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第一章工业洗衣机简介……………………………………………4
第二章PLC控制系统设计……………………………………………7
2.1为何选用PLC控制…………………………………………………7
2.2PLC控制系统设计的基本原则……………………………………9
2.3PLCI/O模块的选择步骤与原则……………………………11
第三章机械部分……………………………………………………14
3.1三相交流异步电机………………………………………………14
3.2滚筒………………………………………………………………19
第四章控制部分……………………………………………………25
4.1显示面板…………………………………………………………27
4.2进水………………………………………………………………29
4.3洗涤………………………………………………………………30
4.4排水………………………………………………………………31
4.5脱水………………………………………………………………32
第五章PLC控制部分………………………………………………34
5.1设计步骤…………………………………………………………34
5.2课题内容…………………………………………………………34
5.3控制要求…………………………………………………………35
5.4顺序功能图………………………………………………………36
5.5梯形图……………………………………………………………40
5.6硬件接线图………………………………………………………42
5.7程序工作原理……………………………………………………44
第六章设计总结………………………………………………………45
第七章致谢……………………………………………………………46
第八章参考文献………………………………………………………47
第一章工业洗衣机简介
1.1概述
工业洗衣机是指用于宾馆、饭店、洗衣店或工厂进行大批量衣物清洗用的洗衣机,具有洗涤容量大、效果好、成本低、效率高、污染小等特点。
其洗涤工艺一般由洗涤、漂洗、均布排水和脱水等几部分组成。
整个洗涤控制的关键在于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。
工业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,一般为多台笼型电机采用离合器切换运转或者使用变级电机加上离合器、皮带轮及正反转开关等机械装置实现速度调节。
而且由于负载很大,为了获得大的起动转矩要采用大电阻电机,减速时还另需制动装置。
随着大功率开关器件制造技术及计算机控制技术的发展,采用变频调速控制电机已渗透到各种电力传动系统中。
PLC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,且传动装置可做的很小,控制性能和操作性能都大幅提高;
另外,变频器的使用可以节约大量的水和电。
洗衣机的工作流程由进水,洗衣,排水,和脱水,烘干五个过程组成。
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。
全自动洗衣机中,这四个过程可做到全自动依次运行,直至洗衣结束。
工业洗衣机特点工业洗衣机结构采用卧式滚筒型,工业洗衣机的内筒均采用优质不锈钢精制而成,平整光亮,耐腐蚀,对织物的磨损小且无损伤,机器使用寿命长;
工业洗衣机内筒门盖装有不锈钢安全锁紧机构,门盖上设有行程开关,运转安全可靠。
工业洗衣机采用三角胶带传动,振动小、运转平稳、经久耐用;
适用于洗涤棉、毛、化纤、丝绸等衣物织品。
石磨洗涤机可用于服装厂水洗牛仔服及丝绸等衣物。
满足大容量的洗衣要求。
1.2工业洗衣机的动力要求
对于工业洗衣机滚筒来说:
洗涤过程是频繁的正、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。
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。
由模糊控制器得出的运转模式如图所示。
洗涤、清洗的转速为40r/min,均布排水的转速为70r/min,脱水的转速为400r/min,烘干的转速为30r/min。
另外,变频器还设置了2个斜坡上升/下降时间,1个用于洗涤周期,1个用于脱水周期。
从图中可看出,电机运转过程中需要不断地改变转向,而且调速的范围很宽,这种工作变频器完全能够胜任。
第二章PLC控制系统设计
2.1为何选用PLC控制
2.1.1PLC控制系统与电器控制系统的区别:
PLC控制系统与电器控制系统相比,有许多相似之处,也有许多不同。
不同之处主要在以下几个方面:
1)从控制方法上看,电器控制系统控制逻辑采用硬件接线,利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑,其连线多且复杂、体积大、功耗大,系统构成后,想再改变或增加功能较为困难。
另外,继电器的触点数量有限,所以电器控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。
而PLC采用了计算机技术,其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中,要改变控制逻辑只需改变程序,因而很容易改变或增加系统功能。
系统连线少、体积小、功耗小,而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态,所以“软继电器”的触点数量是无限的,PLC系统的灵活性和可扩展性好。
2)从工作方式上看,在继电器控制电路中,当电源接通时,电路中所有继电器都处于受制约状态,即该吸合的继电器都同时吸合,不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合,这种工作方式称为并行工作方式。
而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行,所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中,受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序,这种工作方式称为串行工作方式。
3)从控制速度上看,继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制,工作频率低,机械触点还会出现抖动问题。
而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的,速度快,程序指令执行时间在微秒级,且不会出现触点抖动问题。
4)从定时和计数控制上看,电器控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制,时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响,定时精度不高。
而PLC采用半导体集成电路作定时器,时钟脉冲由晶体振荡器产生,精度高,定时范围宽,用户可根据需要在程序中设定定时值,修改方便,不受环境的影响,且PLC具有计数功能,而电器控制系统一般不具备计数功能。
5)从可靠性和可维护性上看,由于电器控制系统使用了大量的机械触点,其存在机械磨损、电弧烧伤等,寿命短,系统的连线多,所以可靠性和可维护性较差。
而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成,其寿命长、可靠性高,PLC还具有自诊断功能,能查出自身的故障,随时显示给操作人员,并能动态地监视控制程序的执行情况,为现场调试和维护提供了方便。
[2]接触器控制的缺点:
继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。
他们比以往的产品具有更高的可靠性。
但是,这也是随之带来的一些问题。
如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的,容易损坏。
而且继电器的触点容易产生电弧,甚至会熔在一起产生误操作,引起严重的后果。
再者,对一个具体使用的装有上百个继电器的设备,其控制箱将是庞大而笨重的。
在全负荷运载的情况下,大的继电器将产生大量的热及噪声,同时也消耗了大量的电能。
并且继电器控制系统必须是手工接线、安装,如果有简单的改动,也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。
2.2PLC与继电器线路比较PLC有何优势:
1、功能强,性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件,有很强的功能,可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器相比,具有很高的性能价格比。
可篇程序控制器可以通过通信联网,实现分散控制,集中管理。
2、硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强
可编程序控制器产品已经标准化,系列化,模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。
用户能灵活方便的进行系统配置,组成不同的功能、不规模的系统。
楞编程序控制器的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。
PLC有很强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
3、可靠性高,抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。
由于触点接触不良,容易出现故障,PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件,接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场,PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
4、系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。
这种编程方法很有规律,很容易掌握。
对于复杂的控制系统,梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试,输入信号用小开关来模拟,通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后,在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决,系统的调试时间比继电器系统少得多。
5、编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言,其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似,梯形图语言形象直观,易学易懂,熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言,并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言,可编程序控制器在执行梯形图的程序时,用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
6、维修工作量少,维修方便
PLC的故障率很低,且有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因,用更换模块的方法可以迅速地排除故障。
7、体积小,能耗低
对于复杂的控制系统,使用PLC后,可以减少大量的中间继电器和时间继电器,小型PLC的体积相当于几个继电器大小,因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。
PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多,故可以省下大量的配线和附件,减少大量的安装接线工时,可以减少大量费用。
学得辛苦,做得舒服。
2.3PLC控制系统设计的基本原则
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:
2.3.1最大限度地满足被控对象的控制要求
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。
2.3.2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。
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。
2.3.3力求简单、经济、使用及维修方便
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。
2.3.4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。
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。
2.4PLCI/O模块的选择步骤与原则
一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。
PLC的I/O模块有开关量I/O模块、模拟量I/O模块及各种特殊功能模块等。
不同的I/O模块,其电路及功能也不同,直接影响PLC的应用范围和价格,应当根据实际需要加以选择。
2.4.1开关量I/O模块的选择
1、开关量输入模块的选择
开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号,将信号转换为PLC内部接受的低电压信号,并实现PLC内、外信号的电气隔离。
选择时主要应考虑以下几个方面:
1)输入信号的类型及电压等级
开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流/直流输入三种类型。
选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。
直流输入模块的延迟时间较短,还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接;
交流输入模块可靠性好,适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
开关量输入模块的输入信号的电压等级有:
直流5V、12V、24V、48V、60V等;
交流110V、220V等。
选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。
一般5V、12V、24V用于传输距离较近场合,如5V输入模块最远不得超过10米。
距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。
2)输入接线方式
开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式,
开关量输入模块的接线方式
a)汇点式输入b)分组式输入
汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端(COM);
而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组,每一组(几个输入点)有一个公共端,各组之间是分隔的。
分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高,如果输入信号之间不需要分隔,一般选用汇点式的。
3)注意同时接通的输入点数量
对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等),应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。
4)输入门槛电平
为了提高系统的可靠性,必须考虑输入门槛电平的大小。
门槛电平越高,抗干扰能力越强,传输距离也越远,具体可参阅PLC说明书。
2.4.2开关量输出模块的选择
开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号,并实现PLC内外信号的电气隔离。
1)输出方式
开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。
继电器输出的价格便宜,既可以用于驱动交流负载,又可用于直流负载,而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小,同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强,但其属于有触点元件,动作速度较慢(驱动感性负载时,触点动作频率不得超过1HZ)、寿命较短、可靠性较差,只能适用于不频繁通断的场合。
对于频繁通断的负载,应该选用晶闸管输出或晶体管输出,它们属于无触点元件。
但晶闸管输出只能用于交流负载,而晶体管输出只能用于直流负载。
2)输出接线方式
开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式,如图6-3所示。
图6-3开关量输出模块的接线方式
a)分组式输出b)分隔式输出
分组式输出是几个输出点为一组,一组有一个公共端,各组之间是分隔的,可分别用于驱动不同电源的外部输出设备;
分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端,各输出点之间相互隔离。
选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。
一般整体式PLC既有分组式输出,也有分隔式输出。
3)驱动能力
开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于PLC外接输出设备的额定电流。
用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。
如果实际输出设备的电流较大,输出模块无法直接驱动,可增加中间放大环节。
4)注意同时接通的输出点数量
选择开关量输出模块时,还应考虑能同时接通的输出点数量。
同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值,如一个220V/2A的8点输出模块,每个输出点可承受2A的电流,但输出公共端允许通过的电流并不是16A(8×
2A),通常要比此值小得多。
一般来讲,同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60%。
5)输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关
开关量输出模块的技术指标,它与不同的负载类型密切相关,特别是输出的最大电流。
另外,晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低,在实际使用中也应注意。
2.4.3模拟量I/O模块的选择
模拟量I/O模块的主要功能是数据转换,并与PLC内部总线相连,同时为了安全也有电气隔离功能。
模拟量输入(A/D)模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量;
模拟量输出(D/A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。
典型模拟量I/O模块的量程为-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等,可根据实际需要选用,同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。
一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块,可用来直接接收低电平信号(如RTD、热电偶等信号)。
2.4.4特殊功能模块的选择
目前,PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I/O模块,有的还推出了自带CPU的智能型I/O模块,如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等
第三章机械部分
3.1三相交流异步电机
3.1.1三相交流异步电动机-介绍
三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。
它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。
对定子绕组通往三相交流电源后,产生旋转磁场并切割转子,获得转矩。
三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点,被广泛应用于各个领域。
3.1.2三相交流异步电动机-基本结构
三相异步电动机主要由定子和转子构成,定子是静止不动的部分,转子是旋转部分,在定子与转子之间有一定的气隙。
定子由铁心、绕组与机座三部分组成。
转子由铁心与
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