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基于西門子PLC的洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
目前，在自動(dòng)化領(lǐng)域主要的控制方式有繼電器控制、微機(jī)控制和PLC控制三種。由于PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)及微機(jī)控制系統(tǒng)相比，具有設(shè)計(jì)、安裝、接線、調(diào)試工作量小，研制周期短，可靠性高，抗擾能力強(qiáng)，故障率低，對(duì)工作環(huán)境要求低，維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，已成為國(guó)內(nèi)外機(jī)加工控制對(duì)象的首選控制方案。
本文采用PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合的方法來設(shè)計(jì)PLC控制的節(jié)能洗衣機(jī)。
關(guān)鍵詞：全自動(dòng)；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(jī)的發(fā)展史 1
1.2.1中國(guó)洗衣機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 2
1.3 PLC技術(shù)在洗衣機(jī)中的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.3.1 PLC技術(shù)現(xiàn)狀[2、3] 3
1.3.2 將變頻技術(shù)與PLC相結(jié)合[4] 3
1.3.3 PLC在洗衣機(jī)中應(yīng)用的發(fā)展?fàn)顩r[5] 4
1.3.4 PLC控制的特點(diǎn)[6] 4
1.4 課題來源，研究?jī)?nèi)容及研究結(jié)果 6
1.5 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù) 7
第二章 PLC控制和變頻調(diào)技術(shù)簡(jiǎn)介.................8
2.1 變頻調(diào)速的概念和作用[7] 8
2.1.1變頻調(diào)速的意義[8] 8
2.2 國(guó)內(nèi)外變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[9] 9
2.2.1 國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況 9
2．2.2 國(guó)外變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況 9
2.3 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理[10] 10
2.3.1 PLC的基本結(jié)構(gòu) 10
2.3.2 PLC的工作原理 11
2.3.3 PLC的指令系統(tǒng) 11
2.3.4 PLC的編程工具 12
2.4 選題的依據(jù) 12
第三章 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).................13
3.1衣機(jī)的工作原理[11] 13
3.2洗衣機(jī)的設(shè)備控制要求 13
3.3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析[12、13] 16
3.3.1洗衣機(jī)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)構(gòu)成圖 17
3.4 PLC和變頻器的選擇 18
3.4.1 PLC型號(hào)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(shù)設(shè)置 20
第四章 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)..................22
4.1 程序的構(gòu)成、下載、安裝和調(diào)試[19] 22
4.1.1 S7-200的出錯(cuò)代碼[20] 22
4.2 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)資源分配 24
4.3洗衣機(jī)的PLC程序設(shè)計(jì) 25
4.3.1 源程序 25
4.3.2進(jìn)水、洗衣、排水、脫水、洗完報(bào)警程序 28
第五章 總結(jié)...................................................34
參考文獻(xiàn)...................................................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(qiáng)大，可靠性高，應(yīng)用面廣，使用方便，在現(xiàn)代自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛?，F(xiàn)行的全自動(dòng)洗衣機(jī)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(guān)，后面的全是洗衣機(jī)自動(dòng)運(yùn)行了，因此，完全可以用編程控制器來代替控制。
1.2 洗衣機(jī)的發(fā)展史
從古到今，洗衣服都是一項(xiàng)難于逃避的家務(wù)勞動(dòng)，而在洗衣機(jī)出現(xiàn)以前，對(duì)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(fù)的簡(jiǎn)單的體力勞動(dòng)，留給人的感受常常是：辛苦勞累。
1874年，“手洗時(shí)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(jī)。發(fā)明者是美國(guó)人比爾·布萊克斯。布萊克斯的洗衣機(jī)構(gòu)造極為簡(jiǎn)單，是在木筒里裝上6塊葉片，用手柄和齒輪傳動(dòng)，使衣服在筒內(nèi)翻轉(zhuǎn)，從而達(dá)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(jī)的改進(jìn)過程開始大大加快。
1880年，美國(guó)又出現(xiàn)了蒸汽洗衣機(jī)，蒸汽動(dòng)力開始取代人力。 之后，水力洗衣機(jī)、內(nèi)燃機(jī)洗衣機(jī)也相繼出現(xiàn)。到1911年，美國(guó)試制成功世界上第一臺(tái)電動(dòng)洗衣機(jī)。電動(dòng)洗衣機(jī)的問世，標(biāo)志著人類家務(wù)勞動(dòng)自動(dòng)化的開端。10年之后，美國(guó)本德克斯航空公司宣布，他們研制成功第一臺(tái)前裝式滾筒洗衣機(jī)，洗滌、漂洗、脫水在同一個(gè)滾筒內(nèi)完成。這意味著電動(dòng)洗衣機(jī)的型式躍上一個(gè)新臺(tái)階，朝自動(dòng)化又前進(jìn)了一大步！直至今日，滾筒式洗衣機(jī)在歐美國(guó)家仍得到廣泛應(yīng)用。
隨著工業(yè)化的加速，世界各國(guó)也加快了洗衣機(jī)研制的步伐。首先由英國(guó)研制并推出了一種噴流式洗衣機(jī)，它是靠筒體一側(cè)的運(yùn)轉(zhuǎn)波輪產(chǎn)生的強(qiáng)烈渦流，使衣物和洗滌液一起在筒內(nèi)不斷翻滾，洗凈衣物。1955年，在引進(jìn)英國(guó)噴流式洗衣機(jī)的基礎(chǔ)之上，日本研制出獨(dú)具風(fēng)格、并流行至今的波輪式洗衣機(jī)。至此，波輪式、滾筒式、攪拌式在洗衣機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域三分天下的局面初步形成。
20世紀(jì)60年代以后，洗衣機(jī)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家的消費(fèi)市場(chǎng)開始形成系列，家庭普及率迅速上升。此間洗衣機(jī)在日本的發(fā)展備受矚目。60年代的日本出現(xiàn)了帶干桶的雙桶洗衣機(jī)，人們稱之為“半自動(dòng)型洗衣機(jī)”。70年代，生產(chǎn)出波輪式套桶全自動(dòng)洗衣機(jī)。70年代后期，微電腦控制的全自動(dòng)洗衣機(jī)橫空出世，讓人耳目一新。到80年代，“模糊控制”的應(yīng)用使得洗衣機(jī)操作更簡(jiǎn)便，功能更完備，洗衣程序更隨人意，外觀造型更為時(shí)尚……進(jìn)入90年代，由于電機(jī)調(diào)速技術(shù)的提高，洗衣機(jī)實(shí)現(xiàn)了寬范圍的轉(zhuǎn)速變換與調(diào)節(jié)，誕生了許多新水流洗衣機(jī)。此后，隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展與提高，日本生產(chǎn)出了電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式洗衣機(jī)，省去了齒輪傳動(dòng)和變速機(jī)構(gòu)，引發(fā)了洗衣機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的巨大革命。
1.2.1中國(guó)洗衣機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r
中國(guó)，由于歷史原因，洗衣機(jī)工業(yè)起步較晚，直到1978年才正式生產(chǎn)家用洗衣機(jī)。但是，隨著人們認(rèn)識(shí)的發(fā)展，尤其是改革開放的不斷深化，進(jìn)入80年代后的洗衣機(jī)工業(yè)并沒有像一些人預(yù)料的那樣停步不前，而是保持著旺盛的發(fā)展勢(shì)頭。1983年洗衣機(jī)產(chǎn)量由1978年的400臺(tái)飆升到365萬臺(tái)，此后全國(guó)各地掀起了大規(guī)模的技術(shù)引進(jìn)熱潮，大約有40多個(gè)廠家先后從洗衣機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)日本、英國(guó)、法國(guó)、意大利、澳大利亞等引進(jìn)技術(shù)60多項(xiàng)。技術(shù)的引進(jìn)、吸收和創(chuàng)新，極大地提升了國(guó)產(chǎn)洗衣機(jī)的產(chǎn)業(yè)素質(zhì)與生產(chǎn)能力，縮短了同發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距。如今，我國(guó)洗衣機(jī)年產(chǎn)量約占世界年產(chǎn)量的四分之一，居于世界首位。除了在數(shù)量和品種上滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)外，還出口到北美、歐洲、東南亞等地，躋身于國(guó)際洗衣機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)行列。
1.3 PLC技術(shù)在洗衣機(jī)中的發(fā)展現(xiàn)狀
1.3.1 PLC技術(shù)現(xiàn)狀[2、3]
可編程控制器（Programmable Controller）是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(jiǎn)稱PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)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(jiǎn)稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程控制器簡(jiǎn)稱PLC。它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。隨著微處理器CPU和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)在PLC中的應(yīng)用，形成了現(xiàn)代意義上的PLC?，F(xiàn)在的PLC產(chǎn)品已經(jīng)使用了16位、32位高性能微處理器，而且實(shí)現(xiàn)了多處理器的多信道處理。
目前，世界上有200多個(gè)產(chǎn)家生產(chǎn)PLC產(chǎn)品，比較著名的有美國(guó)的AB、通用（GE）、莫迪康，日本的三菱、歐姆龍、松下電工，德國(guó)的西門子，法國(guó)的TE。我國(guó)自20世紀(jì)70年代末以來，先是引進(jìn)技術(shù)，后來是合作開發(fā)，現(xiàn)是自行設(shè)計(jì)開發(fā)。目前，PLC技術(shù)正在不斷的地向綜合性的工業(yè)控制發(fā)展。隨著機(jī)器人使用的增加及其集合為生產(chǎn)線，以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC不僅控制自動(dòng)化工廠，而且還監(jiān)視和控制有關(guān)生產(chǎn)過程，未來PLC將朝兩極化、多功能、只能化和網(wǎng)絡(luò)化的模式發(fā)展。
1.3.2 將變頻技術(shù)與PLC相結(jié)合[4]
隨著變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，應(yīng)用水平的不斷提高，對(duì)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的精度要求也越來越高。目前，許多變頻調(diào)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(diào)速系統(tǒng)的精度，一般都需要進(jìn)行閉環(huán)控制。交流異步電機(jī)因其價(jià)格低廉，經(jīng)久耐用，易于維修，適合在惡劣的環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn)已得到廣泛的應(yīng)用。但交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)算較為復(fù)雜，其控制特性會(huì)受對(duì)象內(nèi)部參數(shù)變化的影響，因而用固定的調(diào)節(jié)器去控制時(shí)，往往難以得到較理想的靜動(dòng)態(tài)特性。采取可靠的PLC和變頻器控制交流異步電機(jī)方法，提高了系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性。
本文結(jié)合異步電動(dòng)機(jī)速度閉環(huán)控制，提出了一種基于PLC的變頻控制實(shí)現(xiàn)方法。首先對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，然后重點(diǎn)進(jìn)行PLC、變頻器程序設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，論述了模糊控制器的原理和結(jié)構(gòu)，用PLC編程實(shí)現(xiàn)了控制的設(shè)計(jì)。
所開發(fā)的系統(tǒng)將變頻技術(shù)與PLC相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器超調(diào)大的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了PLC控制靈活、編程方便、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，提高了控制的精確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)精確控制，實(shí)用性強(qiáng)，具有一定的推廣價(jià)值。
1.3.3 PLC在洗衣機(jī)中應(yīng)用的發(fā)展?fàn)顩r[5]
一般洗衣機(jī)的控制系統(tǒng)都采用單片機(jī)控制，一旦出現(xiàn)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(tǒng)，其特點(diǎn)是價(jià)格低，編程簡(jiǎn)單，一般工程技術(shù)人員以及稍懂電氣維修人員都能編程，并且易于功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)洗滌時(shí)間設(shè)置的更改，平均無故障時(shí)間有可靠的保障，適合各型全自動(dòng)洗衣機(jī)使用。
在全自動(dòng)洗衣機(jī)中，洗衣機(jī)洗滌，脫水程序是由PLC位中心控制系統(tǒng)工作的。它是整體模塊。集中了驅(qū)動(dòng)電路，檢測(cè)電路和保護(hù)電路以及通訊聯(lián)網(wǎng)功能。因此在運(yùn)用中，硬件也相對(duì)簡(jiǎn)單，提高控制系統(tǒng)的可靠性。另外它的編程也是比較簡(jiǎn)單的。
PLC會(huì)不斷完善自身缺陷，隨著INTERNET發(fā)展，PLC的硬件和軟件也會(huì)提高，我相信PLC一定會(huì)有生命力小型PLC將存在很長(zhǎng)時(shí)間,因?yàn)樗?jīng)濟(jì),可靠;大型PLC的一部分可能會(huì)被PC-BASE,智能I/O,現(xiàn)場(chǎng)總線取代。
1.3.4 PLC控制的特點(diǎn)[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(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)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(shí)間常數(shù)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(guān)電源。
（5）對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)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(kuò)大。
（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。
2、豐富的I/O接口模塊
?? PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；
強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；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(jī)對(duì)話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。
3、采用模塊化結(jié)構(gòu)
?? 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。
4、編程簡(jiǎn)單易學(xué)
?? 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(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。
5、安裝簡(jiǎn)單，維修方便
?? PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。
?? 由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，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(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。
PLC的功能
（1）邏輯控制
（2）定時(shí)控制
（3）計(jì)數(shù)控制
（4）步進(jìn)(順序)控制方式有繼電器控制、微機(jī)控制和PLC控制三種。由于PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)及微機(jī)控制系統(tǒng)相比，具有設(shè)計(jì)、安裝、接線、調(diào)試工作量小，研制周期短，可靠性高，抗擾能力強(qiáng)，故障率低，對(duì)工作環(huán)境要求低，維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，已成為國(guó)內(nèi)外機(jī)加工控制對(duì)象的首選控制方案。而繼電器控制系統(tǒng)因技術(shù)性能差，功能單一，早已在機(jī)加工控制對(duì)象上淘汰掉了。微機(jī)控制系統(tǒng)因抗擾能力較差，對(duì)工作環(huán)境要求較高，設(shè)計(jì)研制周期較PLC控制系統(tǒng)長(zhǎng)，因此，在機(jī)加工控制對(duì)象上的應(yīng)用呈逐年下降的趨勢(shì)。為機(jī)加工控制對(duì)象設(shè)計(jì)研制一個(gè)技術(shù)性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)，對(duì)于提高加工控制對(duì)象的整體技術(shù)性能來說具有十分重要的意義。本文正是針對(duì)這一課題，選擇PLC控制系統(tǒng)作為機(jī)加工控制對(duì)象的控制方案，這對(duì)提升機(jī)加工控制對(duì)象的整體技術(shù)性能可以起到良好的作用。 在基于PLC的機(jī)加工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提出并采用了跳步法，從而大大節(jié)省了該系統(tǒng)所需的用于各單機(jī)手動(dòng)和半自動(dòng)控制的總按鈕數(shù)，及其占用的PLC輸入點(diǎn)數(shù)，節(jié)省了該系統(tǒng)的研制費(fèi)用，減少了該系統(tǒng)的安裝、接線工作量，也為日后對(duì)機(jī)加工控制對(duì)象的操作帶來了方便；首次為該系統(tǒng)開發(fā)出了一套能使機(jī)加工控。
1.4 課題來源，研究?jī)?nèi)容及研究結(jié)果
1、課題來源:本項(xiàng)目來PLC控制在洗衣機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用。
2、研究?jī)?nèi)容:本設(shè)計(jì)研究可編程控制器在洗衣機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。并且與變頻技術(shù)相結(jié)合，讓洗衣機(jī)操作簡(jiǎn)單，安全，快捷，節(jié)能。
3、研究結(jié)果：經(jīng)過研究設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)行，該系統(tǒng)具有以下基本功能:
（1）根據(jù)贓物的程度自行選者洗滌的程度。
（2）節(jié)能，采用變頻技術(shù)，控制洗衣機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，達(dá)到節(jié)能效果。
（3）具有自動(dòng)報(bào)警功能，洗衣機(jī)在工作過程中,如發(fā)生下列情況之一:門鎖開關(guān)、門折頁開關(guān)因故斷開；電機(jī)過流使熱繼電器動(dòng)作；在脫水和甩干過程中, 洗衣機(jī)由于震動(dòng)幅度過大, 使安裝在洗衣機(jī)上的平衡開關(guān)斷開。這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)切斷控制回路,使洗衣機(jī)停止工作,并由蜂鳴器報(bào)警。
1.5 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是PLC控制的節(jié)能洗衣機(jī)系統(tǒng)，我的主要任務(wù)是應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)和程序的設(shè)計(jì)，大體為以下五項(xiàng)內(nèi)容：
1. PLC控制的洗衣機(jī)現(xiàn)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(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令, 并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出, 控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程. 其特點(diǎn)是價(jià)格低,編程簡(jiǎn)單,并且易于功能擴(kuò)展,維修簡(jiǎn)單,可靠性強(qiáng).
2. 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的PLC選型和資源配置。
3. PLC控制的洗衣機(jī)系統(tǒng)的理論原理以及總體方按的設(shè)計(jì)
4．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：
(1) 確定安排PLC 的輸入、輸出點(diǎn)；
(2) 設(shè)計(jì)外圍電路, 包括主電路；
(3) 選購PLC 并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝接線等內(nèi)容
5. 軟件設(shè)計(jì)：
(1) 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的控制要求設(shè)計(jì)
(2) 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的PLC選型和資源配置
(3) 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和調(diào)試
(4) 系統(tǒng)調(diào)試：根據(jù)設(shè)計(jì)要求, 對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改, 必要時(shí)還可對(duì)硬件進(jìn)行修改, 直到符合要求為止
總之，在本次設(shè)計(jì)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(diào)技術(shù)簡(jiǎn)介
2.1 變頻調(diào)速的概念和作用[7]
交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速是利用交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化的特性，通過改變交流電動(dòng)機(jī)的供電頻率進(jìn)行調(diào)速。通用變頻器和交流電動(dòng)機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)控制稱為變頻器傳動(dòng)，屬運(yùn)動(dòng)控制范疇。變頻器傳動(dòng)具有綜合性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用到不同的場(chǎng)合，可以體現(xiàn)出不同的功能，達(dá)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(jì)算機(jī)、現(xiàn)代控制、微電子、全數(shù)字化控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的迅速發(fā)展，通用變頻器技術(shù)也日新月異。特別是通用變頻器的全數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)，在提高其性能方面起到了舉足輕重的作用，使電氣遠(yuǎn)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)生了深刻的歷史性變革，如交流調(diào)速取代直流調(diào)速、全數(shù)字化控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)取代單機(jī)控制已成為現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)代交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制已不再局限于單一的調(diào)速控制要求，而更多的是要求裝置化、系統(tǒng)化應(yīng)用。新一代的變頻調(diào)速控制技術(shù)是基于正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)、矢量變換技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)。微處理技術(shù)、PWM控制技術(shù)和電力電子開關(guān)器件是通用變頻器控制技術(shù)的基礎(chǔ)。
2.1.1變頻調(diào)速的意義[8]
據(jù)資料證實(shí)，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(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換才能使用，電力能源中70%以上將用于交流電動(dòng)機(jī)的控制，我國(guó)電動(dòng)機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億kW，年耗電量達(dá)6000億kWh，約占工業(yè)耗電量的80%。我國(guó)各類在用電動(dòng)機(jī)中,80%以上為220kW以下的中小型異步電動(dòng)機(jī),在我國(guó)60%的發(fā)電量是通過各類電動(dòng)機(jī)消耗的，因此變頻調(diào)速技術(shù)一直得到國(guó)家重視。
2.2 國(guó)內(nèi)外變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[9]
2.2.1 國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況
我國(guó)電氣傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)始建于1954年，當(dāng)時(shí)第一批該專業(yè)范圍內(nèi)的學(xué)生從各大專院校畢業(yè)，同時(shí)在機(jī)械工業(yè)部屬下建立了我國(guó)第一個(gè)電氣傳動(dòng)成套公司?，F(xiàn)在我國(guó)己有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。至今自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當(dāng)于國(guó)際上80年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，形成了一個(gè)巨大的市場(chǎng)，它既對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)，也對(duì)外國(guó)公司開放。很多最先進(jìn)的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口，在我國(guó)運(yùn)行良好，滿足了生產(chǎn)和生活需要。國(guó)內(nèi)很多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今先進(jìn)的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)很多公司自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力較弱，對(duì)國(guó)外公司的依賴嚴(yán)重。
從總體上看我國(guó)電氣傳動(dòng)的技術(shù)水平較國(guó)外先進(jìn)水平差距10-15年。在大功率無換相器電機(jī)等變頻調(diào)速技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國(guó)外還有相當(dāng)差距。在中小功率變頻技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V/F控制，僅有少量的樣機(jī)采用矢量控制，品種質(zhì)量還不能滿足市場(chǎng)需要，每年需大量進(jìn)口變頻控制設(shè)備。國(guó)內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀是:
(1)變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，國(guó)內(nèi)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(shù)開發(fā)能力和生產(chǎn)規(guī)模。
(2)變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。
(3)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。
(4)產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。
2．2.2 國(guó)外變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況
在大功率交—交變頻調(diào)速技術(shù)方面，法國(guó)阿爾斯通已能提供單機(jī)容量達(dá)3萬千瓦的電氣傳動(dòng)設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。在大功率無換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利ABB公司提供了單機(jī)容量為6萬千瓦的設(shè)備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國(guó)西門子公司的Simovert A電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備容量為10-2600KVA和Simovert P GTO PWM變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容為100-900KVA，其控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機(jī)車、風(fēng)機(jī)、水泵傳動(dòng)。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)方面，日本富士BJT變頻器最大單機(jī)容量為700KVA, IGBT變頻器己形成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。
國(guó)外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點(diǎn):
(1)市場(chǎng)需求空間大。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和能源全球化短缺，變頻技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個(gè)行業(yè)以及風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)和面世，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。
(3)控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)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(chǔ);16位、32位高速微處理器以及信號(hào)處理器(DSP)和專業(yè)集成電路(ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變頻器高精度、多功能和智能化提供了硬件手段。
(4)基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關(guān)配套件社會(huì)化、專業(yè)化生產(chǎn)。
2.3 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理[10]
2.3.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)
PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC的基本結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式兩類。
1.整體式結(jié)構(gòu)的PLC
整體式結(jié)構(gòu)的PLC有中央處理器（CPU）、儲(chǔ)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(jié)構(gòu)框架如圖1-1所示。
2.模塊式結(jié)構(gòu)的PLC
模塊式結(jié)構(gòu)的PLC是將中央處理器（CPU）、儲(chǔ)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(yīng)的模塊，應(yīng)用時(shí)將這些模塊根據(jù)控制要求插在機(jī)架上，各模塊間通過機(jī)架上的總線相互聯(lián)系?；窘Y(jié)構(gòu)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(dāng)于PLC的“大腦”。它通過系統(tǒng)總線與用戶儲(chǔ)存器、輸入/輸出（I/O）單元、通信端口等單元相連。
（2）儲(chǔ)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(shè)備連接的紐帶。
（4）電源部分：不同型號(hào)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(gè)通信端口，通過這個(gè)通信端口，PLC可以直接和編程器或上位機(jī)相連。
（6）編程器：幾乎每個(gè)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(cè)程序的運(yùn)行情況。
（7）特殊功能單元：主要包括模擬量輸入/輸出單元、遠(yuǎn)程I/O模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、中斷輸入模塊和PID調(diào)解模塊等。
2.3.2 PLC的工作原理
PLC的工作原理與繼電器構(gòu)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(yùn)行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸電立即動(dòng)作。而PLC則不同，它采用循環(huán)掃描技術(shù)，只有該線圈通電或斷電，并且必須當(dāng)程序掃描到該線圈時(shí)，該線圈觸點(diǎn)才會(huì)動(dòng)作。也可以說，繼電器控制裝置是根據(jù)輸入和邏輯控制結(jié)構(gòu)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(gè)階段才能完成控制過程。
2.3.3 PLC的指令系統(tǒng)
如同計(jì)算機(jī)編程一樣，PLC也有自己的指令系統(tǒng)。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(tǒng)動(dòng)作的過程就是PLC內(nèi)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(tǒng)。
2.3.4 PLC的編程工具
每個(gè)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(xiàn)場(chǎng)使用。但是它只能使用助記符語言對(duì)PLC進(jìn)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(duì)程序從整體上進(jìn)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(jìn)行編程，通過編程軟件，不僅能在一個(gè)屏幕上看到十幾頁，甚至幾十頁的程序，從宏觀上對(duì)程序進(jìn)行編程和分析，而且它還能對(duì)程序的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視。
2.4 選題的依據(jù)
隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)正面臨一場(chǎng)歷史性的革命。經(jīng)過了二十多年的發(fā)展，近代交流傳動(dòng)逐漸成為電氣傳動(dòng)的主流。電機(jī)交流變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)電改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)能效果，廣泛的應(yīng)用范圍等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)為公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。
交流異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)非線性，強(qiáng)禍合的對(duì)象，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)過程是相當(dāng)復(fù)雜的，即使作了很多簡(jiǎn)化(例如假設(shè)磁勢(shì)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(jì)算機(jī)去模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程或者借助于數(shù)字計(jì)算機(jī)去求取一組數(shù)值解，這樣用常規(guī)的控制方法來實(shí)現(xiàn)精確度高的變頻調(diào)速是較困難的。針對(duì)這一情況，采取可靠的PLC和變頻器控制交流異步電機(jī)方法。
變頻調(diào)速系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)簡(jiǎn)單。
(2)計(jì)算精確，無漂移，控制精度高。
(3)調(diào)試簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)。
(4)監(jiān)控、通信能力強(qiáng)等。
總之，變頻調(diào)速系統(tǒng)是值得研究和探討的，它開辟了變頻調(diào)速系統(tǒng)改善系統(tǒng)性能的新途徑，具有十分重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
第三章 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
3.1衣機(jī)的工作原理[11]
洗衣機(jī)的工作流程示意圖如3-1圖所示
圖3-1 洗衣機(jī)工作流程圖
洗衣機(jī)的工作流程由開始變頻，進(jìn)水、洗衣、排水和脫水5個(gè)過程組成。在半自動(dòng)洗衣機(jī)中, 進(jìn)水、洗衣、排水和脫水這4個(gè)過程分別用相應(yīng)的按鈕開關(guān)來控制。全自動(dòng)洗衣機(jī)中,這4個(gè)過程可做到全自動(dòng)依次運(yùn)行,直至洗衣結(jié)束。
自動(dòng)洗衣機(jī)的進(jìn)水、洗衣、排水和脫水是通過水位開關(guān),電磁進(jìn)水閥和電磁排水閥配合進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的。水位開關(guān)是用來控制進(jìn)水到洗衣機(jī)內(nèi)高,中,低水位；電磁進(jìn)水閥起著通/斷水源的作用。進(jìn)水時(shí),電磁進(jìn)水閥打開,將水注入；排水時(shí),電磁排水閥打開,將水排出；洗衣時(shí),洗滌電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；脫水時(shí),脫水桶啟動(dòng)。
3.2洗衣機(jī)的設(shè)備控制要求
全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的要求是能實(shí)現(xiàn)“正常運(yùn)行”和“強(qiáng)制運(yùn)行”兩種控制方式。
1、 正常運(yùn)行，如圖3-2
圖3-2 洗衣機(jī)正常運(yùn)行
“正常運(yùn)行”方式具體控制要求如下:
(1)將水位通過水位選擇開關(guān)設(shè)在合適的位置(高、中、低),按下“啟動(dòng)”按鈕,開始進(jìn)水,達(dá)到設(shè)定的水位(高、中、低)后,停止進(jìn)水；
(2)進(jìn)水停止2S后開始洗衣；
(3)洗衣時(shí),正轉(zhuǎn)20S,停止2S,然后反轉(zhuǎn)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(jìn)水,重復(fù)(1)—(4)步,如此循環(huán)共3次；
(6)洗衣過程完成,報(bào)警3S并自動(dòng)停機(jī)。
2、強(qiáng)制停止，如圖3-3
圖3-3 洗衣機(jī)的強(qiáng)制停止
(1)若按下“停止”按鈕,洗衣過程停止,即洗滌電機(jī)和脫水桶轉(zhuǎn),進(jìn)水電磁閥和排水閥全部閉合；
(2)可用手動(dòng)排水開關(guān)和手動(dòng)脫水開關(guān)進(jìn)行手動(dòng)排水和脫水。
3.3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析[12、13]
1. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本原則
設(shè)計(jì)的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則:
（1）PLC的選擇除了應(yīng)滿足技術(shù)指標(biāo)的要求之外，特別應(yīng)指出的是還應(yīng)重點(diǎn)考慮該公司的產(chǎn)品的技術(shù)支持與售后服務(wù)的情況，一般應(yīng)選擇在國(guó)內(nèi)特別是在所設(shè)計(jì)系統(tǒng)本著有著較為方便的技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)或較有實(shí)力的代理機(jī)構(gòu)的公司產(chǎn)品，同時(shí)應(yīng)盡量選擇主流機(jī)型。
（2）最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求。設(shè)計(jì)前，應(yīng)深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，搜集資料，并與機(jī)械部分的設(shè)計(jì)人員和實(shí)際操作人員密切配合，共同擬定電氣控制方案，協(xié)同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問題。
（在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。
1) 保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。
2) 考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇PLC容量時(shí)，應(yīng)適當(dāng)留有裕量。當(dāng)然對(duì)手不同的用戶要求的側(cè)重點(diǎn)有所不同，設(shè)計(jì)的原則應(yīng)有所區(qū)別，如果以提高產(chǎn)品產(chǎn)量和安全為目標(biāo)，則應(yīng)將系統(tǒng)可靠放在設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，甚至考慮采用冗余控制系統(tǒng)，如果要求系統(tǒng)改善信息管理，則應(yīng)將系統(tǒng)通信能力與總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)加以強(qiáng)化。
2. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
PLC控制系統(tǒng)是由PLC與用戶輸入、輸入設(shè)備連接而成的，用以完成預(yù)期的控制目的與相應(yīng)的控制要求。因比，PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容應(yīng)包括:
（1）根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程的工藝要求，以及所提出的各項(xiàng)控制指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)預(yù)算，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。
（2）根據(jù)控制要求基本確定數(shù)字I/O點(diǎn)和模擬量通道數(shù)，進(jìn)行I/O點(diǎn)的初步分配，繪制I/O使用資源圖。
（3）進(jìn)行PLC系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)，主要為PLC的選擇。PLC是PLC控制系統(tǒng)的核心部，正確選擇PLC對(duì)于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)起著重要的作用。選擇PLC,應(yīng)包括機(jī)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(shè)備(按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等)、輸出設(shè)備(繼電器、接觸器、信號(hào)燈等執(zhí)行元件)，以及由輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)的控制對(duì)象(電動(dòng)機(jī)、電磁閥等)，這些設(shè)備屬于一般的電器元件。
（5）設(shè)計(jì)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(yīng)完成的動(dòng)作、自動(dòng)工作循環(huán)的組成、必要的保護(hù)和聯(lián)鎖等方面情況之后。對(duì)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，可用狀態(tài)流程圖的形式全面地表達(dá)出來。必要時(shí)還可將控制任務(wù)分成幾個(gè)獨(dú)立部分，這樣可化繁為簡(jiǎn)，有利于編程和調(diào)試。程序設(shè)計(jì)主要包括繪制控制系統(tǒng)流程圖、設(shè)計(jì)梯形圖、編制語句表、程序清單。
控制程序是控制整個(gè)系統(tǒng)工作的條件，是保證系統(tǒng)工作正常，安全、可靠的關(guān)鍵。因此，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、修改，直到滿足要求為止。
3. PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的步驟，
在對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，最重要的工作就是深入了解和分析系統(tǒng)的控制要求，只有這樣才可能提出準(zhǔn)確的、合理的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)階段的設(shè)計(jì)任務(wù)。
3.3.1洗衣機(jī)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)構(gòu)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(hào)的選擇[14、15、16]
全自動(dòng)洗衣機(jī)控制采用西門子公司的S7-200系列整體式PLC。
PLC實(shí)物圖如3-5圖所示：
圖3-5 PLC實(shí)物圖
1、S7-200系列PLC簡(jiǎn)介
（1）S7-200系列PLC的特點(diǎn)：
1）它結(jié)構(gòu)緊湊
2）擴(kuò)展性良好
3）指令功能強(qiáng)大
4）價(jià)格低廉成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器。
（2）S7-200PLC的產(chǎn)品：
1）集成一定數(shù)字I/O點(diǎn)的CPU：CPU221、CPU 222、CPU 224、CPU 226、CPU 226XM
2）擴(kuò)展模塊：主要有
數(shù)字量擴(kuò)展模塊：EM221、EM222、EM223
模擬量擴(kuò)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(diǎn)到幾百點(diǎn)。S7-200PLC可以方便地組成PLC-PLC網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)-PLC網(wǎng)絡(luò)，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(duì)PLC編程、調(diào)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(tǒng)的要求。
（4）I/O地址分配
由于CPU模塊有14點(diǎn)數(shù)字量輸入,有10點(diǎn)數(shù)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(dòng)分配方式,模塊上的輸入端子對(duì)應(yīng)的輸入地址是I0.0-I1.5,輸出端子對(duì)應(yīng)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(gè)系統(tǒng)按照控制要求有條不紊地運(yùn)行.同時(shí)由于該模塊采用交流220V供電,并且自帶14個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn),完全能 全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的要求,所以不再需要另外的電源模塊.數(shù)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(jī)集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O 點(diǎn)。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間
其他
性能
6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。
特點(diǎn)
1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)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(qiáng)控制能力的控制器
產(chǎn)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(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民的生活水平的提高，對(duì)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(diǎn), 對(duì)現(xiàn)有的洗衣機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn), 既可以達(dá)到節(jié)能的要求。
日本安川VS-616G5 變頻器的特點(diǎn)如下：
（1）包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。
（2）有豐富的內(nèi)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(hù)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(jī)的控制系統(tǒng)主要由變頻器、PLC 及旋轉(zhuǎn)編碼器組成。變頻器用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。本文所選用的安川VS- 616G5 通用變頻器的可自行設(shè)置速度曲線的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制。為滿足洗衣機(jī)安全性的要求,變頻器通過與電動(dòng)機(jī)同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡,完成速度檢測(cè)及反饋,形成閉環(huán)系統(tǒng)。PLC負(fù)責(zé)處理各種信號(hào)的邏輯關(guān)系, 從而向變頻器發(fā)出起、停等信號(hào),同時(shí)變頻器也將工作狀態(tài)信號(hào)送給PLC ,形成雙向聯(lián)絡(luò)關(guān)系,這是系統(tǒng)的核心。旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)同軸連接,對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)速。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B兩相脈沖,旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)AB脈沖的相序,可判斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向,并可根據(jù)A、B脈沖的頻率測(cè)得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器將此脈沖輸出給PG卡,PG卡再將此反饋信號(hào)送給變頻器內(nèi)部,以便進(jìn)行運(yùn)算調(diào)節(jié)。所以旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)運(yùn)行。
3.4.3 VS-616G5型變頻器的參數(shù)設(shè)置
由于采用PLC作為邏輯控制部件，故變頻器和PLC通訊時(shí)采用開關(guān)量而不用模擬量。由于61665是通用型變頻器，因而用在洗衣機(jī)控制上為了滿足運(yùn)行效率、節(jié)能性和安全性的要求，其參數(shù)設(shè)置比專用型變頻器要復(fù)雜得多。
VS-616G5型變頻器共有9組參數(shù)，每一組參數(shù)的設(shè)定都具有特定的含義。常用參數(shù)如圖3-7所示。
參數(shù)
功能
A組
確定控制模式
B組
選擇運(yùn)行功能
C組
確定加減速時(shí)間及轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時(shí)間
D組
時(shí)間頻率
E組
確定運(yùn)行壓頻曲線
F組
保護(hù)設(shè)置
H組
確定偏差標(biāo)準(zhǔn)
圖3-7 變頻器的參數(shù)
參數(shù)設(shè)置的原則:1、為減小啟動(dòng)沖擊及減少噪音，其速度環(huán)的比例系數(shù)宜小些，而積分時(shí)間常數(shù)宜大些；2、為了提高運(yùn)行效率，快洗頻率應(yīng)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(shù)可根據(jù)電網(wǎng)電壓和電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)直接輸入，具體的設(shè)置見下表3-8。
參數(shù)
名稱
設(shè)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(yùn)行指令選擇
1
B1-03
停止方式選擇
0
B1-04
反轉(zhuǎn)方式選擇
0
B2-01
零速電平選擇
0.1Hz
B2-04
停止時(shí)直流制動(dòng)時(shí)間
1.0s
C1-03
加速時(shí)間2
2.0s
C1-04
減速時(shí)間2
2.0s
C2-01
加速開始時(shí)S型曲線時(shí)間
0.6s
C2-02
加速完了時(shí)S型曲線時(shí)間
0.6s
C2-03
減速開始時(shí)S型曲線時(shí)間
0.6s
C2-04
減速完了時(shí)S型曲線時(shí)間
0.6s
C5-01
ASR比例增益1
5
C5-02
ASR積分時(shí)間1
3s
D1-09
檢修速度
200rpm
E1-01
輸入電壓設(shè)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(jī)額定電流
按電機(jī)銘牌設(shè)置
E2-02
電機(jī)額定滑差
按電機(jī)銘牌設(shè)置
E2-03
電機(jī)空載電流
按電機(jī)銘牌設(shè)置
E2-04
電機(jī)極數(shù)
按電機(jī)銘牌設(shè)置
F1-01
PG常數(shù)
根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器銘牌設(shè)置
F1-02
PG斷線檢測(cè)時(shí)的動(dòng)作選擇
0
F1-03
超速時(shí)的動(dòng)作選擇
0
F1-04
超速偏差過大時(shí)的動(dòng)作選擇
0
F1-05
PG分頻比
根據(jù)電機(jī)極速設(shè)置
表3-8 變頻器的其他參數(shù)
變頻器制動(dòng)電阻參數(shù)的計(jì)算
采用能耗制動(dòng)方式通過制動(dòng)單元將再生能量消耗在制動(dòng)電阻上，成本較低而且具有良好的使用效果。能耗制動(dòng)電阻RZ的大小應(yīng)使制動(dòng)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(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
4.1 程序的構(gòu)成、下載、安裝和調(diào)試[19]
這個(gè)程序有自動(dòng)方式和手動(dòng)方式兩種。在自動(dòng)方式下,PLC將運(yùn)行已經(jīng)設(shè)置好的程序和參數(shù)(適用于機(jī)械一切都工作正常的情況下)。在手動(dòng)方式下是在緊急停止情況下,可以手動(dòng)進(jìn)行排水和脫水。
將各個(gè)輸入/輸出端子和實(shí)際控制系統(tǒng)中的按鈕。所需控制設(shè)備正確連接,完成硬件的安裝。全自動(dòng)洗衣機(jī)程序是由STEP7-Micro/Win32軟件的指令完成,正常工作時(shí)程序存放在存儲(chǔ)卡中,若要修改程序,先將PLC設(shè)定在STOP狀態(tài)下,運(yùn)行STEP7-Micro/Win32編程軟件,打開全自動(dòng)洗衣機(jī)程序,即可在線調(diào)試,也可用編程器進(jìn)行調(diào)試。
4.1.1 S7-200的出錯(cuò)代碼[20]
使用“PLC”菜單中的“信息（Information）”命令，可以查看程序的錯(cuò)誤信息。S7-200的出錯(cuò)主要有以下三種。
1、致命錯(cuò)誤
致命錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致CPU無法執(zhí)行某個(gè)功能或所有功能，停止執(zhí)行用戶程序。當(dāng)出現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)，PLC自動(dòng)進(jìn)入STOP方式，點(diǎn)亮“系統(tǒng)錯(cuò)誤”和“STOP”指示燈，關(guān)閉輸出。消除致命錯(cuò)誤后，必須重新啟動(dòng)CPU。
在CPU上可以讀到的致命錯(cuò)誤代碼及其描述如表4-1所示。
代碼
錯(cuò)誤描述
代碼
錯(cuò)誤描述
0000
無致命錯(cuò)誤
000B
存儲(chǔ)器卡上用戶程序檢查錯(cuò)誤
0001
用戶程序編譯錯(cuò)誤
000C
存儲(chǔ)器卡配置參數(shù)檢查錯(cuò)誤
0002
編譯后的梯形圖檢查錯(cuò)誤
000D
存儲(chǔ)器卡強(qiáng)制數(shù)據(jù)檢查錯(cuò)誤
0003
掃描看門狗超時(shí)錯(cuò)誤
000E
存儲(chǔ)器卡默認(rèn)輸出表值檢查錯(cuò)誤
0004
內(nèi)部EEROM錯(cuò)誤
000F
存儲(chǔ)器卡用戶數(shù)據(jù)、DB1檢查錯(cuò)誤
0005
內(nèi)部EEPROM用戶程序檢查錯(cuò)誤
0010
內(nèi)部軟件錯(cuò)誤
0006
內(nèi)部EEPROM配置參數(shù)檢查錯(cuò)誤
0011
比較觸點(diǎn)間接尋址錯(cuò)誤
0007
內(nèi)部EEPROM強(qiáng)制數(shù)據(jù)檢查錯(cuò)誤
0012
比較觸點(diǎn)非法值錯(cuò)誤
0008
內(nèi)部EEPROM默認(rèn)輸出表值檢查錯(cuò)誤
0013
存儲(chǔ)器卡空或COU不識(shí)別該卡
0009
內(nèi)部EEPROM用戶數(shù)據(jù)、DB1檢查錯(cuò)誤
0014
比較接口范圍錯(cuò)誤
000A
存儲(chǔ)器卡失靈
表4-1 致命錯(cuò)誤代碼及描述
2、程序運(yùn)行錯(cuò)誤
在程序正常運(yùn)行中，可能會(huì)產(chǎn)生非致命錯(cuò)誤（如尋址錯(cuò)誤），此時(shí)CPU產(chǎn)生的非致命錯(cuò)誤代碼及描述如表4-2所示。
錯(cuò)誤代碼
錯(cuò) 誤 描 述
0000
無錯(cuò)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(gè)HSC/PLS未執(zhí)行完前，又企圖執(zhí)行同編號(hào)的第二個(gè)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(cuò)誤
0007
TODW（寫實(shí)時(shí)時(shí)鐘）或TODR（讀實(shí)時(shí)時(shí)鐘）數(shù)據(jù)錯(cuò)誤
0008
用戶子程序嵌套層數(shù)超過規(guī)定
0009
在程序執(zhí)行XMT或RCV時(shí)，通信口0又執(zhí)行另一條SMT/RCV指令
000A
HSC執(zhí)行時(shí)，又企圖用HDEF指令再定義該HSC
000B
在通信口1上同時(shí)執(zhí)行XMT/RCV指令
000C
時(shí)鐘存儲(chǔ)卡不存在
000D
重新定義已經(jīng)使用的脈沖輸出
000E
PTO個(gè)數(shù)為0
0091
范圍錯(cuò)誤（帶地址信息）：檢查操作數(shù)范圍
0092
某條指令的計(jì)數(shù)域錯(cuò)誤（帶計(jì)數(shù)信息）：檢查最大計(jì)數(shù)范圍
0094
范圍錯(cuò)誤（帶地址信息）：寫無效存儲(chǔ)器
009A
用戶中斷程序試圖轉(zhuǎn)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(yùn)行錯(cuò)誤代碼及描述
3、編譯規(guī)則錯(cuò)誤
當(dāng)下載一個(gè)程序時(shí)，CPU在對(duì)程序的編譯過程中如果發(fā)現(xiàn)有違反編譯規(guī)則，則CPU會(huì)停止下載程序，并生成一個(gè)非致命編譯規(guī)則錯(cuò)誤代碼。非致命編譯規(guī)則錯(cuò)誤代碼及描述如表4-3所示。
錯(cuò)誤代碼
錯(cuò) 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(gè)網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)網(wǎng)絡(luò)
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(biāo)號(hào)（LBL、INT、SBR）：加上合適標(biāo)號(hào)
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(gè)SCR段的非法跳轉(zhuǎn)
008C
標(biāo)號(hào)重復(fù)（LBL、INT、SBR）：重新命名標(biāo)號(hào)
008D
非法標(biāo)號(hào)（LBL、INT、SBR）：確保標(biāo)號(hào)數(shù)在允許范圍內(nèi)
0090
非法參數(shù)：確認(rèn)指令所允許的參數(shù)
0091
范圍錯(cuò)誤（帶地址信息）：檢查操作數(shù)范圍
0092
指令計(jì)數(shù)域錯(cuò)誤（帶計(jì)數(shù)信息）：確認(rèn)最大計(jì)數(shù)范圍
0093
FOR/NEXT嵌套層數(shù)超出范圍
0095
無LSCR指令（裝載SCR）
0096
無SCRE指令（SCR結(jié)束）或SCRE前面有不允許的指令
0097
用戶程序包含非數(shù)字編碼和數(shù)字編碼的EV/ED指令
0098
在運(yùn)行模式進(jìn)行非法編輯（試圖編輯非數(shù)字編碼的EV/ED指令）
0099
隱含網(wǎng)絡(luò)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(zhǎng)度
表4-3 編譯規(guī)則錯(cuò)誤代碼及描述
4.2 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)資源分配
1、數(shù)字量輸入部分
這個(gè)控制系統(tǒng)的輸入有啟動(dòng)按鈕,停止按鈕,水位選擇開關(guān)(高水位,中水位,低水位),手動(dòng)排水開關(guān),自動(dòng)排水開關(guān),高水位浮球開關(guān),中水位浮球開關(guān),低水位浮球開關(guān),水排空浮球開關(guān)共11個(gè)輸入點(diǎn)。具體的輸入分配如表4-4所示。
輸入地址
對(duì)應(yīng)的外部設(shè)備
I0.0
啟動(dòng)按鈕
I0.1
停止按鈕
I0.2
水位選擇開關(guān)(高水位)
I0.3
水位選擇開關(guān)(中水位)
I0.4
水位選擇開關(guān)(低水位)
I0.5
手動(dòng)排水開關(guān)
I0.6
自動(dòng)排水開關(guān)
I0.7
高水位浮球開關(guān)
I1.0
中水位浮球開關(guān)
I1.1
低水位浮球開關(guān)
I1.2
水排水位浮球開關(guān)
表4-4輸入地址分配
2、數(shù)字量輸出部分
這個(gè)控制系統(tǒng)需要控制的外部設(shè)備有進(jìn)水電磁閥,排水電磁閥,脫水桶.報(bào)警器共5個(gè)設(shè)備.但是由于洗滌電動(dòng)機(jī)有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個(gè)狀態(tài),分別都應(yīng)正轉(zhuǎn)繼電器和反轉(zhuǎn)繼電器,所以輸出點(diǎn)應(yīng)該有6個(gè),具體輸出分配如表4-5所示。
輸出地址
對(duì)應(yīng)的外部設(shè)備
Q0.0
進(jìn)水電磁閥
Q0.1
排水電磁閥
Q0.2
洗滌電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)繼電器
Q0.3
洗滌電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)繼電器
Q0.4
脫水桶
Q0.5
報(bào)警器
表4-5輸出地址分配
4.3洗衣機(jī)的PLC程序設(shè)計(jì)
4.3.1 源程序
在本程序中,M0.0是按下啟動(dòng)開關(guān)按鈕的輔助繼電器；M0.1是判斷洗衣機(jī)水位是否和設(shè)定水位不一致的輔助繼電器;M0.2是判斷洗衣機(jī)水位是否和設(shè)定水位一致的輔助繼電器;M0.3是停止自動(dòng)洗衣機(jī)的輔助繼電器。
NETWORK 1
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//按下啟動(dòng)按鈕,開始洗衣
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LD I0.0