基于plc的全自动工业洗衣机系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于plc的全自动工业洗衣机系统设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

元之分， 由于此次设计的都是 24V 的直流开关信号，所以采用直流输入单元。 而开关量输出单元，既有直流输出又有交流输出，同时要求输出量的变化不是很频繁，所以在此选用继电器输出电路。 对于 SIEMENS S7200 系列 PLC，用该公司专用的编程器 STEP 7Micro/WIN 编写相应的程序。 变频器概述 变频器是利用 电力 半导体器件的通断作用将 工频 电源变换为另一 频率 的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、 变频调速 、提高运转 精度 、改变功率因数、过流 /过压 /过载保护等功能。 通用变频器是将固定频率输入的交流电源变换为可变频率交流电输出的电力电子设备。 下面介绍变频器的控制方式。 交流电动机转速控制 从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是 50Hz。 而交流电动机 的同步转速： 专科毕业设计说明书（论文） 13  11 60fN p （ 21） 式中： N1 为同步转速， r/min； f1 为定子电流频率， Hz； P 为电动机的磁极对数。 异步电动机转速：    11 60(1 ) (1 )fN N S Sp （ 22） 式中： S 为异步电动机转差率，  11()NNS N，一般小于 3％。 以上两式说明，无论是同步电动机还是异步电动机，转速都与送入电动机的电流频率成正比例变化， 即改变电源频率可以方便地改变电动机的运行速度。 异步电动机对供电装置的要求 三相异步电动机定子每相电动势的有效值为： 1 1 1 rME k f N Ф （ 23） 式中： E1为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值， V； f1为定子频率， Hz； N1 为定子每相绕组串联匝数； kr1 为与绕组结构有关的常数； Φ M 为每极气隙磁通量， Wb。 由式 23 可知，如果每相电动势的有效值 E1不变，改变定子频率时就会出现以下两种情况： （ 1） 如果 f1大于电 动机的额定频率 f1N，气隙磁通就会小于定额气隙磁通量Φ MN，结果是尽管电动机的铁芯没有得到充分利用，但在机械特性允许的条件下长期使用，电动机不会损坏。 （ 2） 如果 f1小于电动机的额定频率 f1N，那么气隙磁通就会大于额定气隙磁通量 Φ MN，会导致电动机的铁芯产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。 因而在保障电动机不因电流加大而过载且充分利用电动机磁路的前提下，变频调速时，电源的电压与频率最好同时变化，有以下两种情况： （ 1） 基频以下调速 要保持 Φ M不变，当频率 f1从额定值 f1N向 下调节时必须同时降低 E1，使 11Ef 常数，这就是采用电动势与频率之比恒定的方式。 （ 2） 基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从 f1N往上增高，但电压V1 却不能超过额定电压 V1N，最多只能保持 11NVV。 由式 23 可知，这将迫使专科毕业设计说明书（论文） 14 磁通随频率的升高而降低，当于直流电动机弱磁升速的情况。 综上可知，异步电动机可以有基频以上调速及基频以下两种调速方式。 基频以上电压基本不变，弱磁而为恒功率调速。 基频以下则需电压与频率同步变化 ，磁通不变，为恒转矩负载特性。 由此可知，变频调速的供电装置必须具有以上功能才能满足电动机的要求，这样的装置称为变压变频装置，变压变频也是通用变频器工作的基本模式。 变频器的控制方式及分类 如何实现变压变频，输出平滑规则的正弦波形，实现良好的驱动性能，是变频器的根本任务，变频器控制中出现了多种控制方式，现在此做一简单介绍： （ 1） U Cf 控制 即电压与频率成比例变化控制。 其特点是控制电路结构简单，成本较低、机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求。 （ 2） 转差频率控制 从电动机转速角度看，这是一种以电动机的实际运行速度加上该速度下电动机的转差率确定变频器输出频率的控制方式。 （ 3） 矢量控制（ VC） 矢量控制将交流电动机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量及转矩分量，并分别控制，从而大大提高了变频器对电动机转速及力矩控制的精度及性能。 （ 4） 直接转矩控制（ DTC） 转矩控制把转矩作为直接被控量，而不是通过控 制电流及磁链间接控制转矩。 变频器的选择 由于洗衣机在洗涤时桶内有大量水，对电动机在低速时输出转矩要求较高。 对于这一点可选用与西门子 PLC 相配套的变频器 MM440，它是一种矢量型通用变频器，具有良好的低速高转矩输出及良好的动态性能。 MM440 变频器的输出频率控制有以下四种方式： （ 1） 基本操作面板（ BOP）操作方式 这是通过操作面板上的按扭手动调节输出频率的操作方式，这种方式在此不适合自动调节。 （ 2） 外输入端子数字量频率选择操作方式 专科毕业设计说明书（论文） 15 变频器通常设有多段固定频率选择操作功能。 各固定频率值通过功 能码设定，频率段的选择通过外部端子选择。 由于这种方式所能实现的频率个数有限，所以不采用这种方式。 （ 3） 外输入端子模拟量频率选择操作方式 MM440 设有模拟量输入端子，当接在这些端子上的电流或电压量在一定的范围内平滑变化时，变频器的输出频率在一定的范围内平常变化。 这类方式可由PLC 扩展一个模拟量输出模块，输了模拟量来控制变频器，这种方法缺点是要扩展一个模块，从而增加了成本。 （ 4） 通信数字量操作方式 为了方便与网络接口，变频器一般都设有网络接口，都可以通过通信方式接收频率控制指令，西门子公司设计了与 PLC 专 用的通信协议 —— 通用的串行口协议（ USS），它是按照串行总线的主 从通讯原理来确定访问的方法。 总线上可以连接一个主站和最多 31 个从站。 主站根据通讯报文中的地址字符来选择要传输数据的从站。 在主站没有要求它进行通讯时，从站本身不能首先发送数据，各个从站之间也不能直接进行信息的传输。 这种方法可以通过指令设置想要的频率输出，只需用一根通信线把 PLC 与变频器连接起来便可。 所以比较四种方式，选用通信数字量操作方式最好。 S7200 系列 PLC 安装的是标准的 9 针“ D 型”插头 /座，为了解方便设备的连接，西门子公司提供了专 用的网络连接器，用于连接 RS— 485 接口设备。 而变频器 MM440 有相应的 RS— 485 通信端口，所以只需用相应电缆将 CPU224 与MM440 的端子 1 与 3 与 2 8 与 30 相连就能实现硬件上的通信。 变频器 MM440 要实现 USS 通信还得对其相关参数设置事先置，请使用变频器自带小键盘设定表 3－ 1 中相关的参数。 表 3－ 1 变频器参数设定 参数号 设定值 功能说明 P0003 3 专家模式，使能读 /写所有参数 P0004 20 通迅 P0100 0 输入交流电率（ 50Hz） P0300 1 电动机类型（异步 电动机） 专科毕业设计说明书（论文） 16 P0304 380 电动机额定电压设定 P0305 电动机额定电流设定 P0307 电动机额定功率设定 P0308 电动机额定功率因素设定 P0309 87% 电动机效率设定 P0310 50 电动机额定频率设定 P0311 1440 电动机额定转速设定 P0700 5 USS 对变频器进行控制 P1000 5 USS 通迅发送频率设定值 P1300 0 线性 v/f 控制方式 P2020 6 变频器 USS 波特率设为 9600 P2020 0 变频器从站 USS 节点地址（ 0~30） 专科毕业设计说明书（论文） 17 第四章 设计正文 硬件设计 为了实现各种控制功能，在此对 PLC、变频器等器件进行选型和电路连接，在硬件上实现控制功能要求。 元件选型 根据控制要求确定，相应的输入与输出，主要选择 PLC、变频器和电动机的型号。 输入元件 由控制要求我们可以选择 4 个按钮 (SB)作为程序选择和暂停，选用三个位置开关（ SQ）作为高、中、低水位的输入，选用二个 3 输入的选择开关 (SA)用于选择所洗衣物的类 型、洗涤强度。 （ 1） 按扭（ SB） 按钮是一种结构简单的手动主令电器，当按钮被按下时，先断开常闭触点，然后才接通常开触点。 按钮释放后，在复位弹簧作用下使触点复位。 在没有按动按钮时，接在常开触头接线柱上的线路是断开的，常闭触点接线柱的线路是接通的；当按下按钮时，两种触点状态改变，同时也使与之相连的电路状态改变。 基于按钮的这种不按常开触点不通，按下导通后一旦放手又还原为不导通，这种优点正适合用来做选择全自动、单排水、单脱水、停止这四种功能的输入主令电器。 （ 2） 位置开关（ SQ） 滚筒式洗衣机一般使用水位控制器来检测水 位。 水位控制器由动静触点、橡胶气模片和气室等组成，它安装在洗衣机的上部，通过一根密封的导管与洗衣机的外桶（盛水桶）底部的贮气室相连，形成气路。 当水注入外桶时，贮气室被封闭，随着水位的升高，密闭室内的空气气压随水压成正比例增大，密闭室内的空气压力也随之增大，到一定水位后，空气压力使橡胶气模片发生形变而推动电触点状态发生转换，使常闭触点断开，常开触点接通，从而使洗衣机检测到相应的水位。 由于有三种水位（高、中、低），所以要采用三个水位控制器。 我们选用 3 个位置开关表示水位控制器的动静触点。 （ 3） 选择开关（ SA） 开关是一种有别于按钮的主令电器，开关有很多种，专科毕业设计说明书（论文） 18 最简单开关只表示两种状态 —— 开与关，按下后常开触点闭合，电路接通，放手后，开关不会像按钮那样自动复位，仍保持开的状态。 对于带冲洗与带漂洗这两种功能的输入控制可以选用开关来做主令器件。 对于电路中，希望选择性的导通其中一路，那么可以使用选择开关。 对于洗涤强度、衣物分类这两种功能的实现，可以选择两个三选一的选择开关，作为输入。 输出元件 （ 1） 继电器（ KM）。 电磁式继电器是用来接通与分断负荷电流的电磁式电器，用于控制加热电源的开与断。 它主要由线圈、铁 芯、衔铁、动静触点、弹簧等组成。 当线圈通电时，由电磁感应原理可知，线圈引衔铁带动触点动作，使常闭触点断开，常开触点闭合；当线圈失电时，衔铁在弹簧的复位用力下迅速使常开触点断开，常闭触点接通。 （ 2）电磁阀（ YV） 电磁阀的工作原理与继电器差不多，只是它可能使相应的阀门打开和关闭。 进水与出水都可以使用电磁阀来实现，洗涤液也是通过电磁阀来打开阀门，用水将其冲入洗衣机的。 在这里主要作用：用于进水控制、用于控制是否冲入预洗液、用于控制是否冲入主洗液、用于控制是否冲入漂 白液的控制。 （ 3） 指示灯（ HL） 用来指示洗衣机的工作状态。 选用 4 个指示灯分别用作电源指示（表示洗衣机电源已接通，等待选择以全自动、单排水、单脱水三者中的那种工作方式运行）、全自动运行指示、单排水指示、单脱水指示。 对于洗衣机的运行指示选用 24V的指示灯便可。 （ 4） 扬声器（ Y） 用于发出声音，提示洗完。 声音提示选用一个 24V 供电的扬声器。 电动机的选择 这里设计的工业洗衣机容量为 300 公斤，对此选用 Y132M4 型异步电动机（图 41），相关参数为：额定功率为 、额定电压为 380V、额定电流为 、额定转速为 1440rpm（ r/min）功率因素为 、效率为 87%。 由于洗衣机容量为 300kg，其负载转矩理论上为：        LT F r m g D k g N k g m N m11 3 0 0 9 .8 / 2 1 4 7 044 式中： TL为负载转矩， N m； F为力， N； r 为圆心到力的有效距离， m；， D为专科毕业设计说明书（论文） 19 圆柱的直径，设为两米，由于圆柱类物体其重力在数学微积分算得在其半径的一半处，所以 14rD，  /g N kg，为重力加速度。 而电动机的输出转矩为：    NN NPT N mn9550 输出转矩比负载转矩大，所示能带动，同时有一定的余量，是考虑到传动装置、摩擦等因素要有一定的阻转矩。 异步电动机转速与变频器频率关系计算： 同步转速：   11 6 0 6 0 5 0 15002fN r / m inP 转差率：      111115 00 14 00 0 041500NN N N 转速与频率关系：       11 1 16 0 6 01 1 0 9 9 9 6 2 9 9 8 82fN N ( S ) ( S ) . f . fp 所以，转速 N与频率 f1；对应关系请见表 3－ 1 所示： 表 3－ 1 转速 N与频率 f1对应表 异步电动机。