机械设计洗衣机电气控制.docx
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机械设计洗衣机电气控制
毕业论文
双缸洗衣机电气控制
院系:
电子信息工程系
专业:
机电一体化
学 号:
姓名:
指导教师:
完成日期:
2011.11.1
毕业设计任务书
学生姓名
柴玉林
专业班级
机电一体化
指导教师
孙福成
题论文目
双缸洗衣机电气设计
研究的目标、内容及方法
针对双缸洗衣机现有的电气控制电路,以电气控制电路代替机械控制,完成电气设计任务。
1.根据洗衣机工作原理,优化设计控制电路
2.洗衣电机300w正反转控制,运行5-10s(时间可调),停2s
3.脱水电机正转,运行时间可调,制动采用电子制动方式
4.画出电路原理图并制作电路实现
分阶段完成的工作
1、2011年8月20日之前查阅资料、完成总体方案的论证、比较、选择。
2、2011年9月1日之前完成各单元电路的设计、计算及电路图绘制。
3、2011年10月10日之前完成硬件的安装制作及测试。
4、2011年10月25日之前完成设计报告的编写。
5、2011年10月30日之前进行排错、改进,完善设计报告。
6、2011年11月进行设计答辩。
系(部)
主任
意见
开题报告
一、课题来源
双缸洗衣机电气控制设计
二、设计目的和意义
㈠选题目的
针对双缸洗衣机现有的电气控制电路,以电气控制电路代替机械控制,完成电气设计任务。
㈡研究依据及意义
根据双缸洗衣机的工作原理,采用三菱PLC控制系统。
可以使洗衣机控制系统的接线少、体积小,并且PLC中每只软继电器的触点数目在理论上无限制,因此其灵活性、扩展性和稳定性都很好。
由于洗衣机生产发展十分迅速,普及率不断提高,竞争十分激烈,因而产品不断更新。
目前各国主要生产厂家都在积极改进结构,采用微机、传感器等控制元件,为提高性能、完善功能、提高自动化程度,达到节水、节能、节洗涤剂等目的而不断开发新品种。
三、国内外现状和发展趋势
世界上第一台洗衣机是美国于1900年生产的木结构,1911年改进为电动洗衣机。
目前世界上最流行的洗衣机机型是:
滚筒式、波轮式、搅拌式和喷流式。
我国1957年在沈阳试制成功了第一台家用洗衣机,又于1965年在上海试制成功并小批量生产过家用洗衣机,但是作为一个行业的兴起却是在1978年以后。
1980年上海洗衣机总厂和营口洗衣机总厂开始研制双桶洗衣机。
1986年,洗衣机行业有了新的突破,洗衣机生产从发展期步入了成长期,单桶洗衣机逐步被淘汰,双桶洗衣机成为主要产品,并出现半自动双桶洗衣机、全自动套桶洗衣机。
90年代初,各洗衣机定点生产厂家开始研制智能型套缸全自动洗衣机。
主要发展趋势如下:
(1)产品机电一体化
(2)向多功能、大容量方向发展
(3)向节能、节水、节洗涤剂方向发展
(4)向多能源方向发展
(5)向洗衣、干衣一体化方向发展
四、设计内容、途径及技术路线
㈠研究内容:
1根据洗衣机工作原理,优化设计控制电路。
2洗衣电机300w正反转控制,运行5-10s(时间可调),停2s。
3脱水电机正转,运行时间可调,制动采用电子制动方式。
4画出电路原理图并制作电路实现。
㈡研究途径:
收集相关资料和文献,系统学习洗衣机相关知识和PLC编程技术,按照洗衣机工作原理进行设计。
设计以PLC(三菱机型)为主芯片,由电动机、电容、接触器、继电器、电磁阀、蜂鸣器和按钮等组成。
㈢技术路线:
⒈根据洗衣机工作原理及组成,查阅相关资料和文献,经过和单片机设计等进行比较,决定选用PLC(三菱机型)为最佳值的控制策略,因为PLC允许的工作温度上限为600℃,环境相对湿度为15%-85%,确保了PLC可以再恶劣的环境中可靠地工作,并能抗振荡、抗噪声、抗射频,可靠性极高。
⒉PLC的大部分指令与继电器的串联、并联等相对应,使用者只需要较短的时间去熟悉PLC的指令集操作方法,就能实际操作。
五、设计工作的主要阶段、进度和指标
阶段
起始日期
终止日期
进度
技术指标
第一阶段
2010.07
2010.8
完成选题和资料收集
丰富全面
第二阶段
2010.8
2010.9
总体方案设计选择
符合精度要求
第三阶段
2010.9
2010.10
完成硬件设计和软件编程
设计合理结构化、模块化
第四阶段
2010.10
2010.11
进行在线调试
实现制动控制
第五阶段
2010.11
2010.12
编写论文准备答辩
详细全面
六、最终目标及完成时间
所设计的双缸洗衣机,最终实现:
(1)按下启动按扭及水位选择开关,开始进水,水满(即水位到达高低)时停止进水。
(2)2秒后开始洗涤。
(3)洗涤时,正转5-10秒后暂停,暂停2秒后开始反转洗涤,反转洗涤5-10秒后暂停,暂停2秒。
(4)如此循环3次,总共180秒后开始排水,排空后(水位下降到低位)开始脱水并继续排水。
脱水10秒即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。
(5)若未完成3次大循环,则返回从进水开始的全部动作,进行下一次大循环;若完成了3次大循环,则进行洗完报警。
(6)报警10秒结束全部过程,自动停机。
(7)此外按排水按钮可实现手动排水;按停车按扭可停止进水、排水、脱水及报警。
2010年11月完成论文“双缸洗衣机电气控制设计”。
七、现有条件及必须采取的措施
针对双缸洗衣机原有的电气控制电路,以电气控制电路代替机械控制,完成电气设计任务。
必须措施:
现有条件上还需开优化设计控制电路,制动采用电子制动方式。
八、协作单位及要解决的主要问题
协作单位:
学院实验室
所要解决本课题的主要问题是:
控制策略的开发和仿真,以及双缸洗衣机PLC控制系统的设计、制作和调试。
如条件允许,需解决:
购买专用于洗衣机开发的PLC及开发软件。
摘要
洗衣机是用电力代替手工劳动对各种衣物(如衣服、床单、蚊帐、毛巾、手帕等)进行洗涤和脱水的机械。
双缸洗衣机由洗涤系统、脱水系统、给(排)水系统、控制系统和箱体支承系统等组成。
通过程序控制器完全自动地进行对被洗涤物所进行的洗涤、漂洗和脱水各工序的转换。
根据双缸洗衣机的工作原理,采用三菱PLC控制系统。
可以使洗衣机控制系统的接线少、体积小,并且PLC中每只软继电器的触点数目在理论上无限制,因此其灵活性、扩展性和稳定性都很好。
Theabstract
washerisreplacesthemanuallaborwiththeelectricpowertoeachkindofclothing(forexampleclothes,bedsheet,mosquitonet,towel,handkerchiefandsoon)carriesonthelavationandthedehydratedmachinery.Thedual-tubwashingmachinebythelavationsystem,thedehydratedsystem,for(row)theaqueoussystem,thecontrolsystemandtheboxbodysupportingsystemandsooniscomposed.Full-automaticcarriesonthroughtheprogramtimertothelavationwhichiscarriedonbythewashings,rinsesanddehydratesvariousworkingprocedurestransformation.
Accordingtothedual-tubwashingmachineprincipleofwork,usestheMitsubishiPLCcontrolsystem.Maycausethewashercontrolsystemthewiringfew,thevolumetobesmall,andinPLCeachonlysoftrelayelectroniccontactnumbertheoreticallyunlimited,thereforeitsflexibility,theextensionandthestabilityveryareallgood.
关键词
关键词:
双缸洗衣机PLC
Keywords:
Dual-tubwashingmachinePLC
第一章洗衣机的概述
1.1洗衣机的产生与发展
世界上第一台洗衣机是美国于1900年生产的木结构,1911年改进为电动洗衣机。
目前世界上最流行的洗衣机机型是:
滚筒式、波轮式、搅拌式和喷流式。
我国1957年在沈阳试制成功了第一台家用洗衣机,又于1965年在上海试制成功并小批量生产过家用洗衣机,但是作为一个行业的兴起却是在1978年以后。
1980年上海洗衣机总厂和营口洗衣机总厂开始研制双桶洗衣机。
1986年,洗衣机行业有了新的突破,洗衣机生产从发展期步入了成长期,单桶洗衣机逐步被淘汰,双桶洗衣机成为主要产品,并出现半自动双桶洗衣机、全自动套桶洗衣机。
90年代初,各洗衣机定点生产厂家开始研制智能型套缸全自动洗衣机。
由于洗衣机生产发展十分迅速,普及率不断提高,竞争十分激烈,因而产品不断更新。
目前各国主要生产厂家都在积极改进结构,采用微机、传感器等控制元件,为提高性能、完善功能、提高自动化程度,达到节水、节能、节洗涤剂等目的而不断开发新品种。
其主要发展趋势如下:
(1)产品机电一体化
(2)向多功能、大容量方向发展
(3)向节能、节水、节洗涤剂方向发展
(4)向多能源方向发展
(5)向洗衣、干衣一体化方向发展
1.2洗衣机的型式和分类
1.2.1按洗衣机操作的自动化程度,可分为下列几种型式:
(1)简易型洗衣机它结构简单,一般无定时器,波轮只能作单方向运转,常采用全塑料结构。
(2)普通型洗衣机其洗涤、漂洗和脱水各工序均需由人工来转换,装有定时器,是目前国内使用最多的一种洗衣机。
(3)半自动型洗衣机常有两种型式:
一种是洗涤和漂洗两工序的进行及互相转换能在一个桶内自动进行,但脱水仍要手工操作;另一种是洗涤和脱水分别在两个桶内进行(也称双桶式洗衣机),其洗涤、漂洗和脱水各工序的转换都要依靠手工操作。
(4)全自动型洗衣机对被洗涤物所进行的洗涤、漂洗和脱水和各工序的转换,通过程序控制器完全自动地进行。
它是一种高级的洗衣机。
1.2.2按洗衣机的构造和洗涤方式,还可分为下列几种型式:
(1)搅拌式(或称摆动叶式)洗衣机它是一种通过搅拌叶的往复运动,带动洗涤液和洗涤物互相摩擦而进行洗涤剂的洗衣机。
(2)波轮式洗衣机通过波轮的转动,推动洗涤液和洗涤物不断翻滚、摩擦而进行洗涤的洗衣机。
(3)滚筒式洗衣机通过滚筒的转动,使洗涤物随滚筒内的凸筋上升而后借自重下跌,如此不断翻滚进行洗涤的洗衣机
1.3洗衣机技术要求
1.3.1洗涤性能要求
(1)洗净率洗净率大于或等于45%
(2)磨损率磨损率小于0.2%
(3)漂洗比漂洗比大于1
(4)脱水率脱水率大于40%
(5)输入功率洗衣机的平均输入功率必须在额定输入功率的115%以内。
第二章双缸洗衣机基本结构及其工作原理
2.1双缸洗衣机的基本结构及其工作原理
2.1.1双缸洗衣机的基本结构
双缸洗衣机一般由洗涤系统、脱水系统、给(排水)系统、控制系统和箱体支承系统等组成。
2.1.2双缸洗衣机的工作原理
双缸洗衣机在洗衣时,通过洗涤定时器控制洗涤时间,同时控制洗衣机电动机正、反转动和间歇,使洗涤液产生涡流,同时通过洗涤缸的型腔和波盘外型所产生的搅拌和振动等物理作用力,使附着在衣物上的固体污垢分离,将衣物洗净。
双缸洗衣机脱水时,通过脱水桶的高速旋转产生离心力,将洗涤物内所含的水甩出。
2.2主要部件结构及工作原理
1.定时器
双缸洗衣机一般由定时器控制。
分洗衣定时器和脱水定时器。
定时器内装有一系列齿轮,靠齿轮传动。
主要控制电动机运行时间,并使电动机正、反转变化。
2.电动机、电容
双缸洗衣机一般所采用的是单相四极电容运行电动机,电动机有匹配电容,电容的作用是使电动机能正常启动。
3.波盘轴体
波盘轴体在洗衣机洗涤系统中属于最关键的部件之一,既要带动波盘旋转,要保证旋转时不漏水。
2.3双缸洗衣机的实物示意图
洗衣机的应用现在比较普遍。
双缸洗衣机的实物示意图如下图2.1所示。
图2.1双缸洗衣机示意图
双缸洗衣机的洗衣桶(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,通过电控系统使进水阀打开,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。
第三章总体方案设计
总体方案选择有两种:
用PLC控制的洗衣机和用单片机控制的洗衣机。
PLC比单片机给容易掌握。
单片机主要用到机器指令和其他的助记符,对于不熟悉机电控制的技术人员来说,需要相当一段时间的熟悉才能掌握。
而PLC大部分指令与继电器的串联、并联等相对应,使用者只需要较短的时间去熟悉PLC的指令集操作方法,就能实际操作。
并且,单片机抗干扰能力差,而PLC是专门的设备自动控制装置,在系统硬件和软件设计上都采用了抗干扰技术。
由于PLC是用程序逻辑控制的,当生产工艺和设备改变时比用改变PLC的硬件,只需改变程序即可。
PLC程序既有生产厂家的程序,又有用户自己开发的程序。
系统程序提供运行平台,同时,还为PLC程序可靠运行集信息与信息转换进行必要的公共处理;用户程序有用户按控制要求设计。
PLC不需要使用处于分离状态的继电器、计数器和步进开关等,而是利用程序进行定时、技术、顺序、步进等控制,因而十分可靠;PLC具有A/D和D/A转换、数据处理和运算、运动控制等功能,因此,它既可以对开关量进行控制,又可以对模拟量进行控制,在硬件方面,PLC采用了电磁屏蔽、滤波、光电隔离等一系列抗干扰措施。
一般的PLC允许的工作温度上限为600℃,环境相对湿度为15%-85%,确保了PLC可以再恶劣的环境中可靠地工作,并能抗振荡、抗噪声、抗射频,可靠性极高。
第四章PLC控制系统设计
4.1PLC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:
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.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。
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。
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。
4.2 PLCI/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。
4.2.1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。
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、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。
选择时主要应考虑以下几个方面:
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。
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。
4.2.2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)。
4.2.3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。
第五章 双缸洗衣机PLC控制
5.1 控制要求
PLC投入运行,系统处于初始状态,准备好启动。
(1)按下启动按扭及水位选择开关,开始进水,水满(即水位到达高低)时停止进水。
(2)2秒后开始洗涤。
(3)洗涤时,正转5-10秒后暂停,暂停2秒后开始反转洗涤,反转洗涤5-10秒后暂停,暂停2秒。
(4)如此循环3次,总共180秒后开始排水,排空后(水位下降到低位)开始脱水并继续排水。
脱水10秒即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。
(5)若未完成3次大循环,则返回从进水开始的全部动作,进行下一次大循环;若完成了3次大循环,则进行洗完报警。
(6)报警10秒结束全部过程,自动停机。
(7)此外按排水按钮可实现手动排水;按停车按扭可停止进水、排水、脱水及报警。
5.2 控制程序的编制
5.2.1洗涤电机正反转电路原理图
洗衣机所采用的洗衣电动机和脱水电动机均为单相四极电容运行电动机,改变电动机转向只要将图5.1中的KM1、KM2闭合即可,电动机有匹配电容,电容的作用是使电动机能正常起动。
如图5.1所示,当接通KM1时,副绕组中的电流相位超前于主绕组中的电流相位,产生正转磁场、使电动机正转;当接通KM2时,主绕组中的电流相位超前于副绕组中的电流相位,产生反转磁场、使电动机反转。
图5.1洗涤电机正反转电路原理图
5.2.2脱水电机能耗制动电路图
单相电机的能耗制动控制就是在断开电动机电源的同时接通直流电源,此时直流电流流入定子的两相绕组,产生恒定磁场。
转子由于惯性仍继续沿原方向以转速n旋转,切割定子磁场产生感应电动势和电流,载流导体在磁场中受电磁力作用,其方向与电动机转动相反,因而起到制动作用。
制动转矩的大小与直流电流的大小有
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