毕业设计-工业洗衣机控制系统设计【含CAD图纸】
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毕业设计（论文） 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控制的工业洗衣机。关键词：全自动；PLC控制；变频器ABSTRACTAt 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； Control transducer目 录第一章 绪论.11.1引言111.2 洗衣机的发展史11.2.1中国洗衣机的发展状况21.3 PLC技术在洗衣机中的发展现状31.3.1 PLC技术现状2、331.3.2 将变频技术与PLC相结合431.3.3 PLC在洗衣机中应用的发展状况541.3.4 PLC控制的特点641.4 课题来源，研究内容及研究结果61.5 毕业设计任务7第二章 PLC控制和变频调技术简介.82.1 变频调速的概念和作用782.1.1变频调速的意义882.2 国内外变频技术的发展现状992.2.1 国内变频调速技术的发展概况922.2 国外变频调速技术的发展概况92.3 PLC的结构和工作原理10102.3.1 PLC的基本结构102.3.2 PLC的工作原理112.3.3 PLC的指令系统112.3.4 PLC的编程工具122.4 选题的依据12第三章 洗衣机控制系统的硬件设计.133.1衣机的工作原理11133.2洗衣机的设备控制要求133.3 PLC控制系统的设计分析12、13163.3.1洗衣机设计的控制系统构成图173.4 PLC和变频器的选择183.4.1 PLC型号的选择14、15、16183.4.2变频器的选择17、18193.4.3 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.224.1 程序的构成、下载、安装和调试19224.1.1 S7-200的出错代码20224.2 洗衣机控制系统资源分配244.3洗衣机的PLC程序设计254.3.1 源程序254.3.2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61、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。1.5 毕业设计任务 本次毕业设计课题是PLC控制的工业洗衣机系统，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。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。2.2 国内外变频技术的发展现状92.2.1 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。22.2 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102.3.1 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（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。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。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”两种控制方式。1、 正常运行，如图3-2图3-2 洗衣机正常运行“正常运行”方式具体控制要求如下:(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。3.3 PLC控制系统的设计分析12、131. 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： 图3-4 PLC控制图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 226XM2）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、EM241等其它模块：特殊功能模块可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点到几百点。S7-200PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，从而完成规模更大的工程。（3）S7-200的编程软件STEP7-Micro/WIN32。该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC的编程更加方便、快捷。可以说，S7-200可以完美地满足各种小规模控制系统的要求。（4）I/O地址分配 由于CPU模块有14点数字量输入,有10点数字量输出,所以不再需要输入/输出模块.采用I/O分配采用自动分配方式,模块上的输入端子对应的输入地址是I0.0-I1.5,输出端子对应的输出地址是Q0.0-Q1.1。2、模块功能概述CPU模块采用西门子的CPU-224(AC/DC/续电器)模块,它控制着整个系统按照控制要求有条不紊地运行.同时由于该模块采用交流220V供电,并且自带14个数字量输入点和10个数字量输出点,完全能 全自动洗衣机控制系统的要求,所以不再需要另外的电源模块.数字量输入和输出模块。西门子 S7-200 CPU单元CPU-224 主要性能如下表3-6所示主要性能本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。16K字节程序和数据存储空间其他性能6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。特点1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器产品尺寸120.58062mm表3-6 西门子 S7-200 CPU单元CPU-224 主要性能3.4.2变频器的选择17、18随着经济发展，人民的生活水平的提高，对于家用电器的要求不断提高。 利用日本安川VS-616G5 变频器可编写速度曲线的优点, 对现有的洗衣机转速调速控制系统进行改进, 既可以达到节能的要求。日本安川VS-616G5 变频器的特点如下：（1）包括电流矢量控制在内的四种控制方式均实现了标准化。（2）有丰富的内藏与选择功能。（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、体积小。（4）保护功能完善、维修性能好。（5）通过LCD操作装置，可提高操作性能。洗衣机的控制系统主要由变频器、PLC 及旋转编码器组成。变频器用来实现电机的调速。本文所选用的安川VS- 616G5 通用变频器的可自行设置速度曲线的特点来实现平稳操作和精确控制。为满足洗衣机安全性的要求,变频器通过与电动机同轴连接的旋转编码器和PG卡,完成速度检测及反馈,形成闭环系统。PLC负责处理各种信号的逻辑关系, 从而向变频器发出起、停等信号,同时变频器也将工作状态信号送给PLC ,形成双向联络关系,这是系统的核心。旋转编码器与电动机同轴连接,对电动机进行测速。旋转编码器输出A、B两相脉冲,旋转编码器根据AB脉冲的相序,可判断电动机转动方向,并可根据A、B脉冲的频率测得电动机的转速。旋转编码器将此脉冲输出给PG卡,PG卡再将此反馈信号送给变频器内部,以便进行运算调节。所以旋转编码器和PG卡实现了闭环运行。3.4.3 VS-616G5型变频器的参数设置由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。由于61665是通用型变频器，因而用在洗衣机控制上为了满足运行效率、节能性和安全性的要求，其参数设置比专用型变频器要复杂得多。VS-616G5型变频器共有9组参数，每一组参数的设定都具有特定的含义。常用参数如图3-7所示。参数功能A组确定控制模式B组选择运行功能C组确定加减速时间及转矩补偿时间D组时间频率E组确定运行压频曲线F组保护设置H组确定偏差标准 图3-7 变频器的参数参数设置的原则:1、为减小启动冲击及减少噪音，其速度环的比例系数宜小些，而积分时间常数宜大些；2、为了提高运行效率，快洗频率应选为工频，而慢洗频率要尽可能低些；3、变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入，具体的设置见下表3-8。参数名称设定值说明A1-02控制方式选择2不带PG矢量控制方式B1-01频率指令选择1B1-02运行指令选择1B1-03停止方式选择0B1-04反转方式选择0B2-01零速电平选择0.1HzB2-04停止时直流制动时间1.0sC1-03加速时间22.0sC1-04减速时间22.0sC2-01加速开始时S型曲线时间0.6sC2-02加速完了时S型曲线时间0.6sC2-03减速开始时S型曲线时间0.6sC2-04减速完了时S型曲线时间0.6sC5-01ASR比例增益15C5-02ASR积分时间13sD1-09检修速度200rpmE1-01输入电压设置380vE1-04最高输出频率50HzE1-05最大电压380vE1-06额定电压频率50HzE1-09最低输出频率电压0E2-01电机额定电流按电机铭牌设置 E2-02电机额定滑差按电机铭牌设置 E2-03电机空载电流按电机铭牌设置 E2-04电机极数按电机铭牌设置 F1-01PG常数根据旋转编码器铭牌设置 F1-02PG断线检测时的动作选择0F1-03超速时的动作选择0F1-04超速偏差过大时的动作选择0F1-05PG分频比根据电机极速设置表3-8 变频器的其他参数变频器制动电阻参数的计算采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果。能耗制动电阻RZ的大小应使制动电流工z的值不超过变频器额定电流的一半，即第四章 洗衣机控制系统的软件设计4.1 程序的构成、下载、安装和调试19 这个程序有自动方式和手动方式两种。在自动方式下,PLC将运行已经设置好的程序和参数(适用于机械一切都工作正常的情况下)。在手动方式下是在紧急停止情况下,可以手动进行排水和脱水。将各个输入/输出端子和实际控制系统中的按钮。所需控制设备正确连接,完成硬件的安装。全自动洗衣机程序是由STEP7-Micro/Win32软件的指令完成,正常工作时程序存放在存储卡中,若要修改程序,先将PLC设定在STOP状态下,运行STEP7-Micro/Win32编程软件,打开全自动洗衣机程序,即可在线调试,也可用编程器进行调试。4.1.1 S7-200的出错代码20使用“PLC”菜单中的“信息（Information）”命令，可以查看程序的错误信息。S7-200的出错主要有以下三种。1、致命错误致命错误会导致CPU无法执行某个功能或所有功能，停止执行用户程序。当出现致命错误时，PLC自动进入STOP方式，点亮“系统错误”和“STOP”指示灯，关闭输出。消除致命错误后，必须重新启动CPU。在CPU上可以读到的致命错误代码及其描述如表4-1所示。代码错误描述代码错误描述0000无致命错误000B存储器卡上用户程序检查错误0001用户程序编译错误000C存储器卡配置参数检查错误0002编译后的梯形图检查错误000D存储器卡强制数据检查错误0003扫描看门狗超时错误000E存储器卡默认输出表值检查错误0004内部EEROM错误000F存储器卡用户数据、DB1检查错误0005内部EEPROM用户程序检查错误0010内部软件错误0006内部EEPROM配置参数检查错误0011比较触点间接寻址错误0007内部EEPROM强制数据检查错误0012比较触点非法值错误0008内部EEPROM默认输出表值检查错误0013存储器卡空或COU不识别该卡0009内部EEPROM用户数据、DB1检查错误0014比较接口范围错误000A存储器卡失灵表4-1 致命错误代码及描述2、程序运行错误在程序正常运行中，可能会产生非致命错误（如寻址错误），此时CPU产生的非致命错误代码及描述如表4-2所示。错误代码错 误 描 述0000无错误0001执行HDEF前，HSC禁止0002输入中断分配冲突并分配给HSC0003到HSC的输入分配冲突，已分配给输入中断0004在中断程序中企图执行ENI、DISI或HDEF指令0005第一个HSC/PLS未执行完前，又企图执行同编号的第二个HSC/PLS（中断程序中的HSC同主程序中的HSC/PLS冲突）0006间接寻址错误0007TODW（写实时时钟）或TODR（读实时时钟）数据错误0008用户子程序嵌套层数超过规定0009在程序执行XMT或RCV时，通信口0又执行另一条SMT/RCV指令000AHSC执行时，又企图用HDEF指令再定义该HSC000B在通信口1上同时执行XMT/RCV指令000C时钟存储卡不存在000D重新定义已经使用的脉冲输出000EPTO个数为00091范围错误（带地址信息）：检查操作数范围0092某条指令的计数域错误（带计数信息）：检查最大计数范围0094范围错误（带地址信息）：写无效存储器009A用户中断程序试图转换成自由口模式009B非法指令（字符串操作中起始位置指定为0）表4-2 程序运行错误代码及描述3、编译规则错误当下载一个程序时，CPU在对程序的编译过程中如果发现有违反编译规则，则CPU会停止下载程序，并生成一个非致命编译规则错误代码。非致命编译规则错误代码及描述如表4-3所示。错误代码错 误 描 述0080程序太大无法编译，须缩短程序0081堆栈溢出：必须把一个网络分成多个网络0082非法指令：检查指令助记符0083无MEND或主程序中有不允许的指令：加条MEND或删去不正确的指令0084保留0085无FOR指令：加上FOR指令或删除NEXT指令0086无NEXT指令：加上NEXT指令或删除FOR指令0087无标号（LBL、INT、SBR）：加上合适标号0088无RET或子程序中有不允许的指令：加条RET或删去不正确的指令0089无RETI或中断程序中有不允许的指令：加条RETI或删去不正确的指令008A保留008B从/向一个SCR段的非法跳转008C标号重复（LBL、INT、SBR）：重新命名标号008D非法标号（LBL、INT、SBR）：确保标号数在允许范围内0090非法参数：确认指令所允许的参数0091范围错误（带地址信息）：检查操作数范围0092指令计数域错误（带计数信息）：确认最大计数范围0093FOR/NEXT嵌套层数超出范围0095无LSCR指令（装载SCR）0096无SCRE指令（SCR结束）或SCRE前面有不允许的指令0097用户程序包含非数字编码和数字编码的EV/ED指令0098在运行模式进行非法编辑（试图编辑非数字编码的EV/ED指令）0099隐含网络段太多（HIDE指令）009B非法指针（字符串操作中起始位置定义为0）009C超出指令最大长度表4-3 编译规则错误代码及描述4.2 洗衣机控制系统资源分配 1、数字量输入部分这个控制系统的输入有启动按钮,停止按钮,水位选择开关(高水位,中水位,低水位),手动排水开关,自动排水开关,高水位浮球开关,中水位浮球开关,低水位浮球开关,水排空浮球开关共11个输入点。具体的输入分配如表4-4所示。 输入地址 对应的外部设备I0.0启动按钮I0.1停止按钮I0.2水位选择开关(高水位)I0.3水位选择开关(中水位)I0.4水位选择开关(低水位)I0.5手动排水开关I0.6自动排水开关I0.7高水位浮球开关I1.0中水位浮球开关I1.1低水位浮球开关I1.2水排水位浮球开关表4-4输入地址分配2、数字量输出部分这个控制系统需要控制的外部设备有进水电磁阀,排水电磁阀,脱水桶.报警器共5个设备.但是由于洗涤电动机有正转和反转两个状态,分别都应正转继电器和反转继电器,所以输出点应该有6个,具体输出分配如表4-5所示。 输出地址 对应的外部设备Q0.0进水电磁阀Q0.1排水电磁阀Q0.2洗涤电动机正转继电器Q0.3洗涤电动机反转继电器Q0.4脱水桶Q0.5报警器表4-5输出地址分配 4.3洗衣机的PLC程序设计4.3.1 源程序 在本程序中,M0.0是按下启动开关按钮的辅助继电器；M0.1是判断洗衣机水位是否和设定水位不一致的辅助继电器;M0.2是判断洗衣机水位是否和设定水位一致的辅助继电器;M0.3是停止自动洗衣机的辅助继电器。 NETWORK 1 / /按下启动按钮,开始洗衣 / LD I0.0 O M0.0 AN I0.1 = M0.0 NETWORK 2 / /洗衣机水位与设定水位不一致辅助继电器 / LD I0.2 AN I0.7 LD I0.3 AN I1.0 OLD LD I0.4 AN I1.1 OLD = M0.1 NETWORK 3 / /洗衣机水位与设定水位相一致辅助继电器 / LD I0.2 A I0.7 LD I0.3 A I1.0 OLD LD I0.4 A I1.1 OLD = M0.2 NETWORK 4 / /停止自动洗衣机辅助继电器 / LD I0.1 O M0.3 AN Q0.0 = M0.3 所对应的梯形图,如图4-6，4-6所示 图4-6 洗衣机源程序图 图4-7 洗衣机源程序图24.3.2进水、洗衣、排水、脱水、洗完报警程序1、进水程序 在正常情况下,按下启动按钮或者脱水完毕,而且洗衣大循环未到3次时,开始进水,当水位到设定水位后停止进水,等待2S后进入洗衣过程.在强制停止的情况下,当停止按钮下时立即停止进水.它的助记符号程序为: NETWORK 5/进水设定的水位/LD M0.0LD T40AN C51OLDO Q0.0A M0.1 AN I0.1= Q0.0NETWORK 6/进水到设定的水位后等待2S/LD M0.2AN Q0.1AN Q0.2AN Q0.3TON T37,+20 所对应的梯形图,如图4-8所示 图4-8 洗衣机进水梯形图2 、洗衣程序进水到设定水位2S后,开始正转20S,然后再反转20S,这样循环5次后进入排水过程。NETWORK 7/洗涤电动机正转20S/LD T37LDN C50A T39OLDO Q0.2AN T38= Q0.2TON T38,+200NETWORK 8/洗涤电动机反转20SLD T38O Q0.3AN T39= Q0.3TON
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