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基于西門子PLC的洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計
1、本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述
單片機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀
單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，是早期Single Chip Microcomputer的直譯，它忠實地反映了早期單片機(jī)的形態(tài)和本質(zhì)。隨后，按照面向?qū)ο?。突出控制功能，在片?nèi)集成了許多外圍電路和外設(shè)接口，突破了傳統(tǒng)意義的計算機(jī)結(jié)構(gòu)。發(fā)展成microcontroller的體系結(jié)構(gòu)，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(yīng)用，故又稱之為嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)。國內(nèi)由于單片機(jī)一詞已約定俗成，仍沿用至今。但應(yīng)將單片機(jī)的“機(jī)”理解成為微控制器而不是微計算機(jī)。
二十世紀(jì)七十年代單片機(jī)的出現(xiàn)是近代計算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑，因為單片機(jī)的誕生標(biāo)志著計算機(jī)正式形成了通用計算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)兩大分支。計算機(jī)兩大分支的產(chǎn)生大大促進(jìn)了現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。通用計算機(jī)系統(tǒng)以發(fā)展海量高速數(shù)值計算為己任，不必兼顧控制功能，其數(shù)據(jù)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(tǒng)。突出發(fā)展海量高速數(shù)值計算能力，并在數(shù)據(jù)處理、棋擬仿真、人工智能、圖像處理、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信中得到了廣泛的應(yīng)用；單片機(jī)則以面向?qū)ο蟮膶崟r控制為己任。目前仍以8位機(jī)為主流，不斷增強(qiáng)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(jīng)典電子系統(tǒng)。
單片機(jī)具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)、功耗低、運行速度快，抗干擾能力強(qiáng)、性價比高、可靠性高等特點，結(jié)構(gòu)靈活，數(shù)據(jù)基本上都在單片機(jī)內(nèi)部傳送，易于組成各種微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)口它既可用于工業(yè)自動控制等場合，又可用于機(jī)電一體化產(chǎn)品、智能儀器、測且儀器、醫(yī)療儀器、家用電拐等領(lǐng)域，在過程控制、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通訊等方面得到廣泛應(yīng)用。單片微型計算機(jī)經(jīng)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(dǎo)體器件廠家都開發(fā)了單片微型計算機(jī)，如Intel， Motorola。 Zilog（澤洛格公司）。 Fairchild仙童攝像機(jī)與儀器公司〕、Mostek〔莫斯?？斯尽车?，單片機(jī)的品種日益增加。在眾多的通用單片機(jī)里，以Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)微型計算機(jī)最為著名。MCS-51單片機(jī)系列有：
普通型： 51子系列 8051/8751/8031；
增強(qiáng)型： 52子系列 8052/8752/8032；
低功耗型：80C51/87C51/80C31 80C52/87C52/80C32。
8031內(nèi)部沒有ROM。 但外接一片EPROM就相當(dāng)于8051，它具有價格低、功能強(qiáng)、使用靈活、開發(fā)方便落特點，適合推廣應(yīng)用。
低功耗型單片機(jī)采用CHMOS半導(dǎo)體工藝，型號中用宇母C標(biāo)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(shè)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(jī)，這個一位機(jī)有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。把八位微機(jī)和一位微機(jī)結(jié)合在一起是微機(jī)技術(shù)上的一個突破。一位機(jī)在開關(guān)決策，邏輯電路仿真和實時控制方面非常有效；而八位機(jī)在運算處理、數(shù)據(jù)采集方面有明顯的長處。在MCS-51單片機(jī)中，八位機(jī)和一位機(jī)（布爾處理器）的硬件資源是復(fù)合在一起的，二者相輔相成，這是MCS-51在設(shè)計上的精美之處，也是一般微機(jī)所不具備的，而且具有特殊的多極通訊功能，可作為多機(jī)系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。
很多智能性應(yīng)用場合，智能型產(chǎn)品都用到了單片微型計算機(jī)，單片微型計算機(jī)應(yīng)用開發(fā)一直受到人們的重視，并且日益強(qiáng)勁。MCS-51單片機(jī)的應(yīng)用設(shè)計一般包括兩大方面，即硬件接口設(shè)計和軟件設(shè)計。軟件設(shè)計中又分為與接口硬件有關(guān)的馭動程序的設(shè)計以及與接口硬件無關(guān)的數(shù)據(jù)運算和處理程序的設(shè)計。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)概述
步進(jìn)電機(jī)的工作必須使用專用設(shè)備—步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。驅(qū)動器針對每一個步進(jìn)脈沖，按一定的規(guī)律向電機(jī)各相繞組通電(勵磁)，以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器和控制器構(gòu)成了不可分割的3大部分。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能除與電機(jī)自身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于驅(qū)動器性能的優(yōu)劣。當(dāng)電機(jī)和負(fù)載己經(jīng)確定之后，整個驅(qū)動系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動控制方法。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式的發(fā)展先后有單電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動和細(xì)分驅(qū)動等
(1)單電壓驅(qū)動:主要特點是結(jié)構(gòu)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(shù)來提高電機(jī)的高頻特性。缺點是串接電阻將產(chǎn)生大量的熱，對驅(qū)動器的正常工作極其不利，尤其是在高頻工作時更加嚴(yán)重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。
(2)高低壓驅(qū)動:電機(jī)每相繞組導(dǎo)通時，首先施加高電壓，使電流快速上升當(dāng)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(jī)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(jī)旋轉(zhuǎn)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有所下降且需要雙電源供電。
(3)斬波恒流驅(qū)動:為了彌補(bǔ)高低壓驅(qū)動電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，人們研制出斬波電路，采用斬波技術(shù)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(yīng)增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而斬波恒流驅(qū)動應(yīng)用相當(dāng)廣泛。
(4)調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動:特點是施加在電機(jī)繞組的電壓隨工作頻率的變化作相應(yīng)的改變，步進(jìn)電機(jī)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(jī)有足夠的驅(qū)動力矩。因而系統(tǒng)效率、運行特性等都有了明顯改善。
(5)細(xì)分驅(qū)動:它是將電機(jī)繞組中的電流細(xì)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(jīng)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(xì)分驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但在不改變電機(jī)內(nèi)部參數(shù)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(jī)結(jié)構(gòu)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(jìn)電機(jī)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(jī)技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分驅(qū)動技術(shù)在驅(qū)動器中獲得了廣泛應(yīng)用。
二 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)
本設(shè)計的題目來自于本人在東莞新科磁電技術(shù)研究開發(fā)有限公司實習(xí)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(guān)重要，其中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是三相混合式步進(jìn)電機(jī)。本課題以設(shè)計一套基于單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器為主要目標(biāo)，主要內(nèi)容有:
(l)采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)、電流跟蹤技術(shù)和細(xì)分技術(shù)實現(xiàn)對電機(jī)相電流的控制，以克服傳統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)下步進(jìn)電機(jī)低速振動、存在共振現(xiàn)象、噪音大、高速轉(zhuǎn)矩小等缺點。
(2)用開關(guān)電源為驅(qū)動器內(nèi)部電路供電，減小驅(qū)動器的體積和重量，提高電源效率。
(3)驅(qū)動器的功率驅(qū)動環(huán)節(jié)采用美國國際整流器公司生產(chǎn)的功率MOS器件(或IGBT)柵極驅(qū)動集成電路IRZ130，它能輸出六路驅(qū)動信號，并且由于內(nèi)部設(shè)有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計極為簡化。
(4)控制電路主要由AT89C51單片機(jī)、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(jī)是控制系統(tǒng)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(xiàn)人機(jī)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(shè)計(論文)文獻(xiàn)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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計(論文)起止時間：
日(共 16 周)
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
報告日期：
文獻(xiàn)綜述
摘要：根據(jù)全自動洗衣機(jī)的工作原理，利用可編程控制器PLC現(xiàn)實控制，說明了PLC控制的原理方法、特點及其洗衣機(jī)的特色。[1]
關(guān)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(qiáng)大，可靠性高，應(yīng)用面廣，使用方便，在現(xiàn)代自動控制領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛?，F(xiàn)行的全自動洗衣機(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(jī)的原理[3、4]
本人設(shè)計調(diào)試使用的PC機(jī)，為西門子S7-200機(jī)，1/0（輸入/輸出接口）總點數(shù)為30，其中最大輸入點數(shù)為14，最大輸出點數(shù)為10（總點數(shù)愈多，控制愈方便）。
三 洗衣機(jī)變頻控制系統(tǒng)的控制要求設(shè)計
變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖1-1所示:
圖1-1變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖
洗衣機(jī)的工作流程示意如圖1-2
圖1-2 洗衣機(jī)的工作流程圖
本系統(tǒng)采用PLC和變頻器調(diào)節(jié)交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法。給定的速度與經(jīng)由PLC高速計數(shù)模塊反饋回來的實際速度相減產(chǎn)生速度誤差，經(jīng)PLC運算可得控制量，再由RS-485接口輸出到變頻器以驅(qū)動交流電機(jī)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于PLC與變頻器之間沒有采用D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而是采用了RS-485進(jìn)行數(shù)字通信，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。測速裝置采用編碼器克服了過去調(diào)速系統(tǒng)中采用測速發(fā)電機(jī)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)特點、執(zhí)行速度更快、通訊功能更齊全，為工廠自動化應(yīng)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(nèi)置的用戶存儲器為8Kb步，可以擴(kuò)展到16K步，最大可以擴(kuò)展到256個I/O點，有多種特殊功能模塊或功能擴(kuò)展板，可以實現(xiàn)多軸定位控制。有功能很強(qiáng)的數(shù)學(xué)指令集，例如浮點數(shù)運算、開平方和三角函數(shù)等。目前S7系列PLC為國內(nèi)地銷量比較多的小型PLC。S7系列PLC通過通信擴(kuò)展板或特殊適配器可以實現(xiàn)多種通信和數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò);并行鏈接;計算機(jī)鏈接;無協(xié)議通信;可選編程口。N:N網(wǎng)絡(luò)使用RS-485通信適配器或功能擴(kuò)展板，實現(xiàn)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(kuò)展板，實現(xiàn)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(shè)置與通信相關(guān)的參數(shù)，兩臺計算機(jī)之間就可以自動的傳送數(shù)據(jù)。無協(xié)議通信方式可以實現(xiàn)PLC與各種RS-2犯接口的設(shè)備(例如計算機(jī)、條形碼閱讀器和打印機(jī))之間的通信，其通信方式使用RS指令來實現(xiàn)。這種通信方式最為靈活，PLC與RS-232設(shè)備之間可以使用用戶自定義的通信規(guī)約。計算機(jī)連接通信方式與MODBUS通信協(xié)議中的ASCII模式相似，采用專用通信協(xié)議，由計算機(jī)發(fā)出讀寫PLC數(shù)據(jù)的命令幀，PLC收到后自動生成和返回響應(yīng)幀。計算機(jī)連接可以用于一臺計算機(jī)與一臺配有RS-232通信接口的PLC通信，計算機(jī)也可以通過RS-485通信網(wǎng)絡(luò)與最多16臺PLC通信。
洗衣機(jī)的工作流程由進(jìn)水、洗衣,排水和脫水4個過程組成。在半自動洗衣機(jī)中,這4個過程分別用相應(yīng)的按鈕開關(guān)來控制。全自動洗衣機(jī)中,這4個過程可做到全自動依次運行,直至洗衣結(jié)束。
自動洗衣機(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,從而實現(xiàn)自動控制的。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,電磁進(jìn)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(jī)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(jī)快速程序，由于每遍的清洗、放水、甩干的時間由PC機(jī)內(nèi)計數(shù)器控制，所以只要改變計數(shù)器參數(shù)K就可以改變時間。可以把上面設(shè)定的程序時間固定下來，作為固定程序使用，也可以根據(jù)衣物的質(zhì)地、數(shù)量及贓污的程度來編程。只要稍作改變，就可以設(shè)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(biāo)準(zhǔn)洗滌程序，充分表現(xiàn)現(xiàn)代家點用品的個性。
2上例程序中，定時器用斷電不復(fù)位，這樣用戶在洗衣時，如需要關(guān)機(jī)（用戶外出），只要斷開洗衣機(jī)操作開關(guān)，洗衣機(jī)就可暫停工作，回來再開洗衣機(jī)，洗衣機(jī)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(shè)計了一個報警器，機(jī)蓋打開時會發(fā)出警示音（開機(jī)和甩干是聯(lián)鎖的）。在洗衣機(jī)結(jié)束后（時間長短可調(diào)），亦發(fā)出諸如警示音的揭示。
3以往機(jī)械式全自動洗衣機(jī)在進(jìn)水、清洗、放水、甩干等環(huán)節(jié)控制轉(zhuǎn)換時，繼電器觸點動作聲音過大，使用壽命短，而用PC機(jī)控制的洗衣機(jī)實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)通信的功能，如PROFIBUS-BP是現(xiàn)場總線PROFIBUS中廣泛應(yīng)用的一種協(xié)議，主要用于現(xiàn)場級的主從通信，具有極好的抗電磁干擾性能。如在PLC和遠(yuǎn)程I/0、人機(jī)界面等之間的通信中，一旦其通訊功能完善，就能實現(xiàn)家用洗衣機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化。
5結(jié)合以上的控制功能，制作相應(yīng)的透明演示模型，即能進(jìn)行仿真控制。
五、結(jié)論
本論文的研究主要完成了以下內(nèi)容:通過對PLC控制的節(jié)能洗衣機(jī)系統(tǒng)的工作原理和控制原理的分析，用PLC 語言結(jié)合硬件電路，設(shè)計出以S7-200為核心的節(jié)能洗衣機(jī)。并將模糊自整定PLC控制應(yīng)用到洗衣機(jī)中，使得用戶在使用時更加方便快捷高效。
PLC控制洗衣機(jī)洗滌程序有獨特之處。首先,它是一個順序控制系統(tǒng)程序；其次,洗滌,排水,脫水時間是由PLC內(nèi)的計數(shù)器和定時器中K參數(shù)控制的,只要改變它的參數(shù)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(jù)認(rèn)物的質(zhì)地,數(shù)量及臟物程度來實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)洗,強(qiáng)洗,快洗的多功能；第四,通過修改洗滌程序可實現(xiàn)進(jìn)水洗滌,漂洗,排水,脫水的程序控制,也可實現(xiàn)或洗滌,或漂洗,或脫水等單體控制；第五,在設(shè)計過程中,可以方便地加入相應(yīng)的配套裝置,如指示燈,蜂鳴器。
因此,PLC控制的洗衣機(jī)系統(tǒng)有多種性的,各種最優(yōu)控制系統(tǒng)均可運行,但是必須考慮它的結(jié)構(gòu)和成本。
參考文獻(xiàn)
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3求是科技. PLC應(yīng)用開發(fā)技術(shù)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(jī)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(jī)變頻調(diào)速的性能研究
在普通交流異步電動機(jī)的各種調(diào)速方式中，變頻調(diào)速因其突出的性能，應(yīng)用最為廣泛，同時也是交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)最為活躍的研究領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展和完善，變頻調(diào)速技術(shù)的性能還在不斷提升，變頻調(diào)速技術(shù)已成為我國企業(yè)節(jié)約能源、提高生產(chǎn)過程自動化、提高產(chǎn)品質(zhì)量和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)手段之一。
變頻調(diào)速是通過改變異步電動機(jī)定子的電源頻率，以改變其同步轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。但是，當(dāng)電源頻率改變時，會對交流異步電動機(jī)產(chǎn)生一系列的影響:損耗增加，效率下降:在工頻以下，以恒轉(zhuǎn)矩方式調(diào)速時，電動機(jī)的過載能力將會下降;在低頻時電動機(jī)的散熱能力變壞，電動機(jī)溫度會過高等。由于電動機(jī)本身就是一個非線性、強(qiáng)禍合、多變量的對象，且更為嚴(yán)重的是，由于工作頻率、溫度和飽和效應(yīng)的影響，定轉(zhuǎn)子電阻、電感等參數(shù)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(zhǔn)確的計算出電動機(jī)在不同頻率和負(fù)載下的效率、溫升、功率因數(shù)和臨界轉(zhuǎn)矩是十分困難的。所以，長期以來，在設(shè)計變頻調(diào)速系統(tǒng)時，人們只是憑借經(jīng)驗來確定普通交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速的調(diào)速范圍，而沒有充分的理論依據(jù)。
本文以普通交流異步電動機(jī)和變頻器組成的調(diào)速系統(tǒng)為研究測試對象，以普通交流異步電動機(jī)T形等效電路為基礎(chǔ)，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(jī)的啟動電流、轉(zhuǎn)矩和其運行性能的變化情況，并重點研究了電動機(jī)在不同頻率下的運行性能，通過電動機(jī)測試平臺，定量的測試出電動機(jī)在頻率改變時的各項性能數(shù)據(jù)，并與理論計算的結(jié)果進(jìn)行比較分析，在此基礎(chǔ)上提出普通交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速的最佳調(diào)速范圍，使電動機(jī)高效、長壽命運行，并為交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計提供確定參數(shù)的依據(jù)。
一、普通交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速的啟動性能
利用變頻器實現(xiàn)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(dāng)而導(dǎo)致啟動轉(zhuǎn)矩過小，或者啟動電流過大，從而導(dǎo)致啟動失敗，因此，合理的選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)的啟動頻率，尋找合適的啟動頻率范圍，從而改善系統(tǒng)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(zhuǎn)矩提升電壓下，電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流的變化規(guī)律，進(jìn)而提出了確定能滿足電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流要求的啟動頻率的方法。
1. 1變頻調(diào)速時啟動轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律
當(dāng)轉(zhuǎn)矩提升電壓時，根據(jù)啟動轉(zhuǎn)矩方程，可求出，
?。ǎ保保?
令＝０，有：
其中R－定轉(zhuǎn)子電阻之和，X－定轉(zhuǎn)子電抗之和，－電源頻率
所以當(dāng)時，,當(dāng)時，,。從而可知，當(dāng)且時，為的增函數(shù)，而在時，為的減函數(shù)，而在時，取得最大值，不僅與有關(guān)，同時與和有關(guān)。下面我們以Yl00Ll-4如圖(1-1)電動機(jī)為例，分析在不同轉(zhuǎn)矩提升電壓時，啟動轉(zhuǎn)矩的變化情況。如圖(1-1)所示:
從圖中可以看出，當(dāng)且比較小時，啟動轉(zhuǎn)矩相對于啟動頻率的變化趨勢是:當(dāng)頻率接近于零時，在理論上啟動轉(zhuǎn)矩非常高，啟動轉(zhuǎn)矩是啟動頻率的減函數(shù)，并達(dá)到一個極小值，這時對應(yīng)的頻率為在頻率時，啟動轉(zhuǎn)矩為啟動頻率的增函數(shù)，一直上升到最大啟動轉(zhuǎn)矩，這時對應(yīng)的頻率為當(dāng)啟動頻率大于且小于50HZ時，啟動轉(zhuǎn)矩為啟動頻率的減函數(shù)。
當(dāng)逐漸增大時，在理論上，當(dāng)頻率接近零時，啟動轉(zhuǎn)矩非常大。總體上，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(zhuǎn)矩快速上升，而且相應(yīng)的啟動頻率變大，同時最大啟動轉(zhuǎn)矩也緩慢上升，而且相應(yīng)的啟動頻率減小。當(dāng)達(dá)到一定值(對Yl00Ll-4,當(dāng)=30V)最小啟動轉(zhuǎn)矩上升已經(jīng)超過了最大啟動轉(zhuǎn)矩，整個啟動轉(zhuǎn)矩為啟動頻率的單調(diào)遞減函數(shù)，這時工頻下的啟動轉(zhuǎn)矩最小。
.2變頻調(diào)速時啟動電流的變化規(guī)律
對啟動電流求偏導(dǎo)數(shù)，有
（1-2）
從式（1-2）可知，分母;;固只要有
（其中，為電動機(jī)額定電壓）則從而可以分析出，在,,并且電動機(jī)的參數(shù)滿足的條件下，函數(shù)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(nèi)，啟動電流為啟動頻率的增函數(shù)。
現(xiàn)在將Y100L1-4電動機(jī)參數(shù)代入，可得其啟動電流的變化規(guī)律。
1.3交流異步電動機(jī)起動頻率范圍的確定
根據(jù)啟動轉(zhuǎn)矩與啟動電流相對于轉(zhuǎn)矩提升電壓和啟動頻率的變化規(guī)律，啟動頻率范圍應(yīng)為同時滿足電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的比值對于啟動頻率的曲線中找出數(shù)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(yīng)于啟動頻率的曲線中畫出數(shù)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(xiàn)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(jī)的啟動負(fù)載為4 (n. m)，則啟動轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于4×1. 2=4. 8 (n. m), Y100L1-4電動機(jī)的額定電流為5. 0 (A)，其啟動電流應(yīng)該小于1. 5× 5=7. 5 (A).則從電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩特性曲線和啟動電流特性曲線中可以找出啟動轉(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計
摘 要
目前，在自動化領(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、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，對工作環(huán)境要求低，維護(hù)方便等一系列優(yōu)點，因此，已成為國內(nèi)外機(jī)加工控制對象的首選控制方案。
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PLC控制的節(jié)能洗衣機(jī)。
關(guān)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(jī)的發(fā)展史 1
1.2.1中國洗衣機(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[6] 4
1.4 課題來源，研究內(nèi)容及研究結(jié)果 6
1.5 畢業(yè)設(shè)計任務(wù) 7
第二章 PLC控制和變頻調(diào)技術(shù)簡介.................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 國內(nèi)外變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[9] 9
2.2.1 國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況 9
2．2.2 國外變頻調(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.................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)計分析[12、13] 16
3.3.1洗衣機(jī)設(shè)計的控制系統(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..................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 25
4.3.1 源程序 25
4.3.2進(jìn)水、洗衣、排水、脫水、洗完報警程序 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)代自動控制領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛。現(xiàn)行的全自動洗衣機(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(jī)的發(fā)展史
從古到今，洗衣服都是一項難于逃避的家務(wù)勞動，而在洗衣機(jī)出現(xiàn)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(fù)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(jī)。發(fā)明者是美國人比爾·布萊克斯。布萊克斯的洗衣機(jī)構(gòu)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(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，美國又出現(xiàn)了蒸汽洗衣機(jī)，蒸汽動力開始取代人力。 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，美國試制成功世界上第一臺電動洗衣機(jī)。電動洗衣機(jī)的問世，標(biāo)志著人類家務(wù)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(jī)，洗滌、漂洗、脫水在同一個滾筒內(nèi)完成。這意味著電動洗衣機(jī)的型式躍上一個新臺階，朝自動化又前進(jìn)了一大步！直至今日，滾筒式洗衣機(jī)在歐美國家仍得到廣泛應(yīng)用。
隨著工業(yè)化的加速，世界各國也加快了洗衣機(jī)研制的步伐。首先由英國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)英國噴流式洗衣機(jī)的基礎(chǔ)之上，日本研制出獨具風(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(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“半自動型洗衣機(jī)”。70年代，生產(chǎn)出波輪式套桶全自動洗衣機(jī)。70年代后期，微電腦控制的全自動洗衣機(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)操作更簡便，功能更完備，洗衣程序更隨人意，外觀造型更為時尚……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)動式洗衣機(jī)，省去了齒輪傳動和變速機(jī)構(gòu)，引發(fā)了洗衣機(jī)驅(qū)動方式的巨大革命。
1.2.1中國洗衣機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r
中國，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)展勢頭。1983年洗衣機(jī)產(chǎn)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(shù)引進(jìn)熱潮，大約有40多個廠家先后從洗衣機(jī)技術(shù)先進(jìn)國日本、英國、法國、意大利、澳大利亞等引進(jìn)技術(shù)60多項。技術(shù)的引進(jìn)、吸收和創(chuàng)新，極大地提升了國產(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)國家之間的差距。如今，我國洗衣機(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)量和品種上滿足國內(nèi)市場外，還出口到北美、歐洲、東南亞等地，躋身于國際洗衣機(jī)市場的競爭行列。
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）是計算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)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(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，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(jī)（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(yīng)用而設(shè)計制造的計算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計編制。隨著微處理器CPU和微型計算機(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，而且實現(xiàn)了多處理器的多信道處理。
目前，世界上有200多個產(chǎn)家生產(chǎn)PLC產(chǎn)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(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)點已得到廣泛的應(yīng)用。但交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和運算較為復(fù)雜，其控制特性會受對象內(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，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(jī)方法，提高了系統(tǒng)的靜動態(tài)特性。
本文結(jié)合異步電動機(jī)速度閉環(huán)控制，提出了一種基于PLC的變頻控制實現(xiàn)方法。首先對變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，然后重點進(jìn)行PLC、變頻器程序設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，論述了模糊控制器的原理和結(jié)構(gòu)，用PLC編程實現(xiàn)了控制的設(shè)計。
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，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，提高了控制的精確度。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能對電機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)精確控制，實用性強(qiáng)，具有一定的推廣價值。
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)，其特點是價格低，編程簡單，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，實現(xiàn)洗滌時間設(shè)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(jī)使用。
在全自動洗衣機(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)動電路，檢測電路和保護(hù)電路以及通訊聯(lián)網(wǎng)功能。因此在運用中，硬件也相對簡單，提高控制系統(tǒng)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(jīng)濟(jì),可靠;大型PLC的一部分可能會被PC-BASE,智能I/O,現(xiàn)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(xiàn)場的外電路與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針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，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的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計，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，對使用者來說，不需要具備計算機(jī)的專門知識，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)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)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(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)運行。
PLC的功能
（1）邏輯控制
（2）定時控制
（3）計數(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、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，對工作環(huán)境要求低，維護(hù)方便等一系列優(yōu)點，因此，已成為國內(nèi)外機(jī)加工控制對象的首選控制方案。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)加工控制對象上淘汰掉了。微機(jī)控制系統(tǒng)因抗擾能力較差，對工作環(huán)境要求較高，設(shè)計研制周期較PLC控制系統(tǒng)長，因此，在機(jī)加工控制對象上的應(yīng)用呈逐年下降的趨勢。為機(jī)加工控制對象設(shè)計研制一個技術(shù)性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)，對于提高加工控制對象的整體技術(shù)性能來說具有十分重要的意義。本文正是針對這一課題，選擇PLC控制系統(tǒng)作為機(jī)加工控制對象的控制方案，這對提升機(jī)加工控制對象的整體技術(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)手動和半自動控制的總按鈕數(shù)，及其占用的PLC輸入點數(shù)，節(jié)省了該系統(tǒng)的研制費用，減少了該系統(tǒng)的安裝、接線工作量，也為日后對機(jī)加工控制對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，研究內(nèi)容及研究結(jié)果
1、課題來源:本項目來PLC控制在洗衣機(jī)中的實際應(yīng)用。
2、研究內(nèi)容:本設(shè)計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)操作簡單，安全，快捷，節(jié)能。
3、研究結(jié)果：經(jīng)過研究設(shè)計，實際運行，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）具有自動報警功能，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)過流使熱繼電器動作；在脫水和甩干過程中, 洗衣機(jī)由于震動幅度過大, 使安裝在洗衣機(jī)上的平衡開關(guān)斷開。這時系統(tǒng)就會自動切斷控制回路,使洗衣機(jī)停止工作,并由蜂鳴器報警。
1.5 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)
本次畢業(yè)設(shè)計課題是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)計和程序的設(shè)計，大體為以下五項內(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)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令, 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. 其特點是價格低,編程簡單,并且易于功能擴(kuò)展,維修簡單,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
4．系統(tǒng)硬件設(shè)計：
(1) 確定安排PLC 的輸入、輸出點；
(2) 設(shè)計外圍電路, 包括主電路；
(3) 選購PLC 并進(jìn)行現(xiàn)場安裝接線等內(nèi)容
5. 軟件設(shè)計：
(1) 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的控制要求設(shè)計
(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)計和調(diào)試
(4) 系統(tǒng)調(diào)試：根據(jù)設(shè)計要求, 對程序進(jìn)行調(diào)試和修改, 必要時還可對硬件進(jìn)行修改, 直到符合要求為止
總之，在本次設(shè)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(diào)技術(shù)簡介
2.1 變頻調(diào)速的概念和作用[7]
交流電動機(jī)變頻調(diào)速是利用交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化的特性，通過改變交流電動機(jī)的供電頻率進(jìn)行調(diào)速。通用變頻器和交流電動機(jī)相結(jié)合，實現(xiàn)對生產(chǎn)機(jī)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(shù)優(yōu)勢，應(yīng)用到不同的場合，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，現(xiàn)代交流電動機(jī)傳動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，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機(jī)的控制，我國電動機(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%。我國各類在用電動機(jī)中,80%以上為220kW以下的中小型異步電動機(jī),在我國60%的發(fā)電量是通過各類電動機(jī)消耗的，因此變頻調(diào)速技術(shù)一直得到國家重視。
2.2 國內(nèi)外變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[9]
2.2.1 國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況
我國電氣傳動產(chǎn)業(yè)始建于1954年，當(dāng)時第一批該專業(yè)范圍內(nèi)的學(xué)生從各大專院校畢業(yè)，同時在機(jī)械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司。現(xiàn)在我國己有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。我國是一個發(fā)展中國家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達(dá)國家。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，形成了一個巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司開放。很多最先進(jìn)的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國家進(jìn)口，在我國運行良好，滿足了生產(chǎn)和生活需要。國內(nèi)很多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今先進(jìn)的產(chǎn)品，國內(nèi)很多公司自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力較弱，對國外公司的依賴嚴(yán)重。
從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較國外先進(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)可靠性方面與國外還有相當(dāng)差距。在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(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)量還不能滿足市場需要，每年需大量進(jìn)口變頻控制設(shè)備。國內(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，法國阿爾斯通已能提供單機(jī)容量達(dá)3萬千瓦的電氣傳動設(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)已實現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機(jī)車、風(fēng)機(jī)、水泵傳動。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)也已實現(xiàn)全數(shù)字化。
國外交流變頻調(diào)速技術(shù)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(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。
(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處理器(DSP)和專業(yè)集成電路(ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，為實現(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實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(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(shè)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(jī)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(yuǎn)程I/O模塊、高速計數(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(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，該線圈觸點才會動作。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個階段才能完成控制過程。
2.3.3 PLC的指令系統(tǒng)
如同計算機(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)場使用。但是它只能使用助記符語言對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，不僅能在一個屏幕上看到十幾頁，甚至幾十頁的程序，從宏觀上對程序進(jìn)行編程和分析，而且它還能對程序的運行情況進(jìn)行監(jiān)視。
2.4 選題的依據(jù)
隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)正面臨一場歷史性的革命。經(jīng)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(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、調(diào)速和制動性能，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)點被國內(nèi)為公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。
交流異步電動機(jī)是一個非線性，強(qiáng)禍合的對象，異步電動機(jī)變頻調(diào)速時傳遞函數(shù)的推導(dǎo)過程是相當(dāng)復(fù)雜的，即使作了很多簡化(例如假設(shè)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(jī)去模擬系統(tǒng)的動態(tài)方程或者借助于數(shù)字計算機(jī)去求取一組數(shù)值解，這樣用常規(guī)的控制方法來實現(xiàn)精確度高的變頻調(diào)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(jī)方法。
變頻調(diào)速系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點:
(1)整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)簡單。
(2)計算精確，無漂移，控制精度高。
(3)調(diào)試簡單，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，具有十分重要的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
第三章 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
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個過程組成。在半自動洗衣機(jī)中, 進(jìn)水、洗衣、排水和脫水這4個過程分別用相應(yīng)的按鈕開關(guān)來控制。全自動洗衣機(jī)中,這4個過程可做到全自動依次運行,直至洗衣結(jié)束。
自動洗衣機(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,從而實現(xiàn)自動控制的。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,電磁進(jìn)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(jī)啟動；脫水時,脫水桶啟動。
3.2洗衣機(jī)的設(shè)備控制要求
全自動洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的要求是能實現(xiàn)“正常運行”和“強(qiáng)制運行”兩種控制方式。
1、 正常運行，如圖3-2
圖3-2 洗衣機(jī)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(guān)設(shè)在合適的位置(高、中、低),按下“啟動”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,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,報警3S并自動停機(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)可用手動排水開關(guān)和手動脫水開關(guān)進(jìn)行手動排水和脫水。
3.3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計分析[12、13]
1. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計基本原則
設(shè)計的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象(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PLC控制系統(tǒng)時，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)選擇在國內(nèi)特別是在所設(shè)計系統(tǒng)本著有著較為方便的技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)或較有實力的代理機(jī)構(gòu)的公司產(chǎn)品，同時應(yīng)盡量選擇主流機(jī)型。
（2）最大限度地滿足被控對象的控制要求。設(shè)計前，應(yīng)深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，搜集資料，并與機(jī)械部分的設(shè)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(xié)同解決設(shè)計中出現(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，應(yīng)適當(dāng)留有裕量。當(dāng)然對手不同的用戶要求的側(cè)重點有所不同，設(shè)計的原則應(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)計的重點，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)計加以強(qiáng)化。
2. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計的主要內(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。
（2）根據(jù)控制要求基本確定數(shù)字I/O點和模擬量通道數(shù)，進(jìn)行I/O點的初步分配，繪制I/O使用資源圖。
（3）進(jìn)行PLC系統(tǒng)配置設(shè)計，主要為PLC的選擇。PLC是PLC控制系統(tǒng)的核心部，正確選擇PLC對于保證整個控制系統(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、信號燈等執(zhí)行元件)，以及由輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象(電動機(jī)、電磁閥等)，這些設(shè)備屬于一般的電器元件。
（5）設(shè)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(yīng)完成的動作、自動工作循環(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。必要時還可將控制任務(wù)分成幾個獨立部分，這樣可化繁為簡，有利于編程和調(diào)試。程序設(shè)計主要包括繪制控制系統(tǒng)流程圖、設(shè)計梯形圖、編制語句表、程序清單。
控制程序是控制整個系統(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)計的步驟，
在對一個控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計之前，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)計方案，進(jìn)而實現(xiàn)各個階段的設(shè)計任務(wù)。
3.3.1洗衣機(jī)設(shè)計的控制系統(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型號的選擇[14、15、16]
全自動洗衣機(jī)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(jié)構(gòu)緊湊
2）擴(kuò)展性良好
3）指令功能強(qiáng)大
4）價格低廉成為當(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到幾百點。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)?？刂葡到y(tǒng)的要求。
（4）I/O地址分配
由于CPU模塊有14點數(shù)字量輸入,有10點數(shù)字量輸出,所以不再需要輸入/輸出模塊.采用I/O分配采用自動分配方式,模塊上的輸入端子對應(yīng)的輸入地址是I0.0-I1.5,輸出端子對應(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,它控制著整個系統(tǒng)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(shù)字量輸入點和10個數(shù)字量輸出點,完全能 全自動洗衣機(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個數(shù)字量I/O點。可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O 點。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間
其他
性能
6個獨立的30kHz高速計數(shù)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(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(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 變頻器的特點如下：
（1）包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實現(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)置速度曲線的特點來實現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制。為滿足洗衣機(jī)安全性的要求,變頻器通過與電動機(jī)同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡,完成速度檢測及反饋,形成閉環(huán)系統(tǒng)。PLC負(fù)責(zé)處理各種信號的邏輯關(guān)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(lián)絡(luò)關(guān)系,這是系統(tǒng)的核心。旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機(jī)同軸連接,對電動機(jī)進(jìn)行測速。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,可判斷電動機(jī)轉(zhuǎn)動方向,并可根據(jù)A、B脈沖的頻率測得電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器將此脈沖輸出給PG卡,PG卡再將此反饋信號送給變頻器內(nèi)部,以便進(jìn)行運算調(diào)節(jié)。所以旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡實現(xiàn)了閉環(huán)運行。
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
選擇運行功能
C組
確定加減速時間及轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時間
D組
時間頻率
E組
確定運行壓頻曲線
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，而積分時間常數(shù)宜大些；2、為了提高運行效率，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(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(jù)電機(jī)極速設(shè)置
表3-8 變頻器的其他參數(shù)
變頻器制動電阻參數(shù)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(yīng)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(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
4.1 程序的構(gòu)成、下載、安裝和調(diào)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(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)。在手動方式下是在緊急停止情況下,可以手動進(jìn)行排水和脫水。
將各個輸入/輸出端子和實際控制系統(tǒng)中的按鈕。所需控制設(shè)備正確連接,完成硬件的安裝。全自動洗衣機(jī)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(shè)定在STOP狀態(tài)下,運行STEP7-Micro/Win32編程軟件,打開全自動洗衣機(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(dǎo)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(dāng)出現(xiàn)致命錯誤時，PLC自動進(jìn)入STOP方式，點亮“系統(tǒng)錯誤”和“STOP”指示燈，關(guān)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(shù)檢查錯誤
0002
編譯后的梯形圖檢查錯誤
000D
存儲器卡強(qiáng)制數(shù)據(jù)檢查錯誤
0003
掃描看門狗超時錯誤
000E
存儲器卡默認(rèn)輸出表值檢查錯誤
0004
內(nèi)部EEROM錯誤
000F
存儲器卡用戶數(shù)據(jù)、DB1檢查錯誤
0005
內(nèi)部EEPROM用戶程序檢查錯誤
0010
內(nèi)部軟件錯誤
0006
內(nèi)部EEPROM配置參數(shù)檢查錯誤
0011
比較觸點間接尋址錯誤
0007
內(nèi)部EEPROM強(qiáng)制數(shù)據(jù)檢查錯誤
0012
比較觸點非法值錯誤
0008
內(nèi)部EEPROM默認(rèn)輸出表值檢查錯誤
0013
存儲器卡空或COU不識別該卡
0009
內(nèi)部EEPROM用戶數(shù)據(jù)、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(chǎn)生非致命錯誤（如尋址錯誤），此時CPU產(chǎn)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(shù)據(jù)錯誤
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，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(jīng)使用的脈沖輸出
000E
PTO個數(shù)為0
0091
范圍錯誤（帶地址信息）：檢查操作數(shù)范圍
0092
某條指令的計數(shù)域錯誤（帶計數(shù)信息）：檢查最大計數(shù)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(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 程序運行錯誤代碼及描述
3、編譯規(guī)則錯誤
當(dāng)下載一個程序時，CPU在對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(wǎng)絡(luò)分成多個網(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（LBL、INT、SBR）：加上合適標(biāo)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(zhuǎn)
008C
標(biāo)號重復(fù)（LBL、INT、SBR）：重新命名標(biāo)號
008D
非法標(biāo)號（LBL、INT、SBR）：確保標(biāo)號數(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
范圍錯誤（帶地址信息）：檢查操作數(shù)范圍
0092
指令計數(shù)域錯誤（帶計數(shù)信息）：確認(rèn)最大計數(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
超出指令最大長度
表4-3 編譯規(guī)則錯誤代碼及描述
4.2 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)資源分配
1、數(shù)字量輸入部分
這個控制系統(tǒng)的輸入有啟動按鈕,停止按鈕,水位選擇開關(guān)(高水位,中水位,低水位),手動排水開關(guān),自動排水開關(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個輸入點。具體的輸入分配如表4-4所示。
輸入地址
對應(yīng)的外部設(shè)備
I0.0
啟動按鈕
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
手動排水開關(guān)
I0.6
自動排水開關(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.報警器共5個設(shè)備.但是由于洗滌電動機(jī)有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個狀態(tài),分別都應(yīng)正轉(zhuǎn)繼電器和反轉(zhuǎn)繼電器,所以輸出點應(yīng)該有6個,具體輸出分配如表4-5所示。
輸出地址
對應(yīng)的外部設(shè)備
Q0.0
進(jìn)水電磁閥
Q0.1
排水電磁閥
Q0.2
洗滌電動機(jī)正轉(zhuǎn)繼電器
Q0.3
洗滌電動機(jī)反轉(zhuǎn)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(jī)的PLC程序設(shè)計
4.3.1 源程序
在本程序中,M0.0是按下啟動開關(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是停止自動洗衣機(jī)的輔助繼電器。
NETWORK 1
//
//按下啟動按鈕,開始洗衣
//
LD I0.0