PLC和变频器在工业洗衣机控制中的

（论文）PLC和变频器在工业洗衣机控制中的应用设计学生姓名：学生学号：院（系）：年级专业：指导教师：助理指导教师：二〇一一年六月摘要随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，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。国产工业洗衣机经过几年的平稳发展，无论在质量上还是功能上都和世界领先水平同步。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主导地位。根据工业全自动洗衣机的工作原理，利用可编程控制器和变频器实现控制。PLC的优点是：可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等。变频器的优点是高效、节能等，为了进一步提高工业洗衣机的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出了用PLC和变频器来控制工业洗衣机这个课题。该论文就怎样利用PLC和变频器来控制工业洗衣机进行了调查，对其中软件设计、硬件设计等问题进行了分析和研究，实现了工业洗衣机的正常运行和强制性停止功能。关键词工业洗衣机，可编程控制器，变频器控制ABSTRACTAssocialandeconomicdevelopmentandraisingthelevelofscienceandtechnology,industrialfullyautomatedaninevitabletrendofdevelopment.Industrialproductionoffullyautomatedwashingmachineveryconvenientfortheproduction.Afterseveralyearsofindustrialwashingmachinesmadethesmoothdevelopmentorfunctionintermsofbothqualityandworld-leadinglevelofsynchronization.Throughoutthewashingmachinemarket,energyefficient,savewaterandenergysaving,environment-friendlywashingmachinehasbeendominantinthemarket.Accordingtotheworkingprincipleofautomaticwashingmachineindustry,theuseofprogrammablecontrollerandinvertertoachievecontrol.PLC'sadvantagesare:highreliability,lowpowerconsumption,adaptability,fastandlonglife.Inverterhastheadvantageofhighefficiency,energysaving,etc.,inordertofurtherimprovethefunctionalityandperformanceofindustrialwashingmachines,toavoidsomeshortcomingsoftraditionalcontrol,proposedtheuseofPLCandfrequencyconvertertocontroltheindustrialwashingmachinethistopic.ThepaperonhowtousePLCandfrequencyconvertertocontroltheindustrialwashingmachinefortheinvestigation,includingsoftwaredesign,hardwaredesignissuessuchasanalysisandresearch,toachievethenormaloperationofindustrialwashingmachineandthecompulsorystopfunction.Keywordsindustrialwashingmachine,PLC,frequencyconvertercontrol目录摘要 IABSTRACT II1绪论 11.1课题背景 11.2本课题所做的工作 12工业洗衣机概述 22.1工业洗衣机发展史 22.2工业洗衣机的工作原理及结构 22.3工业洗衣机工艺流程及动力要求 33变频器简介 43.1变频器的基本原理及特点 43.1.1变频调速原理 43.1.2变频器分类及特点 43.2变频器应用前景 73.3变频器的选择 73.3.1变频器种类的选择 73.3.2变频器的规格和指标选择 83.3.3变频器容量的选择 83.4三菱FR-A540通用变频器 93.4.1FR-A540变频器控制端子接线 93.4.2端子接线说明 104工业洗衣机控制系统的硬件 144.1PLC简介 144.2PLC的硬件选择 154.2.1PLC机型的选择原则 154.2.2CONTROLLOGIXPLC系统概述 154.2.3输入模块的选择 174.2.4输出模块的选择 174.2.5PLC的通信网络 184.2.6PLC控制器的选择 184.2.7底板或机架 194.2.8电源模块的选择 194.2.9综述 194.3 控制综合连接 205工业洗衣机控制系统软件 215.1Rslogix5000软件介绍 215.1.1Rslogix5000软件的功能 215.1.2Rslogix5000软件的安装步骤 215.1.3设计所用的主要指令介绍 225.2工业洗衣机程序设计 225.2.1PLC输入输出地址分配 225.2.2变频器参数设定 235.2.3工业洗衣机控制流程 24结论 27参考文献 28致谢 291绪论1.1课题背景洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器，在工业生产中的应用也十分广泛，本课题在于对工业用洗衣机的研究。工业用洗衣机适用于宾馆、饭店、医院、学校、工厂等领域，满足大容量的洗衣要求。但是传统的基于继电器的控制，已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求了，必须借助于自动化技术的发展。工业洗衣机洗涤与脱水时的转速相差很大，通常使用变极电动机或数台一般电动机用离合器切换运转，由于负载惯性很大，为了获得很大启动转矩特性要采用较大的电阻的电动机，减速时需制动装置。由于工业洗衣机电机为直接启动或Y/Δ启动，启动电流等于3~7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，启动时产生大的电流和震动对设备的使用寿命极为不利。鉴于以上问题，采用PLC和变频器对工业洗衣机进行改造，PLC与人机界面的实时数据交换功能，从根本上解决设备控制线路繁锁、故障点多、操作复杂等一系列问题，有效的提高设备生产效率与设备性能。用变频器控制电动机即可实现一台电动机从低速到高速大范围调速而且装置可做很小，控制性和操作性都得到很大提高，平衡了过程中洗衣桶的转速，缩短了工作周期时间。1.2本课题所做的工作本课题以企业对工业洗衣机的实际需求为例，综合应用了相关的专业知识研究了PLC和变频器对工业洗衣机控制系统的设计与实现，本文所做的工作主要有：=1\*GB3①综合分析了控制系统的设计要求；=2\*GB3②分析了工业洗衣机控制系统中被广泛应用的变频调速原理及PLC的控制；=3\*GB3③介绍了PLC和变频器等主要设备；=4\*GB3④重点设计了工业洗衣机控制系统的硬件电路，其中重点设计并论述了PLC控制电路的设计思路并给出了设计图及PLC和变频器的外部端子连接；=5\*GB3⑤重点设计了工业洗衣机控制系统各部分的软件，其中利用RSLogix5000设计出了系统人机界面程序，并给出了系统关键梯形图程序。2工业洗衣机概述工业用洗衣机是指额定洗涤容量大于6kg，应用于专业洗涤部门及服务行业使用的洗衣机。目前工业用洗衣机的主要结构是滚筒式。近年来在家用全自动洗衣机大力推广的影响下，大型工业用洗衣机也从原来的继电器控制方式逐步进入全自动控制时代。大型工业用洗衣机在全国各医院、酒店宾馆及大型企业应用广泛。2.1工业洗衣机发展史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，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。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。电动洗衣机几经完善，在1922年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。这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。不过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[2]。2.2工业洗衣机的工作原理及结构工业洗衣机一般采用滚筒式的洗衣方式。由电机通过皮带变速带动内胆转动，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。工业洗衣机主要由外筒、转筒、传动部分、电器控制柜、左右密封罩、管路仪表及放水阀等部件组成。转筒采用优质不锈钢板制成，有双舱室结构和单舱室结构两种，运转平稳，取衣方便。外筒的轴承座上设计有密封装置，其密封可用压紧圈调节。洗衣机外壳上装有安全栓，用以支撑打开后的转筒门。转筒的正反转由电器部分自动控制。放水阀采用手提式，放水速度快。2.3工业洗衣机工艺流程及动力要求整个洗涤过程分为进水、洗涤、排水、脱水四个部分。起动时开始进水，水位到达高水位时停止进水，并开始洗涤正转。洗涤正转15s，暂停3s，洗涤反转15s，暂停3s为一次小循环，若小循环不足3次，则返回洗涤正转，若循环达3次，则开始排水。水位下降到低水位时开始脱水并继续排水。脱水20s即完成一次大循环。大循环不足3次，则返回进水，进行下一次大循环。若完成3次大循环，则进行洗完报警。报警后10s结束全部过程，自动停机。对于工业洗衣机滚筒来说：洗涤和漂洗过程是频繁的正、反转运行过程，均布排水过程是排除滚筒内洗涤用水并将衣物均匀分布在滚筒周围的平衡过程，脱水是高速运转甩出衣物内含水的过程，干燥则是长时间的低速运转过程。为了确定各过程的运行时间和转速，需要通过安装在洗衣机内部的各种传感器检测衣物布质、布量、洗涤方式、混浊度等，再经过模糊决策的方法得出最佳的洗涤策略。如图2.1所示。图2.1图2.1洗涤策略图3变频器简介实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器等部分组成。变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪80后代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。3.1变频器的基本原理及特点3.1.1变频调速原理变频调速器将电网中的三相交流电整流成直流电后，通过逆变器再将直流电逆变成电压可调、频率可调的三相交流电驱动异步电动机，实现调速和节电。三相异步电机转速为：式（3.1）上式中：n2—转子转速，r／min；n1—同步转速；p—极对数；f1—电源频率，Hz；s—转差率。由式（3.1）可知：转速可以通过改变电源频率、绕组的极对数或转差率等进行改变，一般p、s不变，即。3.1.2变频器分类及特点从结构上看变频器可分为交-直-交、交-交变频器，电压源型和电流源型逆变器。=1\*GB3①交-直-交变压变频器交-直-交变压变频器先将交流电源通过整流器变换成直流，在通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如图3.1所示。图图3.1交-直-交（间接）变压变频基本结构由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个中间直流环节，所以又称为间接式的变压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广泛的是由二极管组成的不可控整流桥和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器如图3.2所示。图3.2图3.2交-直-交PWM变压变频器的基本结构PWM变压变频器之所以如此广泛，由于它具有如下的一系列优点：1）在主电路和逆变两个单元中，只有逆变时可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单效率高。2）输出电压波形是一系列的PWM波但由于采用了恰当的PWM控制r技术，正弦基波的比重较大，影响电动机运行的低次谐波受到很大抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。3）逆变器同时实现调压调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得到提高。4）采用不可控的二极管整流，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。PWM变压变频器常用的功率开关器件有P-MOSFET、IGBT、GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电动机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR）并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器如图3.3所示。图3.3图3.3可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器=2\*GB3②交-交变压变频器交-交变频器在结构上没有明显的中间直流环节（或者叫“中间直流储能环节”或“中间滤波环节”），来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均可调的交流电，所以称为直接式变频器。=3\*GB3③电压源型和电流源型逆变器在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的区分在于直流环节采用怎样的滤波器。如图3.4绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。（a）电压源逆变器（a）电压源逆变器（b）电流源型逆变器图3.4电压源型和电流源型逆变器示意图1）电压源型逆变器（VoltageSourceInverter，VSI），直流环节采用大电流滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下时一个内阻为零的恒压源，输出交流电压时为矩形波或阶梯波[14]。2）电流源型逆变器（CurrentSourceInverter，CSI），简称电流源型逆变器直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当一个恒流源，输出交流电流时为矩形波或阶梯波[7][9]。3.2变频器应用前景变频器调速大大的节省了能耗，中国是能耗大国，能源利用率很低而能源储备不足。在电力消耗中，60%～70%为动力电，而在电动机带变频控制的比重占有非常少，是电力能耗的重点，因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐变频调速技术。电动机系统节能是国家发展和改革委员会启动的十大重点节能工程之一，国家发展规划要求当前应推广变频调速节能技术。鼓励企业使用变频调速技术，慢慢的工业机械都尽可能采用交流电动机变频调速工艺调速技术。电动机系统节能是目前中国市场上最具商业潜力的领域。应用变频调速，可以大幅度提高电动机转速控制精度，使电动机在最节能的转速下运行。在工业中，许多变动负荷电动机一般按最大需求来生产电动机容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间比例却非常高，如采用变频调速，可以大幅度提高轻载运行时的工作效率，因此变动负荷的节能潜力巨大[11]。3.3变频器的选择随着电力电子技术、计算机技术、控制技术的发展，变频器的功能、性能得到了很大的提高。根据其性能及控制方式不同可分为通用型、多功能型、高性能型，其控制方式也依次分为U/f控制、电压型PWM控制、矢量控制等。根据生产的需要，在变频器性能规格、容量等方面进行选择。3.3.1变频器种类的选择根据负载机械的工作特点，结合对调速范围、调整精度和经济性的要求，选择不同种类的变频器来控制运行。=1\*GB3①通用型变频器一般采用U/f控制方式，适用于风机、泵类负载场合。其节能效果显著，调整范围和调整精度较低，因此成本较低。=2\*GB3②多功能通用变频器多功能变频器主要适应工业自动化类的高速、高效需求。工业洗衣机一般采用通用型变频器。3.3.2变频器的规格和指标选择在选择变频器时，会接触到许多厂家提供的各类变频器的产品样本，这些样本主要介绍变频器的系列型号、特点以及各种功能的指标。根据自己的实际需要，就这些产品的性能、指标进行比较、筛选，以确定适合自己的变频器。=1\*GB3①型号一般厂家自定的系列名称，包括电压等级和可适配电机的容量。=2\*GB3②电压级别根据各国的工业标准或用途不同，其电压级别也各不相同，在选变频器时，首先应注意其电压级别是否与电源电压和电机的电压相适合。=3\*GB3③最大适配电机在最大适配电机一栏中，通常给出最大适配电机的容量。应该注意这个容量一般以4极普通异步电动机为对象。=4\*GB3④电源变频器对电源的要求主要有电压/频率、允许电压变化率和允许频率变化率等三个方面。=5\*GB3⑤控制特性1）电压型还是电流型。2）U/f控制，转差频率控制方式或矢量控制。3）输出频率范围，一般最低为0.1Hz，最高频率因变频器性能而异3.3.3变频器容量的选择变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法如下：

=1\*GB3①电机实际功率确定法。

首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。

=2\*GB3②公式法。

设安全系数取1.05，则变频器的容量为

式（3.2）式（3.2）中，为电机负载,为电机功率。

计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。综上所述，工业洗认机一般采用通用型变频器，采用U/f控制方式。由于它的电机的频繁变速，因此选用电流源型变频器。最后经过再三的筛选，确定选用三菱FR-A540变频器[8][9]。3.4三菱FR-A540通用变频器三菱通用变频器是日本三菱电机株式会社的产品。三菱通用变频器是采用最新柔性PWM控制技术，使噪音减小，加强了抑制射频干扰能力；采用直接监视控制主回路的智能驱动电路，使低速性能提高。3.4.1FR-A540变频器控制端子接线FR-A540变频器的各电路接线端子，如图3.5，其中同心圆表示主电路接线端子，空心圆表示控制电路输入接线端子，实心圆表示控制电路输出接线端子。图3.5图3.5控制端子接线图3.4.2端子接线说明=1\*GB3①主回路端子说明如表3.1。表3.1主回路端子说明端子记号端子名称说明R,S,T交流电源输入连接工频电源。当使用高功率因数转换器时，确保这些端子不连接(FR-HC)U,V,W变频器输出接线三相鼠笼电机R1,S1控制回路电源与交流电源端子R,S连接。在保持异常显示和异常输出时或当使用高功率因数转换器时，(FR-HC)时，请拆下R－R1和S-S1之间的短路片，并提供外部电源此端子P,PR连接制动电阻器拆开端子PR-PX之间的短路片，在P-PR之间连接选件制动电阻器(FR-ABR)P,N连接制动单元连接选件FR-BU型制动单元或电源再生单元(FR-RC)或高功率因数转换器(FR-HC)P,P1连接改善功率因数DC电抗器拆开端子P-P1间的短路片，连接选件改善功率因数用电抗器(FR-BEL)PR,PX连接内部制动回路用短路片将PX-PR间短路时(出厂设定)内部制动回路便生效(7.5K以下装有)接地变频器外壳接地用，必须接大地=2\*GB3②控制回路端子说明如表3.2。表3.2控制回路端子说明类型端子记号端子名称说明输入信号启动点、功能设定STF正转启动STF信号处于ON便正转，处于OFF便停止。当STF和STR同时处于ON时,则停止STR反转启动STR信号ON为逆转，OFF为停止STOP启动自保持使STOP信号处于ON,可以选择启动信号自保持RHRMRL多段速度选择用RH,RM和RL信号的组合可以选择多段速度。输入端子功能选(Pr.180到Pr.186)用于改变端功能。JOG点动模式选择JOG信号ON时选择点动运行。用启动信号（STF和STR）可以点动运行。RT第2加/减速时间选择RT信号处于ON时选择第2加减速时间。MRS输出停止MRS信号为ON（20ms以上）时，变频器输出停止。用电磁制动停止电机时，用于断开变频器的输出。RES复位用于解除保护回路动作的保持状态。使端子RES信号处于ON在0.1秒以上,然后断开。AU电流输入选择只在端子AU信号处于ON时，变频器才可用直流4-20mA作为频率设定信号。输入端子功能选(Pr.180到Pr.186)用于改变端功能。CS瞬停电再启动选择CS信号预先处于ON，瞬时停电再恢复时变频器便可自动启动。但用这种运行必须设定有关参数，因为出厂时设定为不能再启动。SD公共输入端子（漏型）接点输入端子和FM端子的公共端。直流24V,0.1A(PC端子)电源的输出公共端.PC直流24V电源和外部晶体管公共端接点输入公共端（源型）当连接晶体管输出（集电极开路输出），例如可编程控制器时，将晶体管输出用的外部电源公共端接到这个端子时,可以防止因漏电引起的误动作,这端子可用于直流24V,0.1A电源输出。当选择源型时，这端子作为接点输入的公共端。模拟频率设定10E频率设定用电源10VDC,容许负荷电流10mA按出厂设定状态连接频率设定电位器时,与端子10连接。当连接到10E时,请改变端子2的输入规格。105VDC,容许负荷电流10mA2频率设定(电压)输入0～5VDC(或0～10VDC)时5V(10VDC)对应于为最大输出频率。输入输出成比例。用参数单元进行输入直流0～5V(出厂设定)和0～10VDC的切换。输入阻抗10KΩ,容许最大电压为直流20V。4频率设定(电流)DC4～20mA,20mA为最大输出频率,输入,输出成比例.只在端子AU信号处于ON时,该输入信号有效,输入阻抗250Ω,容许最大电流为30mA。1辅助频率设定输入0～±5VDC或0～±10VDC时,端子2或4的频率设定信号与这个信号相加。用参数单元进行输入0～±5VDC或0～±10VDC(出厂设定)的切换。输入阻抗10KΩ,容许电压±20VDC。5变频设定公共端频率设定信号(端子2,1或4)和模拟输出端子AM的公共端子。请不要接大地。输出信号集电极开路A，B，C异常输出指示变频器因保护功能动作而输出停止的转换接点.AC200V0.3A,30VDC0.3A,异常时:B-C间不导通(A-C间导通),正常时:B-C间导通(A-C间不导通)输出端子的功能选择通过(Pr.190到Pr.195)改变端子功能RUN变频器正在运行变频器输出频率为启动频率(出厂时为0.5Hz)以上时为低电平,正在停止或正在直流制动时为高电平*2。SU频率到达输出频率达到设定频率的±10%(出厂设定,可变更)时为低电平,正在加/减速或停止时为高电平*2。容许负荷为DC24V,0.1A。OL过负荷报警当失速保护功能动作时为低电平,失速保护解除时为高电平*2。容许负荷为DC24V,0.1A。IPF瞬时停电瞬时停电,电压不足保护动作时为低电平*2,容许负荷为DC24V,0.1AFU频率检测输出频率为任意设定的检测频率以上时为低电平,以下时为高电平*2,SE集电极开路输出公共端端子RUN,SU,OL,IPF,FU的公共端子脉冲FM指示仪表用可以从16种监示项目中选一种作为输出*3出厂设定的:频率容许负荷电流1mA60H时1440脉冲/s模拟AM模拟信号输出出厂设定的:频率输出信号0到DC10V容许负荷电流1mA通信RS485PU接口通过操作面板的接口,进行RS-485通迅遵守标准:EIARS-485标准通讯方式:多任务通信通迅速率:最大:19200bps最长距离:500m=3\*GB3③主回路接线说明1）电源及电机接线的压着端子，请使用带有绝缘管的端子。2）当接线时剪开布线挡板上的保护衬套(22K以下的)。3）电源一定不能接到变频器输出端上(U,V,W),否则将损坏变频器。4）接线后，零碎线头必须清除干净，零碎线头可能造成异常，失灵和故障，必须始终保持变频器清洁。在控制台上打孔时，请注意不要使碎片粉末等进入变频器中。5）为使电压下降在2%以内，请用适当型号的电线接线。变频器和电机间的接线距离较长时，特别是低频率输出情况下，会由于主电路电缆的电压下降而导致电机的转矩下降。6）布线距离最长为500米。7）在P和PR端子间建议连接制定的制动电阻选件,端子间原来的短路片必须拆下。8）运行后，改变接线的操作，必须在电源切断10分钟以上，用万用表检查电压后进行。断电后一段时间内，电容上仍然有危险的高压电[1][3]。4工业洗衣机控制系统的硬件4.1PLC简介早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制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(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。CPU输入模块输出模块输出电源电源开关CPU输入模块输出模块输出电源电源开关可编程控制器图4.1图4.1PLC基本结构图基本构成为：电源、中央处理单元(CPU)、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块等[13]。PLC一般采用循环扫描的工作方式，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。=1\*GB3①输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。=2\*GB3②用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。=3\*GB3③输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出[6]。4.2PLC的硬件选择随着PLC在工业控制中的推广普及，PLC产品的种类越来越多，其结构型号、性能、容量、指令系统、编程方法等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用有着重要作用。4.2.1PLC机型的选择原则在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则最好选用模块式结构的PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机（其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。4.2.2CONTROLLOGIXPLC系统概述国内外有许多工控产品厂商例如西门子系列、松下FP系列、OmronC200H系列和本次设计选用的罗克韦尔的ControlLogix系统PLC，实现PLC在工业洗衣机的控制。ControlLogix系统是基于PLC和SLC的基础上发展起来的，除了具备PLC和SLC的大部分功能以外，还集成了多种控制规律（顺序控制、运动控制、驱动控制和过程控制等），具有一些自身的特点。如下：=1\*GB3①模块化结构。ControlLogix系统不仅包括模拟量、数字量这些不同模块，而且还有专门的运动控制模块及相应的全套的运动控制指令。用户可以按照自己的需要，在一块背板上，安装不同数目的数字量I/O模块、模拟量I/O模块以及各种通讯模块。=2\*GB3②硬冗余。省去了软冗余中编程的麻烦，减少了设备切换时间，降低了故障的发生率。=3\*GB3③强大的网络功能。主要包括EtherNet、ControlNet、DeviceNet三层网。=4\*GB3④系统间结合紧密。可与现有的Rockwell各层网络上的设备通过相应的连接模块进行信息交换，实现与其它网络上的程序处理器之间无缝对接。=5\*GB3⑤带电插拔。用户就可以在继续维持系统运行的同时更换有故障的模块，而不会影响整个系统其它部分的正常运行。=6\*GB3⑥系统小型化、抗干扰性强。适用于有限的安装空间，并且携带方便，可耐受振动、高温以及各种工业环境下的电气干扰。随着科技的不断进步和工业生产规模的不断扩大，尤其是工业现场中对过程变量控制要求的提高，再加上传统的PLC系统在处理模拟量方面的不足，ControlLogix系统一经推出，在工控领域就受到关注，得到了用户的认可和广泛应用[4][5]。从技术参数相匹配、经济实惠等多方面因素的考虑，本次设计选用了美国罗克韦尔公司的ControlLogixPLC。因为此系统具有许多其它系统不能比拟的优点，基于ControlLogix平台的Logix5000处理器模块可以为工业控制提供一种最新的而且具有灵活性的完整控制方案。=1\*GB3①ControlLogix系统与现有基于PLC系统之间完美结合，与现有网络用户完美结合并可实现信息的透明互换，与其他网络上的程序处理器之间完美结合。=2\*GB3②ControlLogix系统的模块化的I/O、内存及通讯接口为用户提供了一种即可组态又便于扩展的系统。用户可以根据需要灵活配置所需的I/O数量、内存容量以及通讯网络，以后当用户需要进一步扩展系统时，可随时添加I/O、内存急通讯接口。=3\*GB3③ControlLogix系统允许用户带电插拔系统中的任何模块，而不会对模块造成损坏，这样用户就可以在继续维持系统运行的同时更换故障模块。=4\*GB3④ControlLogix可以在网络之间、网络链路之间以及通过背板之间实现新鲜的高速传送。=5\*GB3⑤ControlLogix采用特殊设计的高强度工业硬件平台，从而可耐振动，高温以及各种工业环境下的电气干扰。=6\*GB3⑥ControlLogix允许多个Logix5000处理器模块插入在同一个背板上，高速度的背板使每个处理器都可轻而易举的访问其他处理器的数据，从而实现I/O数据急其他信息的共享。=7\*GB3⑦通过EthernetControlNet和DeviceNet网络将处理器连接起来，可以实现分布式处理。=8\*GB3⑧通过ControlNetDeviceNet和RemoteI/O链路即可将远离处理器的分布式I/O连接起来。=9\*GB3⑨该操作系统提供了真正具有优先级的多任务环境，从而允许用户通过单独排定软件组件来满足自己的应用要求，这就大大提高了处理器的效率而且降低了成本，因为它可以减少用户整个控制系统的处理器数量。=10\*GB3⑩Logix5000处理器有完整的运动控制功能，通过高速度的背板、处理器可与伺服接口模块进行通讯，从而实现高度的集成操作急位置和速度环的闭环控制[10]。4.2.3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（1756-IB16），其工作电压是10～31.2V，最大断开状态电流是1.5mA，输入点数16点，分两组每组8点。4.2.4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。输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。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，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（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1Hz）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。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。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。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，如一个220V／2A的8点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A(8×2A)，通常要比此值小得多。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60％。输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。数字输出模块其选择原则按工艺要求。根据上述选择原则和输出点数的要求，我们选择输出模块为（1756-OB16D），其工作电压是19.2～30V，输出点数为16点，分两组每组8点。4.2.5PLC的通信网络本题采用以太网通讯，以太网是一个局域网，用于计算机与本地设备之间信息高速交换。由于以太网具有高的带宽（10Mbps），它允许大量计算机、控制器以及其它设备在以太网上远距离的通讯。在信息层，以太网提供了可以进行工厂级数据访问的企业级带宽系统。信息层采用以太网，具有很大的灵活性，因为你可以最大限度地在大量不同厂商提供的设备之间通讯。TCP/IP是Internet所使用的协议。选择的通讯模块为：1756-ENBT/A4.2.6PLC控制器的选择Logix5000控制器可提供系统规模可变化的控制器解决方案，可以访问大量的I/O端点（数字量I/O最多为1280000个，模拟量I/O最多为4000个）。控制器既可以控制本地I/O有可以通过ControlNet网、DeviceNet网以及远程I/O网控制远程I/O[16]。你可以在一个ControlLogix机架内放置多个Logix5000控制器。多个控制器可以从所有的输入接口中读取输入数值。每个控制器可以与机架上的多个通讯模块进行通讯，而且多个控制器也可以与同一个通讯模块进行通讯。控制器存储器容量估算，用以下等式为一个控制器所需存储器大小的估计值。每个数值包括用户相关程序的一个粗略估计。你可以根据应用的复杂程度添加存储器。操作系统基本要求=430000字节控制器任务*4000=A字节；数字量I/O点*400=B字节；模拟量I/O点*2600=C字节；通讯模块*2000=D字节；控制运动轴*8000=E字节；总的字节数=43000+A+B+C+D+E本系统现在的控制器是本题采用的控制器，型号为1756-L1ControlLogix5000cotroller其具体参数如下：用户存储器：160K字节；背板电流：+5VDC~+24VDC;电力耗散：10.2BTU/小时；热耗散：3W；工作温度：0～60℃（32～140℉）；设计电缆：1756-CP3或1747-CP3串口电缆3类；电池：1756-BA1（PROMARKELECTRONICS94194821）0.59g锂电池。4.2.7底板或机架本设计模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块；机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。由此选用的机架型号为1756-A77槽的ControlLogix机架。4.2.8电源模块的选择PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），根据工艺要求本次设计选用了型号为1756-PA72电源模块，其额定输入电压为120AC或220AC。4.2.9综述综合考虑以上的因素，我们最终选用了罗克韦尔公司ControlLogix系统PLC，它适合整个工艺的具体要求，并有配套的编程软件，具体其它机型无法替代的优势。其结构具体型号如下：控制器型号：1756-L1ControlLogix5000cotroller；控制器的机架型号：1756-A77槽的ControlLogix机架；编程软件：Rslogix5000编程软件；电源模块：1756-PA72；所选输入/输出模块型号如下：数字输入接口模块：1756-IB16；数字输出接口模块：1756-OB16D；通信模块：1756-ENBT/A。4.3控制综合连接应用PLC和变频器控制工业洗衣机的控制硬件系统接线图，如图4.2所示PLC和变频器相应端子的连接。图图4.2工业洗衣机控制综合接线5工业洗衣机控制系统软件5.1Rslogix5000软件介绍Rslogix5000编程软件支持ControlLogix系统以及Logix5000控制器。它运行于WindowsNT32位的操作系统，其性能优越，节省项目开发的时间，提高生产率。Rslogix5000是Rslogix系列编程软件产品的重要成员，提供了同样可靠的通信、功能及诊断特性。主要特性有： =1\*GB3①通用的用户界面和特性设置；=2\*GB3②灵活、易操作的编辑器；=3\*GB3③通用的梯形图指令集；=4\*GB3④点击可进行I/O组态；=5\*GB3⑤可靠的通信功能。5.1.1Rslogix5000软件的功能=1\*GB3①强有力的工程校验器，用户可用其创建错误清单，从而可以在方便的时候进行修改；=2\*GB3②拖放式功能，使用户能够在数据文件之间快速移动数据表元素，在子程序或工程之间快速移动梯级或者在一个工程内部的梯级与梯级之间快速移动指令；=3\*GB3③查询和替换功能，能够快速改变特定地地址或符号的值；=4\*GB3④工程目录为点击式界面，用户可访问包含在工程目录内的所有文件夹和文件；=5\*GB3⑤用户数据监控器功能，可同时显示独立的数据文件元素以观察它们之间的相互作用；=6\*GB3⑥它在任何RockwellSoftware编程软件产品中都是通用的。5.1.2Rslogix5000软件的安装步骤=1\*GB3①启动WindowsXP或Windows7系统；=2\*GB3②启动WindowsXP或Windows7系统后，将Rslogix5000的安装软件启动；=3\*GB3③先安装RSLINX,根据安装步骤的对话框一步步的操作下去；=4\*GB3④再安装Rslogix5000软件，按照对话框的提示进行安装；=5\*GB3⑤最后是完成授权，按照出现在屏幕上的指导说明进行授权；所有步骤完成后在‘开始’中启动RSLogix5000软件。5.1.3设计所用的主要指令介绍=1\*GB3①检查闭合位指令（XIC）说明：XIC属于输入指令，用于检查某位是否导通（ON）。它类似于常开开关。当指令执行时，如果寻址位是导通状态（1），则指令被赋值为真；如果寻址位是断开状态（0），则指令被赋值为假。=2\*GB3②检查断开位指令（XIO）说明：XIO属于输出指令，用于检查某位是否断开（OFF）。它类似于常闭开关。当指令执行时，如果寻址位是断开状态（0），则指令被赋值为真；如果寻址位是导通状态（1），则指令被赋值为假。=3\*GB3③通计时指令（TON）说明：TON是一条非保持的计时器指令，当该指令被使能累计时间，计时器的时间基总是1毫秒。例如，对于一个2秒的计时器，其预置值（PRE）应该输入2000。=4\*GB3④输出激励指令（OTE）说明：OTE指置位或清零数据位。=5\*GB3⑤输出锁存指令（OTL）说明：OTL指令置位（锁存）数据位。当使能时，OTL指令置数据位。数据保持置位直到被清零，一般被一条OUT指令清零。当指令被禁止时，OTL指令不改变数据位的状态。=6\*GB3⑥输出解锁存指令（OTU）说明：OUT指令清零（解锁存）数据位。当指令被使能时，OUT指令清零数位。被禁止时OUT指令不改变数据位的状态。=7\*GB3⑦加计数器指令（CTU）说明：CTU指令向上计数。如果指令被使能时加计数使能位（.CU）是清零状态，则CTU指令使计数器加1。如果指令被使能时加计数使能位是（.CU）是置位状态，或指令被禁止，CTU指令保持它的累加值（.ACC）[10]。5.2工业洗衣机程序设计5.2.1PLC输入输出地址分配按照系统的控制要求，PLC输入输出及内部软元件分配情况如表5.1。所在位置标签描述数字输入Local:1:I.Data.0启动按钮Local:1:I.Data.1停止按钮Local:1:I.Data.2高水位Local:1:I.Data.3低水位数字输出Local:2:O.Data.0STF信号（启动变频器，选择预设模式）Local:2:O.Data.1程序运行第一组Local:2:O.Data.2程序运行第二组（脱水，排水）Local:2:O.Data.3进水电磁阀Local:2:O.Data.4排水电磁阀Local:2:O.Data.5脱水电磁离合器Local:2:O.Data.6报警蜂鸣器表5.1I/O地址分配表5.1I/O地址分配表5.2变频器主要功能参数=1\*GB3①变频器的主要功能参数如表5.2。表5.2变频器主要功能参数参数名称设定值含义1上限频率50电机最大运行频率2下限频率0电机最小运行频率7加速时间1s8减速时间1s200程序运行分/秒选择0,2:分钟,秒1,3:小时,分钟201至210程序设定11到200-2:旋转方向0-400,9999:频率0-99.59:时间211至220程序设定21到300-2:旋转方向0-400,9999:频率0-99.59:时间=2\*GB3②变频器的主要功能参数设定1）系统清零。2）设定Pr.79=5（程序运行模式）；Pr.7=1s（加速时间）；Pr.8=1s（减速时间）3）设定Pr.200=0/2[电压/时间]4）程序运行第一组设定：Pr.201=1.35.0:00Pr.202=0.0.0:15Pr.203=2.35.0:18Pr.204=0.0.0:335）程序运行第二组设定：Pr.211=1.50.0:00Pr.212=0.0.0:205.2.3工业洗衣机控制流程=1\*GB3①整个洗涤过程分为进水、洗涤、排水、脱水四个部分。起动时开始进水，水位到达高水位时停止进水，并开始洗涤正转。洗涤正转15s,暂停3s；