PLC和变频器在工业洗衣机控制中的.docx
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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
ＡBSTRＡＣT
Associａlanｄeconｏmicｄevｅｌopmｅntandraisingthelevｅlofｓｃieｎceａndtechnolｏgy, indｕstrialｆully aｕtomateｄａn ineｖitａbleｔrendｏfdeｖeｌoｐment.Inｄuｓtrialpｒodｕctionｏffuｌlyaｕtomａｔedwashing maｃhｉｎeｖeｒyconvenientfor theproduction.Ａfterseｖｅｒalyｅarｓof iｎdｕｓtｒial wａshingmａchineｓｍａdetheｓmoothdｅveｌopmeｎtoｒ fuｎｃｔionintermsof bothqualityandworｌd-ｌeadingleｖeloｆsynchrｏnizaｔion.Thrｏｕghoutthｅｗashinｇmａchinemarket,energyｅｆfiｃienｔ,saｖｅwateｒａnd eｎergysａvｉng,eｎvironmｅnt-ｆrieｎｄlyｗashｉｎｇmachine ｈaｓbｅendomｉnaｎtinｔheｍａｒkｅｔ．
Acｃording tｏtheｗorｋiｎg prinｃipleofautomatiｃwashｉng machine industｒy, ｔhｅuseofpｒoｇrammａblｅｃｏｎtrｏller andinveｒteｒto achiｅｖe ｃonｔｒｏl．PLC＇saｄvantａｇes aｒe:
highｒｅliabilitｙ,lｏw ｐowerｃｏnｓｕｍｐtioｎ,adａｐtabilｉty, fastａndloｎglife.Invｅrter ｈastheadvａntagｅ ofhigｈ effｉciency,ｅnergy ｓaviｎg,ｅtc.,in orderｔofurther improvｅthｅ ｆuncｔionalityandｐｅrformanｃe ofindusｔrｉaｌwashingmａchines,tｏavoidsｏｍe shortcomｉngsｏｆtｒaditional ｃｏntrol，proｐosｅdtheuｓe of PLCaｎｄfｒeｑｕeｎｃｙconverteｒ tｏ ｃontrolthe industrial wａsｈiｎgｍachinｅ ｔｈｉstopic.Tｈｅｐapｅroｎｈoｗ touseＰＬＣａnd frequeｎcyconvertｅrto coｎｔroｌthe inｄusｔｒiaｌ washing ｍachｉnefｏrtheinveｓtｉgation，iｎｃludｉngｓｏftｗａredｅｓign, haｒdｗａre dｅｓigｎisｓuessucｈ asanａｌysis andrｅsearch,toachieveｔhenｏrmaloperatｉoｎｏfinｄustｒｉａｌ washingmachineaｎdthecomｐulｓory ｓtoｐｆunctｉｏｎ.
Kｅｙwords ｉnｄustｒiaｌ ｗashing machine,PＬC，freｑuencｙ ｃonverteｒ ｃoｎtrol
目 录
摘 要ﻩI
ＡBSTＲAＣTﻩＩI
1绪论ﻩ１
１．1课题背景1
1.2本课题所做的工作ﻩ1
２ 工业洗衣机概述２
2.2工业洗衣机的工作原理及结构2
2.３工业洗衣机工艺流程及动力要求ﻩ３
3变频器简介ﻩ4
3．1变频器的基本原理及特点ﻩ4
３．1.1变频调速原理ﻩ４
3.１.2变频器分类及特点4
3.2 变频器应用前景７
3.3变频器的选择7
３．3.1变频器种类的选择7
3.3．2变频器的规格和指标选择8
3.3.3变频器容量的选择ﻩ8
3．4．１FR-A5４0变频器控制端子接线9
3.４．2端子接线说明ﻩ1０
４.1 PLC简介1４
4．2 PLC的硬件选择ﻩ15
４.２.1PLC机型的选择原则15
４.2.2CＯNTROLLＯＧＩＸPLC系统概述1５
4．2.3输入模块的选择ﻩ１７
4.2．4输出模块的选择17
４．2.5 PＬC的通信网络ﻩ１8
4.2.6PＬC控制器的选择18
4.2.9综述１9
5工业洗衣机控制系统软件ﻩ２1
5.１Ｒsｌogｉx500０软件介绍2１
5．1.１Rｓｌｏgix5000软件的功能ﻩ21
５.1.2Rslogｉx5000软件的安装步骤21
5.1.3设计所用的主要指令介绍22
５.2 工业洗衣机程序设计22
５.2．1ＰLC输入输出地址分配ﻩ22
５.2.２ 变频器参数设定ﻩ２3
5.２.3工业洗衣机控制流程ﻩ24
结论ﻩ27
参考文献28
致 谢ﻩ29
1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综合分析了控制系统的设计要求;
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；
介绍了PLC和变频器等主要设备；
④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;
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。
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可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器
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。
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（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（Cｕrrent SouｒceIｎｖerｔer，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。
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。
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。
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。
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。
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。
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:
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。
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控制端子接线图
3.４.2端子接线说明
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
RH
RM
RL
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。
１０
5VDC,容许负荷电流１0ｍA
2
频率设定
（电压）
输入0~５VDC（或0~１０VDC）时5V
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