工业洗衣机上的PLC控制系统的研究_毕业论文.doc

河南科技学院新科学院本科毕业论文设计题目：工业洗衣机上的plc控制系统的研究 所在院系： 电气工程系 学生姓名： 所在专业：电气工程及其自动化 指导老师： 完成时间： 2013年4月 工业洗衣机上plc控制系统的研究摘要近年来随着科技的飞速发展，单片机、plc的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制技术的不断更新。本篇论文描述了在工厂，酒店，宾馆这种需要大量洗衣、洗衣次数频繁的特殊场合中，将松下系列plc作为主控制器作用于工业洗衣机控制系统中，来解决生活中繁重的洗涤任务。在工业洗衣机设计过程中，选择松下系列plc作为微电脑程序控制，同时利用变频器来改变电动机的运行方向及转速，并利用计算机对工业洗衣机进行模拟监控的控制系统总体控制，设计出了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案，实现洗涤、漂洗、脱水过程。根据工业洗衣机控制系统总体控制要求和特点，为使洗衣机操作的整个流程更直接明白化，本论文就利用通过plc控制全自动洗衣机，实现了全自动洗衣机的正常运行和强制性停止功能。关键词：松下plc ， 工业洗衣机 ， 控制系统 abstractin recent years ,with the rapid development of science and technology, scm、to the application of plc constant depth，at the same time it can improve the development of traditional control technique. this article mainly introduced in this factory，hotel and tavern in special occasions, need a lot of washing, washing frequent, where there are many. panasonic plc for the main controller role in industrial washing machine control system, to solve life heavy washing task. in the industrial washing machine design process, the choice of panasonic plc program control as microcomputer, at the same time use frequency converter to change direction and speed of the motor running, the overall control system and simulation control of industrial washing machine using computer, design of the system structure diagram, program instructions, ladder diagram as well as input and output terminal assignment, the realization of washing, rinsing, dehydration process. according to the characteristics and requirements of the overall control system of industrial washing machine, washing machine to make the whole process more directly understand the operation, this paper uses plc control through full automatic washing machine, to achieve the normal operation and mandatory automatic washing machine stop function.keywords: plc , industrial washing machine control system , plc program design引言从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，在洗衣机出现以前，这项劳动并不像田园诗描绘的那样充满乐趣、手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。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美国人比尔布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。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。1911年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，电动洗衣机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。70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向，让人耳目一新。90年代，由于电动机调速技术的提高，洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。全自动洗衣机其特点是能自动完成洗涤，漂洗和脱水的转换，整个过程不需要人工操作。这类洗衣机均采用套筒式结构，其进水，排水都采用电磁阀，由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令，驱动各执行器件动作，整个洗衣过程自动完成。所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。从控制方式的发展阶段上分：全自动洗衣机可分为两大类：第一类电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。第二类是电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。随着计算机的及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统, 专为在工业环境下应用而设计。它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. 可编程序控制器及其有关设备, 都应按易于与各种控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。 1 plc在工业洗衣机中的应用1.1 研究plc工业洗衣机控制系统的目的和意义随着社会经济的发展和科学技术水平得高，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，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据着主导地位。国产的洗衣机经过几年的发展，无论在质量上还是功能上都有着先进的技术，但是，和一些发达国家相比还是存在一些差距。 本文主要研究基于plc工业洗衣机控制系统的设计，以工业洗衣机为载体将plc控制更好的运用于实践中，使理论与实践相结合，能够让我们更好地学到更多的知识，发展自己。利用plc的操作简单、抗干扰性强、输入输出接口多、运行速度快、稳定可靠、维护与维修方便,使洗衣机更趋于经济的需求和社会的发展。此外，投入plc控制的洗衣机可靠性高、耗电少、寿命长、环境适应能力强，适合工业洗机的发展需要，而且工业洗衣机利润又高，使plc的洗衣机得到更好的发展，具有较大的经济和社会意义。1.2 plc工业洗衣机控制系统的优点与传统洗衣机相比，plc工业洗衣机控制系统的优点突出体现在有以下几个方面： （1）可靠性高，抗干扰能力强。plc由于采用现代大规模集成电路技术，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 （2）配套齐全，功能完善，适用性强。plc发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代plc大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。(3)易学易用，深受工程技术人员欢迎。plc作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。 （4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。plc用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。 （5）体积小，重量轻，能耗低。以超小型plc为例，该品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.3 设计原则plc控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好的实现工艺提出的控制要求。plc控制系统的设计应遵循以下原则：（1） 根据工艺流程进行设计，力求设计出来的控制系统能最大限度满足控制求。（2） 在满足控制要求的前题下，尽量减少plc系统硬件费用。（3） 考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑到plc的可扩展性。2 工业洗衣机的工作原理及结构2.1 工业洗衣机的工作原理目前工业洗衣机多由内筒、外筒、多速电机、支撑装置、传动装置、控制电路组成，电机产生的动力传送到内筒或外筒，采用继电器控制方式事先电机的正反转，定时装置为传统的机械机构，总体结构复杂、体积大、重量大、噪音大、电气控制方式落后，故障率高、可靠性低。改进后的工业洗衣机，只需一台三相鼠笼式异步电机，控制系统以plc为核心，利用变频器，传感器实现电机的自动化控制，使工业洗衣机的性能得到很大的改善，系统主要有可编程控制器、水位、温度检测系统、进水系统、排水系统、变频调速系统、电机等组成。 plc在系统中是处于中心位置，洗衣机的进水，洗衣，排水，脱水是通过水位开关，作为plc的输入信号控制开关，plc的输出信号决定电磁进水阀和电磁排水阀工作状态以及电机工作状态，从而实现自动控制的。水位开关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。原理图如下图2.1所示。 p l c水位传感器水温传感器 报警系统 变频器 进水系统 排水系统 电机图2.1 工业洗衣机原理图2.2 工业洗衣机的结构在设计这一款多功能型全自动洗衣机之前，考虑了好多问题，比如说洗衣机在可靠性、安全性、开发推广价值等方面的具体实际问题。整合了方方面面，认为为工厂大型洗衣房设计的这款商业机型，进行控制，能够实现被控对象的工艺要求，能够提高实际生产效率和完成卫生高效的洗涤质量。设计的全自动洗衣机中，通过比较搅拌式、滚筒式还有波轮式洗衣机，在大型洗衣量方面我选择了波轮式洗衣机。因为，滚筒洗衣机虽然具有洗涤均匀性好，衣物磨损小，自动化程度高等诸多优点，可是洗净率方面却很不够理想；搅拌式洗衣机洗净度较高，但洗涤时衣服全部浸泡在洗涤液中，洗衣量比波轮式洗衣机多。所以，我选择了波轮式洗衣机在大型场合的应用。在采用控制技术上选择plc作为控制器，来设计工业洗衣机控制系统，在这里主要为了其产品实现功能齐全、外围电路简单、维护容易方便，容易继续写入编程语言实现更新升级等。 最大限度地满足被控对象的控制要求，在应用中保证plc控制系统安全可靠，适应企业发展的需要，为需要强洗涤工作量的企业提供了极大便利。为此设计的洗衣机框架结构示意图如下图2.2所示水排尽传感器 出水口低水位选择开关中水位选择开关高水位选择开关 进水口 m图2.2 工业洗衣机结构图 该洗衣机的进水、排水系统分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时，通过plc控制系统使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。洗涤之前，按照所选水位的高、中、低事前选择好，然后就可以开始工作。3 工业洗衣机的硬件系统设计在洗衣机的系统控制器方面，由于以前老式工业洗衣机采用的是继电顺序控制，这种方式不利于系统的稳定而且维修率较高，耗时费工，由此在考虑现代工业迅速发展的基础上洗涤衣物的工作量之大，选择稳定可靠价格合理的plc作为洗衣机的控制器。现代技术发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置，与之前半自动洗衣机比较起来，plc系统配置既固定又灵活，更高的性能，安全性也比之前半自动洗衣机更好。3.1 变频器与plc的控制电路3.1.1 变频器调速原理通常把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电。然后再把直流电变换为三相或单相交流电，我们把实现这种转换的装置称为“变频器”。 变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。本文就是通过控制变频器来改变电机的运行方向和转速，改变电机的运行方向用以实现洗衣机正反转的洗涤，而改变电机的运行转速是用以实现洗衣机洗涤强度，即来实现工业洗衣机洗涤的两种不同的功能：高速强效洗涤、中速普通洗涤。 在以往老式的洗衣机调速中多采用交流调速中的串接电阻调速。现代电力传动技术重要发展方向在调速中直接利用交流电在变频器的变频下实现平稳的调速，可以说它将逐渐取代了过去老式的串阻调速，变极调速，直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于多领域。通过了解，在工业洗衣机的调速方面，我们选择使用变频器作为理想的调速方式。它是把工频电源(我国50hz)变换成需要频率的交流电源，实现电机的无极变速运行，洗衣机的控制电路完成对交流电机主电路的控制。洗衣机的动力源选择适用于变频器的三相交流异步电动机，它具有比较理想的调速方法，其调速性能最好、效率最高。我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：n60 f(1s)/p =（1-s）n1n异步电动机的转速；p电动机极对数；n1同步转速f异步电动机的供电频率；s电动机转差率由式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f，就可以改变异步电动机的同步转速n1,从而改变其转子转速n,即可改变电动机的转速，当频率f在050hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。本文主要采用三菱e540变频。器3.1.2 变频器与plc的链接 变频器与plc之间正确的连接对系统的控制也很重要，下图3.2.2为该工业洗衣机变频器与plc之间的接线图。plc y6 y7 y8 y9comstfstrrhrmsd变器频 图3.1.2 变频器与plc接线图分析图3.2.2的工作过程,当plc的输出端y6有信号输出时，则变频器stf端接受到信号控制电机正转；当plc的输出端y7有信号输出时，则变频器str端接受到信号控制电机反转；当plc的输出端y8有信号输出时，则变频器rh端接受到信号控制电机高速运转来实现洗衣机的强洗涤功能；当plc的输出端y9有信号输出时，则变频器rm端接受到信号控制电机中速运转来实现洗衣机的普洗涤功能。3.2 plc外围电路控制3.2.1 i/o地址分配合理的选择i/o点数也是plc的重要指标之一。i/o的选择既要满足系统的控制要求，又要在合理范围降低投资成本。plc的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量、输入输出设备情况来确定，一般一个输入输出元件要占用一个输入输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上20%30%的备用量。该系统有13个数字输入点8个数字输出点。 根据上述分析，本设计共有6输入信号和10输信号。列出工业洗衣机的i/o分配表，见表1。表1 plc控制系统i/o分配 输入点 功能 代码 输出点 功能 代码x0启动sb1y0进水阀yv1x1普洗sb2y1排水阀yv2x2强洗sb3y2脱水yv3x3高水位开关say3普洗指示灯hl1x4低水位开关sq1y4强洗指示灯hl2x5中途揭盖sb4y5报警ly6正转控制stfy7反转控制stry8高速rhy9中速rm3.2.2 plc外部接线图由工业洗衣机的控制要求，对该控制系统i/o的选择，现在根据i/o地址分配表设计外围接线图，如下图3.1.2所示。x1x2x3x4x5x0com y0 y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 y8com1com2com3 y9sb1sb3sb2sb4sasq1com4 变 频 期rmrhstrstfsd 电源yv1yv2yv3hl1hl2l图 3.1.2 plc的外部接线如图3当该plc投入运行时，首先选择洗涤方式，然后根据实际需要选择水位，即按下水位选择开关任意一个，这时再按下启动按钮sb1，此时进水电磁阀yv1通电并打开开始进水。当水位上升到与选择的水位相一致时，则进水电磁阀yv1失电断开停止进水。当plc输出端y6有信号输出时，则变频器控制洗衣机进行正向洗涤；当plc输出端y7有信号输出时，则变频器控制洗衣机进行反向洗涤；当plc输出端y1有信号输出时，洗衣机进行排水；当plc输出端y2有信号输出时，洗衣机进行脱水；当plc输出端y5有信号输出时，则表示洗衣完成报警提醒。3.3 变频器与电机的结合应用本系统的变频器和电机组成的硬件连接图如下图3.3所示， r s t 变 频 器 u v w mfu1u1wvnqf1kmqf2dc24v图3.3 工业洗衣机主电机控制电路图此外，在使用变频器时，也要注意以下几点方面： (1）禁将变频器的输出端子u、v、w连接到ac电源上。(2）变频器要正确接地，接地电阻小于10；避免变频器安装在产生水滴飞溅的场合。(3）变频器断开电源后，待几分钟后方可维护操作，直流母线电压应在25v以下。(4)主回路端子与导线必须牢固连接；变频器与电机之间连线过长，应加输出电抗器。(5)变频器驱动三相交流电机长期低速运转时，建议选用变频电机。 (6)变频器驱动电机长期超过50hz运行时，应保证电机轴承等机械装置在使用的速度范围内，注意电机和设备的震动、噪音。(7)变频器驱动减速箱、齿轮等需要润滑机械装置，在长期低速运行时应注意润滑效果。(8)变频器在一确定频率工作时，如遇到负载装置的机械共振点，应设置跳跃频率避开共振点。(9)严禁在变频器的输入侧使用接触器等开关器件进行频繁启停操作。(10)对电机绝缘检测时必须将变频器与电机连线断开。(11)在变频器的输出侧，严禁连接功率因数补偿器、电容、 防雷压敏电阻；变频器的输出侧严禁安装接触器、开关器件；变频器输入侧与电源之间应安装空气开关和熔断器。(12)控制线应与主回路动力线分开，控制线采用屏蔽电缆。由上述内容组成了工业洗衣机的硬件接线图。4 工业洗衣机的软件系统4.1 工业洗衣机控制要求及整机流程 洗衣机的工作流程由进水洗衣排水脱水四个过程组成，执行洗涤（1次）漂洗（2次）报警为一周期，全自动一次运行，直至洗衣结束,本洗衣机，在设计上具有普通洗和强效洗的多功能型。考虑工厂等场合衣物具有油污的特点，在洗涤方面需要具有一定的水温才可以达到充分去污的特效，所以本洗衣机带有水温加热功能。系统的基本任务及要求：按下启动按钮和水位选择开关（分普通洗和强效洗两种洗衣方式）:(1)开始进水,加水量直到达到要求水位关水,2s开始洗涤；(2)洗涤时，普通洗或强洗电机在变频器的控制下5秒达到要求转速，之后正转10s，停2s，然后开始反转，同样电机在变频器的控制下5秒达到要求转速，然后反转10s，停2s；(3) 如此循环3次，强洗时反复6次，2s之后排水，排空后脱水15s，同时有指示灯亮；(4)再次开始清洗，重复三次；(5)洗涤任务完成后，报警5秒并完成；(6) 若在清洗过程中，按下停止按扭，强行进入排水、脱水功能一次性后停机完成；说明：(1)在洗涤过程中，若打开洗衣机桶盖这时整机将停止洗涤，桶盖合上洗衣机将再次进行之前的洗涤任务。(2)选择强效和普通洗涤的时候有指示灯显示,脱水也有指示灯。 工业洗衣机通过控制面板显示选择洗衣模式；能够检测水位，自动完成进、出水；按下启动按键之后进行选择洗衣方式，若洗衣量很大则选择强效洗，洗衣机能够按照设定的洗衣程序，从进水、洗涤、漂洗、排水到脱水，整个过程全自动进行；完毕后，能够自动报警，停止工作。洗衣机的进水、排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀执行。脱水时，由脱水电磁离合器合上、排水电磁阀吸合，洗涤电动机正转高速进行甩干。洗涤完成由蜂鸣器报警。图4.1为洗衣机的工作流程图，按下启动按扭和水位选择开关，这个时候开始选择洗衣功能。选好后，开始进水，进水到规定高度，使水位开关接通，停止进水，在2s后实现洗涤正转；洗涤正转10s后，停止洗涤，2s后开始洗涤反转；洗涤反转10s后，2s后计数器加1，累计洗涤次数；若未满3次则重复进行洗涤，直至洗涤达到3次，开始排水30s后，脱水进行20s后，计数器加1，脱水停止。然后再返回到进水动作重复上述过程3次，报警5s并停机.其程序流程如下图4.1所示。 开始强洗进水洗涤正转洗涤反转排水排水，脱水报警报警排水，脱水排水洗涤反转洗涤正转进水普洗停机图4.1 工业洗衣机流程图根据以上工作流程图可以定义全自动工业洗衣机的工作方式如下。（1）按启动按钮，首先进水电磁阀打开，进水阀开始进水。（2）水位达到上限水位时，进水电磁阀关闭，搅轮开始正反转搅拌。（3）等待几分钟，排水电磁阀打开，后开始脱水并排水。（4）水位达到下限水位时，排水电磁阀关闭，进水电磁阀打开。（5）重复三次（1）（4）的过程。（6）洗涤结束后，蜂鸣器开始报警5s后停止，整个过程结束。（7）操作过程中，按停止按钮可以结束整个动作过程。4.2 系统的程序设计 plc控制洗衣机洗涤程序有其特殊之处。首先，他是一个程序控制系统程序；其次，洗涤排水，脱水时间是由plc内的计数器和定时器中pt参数控制的，只要改变它的参数大小就可以改变整个程序时间长短，。通过改变plc的型号，可以根据洗涤物的质地、数量及脏污程度来实现普洗和强洗的功能。通过改变洗涤程序可实现进水、洗涤、漂洗、排水、脱水的顺序控制，也可以实现或洗涤、或漂洗、或脱水等单体控制。在设计过程中，可以方便地加相应的配套装置，如指示灯、蜂鸣器等。通过以上分析可知，工业全自动洗衣机的控制系统必须考虑它的结构和成本。 本系统采用plc为控制核心结构合理，测试方法可靠，它具有较强的灵活性，他搞了折本运行的可靠性，缩短产品开发周期，达到了良好的经济效果。此外，plc还可以重复使用，降低了测试经费，它的灵活性和操作方便性也方便测试者随时输入、调试和修改控制程序。 在本系统的控制程序设计过程中，使用最多的是定时指令和计数指令，通过这些指令来实现电机的正反转控制，下面分别给出工业洗衣机plc控制程序分部控制梯形图。 首先是系统的启动程序图，这里主要用到了自锁启动，根据以上介绍的控制要求及i/o口的分配，可知工业洗衣机的启动控制程序的梯形图，如下图4.2.（a)所示。图4.2（a) 控制系统启动梯形图 控制程序中，控制电机正反转的梯