三菱FX1N系列PLC对全自动洗衣机控制系统总体控制.docx
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三菱FX1N系列PLC对全自动洗衣机控制系统总体控制
摘要
本文介绍了利用三菱FX1N系列PLC对全自动洗衣机控制系统总体控制,阐述了控制方案。
实现全自动洗衣机控制系统总体控制有多种,可以采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路。
近年来随着科技的飞速发展,单片机、PLC的应用不断地走向深入,同时带动传统的控制检测技术的不断更新。
本文采用日本三菱公司生产的FX1N-48MR型PLC作为核心控制器进行全自动洗衣机控制系统的设计,并且设计出了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的分配方案。
同时根据全自动洗衣机控制系统总体控制要求和特点,确定PLC的输入输出分配,并进行现场调试
关键字:
PLC全自动洗衣机控制系统PLC硬件和软件设计
Pick
ThispaperdescribestheuseofPLCFX2Nmitsubishiseriesofautomaticwashingmachinecontrolsystem,overallcontrol,thispaperexpoundsthecontrolscheme.Realizefull-automaticwashingmachinecontrolsystemhasavarietyofoverallcontrol,canusetheanaloganddigitalearlyhybridcircuitmodulecircuitor.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationofPLCandsingle-chipconstantlytofurther,whiletraditionalcontroltesttechnologyconstantlyupdated.BasedontheproductionFX2NmitsubishiJapanasthecore48MR-typePLCcontrollerforautomaticwashingmachinecontrolsystemdesign,andthesystemstructureanddesignprograminstruction,ladderdiagramandtheinputandoutputterminalsofallocationscheme.Accordingtotheoverallcontrolofautomaticwashingmachinecontrolsystem,PLCrequirementsandcharacteristicsofdistributionofinputandoutput,andcommissioning
Keywords:
PLCautomaticwashingmachinecontrolsystem,PLCprogramdesign
目录
1前言1
2总体方案设计2
2.1方案1:
采用常规继电器控制方法2
2.2方案2:
采用可编程控制器控制2
2.3方案论证2
2.4方案选择2
2.5PLC方案选择3
3单元模块设计3
3.1总体设计步骤3
3.2硬件部分的选择4
3.2.1PLC的选型及介绍4
3.2.2自动空气开关的选用5
3.2.3熔断器及熔体额定电流的选择6
3.2.4接触器的选择6
3.2.5热继电器的选择7
3.2.6电磁阀的选择8
3.2.7额定电流计算及保护元件的选择8
3.2.8报警电路9
3.2.9液位传感器的选择10
3.3硬件部分的设计10
3.3.1全自动洗衣机控制工艺流程图设计11
3.3.2PLC输入输出分配图设计14
3.3.2PLC端子接线图的设计15
4软件部分16
4.1全自动清洗机状态流程图的设计16
5系统调试18
6设计总结18
参考文献19
1前言
从古到今,洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动,在洗衣机出现以前,这项劳动并不像田园诗描绘的那样充满乐趣、手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。
这些不断重复的简单的体力劳动,留给人的感受常常是辛苦劳累。
1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战——美国人比尔·布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。
1880年,美国又出现了蒸汽洗衣机,蒸汽动力开始取代人力。
之后,水力洗衣机,内燃机洗衣机也相继出现。
1911年,美国试制成功世界上第一台电动洗衣机,标志着人类家务劳动自动化的开端。
1922年,电动洗衣机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。
70年代后期,微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向,让人耳目一新。
90年代,由于电动机调速技术的提高,洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节,诞生了许多新水流洗衣机。
全自动洗衣机其特点是能自动完成洗涤,漂洗和脱水的转换,整个过程不需要人工操作。
这类洗衣机均采用套筒式结构,其进水,排水都采用电磁阀,由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令,驱动各执行器件动作,整个洗衣过程自动完成。
所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。
从控制方式的发展阶段上分:
全自动洗衣机可分为两大类:
第一类电动控制洗衣机,它的程序控制器由电动元件组成。
第二类是电脑控制洗衣机,它的程序控制器由微型计算机组成。
电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器,其产品类型还属于传统的机械产品,是自动控制的初级阶段。
随着计算机的及微电子技术的发展,自动控制系统正在逐步实现硬件化。
因此,电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、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,控制各种类型的机械。
2总体方案设计
2.1方案1:
采用常规继电器控制方法
在过去的许多年,电气控制系统线路基本采用继电-接触器的控制方法,其线路简单、价格低廉,但是随着现代化工艺的发展,复杂的工作流程使其越来越不能胜任。
虽然采用继电-接触器的控制虽然初期投入较少,但带来的问题是接线复杂、体积大、可靠性不高等一系列问题,且众多的接触控制件容易出现故障,维护不便。
2.2方案2:
采用可编程控制器控制
随着科学技术的发展,新的电气元件与控制装置不断涌现,使电气控制系统发生了很大的变化。
PLC即可编程控制器控制就是随之发展起来的。
它取代了继电-接触器的中间控制运算环节,如时间继电器、中间继电器、计数器等。
2.3方案论证
性价比分析:
方案1采用了常规的继电器控制方式,它不具有自诊断、监控和各种报警功能,方案2采用PLC控制方式它既可以进行顺序控制,又可以进行闭环回路的调节控制,特别是它具有体积轻、重量轻、耗电低、性价比高等优点。
安全性分析:
方案1中的安全系数不高,而方案2中采用PLC进行控制可以防止产生寄生电路的影响和一些不必要的失误,比如人工失误或者电机故障。
采用PLC可以减少接点个数,进而可以减少环境对接点的影响,它还可以运行于条件恶劣的环境中,防止外界对系统的一些影响,使系统运行安全可靠。
2.4方案选择
通过上面的方案选择和方案论证,可以得出选择方案2是最适合本次设计需要的,无论从稳定性、性价比、安全性方面考虑还是环境适应性考虑方案2采用的PLC控制方式是最适合的,所以我们选择具有高稳定性的PLC即可编程控制方式。
2.5PLC方案选择
PLC控制系统设计方案又分为:
(1)、经验设计法:
采用这种方案,设计的梯形图较为简洁,程序较短,但各状态之间相互牵扯,相互影响。
因此,这种方案设计程序显得脉络不清,前后相互影响,容易出问题。
(2)、流程图法(顺序控制法STL):
这种方法是计算机程序设计时常用的方法。
它用方框图描述控制过程,方框代表动作,圆圈代表起始位与终了位,连线代表流向,短横线代表状态转换条件。
这种图可以把控制对象的工作状态及控制过程清晰地表示出来。
使用此法能快速地编出复杂的程序,是一种优越的程序设计的方法,但使用这种方法编写的程序较长。
(3)、方案选择
根据新型控制器带来的新的设计理念,即在PLC的程序中,清晰性、可读性才是最关键的,而程序的长短并不重要,因此,选用流程图法设计控制系统的程序,这样便于在梯形图中发现问题,使系统的可靠性更高。
3单元模块设计
设计小组由张洋德,范得正,朱宏达组成,我在本次课程设计主要承担主电路的设计与绘制,器件的选型等工作。
共同完成了方案的比较、论证、选择及系统软件的调试等工作。
3.1总体设计步骤
设计分为硬件和软件设计,首先确定PLC控制系统的总设计步骤。
由于PLC所有控制功能都是以程序的形式来体现的,因此PLC应用设计的大量工作将用在程序设计上,在这里需要注意几个关键性的问题。
(1)、新型控制器带来的设计理念,即编梯形图首先要求是程序的可读性,以方便维修;
(2)、充分利用好PLC的功能;
(3)、采用了PLC之后,减少了外部电器的使用;
(4)、节约输入输出口;
(5)、编程方法的多样性。
3.2硬件部分的选择
硬件主要包括电动机主接线电路、PLC输入/输出电路、PLC报警电路等。
全自动洗衣机主电路原理图见附图2所示。
PLC外部接线图见附图4所示。
元器件选择原则、选型及PLC报警电路如下介绍:
已知条件:
正反转电机P=400W/380V,脱水电机P=150W/380V。
常用电器元件的选择原则:
(1)根据对控制元件功能的要求,确定电气元件的类型。
比如,当元件用于通断功率较大的主电路时,应选用交流接触器;若有延时要求,应选用延时继电器。
在本次设计中PLC中自带时间继电器,故可不用考虑。
(2)确定元件承载能力的临界值及使用寿命。
主要根据电气控制的电压,电流及功率大小来确定元件的规格。
(3)确定元器件预期的工作环境及供应情况。
如放油,防尘,防腐蚀,货源等。
在本次设计中液位传感器的应选用固定式的,防腐蚀的。
(4)确定元件在供应时所需的可靠性等。
确定用以改善元件失效率用的老化或其他筛选实验。
采用与可靠性预计相适应的降额系数等。
进行一些必要的计算和校核。
3.2.1PLC的选型及介绍
、物理结构的选择:
整体/模块式、特殊功能模块;
、I/O点数的确定:
准确统计I/O点数,留10~20%余量;
、存储器容量的选择:
开关量(I/O点数×8),模拟输入/输出:
200字节/路,应留有余量;
、PLC指令功能的选择:
任何PLC均能满足开关量控制,如有其它控制则需注意选择。
本系统需要11个输入点和7个输出点,根据选择选型原则选用FX1N-24MR-001型PLC。
FX1N-24MR-001输入/输出点数为16/14;工作电压:
220V,50HZ/60HZ;输出类型:
继电器输出;功率:
40VA。
FX1N-24MR-001型PLC:
FX1N系列是功能很强大的微PLC,可扩展到多达128I/O点,并且能增加特殊功能模块或扩展板。
通信和数据链接功能选项使得FX1N在体积、通信和特殊功能模块等重要的应用方面非常完美。
一个PLC单元能同时输出2点100KHz脉冲,PLC配备有7条特殊的定位指令,包括零返回、绝对位置读出、绝对或相对驱动以及特殊脉冲输出控制。
本次设计中时间继电器室用来进行延时的,有洗涤正转延时30S,洗涤反转延时30S;暂停延时2S;脱水电机延时30S;报警电路延时3S。
计数器则是用来进行记忆大循环和小循环的次数。
3.2.2自动空气开关的选用
由于自动开关具有过载,欠压,短路保护作用。
故在电气设计的应用中越来越多。
自动空气开关的类型较多,有框架式,塑料外壳式,限流式,手动操作式和电动操作式。
在选用时,主要从保护特性要求(几段保护),分断能力,电网电压类型,电压等级,长期工作负载的平均电流,操作频繁程度等几方面去确定它的型号。
、空气断路器的额定电压和额定电流:
应不小于电路的正常工作电压和工作电流;
、热脱扣器的整定电流:
应与所控制的电动机的额定电流或负载额定电流一致。
3.2.3熔断器及熔体额定电流的选择
熔断器主要对电气设备起短路瞬时保护作用。
其主要类型有:
插入式,螺旋式,填料封闭管式等。
、熔断器的额定电压必须大于或等于线路的工作电压;
、熔断器的额定电流必须大于或等于所装熔体的额定电流;
、对变压器、电炉、及照明等负载的短路保护,熔体的额定电流应稍大于线路负载的额定电流;
、对一台电动机负载的短路保护,熔体的额定电流IRN应大于或等于1_.5~2.5倍电机额定电流IN;
、对几台电动机同时保护,熔体的额定电流应大于或等于其中最大容量的一台电动机的额定电流INmax的1_.5~2.5倍加上其余电动机额定电流的总和。
在电动机功率较大而实际负载较小时,熔体额定电流可适当选小些,小到以起动时熔体不断为准。
3.2.4接触器的选择
接触器的额定电流或额定控制功率随使用场合及控制对象的不同,操作条件与工作繁重程度不同而变化。
接触器分直流接触器和交流接触器两大类,交流接触器主要有CJ0及CJ10系列,直流接触器多用CZ0系列。
目前符合IEC和新国际的产品有LC1-D系列,可与西门子3BT系列呼唤使用的CJX1,CJX2系列,这些新产品正逐步取代CJ和CZ0系列产品。
、选择接触器的类型根据所控制的电动机或负载电流类型来选择接触器的类型,即交流负载应使用交流接触器,直流负载使用直流接触器,如果控制系统中主要是交流电动机,而直流电动机或直流负载的容量比较小时,也可用交流接触器进行控制,但是触头的额定电流应适当地选用得大些;
、选择接触器的额定电压通常选择接触器触头的额定电压大于或等于负载回路的额定电压;
、选择接触器主触头的额定电流选用接触器的额定电流应大于或等于电动机的额定电流;
、选择接触器吸引线圈的电压接触器吸引线圈电压一般从人身和设备安全角度考虑,可选择低一些;但当控制线路简单、用电不多时,为了节省变压器,则可选用380V;
、接触器的触头数量、种类选择接触器的触头数量、种类等应满足控制线路的要求。
3.2.5热继电器的选择
对于工作时间较短,停歇时间长的电动机,如机床的刀架或工作台的快速移动,横梁升降,夹紧,放松等运动,以及虽长期工作但过载可能性很小的电动机如排风扇等可以不设过载保护--热继电器。
本次设计中由于洗涤时衣服的多少不确定,以及洗涤电机不停的正转和反转,应该考虑过载保护。
热继电器有两相式,三相式及三相带断相保护等形式,对于星形接法的电动机及电源对称性较好的情况可采用两相结构的热继电器;对于三角形接法的电动机或电源对称性不够好的情况则应选用三相结构或带断相保护的三相结构热继电器;在重要场合或容量较大的电动机,可选用半导体温度继电器来进行过载保护。
、热继电器的额定电流和热元件的额定电流均应大于电流的额定电流;
、在一般情况下,可选用两相结构的热继电器;但当电网电压的均衡性较差、工作环境恶劣或较少有人照管的电动机,可选用三相结构的;
、电动机拖动的是冲击性负载(如冲床等),或电动机起动时间较长,或电动机所拖动的是设备不允许停电的情况下,选择热继电器元件的额定电流可比电动机的额定电流高1.1~1.15倍。
3.2.6电磁阀的选择
ZDF多功能电磁阀通用于水、电、气、油、弗里昂等粉质较低,对铜不腐蚀的中性气和液体,进行强制调节。
阀门开度和局部时间可调,有防止水蚀作用。
选公称直径80mm,公称压力1.6mp.电流电压AC220(+10%~-15%),50HZ。
3.2.7额定电流计算及保护元件的选择
I=PN/(√3UNηcosø)(A)
其中:
PN:
负载额定功率(W)UN:
负载额定电压(v)
η:
负载效率(取0.9)cosø:
负载功率因数(取0.85)
脱水电机电流:
I=2000W/(1.732×380V×0.9×0.85)=3.97A
洗涤电机电流:
I=1500W/(1.732×380V×0.9×0.85)=2.98A
PLC电流:
I=40VA/(220V×0.9×0.85)=0.24A
总电流I30:
按需要系数法计算,根据查得压缩机组需要系数Kd=0.75,cosø=0.8,tanø=0.75。
设备总容量:
Pe=2KW+2KW+1.5KW+1KW+1KW(附属)=7.5KW
有功计算负荷:
P30=KdPe=0.75×7.5KW=5.625KW
无功计算负荷:
Q30=P30tanø=5.625KW×0.75=4.219KW
视在计算负荷:
S30=P30/cosø=5.625KW/0.8=7.03KVA
计算总电流:
I30=S30/(√3UN)=7.03KVA/(√3×0.38)=10.68A
电源保护FU1:
IRN≥(1.5~2.5)INmax+∑IN=(1.5~2.5)×3.97+(3.97+2.98+5.94)
=(18.85~22.82)A选用25A的熔体
洗涤电机保护FU2:
IRN≥(1.5~2.5)INmax=(1.5~2.5)×2.98
=(4.47~7.45)A选用10A的熔体
脱水电机保护FU3:
IRN≥(1.5~2.5)INmax=(1.5~2.5)×3.97
=(5.96~9.93)A选用10A的熔体
为保证先进性及可靠性接触器、空气开关、热继电器均采用ABB公司产品。
具体型号如附表2元件清单明细表所示。
3.2.8报警电路
图1蜂鸣器报警电路
在本次设计中,当整个洗衣机自动完成2个大循环的洗衣过程后,会进入报警状态并延时3S。
U为555时基集成电路,它组成多谐振荡器,用来产生报警信号。
来电时,220V交流市电经C5降压、D3整流、D4稳压以及C4滤波后得到12V直流工作电压。
由于C3上的电压不能突变,当开始来电时,三极管Q(9013)基极呈低电位,使Q处于截止状态,其集电极为高电位,使U的复位端4脚也呈高电位,故由U(555)等组成的多谐振荡器起振,压电蜂鸣器HTD发出来电报警声。
随着C3上的充电电压逐渐升高,Q由截止变为导通,U(555)的4脚被Q拉为低电平,由U(555)等组成的多谐振荡器停振,压电蜂鸣器HTD停止报警。
当市电突然断电时,C3 经D2迅速放电,使Q截止。
但由于C2的容量较大,U的4脚为高电平。
C2的缓慢放电可保证由U等组成的振荡器仍能工作一定的时间,压电蜂鸣器HTD发出停电报警声。
当C2放电结束时,压电蜂鸣器HTD的报警声也随之停止。
3.2.9液位传感器的选择
本次设计中要选用4个液位传感器,分别辨别高水位,中水位,低水位,和水排空。
液位传感器(静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器)是一种测量液位的压力传感器.静压投入式液位变送器(液位计)是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理,采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器,将静压转换为电信号,再经过温度补偿和线性修正,转化成标准电信号(一般为4~20mA/1~5VDC)。
本次设计采用静压式液位传感器该变送器利用液体静压力的测量原理工作,它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号,再经放大电路放大和补偿电路补偿,最后以4~20mA或0~10mA电流方式输出。
因为此传感器便于安装,稳定性高。
液位传感器为模块电路,具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点,电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路,可使输出最大电流不超过28mA,因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。
3.3硬件部分的设计
本次设计通过对设计任务的理解,在硬件部分设计主要画出全自动清洗机控制工艺流程图,PLC输入输出分配图和PLC端子接线图。
之后根据这三张图,便可进行软件部分的程序编写。
3.3.1全自动洗衣机控制工艺流程图设计
根据设计要求:
(1)按下启动按扭及水位选择开关,开始进水直到高(中、低)水位,关水
(2)2秒后开始洗涤
(3)洗涤时,正转30秒,停2秒,然后反转30秒,停2秒
(4)如此循环5次,总共320秒后开始排水,排空后脱水30秒
(5)开始清洗,重复
(1)~(4),清洗两遍
(6)清洗完成,报警3秒并自动停机
(7)若按下停车按扭,可手动排水(不脱水)和手动脱水(不计数)
通过设计要求进行控制工艺的设计,建立起一个基本完善的全自动洗衣机工作构架,大概流程是:
通过启动按钮开启PLC工作状态,进行手动和自动模式的选择,当选择进入自动模式时,选择所需水位开关并进水。
当水位到达指定位置时,便开始进行洗涤。
洗涤过程分为5个循环,每个周期都是洗涤正转30S,洗涤反转30S。
当洗涤过程完成后就进入,排水和脱水,脱水过程为30S。
完成一次后,程序会自动跳转到手动和自动模式的选择。
如果用户选择手动模式,则可选择手动排水和手动脱水。
如果用户选择自动模式则,再一次进入自动洗涤模式。
当这次完成后,系统会进入报警模式,提示完整的清洗过程结束。
根据上面的模型构建画出如图2所示的全自动清洗机工艺流程图。
图2全自动洗衣机控制工艺流程图
首先通过启动按钮,启动PLC。
接下来进行水位的选择或者是手动停车(手动模式)。
当水位达到选定值时,进水阀关闭。
洗涤电机正转30S,暂停2S;洗涤电机反转30S,暂停2S,并且计数一次。
当计数没有达到5次时,又会循环洗涤正转和洗涤反转的动作。
当用户在自动洗衣工程中,想终止动作则按下停车按钮,此时当洗涤电机和脱水电机停止运行时,会进入手动模式。
(为了保护电机,所以当自动清洗过程转换为手动模式时,应在电机运行后进行)。
当洗涤5次后,就进入排水过程,当排空信号发出后延时2S便会进行脱水过程,过程持续30S。
之后会有计数,当计数未到二时会返回自动模式和手动模式的选择,当计数到达二时,报警器报警提示自动清洗过程结束并停机。
全自动洗衣机工作原理:
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,通过电动控制系统,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、低水位开关分别用来检测高、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。
3.3.2PLC输入输出分配图设计
当确定输出元件和输入元件后,就要进行PLC的地址分配。
这样才能进行程序的
编写。
如表2为输入信号及PLC地址编号,如表1为输出信号及PLC地址编号。
表1输出信号及PLC地址编号表2输入信号及PLC地址编号
通过输出输入的PLC地址编号,就能画出PLC的端子接线图如附图所示。
从2张表可以看出,PLC中的地址所对应
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