PLC控制的节能洗衣机系统设计.docx
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PLC控制的节能洗衣机系统设计
课题名称:
PLC控制的节能洗衣机系统设计
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指导教师:
职称:
报告日期:
20年月日
摘要
目前,在自动化领域主要的控制方式有继电器控制、微机控制和PLC控制三种。
由于PLC控制系统与继电器控制系统及微机控制系统相比,具有设计、安装、接线、调试工作量小,研制周期短,可靠性高,抗扰能力强,故障率低,对工作环境要求低,维护方便等一系列优点,因此,已成为国内外机加工控制对象的首选控制方案。
本文采用PLC控制技术和变频调速技术相结合的方法来设计PLC控制的节能洗衣机。
关键词:
全自动;PLC控制;变频器
ABSTRACT
Atpresent,themaincontrolwayinautoimmunizationfieldarerelaycontrol,microcomputercontrolandPLCcontrol.Comparedwiththerelaycontrolsystemandthemicrocomputercontrolsystem,thePLCcontrolsystemhasaseriesofadvantages,suchaslittleworkloadofdesigning,installing,wiringanddebugging,shortcycleofdevelopment,highdependability,strongabilityofanti-interference,lowtroublerate,lowrequirementofworkingenvironmentandconvenientmaintenance.SothePLCcontrolssystem.
ThispapercombinesPLCcontroltechnologyandtransducertechnologytodesignsthePLCcontroltheenergyconservationwasher.
Keywords:
maincontrol;PLCcontrol;
Controltransducer
附录..........................................................39
第一章绪论
1.1引言[1]
可编程控制器功能强大,可靠性高,应用面广,使用方便,在现代自动控制领域应用极其广泛。
现行的全自动洗衣机只要选择好水位,打开水龙头,放入衣物、洗涤剂,接通操作开关,后面的全是洗衣机自动运行了,因此,完全可以用编程控制器来代替控制。
1.2洗衣机的发展史
从古到今,洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动,而在洗衣机出现以前,对于许多人而言,它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣,手搓、棒击、冲刷、甩打……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——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。
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。
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。
随着工业化的加速,世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。
首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机,它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流,使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚,洗净衣物。
1955年,在引进英国喷流式洗衣机的基础之上,日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。
至此,波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。
20世纪60年代以后,洗衣机在一些发达国家的消费市场开始形成系列,家庭普及率迅速上升。
此间洗衣机在日本的发展备受瞩目。
60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机,人们称之为“半自动型洗衣机”。
70年代,生产出波轮式套桶全自动洗衣机。
70年代后期,微电脑控制的全自动洗衣机横空出世,让人耳目一新。
到80年代,“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便,功能更完备,洗衣程序更随人意,外观造型更为时尚……进入90年代,由于电机调速技术的提高,洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节,诞生了许多新水流洗衣机。
此后,随着电机驱动技术的发展与提高,日本生产出了电机直接驱动式洗衣机,省去了齿轮传动和变速机构,引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。
1.2.1中国洗衣机的发展状况
中国,由于历史原因,洗衣机工业起步较晚,直到1978年才正式生产家用洗衣机。
但是,随着人们认识的发展,尤其是改革开放的不断深化,进入80年代后的洗衣机工业并没有像一些人预料的那样停步不前,而是保持着旺盛的发展势头。
1983年洗衣机产量由1978年的400台飙升到365万台,此后全国各地掀起了大规模的技术引进热潮,大约有40多个厂家先后从洗衣机技术先进国日本、英国、法国、意大利、澳大利亚等引进技术60多项。
技术的引进、吸收和创新,极大地提升了国产洗衣机的产业素质与生产能力,缩短了同发达国家之间的差距。
如今,我国洗衣机年产量约占世界年产量的四分之一,居于世界首位。
除了在数量和品种上满足国内市场外,还出口到北美、欧洲、东南亚等地,跻身于国际洗衣机市场的竞争行列。
1.3PLC技术在洗衣机中的发展现状
1.3.1PLC技术现状[2、3]
可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。
但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC。
它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。
随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用,形成了现代意义上的PLC。
现在的PLC产品已经使用了16位、32位高性能微处理器,而且实现了多处理器的多信道处理。
目前,世界上有200多个产家生产PLC产品,比较著名的有美国的AB、通用(GE)、莫迪康,日本的三菱、欧姆龙、松下电工,德国的西门子,法国的TE。
我国自20世纪70年代末以来,先是引进技术,后来是合作开发,现是自行设计开发。
目前,PLC技术正在不断的地向综合性的工业控制发展。
随着机器人使用的增加及其集合为生产线,以及科学技术的迅速发展,PLC不仅控制自动化工厂,而且还监视和控制有关生产过程,未来PLC将朝两极化、多功能、只能化和网络化的模式发展。
1.3.2将变频技术与PLC相结合[4]
随着变频调速技术的应用日益广泛,应用水平的不断提高,对变频调速控制系统的精度要求也越来越高。
目前,许多变频调速装置属于开环控制方式,不能满足较高精度的要求。
为提高调速系统的精度,一般都需要进行闭环控制。
交流异步电机因其价格低廉,经久耐用,易于维修,适合在恶劣的环境中使用等优点已得到广泛的应用。
但交流电机的数学模型和运算较为复杂,其控制特性会受对象内部参数变化的影响,因而用固定的调节器去控制时,往往难以得到较理想的静动态特性。
采取可靠的PLC和变频器控制交流异步电机方法,提高了系统的静动态特性。
本文结合异步电动机速度闭环控制,提出了一种基于PLC的变频控制实现方法。
首先对变频调速系统进行总体设计,然后重点进行PLC、变频器程序设计。
在此基础上,论述了模糊控制器的原理和结构,用PLC编程实现了控制的设计。
所开发的系统将变频技术与PLC相结合,克服了传统的调节器超调大的缺点,充分发挥了PLC控制灵活、编程方便、适应性强的优点,提高了控制的精确度。
实验结果表明,该系统能对电机转速实现精确控制,实用性强,具有一定的推广价值。
1.3.3PLC在洗衣机中应用的发展状况[5]
一般洗衣机的控制系统都采用单片机控制,一旦出现故障,维修比较困难,而采用目前工业控制常用的PLC控制器作为主控元件的控制系统,其特点是价格低,编程简单,一般工程技术人员以及稍懂电气维修人员都能编程,并且易于功能扩展,实现洗涤时间设置的更改,平均无故障时间有可靠的保障,适合各型全自动洗衣机使用。
在全自动洗衣机中,洗衣机洗涤,脱水程序是由PLC位中心控制系统工作的。
它是整体模块。
集中了驱动电路,检测电路和保护电路以及通讯联网功能。
因此在运用中,硬件也相对简单,提高控制系统的可靠性。
另外它的编程也是比较简单的。
PLC会不断完善自身缺陷,随着INTERNET发展,PLC的硬件和软件也会提高,我相信PLC一定会有生命力小型PLC将存在很长时间,因为它经济,可靠;大型PLC的一部分可能会被PC-BASE,智能I/O,现场总线取代。
1.3.4PLC控制的特点[6]
1、高可靠性
(1)所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
(2)各输入端均采用R-C滤波器,其滤波时间常数一般为10~20ms。
(3)各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰。
(4)采用性能优良的开关电源。
(5)对采用的器件进行严格的筛选。
(6)良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。
(7)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号,如:
交流或直流;开关量或模拟量;电压或电流;脉冲或电位;
强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如:
按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能,它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块,等等。
2.1.1变频调速的意义[8]
据资料证实,在所有的能源中,电力能源约占50%,而电力能源中有40%是必须经过电力电子设备的转换才能使用,电力能源中70%以上将用于交流电动机的控制,我国电动机的总装机容量已达4亿kW,年耗电量达6000亿kWh,约占工业耗电量的80%。
我国各类在用电动机中,80%以上为220kW以下的中小型异步电动机,在我国60%的发电量是通过各类电动机消耗的,因此变频调速技术一直得到国家重视。
2.2国内外变频技术的发展现状[9]
2.2.1国内变频调速技术的发展概况
我国电气传动产业始建于1954年,当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业,同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司。
现在我国己有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。
我国是一个发展中国家,许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。
至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。
随着改革开放,经济高速发展,形成了一个巨大的市场,它既对国内企业,也对外国公司开放。
很多最先进的产品从发达国家进口,在我国运行良好,满足了生产和生活需要。
国内很多合资公司生产当今先进的产品,国内很多公司自行开发、生产产品的能力较弱,对国外公司的依赖严重。
从总体上看我国电气传动的技术水平较国外先进水平差距10-15年。
在大功率无换相器电机等变频调速技术方面,国内只有少数科研单位有能力制造,但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。
在中小功率变频技术方面,国内几乎所有的产品都是普通的V/F控制,仅有少量的样机采用矢量控制,品种质量还不能满足市场需要,每年需大量进口变频控制设备。
国内交流变频调速技术产业现状是:
(1)变频器的整机技术落后,国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力,但由于力量分散,并没有形成一定的技术开发能力和生产规模。
(2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。
(3)相关配套产业及行业落后。
(4)产销量少,可靠性及工艺水平不高。
2.2.2国外变频调速技术的发展概况
在大功率交—交变频调速技术方面,法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万千瓦的电气传动设备用于船舶推进系统。
在大功率无换向器电机变频调速技术方面,意大利ABB公司提供了单机容量为6万千瓦的设备用于抽水蓄能电站。
在中功率变频调速技术方面,德国西门子公司的SimovertA电流型晶闸管变频调速设备容量为10-2600KVA和SimovertPGTOPWM变频调速设备单机容为100-900KVA,其控制系统已实现全数字化,用于电力机车、风机、水泵传动。
在小功率交流变频调速技术方面,日本富士BJT变频器最大单机容量为700KVA,IGBT变频器己形成系列产品,其控制系统也已实现全数字化。
国外交流变频调速技术高速发展有以下特点:
(1)市场需求空间大。
随着工业自动化程度的不断提高和能源全球化短缺,变频技术越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等设备,并取得显著的经济效益。
(2)功率器件的发展。
近几年来高电压、大电流的GTR,GTO,IGBT,IGCT
等器件的生产和面世,使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
(3)控制理论和微电子技术的发展。
矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础;16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专业集成电路(ASIC)技术的快速发展,为实现变频器高精度、多功能和智能化提供了硬件手段。
(4)基础工业和各种制造业的高速发展,变频器相关配套件社会化、专业化生产。
2.3PLC的结构和工作原理[10]
和脱水。
3.3PLC控制系统的设计分析[12、13]
1.PLC控制系统的设计基本原则
设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)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:
(1)PLC的选择除了应满足技术指标的要求之外,特别应指出的是还应重点考虑该公司的产品的技术支持与售后服务的情况,一般应选择在国内特别是在所设计系统本着有着较为方便的技术服务机构或较有实力的代理机构的公司产品,同时应尽量选择主流机型。
(2)最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前,应深入现场进行调查研究,搜集资料,并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合,共同拟定电气控制方案,协同解决设计中出现的各种问题。
(在满足控制要求的前提下,力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。
1)保证控制系统的安全、可靠。
2)考虑到生产的发展和工艺的改进,在选择PLC容量时,应适当留有裕量。
当然对手不同的用户要求的侧重点有所不同,设计的原则应有所区别,如果以提高产品产量和安全为目标,则应将系统可靠放在设计的重点,甚至考虑采用冗余控制系统,如果要求系统改善信息管理,则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化。
2.PLC控制系统的设计的主要内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输入设备连接而成的,用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。
因比,PLC控制系统设计的基本内容应包括:
(1)根据生产设备或生产过程的工艺要求,以及所提出的各项控制指标与经济预算,首先进行系统的总体设计。
(2)根据控制要求基本确定数字I/O点和模拟量通道数,进行I/O点的初步分配,绘制I/O使用资源图。
(3)进行PLC系统配置设计,主要为PLC的选择。
PLC是PLC控制系统的核心部,正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。
选择PLC,应包括机型的选择、容量的选择、1/O模块的选择、电源模块的选择等。
(4)选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件),以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等),这些设备属于一般的电器元件。
(5)设计控制程序。
在深入了解与掌握控制要求与主要控制的基本方式以及应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等方面情况之后。
对较复杂的控制系统,可用状态流程图的形式全面地表达出来。
必要时还可将控制任务分成几个独立部分,这样可化繁为简,有利于编程和调试。
程序设计主要包括绘制控制系统流程图、设计梯形图、编制语句表、程序清单。
控制程序是控制整个系统工作的条件,是保证系统工作正常,安全、可靠的关键。
因此,控制系统的设计必须经过反复调试、修改,直到满足要求为止。
3.PLC控制系统程序设计的步骤,
在对一个控制系统进行设计之前,最重要的工作就是深入了解和分析系统的控制要求,只有这样才可能提出准确的、合理的系统总体设计方案,进而实现各个阶段的设计任务。
4.2洗衣机控制系统资源分配
1、数字量输入部分
这个控制系统的输入有启动按钮,停止按钮,水位选择开关(高水位,中水位,低水位),手动排水开关,自动排水开关,高水位浮球开关,中水位浮球开关,低水位浮球开关,水排空浮球开关共11个输入点。
具体的输入分配如表4-4所示。
输入地址
对应的外部设备
I0.0
启动按钮
I0.1
停止按钮
I0.2
水位选择开关(高水位)
I0.3
水位选择开关(中水位)
I0.4
水位选择开关(低水位)
I0.5
手动排水开关
I0.6
自动排水开关
I0.7
高水位浮球开关
I1.0
中水位浮球开关
I1.1
低水位浮球开关
I1.2
水排水位浮球开关
表4-4输入地址分配
2、数字量输出部分
这个控制系统需要控制的外部设备有进水电磁阀,排水电磁阀,脱水桶.报警器共5个设备.但是由于洗涤电动机有正转和反转两个状态,分别都应正转继电器和反转继电器,所以输出点应该有6个,具体输出分配如表4-5所示。
输出地址
对应的外部设备
Q0.0
进水电磁阀
Q0.1
排水电磁阀
Q0.2
洗涤电动机正转继电器
Q0.3
洗涤电动机反转继电器
Q0.4
脱水桶
Q0.5
报警器
表4-5输出地址分配
4.3洗衣机的PLC程序设计
4.3.1源程序
在本程序中,M0.0是按下启动开关按钮的辅助继电器;M0.1是判断洗衣机水位是否和设定水位不一致的辅助继电器;M0.2是判断洗衣机水位是否和设定水位一致的辅助继电器;M0.3是停止自动洗衣机的辅助继电器。
NETWORK1
//
//按下启动按钮,开始洗衣
//
LDI0.0
OM0.0
ANI0.1
=M0.0
NETWORK2
//
//洗衣机水位与设定水位不一致辅助继电器
//
LDI0.2
ANI0.7
LDI0.3
ANI1.0
OLD
LDI0.4
ANI1.1
OLD
=M0.1
NETWORK3
//
//洗衣机水位与设定水位相一致辅助继电器
//
LDI0.2
AI0.7
LDI0.3
AI1.0
OLD
LDI0.4
AI1.1
OLD
=M0.2
NETWORK4
//
//停止自动洗衣机辅助继电器
//
LDI0.1
OM0.3
ANQ0.0
=M0.3
所对应的梯形图,如图4-6,4-6所示
图4-6洗衣机源程序图
图4-7洗衣机源程序图2
4.3.2进水、洗衣、排水、脱水、洗完报警程序
1、进水程序
在正常情况下,按下启动按钮或者脱水完毕,而且洗衣大循环未到3次时,开始进水,当水位到设定水位后停止进水,等待2S后进入洗衣过程.在强制停止的情况下,当停止按钮下时立即停止进水.它的助记符号程序为:
NETWORK5
//
//进水设定的水位
//
LDM0.0
LDT40
ANC51
OLD
OQ0.0
AM0.1
ANI0.1
=Q0.0
NETWORK6
//
//进水到设定的水位后等待2S
//
LDM0.2
ANQ0.1
ANQ0.2
ANQ0.3
TONT37,+20
所对应的梯形图,如图4-8所示
图4-8洗衣机进水梯形图
2、洗衣程序
进水到设定水位2S后,开始正转20S,然后再反转20S,这样循环5次后进入排水过程。
NETWORK7
//
//洗涤电动机正转20S
//
LDT37
LDNC50
AT39
OLD
OQ0.2
ANT38
=Q0.2
TONT38,+200
NETWORK8
//
//洗涤电动机反转20S
LDT38
OQ0.3
ANT39
=Q0.3
TONT39,+200
所对应的梯形图,如图4-9所示
图4-9洗衣机进水梯形图
3、排水程序
洗衣过程完毕后,进水排水过程.水排空后停止排水.它的助记符号程序为:
NETWORK9
//
//洗衣小循环5次
//
LDQ0.3
LDQ0.1
CTUC50,+5
NETWORK10
//
//排水,直至水排空
//
LDC50
OQ0.1
ANI0.2
ANI1.2
LDM0.3
AIO.5
OLD
=Q0.1
所对应的梯形图4-10
图4-10洗衣机排水梯形图
4、脱水程序
水排空后,开始脱水,脱水30S后停止脱水.因为判断水排空是否在排水完毕后,所以要用到排水完毕辅助继电器.它的助记符号程序为:
NETWORK11
//
//排水完毕辅助继电器
//
LDQ0.1
OM04
ANQ0.4
=M0.4
NETWORK12
//
//脱水30S
//
LDI1.2
AM0.4
OQ0.4
ANT40
ANI0.1
OI0.6
=Q0.4
TONT40,+300
所对应的梯形图,如图4-11所示
图4-11洗衣机脱水程序梯形图
5、洗完报警程序
洗衣大循环3次后,开始洗完报警过程,3S后停止报警,这样整个洗衣过程结束.它的助记符程序为:
NETWORK13
//洗衣大循环3次
//
LDQ0.4
LDQ0.5
CTUC51,+3
NETWORK14
//
//报警3S
LDCS51
OQ0.5
ANT41
ANI0.1
=I0.1
TONT41,
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