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畢業(yè)設計(論文)任務書
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學生姓名 _
系別_信息與電子工程系_專業(yè) 工自 年級 __班級 1
課題名稱 基于西門子PLC的洗衣機控制系統設計
任務與要求：
一、 設計（論文）要求：
本課題的主要任務是通PLC控制系統,采用變頻器實現對洗衣機進行自動和手動控制。具體設計方案如下：
其控制流程為：
設計的主要內容和要求：
1、 根據所選的課題，參考一些優(yōu)秀的學習網站，完成該課題的建設。
2、 參與該課題的各位同學必須分工合作。在設計中既要有自己一定的工作量，同時具備良好的團隊合作精神。
3、 畢業(yè)設計論文體現了畢業(yè)設計的質量，所以各位同學必須在論文中體現自己在畢業(yè)設計中所采用的方法、思想以及設計策略。論文的格式包括：（1）中英文摘要（2）目錄（3）正文（4）致謝（5）參考文獻（6）附錄。論文書寫要求語言精練、簡潔，表達力求準確，字數12000以上，最后要求用A4開紙打印，并裝訂成冊，形成書目結構。
4、 在整個設計當中要嚴格按照學校和系部的各種規(guī)章制度和要求，按時完成所要求完成的任務。
二、 設計（論文）條件：
提供設計所需的書籍、計算機、PLC設計所需的設備等。
三、 設計（論文）資料：
提供洗衣機、PLC設計等相關所需資料。
四、 設計（論文）教學要求：（可以同一專業(yè)相同）
要求同學們有較強的學習和自學能力，能根據需要查找資料，獨立思考和設計。
要求同學熟悉步進電機的工作原理并具有一定的單片機設計能力。
五、 設計（論文）進度安排：（可以同一專業(yè)相同）
第01周至第02周：查閱中文及英文資料（并翻譯一篇外文資料），了解洗衣機的工作原理以及PLC設計內容，收集相關資料；
第03周至第03周：完成畢業(yè)設計（論文）開題報告，并開始進行畢業(yè)設計；
第04周至第08周：完成控制系統的硬件設計；
第09周至第12周：完成控制系統的軟件設計；
第13周至第13周：軟件和硬件的調試；
第14周至第15周：整理相關資料，完成畢業(yè)設計（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文；
第16周至第16周：答辯
學生分組名單
? 葉曉晨；計曉鵬
?
基于西門子PLC的洗衣機控制系統設計
1、本課題所涉及的問題在國內(外)的研究現狀綜述
單片機技術現狀
單片微型計算機簡稱單片機，是早期Single Chip Microcomputer的直譯，它忠實地反映了早期單片機的形態(tài)和本質。隨后，按照面向對象。突出控制功能，在片內集成了許多外圍電路和外設接口，突破了傳統意義的計算機結構。發(fā)展成microcontroller的體系結構，目前國外己普遍稱之為微控制器MCU (Microcontroller Unit)鑒于它完全作嵌入式應用，故又稱之為嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)。國內由于單片機一詞已約定俗成，仍沿用至今。但應將單片機的“機”理解成為微控制器而不是微計算機。
二十世紀七十年代單片機的出現是近代計算機技術發(fā)展史上的一個重要里程碑，因為單片機的誕生標志著計算機正式形成了通用計算機系統和嵌入式計算機系統兩大分支。計算機兩大分支的產生大大促進了現代計算機技術的飛速發(fā)展。通用計算機系統以發(fā)展海量高速數值計算為己任，不必兼顧控制功能，其數據總線寬度不斷更新，迅速從8位、16位過渡到32位、64位，不斷完善其通用操作系統。突出發(fā)展海量高速數值計算能力，并在數據處理、棋擬仿真、人工智能、圖像處理、多媒體、網絡通信中得到了廣泛的應用；單片機則以面向對象的實時控制為己任。目前仍以8位機為主流，不斷增強控制能力，降低成本，減小體積，改善開發(fā)環(huán)境。以空前的速度迅速而廣泛地取代經典電子系統。
單片機具有體積小、重量輕、功能強、功耗低、運行速度快，抗干擾能力強、性價比高、可靠性高等特點，結構靈活，數據基本上都在單片機內部傳送，易于組成各種微機應用系統口它既可用于工業(yè)自動控制等場合，又可用于機電一體化產品、智能儀器、測且儀器、醫(yī)療儀器、家用電拐等領域，在過程控制、計算機網絡及通訊等方面得到廣泛應用。單片微型計算機經歷了1位、4位、8位、16位及32位的發(fā)展階段，世界上一些著名的半導體器件廠家都開發(fā)了單片微型計算機，如Intel， Motorola。 Zilog（澤洛格公司）。 Fairchild仙童攝像機與儀器公司〕、Mostek〔莫斯?？斯尽车?，單片機的品種日益增加。在眾多的通用單片機里，以Intel公司的MCS-51系列單片機微型計算機最為著名。MCS-51單片機系列有：
普通型： 51子系列 8051/8751/8031；
增強型： 52子系列 8052/8752/8032；
低功耗型：80C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C32。
8031內部沒有ROM。 但外接一片EPROM就相當于8051，它具有價格低、功能強、使用靈活、開發(fā)方便落特點，適合推廣應用。
低功耗型單片機采用CHMOS半導體工藝，型號中用宇母C標識。如8051功耗為630mW而80C51功耗僅為120mW，適于便攜式或野外作業(yè)儀器設備中使用。
特別值得一是的是MCS-51的布爾處理器。它實際上是一個完整的一位微計算機，這個一位機有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。把八位微機和一位微機結合在一起是微機技術上的一個突破。一位機在開關決策，邏輯電路仿真和實時控制方面非常有效；而八位機在運算處理、數據采集方面有明顯的長處。在MCS-51單片機中，八位機和一位機（布爾處理器）的硬件資源是復合在一起的，二者相輔相成，這是MCS-51在設計上的精美之處，也是一般微機所不具備的，而且具有特殊的多極通訊功能，可作為多機系統的一個子系統。
很多智能性應用場合，智能型產品都用到了單片微型計算機，單片微型計算機應用開發(fā)一直受到人們的重視，并且日益強勁。MCS-51單片機的應用設計一般包括兩大方面，即硬件接口設計和軟件設計。軟件設計中又分為與接口硬件有關的馭動程序的設計以及與接口硬件無關的數據運算和處理程序的設計。
步進電機驅動系統概述
步進電機的工作必須使用專用設備—步進電機驅動器。驅動器針對每一個步進脈沖，按一定的規(guī)律向電機各相繞組通電(勵磁)，以產生必要的轉矩，驅動轉子運動。步進電機、驅動器和控制器構成了不可分割的3大部分。步進電機驅動系統的性能除與電機自身的性能有關外，在很大程度上取決于驅動器性能的優(yōu)劣。當電機和負載己經確定之后，整個驅動系統的性能就完全取決于驅動控制方法。步進電機驅動方式的發(fā)展先后有單電壓驅動、高低壓驅動、斬波恒流驅動、調頻調壓驅動和細分驅動等
(1)單電壓驅動:主要特點是結構簡單、成本低，通常在繞組回路中串接電阻，以改善電路的時間常數來提高電機的高頻特性。缺點是串接電阻將產生大量的熱，對驅動器的正常工作極其不利，尤其是在高頻工作時更加嚴重，因而它只適用于小功率或對性能指標要求不高的步進電機驅動。
(2)高低壓驅動:電機每相繞組導通時，首先施加高電壓，使電流快速上升當電流上升到額定值時，將高電壓切斷，回路電流以低電壓電源維持。這種方式由于電流波形得到了很大改善，電機的矩頻特性較好，起動和運行頻率得到了較大提高。但由于電機旋轉反電勢、相間互感等因素的影響易使電流波形的頂部呈凹形，致使電機的輸出轉矩有所下降且需要雙電源供電。
(3)斬波恒流驅動:為了彌補高低壓驅動電路中電流波形的下凹，提高輸出轉矩，人們研制出斬波電路，采用斬波技術使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動，流過繞組的有效電流相應增加，故電機的輸出轉矩增大，而且不需外接電阻，整個系統的功耗下降，效率較高，因而斬波恒流驅動應用相當廣泛。
(4)調頻調壓驅動:特點是施加在電機繞組的電壓隨工作頻率的變化作相應的改變，步進電機在低頻時工作在低壓狀態(tài)，減少能量的注入，從而抑制振蕩;在高頻時工作在高壓狀態(tài)，使電機有足夠的驅動力矩。因而系統效率、運行特性等都有了明顯改善。
(5)細分驅動:它是將電機繞組中的電流細分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。這樣，繞組中的電流經過若干個階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。雖然細分驅動電路的結構比較復雜，但在不改變電機內部參數的情況下，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一，使步距角不再受電機結構和制造工藝的限制。由于繞組的電流變化幅度也大大減小，從而極大的改善步進電機運行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。近幾年來，由于微處理機技術的發(fā)展，細分驅動技術在驅動器中獲得了廣泛應用。
二 畢業(yè)設計任務
本設計的題目來自于本人在東莞新科磁電技術研究開發(fā)有限公司實習時做的一個項目一錫球焊接新工序開發(fā)，項目中如何提高錫球焊接的位置精確度至關重要，其中的執(zhí)行機構就是三相混合式步進電機。本課題以設計一套基于單片機和步進電機細分控制技術的步進電機驅動器為主要目標，主要內容有:
(l)采用正弦脈寬調制技術、電流跟蹤技術和細分技術實現對電機相電流的控制，以克服傳統驅動技術下步進電機低速振動、存在共振現象、噪音大、高速轉矩小等缺點。
(2)用開關電源為驅動器內部電路供電，減小驅動器的體積和重量，提高電源效率。
(3)驅動器的功率驅動環(huán)節(jié)采用美國國際整流器公司生產的功率MOS器件(或IGBT)柵極驅動集成電路IRZ130，它能輸出六路驅動信號，并且由于內部設有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統設計極為簡化。
(4)控制電路主要由AT89C51單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及可編程鍵盤/顯示控制器Intel一8279等組成，單片機是控制系統的核心。采用了Intel公司研制的鍵盤、顯示器接口電路芯片8279，該芯片能自動完成對顯示的刷新，同時還可以對鍵盤自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，使用非常方便。8279鍵盤、顯示器接口器件是實現人機對話的主要部件，該接口電路能大大節(jié)省CPU的開銷，提高了可靠性和CPU工作效
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畢業(yè)設計(論文)文獻綜述
信息與電子工程 系 工業(yè)電氣自動化 專業(yè) 班
課題名稱：基于西門子PLC的洗衣機控制系統設計
畢業(yè)設計(論文)起止時間：
日(共 16 周)
學生姓名：
指導教師：
報告日期：
文獻綜述
摘要：根據全自動洗衣機的工作原理，利用可編程控制器PLC現實控制，說明了PLC控制的原理方法、特點及其洗衣機的特色。[1]
關鍵詞：全自動；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]
可編程控制器功能強大，可靠性高，應用面廣，使用方便，在現代自動控制領域應用極其廣泛?，F行的全自動洗衣機只要選擇好水位，打開水龍頭，放入衣物、洗滌劑，接通操作開關，后面的全是洗衣機自動運行了，因此，完全可以用編程控制器來代替控制。下面主要說明PC控制的原理及特色。
二 PC控制洗衣機的原理[3、4]
本人設計調試使用的PC機，為西門子S7-200機，1/0（輸入/輸出接口）總點數為30，其中最大輸入點數為14，最大輸出點數為10（總點數愈多，控制愈方便）。
三 洗衣機變頻控制系統的控制要求設計
變頻調速系統框圖如圖1-1所示:
圖1-1變頻調速系統框圖
洗衣機的工作流程示意如圖1-2
圖1-2 洗衣機的工作流程圖
本系統采用PLC和變頻器調節(jié)交流異步電機轉速的方法。給定的速度與經由PLC高速計數模塊反饋回來的實際速度相減產生速度誤差，經PLC運算可得控制量，再由RS-485接口輸出到變頻器以驅動交流電機，從而達到調節(jié)電機轉速的目的。由于PLC與變頻器之間沒有采用D/A進行轉換，而是采用了RS-485進行數字通信，有效地提高了系統的抗干擾能力。測速裝置采用編碼器克服了過去調速系統中采用測速發(fā)電機輸出特性存在死區(qū)和非線性區(qū)，體積大，誤差大等缺點。
系統采用西門子S7-200CPU224制器作為基本控制模塊，輸入14點，輸出10點。能較大范圍地包容了標準特點、執(zhí)行速度更快、通訊功能更齊全，為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。它的基本指令執(zhí)行時間高0.37US，內置的用戶存儲器為8Kb步，可以擴展到16K步，最大可以擴展到256個I/O點，有多種特殊功能模塊或功能擴展板，可以實現多軸定位控制。有功能很強的數學指令集，例如浮點數運算、開平方和三角函數等。目前S7系列PLC為國內地銷量比較多的小型PLC。S7系列PLC通過通信擴展板或特殊適配器可以實現多種通信和數據鏈接。西門子S7系列PLC支持以下五種類型的通信方式:N:N網絡;并行鏈接;計算機鏈接;無協議通信;可選編程口。N:N網絡使用RS-485通信適配器或功能擴展板，實現最多8臺FX系列PLC之間的信息交換。并行鏈接使用RS-485通信適配器或功能擴展板，實現S7系列 PLC之間的信息自動交換。一臺PLC作為主站，另一臺作為從站。用戶不需編寫通信程序，只需設置與通信相關的參數，兩臺計算機之間就可以自動的傳送數據。無協議通信方式可以實現PLC與各種RS-2犯接口的設備(例如計算機、條形碼閱讀器和打印機)之間的通信，其通信方式使用RS指令來實現。這種通信方式最為靈活，PLC與RS-232設備之間可以使用用戶自定義的通信規(guī)約。計算機連接通信方式與MODBUS通信協議中的ASCII模式相似，采用專用通信協議，由計算機發(fā)出讀寫PLC數據的命令幀，PLC收到后自動生成和返回響應幀。計算機連接可以用于一臺計算機與一臺配有RS-232通信接口的PLC通信，計算機也可以通過RS-485通信網絡與最多16臺PLC通信。
洗衣機的工作流程由進水、洗衣,排水和脫水4個過程組成。在半自動洗衣機中,這4個過程分別用相應的按鈕開關來控制。全自動洗衣機中,這4個過程可做到全自動依次運行,直至洗衣結束。
自動洗衣機的進水、洗衣、排水和脫水是通過水位開關,電磁進水閥和電磁排水閥配合進行控制,從而實現自動控制的。水位開關是用來控制進水到洗衣機內高,中,低水位；電磁進水閥起著通/斷水源的作用。進水時,電磁進水閥打開,將水注入；排水時,電磁排水閥打開,將水排出；洗衣時,洗滌電動機啟動；脫水時,脫水桶啟動。
四 PLC控制洗衣程序的特色
1 這一全自動洗衣機快速程序，由于每遍的清洗、放水、甩干的時間由PC機內計數器控制，所以只要改變計數器參數K就可以改變時間?？梢园焉厦嬖O定的程序時間固定下來，作為固定程序使用，也可以根據衣物的質地、數量及贓污的程度來編程。只要稍作改變，就可以設計出諸如要多洗多甩的牛仔類衣物、輕洗輕甩的羊毛類衣物以及通用的標準洗滌程序，充分表現現代家點用品的個性。
2上例程序中，定時器用斷電不復位，這樣用戶在洗衣時，如需要關機（用戶外出），只要斷開洗衣機操作開關，洗衣機就可暫停工作，回來再開洗衣機，洗衣機會“記憶”前面已執(zhí)行過程序，繼續(xù)執(zhí)行完遺留的程序。本程序里還設計了一個報警器，機蓋打開時會發(fā)出警示音（開機和甩干是聯鎖的）。在洗衣機結束后（時間長短可調），亦發(fā)出諸如警示音的揭示。
3以往機械式全自動洗衣機在進水、清洗、放水、甩干等環(huán)節(jié)控制轉換時，繼電器觸點動作聲音過大，使用壽命短，而用PC機控制的洗衣機實現了無觸點連接，幾乎聽不到繼電器動作聲，延長了各零部件的壽命。
4 PLC具有網絡通信的功能，如PROFIBUS-BP是現場總線PROFIBUS中廣泛應用的一種協議，主要用于現場級的主從通信，具有極好的抗電磁干擾性能。如在PLC和遠程I/0、人機界面等之間的通信中，一旦其通訊功能完善，就能實現家用洗衣機的網絡化。
5結合以上的控制功能，制作相應的透明演示模型，即能進行仿真控制。
五、結論
本論文的研究主要完成了以下內容:通過對PLC控制的節(jié)能洗衣機系統的工作原理和控制原理的分析，用PLC 語言結合硬件電路，設計出以S7-200為核心的節(jié)能洗衣機。并將模糊自整定PLC控制應用到洗衣機中，使得用戶在使用時更加方便快捷高效。
PLC控制洗衣機洗滌程序有獨特之處。首先,它是一個順序控制系統程序；其次,洗滌,排水,脫水時間是由PLC內的計數器和定時器中K參數控制的,只要改變它的參數大小就可以改變整個程序時間長短；第三,通過改變PLC的型號,可以根據認物的質地,數量及臟物程度來實現標準洗,強洗,快洗的多功能；第四,通過修改洗滌程序可實現進水洗滌,漂洗,排水,脫水的程序控制,也可實現或洗滌,或漂洗,或脫水等單體控制；第五,在設計過程中,可以方便地加入相應的配套裝置,如指示燈,蜂鳴器。
因此,PLC控制的洗衣機系統有多種性的,各種最優(yōu)控制系統均可運行,但是必須考慮它的結構和成本。
參考文獻
1廖常初. PLC基礎及應用. 北京;機械工業(yè)出版社,2003
2周恩濤.可編程控制器原理及其在液壓系統中的應用. 北京；機械工業(yè)出版社,2003
3求是科技. PLC應用開發(fā)技術與工程實踐. 北京;人民郵電出版社
4 李向東. 電氣控制與PLC. 機械工業(yè)出版社
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外文資料(中文)
普通交流異步電動機變頻調速的性能研究
在普通交流異步電動機的各種調速方式中，變頻調速因其突出的性能，應用最為廣泛，同時也是交流電動機調速技術最為活躍的研究領域。隨著電力電子技術和控制理論的不斷發(fā)展和完善，變頻調速技術的性能還在不斷提升，變頻調速技術已成為我國企業(yè)節(jié)約能源、提高生產過程自動化、提高產品質量和改造傳統產業(yè)的主要技術手段之一。
變頻調速是通過改變異步電動機定子的電源頻率，以改變其同步轉速，從而達到調節(jié)電動機轉速的目的。但是，當電源頻率改變時，會對交流異步電動機產生一系列的影響:損耗增加，效率下降:在工頻以下，以恒轉矩方式調速時，電動機的過載能力將會下降;在低頻時電動機的散熱能力變壞，電動機溫度會過高等。由于電動機本身就是一個非線性、強禍合、多變量的對象，且更為嚴重的是，由于工作頻率、溫度和飽和效應的影響，定轉子電阻、電感等參數在不同工況下變化明顯。因而其動態(tài)建模非常困難，要從理論上準確的計算出電動機在不同頻率和負載下的效率、溫升、功率因數和臨界轉矩是十分困難的。所以，長期以來，在設計變頻調速系統時，人們只是憑借經驗來確定普通交流異步電動機變頻調速的調速范圍，而沒有充分的理論依據。
本文以普通交流異步電動機和變頻器組成的調速系統為研究測試對象，以普通交流異步電動機T形等效電路為基礎，計算分析在基頻以下及恒壓頻比方式供電下頻率改變時普通交流異步電動機的啟動電流、轉矩和其運行性能的變化情況，并重點研究了電動機在不同頻率下的運行性能，通過電動機測試平臺，定量的測試出電動機在頻率改變時的各項性能數據，并與理論計算的結果進行比較分析，在此基礎上提出普通交流異步電動機變頻調速的最佳調速范圍，使電動機高效、長壽命運行，并為交流異步電動機變頻調速系統的設計提供確定參數的依據。
一、普通交流異步電動機變頻調速的啟動性能
利用變頻器實現軟啟動是變頻器的優(yōu)點之一，但是，有時會因為啟動頻率選擇不當而導致啟動轉矩過小，或者啟動電流過大，從而導致啟動失敗，因此，合理的選擇變頻調速系統的啟動頻率，尋找合適的啟動頻率范圍，從而改善系統的啟動特性，是十分重要的。為此，我們分析計算了在不同頻率和轉矩提升電壓下，電動機啟動轉矩和啟動電流的變化規(guī)律，進而提出了確定能滿足電動機啟動轉矩和啟動電流要求的啟動頻率的方法。
1. 1變頻調速時啟動轉矩的變化規(guī)律
當轉矩提升電壓時，根據啟動轉矩方程，可求出，
?。ǎ保保?
令＝０，有：
其中R－定轉子電阻之和，X－定轉子電抗之和，－電源頻率
所以當時，,當時，,。從而可知，當且時，為的增函數，而在時，為的減函數，而在時，取得最大值，不僅與有關，同時與和有關。下面我們以Yl00Ll-4如圖(1-1)電動機為例，分析在不同轉矩提升電壓時，啟動轉矩的變化情況。如圖(1-1)所示:
從圖中可以看出，當且比較小時，啟動轉矩相對于啟動頻率的變化趨勢是:當頻率接近于零時，在理論上啟動轉矩非常高，啟動轉矩是啟動頻率的減函數，并達到一個極小值，這時對應的頻率為在頻率時，啟動轉矩為啟動頻率的增函數，一直上升到最大啟動轉矩，這時對應的頻率為當啟動頻率大于且小于50HZ時，啟動轉矩為啟動頻率的減函數。
當逐漸增大時，在理論上，當頻率接近零時，啟動轉矩非常大?？傮w上，啟動頻率的變化趨勢與較小時的情形大體相似，但是也有不同之處，其特點是，最小啟動轉矩快速上升，而且相應的啟動頻率變大，同時最大啟動轉矩也緩慢上升，而且相應的啟動頻率減小。當達到一定值(對Yl00Ll-4,當=30V)最小啟動轉矩上升已經超過了最大啟動轉矩，整個啟動轉矩為啟動頻率的單調遞減函數，這時工頻下的啟動轉矩最小。
.2變頻調速時啟動電流的變化規(guī)律
對啟動電流求偏導數，有
（1-2）
從式（1-2）可知，分母;;固只要有
（其中，為電動機額定電壓）則從而可以分析出，在,,并且電動機的參數滿足的條件下，函數ｙ的值將始終大于零，所以也將大于零，這說明在該條件下，在零頻至工頻范圍內，啟動電流為啟動頻率的增函數。
現在將Y100L1-4電動機參數代入，可得其啟動電流的變化規(guī)律。
1.3交流異步電動機起動頻率范圍的確定
根據啟動轉矩與啟動電流相對于轉矩提升電壓和啟動頻率的變化規(guī)律，啟動頻率范圍應為同時滿足電動機啟動轉矩要求和變頻器對啟動電流要求的啟動頻率范圍。即:
(1) 從啟動轉矩與負載轉矩的比值對于啟動頻率的曲線中找出數值大于1.2的頻率范圍。
(2) 從啟動電流與額定電流之比值對應于啟動頻率的曲線中畫出數值小于5的頻率范圍。
（3）求出以上兩部分的公共部分，既是所求的啟動頻率范圍。
現以Yl00Ll-4, = 0時為例，來說明如何確定啟動頻率范圍。若在特定工況下Yl00Ll-4電動機的啟動負載為4 (n. m)，則啟動轉矩應該大于4×1. 2=4. 8 (n. m), Y100L1-4電動機的額定電流為5. 0 (A)，其啟動電流應該小于1. 5× 5=7. 5 (A).則從電動機的啟動轉矩特性曲線和啟動電流特性曲線中可以找出啟動轉矩大于4. 8 (n. m)和啟動電流小于7. 5 (A)的頻率范圍，兩者的交集即為啟動頻率的范圍。如圖(3-6)所示，從圖中可以看出，電動機的最佳啟動頻率范圍為7~10 （HZ）。
圖（1-3）注：1-啟動電流曲線 2-啟動轉距曲線
The research of performance of Common induction motor workingwith variable frequency mode
基于西門子PLC的洗衣機控制系統設計
摘 要
目前，在自動化領域主要的控制方式有繼電器控制、微機控制和PLC控制三種。由于PLC控制系統與繼電器控制系統及微機控制系統相比，具有設計、安裝、接線、調試工作量小，研制周期短，可靠性高，抗擾能力強，故障率低，對工作環(huán)境要求低，維護方便等一系列優(yōu)點，因此，已成為國內外機加工控制對象的首選控制方案。
本文采用PLC控制技術和變頻調速技術相結合的方法來設計PLC控制的節(jié)能洗衣機。
關鍵詞：全自動；PLC控制；變頻器
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； Control transducer
目 錄
第一章 緒論.....................................................1
1.1引言[1] 1
1.2 洗衣機的發(fā)展史 1
1.2.1中國洗衣機的發(fā)展狀況 2
1.3 PLC技術在洗衣機中的發(fā)展現狀 3
1.3.1 PLC技術現狀[2、3] 3
1.3.2 將變頻技術與PLC相結合[4] 3
1.3.3 PLC在洗衣機中應用的發(fā)展狀況[5] 4
1.3.4 PLC控制的特點[6] 4
1.4 課題來源，研究內容及研究結果 6
1.5 畢業(yè)設計任務 7
第二章 PLC控制和變頻調技術簡介.................8
2.1 變頻調速的概念和作用[7] 8
2.1.1變頻調速的意義[8] 8
2.2 國內外變頻技術的發(fā)展現狀[9] 9
2.2.1 國內變頻調速技術的發(fā)展概況 9
2．2.2 國外變頻調速技術的發(fā)展概況 9
2.3 PLC的結構和工作原理[10] 10
2.3.1 PLC的基本結構 10
2.3.2 PLC的工作原理 11
2.3.3 PLC的指令系統 11
2.3.4 PLC的編程工具 12
2.4 選題的依據 12
第三章 洗衣機控制系統的硬件設計.................13
3.1衣機的工作原理[11] 13
3.2洗衣機的設備控制要求 13
3.3 PLC控制系統的設計分析[12、13] 16
3.3.1洗衣機設計的控制系統構成圖 17
3.4 PLC和變頻器的選擇 18
3.4.1 PLC型號的選擇[14、15、16] 18
3.4.2變頻器的選擇[17、18] 19
3.4.3 VS-616G5型變頻器的參數設置 20
第四章 洗衣機控制系統的軟件設計..................22
4.1 程序的構成、下載、安裝和調試[19] 22
4.1.1 S7-200的出錯代碼[20] 22
4.2 洗衣機控制系統資源分配 24
4.3洗衣機的PLC程序設計 25
4.3.1 源程序 25
4.3.2進水、洗衣、排水、脫水、洗完報警程序 28
第五章 總結...................................................34
參考文獻...................................................35
致 謝.............................................37
附錄..........................................................39
第一章 緒論
1.1引言[1]
可編程控制器功能強大，可靠性高，應用面廣，使用方便，在現代自動控制領域應用極其廣泛?，F行的全自動洗衣機只要選擇好水位，打開水龍頭，放入衣物、洗滌劑，接通操作開關，后面的全是洗衣機自動運行了，因此，完全可以用編程控制器來代替控制。
1.2 洗衣機的發(fā)展史
從古到今，洗衣服都是一項難于逃避的家務勞動，而在洗衣機出現以前，對于許多人而言，它并不像田園詩描繪的那樣充滿樂趣，手搓、棒擊、沖刷、甩打……這些不斷重復的簡單的體力勞動，留給人的感受常常是：辛苦勞累。
1874年，“手洗時代”受到了前所未有的挑戰(zhàn)——有人發(fā)明了木制手搖洗衣機。發(fā)明者是美國人比爾·布萊克斯。布萊克斯的洗衣機構造極為簡單，是在木筒里裝上6塊葉片，用手柄和齒輪傳動，使衣服在筒內翻轉，從而達到“凈衣”的目的。這套裝置的問世，讓那些為提高生活效率而冥思苦想的人士大受啟發(fā)，洗衣機的改進過程開始大大加快。
1880年，美國又出現了蒸汽洗衣機，蒸汽動力開始取代人力。 之后，水力洗衣機、內燃機洗衣機也相繼出現。到1911年，美國試制成功世界上第一臺電動洗衣機。電動洗衣機的問世，標志著人類家務勞動自動化的開端。10年之后，美國本德克斯航空公司宣布，他們研制成功第一臺前裝式滾筒洗衣機，洗滌、漂洗、脫水在同一個滾筒內完成。這意味著電動洗衣機的型式躍上一個新臺階，朝自動化又前進了一大步！直至今日，滾筒式洗衣機在歐美國家仍得到廣泛應用。
隨著工業(yè)化的加速，世界各國也加快了洗衣機研制的步伐。首先由英國研制并推出了一種噴流式洗衣機，它是靠筒體一側的運轉波輪產生的強烈渦流，使衣物和洗滌液一起在筒內不斷翻滾，洗凈衣物。1955年，在引進英國噴流式洗衣機的基礎之上，日本研制出獨具風格、并流行至今的波輪式洗衣機。至此，波輪式、滾筒式、攪拌式在洗衣機生產領域三分天下的局面初步形成。
20世紀60年代以后，洗衣機在一些發(fā)達國家的消費市場開始形成系列，家庭普及率迅速上升。此間洗衣機在日本的發(fā)展備受矚目。60年代的日本出現了帶干桶的雙桶洗衣機，人們稱之為“半自動型洗衣機”。70年代，生產出波輪式套桶全自動洗衣機。70年代后期，微電腦控制的全自動洗衣機橫空出世，讓人耳目一新。到80年代，“模糊控制”的應用使得洗衣機操作更簡便，功能更完備，洗衣程序更隨人意，外觀造型更為時尚……進入90年代，由于電機調速技術的提高，洗衣機實現了寬范圍的轉速變換與調節(jié)，誕生了許多新水流洗衣機。此后，隨著電機驅動技術的發(fā)展與提高，日本生產出了電機直接驅動式洗衣機，省去了齒輪傳動和變速機構，引發(fā)了洗衣機驅動方式的巨大革命。
1.2.1中國洗衣機的發(fā)展狀況
中國，由于歷史原因，洗衣機工業(yè)起步較晚，直到1978年才正式生產家用洗衣機。但是，隨著人們認識的發(fā)展，尤其是改革開放的不斷深化，進入80年代后的洗衣機工業(yè)并沒有像一些人預料的那樣停步不前，而是保持著旺盛的發(fā)展勢頭。1983年洗衣機產量由1978年的400臺飆升到365萬臺，此后全國各地掀起了大規(guī)模的技術引進熱潮，大約有40多個廠家先后從洗衣機技術先進國日本、英國、法國、意大利、澳大利亞等引進技術60多項。技術的引進、吸收和創(chuàng)新，極大地提升了國產洗衣機的產業(yè)素質與生產能力，縮短了同發(fā)達國家之間的差距。如今，我國洗衣機年產量約占世界年產量的四分之一，居于世界首位。除了在數量和品種上滿足國內市場外，還出口到北美、歐洲、東南亞等地，躋身于國際洗衣機市場的競爭行列。
1.3 PLC技術在洗衣機中的發(fā)展現狀
1.3.1 PLC技術現狀[2、3]
可編程控制器（Programmable Controller）是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但可編程控制器產品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據實際需要進行選用配置，其軟件需根據控制要求進行設計編制。隨著微處理器CPU和微型計算機技術在PLC中的應用，形成了現代意義上的PLC?，F在的PLC產品已經使用了16位、32位高性能微處理器，而且實現了多處理器的多信道處理。
目前，世界上有200多個產家生產PLC產品，比較著名的有美國的AB、通用（GE）、莫迪康，日本的三菱、歐姆龍、松下電工，德國的西門子，法國的TE。我國自20世紀70年代末以來，先是引進技術，后來是合作開發(fā)，現是自行設計開發(fā)。目前，PLC技術正在不斷的地向綜合性的工業(yè)控制發(fā)展。隨著機器人使用的增加及其集合為生產線，以及科學技術的迅速發(fā)展，PLC不僅控制自動化工廠，而且還監(jiān)視和控制有關生產過程，未來PLC將朝兩極化、多功能、只能化和網絡化的模式發(fā)展。
1.3.2 將變頻技術與PLC相結合[4]
隨著變頻調速技術的應用日益廣泛，應用水平的不斷提高，對變頻調速控制系統的精度要求也越來越高。目前，許多變頻調速裝置屬于開環(huán)控制方式，不能滿足較高精度的要求。為提高調速系統的精度，一般都需要進行閉環(huán)控制。交流異步電機因其價格低廉，經久耐用，易于維修，適合在惡劣的環(huán)境中使用等優(yōu)點已得到廣泛的應用。但交流電機的數學模型和運算較為復雜，其控制特性會受對象內部參數變化的影響，因而用固定的調節(jié)器去控制時，往往難以得到較理想的靜動態(tài)特性。采取可靠的PLC和變頻器控制交流異步電機方法，提高了系統的靜動態(tài)特性。
本文結合異步電動機速度閉環(huán)控制，提出了一種基于PLC的變頻控制實現方法。首先對變頻調速系統進行總體設計，然后重點進行PLC、變頻器程序設計。在此基礎上，論述了模糊控制器的原理和結構，用PLC編程實現了控制的設計。
所開發(fā)的系統將變頻技術與PLC相結合，克服了傳統的調節(jié)器超調大的缺點，充分發(fā)揮了PLC控制靈活、編程方便、適應性強的優(yōu)點，提高了控制的精確度。實驗結果表明，該系統能對電機轉速實現精確控制，實用性強，具有一定的推廣價值。
1.3.3 PLC在洗衣機中應用的發(fā)展狀況[5]
一般洗衣機的控制系統都采用單片機控制，一旦出現故障，維修比較困難，而采用目前工業(yè)控制常用的PLC控制器作為主控元件的控制系統，其特點是價格低，編程簡單，一般工程技術人員以及稍懂電氣維修人員都能編程，并且易于功能擴展，實現洗滌時間設置的更改，平均無故障時間有可靠的保障，適合各型全自動洗衣機使用。
在全自動洗衣機中，洗衣機洗滌，脫水程序是由PLC位中心控制系統工作的。它是整體模塊。集中了驅動電路，檢測電路和保護電路以及通訊聯網功能。因此在運用中，硬件也相對簡單，提高控制系統的可靠性。另外它的編程也是比較簡單的。
PLC會不斷完善自身缺陷，隨著INTERNET發(fā)展，PLC的硬件和軟件也會提高，我相信PLC一定會有生命力小型PLC將存在很長時間,因為它經濟,可靠;大型PLC的一部分可能會被PC-BASE,智能I/O,現場總線取代。
1.3.4 PLC控制的特點[6]
1、高可靠性
（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離。
（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數一般為10~20ms。
（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。
（4）采用性能優(yōu)良的開關電源。
（5）對采用的器件進行嚴格的篩選。
（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。
（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統或有三CPU構成表決系統,使可靠性更進一步提高。
2、豐富的I/O接口模塊
?? PLC針對不同的工業(yè)現場信號，如：交流或直流；開關量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；
強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現場的器件或設備，如：按鈕；行程開關；接近開關；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。
?? 另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網絡，它還有多種通訊聯網的接口模塊，等等。
3、采用模塊化結構
?? 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統的規(guī)模和功能可根據用戶的需要自行組合。
4、編程簡單易學
?? PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。
5、安裝簡單，維修方便
?? PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。
?? 由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統迅速恢復運行。
PLC的功能
（1）邏輯控制
（2）定時控制
（3）計數控制
（4）步進(順序)控制方式有繼電器控制、微機控制和PLC控制三種。由于PLC控制系統與繼電器控制系統及微機控制系統相比，具有設計、安裝、接線、調試工作量小，研制周期短，可靠性高，抗擾能力強，故障率低，對工作環(huán)境要求低，維護方便等一系列優(yōu)點，因此，已成為國內外機加工控制對象的首選控制方案。而繼電器控制系統因技術性能差，功能單一，早已在機加工控制對象上淘汰掉了。微機控制系統因抗擾能力較差，對工作環(huán)境要求較高，設計研制周期較PLC控制系統長，因此，在機加工控制對象上的應用呈逐年下降的趨勢。為機加工控制對象設計研制一個技術性能優(yōu)良的控制系統，對于提高加工控制對象的整體技術性能來說具有十分重要的意義。本文正是針對這一課題，選擇PLC控制系統作為機加工控制對象的控制方案，這對提升機加工控制對象的整體技術性能可以起到良好的作用。 在基于PLC的機加工控制系統設計中，提出并采用了跳步法，從而大大節(jié)省了該系統所需的用于各單機手動和半自動控制的總按鈕數，及其占用的PLC輸入點數，節(jié)省了該系統的研制費用，減少了該系統的安裝、接線工作量，也為日后對機加工控制對象的操作帶來了方便；首次為該系統開發(fā)出了一套能使機加工控。
1.4 課題來源，研究內容及研究結果
1、課題來源:本項目來PLC控制在洗衣機中的實際應用。
2、研究內容:本設計研究可編程控制器在洗衣機系統中的應用。并且與變頻技術相結合，讓洗衣機操作簡單，安全，快捷，節(jié)能。
3、研究結果：經過研究設計，實際運行，該系統具有以下基本功能:
（1）根據贓物的程度自行選者洗滌的程度。
（2）節(jié)能，采用變頻技術，控制洗衣機轉數，達到節(jié)能效果。
（3）具有自動報警功能，洗衣機在工作過程中,如發(fā)生下列情況之一:門鎖開關、門折頁開關因故斷開；電機過流使熱繼電器動作；在脫水和甩干過程中, 洗衣機由于震動幅度過大, 使安裝在洗衣機上的平衡開關斷開。這時系統就會自動切斷控制回路,使洗衣機停止工作,并由蜂鳴器報警。
1.5 畢業(yè)設計任務
本次畢業(yè)設計課題是PLC控制的節(jié)能洗衣機系統，我的主要任務是應用軟件設計和程序的設計，大體為以下五項內容：
1. PLC控制的洗衣機現狀和發(fā)展 主要介紹其采用可編程序的存貯器, 用來在其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令, 并通過數字的、模擬的輸入和輸出, 控制各種類型的機械或生產過程. 其特點是價格低,編程簡單,并且易于功能擴展,維修簡單,可靠性強.
2. 洗衣機控制系統的PLC選型和資源配置。
3. PLC控制的洗衣機系統的理論原理以及總體方按的設計
4．系統硬件設計：
(1) 確定安排PLC 的輸入、輸出點；
(2) 設計外圍電路, 包括主電路；
(3) 選購PLC 并進行現場安裝接線等內容
5. 軟件設計：
(1) 洗衣機控制系統的控制要求設計
(2) 洗衣機控制系統的PLC選型和資源配置
(3) 洗衣機控制系統程序設計和調試
(4) 系統調試：根據設計要求, 對程序進行調試和修改, 必要時還可對硬件進行修改, 直到符合要求為止
總之，在本次設計中，必須完成圖表：論文說明書、控制電路圖、 程序流程圖、程序清單等。
第二章 PLC控制和變頻調技術簡介
2.1 變頻調速的概念和作用[7]
交流電動機變頻調速是利用交流電動機的同步轉速隨頻率變化的特性，通過改變交流電動機的供電頻率進行調速。通用變頻器和交流電動機相結合，實現對生產機械的傳動控制稱為變頻器傳動，屬運動控制范疇。變頻器傳動具有綜合性的技術優(yōu)勢，應用到不同的場合，可以體現出不同的功能，達到不同的目的。
隨著電力電子器件制造、基于電力電子電路的電力變換、計算機、現代控制、微電子、全數字化控制、網絡通信等技術的迅速發(fā)展，通用變頻器技術也日新月異。特別是通用變頻器的全數字化、網絡化控制技術，在提高其性能方面起到了舉足輕重的作用，使電氣遠動控制技術發(fā)生了深刻的歷史性變革，如交流調速取代直流調速、全數字化控制技術取代模擬控制技術、網絡控制技術取代單機控制已成為現實，現代交流電動機傳動控制已不再局限于單一的調速控制要求，而更多的是要求裝置化、系統化應用。新一代的變頻調速控制技術是基于正弦波脈寬調制（SPWM）技術、矢量變換技術、直接轉矩控制和網絡通信技術為基礎的全數字化控制技術。微處理技術、PWM控制技術和電力電子開關器件是通用變頻器控制技術的基礎。
2.1.1變頻調速的意義[8]
據資料證實，在所有的能源中，電力能源約占50%，而電力能源中有40%是必須經過電力電子設備的轉換才能使用，電力能源中70%以上將用于交流電動機的控制，我國電動機的總裝機容量已達4億kW，年耗電量達6000億kWh，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類在用電動機中,80%以上為220kW以下的中小型異步電動機,在我國60%的發(fā)電量是通過各類電動機消耗的，因此變頻調速技術一直得到國家重視。
2.2 國內外變頻技術的發(fā)展現狀[9]
2.2.1 國內變頻調速技術的發(fā)展概況
我國電氣傳動產業(yè)始建于1954年，當時第一批該專業(yè)范圍內的學生從各大專院校畢業(yè)，同時在機械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司?，F在我國己有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調速技術的工作。我國是一個發(fā)展中國家，許多產品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達國家。至今自行開發(fā)生產的變頻調速產品大體只相當于國際上80年代水平。隨著改革開放，經濟高速發(fā)展，形成了一個巨大的市場，它既對國內企業(yè)，也對外國公司開放。很多最先進的產品從發(fā)達國家進口，在我國運行良好，滿足了生產和生活需要。國內很多合資公司生產當今先進的產品，國內很多公司自行開發(fā)、生產產品的能力較弱，對國外公司的依賴嚴重。
從總體上看我國電氣傳動的技術水平較國外先進水平差距10-15年。在大功率無換相器電機等變頻調速技術方面，國內只有少數科研單位有能力制造，但在數字化及系統可靠性方面與國外還有相當差距。在中小功率變頻技術方面，國內幾乎所有的產品都是普通的V/F控制，僅有少量的樣機采用矢量控制，品種質量還不能滿足市場需要，每年需大量進口變頻控制設備。國內交流變頻調速技術產業(yè)現狀是:
(1)變頻器的整機技術落后，國內雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術開發(fā)能力和生產規(guī)模。
(2)變頻器產品所用半導體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。
(3)相關配套產業(yè)及行業(yè)落后。
(4)產銷量少，可靠性及工藝水平不高。
2．2.2 國外變頻調速技術的發(fā)展概況
在大功率交—交變頻調速技術方面，法國阿爾斯通已能提供單機容量達3萬千瓦的電氣傳動設備用于船舶推進系統。在大功率無換向器電機變頻調速技術方面，意大利ABB公司提供了單機容量為6萬千瓦的設備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調速技術方面，德國西門子公司的Simovert A電流型晶閘管變頻調速設備容量為10-2600KVA和Simovert P GTO PWM變頻調速設備單機容為100-900KVA，其控制系統已實現全數字化，用于電力機車、風機、水泵傳動。在小功率交流變頻調速技術方面，日本富士BJT變頻器最大單機容量為700KVA, IGBT變頻器己形成系列產品，其控制系統也已實現全數字化。
國外交流變頻調速技術高速發(fā)展有以下特點:
(1)市場需求空間大。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球化短缺，變頻技術越來越廣泛地應用在機械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個行業(yè)以及風機、水泵等設備，并取得顯著的經濟效益。
(2)功率器件的發(fā)展。近幾年來高電壓、大電流的GTR, GTO, IGBT, IGCT
等器件的生產和面世，使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現實。
(3)控制理論和微電子技術的發(fā)展。矢量控制、磁通控制、轉矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎;16位、32位高速微處理器以及信號處理器(DSP)和專業(yè)集成電路(ASIC)技術的快速發(fā)展，為實現變頻器高精度、多功能和智能化提供了硬件手段。
(4)基礎工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關配套件社會化、專業(yè)化生產。
2.3 PLC的結構和工作原理[10]
2.3.1 PLC的基本結構
PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同。根據結構形式的不同，PLC的基本結構分為整體式和模塊式兩類。
1.整體式結構的PLC
整體式結構的PLC有中央處理器（CPU）、儲存器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等組成，并將這些組裝在一起?；窘Y構框架如圖1-1所示。
2.模塊式結構的PLC
模塊式結構的PLC是將中央處理器（CPU）、儲存器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等分別做成相應的模塊，應用時將這些模塊根據控制要求插在機架上，各模塊間通過機架上的總線相互聯系?；窘Y構框架如圖1-2所示。
3.PLC各組成部分介紹
（1）中央處理器（CPU）：是PLC的核心部分，相當于PLC的“大腦”。它通過系統總線與用戶儲存器、輸入/輸出（I/O）單元、通信端口等單元相連。
（2）儲存器：用來存放控制的編程程序。
（3）輸入/輸出（I/O）單元：是PLC與外部設備連接的紐帶。
（4）電源部分：不同型號的PLC有不同的供電方式，所以PLC電源的輸入電壓既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。
（5）通信端口：PLC的CPU模塊上至少有一個通信端口，通過這個通信端口，PLC可以直接和編程器或上位機相連。
（6）編程器：幾乎每個PLC廠家都有自己的編程器，用戶通過編程器來編寫控制程序，并通過編程器接口將自己的控制程序輸入到PLC。它還可以在線檢測程序的運行情況。
（7）特殊功能單元：主要包括模擬量輸入/輸出單元、遠程I/O模塊、高速計數模塊、中斷輸入模塊和PID調解模塊等。
2.3.2 PLC的工作原理
PLC的工作原理與繼電器構成的控制裝置一樣，但是工作方式不太一樣。繼電器控制是并行運行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸電立即動作。而PLC則不同，它采用循環(huán)掃描技術，只有該線圈通電或斷電，并且必須當程序掃描到該線圈時，該線圈觸點才會動作。也可以說，繼電器控制裝置是根據輸入和邏輯控制結構就可以直接得到輸出，而PLC控制則需要輸入傳送、執(zhí)行程序命令、輸出3個階段才能完成控制過程。
2.3.3 PLC的指令系統
如同計算機編程一樣，PLC也有自己的指令系統。PLC程序就是由指令按照控制要求組合起來的，也可以說，PLC控制系統動作的過程就是PLC內部一條條指令執(zhí)行的過程。不同PLC廠家有不同的指令系統。
2.3.4 PLC的編程工具
每個PLC公司都有自己的編程器一般比較小，而且比較輕，適合在現場使用。但是它只能使用助記符語言對PLC進行編程，而且由于屏幕較小，每次只能顯示一兩行程序，難于對程序從整體上進行分析。
PLC公司提供的編程軟件則能使用梯形圖、助記符或功能塊圖語言進行編程，通過編程軟件，不僅能在一個屏幕上看到十幾頁，甚至幾十頁的程序，從宏觀上對程序進行編程和分析，而且它還能對程序的運行情況進行監(jiān)視。
2.4 選題的依據
隨著電力電子技術、計算機技術以及自動控制技術的迅速發(fā)展，電氣傳動技術正面臨一場歷史性的革命。經過了二十多年的發(fā)展，近代交流傳動逐漸成為電氣傳動的主流。電機交流變頻調速是當今節(jié)電改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境，推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優(yōu)異的起動、調速和制動性能，高效率、高功率因數和節(jié)能效果，廣泛的應用范圍等優(yōu)點被國內為公認為最有發(fā)展前途的調速方式。
交流異步電動機是一個非線性，強禍合的對象，異步電動機變頻調速時傳遞函數的推導過程是相當復雜的，即使作了很多簡化(例如假設磁勢是正弦分布的，磁路不飽和，沒有磁滯與渦流損耗等)所得到的一組微分方程式也是非線性的，一般不能用解析法來求解，而只能借助于模擬計算機去模擬系統的動態(tài)方程或者借助于數字計算機去求取一組數值解，這樣用常規(guī)的控制方法來實現精確度高的變頻調速是較困難的。針對這一情況，采取可靠的PLC和變頻器控制交流異步電機方法。
變頻調速系統主要有以下優(yōu)點:
(1)整個控制系統結構簡單，維護簡單。
(2)計算精確，無漂移，控制精度高。
(3)調試簡單，通用性強。
(4)監(jiān)控、通信能力強等。
總之，變頻調速系統是值得研究和探討的，它開辟了變頻調速系統改善系統性能的新途徑，具有十分重要的實用價值和廣闊的應用前景。
第三章 洗衣機控制系統的硬件設計
3.1衣機的工作原理[11]
洗衣機的工作流程示意圖如3-1圖所示
圖3-1 洗衣機工作流程圖
洗衣機的工作流程由開始變頻，進水、洗衣、排水和脫水5個過程組成。在半自動洗衣機中, 進水、洗衣、排水和脫水這4個過程分別用相應的按鈕開關來控制。全自動洗衣機中,這4個過程可做到全自動依次運行,直至洗衣結束。
自動洗衣機的進水、洗衣、排水和脫水是通過水位開關,電磁進水閥和電磁排水閥配合進行控制,從而實現自動控制的。水位開關是用來控制進水到洗衣機內高,中,低水位；電磁進水閥起著通/斷水源的作用。進水時,電磁進水閥打開,將水注入；排水時,電磁排水閥打開,將水排出；洗衣時,洗滌電動機啟動；脫水時,脫水桶啟動。
3.2洗衣機的設備控制要求
全自動洗衣機控制系統的要求是能實現“正常運行”和“強制運行”兩種控制方式。
1、 正常運行，如圖3-2
圖3-2 洗衣機正常運行
“正常運行”方式具體控制要求如下:
(1)將水位通過水位選擇開關設在合適的位置(高、中、低),按下“啟動”按鈕,開始進水,達到設定的水位(高、中、低)后,停止進水；
(2)進水停止2S后開始洗衣；
(3)洗衣時,正轉20S,停止2S,然后反轉20S,停止2S；
(4)如此循環(huán)共5次,總共220S后開始排水,排空后脫水30S；
(5)然后再進水,重復(1)—(4)步,如此循環(huán)共3次；
(6)洗衣過程完成,報警3S并自動停機。
2、強制停止，如圖3-3
圖3-3 洗衣機的強制停止
(1)若按下“停止”按鈕,洗衣過程停止,即洗滌電機和脫水桶轉,進水電磁閥和排水閥全部閉合；
(2)可用手動排水開關和手動脫水開關進行手動排水和脫水。
3.3 PLC控制系統的設計分析[12、13]
1. PLC控制系統的設計基本原則
設計的基本原則任何一種電氣控制系統都是為了實現被控對象(生產設備或生產過程)的工藝要求，以提高生產效率和產品質量。因此，在設計PLC控制系統時，應遵循以下基本原則:
（1）PLC的選擇除了應滿足技術指標的要求之外，特別應指出的是還應重點考慮該公司的產品的技術支持與售后服務的情況，一般應選擇在國內特別是在所設計系統本著有著較為方便的技術服務機構或較有實力的代理機構的公司產品，同時應盡量選擇主流機型。
（2）最大限度地滿足被控對象的控制要求。設計前，應深入現場進行調查研究，搜集資料，并與機械部分的設計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定電氣控制方案，協同解決設計中出現的各種問題。
（在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統簡單、經濟、使用及維修方便。
1) 保證控制系統的安全、可靠。
2) 考慮到生產的發(fā)展和工藝的改進，在選擇PLC容量時，應適當留有裕量。當然對手不同的用戶要求的側重點有所不同，設計的原則應有所區(qū)別，如果以提高產品產量和安全為目標，則應將系統可靠放在設計的重點，甚至考慮采用冗余控制系統，如果要求系統改善信息管理，則應將系統通信能力與總線網絡設計加以強化。
2. PLC控制系統的設計的主要內容
PLC控制系統是由PLC與用戶輸入、輸入設備連接而成的，用以完成預期的控制目的與相應的控制要求。因比，PLC控制系統設計的基本內容應包括:
（1）根據生產設備或生產過程的工藝要求，以及所提出的各項控制指標與經濟預算，首先進行系統的總體設計。
（2）根據控制要求基本確定數字I/O點和模擬量通道數，進行I/O點的初步分配，繪制I/O使用資源圖。
（3）進行PLC系統配置設計，主要為PLC的選擇。PLC是PLC控制系統的核心部，正確選擇PLC對于保證整個控制系統的技術經濟性能指標起著重要的作用。選擇PLC,應包括機型的選擇、容量的選擇、1/O模塊的選擇、電源模塊的選擇等。
（4）選擇用戶輸入設備(按鈕、操作開關、限位開關、傳感器等)、輸出設備(繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件)，以及由輸出設備驅動的控制對象(電動機、電磁閥等)，這些設備屬于一般的電器元件。
（5）設計控制程序。在深入了解與掌握控制要求與主要控制的基本方式以及應完成的動作、自動工作循環(huán)的組成、必要的保護和聯鎖等方面情況之后。對較復雜的控制系統，可用狀態(tài)流程圖的形式全面地表達出來。必要時還可將控制任務分成幾個獨立部分，這樣可化繁為簡，有利于編程和調試。程序設計主要包括繪制控制系統流程圖、設計梯形圖、編制語句表、程序清單。
控制程序是控制整個系統工作的條件，是保證系統工作正常，安全、可靠的關鍵。因此，控制系統的設計必須經過反復調試、修改，直到滿足要求為止。
3. PLC控制系統程序設計的步驟，
在對一個控制系統進行設計之前，最重要的工作就是深入了解和分析系統的控制要求，只有這樣才可能提出準確的、合理的系統總體設計方案，進而實現各個階段的設計任務。
3.3.1洗衣機設計的控制系統構成圖
控制圖如下圖3-4所示：
圖3-4 PLC控制圖
3.4 PLC和變頻器的選擇
3.4.1 PLC型號的選擇[14、15、16]
全自動洗衣機控制采用西門子公司的S7-200系列整體式PLC。
PLC實物圖如3-5圖所示：
圖3-5 PLC實物圖
1、S7-200系列PLC簡介
（1）S7-200系列PLC的特點：
1）它結構緊湊
2）擴展性良好
3）指令功能強大
4）價格低廉成為當代各種小型控制工程的理想控制器。
（2）S7-200PLC的產品：
1）集成一定數字I/O點的CPU：CPU221、CPU 222、CPU 224、CPU 226、CPU 226XM
2）擴展模塊：主要有
數字量擴展模塊：EM221、EM222、EM223
模擬量擴展模塊：EM231、EM 232、EM 235
通訊模塊：EM277、EM241等
其它模塊：特殊功能模塊可以十分方便地組成不同規(guī)模的控制器。其控制規(guī)?？梢詮膸c到幾百點。S7-200PLC可以方便地組成PLC-PLC網絡和微機-PLC網絡，從而完成規(guī)模更大的工程。
（3）S7-200的編程軟件
STEP7-Micro/WIN32。該編程軟件可以方便地在Windows環(huán)境下對PLC編程、調試、監(jiān)控。使得PLC的編程更加方便、快捷?？梢哉f，S7-200可以完美地滿足各種小規(guī)模控制系統的要求。
（4）I/O地址分配
由于CPU模塊有14點數字量輸入,有10點數字量輸出,所以不再需要輸入/輸出模塊.采用I/O分配采用自動分配方式,模塊上的輸入端子對應的輸入地址是I0.0-I1.5,輸出端子對應的輸出地址是Q0.0-Q1.1。
2、模塊功能概述
CPU模塊采用西門子的CPU-224(AC/DC/續(xù)電器)模塊,它控制著整個系統按照控制要求有條不紊地運行.同時由于該模塊采用交流220V供電,并且自帶14個數字量輸入點和10個數字量輸出點,完全能 全自動洗衣機控制系統的要求,所以不再需要另外的電源模塊.數字量輸入和輸出模塊。
西門子 S7-200 CPU單元CPU-224 主要性能如下表3-6所示
主要
性能
本機集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O 點。16K字節(jié)程序和數據存儲空間
其他
性能
6個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。
特點
1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器
產品
尺寸
120.5×80×62mm
表3-6 西門子 S7-200 CPU單元CPU-224 主要性能
3.4.2變頻器的選擇[17、18]
隨著經濟發(fā)展，人民的生活水平的提高，對于家用電器的要求不斷提高。 利用日本安川VS-616G5 變頻器可編寫速度曲線的優(yōu)點, 對現有的洗衣機轉速調速控制系統進行改進, 既可以達到節(jié)能的要求。
日本安川VS-616G5 變頻器的特點如下：
（1）包括電流矢量控制在內的四種控制方式均實現了標準化。
（2）有豐富的內藏與選擇功能。
（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。
（4）保護功能完善、維修性能好。
（5）通過LCD操作裝置，可提高操作性能。
洗衣機的控制系統主要由變頻器、PLC 及旋轉編碼器組成。變頻器用來實現電機的調速。本文所選用的安川VS- 616G5 通用變頻器的可自行設置速度曲線的特點來實現平穩(wěn)操作和精確控制。為滿足洗衣機安全性的要求,變頻器通過與電動機同軸連接的旋轉編碼器和PG卡,完成速度檢測及反饋,形成閉環(huán)系統。PLC負責處理各種信號的邏輯關系, 從而向變頻器發(fā)出起、停等信號,同時變頻器也將工作狀態(tài)信號送給PLC ,形成雙向聯絡關系,這是系統的核心。旋轉編碼器與電動機同軸連接,對電動機進行測速。旋轉編碼器輸出A、B兩相脈沖,旋轉編碼器根據AB脈沖的相序,可判斷電動機轉動方向,并可根據A、B脈沖的頻率測得電動機的轉速。旋轉編碼器將此脈沖輸出給PG卡,PG卡再將此反饋信號送給變頻器內部,以便進行運算調節(jié)。所以旋轉編碼器和PG卡實現了閉環(huán)運行。
3.4.3 VS-616G5型變頻器的參數設置
由于采用PLC作為邏輯控制部件，故變頻器和PLC通訊時采用開關量而不用模擬量。由于61665是通用型變頻器，因而用在洗衣機控制上為了滿足運行效率、節(jié)能性和安全性的要求，其參數設置比專用型變頻器要復雜得多。
VS-616G5型變頻器共有9組參數，每一組參數的設定都具有特定的含義。常用參數如圖3-7所示。
參數
功能
A組
確定控制模式
B組
選擇運行功能
C組
確定加減速時間及轉矩補償時間
D組
時間頻率
E組
確定運行壓頻曲線
F組
保護設置
H組
確定偏差標準
圖3-7 變頻器的參數
參數設置的原則:1、為減小啟動沖擊及減少噪音，其速度環(huán)的比例系數宜小些，而積分時間常數宜大些；2、為了提高運行效率，快洗頻率應選為工頻，而慢洗頻率要盡可能低些；3、變頻器其他常用參數可根據電網電壓和電機銘牌數據直接輸入，具體的設置見下表3-8。
參數
名稱
設定值
說明
A1-02
控制方式選擇
2
不帶PG矢量控制方式
B1-01
頻率指令選擇
1
B1-02
運行指令選擇
1
B1-03
停止方式選擇
0
B1-04
反轉方式選擇
0
B2-01
零速電平選擇
0.1Hz
B2-04
停止時直流制動時間
1.0s
C1-03
加速時間2
2.0s
C1-04
減速時間2
2.0s
C2-01
加速開始時S型曲線時間
0.6s
C2-02
加速完了時S型曲線時間
0.6s
C2-03
減速開始時S型曲線時間
0.6s
C2-04
減速完了時S型曲線時間
0.6s
C5-01
ASR比例增益1
5
C5-02
ASR積分時間1
3s
D1-09
檢修速度
200rpm
E1-01
輸入電壓設置
380v
E1-04
最高輸出頻率
50Hz
E1-05
最大電壓
380v
E1-06
額定電壓頻率
50Hz
E1-09
最低輸出頻率電壓
0
E2-01
電機額定電流
按電機銘牌設置
E2-02
電機額定滑差
按電機銘牌設置
E2-03
電機空載電流
按電機銘牌設置
E2-04
電機極數
按電機銘牌設置
F1-01
PG常數
根據旋轉編碼器銘牌設置
F1-02
PG斷線檢測時的動作選擇
0
F1-03
超速時的動作選擇
0
F1-04
超速偏差過大時的動作選擇
0
F1-05
PG分頻比
根據電機極速設置
表3-8 變頻器的其他參數
變頻器制動電阻參數的計算
采用能耗制動方式通過制動單元將再生能量消耗在制動電阻上，成本較低而且具有良好的使用效果。能耗制動電阻RZ的大小應使制動電流工z的值不超過變頻器額定電流的一半，即
第四章 洗衣機控制系統的軟件設計
4.1 程序的構成、下載、安裝和調試[19]
這個程序有自動方式和手動方式兩種。在自動方式下,PLC將運行已經設置好的程序和參數(適用于機械一切都工作正常的情況下)。在手動方式下是在緊急停止情況下,可以手動進行排水和脫水。
將各個輸入/輸出端子和實際控制系統中的按鈕。所需控制設備正確連接,完成硬件的安裝。全自動洗衣機程序是由STEP7-Micro/Win32軟件的指令完成,正常工作時程序存放在存儲卡中,若要修改程序,先將PLC設定在STOP狀態(tài)下,運行STEP7-Micro/Win32編程軟件,打開全自動洗衣機程序,即可在線調試,也可用編程器進行調試。
4.1.1 S7-200的出錯代碼[20]
使用“PLC”菜單中的“信息（Information）”命令，可以查看程序的錯誤信息。S7-200的出錯主要有以下三種。
1、致命錯誤
致命錯誤會導致CPU無法執(zhí)行某個功能或所有功能，停止執(zhí)行用戶程序。當出現致命錯誤時，PLC自動進入STOP方式，點亮“系統錯誤”和“STOP”指示燈，關閉輸出。消除致命錯誤后，必須重新啟動CPU。
在CPU上可以讀到的致命錯誤代碼及其描述如表4-1所示。
代碼
錯誤描述
代碼
錯誤描述
0000
無致命錯誤
000B
存儲器卡上用戶程序檢查錯誤
0001
用戶程序編譯錯誤
000C
存儲器卡配置參數檢查錯誤
0002
編譯后的梯形圖檢查錯誤
000D
存儲器卡強制數據檢查錯誤
0003
掃描看門狗超時錯誤
000E
存儲器卡默認輸出表值檢查錯誤
0004
內部EEROM錯誤
000F
存儲器卡用戶數據、DB1檢查錯誤
0005
內部EEPROM用戶程序檢查錯誤
0010
內部軟件錯誤
0006
內部EEPROM配置參數檢查錯誤
0011
比較觸點間接尋址錯誤
0007
內部EEPROM強制數據檢查錯誤
0012
比較觸點非法值錯誤
0008
內部EEPROM默認輸出表值檢查錯誤
0013
存儲器卡空或COU不識別該卡
0009
內部EEPROM用戶數據、DB1檢查錯誤
0014
比較接口范圍錯誤
000A
存儲器卡失靈
表4-1 致命錯誤代碼及描述
2、程序運行錯誤
在程序正常運行中，可能會產生非致命錯誤（如尋址錯誤），此時CPU產生的非致命錯誤代碼及描述如表4-2所示。
錯誤代碼
錯 誤 描 述
0000
無錯誤
0001
執(zhí)行HDEF前，HSC禁止
0002
輸入中斷分配沖突并分配給HSC
0003
到HSC的輸入分配沖突，已分配給輸入中斷
0004
在中斷程序中企圖執(zhí)行ENI、DISI或HDEF指令
0005
第一個HSC/PLS未執(zhí)行完前，又企圖執(zhí)行同編號的第二個HSC/PLS（中斷程序中的HSC同主程序中的HSC/PLS沖突）
0006
間接尋址錯誤
0007
TODW（寫實時時鐘）或TODR（讀實時時鐘）數據錯誤
0008
用戶子程序嵌套層數超過規(guī)定
0009
在程序執(zhí)行XMT或RCV時，通信口0又執(zhí)行另一條SMT/RCV指令
000A
HSC執(zhí)行時，又企圖用HDEF指令再定義該HSC
000B
在通信口1上同時執(zhí)行XMT/RCV指令
000C
時鐘存儲卡不存在
000D
重新定義已經使用的脈沖輸出
000E
PTO個數為0
0091
范圍錯誤（帶地址信息）：檢查操作數范圍
0092
某條指令的計數域錯誤（帶計數信息）：檢查最大計數范圍
0094
范圍錯誤（帶地址信息）：寫無效存儲器
009A
用戶中斷程序試圖轉換成自由口模式
009B
非法指令（字符串操作中起始位置指定為0）
表4-2 程序運行錯誤代碼及描述
3、編譯規(guī)則錯誤
當下載一個程序時，CPU在對程序的編譯過程中如果發(fā)現有違反編譯規(guī)則，則CPU會停止下載程序，并生成一個非致命編譯規(guī)則錯誤代碼。非致命編譯規(guī)則錯誤代碼及描述如表4-3所示。
錯誤代碼
錯 誤 描 述
0080
程序太大無法編譯，須縮短程序
0081
堆棧溢出：必須把一個網絡分成多個網絡
0082
非法指令：檢查指令助記符
0083
無MEND或主程序中有不允許的指令：加條MEND或刪去不正確的指令
0084
保留
0085
無FOR指令：加上FOR指令或刪除NEXT指令
0086
無NEXT指令：加上NEXT指令或刪除FOR指令
0087
無標號（LBL、INT、SBR）：加上合適標號
0088
無RET或子程序中有不允許的指令：加條RET或刪去不正確的指令
0089
無RETI或中斷程序中有不允許的指令：加條RETI或刪去不正確的指令
008A
保留
008B
從/向一個SCR段的非法跳轉
008C
標號重復（LBL、INT、SBR）：重新命名標號
008D
非法標號（LBL、INT、SBR）：確保標號數在允許范圍內
0090
非法參數：確認指令所允許的參數
0091
范圍錯誤（帶地址信息）：檢查操作數范圍
0092
指令計數域錯誤（帶計數信息）：確認最大計數范圍
0093
FOR/NEXT嵌套層數超出范圍
0095
無LSCR指令（裝載SCR）
0096
無SCRE指令（SCR結束）或SCRE前面有不允許的指令
0097
用戶程序包含非數字編碼和數字編碼的EV/ED指令
0098
在運行模式進行非法編輯（試圖編輯非數字編碼的EV/ED指令）
0099
隱含網絡段太多（HIDE指令）
009B
非法指針（字符串操作中起始位置定義為0）
009C
超出指令最大長度
表4-3 編譯規(guī)則錯誤代碼及描述
4.2 洗衣機控制系統資源分配
1、數字量輸入部分
這個控制系統的輸入有啟動按鈕,停止按鈕,水位選擇開關(高水位,中水位,低水位),手動排水開關,自動排水開關,高水位浮球開關,中水位浮球開關,低水位浮球開關,水排空浮球開關共11個輸入點。具體的輸入分配如表4-4所示。
輸入地址
對應的外部設備
I0.0
啟動按鈕
I0.1
停止按鈕
I0.2
水位選擇開關(高水位)
I0.3
水位選擇開關(中水位)
I0.4
水位選擇開關(低水位)
I0.5
手動排水開關
I0.6
自動排水開關
I0.7
高水位浮球開關
I1.0
中水位浮球開關
I1.1
低水位浮球開關
I1.2
水排水位浮球開關
表4-4輸入地址分配
2、數字量輸出部分
這個控制系統需要控制的外部設備有進水電磁閥,排水電磁閥,脫水桶.報警器共5個設備.但是由于洗滌電動機有正轉和反轉兩個狀態(tài),分別都應正轉繼電器和反轉繼電器,所以輸出點應該有6個,具體輸出分配如表4-5所示。
輸出地址
對應的外部設備
Q0.0
進水電磁閥
Q0.1
排水電磁閥
Q0.2
洗滌電動機正轉繼電器
Q0.3
洗滌電動機反轉繼電器
Q0.4
脫水桶
Q0.5
報警器
表4-5輸出地址分配
4.3洗衣機的PLC程序設計
4.3.1 源程序
在本程序中,M0.0是按下啟動開關按鈕的輔助繼電器；M0.1是判斷洗衣機水位是否和設定水位不一致的輔助繼電器;M0.2是判斷洗衣機水位是否和設定水位一致的輔助繼電器;M0.3是停止自動洗衣機的輔助繼電器。
NETWORK 1
//
//按下啟動按鈕,開始洗衣
//
LD I0.0