基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计Word下载.docx
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Keywords:
programmablecontroller（PLC）;
Theautomaticcontrol;
Theinverter;
Thewashingmachine
第一章绪论
一.1课题背景与意义
自19世纪中叶，美国人史密斯研制出世界上首台洗衣机至今，洗衣机的发展已经历了一个多世纪。
1910年世界上第一台电动洗衣机问世，标志着人类家务劳动自动化的开始。
1922年世界上第一台搅拌式洗衣机在美国诞生。
1937年世界上第一台全自动滚筒式洗衣机投放市场。
1957年三洋公司推出世界上第一台涡流式波轮洗衣机。
从此，确立了搅拌式、滚筒式和波轮式三种工作方式洗衣机三足鼎立天下的局面。
20世纪60年代以后，洗衣机在一些发达国家的普及率迅速上升。
70年代，日本生产出波轮式套桶全自动洗衣机。
70年代后期，日本又生产出微电脑控制型波轮式套桶全自动洗衣机。
80年代后，“模糊控制”开始应用于洗衣机，生产出智能型模糊控制洗衣机，使洗衣机的功能更加完善，其洗衣程序更随人意，其使用操作更简单化。
进入90年代，由于电机调速技术的提高，实现了洗衣机宽范围大调速比的转速变换与调节，诞生了各种新水流洗衣机。
20世纪末到21世纪初，变频洗衣机问世，使洗衣机的功能更具人性化，实现了真正意义上的智能化控制。
以往以单片机为中心控制系统工作的全自动洗衣机中，存在着一些本身不能克服的缺点。
首先由于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。
如果在全自动洗衣机的控制系统中采用PLC来控制将能克服单片机的这些缺点。
因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。
所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统的设计的灵活性及控制系统的可靠性。
本文在PLC控制系统设计中，主要增加了水位选择、工作流程选择和工作模式，并且在电机正反转以及转速方面运用了西门子M440变频器控制，这样既提高了系统的稳定性又实现了节能措施。
本次设计基于PLC的全自动洗衣机控制，本文的课题源于市场上洗衣机产品。
采用PLC控制开发的周期短，开发成本低，可以直接用于工业现场控制。
PLC控制具有实时性、信号处理时间短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目，可靠性高，丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便，PLC控制能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。
因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能，所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统设计的灵活性及控制系统的可靠性。
本设计以操作简单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。
一.2全自动洗衣机简介
全自动洗衣机的工作过程一般包括启动、进水、洗涤、排水和脱水等功能。
本文所设计为有水位选择、工作流程选择、工作模式以及温度选择的全自动洗衣机，这样用PLC控制的全自动洗衣机的洗涤动作控制程序要求增加洗涤水位选择、控制方式选择等。
在实现控制过程中，各种采样信息都是通过控制中心进行各种判断、比较和选择，再经信息线路反馈给洗衣机各控制执行机构，决定洗衣机的工作状态。
PLC在系统中是处于中心位置，水位开关是PLC的输入信号控制开关，进水阀、排水阀和电机是洗衣机各种动作的执行机构，其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态；
电机的工作状态也由控制中心PLC给定信号送给变频器来决定的，而电机的正反转状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态。
全自动洗衣机的工作过程包括启动、进水、浸泡、洗涤、排水和脱水等功能。
在实现控制过程中，各种采样信息都是通过控制中心进行各种判断、比较和选择。
再经信息线路反馈给洗衣机各控制执行机构，决定洗衣机的工作状态。
如图1.1所示，由PLC控制洗衣机各种动作典型的系统控制图1.1:
图1.1
由图可知，按下启动按钮，PLC上电。
然后依次选择工作流程、洗衣模式、温度等，PLC便通过设定的程序运行，PLC在系统中是处中心位置，水位开关是PLC的输入信号控制开关。
进水阀、排水阀和电机是洗衣机各种动作的执行机构。
其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态；
电机的工作状态也由控制中心PLC给定信号送给变频器来决定的，而电机的工作转状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态。
洗衣机的应用现在比较普遍。
全自动洗衣机的实物示意图如下图1.2所示。
全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的。
外桶固定，作盛水用。
内桶可以旋转，作脱水（甩水）用。
内桶的四周有很多小孔，使内外桶的水流相通。
该洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。
进水时，通过电控系统使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。
排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外。
洗衣机水温通过调整蒸汽阀开度来控制，利用热电偶传感器检测水温，运用PID算法保持恒温。
洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。
脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。
高、中、低水位开关分别用来检测高、中、低水位。
启动按钮用来启动洗衣机工作。
停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。
全自动洗衣机是通过水位开关与电磁进水阀配合来控制进水、排水以及电机的通断：
从而实现自动控制的。
电磁进水阀起着通、断水源的作用。
当电磁线圈断电时，移动铁芯在重力和弹簧力的作用下，紧紧顶在橡胶膜片上，并将膜片的中心小孔堵塞，这样阀门关闭，水流不通。
当电磁线圈通电后，移动铁芯在磁力作用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小孔流入洗衣桶内。
由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔的流通能力，膜片上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。
水位开关实际上是一个压力开关。
气室的入口与洗衣桶中的贮气室相联接。
当水注入洗衣桶后，贮气室口很快被封闭，随水位上升，贮气室的水位也上升，被封闭的空气压强亦增大，水位开关中的波纹膜片受压而胀起，推动顶杆运动而使触点改变，从而实现自动通断。
图1.2全自动洗衣机系统结构图
一.3全自动洗衣机控制技术的现状与发展
在洗衣机控制方面，在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器占主导地位。
但继电器控制领域有着十分明显的缺点：
体积大、耗电多、可靠性、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。
为了改变这一现状，PLC控制系统产生了。
继1969年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期，从此，可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来了。
在许多领域都有广泛的应用。
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，为了进一步提高全自动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来控制全自动洗衣机这个课题。
一.4本文主要的工作
本课题需研制出可靠性高、易于操作的全自动洗衣机控制方法，该系统采用PLC控制，主要包括电动机正反转控制、变频器控制、进排水电磁阀控制、循环控制、保护和联锁。
研究的具体内容包括：
（1）深入了解洗衣机的发展、结构及控制要求。
（2）控制系统设计。
包括硬件设计，PLC的选择，变频器的选择,各硬件模块的介绍，软件设计，编程方法。
（3）对编写好的编译程序进行实际调试。
第二章概述
二.1PLC的控制特点
PLC系统的特点：
1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。
对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。
2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，PLC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。
3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易。
单片机系统的缺点：
1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。
2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。
3）功能单一只具有使用中所需要的功能。
典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图2.1所示：
图2.1典型的PLC控制系统的硬件组成框图
二.2控制系统框图
此次设计根据全自动洗衣机的工作原理,洗衣机的工作流程由进水，洗衣，排水，和脱水四个过程组成。
在半自动洗衣机中，这四个过程分别用相应的按扭开关来控制。
利用可编程控制器PLC实现控制,用于说明PLC控制的原理方法,特点及工作特色。
此次全自动洗衣机控制系统设计利用了西门子S7-200系列PLC的特点,对按钮,电磁阀,开关等其他一些输入/输出点进行控制,实现了洗衣机洗衣过程的自动化。
根据以上要求PLC的控制系统框图如下图2.2。
图2.2
二.3控制系统对应设备及功能
根据控制过程中的进水、洗涤、脱水、报警等控制要求，对控制所需的外部设备初步设计如下
第三章硬件的设计
三.1外部设备的选择
本系统是一个通过PLC控制实现的全自动系统，需要用到的传感器或控制阀如下：
⑴水位传感器
水位检测的精度直接影响洗净度、水流强度、洗涤时间等参数。
对于PLC控制的洗衣机,要求水位的检测必须是连续的,谐振式水位传感器是利用电磁谐振电路LC作为传感器的敏感元件,将被测物体的变化转变为LC参数的变化,最终以频率参数输出。
其工作原理是将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变化的压力,驱动内腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁芯在某线圈内移动,从而线圈电感发生变化。
由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。
故常采用谐振式水位传感器。
⑵进水阀、排水阀
进水电磁阀是安装在自动洗衣机上的水源控制开关。
洗衣机多用具有一定压力的自来水为水源，所以使用的进水电磁阀通常为动作式电磁阀。
当线圈不通电时，金属阀芯在弹簧弹力的作用下，将橡皮膜片中心孔紧紧堵住，这时水经橡皮膜片上的平衡小孔进入金属阀芯侧气室形成水压，而使橡皮膜压住出水口，使阀处于关闭状态；
当线圈通电时，产生的电磁力克服弹簧力而使金属阀芯离开橡皮膜，这时膜的中心孔开通，又因中心孔远大于平衡小孔，因此金属阀芯侧气室水压低于进水压力，在该压力差的作用下，橡皮膜向阀芯方向移动，打开出水口，进水阀则处于开通状态。
排水电磁阀与其类似.通过水位开关与电磁进水阀配合来控制进水、排水以及电机的通断：
水位开关实际上是一个压力开关
⑶去抖开关
洗衣机工作过程中抖动通常原因:
洗涤的衣物分布不均匀。
去抖控制原理：
当洗衣机运行出现震动时，去抖开关闭合，停止运行并开始排水，水排空后重新进水到设定水位，重新运行。
⑷报警器
三.2变频器
本系统采用西门子M440变频器。
M440变频器具有默认的工厂设置参数，它是众多简单的电动机控制系统选择的理想变频驱动装置，由于M440变频器具有全面而完善的控制功能，包括U/F控制、二次方U/F控制、可编程多点设定U/F控制、磁通电流控制、无测速矢量控制，在设置相关参数以后它也可用于更高级的电动机控制系统。
M440变频器既可用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统中。
M440变频器主要特性：
⑴易于安装、调试；
⑵牢固的EMC设计；
⑶可由IT中性点不接地电源供电，且电缆连接简便；
⑷对控制信号的响应是快速和可重复的；
⑸易于参数设置，参数设置的范围很广，可对广泛的应用对象进行配置；
⑹具有多个继电器输出，多个模拟量输出（0～20mA）；
⑺6个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP接线；
⑻2个模拟输入：
AIN1（0～10V，0～20mA和-10～10V）和AIN2（0～10V，0～20mA）；
2个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入；
⑼BiCo（二进制互联连接）技术；
⑽模块化设计，配置非常灵活；
⑾脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪声低；
⑿详细的变频器状态信息和全面的信息功能；
⒀有多种供用户选用的可选件，包括与PC通信的通信模块、基本操作面板（BOP）、高级操作面板（AOP）以及与现场总线的PROFIBUS通信模块。
M440变频器的性能特征：
⑴具有矢量控制功能，包括无传感器矢量控制（SLVC）和带编码器的矢量控制（VC）；
⑵具有U/F控制性能：
磁通电流控制（FCC）改善了动态响应和电动机的控制特性多点U/F特性；
⑶具有快速电流限制（FCL）功能，避免运行中不应有的跳闸；
⑷内置的直流注入制动以及复合制动功能改善了制动特性；
⑸对于外形尺寸为A～F的M440变频器，具有内置的制动单元；
⑹加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能，包括起始和结束段带平滑圆弧，及起始和结束段不带平滑圆弧；
⑺具有比例、积分和微分（PID）控制功能的闭环控制；
⑻各组参数的设定值可以相互切换，包括电动机数据组、命令数据组和设定值信号源；
⑼具有自由功能块；
⑽具有动力制动的缓冲功能，定位控制的斜坡下降曲线。
保护特性：
⑴具有过电压/欠电压保护；
⑵具有变频器过热保护；
⑶具有接地故障保护；
⑷具有短路保护，以及I*I*t电动机过热保护；
⑸PTC/KTY电动机保护。
变频器控制参数设置表3.1和3.2
表3.1控制端口开关操作控制参数
三.3电动机
电机是全自动工业洗衣机的执行元件,其作用不言而喻,电机的选择和设备的要求相关,对于全自动工业洗衣机,选择电机主要看两个方面：
1转速要求
全自动工业洗衣机对转速要求比较高,洗涤-均布-中脱-高脱.电机的极数就是其转速最好的反应.极数反映出电动机的同步转速,2极同步转速是3000r/min,4极同步转速时1500r/min,6极同步转速是1000r/min,8极同步转速是750r/min.而全自动工业洗衣机的最高转速是630r/min.所以极数并不存在问题,而如果转速要求在1000r/min以上的话,那么8极的电机就不合适了.
2扭力的要求
全自动洗衣机对扭力的要求比较高,不同容量的洗衣机,其扭力要求也不同,通俗一点讲,扭力就是电动机的力量.在所有的型号当中,100KG全自动工业洗衣机所承载的衣物和水是最多的,当然扭力也是最大的,而15KG的扭力是最低的.
从以上可以看出,在转速没有太大问题下,如何选择最合理的电机来保证扭力就是要考虑的问题了.
转速公式:
n=60f/p
（n=转速,f=电源频率,p=磁极对数）
扭矩公式:
T=9550p/n
T是扭矩,单位N﹒m
p是输出功率,单位kW
n是电机转速,单位r/min
T=973*p1/n
T是扭矩,单位kg﹒m
P1是输出功率,单位kW
将两个公式进行综合一下,可以得出:
T=931*p1*p/f（p1是电机输出功率,p是极数,n是电源频率）
在保持扭矩不变的情况下,输出功率和电机极数成反比.
表3.2设置电动机参数
三.4可编程控制器的选择
I/O点数是PLC的一项重要指标。
合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最低。
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12个数字输入点6个数字输出点，PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。
一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于1—2KB之间。
用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。
因此在程序设计之前只能粗略地估算。
根据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致如下：
开关量输入元件：
10—20B/点
开关量输出元件：
5—10B/点
定时器/计数器：
2B/个
模拟量：
100—150B/个
通信接口：
一个接口一般需要300B以上
根据上面算出的总字节数再考虑增加25%左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存。
该系统有17个数字输入点13个数字输出点，需内存400B，有定时器6个，计时器2个，需内存16B，考虑余量后需要内存520B。
PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点：
功能与任务相适应，PLC的处理速度应满足实时控制的要求、PLC结构合理、机型统一、在线编程和离线编程的选择。
全自动洗衣机控制所要求的控制功能简单，小型PLC就能满足要求了。
该控制系统CPU模块可采用CPU-224（AC/DC/继电器）模块，它可控制整个系统按照控制要求有条不紊地进行。
任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。
这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。
同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。
这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。
例如：
应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。
因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
综上所述此次设计选用西门子S7-200型PLC。
三.5PLC外部接线图
根据全自动洗衣机的控制要求，对系统控制的I/O点数进行了统计和P
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