【电气工程及其自动化】基于plc的工业洗衣机控制器终稿

本科生毕业论文（设计）基于PLC的工业洗衣机控制器二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2014年5月10日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111工业洗衣机简介112工业洗衣机的发展113工业洗衣机类型214工业洗衣机的原理及其特点315设计意义416系统功能简介417控制方案的确定52系统硬件设计821PLC选型8211输入模块的选择8212输出模块的选择8213I/O分配922电机调速系统设计10221调速系统选择10222电机选型11223变频器选型13224PLC与变频器的连接1423电磁阀选型1524水位开关选型1625其他硬件选择163工业洗衣机软件系统设计1731洗衣机控制要求1732系统实现功能及PLC程序194系统组装与调试2341硬件系统组装与调试2342软件调试255结论与展望2551结论2552展望25参考文献26附录27附录A工业洗衣机控制系统PLC梯形图27附录B工业洗衣机控制系统程序指令表31附录C三菱FRF740变频器端子接线图33附录D工业洗衣机电气总接线图34致谢基于PLC的工业洗衣机控制器设计摘要本文针对工业洗衣机，以三菱FX2N系列可编程控制器作为主控单元，利用变频器来改变电机的运行方向及转速，设计成工业洗衣机的控制系统，实现了洗衣机的进水，洗涤，排水，脱水等功能。关键词工业洗衣机；可编程控制器；变频器THECONTROLSYSTEMOFINDUSTRIALWASHINGMACHINEBASEDONPLCCONTROLABSTRACTBASEDONTHEINDUSTRIALWASHINGMACHINE,THISPROJECTTREATEDTHEPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCOFMITSUBISHIFX2NSERIESASTHEMAINCONTROLUNIT,USEDTHEVARIABLEFREQUENCYDRIVEVFDTOCHANGETHEDIRECTIONANDSPEEDOFTHEMOTOR,SOASTOCONSTRUCTACONTROLSYSTEMOFINDUSTRIALWASHINGMACHINE,IMPLEMENTINGMULTIPLEFUNCTIONSOFAWASHINGMACHINEINTERMSOFWATERENTERING,WASHING,DRAINING,DEWATERINGANDOTHERSKEYWORDSINDUSTRIALWASHINGMACHINEPLCVFD1绪论11工业洗衣机简介工业洗衣机是指用于宾馆、饭店、洗衣店或工厂进行大批量衣物清洗用的洗衣机,他与家用洗衣机相比具有洗涤容量大每次可洗干衣数十至数百公斤、洗涤效果好、成本低、效率高、污染小等特点,工业洗衣机与一般家庭用全自动洗衣机在功能上基本相同,家庭用洗衣机利用水流使衣物互相摩擦,从而去掉污垢而工业洗衣机则利用桶轴的横向转动,使衣物上下翻滚,把污垢挤压出来,即所谓的敲打式洗涤。使用的洗涤剂也是碱性的,因而可以得到比家庭用洗衣机更好的洗涤效果12工业洗衣机的发展工业洗衣机也叫水洗机，是工业行业中不可缺少的一个产业，早在一百多年前就开始兴起，经过一百多年的发展，工业洗衣机经过了几次大的革命，最终发展成为现在的工业洗衣机，发展过程有以下几个阶段第一阶段木制手摇工业洗衣机，早在1874年美国人比尔布莱克斯发明了木制手摇工业洗衣机，木制手摇工业洗衣机就是在一个木筒里装上6片叶片，用手柄和齿轮传动，让衣物在木桶里翻滚，达到洗涤效果，木制手摇工业洗衣机的问世让工业洗衣机的发展有了启发，为工业洗衣机的发展奠定了基础。第二阶段蒸汽工业洗衣机的问世，在此的蒸汽工业洗衣机和现在的蒸汽工业洗衣机是不同的，1880你那的蒸汽工业洗衣机，是通过蒸汽取代人力手摇，是工业洗衣机的一大进步，之后出现的水力工业洗衣机和内燃机工业洗衣机也是一样的道理。第三阶段电动工业洗衣机，1911年依然在美国研制出了世界上第一台电动工业洗衣机，电动工业洗衣机的问世是一个新的里程碑，为工业洗涤行业的发展开创了新的历史，同时标志着人类电动化的开始。第四阶段搅拌式工业洗衣机，经过几十年的发展，依然是美国研制出新的洗衣方法，就是搅拌式工业洗衣机，此款洗衣机就是利用筒中心树立一个立轴，在立轴的下面装一个搅拌翼，用电动机带动轴进行周期性运作，让衣物和水不断翻滚已达到洗涤效果。第五阶段前置式滚动洗衣机的问世让电动洗衣机跃上了一个新的台阶，1932年美国本德克斯航空公司研制出了前置式滚筒工业洗衣机此款工业洗衣机集洗涤、漂洗、脱水在一个滚筒里面完成，此款洗衣机的诞生在工业以及家用洗衣机中都起到了决定性的作用。第六阶段喷流式工业洗衣机，英国研制并生成出的喷流式工业洗衣机，喷流式工业洗衣机是靠筒体的一侧运转波轮产生强烈的水流使衣物和洗涤液在桶内翻滚已达到洗涤效果。第七阶段波轮式工业洗衣机，波轮式工业洗衣机是由日本在1955年根据英国的喷流式改进的独特的、一直使用至今的工业洗衣机，波轮式洗衣机是由电动机带动波轮转动，衣物随水不断上下翻滚，从而达到洗涤效果。第八阶段半自动工业洗衣机的诞生，20世纪60年代由日本研制出半自动洗衣机，半自动洗衣机开始诞生让洗衣机在家庭中的普及率提高。第九阶段全自动工业洗衣机，在70年代后期，由电脑控制的全自动洗衣机问世为洗涤行业开出了新的世界，经过80年代的发展，到90年代，随着科技的高速发展，电动机的革新，相继对全自动工业洗衣机不断更新，出现了现在的全自动工业洗衣机，新一代的环保节能产品。13工业洗衣机类型工业洗衣机按其用途可分为干洗机类、水洗机、烘干机、熨烫机、折叠机类、辅助机械类（熨烫平台，去渍台，小型蒸汽发生器，衣物运送机械）。上述六大类工业洗涤设备适用于宾馆、酒店、专业洗涤公司、部队、医院和洗店，通常星级宾馆使用成套洗涤设备，包括干洗、水洗、烘干、熨烫、折叠各类设备，而医院部队则常用干洗机、洗脱机、烘干机和万能夹机等，小型洗衣店视其业务选择干洗机，水洗机及相应的小型设备。按结构形式按工业洗衣机结构形式的不同，可分为单桶工业洗衣机、双桶工业洗衣机和套桶工业洗衣机三种类型。单桶工业洗衣机。顾名思义，即在单桶内实现洗涤和漂洗两种功能，而且需要人工转换。单桶工业洗衣机体积小、重量轻、价格便宜，但因其只是作为一种辅助洗衣的工具，目前已逐渐被淘汰。双桶工业洗衣机。双桶工业洗衣机是单桶水洗机与脱水机的组合，类似微电脑卧式工业水洗机。它的洗涤系统与脱水系统是相对独立的，由两台电动机分别取得波轮和脱水桶，洗涤或脱水时间也是由两个定时器分别控制的。除了普通型外，这种水洗机还可制成洗、漂连续或漂、脱连续的半自动型。套桶工业洗衣机。套桶工业洗衣机的桶体由同轴的内、外两个桶组成。典型的套桶水洗机是微电脑立式工业洗衣机，波轮式套桶水洗机的外桶固定，用来盛放洗衣液，侧壁上开有许多小孔的内桶用来盛放衣物。洗涤或漂洗时只有波轮转而内桶不动在脱水时，内桶与波轮同步高速运转。滚筒式水洗机也是套桶式结构，只是它的轴是水平的。为了使洗衣过程完全自动化，全自动工业水洗机均采用滚桶式结构。按洗涤方式不同，分为波轮式、滚筒式和搅拌式。波轮式工业洗衣机。其特点是洗衣桶的底部有一只波轮，电动机带动波轮转动，衣物依靠波轮的转动，不断上下翻滚而达到洗净目的。波轮式水洗机的优点是结构简单，维修方便，洗净率高，洗涤时间短，品种多样。缺点是衣物磨损率大，缠绕率高，用水良多，洗净的均匀性不够。目前我国市场主要是这种波轮式水洗机。滚筒式工业洗衣机。其特点是有一个盛水的圆柱形外桶，桶中有一个可旋转的内桶。电动机带动内桶转动，是衣物上下翻滚、摔落，从而达到净衣的目的。滚筒式工业洗衣机的优点是衣物磨损低，不缠绕，洗涤用水量少，容易实现自动化。缺点是结构复杂，体积大，使用金属材料多，成本较高，价格高于波轮式水洗机，洗涤时间较长。搅拌式工业洗衣机。搅拌式洗衣机通俗来讲，就是通过波轮循环搅拌衣物。一般搅拌式洗衣机由内桶，外桶，搅拌波轮，电机还有电脑控制器等组成。搅拌式工业洗衣机的优点是衣物洁净力最强，效果最好，比较省洗衣粉，洗洁均匀，不磨损、省电，缺点是比波轮式，滚筒式的噪音大。14工业洗衣机的原理及其特点工业洗衣机利用电动机的机械做功使滚筒旋转，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，做到真正的全面洗涤性能。工业洗衣机的外壳用的是冷板或者不锈钢，内胆为不锈钢，工业洗衣机的容量在30300KG，电源是使用工业用电交流380V，三相电动机做动力。因此，工业洗衣机有耐腐蚀，洗涤量大，可以接受连续的高负荷运转，抗疲劳程度高的特点。随着工业自动化的技术化的发展，全自动工业洗衣机采用PLC控制整个工作程序，其洗涤、漂洗和脱水3种功能之间均能自动转换，在程序控制器下，自动完成进水、预浸、预洗、洗涤、漂洗、排水、脱水和报警灯程序让工业洗衣机有磨损小、省力、省时、使用方便等的优点。15设计意义本文主要研究基于可编程控制器（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。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。16系统功能简介该工业洗衣机容量设定为100KG，为滚筒式洗衣机，通过按钮来操作洗衣机运行，按下启动按钮洗衣机开始进水，根据衣服的多少选择相应水位，通过水位检测传感器，能够控制水位高度。经过洗衣机的洗涤后，自动实现排水脱水功能，然后循环三次，报警5秒停止工作。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。水位检测系统、进水系统、排水系统、变频调速系统、电机等组成。PLC系统主要有可编程控制器、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。并带有中途揭盖功能，方便检查洗衣情况。工业洗衣机如图1图1工业洗衣机原理图17控制方案的确定工业洗衣机控制系统主要有三种控制方式继电器控制系统、PLC控制系统和单片机控制系统。各种控制系统的特点及存在的问题如下继电器控制系统优点是所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。器件价格便宜。缺点是系统接线复杂，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高,系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大，影响居住人员的生活质量。单片机控制系统以单片机为中心控制系统工作的工业洗衣机中，由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。单片机适合于实时工业控制，相对于微机它价格较为低廉，可编程性和可扩展性强。但单片机存在着一些本身不能克服的缺点，系统硬件设计相对比较复杂，电路设计工作量相对较大，且单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序也相对复杂；其次，在设计控制系统硬件时，要有多种电路保护装置，如电流保护电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等，这样不但增加了硬件的复杂性，而且隐含较高的故障率，还无形地增加了维修成本费用。PLC控制系统PLC是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机，它与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器，进行点、位运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、易维修、编程简单、灵活性强等特点。1、可靠性对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。（1）PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。（2）PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，使可靠性提高。（3）PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。（4）PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。（5）在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。（6）PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波等；软件自诊断；简化编程语言等。2、易操作性PLC的易操作性表现在下列几个方面（1）操作方便PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。（2）编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。（3）维修方便PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。3、灵活性PLC的灵活性表现在以下几个方面（1）编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。（2）扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、A/D和D/A的扩展、应用和控制范围的扩展。PLC控制洗衣机的优点（1）在洗衣机控制中采用了PLC，用软件实现对洗衣机运行的自动控制，可靠性大大提高。（2）去掉了大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化，并且可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。PLC控制系统也存在一定的缺点，PLC价格较高，增加设备成本，而且PLC的体系结构是封闭的，各PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各异，当用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且学习特定的编程语言。综合以上的比较可知，PLC控制系统明显优于其他的控制系统，所以本次设计选择PLC控制系统作为控制方案。2系统硬件设计21PLC选型应用较广泛的PLC品牌有三菱、西门子、施耐德、台达、松下、欧姆龙、富士、光洋、永宏、日立、罗克韦尔每种品牌的PLC的配置不一样，也各有优缺。根据设计的要求和结合实际应用的情况，本设计采用了大众品牌三菱FX2N系列的PLC。FX2N系列的PLC在中小型控制系统中比较占有优势和市场,它的特点是集成型高性能，可以以最小8点为单元连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点；运算速度高；拥有丰富的存贮资源，可以扩展到最大16000步。它适用于工业洗衣机的设计，不仅编程简单，价格便宜，而且维修也容易。211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，其工作电压是直流10312V，最大断开状态电流是15MA，输入点数16点，分两组每组8点。212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，公共输出端的电流通常要比此输出设备的累计电流值小得多。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604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。这次设计选择继电器输出型。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，带能力强载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，寿命较短、可靠性较差，适用于不频繁通断的场合。14213I/O分配合理地选择I/O点数是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，一般选择比控制点数多1015的PLC。这有几方面的考虑。1、可以弥补设计过程中遗漏的点2、能够保证在运行过程中个别的点有故障时，可以有代替点3、将来增加点数的需要表1工业洗衣机I/O分配表输入点按钮功能输出点功能X0SB0启动Y0进水X1SB1停止Y1排水X2SQ1高水位开关Y2正转X3SQ2中水位开关Y3反转X4SQ3低水位开关Y10均布X5SB2中途揭盖Y11中速脱水Y12高速脱水Y13报警根据I/O分配表可知，本次设计有6个输入/8个输出，考虑1015的裕量，故选择32点I/O输出口的PLC，再估算程序所需步数，扩展模块的数量，以及设计，性能和和价格等方面的考虑这次工业洗衣控制系统选择了三菱的FX2N32MR的PLC。输出类型为继电器型，继电器型输出方式是较为常用的输出接口电路类型，具有较强的负载能力，外接电源为AC220V,CPU运算处理速度008S/基本指令，在I/O方面，有16个输入点，16个输出点，扩展模块可用点数为2432，内附8K步RAM，最大可达16K包括注析。41022电机调速系统设计221调速系统选择由于工业洗衣机在洗涤和脱水时电机转速相差很大，所以最初工业洗衣机滚筒转速的控制都是采用双速电机、三速电机乃至两个双速电机作为驱动力，通过皮带将动能传递给滚筒，滚筒在转动过程中，带动并搅拌衣物与洗涤溶液，达到洗净衣物的目的。双速电机调速属于异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。但采用双速电机调速的缺点很多，转速固定，无法满足不同衣物需要不同洗涤和脱水速度的需求、电机最大速度受极数限制、脱水时的高转速和大转矩无法同时满足，致使衣物的脱水率较低。在调速的时候要通过离合器、皮带轮、以及正反转开关等反复切换实现不同的转速，在减速的时候还需要制动装置。随着衣物高级化和洗涤剂的多样化，在洗涤，漂洗，均布，脱水等方面，原来的12段调速已经很难达到人们的要求。此外，双速电机还有启动电流大、浪费电能、停机时需要机械刹车、机械噪声大且容易发生故障等不足之处。变频调速的出现基本可以解决双速电机控制所存在的问题，变频调速是在保证电机性能不变的情况下利用变频器通过改变电动机定子电源的频率，让一台电机的同步转速从低速到高速大范围的调整。变频器调速有以下四种方式V/FC的正弦脉宽调制SPWM控制方式V/F控制方式是最早实现的调速方式。无需转速传感器，控制电路比较简单，电机选择通用标准异步电动机，械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求。根据电机铭牌参数，通过调节逆变输出电压实现电机的速度调节，设定V/F曲线性价比也相对较高，因此在产业的各个领域得到广泛应用。缺点是由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差。（2）电压空间矢量SVPWM控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。3矢量控制VC方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流IA、IB、IC、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流IA1IB1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流IM1、IT1IM1相当于直流电动机的励磁电流；IT1相当于与转矩成正比的电枢电流，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。（4）直接转矩控制（DTC）方式直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。它控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。根据工业洗衣机调速精度要求相对较低，还有成本等因素并结合自身学习的能力，在本次设计当中，我选择了矢量控制VC方式作为本次工业洗衣机控制系统的调速控制方案。7222电机选型实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。三相交流异步电动机的选用，主要从选用的电动机的额定功率、工作电压、种类、型式等方面进行选择。其中最主要的是额定功率的选择。1、种类和型式的选择生产上常用的是三相交流电，如没有特殊要求，多采用交流电动机。由于三相鼠笼式异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便；其缺点是调速困难，功率因数较低，起动性能较差，对于工业洗衣机这类在要求机械特性较硬而无特殊要求的一般生产机械的拖动都采用鼠笼式异步电动机2、结构形式的选择在不同的工作环境，应采用不同结构形式的电动机，以保护电动机长期工作而不被损坏。电动机常用的结构形式有开启式、防护式、封闭式和防爆式。A开启式开启式电动机的价格便宜，散热条件最好，但由于转子和绕组暴露在空气中，容易被水汽、灰尘、铁屑、油污等侵蚀,影响电动机的正常工作及使用寿命。因此，它只能用于干燥、灰尘很少又无腐蚀性和爆炸性气体的环境。B防护式防护式电动机一般可防止水滴、铁屑等外界杂物落入电动机内部，但不能防止潮气及灰尘的侵入。它只适用于较干燥且灰尘不多又无腐蚀性和爆炸性气体的工作环境。这种电动机的通风散热条件也较好。C封闭式封闭式电动机有自冷式、强迫通风式和密闭式三种。自冷式电动机一般自带风扇，自冷式和强迫通风式电动机能防止任何方向的水滴或杂物侵入电动机，潮湿空气和灰尘也不易侵入，因此适用于潮湿、多尘、易受风雨侵蚀，有腐蚀性气体等较恶劣的工作环境，应用最普遍。而密闭式电动机，则适用于浸入液体中的生产机械，如潜水泵等。D防爆式防爆式电动机是在密封结构的基础上制成隔爆型、增安型和正压型等，适用于有爆炸危险的工作环境，如矿井、油库、煤气站等场所。工业洗衣机一般用于各类服装水洗长，印染厂，医院，宾馆，化工厂，部队，矿山，消防等企事业单位。环境相对潮湿和有较多灰尘和腐蚀性气体。所以选择自冷式电机。3、电压等级和转速的选择电动机电压等级的选择，要根据电动机的类型，功率以及使用地点的电压来决定。交流电动机额定电压的选择主要按使用场所的供电电压等级选择。这里选择中小型三相异步电动机常用的额定电压220/380V（/Y形接法电动机的额定转速是根据生产机械传动系统的要求来选择的。一般采用高转速的电动机。在一定功率时，电动机的额定转速越高,其体积越小，重量越轻，价格越低，运行的效率越高，电动机的飞轮矩越小，因此选用高速电动机较经济。表2是工业洗衣机各阶段的转速情况。表2工业洗衣机各阶段转速和频率情况阶段洗涤均布中脱高脱转速、频率100R/MIN（25HZ）200R/MIN52HZ400R/MIN100HZ700R/MIN140HZ根据以上分析，本次设计选用全封闭自扇风冷式鼠笼型三相交流异步电动机，型号为Y132M4，极数为4极，额定功率为75KW，额定电流154A，额定转速1440R/MIN,同步转速1500R/MIN,功率因数085，额定频率50HZ，效率87。223变频器选型变频器的正确选用是机械设备电控系统正常运行的重要因素之一。选择变频器，有型号、电压级别、最大适配机、电源、控制特性五方面考虑。1、型号一般厂家自动的系列名称，包括电压等级和可适配电机的容量2、电压级别根据各国的工业标准或用途不同，其电压等级也不相同，所以在选变频器时要注意电压级别是否与电源电压和电机的电压相符合3、最大适配电机在最大适配电机中，通常给出最大适配电机的容量，容量一般以四极普通异步电机为对象4、电源变频器对电源的主要有电压/频率，允许电压变化率和允许频率变化率两方面5、控制特性A、电压型还是电流型B、U/F,转差频率控制方式或矢量控制C、输出频率范围，一般最低为01HZ，最高频率因变频器性能而异5、变频器容量计算变频器调速是通过变频器实现，对于变频器的容量至关重要。计算容量一般采用公式法。105/PM为电机负载，HM为电机功率经过计算，变频器容量为8KW,根据上述标准，工业洗衣机一般采用通用型变频器，采用U/F型控制方式，由于变速频繁，所以选用电流型变频器，因此本次设计采用的是三菱FRF700系列的变频器，型号为FRF74011KCHT1,适用电机容量11KW，额定电流20A,电压为3相380V,电压等级为400V，控制方式为V/F方式最佳励磁控制方式先进磁通矢量控制方式通用磁通矢量控制方式。变速为15段变速。内置独立RS485通讯接口，柔性PWM，实现更低噪音运行，允许短时超载（200时持续3S）变频器表面带PU接口，维护简单，配有梳型配线盖板，接线更方便。有转矩限制，容量范围为221KW考虑到变频器调速的限制，添加机械减速装置，增加输出转矩，使变频器调速达到所需转速。69224PLC与变频器的连接本设计采用常用的PLC的开关量信号来控制变频器，PLC的输出点、COM点直接与变频器的STF、STR、RH、RM、RL、输入端SD等端口分别相连，PLC可以通过程序控制变频器的启动、停止、复位；也可以控制变频器高速、中速、低速端子的不同组合实现多段速度运行。图2为PLC与变频器的连接。6图2PLC与变频器的连接23电磁阀选型电磁阀是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀按照功能分别有水用电磁阀、蒸汽电磁阀、制冷电磁阀、低温电磁阀、燃气电磁阀、消防电磁阀、氨用电磁阀、气体电磁阀、液体电磁阀、微型电磁阀、脉冲电磁阀、液压电磁阀常开电磁阀、油用电磁阀、直流电磁阀、高压电磁阀、防爆电磁阀等。工业洗衣机上的电磁阀主要配变频器控制机器的进水和放水，因此我们选择了水用电磁阀。具体参数如表4表4电磁阀参数工作电压V（可选）AC220V进水压002MPA时5L/MIN进水压025MPA时15L/MIN流量特性L/MIN进水压08MPA时25L/MIN适用流体公共用水、气、油及其它流体进、出水口径进水口G3/4（6分外螺纹,26MM）出水口312MM产品尺寸1108259MM安装尺寸45MM安装孔中心距24水位开关选型容器内的水位传感器，将感受到的水位信号传送到控制器，控制器内的计算机将实测的水位信号与设定信号进行比较，得出偏差，然后根据偏差的性质，向给水电动阀发出“开“关“的指令，保证容器达到设定水位本次设计选用双水位电子式水位开关，型号为BZ201，工作电压DC12V。电子式水位开关全耐用、稳定可靠、耐污耐水垢能力强、接线简单、安装非常方便。25其他硬件选择1、热继电器的选择热继电器是实现过载保护的功能。选择型号为JR1620/3的热继电器。2、熔断器的选择熔断器选择螺旋式的，明显的优点是不用任何工具就可取下或更换熔体。熔断器熔体额定电流的选定，由于电路中只有一台电机，断器额定电流1525其FUI中为电动机额定电流，由计算式得2，所以FU1FU3的额定电流为N1308A，型号选为RL6633、接触器的选择交流接触器，一般有3对主触头，2对辅助触头。其额定电压应大于或等于所控线路的电压，主触头的电流为电动机的额定电流。因此选额定电流为16A的接触器，型号为CJX21801，线圈电压为380V的交流接触器。4、按钮的选择用启动停止和选择水位按钮来控制工业洗衣机系统。按钮有常开和常闭触头，主要根据所需要的触点数、适用场合及颜色来选择。一般红色按钮表示停止，绿色表示启动，所以选用型号为LAY37的按钮。3工业洗衣机软件系统设计31洗衣机控制要求根据衣服多少，选择高或中水位，再按下启动按钮；1、PLC和变频器投入运行，系统处于输出状态准备好启动2、根据衣服多少选择高水位或低水位，启动时开始进水3、当注入的水达到设定水位值时停止进水，10S后开始洗涤4、洗涤时，电机在变频器的控制下5S达到转速，然后正转30S后停10S，然后开始反转，同样电机在变频器的控制下5S达到要求转速，反转30S，停10S5、如此循环，如果正反未满30次，返回正转开始动作9、如果正反洗达到30次则开始排水，水位下降到低水位时开始脱水并继续排水10、均布3分钟，中速脱水5分钟，高速脱水5分钟就完成一次从进水到排水的大循环过程11、洗衣机循环大循环3次，洗完报警响5S后自动停机12、通过停止按钮实现手动停止进水、排水、脱水和报警13、通过中途揭盖按钮，可以让洗衣机暂停运作，再按下中途揭盖功能可以继续停止前的工作。2工业洗衣机运行流程图如图3图3工业洗衣机运行流程图32系统实现功能及PLC程序1、如图4，通过水位开关互锁实现水位选择功能图4水位选择功能2、如图5，通过启动按钮X1实现进水图5进水功能3、如图6，通过正反转按钮和相应定时器，实现正反转功能图6正反转功能4、如图7，通过计数器C0，进入排水功能图7排水功能5、如图8，图9，图10，通过相应计数器接力，实现均布，中速脱水，高速脱水图8均布图9中速脱水图10高速脱水4系统组装与调试41硬件系统组装与调试主要难点是变频器的安装和变频器参数设置。变频器要安照规范地安装在壁面，不能进行水平或其他方式安装。变频器的输出端子U、V、W要连接到电机，不能连接到AC电源。变频器要正确接地，接地电阻小于10欧，变频器安装在没有水滴飞溅的场合。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，要加电抗器。变频器输入侧与电源之间应安装空气开关和熔断器。接线后，零碎线头要清楚干净，零碎线头可能造成异常、失灵和故障，必须保持变频器清洁，在控制台上打孔时，不能让碎片掉入变频器中。在应用变频器时，要先了解变频器控制面板的各个按键的功能。表3为变频器各个按键功能。表3变频器按键功能按键说明RUN键启动MODE键用于选择操作模式或设定模式SET键用于确定频率和参数的设定/键用于连续增加或降低运行频率，按下这个按键可改变频率在设定模式中按下此键，则可连续设定参数FWD键用于给出正转指令REV键用于给出反转指令STOP键/REST键用于停止运行用于保护功能动作输出停止时复位变频器在使用变频器前，要进行模式设置，在PU操作模式中要把出厂时的PR79的值选为1。8参数设定只有在PR79选择模式时可以实施，一个参数值的设定既可以用数字键设定也可以用增减来完成，按下SET键15S写入设定值并更新，另外，作为与运行模式无关的设定方法，可将PR77设为2，表4为设定所需的参数值的设定表4。8表4参数值设定及其功能参数号设定值功能PR792外部运行模式PR2050加速基准频率PR18160高速上限频率PR20下限频率PR350基底频率PR4140高速频率PR5100中速频率PR625低速频率PR75加速时间PR85减速时间PR814电动机极数PR83380电动机额定电压PR8450电动机额定频率工业洗衣机在洗涤时，由于滚筒内有水和衣服并存，所以在洗涤的时候，衣服和溶剂的重量大约是干燥时的5倍，所以在洗涤的时候转矩较大，此时变频器处于低频高负荷状态，要求转矩输出，脱水时，由于水已经排出，负载转矩降低，约为洗涤时的1020，调节V/F曲线，使高于基频的电机处于恒功率状态，并且为使衣物在滚筒内均匀分布而保持高惯性。由于电机为直接启动或Y/启动，启动电流等于（37）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，启动时产生的大电流和震动时对设备的使用寿命极为不利。用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电的要求延长了设备和模具的使用寿命。变频器的软启动是把变频器的开关量输出常闭点接到所要控制的运行继电器上，定义该点为频率到达，设定为50HZ。这样到达频率后就能停止继电器，同时用这个继电器的另一组常开触点作为工频启动的信号，通过时间继电器1秒的延时切换到工频。另外，液位开关和PLC连接时，开关的两根线一根接到PLC输入端的对应输入点。另一根接外部电源的一端，外部电源的另一端接到PLC的输入端公关端（COM）42软件调试本设计的PLC编程环境使用GXDEVELOPER86，全部基本指令和功能指令都有，支持在线监控，PLC编程时，需要同时执行的指令都尽量避免顺序执行，且尽可能地简化程序，减少程序步数，编程的时候选择状态转移图转为梯形图，这样比直接用梯形图编写思维清晰而且查错容易。在检查程序无误后，将指令写入到指定的可编程控制器用户储存器中，进行下一步的调试。程序的调试选用GXSIMULATOR。经过反复调试，程序正常运行。5结论与展望51结论在本设计系统中，考虑到工业洗衣机的电机转速问题，选择了变频器。经过对变频器的学习，认识到变频器在调速方面的优势，比传统的多速电机调速更为准确，而且噪音也相对较低，在学习变频器的时候，认识到自己的知识面的狭窄，为了更好地了解变频器，更要去查阅相关的选项手册和使用手册，能让我们更能了解变频器的特性。在选型的过程，不仅仅是单纯的理论选型，也不是单方面的考虑，PLC，变频器，电机，这三个主要硬件的选型是紧密相连的，要综合考虑。52展望在设计该工业洗衣机功能方面还有许多待进一步提高。比如洗衣机自带加热功能，工业洗衣机所洗衣物一般有大量油污，而这次所设计的洗衣机因为个人能力问题并没加到加热功能，还有，没有手动排水功能，如果遇上故障，不能及时排水。这次设计，并没有使用触摸屏控制而是选择传统的按钮控制，加入触摸屏功能，再结合变频器，不仅操作方便而且能更清楚了解各个硬件的运行状态和参数的变化。这些功能在工业洗衣机中也能够实现,还需得以进一步提高。通过本控制系统的设计,不仅能够培养独立的工作能力,而且也能够提高动手的能力相信会对今后的学习、工作、生活有着非常重要的影响。总之,这次设计为以后面向实际应用打开了大门，也为以后做各项工作和进一