前中国市场上最具商业潜力的领域 应用变频调速 可以大幅度提高电动机转速控制精度 使电动机在最节 能的转速下运行 在工业中 许多变动负荷电动机一般按最大需求来生产电 动机容量 故设计裕量偏大 而在实际运行中 轻载运行的时间比例却非常 高 如采用变频调速 可以大幅度提高轻载运行时的工作效率 因此变动负 荷的节能潜力巨大 11 3 3 变频器的选择 随着电力电子技术 计算机技术 控制技术的发展 变频器的功能 性 能得到了很大的提高 根据其性能及控制方式不同可分为通用型 多功能型 高性能型 其控制方式也依次分为 U f 控制 电压型 PWM 控制 矢量控制 等 根据生产的需要 在变频器性能规格 容量等方面进行选择 3 3 1 变频器种类的选择 根据负载机械的工作特点 结合对调速范围 调整精度和经济性的要求 选择不同种类的变频器来控制运行 通用型变频器 一般采用 U f 控制方式 适用于风机 泵类负载场合 其节能效果显著 调整范围和调整精度较低 因此成本较低 多功能通用变频器 多功能变频器主要适应工业自动化类的高速 高效需求 工业洗衣机一般采用通用型变频器 8 3 3 2 变频器的规格和指标选择 在选择变频器时 会接触到许多厂家提供的各类变频器的产品样本 这 些样本主要介绍变频器的系列型号 特点以及各种功能的指标 根据自己的 实际需要 就这些产品的性能 指标进行比较 筛选 以确定适合自己的变 频器 型号 一般厂家自定的系列名称 包括电压等级和可适配电机的容量 电压级别 根据各国的工业标准或用途不同 其电压级别也各不相同 在选变频器 时 首先应注意其电压级别是否与电源电压和电机的电压相适合 最大适配电机 在最大适配电机一栏中 通常给出最大适配电机的容量 应该注意这个 容量一般以 4 极普通异步电动机为对象 电源 变频器对电源的要求主要有电压 频率 允许电压变化率和允许频率变 化率等三个方面 控制特性 1 电压型还是电流型 2 U f 控制 转差频率控制方式或矢量控制 3 输出频率范围 一般最低为 0 1Hz 最高频率因变频器性能而异 3 3 3 变频器容量的选择 变频调速是通过变频器来实现的 对于变频器的容量确定至关重要 合 理的容量选择本身就是一种节能降耗措施 根据现有资料和经验 比较简便 的方法如下 电机实际功率确定法 首先测定电机的实际功率 以此来选用变频 器的容量 公式法 设安全系数取 1 05 则变频器的容量为 b P 式 3 2 cos 05 1 kwyhPP mmb 式 3 2 中 为电机负载 为电机功率 m P m h 计算出 Pb后 按变频器产品目录可选出具体规格 综上所述 工业洗认机一般采用通用型变频器 采用 U f 控制方式 由 于它的电机的频繁变速 因此选用电流源型变频器 最后经过再三的筛选 确定选用三菱 FR A540 变频器 8 9 9 3 4 三菱 FR A540 通用变频器 三菱通用变频器是日本三菱电机株式会社的产品 三菱通用变频器是采 用最新柔性 PWM 控制技术 使噪音减小 加强了抑制射频干扰能力 采用 直接监视控制主回路的智能驱动电路 使低速性能提高 3 4 1 FR A540 变频器控制端子接线 FR A540 变频器的各电路接线端子 如图 3 5 其中同心圆表示主电路 接线端子 空心圆表示控制电路输入接线端子 实心圆表示控制电路输出接 线端子 异常端子 模拟信号输出 DC 0 10v 公共端 辅助输入 电流输入 频度设定电位 器 1 2W 漏型 输入公共端 瞬时掉电再起动选择 复位 电流输入选择 直流24V输出和外部晶体管公共端子 正转起动 反转起动 起动自保持选择 高速 中速 低速 点动模式 第二加 减速度时间选择 输出停止 运行 频率达到 瞬时停电 过负载 频率检测 集电极开路输出公共端 指示仪表 切换 模拟信号公共 端 切换 刻度校正阻抗 接 地 电动机 PU接口 RS 485 三相交流电源 短路片 当用FR BEL时请卸 掉此短路片 短路片 当用FR ABR时请卸 掉此短路片 注 端子PR PX在0 4 7 5KW中装有 短接片 控制电路输入信号 无电源输入 频率设定信号 模拟 图 3 5 控制端子接线图 10 3 4 2 端子接线说明 主回路端子说明如表 3 1 表 3 1 主回路端子说明 端子记号端子名称说 明 R S T 交流电源 输入 连接工频电源 当使用高功率因数转换器时 确保这些端 子不连接 FR HC U V W 变频器 输出接线 三相鼠笼电机 R1 S1 控制回路 电源 与交流电源端子 R S 连接 在保持异常显示和异常输出时或 当使用高功率因数转换器时 FR HC 时 请拆下 R R1 和 S S1 之间的短路片 并提供外部电源此端子 P PR 连接制动 电阻器 拆开端子 PR PX 之间的短路片 在 P PR 之间连接选件制动 电阻器 FR ABR P N 连接制动 单元 连接选件 FR BU 型制动单元或电源再生单元 FR RC 或高功 率因数转换器 FR HC P P1 连接改善功 率因数 DC 电抗器 拆开端子 P P1 间的短路片 连接选件改善功率因数用电抗 器 FR BEL PR PX 连接内部制 动回路 用短路片将 PX PR 间短路时 出厂设定 内部制动回路便生效 7 5K 以下装有 接地变频器外壳接地用 必须接大地 控制回路端子说明如表 3 2 表 3 2 控制回路端子说明 类型 端子 记号 端子 名称 说 明 STF正转启动 STF 信号处于 ON 便正转 处于 OFF 便 停止 STR反转启动STR 信号 ON 为逆转 OFF 为停止 当 STF 和 STR 同时处 于 ON 时 则 停止 STOP启动自保持使 STOP 信号处于 ON 可以选择启动信号自保持 输 启 动 点RH用 RH RM 和 RL 信号的组合输入端子功 11 RM RL 多段速度 选择 可以选择多段速度 JOG 点动模式 选择 JOG 信号 ON 时选择点动运行 用启动 信号 STF 和 STR 可以点动运行 RT 第 2 加 减速 时间选择 RT 信号处于 ON 时选择第 2 加减速时间 能选 Pr 180 到 Pr 186 用 于改变端功 能 MRS输出停止 MRS 信号为 ON 20ms 以上 时 变频器输出停止 用 电磁制动停止电机时 用于断开变频器的输出 RES复位 用于解除保护回路动作的保持状态 使端子 RES 信号 处于 ON 在 0 1 秒以上 然后断开 AU 电流输入 选择 只在端子 AU 信号处于 ON 时 变频器才 可用直流 4 20mA 作为频率设定信号 CS 瞬停电再启 动选择 CS 信号预先处于 ON 瞬时停电再恢复 时变频器便可自动启动 但用这种运行 必须设定有关参数 因为出厂时设定为 不能再启动 输入端子功 能选 Pr 180 到 Pr 186 用 于改变端功 能 SD 公共输入端 子 漏型 接点输入端子和 FM 端子的公共端 直流 24V 0 1A PC 端子 电源的输出公共端 入 信 号 功 能 设 定 PC 直流 24V 电 源和外部晶 体管公共端 接点输入公 共端 源型 当连接晶体管输出 集电极开路输出 例如可编程控 制器时 将晶体管输出用的外部电源公共端接到这个 端子时 可以防止因漏电引起的误动作 这端子可用于 直流 24V 0 1A 电源输出 当选择源型时 这端子作为 接点输入的公共端 10E 10VDC 容许负荷 电流 10mA 10 频率设定用 电源5VDC 容许负荷电 流 10mA 按出厂设定状态连接频率设定电 位器时 与端子 10 连接 当连接 到 10E 时 请改变端子 2 的输入 规格 2 频率设定 电压 输入 0 5VDC 或 0 10VDC 时 5V 10VDC 对应于为最 大输出频率 输入输出成比例 用参数单元进行输入 直流 0 5V 出厂设定 和 0 10VDC 的切换 输入阻抗 10K 容许最大电压为直流 20V 模 频 率 设 4频率设定DC4 20mA 20mA 为最大输出频率 输入 输出成比例 12 电流 只在端子 AU 信号处于 ON 时 该输入信号有效 输入阻 抗 250 容许最大电流为 30mA 1 辅助频率 设定 输入 0 5VDC 或 0 10VDC 时 端子 2 或 4 的频率 设定信号与这个信号相加 用参数单元进行输入 0 5VDC 或 0 10VDC 出厂设定 的切换 输入阻 抗 10K 容许电压 20VDC 拟定 5 变频设定 公共端 频率设定信号 端子 2 1 或 4 和模拟输出端子 AM 的公 共端子 请不要接大地 A B C 异常输出 指示变频器因保护功能动作而输出停止的转 换接点 AC200V 0 3A 30VDC 0 3A 异常时 B C 间不导通 A C 间导通 正常时 B C 间导 通 A C 间不导通 RUN 变频器正在 运行 变频器输出频率为启动频率 出厂时为 0 5Hz 以上时为低电平 正在停止或正在直 流制动时为高电平 2 SU频率到达 输出频率达到设定频率的 10 出厂设定 可变更 时为低电平 正在加 减速或停止时 为高电平 2 容许负荷为 DC24V 0 1A OL 过负荷 报警 当失速保护功能动作时为低电平 失速保护 解除时为高电平 2 容许负荷为 DC24V 0 1A IPF瞬时停电 瞬时停电 电压不足保护动作时为低电平 2 容许负荷为 DC24V 0 1A FU频率检测 输出频率为任意设定的检测频率以上时为低 电平 以下时为高电平 2 输出端 子的功 能选择 通过 Pr 19 0 到 Pr 195 改变 端子功 能 集 电 极 开 路 SE 集电极开路 输出公共端 端子 RUN SU OL IPF FU 的公共端子 脉 冲 FM指示仪表用 出厂设定的 频率容许负荷电流 1 mA 60H 时 1440 脉冲 s 输 出 信 号 模 拟 AM 模拟信号 输出 可以从 16 种监示 项目中选一种作 为输出 3 出厂设定的 频率输出信号 0 到 DC 10V 容许负荷电流 1 mA 通 R S PU 接口 通过操作面板的接口 进行 RS 485 通迅 遵守标准 EIA RS 485 标准 13 信 4 8 5 通讯方式 多任务通信 通迅速率 最大 19200bps 最长距离 500m 主回路接线说明 1 电源及电机接线的压着端子 请使用带有绝缘管的端子 2 当接线时剪开布线挡板上的保护衬套 22K 以下的 3 电源一定不能接到变频器输出端上 U V W 否则将损坏变频器 4 接线后 零碎线头必须清除干净 零碎线头可能造成异常 失灵和 故障 必须始终保持变频器清洁 在控制台上打孔时 请注意不要使碎片粉 末等进入变频器中 5 为使电压下降在 2 以内 请用适当型号的电线接线 变频器和电机间的接线距离较长时 特别是低频率输出情况下 会由于 主电路电缆的电压下降而导致电机的转矩下降 6 布线距离最长为 500 米 7 在 P 和 PR 端子间建议连接制定的制动电阻选件 端子间原来的短 路片必须拆下 8 运行后 改变接线的操作 必须在电源切断 10 分钟以上 用万用表 检查电压后进行 断电后一段时间内 电容上仍然有危险的高压电 1 3 14 4 工业洗衣机控制系统的硬件 4 1 PLC 简介 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller PLC 它主要用来代替继电器实现逻辑控制 随着技术的发展 这种采用微型计算机技术的工业控制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 所以将可编程序控制器简称 PLC 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 如图 4 1 所示 基本构成为 电源 中央处理单元 CPU 存储器 输入输出接口电路 功能模块 通信模块等 13 PLC 一般采用循环扫描的工作方式 其工作过程一般分为三个阶段 即输入采样 用户程序执行和输出刷新三个阶段 完成上述三个阶段称作一 个扫描周期 在整个运行期间 PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上 述三个阶段 输入采样阶段 在输入采样阶段 PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据 并将它们存入 I O 映象区中的相应得单元内 输入采样结束后 转入用户程 序执行和输出刷新阶段 在这两个阶段中 即使输入状态和数据发生变化 I O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变 因此 如果输入是脉冲 信号 则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期 才能保证在任何情况下 该输入均能被读入 CPU 输入模块 输出模块 输出 电源 电源 开关 可编程控制器 图 4 1 PLC 基本结构图 15 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段 PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程 序 梯形图 在扫描每一条梯形图时 又总是先扫描梯形图左边的由各触点 构成的控制线路 并按先左后右 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路 进行逻辑运算 然后根据逻辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存 储区中对应位的状态 或者刷新该输出线圈在 I O 映象区中对应位的状态 或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 PLC 就进入输出刷新阶段 在此期间 CPU 按照 I O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经输出电 路驱动相应的外设 这时 才是 PLC 的真正输出 6 4 2 PLC 的硬件选择 随着 PLC 在工业控制中的推广普及 PLC 产品的种类越来越多 其结 构型号 性能 容量 指令系统 编程方法等各不相同 适用场合也各有侧 重 因此 合理选择 PLC 对于提高 PLC 在控制系统中的应用有着重要作 用 4 2 1 PLC 机型的选择原则 在功能满足要求的前提下 选择最可靠 维护使用最方便以及性能价格 比最优的机型 通常做法是 在工艺过程比较固定 环境条件较好的场合 建议选用整体式结构的 PLC 其他情况则最好选用模块式结构的 PLC 对于 开关量控制以及以开关量控制为主 带少量模拟量控制的工程项目中 一般 其控制速度无须考虑 因此 选用带 A D 转换 D A 转换 加减运算 数据 传送功能的低档机就能满足要求 而在控制比较复杂 控制功能要求比较高 的工程项目中 如要实现 PID 运算 闭环控制 通信联网等 可视控制规 模及复杂程度来选用中档或高档机 其中高档机主要用于大规模过程控制 全 PLC 的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等 4 2 2 CONTROLLOGIX PLC 系统概述 国内外有许多工控产品厂商例如西门子系列 松下 FP 系列 Omron C200H 系列和本次设计选用的罗克韦尔的 ControlLogix 系统 PLC 实现 PLC 在工业洗衣机的控制 ControlLogix 系统是基于 PLC 和 SLC 的基础上发展起来的 除了具 备 PLC 和 SLC 的大部分功能以外 还集成了多种控制规律 顺序控制 运 动控制 驱动控制和过程控制等 具有一些自身的特点 如下 16 模块化结构 ControlLogix 系统不仅包括模拟量 数字量这些不同模 块 而且还有专门的运动控制模块及相应的全套的运动控制指令 用户可以 按照自己的需要 在一块背板上 安装不同数目的数字量 I O 模块 模拟量 I O 模块以及各种通讯模块 硬冗余 省去了软冗余中编程的麻烦 减少了设备切换时间 降低了 故障的发生率 强大的网络功能 主要包括 Ether Net Control Net Device Net 三 层网 系统间结合紧密 可与现有的 Rockwell 各层网络上的设备通过相应 的连接模块进行信息交换 实现与其它网络上的程序处理器之间无缝对接 带电插拔 用户就可以在继续维持系统运行的同时更换有故障的模块 而不会影响整个系统其它部分的正常运行 系统小型化 抗干扰性强 适用于有限的安装空间 并且携带方便 可耐受振动 高温以及各种工业环境下的电气干扰 随着科技的不断进步和工业生产规模的不断扩大 尤其是工业现场中 对过程变量控制要求的提高 再加上传统的 PLC 系统在处理模拟量方面的 不足 ControlLogix 系统一经推出 在工控领域就受到关注 得到了用户的 认可和广泛应用 4 5 从技术参数相匹配 经济实惠等多方面因素的考虑 本次设计选用了美 国罗克韦尔公司的 ControlLogix PLC 因为此系统具有许多其它系统不能比 拟的优点 基于 ControlLogix 平台的 Logix5000 处理器模块可以为工业控制 提供一种最新的而且具有灵活性的完整控制方案 ControlLogix 系统与现有基于 PLC 系统之间完美结合 与现有网络 用户完美结合并可实现信息的透明互换 与其他网络上的程序处理器之间完 美结合 ControlLogix 系统的模块化的 I O 内存及通讯接口为用户提供了一 种即可组态又便于扩展的系统 用户可以根据需要灵活配置所需的 I O 数量 内存容量以及通讯网络 以后当用户需要进一步扩展系统时 可随时添加 I O 内存急通讯接口 ControlLogix 系统允许用户带电插拔系统中的任何模块 而不会对模 块造成损坏 这样用户就可以在继续维持系统运行的同时更换故障模块 ControlLogix 可以在网络之间 网络链路之间以及通过背板之间实现 新鲜的高速传送 ControlLogix 采用特殊设计的高强度工业硬件平台 从而可耐振动 17 高温以及各种工业环境下的电气干扰 ControlLogix 允许多个 Logix5000 处理器模块插入在同一个背板上 高速度的背板使每个处理器都可轻而易举的访问其他处理器的数据 从而实 现 I O 数据急其他信息的共享 通过 Ethernet ControlNet 和 DeviceNet 网络将处理器连接起来 可以 实现分布式处理 通过 ControlNet DeviceNet 和 RemoteI O 链路即可将远离处理器的分 布式 I O 连接起来 该操作系统提供了真正具有优先级的多任务环境 从而允许用户通过 单独排定软件组件来满足自己的应用要求 这就大大提高了处理器的效率而 且降低了成本 因为它可以减少用户整个控制系统的处理器数量 Logix5000 处理器有完整的运动控制功能 通过高速度的背板 处理 器可与伺服接口模块进行通讯 从而实现高度的集成操作急位置和速度环的 闭环控制 10 4 2 3 输入模块的选择 输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号 将信号转换为 PLC 内 部接受的低电压信号 并实现 PLC 内 外信号的电气隔离 输入模块有直流输入 交流输入和交流 直流输入三种类型 选择时主 要根据现场输入信号和周围环境因素等 直流输入模块的延迟时间较短 还 可以直接与接近开关 光电开关等电子输入设备连接 交流输入模块可靠性 好 适合于有油雾 粉尘的恶劣环境下使用 输入模块的输入信号的电压等级有 直流 5V 12V 24V 48V 60V 等 交流 110V 220V 等 选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的 距离来考虑 一般 5V 12V 24V 用于传输距离较近场合 如 5V 输入模块 最远不得超过 10 米 距离较远的应选用输入电压等级较高的模块 本设计只涉及数字输入模块 其选择原则按工艺要求 根据上述选择原 则和输入点数的要求 本设计选用了数字输入模块 1756 IB16 其工作 电压是 10 31 2V 最大断开状态电流是 1 5mA 输入点数 16 点 分两组 每组 8 点 4 2 4 输出模块的选择 输出模块是将 PLC 内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信 号 并实现 PLC 内外信号的电气隔离 输出模块有继电器输出 晶闸管输出和晶体管输出三种方式 继电器输出的价格便宜 既可以用于驱动交流负载 又可用于直流负载 18 而且适用的电压大小范围较宽 导通压降小 同时承受瞬时过电压和过电流 的能力较强 但其属于有触点元件 动作速度较慢 驱动感性负载时 触点 动作频率不得超过 1Hz 寿命较短 可靠性较差 只能适用于不频繁通断 的场合 输出模块的输出电流 驱动能力 必须大于 PLC 外接输出设备的额定电流 用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流 如果实际 输出设备的电流较大 输出模块无法直接驱动 可增加中间放大环节 选择输出模块时 还应考虑能同时接通的输出点数量 同时接通输出设 备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值 如一个 220V 2A 的 8 点输出模块 每个输出点可承受 2A 的电流 但输出公共端允许通过的 电流并不是 16A 8 2A 通常要比此值小得多 一般来讲 同时接通的点数 不要超出同一公共端输出点数的 60 输出模块的技术指标 它与不同的负载类型密切相关 特别是输出的最 大电流 另外 晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低 在实际使用 中也应注意 数字输出模块其选择原则按工艺要求 根据上述选择原则和输出点数的 要求 我们选择输出模块为 1756 OB16D 其工作电压是 19 2 30V 输 出点数为 16 点 分两组每组 8 点 4 2 5 PLC 的通信网络 本题采用以太网通讯 以太网是一个局域网 用于计算机与本地设备之 间信息高速交换 由于以太网具有高的带宽 10Mbps 它允许大量计算 机 控制器以及其它设备在以太网上远距离的通讯 在信息层 以太网提供了可以进行工厂级数据访问的企业级带宽系统 信息层采用以太网 具有很大的灵活性 因为你可以最大限度地在大量 不同厂商提供的设备之间通讯 TCP IP 是 Internet 所使用的协议 选择的通讯模块为 1756 ENBT A 4 2 6 PLC 控制器的选择 Logix5000 控制器可提供系统规模可变化的控制器解决方案 可以访问 大量的 I O 端点 数字量 I O 最多为 1280000 个 模拟量 I O 最多为 4000 个 控制器既可以控制本地 I O 有可以通过 ControlNet 网 DeviceNet 网以及 远程 I O 网控制远程 I O 16 你可以在一个 ControlLogix 机架内放置多个 Logix5000 控制器 多个控 制器可以从所有的输入接口中读取输入数值 每个控制器可以与机架上的多 个通讯模块进行通讯 而且多个控制器也可以与同一个通讯模块进行通讯 19 控制器存储器容量估算 用以下等式为一个控制器所需存储器大小的估 计值 每个数值包括用户相关程序的一个粗略估计 你可以根据应用的复杂 程度添加存储器 操作系统基本要求 430000 字节 控制器任务 4000 A 字节 数字量 I O 点 400 B 字节 模拟量 I O 点 2600 C 字节 通讯模块 2000 D 字节 控制运动轴 8000 E 字节 总的字节数 43000 A B C D E 本系统现在的控制器是本题采用的控制器 型号为 1756 L1ControlLogix 5000 cotroller 其具体参数如下 用户存储器 160K 字节 背板电流 5VDC 24VDC 电力耗散 10 2BTU 小时 热耗散 3W 工作温度 0 60 32 140 设计电缆 1756 CP3 或 1747 CP3 串口电缆 3 类 电池 1756 BA1 PROMARK ELECTRONICS 94194821 0 59g 锂电 池 4 2 7 底板或机架 本设计模块式 PLC 使用底板或机架 其作用是 电气上 实现各模块 间的联系 使 CPU 能访问底板上的所有模块 机械上 实现各模块间的连 接 使各模块构成一个整体 由此选用的机架型号为 1756 A7 7 槽的 ControlLogix 机架 4 2 8 电源模块的选择 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源 同时 有的还 为输入电路提供 24V 的工作电源 电源输入类型有 交流电源 220VAC 或 110VAC 根据工艺要求本次设计选用了型号为 1756 PA72 电源模块 其额定输入电压为 120 AC 或 220 AC 4 2 9 综述 综合考虑以上的因素 我们最终选用了罗克韦尔公司 ControlLogix 系统 PLC 它适合整个工艺的具体要求 并有配套的编程软件 具体其它机型无 20 法替代的优势 其结构具体型号如下 控制器型号 1756 L1 ControlLogix 5000 cotroller 控制器的机架型号 1756 A7 7 槽的 ControlLogix 机架 编程软件 Rslogix5000 编程软件 电源模块 1756 PA72 所选输入 输出模块型号如下 数字输入接口模块 1756 IB16 数字输出接口模块 1756 OB16D 通信模块 1756 ENBT A 4 3 控制综合连接 应用 PLC 和变频器控制工业洗衣机的控制硬件系统接线图 如图 4 2 所示 PLC 和变频器相应端子的连接 空气断路器 交流接触器 启动按钮 停止按钮 高水位按钮 低水位按钮 图 4 2 工业洗衣机控制综合接线 21 5 工业洗衣机控制系统软件 5 1 Rslogix5000 软件介绍 Rslog