基于PLC的全自动工业洗衣机系统设计毕业设计说明书

扬州市职业大学汽车与电气工程系毕业设计说明书(论文)作 者:学 号：教研室: 专 业:电气自动化 题 目:基于PLC的全自动工业洗衣机系统控制 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 摘 要随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，工业电器全自动化成为必然的发展趋势。全自动洗衣机的产生极大的方便了人们的生活。经过几年的平稳发展，国产洗衣机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。根据全自动洗衣机的工作原理,利用可编程控制器PLC实现控制,说明了PLC控制的原理方法,特点及控制洗衣机的特色。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。全自动洗衣机控制系统利用了西门子S7-200系列PLC的特点,对按鈕,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。由于每遍的洗涤,排水,脱水的时间由PLC内计数器控制,所以只要改变计数器参数就可以改变时间。可以把上面设定的程序时间定下来,作为固定程序使用,也可以根据衣物的质地,数量及油污的程度来编程。该论文就怎样利用PLC来控制全自动洗衣机进行了调查，对其中软件设计、硬件设计等问题进行了分析和研究，实现了全自动洗衣机的正常运行和强制性停止功能。关键字：PLC、工业全自动洗衣机、节能目录第一章 项目概述11.1 全自动工业洗衣机的介绍1第二章 性能指标32.1 全自动工业洗衣机的主要性能指标3第三章 设计方案53.1可编程控制器概述53.1.1.可编程控制器的主要特点53.1.2.可编程控制器主要用途63.1.3 可编程控制器的组成73.1.4可编程控制器的工作原理93.1.5 可编程控制器的选择103.2 变频器概述123.2.1交流电动机转速控制123.2.2异步电动机对供电装置的要求133.2.3变频器的控制方式及分类143.2.4 变频器的选择14第四章 设计正文174.1 硬件设计174.1.1 元件选型174.1.1.1 输入元件174.1.1.2 输出元件184.1.1.3 电动机的选择184.2硬件电路连接图204.2.1.主电气原理图204.2.2.控制电气原理图（PLC接线图）214.3 软件设计214.3.1洗衣各过程参数设置214.3.2各子程序介绍23第五章 总结39参考文献40第六章 致谢41 38专科毕业设计说明书（论文）第1章 项目概述1.1 全自动工业洗衣机的介绍工业洗衣机主要用于宾馆、酒店、学校宿舍等需要洗衣量大、洗衣次数频繁的地方，这就要求洗衣机的洗涤效果好、容量大、故障少、可靠性高、寿命长、磨损小、噪声低、运行平稳，正是基于这些要求，工业洗衣机才首选滚筒式结构。现代滚筒式洗衣机，一般采用不锈钢内、外筒密封设计，所以运行时噪声小；通过内筒有规律的正、反滚动形成的水流冲击，使水、衣物相互摩擦，这样柔和的洗涤衣物，使磨损大大降到，而且不会缠绕，可以减小衣物的报废率，对酒店等节约成本，具有直接的经济意义。传统工业洗衣机的程序控制器与水位、水温等控制是分开的，目前已淘汰，随着计算机技术的发展，单片机与PLC已成为洗衣机的主流控制器。单片机就是在一片半导体硅片上集成了微处理器、存储器和各种I/O接口，这一块集成电路芯片具有一台微型计算机的属性。它主要用于测控领域，用以实现各种测试和控制功能。单片机体积小，集成度高，性能稳定，种类多，价格便宜，适合大规模生产，但是它只能在特定的环境中使用，无法适应电磁干扰、粉尘恶劣的环境，另外寿命也不很高，这些特点满足家用洗衣机（产量多、价格低）的要求，所以市场上家用洗衣机常使用单片机作控制器。变频洗衣机产品具有节能、超低噪音、可变水流、高脱水转速等特点，最大的特点就是噪音低，而PLC专为工业环境应用而设计，它的稳定性高，抗干扰性强，寿命长，环境适应能力强，输入输出接口多，虽然其价格比单片机高，但适合工业洗衣机的需要，再加上工业洗衣机利润高，因此现代工业洗衣机普遍采用PLC控制。 工业洗衣机的洗涤工艺一般由正反转洗涤、排水和脱水等几部分组成，整个洗涤控制的关键是低速洗涤时有很平滑的力矩以及脱水时有很高的旋转速度。洗衣机的传动系统相当复杂，在洗涤和脱水时电机转速相差很大，一般为三相异步电机采用离合器切换运转实现速度调节，而且由于负载很大，为了获得大的起动转矩要采用串大电阻电机，减速时还另需制动装置，随着变频调速技术的发展，这种系统已不合洗衣机的发展要求。本设计采用Siemens S7-200 PLC和MM440型变频器作为工业洗衣机的控制系统。可编程控制器的使用提高了系统的抗干扰能力，保证了系统的稳定性；变频器的使用显著提高了工业洗衣机的性能，可用一台电动机从低速到高速大范围调节，满足低速洗涤大转矩和高速脱水的要求，且传动装置可做得很小，控制性能和操作性能大幅提高。第2章 性能指标2.1 全自动工业洗衣机的主要性能指标洗衣机要完成洗衣工作，除了对一般洗衣过程的人工工作及效能进行模拟之外，还要根据洗衣机的机械电子性质进行有关控制和检测。首先要求能完成洗衣功能；同时还要根据用户的不同需求，设置几种不同的洗衣程序；还要考虑洗涤时间长短，决定洗涤的强弱情况。（1）洗涤强度分类：可分为三种弱洗、标准、强洗。由于衣物有脏污程度之分，对于不同的衣物如果还是按同一种强度进行洗涤的话，这样对不脏的衣物洗涤便浪费电能和时间，而对于太脏的衣物洗涤效果又不佳。所以应就衣物脏污程度洗涤不同的时间。为实现三种输入，可选用一个单输入的选择开关对应三种强度洗涤。（2）三种工作方式：全自动、单漂洗、单脱水、单排水。洗衣机主要用于全自动洗衣，有时人们生活需要如对某些衣物只需脱水等，所以考虑附加一些工作方式。为实现这三种功能，我们选用三个按钮，当需要那种方式时便按相应按钮便可。（3）织物类型选择功能：不同类型的衣物，所能承受的最高温度不一样，同时脱水的转速也不一样，织物纤维分为四种：1)棉纤维它由纤维素巨分子相互联接而成的束状物，并相互环绕成卷曲带状，其本身有丰富的毛细管孔道，所以它的吸水性很强，并能在水中膨大，对极性污垢的吸附力较强，对非极性污垢吸附力稍弱。常在高温下对其洗涤，并且脱水速度高才能脱干。2)羊毛纤维羊毛纤维是由羊毛蛋白质分子聚结而成，其表面有一层鳞片紧密覆盖，可防止污垢的侵入，故较易洗净。但如果鳞片被破坏时就易污染，这时就不易洗净，温度高的话就易使其变形。并且羊毛纤维吸水性很强，分子之间的引力了比棉纤维大，吸附油污比棉纤维多。羊毛纤维只能在低温下洗涤。3)丝纤维它也是一种蛋白质纤维，表面比较光滑，污垢附着较轻，易于湿润，也易于洗涤。同时脱水也容易，因此常在低温下洗涤，低速下就能脱干。它与羊毛纤维性质类似，可合为一类。4)化学纤维它可分为人造纤维（棉纤维相似，但表面光滑，不易沾污，较易洗净）和合成纤维（以石油化工产品为原料制成，疏水性高，所以洗后干燥极快，其表面光滑，不易沾污）两种，此类衣物，常使用中等温度下洗涤，脱水也要较高转速才能脱干。所以衣物大体可分为四种：纯棉类、化纤类、羊毛类、化学纤维类。洗涤时，先对衣物做好分类，这样采用不同的洗涤温度和脱水速度进行针对性地对待，才能在不损伤衣物的情况下，清得更干净。（4）停止功能：在出现意外或需要停止时，可按停止按钮停止。用一个按钮输入便可。（5）声光提示功能：对于洗衣的工作状态有指示灯提示。同时洗完后应有声音提示。第三章 设计方案3.1可编程控制器概述可编程控制器简称PLC（Program Logic Control）。国际电工委员会(IEC)颁布的对PLC的定义为：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。由此可知，PLC是专为“工业环境下应用而设计”，“易于与工业系统联成一体”。3.1.1.可编程控制器的主要特点（1）可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条件。继电器接触器系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象大大降低了系统的可靠性。而在PLC系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，因而具有极高的可靠性。据有关资料统计，目前各生产厂家生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。（2）适应性强，应用灵活。由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求。重要的是，PLC系统接线很少，其主要功能是通过程序实现的，在需要修改设备的控制功能时，只要修改程序，修改接线的工作量很小。（3）功能强，扩展能力强。PLC中含有数量巨大的供用户使用的编程软元件，可轻松的实现大规模的控制。PLC配合功能单元能方便地实现A/D、D/A转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有通信联网功能，它不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。它不但可以进行现场控制，还可以用于远程监控。（4）维修方便，简单，工作量少。PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点状态均有显示。工作人员通过这些信息可以查找故障原因，便于迅速处理。（5）编程简单，易于使用。易于使用PLC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。（6）体积小，能耗低，易于机电一体化。3.1.2.可编程控制器主要用途（1）数字量逻辑控制：这是PLC应用最广的领域，用以取代传统的继电器控制。含触点的串、并联及组合逻辑或控制、定时、计数控制等。PLC可应用于单片机控制、多机群控、生产自动线控制。其应用领域已遍布各行各业，甚至深入到家庭。（2）运动控制：PLC使用专用运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度运行控制，可实现单轴、双轴、三轴和多轴控制。使运动控制与逻辑控制结合起来，可编程运动控制可以用于各种机械，如机床、装配机械、机器人、电梯等。（3）过程控制：通过模拟量I/O模块，PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID功能的提供使PLC具有闭环控制能力，可用于过程控制。使PLC广泛地应用于塑料成型、加热炉、热处理设备、锅炉及轻化工、冶金、电力等行业。（4）数据处理：现代可编程控制器具有数学运算、数据传送、转换、查表、排序、位操作等工能，可以完成数据的采集及处理。运算数据可以与参考值比较用于控制，也可以通过通信传送给其他智能装置，或将数据打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如过程控制系统、无人柔性控制系统等。（5）通信联网：可编程控制器通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程控制器之间的通信、可编程控制器与其他智能控制设备，如计算机、变频器、数控装置之间的通信，这些设备由于网络组成集中管理分散控制的分布式控制系统，极大地提高了控制的可靠性。3.1.3 可编程控制器的组成根据结构不同，PLC可分为整体式（单元式）和组合式（也称模块式）两类：（1）整体式结构的PLC将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机，另外还有独立的I/O扩展单元及扩展模块等与主机配合使用。整体式PLC结构紧凑、体积小，小型机常采用这种结构，其组成示意图见图11所示。图31整体式PLC的组成示意图（2）组合式的PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成单个的电路或模块，各模块可以插在带有总线的底板上。组合结构PLC的特点是配置灵活，输入接点、输出结点的数量可灵活选择，各种功能模块可以依需要配置，中、大型常用组合式结构。可编程控制器主要组成部分介绍：（1）中央处理器（CPU）CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作。主要用途如下：1)接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储；2)用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区（输入映像寄存器)；3)监测和诊断电源、PLC内部电路的工作状态和用户编程过程中的语法错误等；4)执行用户程序。从存储器逐条读取用户指令，完成各种数据的运算、传送和存储等功能；5)根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出映像寄存器表的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。（2）存储器PLC使用的物理存储器有随机存储器（RAM），只读存储器（ROM）及可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM或EPROM）等。从用途上分系统存储器和用户存储器两部分，系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。（3）输入、输出接口输入输出接口是PLC与外界连接的接口，含开关量接口及模拟量接口。开关量输入接口用来连接钮、选择开头、行程开关等开关量输入信号；模拟量输入接口用来连接电位器、传感器等模拟输入信号。开关量输出接口用来连接接触器、电磁阀及指示灯等执行器件；模拟量输出接口连接使用模拟量控制的调节阀及调速装置等。常用开关量输入单元有直流输入单元与交流输入单元。常用的开头量输出单元有三种，可分为晶体管输出单元、晶闸管输出单元、继电器输出单元。1)晶体管输出单元：输出器件为晶体管，只能用于直流负载，它最大的优点是适应于高频运作，响应时间短，一般为0.2ms左右，但它只能带DC5-30V的负载。 2)晶闸管输出单元：输出器件是晶闸管，带负载能力为0.2A/点，只能带交流负载，可适应高频动作，响应时间为1ms。3)继电器输出单元：输出器件为继电器，优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达2A/点，其不适用于高频动作的负载，这是其寿命决定的，响应时间为10ms其寿命一般在几十万至几百万次之间。当系统输出频率为每分钟6次以下时，应首先选继电器输出。（4）电源PLC使用220V或24V直流电源。内部开关电源为各部分电路提供5V、12V、24V直流电源。其中5V电源一般用于CPU及扩展模块的工作电源。小型PLC一般都为输入输出电路和外部电子传感器提供24V直流电源，驱动输出口的交直流电源一般由用户另行解决。但是PLC提供的电源的负载能力都是有限的，在配置时不能超载工作，例如本门子S7-200系列PLC的CPU内部电源24V DC输出最大电流为400mA，CPU及扩展模块所消耗的电流总和不能大于此值。当传感器的电流较大时，可以考虑使用外部24V电源，另外还要注意电源线的接法，外部电源不应和内部电源线并联连接，以避免影响它们各自的输出。3.1.4可编程控制器的工作原理作为电器控制装置，可编程控制器必须接入电路，与主令器件、传感器件及执行器件共同构成系统才能承担控制任务。应用程序是控制的核心，它是输入输出单元联系纽带。PLC的运行过程，请见图32所示。图32PLC运行框图上电处理是PLC上电后对系统进行的一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定等。扫描阶段因执行系统和应用程序而得名，在每次执行系统程序前先完成与其它外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新，而执不执行应用程序还与CPU的运行方式有关，扫描阶段主要分三部分：输入采样阶段：PLC扫描所有输入端子，并将各输入状态存入输入映像寄存器中，此时刷新输入映像寄存器，在本次扫描周期内，不管输入信号如何变化它的内容将不再改变，只有到下一个扫描周期时再更新。程序执行阶段：根据指令一条一条扫描执行，当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的输入状态，从相关元件映像寄存器“读入”这些元件的状态，然后进行相应的计算，结果再存入相应的元件寄存器中。所以元件寄存器在程序执行过程中会不断的变化。输出刷新阶段：在所有指令执行完毕后，将元件映像寄存器中所有输出元件的状态转到输出锁存器中，并通过输出接口单元输出。3.1.5 可编程控制器的选择I/O分配表 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。表33PLC地址分配表符号地址功能说明选择开关SA1I0.0带冲洗功能选择选择开关SA2I0.1带漂洗功能选择按钮SB1I0.2启动洗衣机为全自动方式运行按钮SB2I0.3启动洗衣机为单排水方式运行按钮SB3I0.4启动洗衣机为单脱水方式运行位置开关SQ1I0.5低水位检测输入位置开关SQ2I0.6中水位检测输入位置开关SQ3I0.7高水位检测输入选择开关SA3I1.0选择弱洗I1.1选择标准I1.2选择强洗选择开关SA4I1.3选择纯棉类I1.4选择化纤类I1.5选择羊毛类按钮SB4I2.0使系统停止的输入电磁阀YV1Q0.0用于进水控制电磁阀YV2Q0.1用于控制是否冲入预洗液电磁阀YV3Q0.2用于控制是否冲入主洗液电磁阀YV4Q0.3用于控制是否冲入漂白液电磁阀YV5Q0.4用于排水控制指示灯HL1Q0.5用于指示电源指示灯HL2Q0.6表示洗衣机正处在全自动运行状态指示灯HL3Q0.7表示洗衣机正处在单排水运行状态指示灯HL4Q1.0表示洗衣机正处在单脱水运行状态扬声器Y1Q1.1用于发出声音，提示洗完继电器KM1Q2.0用于控制加热电源的开与断PLC通讯口1（地）接MM440变频器的 2（地）PLC通讯口3（A）接MM440变频器的29（P+）PLC通讯口8（B）接MM440变频器的30（P-）我们选用西门子公司S7-200系列PLC中的CPU224。它是一种整体式结构的小型PLC，有14个数字输入接口，10个输出接口，CPU226虽然在数字量输入输出（24入/16出）上，不用扩展就能满足需求，但它比CPU224要贵得多，所以考虑到成本方面PLC选用CPU224型，同时扩展一个数字输入输出接口模块EM223(4入/4出)；对于变送器送过来的标准传感器420mA模拟信号，我们选用EM231模拟量扩展模块（4路模拟量输入口）。这样对于数字输入输出空余3入/3出，模拟量输入空余2路，以作备用。PLC的输入接口有开关量接口及模拟量接口两类，而常用开关量接口又有直流输入单元与交流输入单元之分，由于此次设计的都是24V的直流开关信号，所以采用直流输入单元。而开关量输出单元，既有直流输出又有交流输出，同时要求输出量的变化不是很频繁，所以在此选用继电器输出电路。对于SIEMENS S7-200系列PLC，用该公司专用的编程器STEP 7-Micro/WIN V4.0编写相应的程序。3.2 变频器概述变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。通用变频器是将固定频率输入的交流电源变换为可变频率交流电输出的电力电子设备。下面介绍变频器的控制方式。3.2.1交流电动机转速控制从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是50Hz。而交流电动机的同步转速： （2-1）式中：N1为同步转速，r/min；f1为定子电流频率，Hz；P为电动机的磁极对数。异步电动机转速： （2-2）式中：S为异步电动机转差率，一般小于3。以上两式说明，无论是同步电动机还是异步电动机，转速都与送入电动机的电流频率成正比例变化，即改变电源频率可以方便地改变电动机的运行速度。3.2.2异步电动机对供电装置的要求三相异步电动机定子每相电动势的有效值为： （2-3）式中：E1为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，V；f1为定子频率，Hz；N1为定子每相绕组串联匝数；kr1为与绕组结构有关的常数；M为每极气隙磁通量，Wb。由式2-3可知，如果每相电动势的有效值E1不变，改变定子频率时就会出现以下两种情况：（1）如果f1大于电动机的额定频率f1N，气隙磁通就会小于定额气隙磁通量MN，结果是尽管电动机的铁芯没有得到充分利用，但在机械特性允许的条件下长期使用，电动机不会损坏。（2）如果f1小于电动机的额定频率f1N，那么气隙磁通就会大于额定气隙磁通量MN，会导致电动机的铁芯产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。因而在保障电动机不因电流加大而过载且充分利用电动机磁路的前提下，变频调速时，电源的电压与频率最好同时变化，有以下两种情况：（1）基频以下调速 要保持M不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时必须同时降低E1，使常数，这就是采用电动势与频率之比恒定的方式。（2）基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增高，但电压V1却不能超过额定电压V1N，最多只能保持。由式2-3可知，这将迫使磁通随频率的升高而降低，当于直流电动机弱磁升速的情况。综上可知，异步电动机可以有基频以上调速及基频以下两种调速方式。基频以上电压基本不变，弱磁而为恒功率调速。基频以下则需电压与频率同步变化，磁通不变，为恒转矩负载特性。由此可知，变频调速的供电装置必须具有以上功能才能满足电动机的要求，这样的装置称为变压变频装置，变压变频也是通用变频器工作的基本模式。3.2.3变频器的控制方式及分类如何实现变压变频，输出平滑规则的正弦波形，实现良好的驱动性能，是变频器的根本任务，变频器控制中出现了多种控制方式，现在此做一简单介绍：（1）控制 即电压与频率成比例变化控制。其特点是控制电路结构简单，成本较低、机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求。（2）转差频率控制 从电动机转速角度看，这是一种以电动机的实际运行速度加上该速度下电动机的转差率确定变频器输出频率的控制方式。（3）矢量控制（VC） 矢量控制将交流电动机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量及转矩分量，并分别控制，从而大大提高了变频器对电动机转速及力矩控制的精度及性能。（4）直接转矩控制（DTC） 转矩控制把转矩作为直接被控量，而不是通过控制电流及磁链间接控制转矩。3.2.4 变频器的选择由于洗衣机在洗涤时桶内有大量水，对电动机在低速时输出转矩要求较高。对于这一点可选用与西门子PLC相配套的变频器MM440，它是一种矢量型通用变频器，具有良好的低速高转矩输出及良好的动态性能。MM440变频器的输出频率控制有以下四种方式：（1）基本操作面板（BOP）操作方式这是通过操作面板上的按扭手动调节输出频率的操作方式，这种方式在此不适合自动调节。（2）外输入端子数字量频率选择操作方式变频器通常设有多段固定频率选择操作功能。各固定频率值通过功能码设定，频率段的选择通过外部端子选择。由于这种方式所能实现的频率个数有限，所以不采用这种方式。（3）外输入端子模拟量频率选择操作方式MM440设有模拟量输入端子，当接在这些端子上的电流或电压量在一定的范围内平滑变化时，变频器的输出频率在一定的范围内平常变化。这类方式可由PLC扩展一个模拟量输出模块，输了模拟量来控制变频器，这种方法缺点是要扩展一个模块，从而增加了成本。（4）通信数字量操作方式为了方便与网络接口，变频器一般都设有网络接口，都可以通过通信方式接收频率控制指令，西门子公司设计了与PLC专用的通信协议通用的串行口协议（USS），它是按照串行总线的主-从通讯原理来确定访问的方法。总线上可以连接一个主站和最多31个从站。主站根据通讯报文中的地址字符来选择要传输数据的从站。在主站没有要求它进行通讯时，从站本身不能首先发送数据，各个从站之间也不能直接进行信息的传输。这种方法可以通过指令设置想要的频率输出，只需用一根通信线把PLC与变频器连接起来便可。所以比较四种方式，选用通信数字量操作方式最好。S7-200系列PLC安装的是标准的9针“D型”插头/座，为了解方便设备的连接，西门子公司提供了专用的网络连接器，用于连接RS485接口设备。而变频器MM440有相应的RS485通信端口，所以只需用相应电缆将CPU224与MM440的端子1与2、3与29、8与30相连就能实现硬件上的通信。变频器MM440要实现USS通信还得对其相关参数设置事先置，请使用变频器自带小键盘设定表31中相关的参数。表31变频器参数设定参数号设定值功能说明P00033专家模式，使能读/写所有参数P000420通迅P01000输入交流电率（50Hz）P03001电动机类型（异步电动机）P0304380电动机额定电压设定P030515.4电动机额定电流设定P03077.5电动机额定功率设定P03080.85电动机额定功率因素设定P030987%电动机效率设定P031050电动机额定频率设定P03111440电动机额定转速设定P07005USS对变频器进行控制P10005USS通迅发送频率设定值P13000线性v/f控制方式P20106变频器USS波特率设为9600P20110变频器从站USS节点地址（030） 第四章 设计正文4.1 硬件设计 为了实现各种控制功能，在此对PLC、变频器等器件进行选型和电路连接，在硬件上实现控制功能要求。4.1.1 元件选型根据控制要求确定，相应的输入与输出，主要选择PLC、变频器和电动机的型号。4.1.1.1 输入元件由控制要求我们可以选择4个按钮(SB)作为程序选择和暂停，选用三个位置开关（SQ）作为高、中、低水位的输入，选用二个3输入的选择开关(SA)用于选择所洗衣物的类型、洗涤强度。（1） 按扭（SB）按钮是一种结构简单的手动主令电器，当按钮被按下时，先断开常闭触点，然后才接通常开触点。按钮释放后，在复位弹簧作用下使触点复位。在没有按动按钮时，接在常开触头接线柱上的线路是断开的，常闭触点接线柱的线路是接通的；当按下按钮时，两种触点状态改变，同时也使与之相连的电路状态改变。基于按钮的这种不按常开触点不通，按下导通后一旦放手又还原为不导通，这种优点正适合用来做选择全自动、单排水、单脱水、停止这四种功能的输入主令电器。（2）位置开关（SQ）滚筒式洗衣机一般使用水位控制器来检测水位。水位控制器由动静触点、橡胶气模片和气室等组成，它安装在洗衣机的上部，通过一根密封的导管与洗衣机的外桶（盛水桶）底部的贮气室相连，形成气路。当水注入外桶时，贮气室被封闭，随着水位的升高，密闭室内的空气气压随水压成正比例增大，密闭室内的空气压力也随之增大，到一定水位后，空气压力使橡胶气模片发生形变而推动电触点状态发生转换，使常闭触点断开，常开触点接通，从而使洗衣机检测到相应的水位。由于有三种水位（高、中、低），所以要采用三个水位控制器。我们选用3个位置开关表示水位控制器的动静触点。（3）选择开关（SA）开关是一种有别于按钮的主令电器，开关有很多种，最简单开关只表示两种状态开与关，按下后常开触点闭合，电路接通，放手后，开关不会像按钮那样自动复位，仍保持开的状态。对于带冲洗与带漂洗这两种功能的输入控制可以选用开关来做主令器件。对于电路中，希望选择性的导通其中一路，那么可以使用选择开关。对于洗涤强度、衣物分类这两种功能的实现，可以选择两个三选一的选择开关，作为输入。4.1.1.2 输出元件（1）继电器（KM）。电磁式继电器是用来接通与分断负荷电流的电磁式电器，用于控制加热电源的开与断。它主要由线圈、铁芯、衔铁、动静触点、弹簧等组成。当线圈通电时，由电磁感应原理可知，线圈引衔铁带动触点动作，使常闭触点断开，常开触点闭合；当线圈失电时，衔铁在弹簧的复位用力下迅速使常开触点断开，常闭触点接通。 （2）电磁阀（YV） 电磁阀的工作原理与继电器差不多，只是它可能使相应的阀门打开和关闭。进水与出水都可以使用电磁阀来实现，洗涤液也是通过电磁阀来打开阀门，用水将其冲入洗衣机的。在这里主要作用：用于进水控制、用于控制是否冲入预洗液、用于控制是否冲入主洗液、用于控制是否冲入漂白液的控制。（3）指示灯（HL）用来指示洗衣机的工作状态。选用4个指示灯分别用作电源指示（表示洗衣机电源已接通，等待选择以全自动、单排水、单脱水三者中的那种工作方式运行）、全自动运行指示、单排水指示、单脱水指示。对于洗衣机的运行指示选用24V的指示灯便可。（4）扬声器（Y）用于发出声音，提示洗完。声音提示选用一个24V供电的扬声器。4.1.1.3 电动机的选择这里设计的工业洗衣机容量为300公斤，对此选用Y132M-4型异步电动机（图4-1），相关参数为：额定功率为7.5kW、额定电压为380V、额定电流为15.4A、额定转速为1440rpm（r/min）功率因素为0.85、效率为87%。由于洗衣机容量为300kg，其负载转矩理论上为：式中：TL为负载转矩，Nm；F为力，N；r为圆心到力的有效距离，m；，D为圆柱的直径，设为两米，由于圆柱类物体其重力在数学微积分算得在其半径的一半处，所以，为重力加速度。而电动机的输出转矩为：输出转矩比负载转矩大，所示能带动，同时有一定的余量，是考虑到传动装置、摩擦等因素要有一定的阻转矩。异步电动机转速与变频器频率关系计算：同步转速：转差率：转速与频率关系：所以，转速N与频率f1；对应关系请见表31所示：表31转速N与频率f1对应表异步电动机的转速（r/min）40706008001200异步电动机的转速（r/min）1.332.3320.0026.6840.02图4-14.2硬件电路连接图4.2.1.主电气原理图三相异步电动机由变频器提拱可变频率的交流电，以实现不同的转速，而变频器由电网三相交流电供电。加热管中的电阻丝用KM1控制其是否加热，而KM1又由PLC控制其线圈通电。由220V交流电供电。主电路电气原理图请见图42所示。图42主电气原理图4.2.2.控制电气原理图（PLC接线图）数字输入供电由24V直流电源，输出除了继电器KM1由220V电网供电外，其余也均用24V直流电供电。CPU224可以直接安装在板上，也可以安装在DIN导轨上，利用总线连接电缆，将CPU与扩展模块EM223、EM231连接起来。如图43所示。图43控制电路电气原理图CPU224 AC/DC/Relay接线图“CPU224 AC/DC/Relay”中，AC表示CPU电源为220V交流电源，DC表示输入口的电源类型为直流，Relay表示输出口器件的类型为继电器输出电路。4.3 软件设计在硬件电路上如何实现相应的功能，这就是软件的任务。软件设计就是对控制器PLC编写相应的程序。通过这些程序控制PLC的输出，使相应的执行元件如电磁阀、电动机进行相应的动作。下面通过对洗衣过程各种参数设置，然后用顺序功能图来表明软件设计流程，最后用部分梯形图实现PLC对变频器MM440的程序控制。4.3.1洗衣各过程参数设置洗衣机洗净衣物的过程实质上是在化学力和机械力的共同作用下，将衣物上的污垢从衣物表面及纤维孔隙中拉挤出来的过程。在这一过程中，通过水、洗涤剂和机械力三者结合温度的作用，降低、削弱和破坏了污垢与织物间的所形成表面附着、机械附着、分子间引力结合和化学结合，使污垢脱离衣物，达到洗净的目的。因此，把机械力、洗涤液（水与洗涤剂）、温度看作洗涤过程的三要素。其中洗涤剂具有活化作用，而一定温度的水起吸收污垢的媒介作用，机械力起揉搓作用。只有将机械力、洗涤液、温度三者合理配置，洗衣机才能实现最快又最有效的洗净衣物。机械力和洗涤液变化不大，经常是提高温度来实现，不同的类型的衣物，所能适应的温度不尽相同，在能适应的最高温度下洗涤，这样可以更快的洗涤，同时洁净效果好。不同的洗衣过程，三要素的配合也不相同，有些不用加热也不用加洗涤剂，有些则需要，洗衣机常见洗衣过程如下：（1）预洗：常加入湿润剂等预洗剂预处理一下衣物，为主洗阶段做准备。有时在预洗前常加入冲洗阶段，是因为对于一些太脏的衣物，能够冲去一些水溶性污垢，沉淀大部分不溶性污垢。（2）主洗：常加入洗衣粉等来彻底去除污物。（3）清洗：又称漂洗，是把主洗所洗下的污物从衣物上清透干净。通常清洗3次才能清洗掉大部分污物。（4）脱水：通过高速旋转产生离心力，使衣物中的水其甩干。有时主洗等过程结束时，也要脱水，只是最后一次清洗完后要彻底脱水，将衣物甩干。上述过程只是洗净衣物，但有时为了衣物的美观，洗涤时也常加入一些特殊的洗涤剂，最常见的是漂白，它常安排在主洗阶段之后，通过加入相应的漂白剂，来去除污垢洗去后留下的色斑，并增加衣物的观赏感。漂白剂没有清洁作用，并且漂白应对不同的衣物分类进行。洗衣各过程中的洗涤参数配置如表45所示。表45洗衣各过程中的洗涤参数参数过程是否加洗涤剂进水水位要求达到的温度（）正反洗涤时间（min）纯棉类化纤类羊毛类弱洗标准强洗（冲洗）不加高冷水冷水冷水555预洗加中404040235主洗加低906040101520（漂白）加低6040403812一次清洗不加高冷水冷水冷水555二次清洗不加高冷水冷水冷水555三次清洗不加高冷水冷水冷水555三类织物最高脱水转速也不一样，同一脱水转速脱水时间不一样，那么脱水后衣物的干湿程度也不同，合理安排各脱水参数，来达到相应的效果，表46为各过程脱水参数表。表46洗衣各过程中的脱水参数参数过程洗涤转速(rpm)均布转速(rpm)均布时间(min)最高脱水转速（rpm）脱水时间（min） 纯棉类化纤类羊毛类（冲洗）407011200800600不脱 预洗40701不脱主洗407013（漂白）407012一次清洗407013二次清洗407013三次清洗40701104.3.2各子程序介绍顺序功能图上是顺序控制程序组织的重要工具，由于它的编程方法规范，条理清楚，且易于化解复杂控制间的交叉联系，使编程变得容易，在1994年5月公布的IEC可编程控制器标准中，顺序功能图被确定为可编程控制器首位的编程语言。顺序功能图是将系统的一个控制过程分为若干个顺序相连的阶段，这些分阶段称为步，也称为状态，并用编程元件来代表它。下面介绍编写的程序工作过程，用顺序功能图表示如下：1) 主程序OB1PLC的工作过程就是一个循环扫描的过程。如图44所示：在CPU在转为RUN状态时，SM0.1接通一个扫描周期，转到步S0.0，此时激活顺控继电器S0.0，这时调用初始化子程序SBR_0，用于传递用户选择数据、 对相关变量赋值等，初始化子程序SBR_0调用返回后，开始等待用户指定工作方式：全自动（SB1）、单排水（SB2）、单脱水（SB3）。按相应的按钮便激活相应步序，其它两步不激活，如按SB1（I0.2）便激活步S0.1，激活步S0.1的同时复位顺控继电器S0.0，使其变为不活动步，当第二个扫描周期到来时由于SM0.1不导通，步S0.0便不能被激活，便屏蔽步S0.0中的内容，直接转到步S0.1（因为该步是激活状态，同时又没转到下一步），继续往下扫描。如何用户没有按SB1，不进行相关操作，那么PLC还是如此循环扫描，只是永远停留在步S0.0，直到有相关指令输入才会跳出S0.0。由于PLC是循环扫描的，同时扫描时间很短，一般在10ms100ms之间，所以当你按按钮的时候PLC刚扫描过S0.0这一步，你完全不用担心PLC没采集到这一输入信号，因为人们通常按一下按钮的时间比PLC循环扫描的时间大得多。图44主程序OB1顺序功能图在主程序中使用子程序的优点：可以节约扫描时间，同时可多次被调用，减少程序冗繁，更加简明易读懂。2)洗涤子程序SBR_11不管冲洗、预洗、主洗、漂白、清洗都要用经过洗涤这一过程，所以将其设为一个子程序，减少编程麻烦。如图45所示：通过设置一个标志位M0.0，表示其开始。程序开始时，先暂停2s，使刚进完水后，关闭电磁阀有一个缓冲时间。然后判断调用前设置的标志位M0.2，确定是不是需要加热，要加热的话同时给出加热的温度，再调用加热子程序，当加热子程序SBR_12加热到预设值后，便置位加热完成标志位M0.3，通过检测M0.3的状态来实现步的跳转。图45洗涤子程序SBR_11顺序功能图接下来通过T38来定时30 s，用于控制电动机正转12s后停3 s，然后反转12 s，停3 s，完成一个正反周期。T38时间到后转至下一步，复位T38，并且使洗涤时间VW34变量减少一个正反周期（30 s），比较VW34还大于0的话便继续正反洗涤，直到洗涤时间到为止。VW34洗涤时间变量存储的是一个整数，它表示洗洗涤多长时间，是30s的倍数。如洗涤10min，那么VW34的值为20。3)洗后脱水子程序SBR_13对于主洗、漂白、清洗过程洗后要进行脱水，所以也将脱水这一过程设为一个子程序。图46所示：调用该子程序前，先设置需要脱水的标志位M0.1，这样洗后脱水子程序SBR_13运行时通过检测M0.1的上升沿转入子程序的第一步S4.0。图46洗后脱水子程序SBR_13顺序功能图由于衣物在洗衣机内不均匀分布，所以洗衣机的转筒的重心不在转轴上，这样在极高的工作转速下会产生很大的偏心激振，从而引起整体结构的剧烈振动。所以在高速脱水前先进行一段时间的低速脱水过程即通常所说的均布排水过程。在脱水子程序中进行一分钟的70rpm（转/分）的均布过程，然后以最高转速VW2进行脱水VW40分钟。由于衣物不同，所允许的最高脱水转速也不同，所以用一个变量VW2来代替，它的值在初始化子程序中早已根据输入的信息赋值。脱水时间的长短决定了衣物的干湿程度，由于最后一次清洗要求将衣物脱干，所示脱水时间比相对较长，而主洗、漂白时要求衣物稍微脱一下，所以时间较短，不同的脱水时间在调用脱水子程序前，通过对变量VW40来赋值便可。脱水完毕后，延迟10s让水流完，再关闭排水阀。4)冲洗子程序SBR_6冲洗的目的是湿润衣物，同时使不溶性污垢脱离衣物沉淀下来，水溶性污垢溶解脱离衣物，减少主洗阶段使用洗涤剂量，这一步并不是必须的，在衣物太脏时才进行，并且冲洗时不加入洗涤剂，而且不用脱水。如图47所示：冲洗第一步是进水，当进到高水位时，便将冲洗这一洗涤过程将要洗涤的时间传到洗涤子程序SBR_11，以便调用洗涤子程序。图47冲洗子程序SBR_6顺序功能图5)预洗子程序SBR_7预洗常加入预洗剂，常用的如湿润剂，对衣物不太脏时，常常是冲洗和预洗合在一个步骤来洗。图48所示：预洗过程，与冲洗类似，只是进水的同时，将预洗液电磁阀打开，让水把事先倒入洗涤盒中预洗格子里的预洗液均匀冲进滚筒中。图48预洗子程序SBR_7顺序功能图6)主洗子程序SBR_8主洗应根据衣物类型与脏污程度凭借人的经验加入不同的适量洗涤剂（如洗衣粉等），同时配合不同的温度和洗涤时间。洗衣机常安排低水位或中水位进行洗涤，这是因为主洗阶段要加热，大量的水会浪费很多时间加热，而且衣物之间的摩擦也不充分，以致洗涤效果不好，同时大量的水对电动机输出转矩要求也很高。如图49所示：洗涤阶段与预洗差不多，只是进水时是打开的主洗液电磁阀，将洗衣粉均匀冲入滚筒中，但洗后要脱水。脱水前先置位M0.1，并且将脱水时间传给脱水子程序。这样便调用脱水子程序进行脱水操作。只需检测洗后脱水子程序SBR_13最后一步S4.2的状态，当S4.2为1时，表明已脱完。图49主洗子程序SBR_8顺序功能图7)漂白子程序SBR_9应对不同的衣物进行分类漂白，同时温度、水量也要适度，常用低水位。如图410所示： 图410漂白子程序SBR_9顺序功能图8)清洗子程序SBR_10清洗，又称漂洗，是将主洗和漂白等过程加入的洗涤剂和洗下的污垢全部清透干净。一般来说应清洗3次，同时应用大量的水。因此洗衣机常用高水位洗涤。如图411所示：清洗过程只需进水，然后调用SBR_11子程序进行清洗，随后调用SBR_13进行脱水，只是最后一次要进行较长时间脱水，将衣物甩干。图411清洗子程序SBR_10顺序功能图9) 加热子程序SBR_12如图412所示：程序开始时便判断采样值VW30是否小于预期要加热到的温度值VW32，小于便开始加热；大于便停止加热，同时置位加热结束标志位M0.3，以便调用本加热程序的程序实现顺序控制。图412加热子程序SBR_12梯形图10) 采样子程序INT_0中断对于计算机为应对紧急事件而设立的一种运行机制，但是并不一定在计算机的任何运行时间点上都可以允许中断的发生。对于PLC的应用程序的运行来说，任何时候都响应内部及外部的所有中断称为全局开中断，任何时候都不响应各种中断称为全局禁止中断。当PLC进入RUN状态时，自动进入全局中断禁止状态，采样子程序INT_0需要开放全局中断，所示在主程序一开始就用全局中断允许指令（ENI）开放全局中断，如图4-13所示，它应先放在主程序最前面。定时中断用于定时采样温度与流量这两个模拟量，而中断连接指令ATCH在定时器0产生的中断时（定时器0中断事件号为10），连接采样子程序INT_0。将采样周期100ms写入SMB34，使定时到100ms时便产生相应的中断，这时ATCH便将控制权交给采样子程序INT_0，进行采样。定时器的增量为1ms。图413 采样子程序INT_0的初始化梯形图如图414所示：采样子程序INT_0中，将采样到的温度值赋给VW32，采样到的流量值赋给VW36，以供其它子程序调用这两个参数。图414 采样子程序INT_0梯形图第五章 总结在本次设计中，对三种织物进行针对性的洗涤，这样可以根据织物的特性，采取不同的温度和脱水方案；通过加热功能设置不同的水位洗涤，则可以节省大量的水资源和洗涤剂；西门子S7-200系列PLC通过USS协议，数字量方式控制MM440变频器，在硬件上只需一根电缆连接，在软件上编程方便，而且调整易实现，调整范围广，另外变频器的使用可简化洗衣机传动装置，减少机械故障，还可省电。此次设计还有许多不足，首先在洗涤时省去了许多检测，比如滚筒内泡沫多少、混浊度等，这样会导致有时洗涤剂过量而浪费、有些衣物没洗净等现象发生；其次控制系统中没有显示屏来显示洗衣机所处的状态信息；再次洗衣机在脱水时，程序设置不现实，还不能实现在最短时间内平稳地脱干。以后的工业洗衣机将更加智能，通过各种传感器检测衣物布质、布量、洗涤方式、混浊度等相关参数信号传入PLC，然后经过模糊决策的方法得出最佳洗涤策略，这样可以实现水、温度和洗涤强度最佳配合来合理洗涤，在洗净的基础上，实现最大可能节约水、电、洗涤剂等资源。在这次毕业设计中我深刻地体会到，在动手设计以前，应该进行充分调查研究，根据所收集的资料进行系统分析，在脑海中形成一个具体的结构，再进行有计划的实施。在三年的学习中，我现在发现我对理论知识的学习不够严谨，专业知道方面范围太小。我现在深深体会到，自己要想在专业方面有所作为，不仅要有严谨认真，注重实践的科学态度，还要有较为