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畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書
??
學(xué)生姓名 _
系別_信息與電子工程系_專業(yè) 工自 年級 __班級 1
課題名稱 基于西門子PLC的洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計
任務(wù)與要求：
一、 設(shè)計（論文）要求：
本課題的主要任務(wù)是通PLC控制系統(tǒng),采用變頻器實現(xiàn)對洗衣機進行自動和手動控制。具體設(shè)計方案如下：
其控制流程為：
設(shè)計的主要內(nèi)容和要求：
1、 根據(jù)所選的課題，參考一些優(yōu)秀的學(xué)習(xí)網(wǎng)站，完成該課題的建設(shè)。
2、 參與該課題的各位同學(xué)必須分工合作。在設(shè)計中既要有自己一定的工作量，同時具備良好的團隊合作精神。
3、 畢業(yè)設(shè)計論文體現(xiàn)了畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量，所以各位同學(xué)必須在論文中體現(xiàn)自己在畢業(yè)設(shè)計中所采用的方法、思想以及設(shè)計策略。論文的格式包括：（1）中英文摘要（2）目錄（3）正文（4）致謝（5）參考文獻(xiàn)（6）附錄。論文書寫要求語言精練、簡潔，表達(dá)力求準(zhǔn)確，字?jǐn)?shù)12000以上，最后要求用A4開紙打印，并裝訂成冊，形成書目結(jié)構(gòu)。
4、 在整個設(shè)計當(dāng)中要嚴(yán)格按照學(xué)校和系部的各種規(guī)章制度和要求，按時完成所要求完成的任務(wù)。
二、 設(shè)計（論文）條件：
提供設(shè)計所需的書籍、計算機、PLC設(shè)計所需的設(shè)備等。
三、 設(shè)計（論文）資料：
提供洗衣機、PLC設(shè)計等相關(guān)所需資料。
四、 設(shè)計（論文）教學(xué)要求：（可以同一專業(yè)相同）
要求同學(xué)們有較強的學(xué)習(xí)和自學(xué)能力，能根據(jù)需要查找資料，獨立思考和設(shè)計。
要求同學(xué)熟悉步進電機的工作原理并具有一定的單片機設(shè)計能力。
五、 設(shè)計（論文）進度安排：（可以同一專業(yè)相同）
第01周至第02周：查閱中文及英文資料（并翻譯一篇外文資料），了解洗衣機的工作原理以及PLC設(shè)計內(nèi)容，收集相關(guān)資料；
第03周至第03周：完成畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告，并開始進行畢業(yè)設(shè)計；
第04周至第08周：完成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計；
第09周至第12周：完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計；
第13周至第13周：軟件和硬件的調(diào)試；
第14周至第15周：整理相關(guān)資料，完成畢業(yè)設(shè)計（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文；
第16周至第16周：答辯
學(xué)生分組名單
? 葉曉晨；計曉鵬
?
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摘 要
目前，在自動化領(lǐng)域主要的控制方式有繼電器控制、微機控制和PLC控制三種。由于PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)及微機控制系統(tǒng)相比，具有設(shè)計、安裝、接線、調(diào)試工作量小，研制周期短，可靠性高，抗擾能力強，故障率低，對工作環(huán)境要求低，維護方便等一系列優(yōu)點，因此，已成為國內(nèi)外機加工控制對象的首選控制方案。
本文采用PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合的方法來設(shè)計PLC控制的節(jié)能洗衣機。
關(guān)鍵詞：全自動；PLC控制；變頻器
ABSTRACT
At present, the main control way in autoimmunization field are relay control, microcomputer control and PLC control. Compared with the relay control system and the microcomputer control system, the PLC control system has a series of advantages, such as little work load of designing, installing, wiring and debugging, short cycle of development, high dependability, strong ability of anti-interference, low trouble rate, low requirement of working environment and convenient maintenance. So the PLC controls system.
This paper combines PLC control technology and transducer technology to designs the PLC control the energy conservation washer.
Keywords: main control ；PLC control； Control transducer
目 錄
第一章 緒論.....................................................1
1.1引言[1] 1
1.2 洗衣機的發(fā)展史 1
1.2.1中國洗衣機的發(fā)展?fàn)顩r 2
1.3 PLC技術(shù)在洗衣機中的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.3.1 PLC技術(shù)現(xiàn)狀[2、3] 3
1.3.2 將變頻技術(shù)與PLC相結(jié)合[4] 3
1.3.3 PLC在洗衣機中應(yīng)用的發(fā)展?fàn)顩r[5] 4
1.3.4 PLC控制的特點[6] 4
1.4 課題來源，研究內(nèi)容及研究結(jié)果 6
1.5 畢業(yè)設(shè)計任務(wù) 7
第二章 PLC控制和變頻調(diào)技術(shù)簡介.................................8
2.1 變頻調(diào)速的概念和作用[7] 8
2.1.1變頻調(diào)速的意義[8] 8
2.2 國內(nèi)外變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[9] 9
2.2.1 國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況 9
2．2.2 國外變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況 9
2.3 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理[10] 10
2.3.1 PLC的基本結(jié)構(gòu) 10
2.3.2 PLC的工作原理 11
2.3.3 PLC的指令系統(tǒng) 11
2.3.4 PLC的編程工具 12
2.4 選題的依據(jù) 12
第三章 洗衣機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計...............................13
3.1衣機的工作原理[11] 13
3.2洗衣機的設(shè)備控制要求 13
3.3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計分析[12、13] 16
3.3.1洗衣機設(shè)計的控制系統(tǒng)構(gòu)成圖 17
3.4 PLC和變頻器的選擇 18
3.4.1 PLC型號的選擇[14、15、16] 18
3.4.2變頻器的選擇[17、18] 19
3.4.3 VS-616G5型變頻器的參數(shù)設(shè)置 20
第四章 洗衣機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計................................22
4.1 程序的構(gòu)成、下載、安裝和調(diào)試[19] 22
4.1.1 S7-200的出錯代碼[20] 22
4.2 洗衣機控制系統(tǒng)資源分配 24
4.3洗衣機的PLC程序設(shè)計 25
4.3.1 源程序 25
4.3.2進水、洗衣、排水、脫水、洗完報警程序 28
第五章 總結(jié)....................................................34
參考文獻(xiàn).......................................................35
致 謝.........................................................37
附錄..........................................................39
第一章 緒論
1.1引言[1]
可編程控制器功能強大，可靠性高，應(yīng)用面廣，使用方便，在現(xiàn)代自動控制領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛?，F(xiàn)行的全自動洗衣機只要選擇好水位，打開水龍頭，放入衣物、洗滌劑，接通操作開關(guān)，后面的全是洗衣機自動運行了，因此，完全可以用編程控制器來代替控制。
1.2 洗衣機的發(fā)展史
從古到今，洗衣服都是一項難于逃避的家務(wù)勞動，而在洗衣機出現(xiàn)以前，對于許多人而言，它并不像田園詩描繪的那樣充滿樂趣，手搓、棒擊、沖刷、甩打……這些不斷重復(fù)的簡單的體力勞動，留給人的感受常常是：辛苦勞累。
1874年，“手洗時代”受到了前所未有的挑戰(zhàn)——有人發(fā)明了木制手搖洗衣機。發(fā)明者是美國人比爾·布萊克斯。布萊克斯的洗衣機構(gòu)造極為簡單，是在木筒里裝上6塊葉片，用手柄和齒輪傳動，使衣服在筒內(nèi)翻轉(zhuǎn)，從而達(dá)到“凈衣”的目的。這套裝置的問世，讓那些為提高生活效率而冥思苦想的人士大受啟發(fā)，洗衣機的改進過程開始大大加快。
1880年，美國又出現(xiàn)了蒸汽洗衣機，蒸汽動力開始取代人力。 之后，水力洗衣機、內(nèi)燃機洗衣機也相繼出現(xiàn)。到1911年，美國試制成功世界上第一臺電動洗衣機。電動洗衣機的問世，標(biāo)志著人類家務(wù)勞動自動化的開端。10年之后，美國本德克斯航空公司宣布，他們研制成功第一臺前裝式滾筒洗衣機，洗滌、漂洗、脫水在同一個滾筒內(nèi)完成。這意味著電動洗衣機的型式躍上一個新臺階，朝自動化又前進了一大步！直至今日，滾筒式洗衣機在歐美國家仍得到廣泛應(yīng)用。
隨著工業(yè)化的加速，世界各國也加快了洗衣機研制的步伐。首先由英國研制并推出了一種噴流式洗衣機，它是靠筒體一側(cè)的運轉(zhuǎn)波輪產(chǎn)生的強烈渦流，使衣物和洗滌液一起在筒內(nèi)不斷翻滾，洗凈衣物。1955年，在引進英國噴流式洗衣機的基礎(chǔ)之上，日本研制出獨具風(fēng)格、并流行至今的波輪式洗衣機。至此，波輪式、滾筒式、攪拌式在洗衣機生產(chǎn)領(lǐng)域三分天下的局面初步形成。
20世紀(jì)60年代以后，洗衣機在一些發(fā)達(dá)國家的消費市場開始形成系列，家庭普及率迅速上升。此間洗衣機在日本的發(fā)展備受矚目。60年代的日本出現(xiàn)了帶干桶的雙桶洗衣機，人們稱之為“半自動型洗衣機”。70年代，生產(chǎn)出波輪式套桶全自動洗衣機。70年代后期，微電腦控制的全自動洗衣機橫空出世，讓人耳目一新。到80年代，“模糊控制”的應(yīng)用使得洗衣機操作更簡便，功能更完備，洗衣程序更隨人意，外觀造型更為時尚……進入90年代，由于電機調(diào)速技術(shù)的提高，洗衣機實現(xiàn)了寬范圍的轉(zhuǎn)速變換與調(diào)節(jié)，誕生了許多新水流洗衣機。此后，隨著電機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展與提高，日本生產(chǎn)出了電機直接驅(qū)動式洗衣機，省去了齒輪傳動和變速機構(gòu)，引發(fā)了洗衣機驅(qū)動方式的巨大革命。
1.2.1中國洗衣機的發(fā)展?fàn)顩r
中國，由于歷史原因，洗衣機工業(yè)起步較晚，直到1978年才正式生產(chǎn)家用洗衣機。但是，隨著人們認(rèn)識的發(fā)展，尤其是改革開放的不斷深化，進入80年代后的洗衣機工業(yè)并沒有像一些人預(yù)料的那樣停步不前，而是保持著旺盛的發(fā)展勢頭。1983年洗衣機產(chǎn)量由1978年的400臺飆升到365萬臺，此后全國各地掀起了大規(guī)模的技術(shù)引進熱潮，大約有40多個廠家先后從洗衣機技術(shù)先進國日本、英國、法國、意大利、澳大利亞等引進技術(shù)60多項。技術(shù)的引進、吸收和創(chuàng)新，極大地提升了國產(chǎn)洗衣機的產(chǎn)業(yè)素質(zhì)與生產(chǎn)能力，縮短了同發(fā)達(dá)國家之間的差距。如今，我國洗衣機年產(chǎn)量約占世界年產(chǎn)量的四分之一，居于世界首位。除了在數(shù)量和品種上滿足國內(nèi)市場外，還出口到北美、歐洲、東南亞等地，躋身于國際洗衣機市場的競爭行列。
1.3 PLC技術(shù)在洗衣機中的發(fā)展現(xiàn)狀
1.3.1 PLC技術(shù)現(xiàn)狀[2、3]
可編程控制器（Programmable Controller）是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。隨著微處理器CPU和微型計算機技術(shù)在PLC中的應(yīng)用，形成了現(xiàn)代意義上的PLC。現(xiàn)在的PLC產(chǎn)品已經(jīng)使用了16位、32位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處理器的多信道處理。
目前，世界上有200多個產(chǎn)家生產(chǎn)PLC產(chǎn)品，比較著名的有美國的AB、通用（GE）、莫迪康，日本的三菱、歐姆龍、松下電工，德國的西門子，法國的TE。我國自20世紀(jì)70年代末以來，先是引進技術(shù)，后來是合作開發(fā)，現(xiàn)是自行設(shè)計開發(fā)。目前，PLC技術(shù)正在不斷的地向綜合性的工業(yè)控制發(fā)展。隨著機器人使用的增加及其集合為生產(chǎn)線，以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC不僅控制自動化工廠，而且還監(jiān)視和控制有關(guān)生產(chǎn)過程，未來PLC將朝兩極化、多功能、只能化和網(wǎng)絡(luò)化的模式發(fā)展。
1.3.2 將變頻技術(shù)與PLC相結(jié)合[4]
隨著變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，應(yīng)用水平的不斷提高，對變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的精度要求也越來越高。目前，許多變頻調(diào)速裝置屬于開環(huán)控制方式，不能滿足較高精度的要求。為提高調(diào)速系統(tǒng)的精度，一般都需要進行閉環(huán)控制。交流異步電機因其價格低廉，經(jīng)久耐用，易于維修，適合在惡劣的環(huán)境中使用等優(yōu)點已得到廣泛的應(yīng)用。但交流電機的數(shù)學(xué)模型和運算較為復(fù)雜，其控制特性會受對象內(nèi)部參數(shù)變化的影響，因而用固定的調(diào)節(jié)器去控制時，往往難以得到較理想的靜動態(tài)特性。采取可靠的PLC和變頻器控制交流異步電機方法，提高了系統(tǒng)的靜動態(tài)特性。
本文結(jié)合異步電動機速度閉環(huán)控制，提出了一種基于PLC的變頻控制實現(xiàn)方法。首先對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行總體設(shè)計，然后重點進行PLC、變頻器程序設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，論述了模糊控制器的原理和結(jié)構(gòu)，用PLC編程實現(xiàn)了控制的設(shè)計。
所開發(fā)的系統(tǒng)將變頻技術(shù)與PLC相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器超調(diào)大的缺點，充分發(fā)揮了PLC控制靈活、編程方便、適應(yīng)性強的優(yōu)點，提高了控制的精確度。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能對電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)精確控制，實用性強，具有一定的推廣價值。
1.3.3 PLC在洗衣機中應(yīng)用的發(fā)展?fàn)顩r[5]
一般洗衣機的控制系統(tǒng)都采用單片機控制，一旦出現(xiàn)故障，維修比較困難，而采用目前工業(yè)控制常用的PLC控制器作為主控元件的控制系統(tǒng)，其特點是價格低，編程簡單，一般工程技術(shù)人員以及稍懂電氣維修人員都能編程，并且易于功能擴展，實現(xiàn)洗滌時間設(shè)置的更改，平均無故障時間有可靠的保障，適合各型全自動洗衣機使用。
在全自動洗衣機中，洗衣機洗滌，脫水程序是由PLC位中心控制系統(tǒng)工作的。它是整體模塊。集中了驅(qū)動電路，檢測電路和保護電路以及通訊聯(lián)網(wǎng)功能。因此在運用中，硬件也相對簡單，提高控制系統(tǒng)的可靠性。另外它的編程也是比較簡單的。
PLC會不斷完善自身缺陷，隨著INTERNET發(fā)展，PLC的硬件和軟件也會提高，我相信PLC一定會有生命力小型PLC將存在很長時間,因為它經(jīng)濟,可靠;大型PLC的一部分可能會被PC-BASE,智能I/O,現(xiàn)場總線取代。
1.3.4 PLC控制的特點[6]
1、高可靠性
（1）所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。
（2）各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10~20ms。
（3）各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。
（4）采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。
（5）對采用的器件進行嚴(yán)格的篩選。
（6）良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。
（7）大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。
2、豐富的I/O接口模塊
?? PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；
強電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕；行程開關(guān)；接近開關(guān)；傳感器及變送器；電磁線圈；控制閥等直接連接。
?? 另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。
3、采用模塊化結(jié)構(gòu)
?? 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。
4、編程簡單易學(xué)
?? PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。
5、安裝簡單，維修方便
?? PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。
?? 由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。
PLC的功能
（1）邏輯控制
（2）定時控制
（3）計數(shù)控制
（4）步進(順序)控制方式有繼電器控制、微機控制和PLC控制三種。由于PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)及微機控制系統(tǒng)相比，具有設(shè)計、安裝、接線、調(diào)試工作量小，研制周期短，可靠性高，抗擾能力強，故障率低，對工作環(huán)境要求低，維護方便等一系列優(yōu)點，因此，已成為國內(nèi)外機加工控制對象的首選控制方案。而繼電器控制系統(tǒng)因技術(shù)性能差，功能單一，早已在機加工控制對象上淘汰掉了。微機控制系統(tǒng)因抗擾能力較差，對工作環(huán)境要求較高，設(shè)計研制周期較PLC控制系統(tǒng)長，因此，在機加工控制對象上的應(yīng)用呈逐年下降的趨勢。為機加工控制對象設(shè)計研制一個技術(shù)性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)，對于提高加工控制對象的整體技術(shù)性能來說具有十分重要的意義。本文正是針對這一課題，選擇PLC控制系統(tǒng)作為機加工控制對象的控制方案，這對提升機加工控制對象的整體技術(shù)性能可以起到良好的作用。 在基于PLC的機加工控制系統(tǒng)設(shè)計中，提出并采用了跳步法，從而大大節(jié)省了該系統(tǒng)所需的用于各單機手動和半自動控制的總按鈕數(shù)，及其占用的PLC輸入點數(shù)，節(jié)省了該系統(tǒng)的研制費用，減少了該系統(tǒng)的安裝、接線工作量，也為日后對機加工控制對象的操作帶來了方便；首次為該系統(tǒng)開發(fā)出了一套能使機加工控。
1.4 課題來源，研究內(nèi)容及研究結(jié)果
1、課題來源:本項目來PLC控制在洗衣機中的實際應(yīng)用。
2、研究內(nèi)容:本設(shè)計研究可編程控制器在洗衣機系統(tǒng)中的應(yīng)用。并且與變頻技術(shù)相結(jié)合，讓洗衣機操作簡單，安全，快捷，節(jié)能。
3、研究結(jié)果：經(jīng)過研究設(shè)計，實際運行，該系統(tǒng)具有以下基本功能:
（1）根據(jù)贓物的程度自行選者洗滌的程度。
（2）節(jié)能，采用變頻技術(shù)，控制洗衣機轉(zhuǎn)數(shù)，達(dá)到節(jié)能效果。
（3）具有自動報警功能，洗衣機在工作過程中,如發(fā)生下列情況之一:門鎖開關(guān)、門折頁開關(guān)因故斷開；電機過流使熱繼電器動作；在脫水和甩干過程中, 洗衣機由于震動幅度過大, 使安裝在洗衣機上的平衡開關(guān)斷開。這時系統(tǒng)就會自動切斷控制回路,使洗衣機停止工作,并由蜂鳴器報警。
1.5 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)
本次畢業(yè)設(shè)計課題是PLC控制的節(jié)能洗衣機系統(tǒng)，我的主要任務(wù)是應(yīng)用軟件設(shè)計和程序的設(shè)計，大體為以下五項內(nèi)容：
1. PLC控制的洗衣機現(xiàn)狀和發(fā)展 主要介紹其采用可編程序的存貯器, 用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令, 并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出, 控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程. 其特點是價格低,編程簡單,并且易于功能擴展,維修簡單,可靠性強.
2. 洗衣機控制系統(tǒng)的PLC選型和資源配置。
3. PLC控制的洗衣機系統(tǒng)的理論原理以及總體方按的設(shè)計
4．系統(tǒng)硬件設(shè)計：
(1) 確定安排PLC 的輸入、輸出點；
(2) 設(shè)計外圍電路, 包括主電路；
(3) 選購PLC 并進行現(xiàn)場安裝接線等內(nèi)容
5. 軟件設(shè)計：
(1) 洗衣機控制系統(tǒng)的控制要求設(shè)計
(2) 洗衣機控制系統(tǒng)的PLC選型和資源配置
(3) 洗衣機控制系統(tǒng)程序設(shè)計和調(diào)試
(4) 系統(tǒng)調(diào)試：根據(jù)設(shè)計要求, 對程序進行調(diào)試和修改, 必要時還可對硬件進行修改, 直到符合要求為止
總之，在本次設(shè)計中，必須完成圖表：論文說明書、控制電路圖、 程序流程圖、程序清單等。
第二章 PLC控制和變頻調(diào)技術(shù)簡介
2.1 變頻調(diào)速的概念和作用[7]
交流電動機變頻調(diào)速是利用交流電動機的同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化的特性，通過改變交流電動機的供電頻率進行調(diào)速。通用變頻器和交流電動機相結(jié)合，實現(xiàn)對生產(chǎn)機械的傳動控制稱為變頻器傳動，屬運動控制范疇。變頻器傳動具有綜合性的技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)用到不同的場合，可以體現(xiàn)出不同的功能，達(dá)到不同的目的。
隨著電力電子器件制造、基于電力電子電路的電力變換、計算機、現(xiàn)代控制、微電子、全數(shù)字化控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的迅速發(fā)展，通用變頻器技術(shù)也日新月異。特別是通用變頻器的全數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)，在提高其性能方面起到了舉足輕重的作用，使電氣遠(yuǎn)動控制技術(shù)發(fā)生了深刻的歷史性變革，如交流調(diào)速取代直流調(diào)速、全數(shù)字化控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)取代單機控制已成為現(xiàn)實，現(xiàn)代交流電動機傳動控制已不再局限于單一的調(diào)速控制要求，而更多的是要求裝置化、系統(tǒng)化應(yīng)用。新一代的變頻調(diào)速控制技術(shù)是基于正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)、矢量變換技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)。微處理技術(shù)、PWM控制技術(shù)和電力電子開關(guān)器件是通用變頻器控制技術(shù)的基礎(chǔ)。
2.1.1變頻調(diào)速的意義[8]
據(jù)資料證實，在所有的能源中，電力能源約占50%，而電力能源中有40%是必須經(jīng)過電力電子設(shè)備的轉(zhuǎn)換才能使用，電力能源中70%以上將用于交流電動機的控制，我國電動機的總裝機容量已達(dá)4億kW，年耗電量達(dá)6000億kWh，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類在用電動機中,80%以上為220kW以下的中小型異步電動機,在我國60%的發(fā)電量是通過各類電動機消耗的，因此變頻調(diào)速技術(shù)一直得到國家重視。
2.2 國內(nèi)外變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[9]
2.2.1 國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況
我國電氣傳動產(chǎn)業(yè)始建于1954年，當(dāng)時第一批該專業(yè)范圍內(nèi)的學(xué)生從各大專院校畢業(yè)，同時在機械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司?，F(xiàn)在我國己有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。我國是一個發(fā)展中國家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達(dá)國家。至今自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當(dāng)于國際上80年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟高速發(fā)展，形成了一個巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司開放。很多最先進的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國家進口，在我國運行良好，滿足了生產(chǎn)和生活需要。國內(nèi)很多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今先進的產(chǎn)品，國內(nèi)很多公司自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力較弱，對國外公司的依賴嚴(yán)重。
從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較國外先進水平差距10-15年。在大功率無換相器電機等變頻調(diào)速技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當(dāng)差距。在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V/F控制，僅有少量的樣機采用矢量控制，品種質(zhì)量還不能滿足市場需要，每年需大量進口變頻控制設(shè)備。國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀是:
(1)變頻器的整機技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)開發(fā)能力和生產(chǎn)規(guī)模。
(2)變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。
(3)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。
(4)產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。
2．2.2 國外變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況
在大功率交—交變頻調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通已能提供單機容量達(dá)3萬千瓦的電氣傳動設(shè)備用于船舶推進系統(tǒng)。在大功率無換向器電機變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利ABB公司提供了單機容量為6萬千瓦的設(shè)備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司的Simovert A電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備容量為10-2600KVA和Simovert P GTO PWM變頻調(diào)速設(shè)備單機容為100-900KVA，其控制系統(tǒng)已實現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機車、風(fēng)機、水泵傳動。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)方面，日本富士BJT變頻器最大單機容量為700KVA, IGBT變頻器己形成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化。
國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點:
(1)市場需求空間大。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球化短缺，變頻技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在機械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個行業(yè)以及風(fēng)機、水泵等設(shè)備，并取得顯著的經(jīng)濟效益。
(2)功率器件的發(fā)展。近幾年來高電壓、大電流的GTR, GTO, IGBT, IGCT
等器件的生產(chǎn)和面世，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實。
(3)控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎(chǔ);16位、32位高速微處理器以及信號處理器(DSP)和專業(yè)集成電路(ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，為實現(xiàn)變頻器高精度、多功能和智能化提供了硬件手段。
(4)基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關(guān)配套件社會化、專業(yè)化生產(chǎn)。
2.3 PLC的結(jié)構(gòu)和工作原理[10]
2.3.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)
PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC的基本結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式兩類。
1.整體式結(jié)構(gòu)的PLC
整體式結(jié)構(gòu)的PLC有中央處理器（CPU）、儲存器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等組成，并將這些組裝在一起?；窘Y(jié)構(gòu)框架如圖1-1所示。
2.模塊式結(jié)構(gòu)的PLC
模塊式結(jié)構(gòu)的PLC是將中央處理器（CPU）、儲存器、輸入/輸出（I/O）單元、電源電路和通信端口等分別做成相應(yīng)的模塊，應(yīng)用時將這些模塊根據(jù)控制要求插在機架上，各模塊間通過機架上的總線相互聯(lián)系?；窘Y(jié)構(gòu)框架如圖1-2所示。
3.PLC各組成部分介紹
（1）中央處理器（CPU）：是PLC的核心部分，相當(dāng)于PLC的“大腦”。它通過系統(tǒng)總線與用戶儲存器、輸入/輸出（I/O）單元、通信端口等單元相連。
（2）儲存器：用來存放控制的編程程序。
（3）輸入/輸出（I/O）單元：是PLC與外部設(shè)備連接的紐帶。
（4）電源部分：不同型號的PLC有不同的供電方式，所以PLC電源的輸入電壓既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。
（5）通信端口：PLC的CPU模塊上至少有一個通信端口，通過這個通信端口，PLC可以直接和編程器或上位機相連。
（6）編程器：幾乎每個PLC廠家都有自己的編程器，用戶通過編程器來編寫控制程序，并通過編程器接口將自己的控制程序輸入到PLC。它還可以在線檢測程序的運行情況。
（7）特殊功能單元：主要包括模擬量輸入/輸出單元、遠(yuǎn)程I/O模塊、高速計數(shù)模塊、中斷輸入模塊和PID調(diào)解模塊等。
2.3.2 PLC的工作原理
PLC的工作原理與繼電器構(gòu)成的控制裝置一樣，但是工作方式不太一樣。繼電器控制是并行運行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸電立即動作。而PLC則不同，它采用循環(huán)掃描技術(shù)，只有該線圈通電或斷電，并且必須當(dāng)程序掃描到該線圈時，該線圈觸點才會動作。也可以說，繼電器控制裝置是根據(jù)輸入和邏輯控制結(jié)構(gòu)就可以直接得到輸出，而PLC控制則需要輸入傳送、執(zhí)行程序命令、輸出3個階段才能完成控制過程。
2.3.3 PLC的指令系統(tǒng)
如同計算機編程一樣，PLC也有自己的指令系統(tǒng)。PLC程序就是由指令按照控制要求組合起來的，也可以說，PLC控制系統(tǒng)動作的過程就是PLC內(nèi)部一條條指令執(zhí)行的過程。不同PLC廠家有不同的指令系統(tǒng)。
2.3.4 PLC的編程工具
每個PLC公司都有自己的編程器一般比較小，而且比較輕，適合在現(xiàn)場使用。但是它只能使用助記符語言對PLC進行編程，而且由于屏幕較小，每次只能顯示一兩行程序，難于對程序從整體上進行分析。
PLC公司提供的編程軟件則能使用梯形圖、助記符或功能塊圖語言進行編程，通過編程軟件，不僅能在一個屏幕上看到十幾頁，甚至幾十頁的程序，從宏觀上對程序進行編程和分析，而且它還能對程序的運行情況進行監(jiān)視。
2.4 選題的依據(jù)
隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)正面臨一場歷史性的革命。經(jīng)過了二十多年的發(fā)展，近代交流傳動逐漸成為電氣傳動的主流。電機交流變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)電改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境，推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的起動、調(diào)速和制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)能效果，廣泛的應(yīng)用范圍等優(yōu)點被國內(nèi)為公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。
交流異步電動機是一個非線性，強禍合的對象，異步電動機變頻調(diào)速時傳遞函數(shù)的推導(dǎo)過程是相當(dāng)復(fù)雜的，即使作了很多簡化(例如假設(shè)磁勢是正弦分布的，磁路不飽和，沒有磁滯與渦流損耗等)所得到的一組微分方程式也是非線性的，一般不能用解析法來求解，而只能借助于模擬計算機去模擬系統(tǒng)的動態(tài)方程或者借助于數(shù)字計算機去求取一組數(shù)值解，這樣用常規(guī)的控制方法來實現(xiàn)精確度高的變頻調(diào)速是較困難的。針對這一情況，采取可靠的PLC和變頻器控制交流異步電機方法。
變頻調(diào)速系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點:
(1)整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護簡單。
(2)計算精確，無漂移，控制精度高。
(3)調(diào)試簡單，通用性強。
(4)監(jiān)控、通信能力強等。
總之，變頻調(diào)速系統(tǒng)是值得研究和探討的，它開辟了變頻調(diào)速系統(tǒng)改善系統(tǒng)性能的新途徑，具有十分重要的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
第三章 洗衣機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3.1衣機的工作原理[11]
洗衣機的工作流程示意圖如3-1圖所示
圖3-1 洗衣機工作流程圖
洗衣機的工作流程由開始變頻，進水、洗衣、排水和脫水5個過程組成。在半自動洗衣機中, 進水、洗衣、排水和脫水這4個過程分別用相應(yīng)的按鈕開關(guān)來控制。全自動洗衣機中,這4個過程可做到全自動依次運行,直至洗衣結(jié)束。
自動洗衣機的進水、洗衣、排水和脫水是通過水位開關(guān),電磁進水閥和電磁排水閥配合進行控制,從而實現(xiàn)自動控制的。水位開關(guān)是用來控制進水到洗衣機內(nèi)高,中,低水位；電磁進水閥起著通/斷水源的作用。進水時,電磁進水閥打開,將水注入；排水時,電磁排水閥打開,將水排出；洗衣時,洗滌電動機啟動；脫水時,脫水桶啟動。
3.2洗衣機的設(shè)備控制要求
全自動洗衣機控制系統(tǒng)的要求是能實現(xiàn)“正常運行”和“強制運行”兩種控制方式。
1、 正常運行，如圖3-2
圖3-2 洗衣機正常運行
“正常運行”方式具體控制要求如下:
(1)將水位通過水位選擇開關(guān)設(shè)在合適的位置(高、中、低),按下“啟動”按鈕,開始進水,達(dá)到設(shè)定的水位(高、中、低)后,停止進水；
(2)進水停止2S后開始洗衣；
(3)洗衣時,正轉(zhuǎn)20S,停止2S,然后反轉(zhuǎn)20S,停止2S；
(4)如此循環(huán)共5次,總共220S后開始排水,排空后脫水30S；
(5)然后再進水,重復(fù)(1)—(4)步,如此循環(huán)共3次；
(6)洗衣過程完成,報警3S并自動停機。
2、強制停止，如圖3-3
圖3-3 洗衣機的強制停止
(1)若按下“停止”按鈕,洗衣過程停止,即洗滌電機和脫水桶轉(zhuǎn),進水電磁閥和排水閥全部閉合；
(2)可用手動排水開關(guān)和手動脫水開關(guān)進行手動排水和脫水。
3.3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計分析[12、13]
1. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計基本原則
設(shè)計的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，應(yīng)遵循以下基本原則:
（1）PLC的選擇除了應(yīng)滿足技術(shù)指標(biāo)的要求之外，特別應(yīng)指出的是還應(yīng)重點考慮該公司的產(chǎn)品的技術(shù)支持與售后服務(wù)的情況，一般應(yīng)選擇在國內(nèi)特別是在所設(shè)計系統(tǒng)本著有著較為方便的技術(shù)服務(wù)機構(gòu)或較有實力的代理機構(gòu)的公司產(chǎn)品，同時應(yīng)盡量選擇主流機型。
（2）最大限度地滿足被控對象的控制要求。設(shè)計前，應(yīng)深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，搜集資料，并與機械部分的設(shè)計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定電氣控制方案，協(xié)同解決設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題。
（在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便。
1) 保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。
2) 考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，在選擇PLC容量時，應(yīng)適當(dāng)留有裕量。當(dāng)然對手不同的用戶要求的側(cè)重點有所不同，設(shè)計的原則應(yīng)有所區(qū)別，如果以提高產(chǎn)品產(chǎn)量和安全為目標(biāo)，則應(yīng)將系統(tǒng)可靠放在設(shè)計的重點，甚至考慮采用冗余控制系統(tǒng)，如果要求系統(tǒng)改善信息管理，則應(yīng)將系統(tǒng)通信能力與總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計加以強化。
2. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計的主要內(nèi)容
PLC控制系統(tǒng)是由PLC與用戶輸入、輸入設(shè)備連接而成的，用以完成預(yù)期的控制目的與相應(yīng)的控制要求。因比，PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容應(yīng)包括:
（1）根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程的工藝要求，以及所提出的各項控制指標(biāo)與經(jīng)濟預(yù)算，首先進行系統(tǒng)的總體設(shè)計。
（2）根據(jù)控制要求基本確定數(shù)字I/O點和模擬量通道數(shù)，進行I/O點的初步分配，繪制I/O使用資源圖。
（3）進行PLC系統(tǒng)配置設(shè)計，主要為PLC的選擇。PLC是PLC控制系統(tǒng)的核心部，正確選擇PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性能指標(biāo)起著重要的作用。選擇PLC,應(yīng)包括機型的選擇、容量的選擇、1/O模塊的選擇、電源模塊的選擇等。
（4）選擇用戶輸入設(shè)備(按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等)、輸出設(shè)備(繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件)，以及由輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象(電動機、電磁閥等)，這些設(shè)備屬于一般的電器元件。
（5）設(shè)計控制程序。在深入了解與掌握控制要求與主要控制的基本方式以及應(yīng)完成的動作、自動工作循環(huán)的組成、必要的保護和聯(lián)鎖等方面情況之后。對較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，可用狀態(tài)流程圖的形式全面地表達(dá)出來。必要時還可將控制任務(wù)分成幾個獨立部分，這樣可化繁為簡，有利于編程和調(diào)試。程序設(shè)計主要包括繪制控制系統(tǒng)流程圖、設(shè)計梯形圖、編制語句表、程序清單。
控制程序是控制整個系統(tǒng)工作的條件，是保證系統(tǒng)工作正常，安全、可靠的關(guān)鍵。因此，控制系統(tǒng)的設(shè)計必須經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、修改，直到滿足要求為止。
3. PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計的步驟，
在對一個控制系統(tǒng)進行設(shè)計之前，最重要的工作就是深入了解和分析系統(tǒng)的控制要求，只有這樣才可能提出準(zhǔn)確的、合理的系統(tǒng)總體設(shè)計方案，進而實現(xiàn)各個階段的設(shè)計任務(wù)。
3.3.1洗衣機設(shè)計的控制系統(tǒng)構(gòu)成圖
控制圖如下圖3-4所示：
圖3-4 PLC控制圖
3.4 PLC和變頻器的選擇
3.4.1 PLC型號的選擇[14、15、16]
全自動洗衣機控制采用西門子公司的S7-200系列整體式PLC。
PLC實物圖如3-5圖所示：
圖3-5 PLC實物圖
1、S7-200系列PLC簡介
（1）S7-200系列PLC的特點：
1）它結(jié)構(gòu)緊湊
2）擴展性良好
3）指令功能強大
4）價格低廉成為當(dāng)代各種小型控制工程的理想控制器。
（2）S7-200PLC的產(chǎn)品：
1）集成一定數(shù)字I/O點的CPU：CPU221、CPU 222、CPU 224、CPU 226、CPU 226XM
2）擴展模塊：主要有
數(shù)字量擴展模塊：EM221、EM222、EM223
模擬量擴展模塊：EM231、EM 232、EM 235
通訊模塊：EM277、EM241等
其它模塊：特殊功能模塊可以十分方便地組成不同規(guī)模的控制器。其控制規(guī)?？梢詮膸c到幾百點。S7-200PLC可以方便地組成PLC-PLC網(wǎng)絡(luò)和微機-PLC網(wǎng)絡(luò)，從而完成規(guī)模更大的工程。
（3）S7-200的編程軟件
STEP7-Micro/WIN32。該編程軟件可以方便地在Windows環(huán)境下對PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控。使得PLC的編程更加方便、快捷?？梢哉f，S7-200可以完美地滿足各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。
（4）I/O地址分配
由于CPU模塊有14點數(shù)字量輸入,有10點數(shù)字量輸出,所以不再需要輸入/輸出模塊.采用I/O分配采用自動分配方式,模塊上的輸入端子對應(yīng)的輸入地址是I0.0-I1.5,輸出端子對應(yīng)的輸出地址是Q0.0-Q1.1。
2、模塊功能概述
CPU模塊采用西門子的CPU-224(AC/DC/續(xù)電器)模塊,它控制著整個系統(tǒng)按照控制要求有條不紊地運行.同時由于該模塊采用交流220V供電,并且自帶14個數(shù)字量輸入點和10個數(shù)字量輸出點,完全能 全自動洗衣機控制系統(tǒng)的要求,所以不再需要另外的電源模塊.數(shù)字量輸入和輸出模塊。
西門子 S7-200 CPU單元CPU-224 主要性能如下表3-6所示
主要
性能
本機集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O 點。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間
其他
性能
6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。
特點
1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器
產(chǎn)品
尺寸
120.5×80×62mm
表3-6 西門子 S7-200 CPU單元CPU-224 主要性能
3.4.2變頻器的選擇[17、18]
隨著經(jīng)濟發(fā)展，人民的生活水平的提高，對于家用電器的要求不斷提高。 利用日本安川VS-616G5 變頻器可編寫速度曲線的優(yōu)點, 對現(xiàn)有的洗衣機轉(zhuǎn)速調(diào)速控制系統(tǒng)進行改進, 既可以達(dá)到節(jié)能的要求。
日本安川VS-616G5 變頻器的特點如下：
（1）包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。
（2）有豐富的內(nèi)藏與選擇功能。
（3）由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。
（4）保護功能完善、維修性能好。
（5）通過LCD操作裝置，可提高操作性能。
洗衣機的控制系統(tǒng)主要由變頻器、PLC 及旋轉(zhuǎn)編碼器組成。變頻器用來實現(xiàn)電機的調(diào)速。本文所選用的安川VS- 616G5 通用變頻器的可自行設(shè)置速度曲線的特點來實現(xiàn)平穩(wěn)操作和精確控制。為滿足洗衣機安全性的要求,變頻器通過與電動機同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡,完成速度檢測及反饋,形成閉環(huán)系統(tǒng)。PLC負(fù)責(zé)處理各種信號的邏輯關(guān)系, 從而向變頻器發(fā)出起、停等信號,同時變頻器也將工作狀態(tài)信號送給PLC ,形成雙向聯(lián)絡(luò)關(guān)系,這是系統(tǒng)的核心。旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機同軸連接,對電動機進行測速。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出A、B兩相脈沖,旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)AB脈沖的相序,可判斷電動機轉(zhuǎn)動方向,并可根據(jù)A、B脈沖的頻率測得電動機的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器將此脈沖輸出給PG卡,PG卡再將此反饋信號送給變頻器內(nèi)部,以便進行運算調(diào)節(jié)。所以旋轉(zhuǎn)編碼器和PG卡實現(xiàn)了閉環(huán)運行。
3.4.3 VS-616G5型變頻器的參數(shù)設(shè)置
由于采用PLC作為邏輯控制部件，故變頻器和PLC通訊時采用開關(guān)量而不用模擬量。由于61665是通用型變頻器，因而用在洗衣機控制上為了滿足運行效率、節(jié)能性和安全性的要求，其參數(shù)設(shè)置比專用型變頻器要復(fù)雜得多。
VS-616G5型變頻器共有9組參數(shù)，每一組參數(shù)的設(shè)定都具有特定的含義。常用參數(shù)如圖3-7所示。
參數(shù)
功能
A組
確定控制模式
B組
選擇運行功能
C組
確定加減速時間及轉(zhuǎn)矩補償時間
D組
時間頻率
E組
確定運行壓頻曲線
F組
保護設(shè)置
H組
確定偏差標(biāo)準(zhǔn)
圖3-7 變頻器的參數(shù)
參數(shù)設(shè)置的原則:1、為減小啟動沖擊及減少噪音，其速度環(huán)的比例系數(shù)宜小些，而積分時間常數(shù)宜大些；2、為了提高運行效率，快洗頻率應(yīng)選為工頻，而慢洗頻率要盡可能低些；3、變頻器其他常用參數(shù)可根據(jù)電網(wǎng)電壓和電機銘牌數(shù)據(jù)直接輸入，具體的設(shè)置見下表3-8。
參數(shù)
名稱
設(shè)定值
說明
A1-02
控制方式選擇
2
不帶PG矢量控制方式
B1-01
頻率指令選擇
1
B1-02
運行指令選擇
1
B1-03
停止方式選擇
0
B1-04
反轉(zhuǎn)方式選擇
0
B2-01
零速電平選擇
0.1Hz
B2-04
停止時直流制動時間
1.0s
C1-03
加速時間2
2.0s
C1-04
減速時間2
2.0s
C2-01
加速開始時S型曲線時間
0.6s
C2-02
加速完了時S型曲線時間
0.6s
C2-03
減速開始時S型曲線時間
0.6s
C2-04
減速完了時S型曲線時間
0.6s
C5-01
ASR比例增益1
5
C5-02
ASR積分時間1
3s
D1-09
檢修速度
200rpm
E1-01
輸入電壓設(shè)置
380v
E1-04
最高輸出頻率
50Hz
E1-05
最大電壓
380v
E1-06
額定電壓頻率
50Hz
E1-09
最低輸出頻率電壓
0
E2-01
電機額定電流
按電機銘牌設(shè)置
E2-02
電機額定滑差
按電機銘牌設(shè)置
E2-03
電機空載電流
按電機銘牌設(shè)置
E2-04
電機極數(shù)
按電機銘牌設(shè)置
F1-01
PG常數(shù)
根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器銘牌設(shè)置
F1-02
PG斷線檢測時的動作選擇
0
F1-03
超速時的動作選擇
0
F1-04
超速偏差過大時的動作選擇
0
F1-05
PG分頻比
根據(jù)電機極速設(shè)置
表3-8 變頻器的其他參數(shù)
變頻器制動電阻參數(shù)的計算
采用能耗制動方式通過制動單元將再生能量消耗在制動電阻上，成本較低而且具有良好的使用效果。能耗制動電阻RZ的大小應(yīng)使制動電流工z的值不超過變頻器額定電流的一半，即
第四章 洗衣機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
4.1 程序的構(gòu)成、下載、安裝和調(diào)試[19]
這個程序有自動方式和手動方式兩種。在自動方式下,PLC將運行已經(jīng)設(shè)置好的程序和參數(shù)(適用于機械一切都工作正常的情況下)。在手動方式下是在緊急停止情況下,可以手動進行排水和脫水。
將各個輸入/輸出端子和實際控制系統(tǒng)中的按鈕。所需控制設(shè)備正確連接,完成硬件的安裝。全自動洗衣機程序是由STEP7-Micro/Win32軟件的指令完成,正常工作時程序存放在存儲卡中,若要修改程序,先將PLC設(shè)定在STOP狀態(tài)下,運行STEP7-Micro/Win32編程軟件,打開全自動洗衣機程序,即可在線調(diào)試,也可用編程器進行調(diào)試。
4.1.1 S7-200的出錯代碼[20]
使用“PLC”菜單中的“信息（Information）”命令，可以查看程序的錯誤信息。S7-200的出錯主要有以下三種。
1、致命錯誤
致命錯誤會導(dǎo)致CPU無法執(zhí)行某個功能或所有功能，停止執(zhí)行用戶程序。當(dāng)出現(xiàn)致命錯誤時，PLC自動進入STOP方式，點亮“系統(tǒng)錯誤”和“STOP”指示燈，關(guān)閉輸出。消除致命錯誤后，必須重新啟動CPU。
在CPU上可以讀到的致命錯誤代碼及其描述如表4-1所示。
代碼
錯誤描述
代碼
錯誤描述
0000
無致命錯誤
000B
存儲器卡上用戶程序檢查錯誤
0001
用戶程序編譯錯誤
000C
存儲器卡配置參數(shù)檢查錯誤
0002
編譯后的梯形圖檢查錯誤
000D
存儲器卡強制數(shù)據(jù)檢查錯誤
0003
掃描看門狗超時錯誤
000E
存儲器卡默認(rèn)輸出表值檢查錯誤
0004
內(nèi)部EEROM錯誤
000F
存儲器卡用戶數(shù)據(jù)、DB1檢查錯誤
0005
內(nèi)部EEPROM用戶程序檢查錯誤
0010
內(nèi)部軟件錯誤
0006
內(nèi)部EEPROM配置參數(shù)檢查錯誤
0011
比較觸點間接尋址錯誤
0007
內(nèi)部EEPROM強制數(shù)據(jù)檢查錯誤
0012
比較觸點非法值錯誤
0008
內(nèi)部EEPROM默認(rèn)輸出表值檢查錯誤
0013
存儲器卡空或COU不識別該卡
0009
內(nèi)部EEPROM用戶數(shù)據(jù)、DB1檢查錯誤
0014
比較接口范圍錯誤
000A
存儲器卡失靈
表4-1 致命錯誤代碼及描述
2、程序運行錯誤
在程序正常運行中，可能會產(chǎn)生非致命錯誤（如尋址錯誤），此時CPU產(chǎn)生的非致命錯誤代碼及描述如表4-2所示。
錯誤代碼
錯 誤 描 述
0000
無錯誤
0001
執(zhí)行HDEF前，HSC禁止
0002
輸入中斷分配沖突并分配給HSC
0003
到HSC的輸入分配沖突，已分配給輸入中斷
0004
在中斷程序中企圖執(zhí)行ENI、DISI或HDEF指令
0005
第一個HSC/PLS未執(zhí)行完前，又企圖執(zhí)行同編號的第二個HSC/PLS（中斷程序中的HSC同主程序中的HSC/PLS沖突）
0006
間接尋址錯誤
0007
TODW（寫實時時鐘）或TODR（讀實時時鐘）數(shù)據(jù)錯誤
0008
用戶子程序嵌套層數(shù)超過規(guī)定
0009
在程序執(zhí)行XMT或RCV時，通信口0又執(zhí)行另一條SMT/RCV指令
000A
HSC執(zhí)行時，又企圖用HDEF指令再定義該HSC
000B
在通信口1上同時執(zhí)行XMT/RCV指令
000C
時鐘存儲卡不存在
000D
重新定義已經(jīng)使用的脈沖輸出
000E
PTO個數(shù)為0
0091
范圍錯誤（帶地址信息）：檢查操作數(shù)范圍
0092
某條指令的計數(shù)域錯誤（帶計數(shù)信息）：檢查最大計數(shù)范圍
0094
范圍錯誤（帶地址信息）：寫無效存儲器
009A
用戶中斷程序試圖轉(zhuǎn)換成自由口模式
009B
非法指令（字符串操作中起始位置指定為0）
表4-2 程序運行錯誤代碼及描述
3、編譯規(guī)則錯誤
當(dāng)下載一個程序時，CPU在對程序的編譯過程中如果發(fā)現(xiàn)有違反編譯規(guī)則，則CPU會停止下載程序，并生成一個非致命編譯規(guī)則錯誤代碼。非致命編譯規(guī)則錯誤代碼及描述如表4-3所示。
錯誤代碼
錯 誤 描 述
0080
程序太大無法編譯，須縮短程序
0081
堆棧溢出：必須把一個網(wǎng)絡(luò)分成多個網(wǎng)絡(luò)
0082
非法指令：檢查指令助記符
0083
無MEND或主程序中有不允許的指令：加條MEND或刪去不正確的指令
0084
保留
0085
無FOR指令：加上FOR指令或刪除NEXT指令
0086
無NEXT指令：加上NEXT指令或刪除FOR指令
0087
無標(biāo)號（LBL、INT、SBR）：加上合適標(biāo)號
0088
無RET或子程序中有不允許的指令：加條RET或刪去不正確的指令
0089
無RETI或中斷程序中有不允許的指令：加條RETI或刪去不正確的指令
008A
保留
008B
從/向一個SCR段的非法跳轉(zhuǎn)
008C
標(biāo)號重復(fù)（LBL、INT、SBR）：重新命名標(biāo)號
008D
非法標(biāo)號（LBL、INT、SBR）：確保標(biāo)號數(shù)在允許范圍內(nèi)
0090
非法參數(shù)：確認(rèn)指令所允許的參數(shù)
0091
范圍錯誤（帶地址信息）：檢查操作數(shù)范圍
0092
指令計數(shù)域錯誤（帶計數(shù)信息）：確認(rèn)最大計數(shù)范圍
0093
FOR/NEXT嵌套層數(shù)超出范圍
0095
無LSCR指令（裝載SCR）
0096
無SCRE指令（SCR結(jié)束）或SCRE前面有不允許的指令
0097
用戶程序包含非數(shù)字編碼和數(shù)字編碼的EV/ED指令
0098
在運行模式進行非法編輯（試圖編輯非數(shù)字編碼的EV/ED指令）
0099
隱含網(wǎng)絡(luò)段太多（HIDE指令）
009B
非法指針（字符串操作中起始位置定義為0）
009C
超出指令最大長度
表4-3 編譯規(guī)則錯誤代碼及描述
4.2 洗衣機控制系統(tǒng)資源分配
1、數(shù)字量輸入部分
這個控制系統(tǒng)的輸入有啟動按鈕,停止按鈕,水位選擇開關(guān)(高水位,中水位,低水位),手動排水開關(guān),自動排水開關(guān),高水位浮球開關(guān),中水位浮球開關(guān),低水位浮球開關(guān),水排空浮球開關(guān)共11個輸入點。具體的輸入分配如表4-4所示。
輸入地址
對應(yīng)的外部設(shè)備
I0.0
啟動按鈕
I0.1
停止按鈕
I0.2
水位選擇開關(guān)(高水位)
I0.3
水位選擇開關(guān)(中水位)
I0.4
水位選擇開關(guān)(低水位)
I0.5
手動排水開關(guān)
I0.6
自動排水開關(guān)
I0.7
高水位浮球開關(guān)
I1.0
中水位浮球開關(guān)
I1.1
低水位浮球開關(guān)
I1.2
水排水位浮球開關(guān)
表4-4輸入地址分配
2、數(shù)字量輸出部分
這個控制系統(tǒng)需要控制的外部設(shè)備有進水電磁閥,排水電磁閥,脫水桶.報警器共5個設(shè)備.但是由于洗滌電動機有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個狀態(tài),分別都應(yīng)正轉(zhuǎn)繼電器和反轉(zhuǎn)繼電器,所以輸出點應(yīng)該有6個,具體輸出分配如表4-5所示。
輸出地址
對應(yīng)的外部設(shè)備
Q0.0
進水電磁閥
Q0.1
排水電磁閥
Q0.2
洗滌電動機正轉(zhuǎn)繼電器
Q0.3
洗滌電動機反轉(zhuǎn)繼電器
Q0.4
脫水桶
Q0.5
報警器
表4-5輸出地址分配
4.3洗衣機的PLC程序設(shè)計
4.3.1 源程序
在本程序中,M0.0是按下啟動開關(guān)按鈕的輔助繼電器；M0.1是判斷洗衣機水位是否和設(shè)定水位不一致的輔助繼電器;M0.2是判斷洗衣機水位是否和設(shè)定水位一致的輔助繼電器;M0.3是停止自動洗