基于PLC的工业洗衣机控制系统设计.docx
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基于PLC的工业洗衣机控制系统设计
专科毕业设计（论文）
设计题目：
基于PLC的工业洗衣机控制系统设计
系部：
电气工程系
专业：
电气自动化技术（工企电气）
班级：
工企电气091301
姓名：
苏海中学号：
093905130131
指导教师：
马建峰职称：
讲师
2012年6月南京
摘要
本文主要介绍了在工厂这种需要大量洗衣、洗衣次数频繁的特殊场合中，将西门子S7-200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，选择西门子S7-200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。
首先，通过认识了解PLC及PLC在工业洗衣机中应用的相关知识。
然后，对本工业洗衣机控制系统进行硬件系统和软件系统设计。
在硬件系统设计中，对电动机、变频器及PLC相互间进行认识和应用；在软件系统设计中，涉及了系统流程图、顺序功能图、梯形图的设计。
在设计系统中，使我们对工业洗衣机系统能够更好的理解和使用。
关键词PLC变频器工业洗衣机控制系统
Abstract
Thisarticlemainlyintroducedinthisfactoryinspecialoccasions,needalotofwashing,washingfrequent,wheretherearemany.SiemensseriesS7-200PLCforthemaincontrollerroleinindustrialwashingmachinecontrolsystem,tosolvelifeheavywashingtask.Intheindustrialwashingmachinedesignprocess,thechoiceofSiemensseriesS7-200PLCprogramcontrolasmicrocomputer,atthesametimeusefrequencyconvertertochangedirectionandspeedofthemotorrunning.First,throughtheknowledge,understandPLCandPLCinindustrialwashingmachineoftheapplicationsoftherelevantknowledge.Then,ourindustrialwashingmachinecontrolsystemdesignofhardwareandsoftwaresystems.Inthehardwaresystemdesign,tomotorandfrequencyconverterandmutualunderstandingbetweenthePLCandapplication;Inthesoftwaresystemdesign,involvingtheflowchart,thesystemfunctiondiagram,orderthedesignoftheladderdiagram.Inthedesignofthesystem,andmakeustoindustrialwashingmachinesystemtobetterunderstandanduse.
KeywordsPLCfrequencyconverterIndustrialwashingmachineControlsystem
1引言
早在上个世纪初人类就已经发明制造出洗衣机了，可以说洗衣机这种产品的发明创造是工业发展的结晶，给人们的现实生活带来了极大的便利。
当时的洗衣机只有一个盛水桶，在应用中只能进行简单的操作而无法实现更多的功能。
随着社会的进步、科技的发展，二十一世纪的今天，对洗衣机而言已经彻底发生了巨大的变化，具有全自动多功能的洗衣机已经早在现实生活中广泛使用。
随着工业技术日益成熟，我们利用现有技术开发创新出一种具有商业用途的多功能型工业大容量洗衣机，实现工业衣物的大批洗涤。
工业洗衣机的应用很广，主要用于宾馆、酒店、学校宿舍、某些工业等需要洗衣量大、洗衣次数频繁的地方。
这就要求洗衣机的运行平稳、洗涤效果好、容量大、故障少、可靠性高、噪声低、寿命长等等，使之更趋于社会经济发展的需求。
1.1研究PLC工业洗衣机控制系统的目的和意义
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。
1.2PLC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。
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
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1。
图1工业洗衣机工作原理图
2.2工业洗衣机的结构
在设计这一款多功能型工业洗衣机之前，必须要考虑到许多问题，比如洗衣机在可靠性、安全性、开发推广价值等方面的具体实际问题。
以下描述在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）最大限度地满足控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足控制要求，是设计PLC控制系统的最重要原则。
要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集资料。
同时要与现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员密切配合，共同拟定控制方案及解决设计中的重点问
题和疑难问题。
（2）保证PLC控制系统安全可靠
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。
（3）力求简单、经济、使用及维修方便
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。
（4）适应发展的需要
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。
在设计该工业洗衣机时，由于波轮洗衣机洗净率高、时间短、操作相对方便等优点更适合大型洗衣量场合应用。
所以，我选择了波轮式洗衣机在大型场合的应用。
在控制技术上选择PLC作为控制器，来设计工业洗衣机控制系统，主要为了该产品实现功能齐全、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。
为此该工业洗衣机设计的框图如下图2。
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，作脱水用。
内桶的四周有很多小孔，使内外桶的水流相通。
洗衣机的进水和排水分别由电磁进水阀和电磁排水阀来控制。
洗涤之前，按照所选水位的高、中、低事前选择好，选择洗涤功能是普通洗还是强效洗，之后进入模式状态，开始进水，经进水管将水注入到外桶并且内置加热器开始加热，达到量程要求与其相应的传感器有信号输出，进而来控制PLC的输出让进水阀失电。
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。
排水按钮用来实现手动排水。
这款工业洗衣机的设计中综合考虑了水温有利于对洗涤衣物的洗净度效果，所以在外桶底下安置了加热器，最利于洗涤剂去除油污。
我考虑了它的最有应用价值的方面:
帮助企业提高自身的企业文化形象：
洗涤工厂里工人们的大量油污工作服。
避免员工自己在家洗的种种不变，给员工创造了舒适的业余生活，带来了工作中的愉悦心情，潜移默化中提升了企业的文化内涵。
3工业洗衣机的硬件系统
3.1PLC的选择及外围电路
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。
3.1.1I/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13输入信号和8输信号。
列出工业洗衣机的I/O分配表，见表1。
表1系统I/O分配表
输入器件
输入点I
代码
输出器件
输出点Q
代码
启动按扭
I0.0
SB1
进水电磁阀
Q0.0
YV1
停止按扭
I0.1
SB2
排水电磁阀
Q0.1
YV2
高水位水位选择开关
I0.2
ST1
变频器正转控制
Q0.2
STF
中水位水位选择开关
I0.3
ST2
变频器反转控制
Q0.3
STR
低水位水位选择开关
I0.4
ST3
脱水
Q0.4
YV
手动排水开关
I0.5
SB3
报警器
Q0.5
手动脱水开关
I0.6
SB4
高速
Q1.0
RH
高水位传感器
I0.7
ST4
中速
Q1.1
RM
中水位传感器
I1.0
ST5
低水位传感器
I1.1
ST6
水排空传感器
I1.2
ST7
强洗
I1.3
SB5
普洗
I1.4
SB6
3.1.2CPU功能与选择
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。
同时由于该模块采用交流220V供电，并且自带14个数字量输入点和10个数字量输出点，完全能满足该工业洗衣机控制系统的要求，所以不再需要另外的电源模块、数字量和输出模块。
综上所述此次设计选用西门子S7-200系列中CPU-224型号。
3.1.3PLC外部接线图
由工业洗衣机的控制要求，对该控制系统I/O的选择和PLC型号进行了选择，现在根
据I/O地址分配表设计外围接线图，如下图3。
图3PLC外部接线图
如图3当该PLC投入运行时，首先选择洗涤方式（选强洗按下SB5，PLC输出端Q1.0有信号输出，则变频器将会使电机处于高速运转状态下的应用程序，来实现洗衣机强洗的效果；选强洗按下SB6，PLC输出端Q1.1有信号输出，则变频器将会使电机处于中速运转状态下的应用程序，来实现洗衣机普洗的效果），然后根据实际需要选择水位，即按下水位选择开关（ST1、ST2、ST3）任意一个，这时再按下启动按钮SB1，输出端Q0.0有信号输出，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，与之相应的水位传感器（ST4、ST5、ST6）接通，此时输出端Q0.0无信号输出，则进水电磁阀YV1失电断开停止进水。
此外，当PLC输出端Q0.2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Q0.3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Q0.1有信号输出时，洗衣机进行排水；当PLC输出端Q0.4有信号输出时，洗衣机进行脱水；当PLC输出端Q0.5有信号输出时，则表示洗衣完成报警提醒。
注意：
当遇到特别情况时，按下SB3进行手动排水，按下SB4进行手动脱水；按下SB3使洗衣机停止运行；ST7作为水排空的模拟输入信号的控制开关。
3.2变频器及与PLC的控制电路
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。
在本文中，要想变频器达到以上控制效果，就要进一步接受PLC控制。
由此可见两者紧密联系在一起，下面讨论的就是PLC与变频器之间在工业洗衣机方面的控制。
变频器容量的选择是一个重要且复杂的问题，要考虑变频器容量与电动机容量的匹配，容量偏小会影响电动机有效力矩的输出，影响系统的正常运行，甚至损坏装置，而容量偏大则电流的谐波分量会增大，也增加了设备投资。
以一般的工业洗衣机为标准，再根据本系统控制要求，变频器暂定为FR-E540。
在变频器控制洗衣电动机的运行方向和转速时，端子的接法很重要，如果把接线端子接错将影响变频器正常应用。
下图4为FR-E540的接线端子平面图，
图4变频器接线端子平面图
在接线的过程中，要了解每个端子所代表的含义，则端子含义如下表2。
表2变频器的接线端子的含义
端子
含义
端子
含义
RH
高速
RUN
运行
RM
中速
FU
频率检测
RL
低速
B
异常输出
MRS
输出停止
A/C
RES
复位
10\2\5
频率设定器
SD
公共输出、输入端
4
DC4~20Ma（+）
PC
直流24V输出和外部晶体管端子
STF
正转启动
SE
集电极开路输出公共端
STR
反转启动
而变频器与PLC之间正确的连接对系统的控制也很重要，下图5为该工业洗衣机变频器与PLC之间的接线图。
分析图5的工作过程：
当S7-200PLC的输出端Q0.2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Q0.3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Q1.0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Q1.1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。
3.3系统运行的控制电路
由于本控制系统设计要求该洗衣机能够满足不同的洗衣量及洗净程度，而通过改变电机的转速来实现该控制要求。
通过了解我们可以控制变频器改变电动机运行方向、速度。
3.3.1电机调速原理
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：
n＝60f（1－s）/p=（1-S）n1
n——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0～50Hz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。
3.3.2变频器与电机的结合应用
在应用变频器时，想要操作它，首先要对它的控制面板进行了解，如下图6为该变频器面板模式示意图。
图6变频器的面板模式示意图
认识了变频器的控制面板，了解各个按键功能也很重要，下面来了解各个按键，表3为变频器各个按键的功能。
表3变频器功能表
按键
说明
RUN键
正转运行指令键
MODE键
可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/RESET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
FWD键
用于给出正转指令。
在应用变频器进行工作时，一定要进行模式的设置。
在PU操作模式中要把出厂时的Pr.79的值选择为1。
下图7为变频器频率及转向的设置流程图。
参数的设定方法，除了部分参数之外，参数的设定仅用在Pr.79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键来完成。
按下SET键1.5S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Pr.77设为2。
下表4为设计所需的参数值设定表。
表4参数值设定及功能
参数号
设定值
功能
Pr.79
3
组合操作模式一
Pr.20
50
加减速基准频率
Pr.1
50
上限频率
Pr.2
0
下限频率
Pr.3
50
基底频率
Pr.4
50
高速强效洗涤
Pr.5
35
中速普通洗涤
Pr.7
5
加速时间
Pr.8
5
减速时间
由以上内容我们可以大概的了解到利用变频器改变电机的运行方向和速度。
下图8为工业洗衣机主电机控制电路图。
图8工业洗衣机主电机控制电路图
变频器与电机之间的连接如下图9所示。
图9变频器与电机的接线图
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10Ω；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。
（13）变频器与负载的配置
1）变频器长期工作电流：
I变长=I电×115%（I电--电动机额定电流）
2）变频器短期工作电流（可持续1～2分钟）：
I变短=I变×150%（I变--变频器额定电流）
3）变频器瞬时工作电流（可持续数秒钟）：
I变瞬=I变×180%
4工业洗衣机的软件系统
4.1系统的流程图
该洗衣机，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。
系统的控制要求：
先按下洗涤方式（分普通洗和强效洗两种洗衣方式）、水位选择开关，再按启动按钮；
（1）PLC投入运行，系统处于初始状态准备好启动；
（2）启动时开始进水，同时对水进行加热；
（3）当注入的水达到设定水位值时停止进水和加热，2S后开始洗涤；
（4）洗涤时，电机在变频器的控制下5S达到要求转速，之后正转30s后暂停2S；然后开始反转，同样电机在变频器的控制下五秒达到要求转速反转30s，停2s；
（5）如此循环，若正、反转未满5次时，返回从正洗开始的动作；
（6）若正、反洗
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