2010機程序控制系統(tǒng)

1、第一章 緒論1.1 背景介紹今天，高科技迅猛發(fā)展，各種高精尖的最新技術已經(jīng)日益普遍在老百姓的日常生活中。機器的勞動力是無限的，毫無疑問會代替一大部分人力勞動，大大減少了人們生活的壓力。工業(yè)洗衣機也就是在這種情況下應用而生的。世界上最早的洗衣機和我們中國最早的織布機一樣，也是木制手搖的，它是美國人比爾布萊克斯在1874年發(fā)明的，它的出現(xiàn)引導著衣服“手洗時代”的退化。這是一臺設計相當簡潔的洗衣機，在木制的轉筒里安裝六塊木板用以撥動衣服和水，使衣服和水不停地滾動，就可以把衣服洗干凈了。就是這一臺簡單的洗衣機，引起了后來的洗衣機風暴，讓那些為提高生活效率而苦思冥想的人眼前一亮，洗衣機在很短的時間內不停

2、改進。1880年，在北美洲出現(xiàn)了用蒸汽機作為動力來源的新式洗衣機。這之后，用河水代替人力以及用消耗燃料的發(fā)動機牽引的洗衣機也緊接著被發(fā)明出來。到1911年，電動機的發(fā)明再一次改變了洗衣機的結構，第一臺電動洗衣機在美國試制成功。電動洗衣機的生產(chǎn)成功，減輕了相當一部分家庭婦女的勞動負擔。 1922年，電動洗衣機在不斷地完善后，迎來了一種嶄新的“攪拌方式”的洗衣方式。翻滾式洗衣機是由美國一家的公司開發(fā)成功的。這種洗衣機的中心安一根立桿，在立桿下端裝有翻滾用的撥板，撥板通過立桿得到電機的動力，能夠攪拌衣服不停地翻滾，通過機械沖擊來洗滌污垢。由于攪拌洗衣機具有非常合理科學的結構，因此得到了人們的普遍喜愛

3、，在短短幾年時間內紅遍整個世界。1932年，更合理的洗衣機再一次出現(xiàn)了。美國的一家科研機構發(fā)明了世界上第一臺滾筒洗衣機，所有洗衣工序都在同一個滾筒內完成。時至今日，滾筒式洗衣機已經(jīng)成為家庭中不可或缺的家用電器。越來越智能化、結構越來越復雜，讓洗衣機的自動化程度越來越高，這就使得洗衣機內部的自動控制系統(tǒng)不斷提高，這也是洗衣機需要研究的核心問題之一。而PLC是目前洗衣機使用最廣泛的控制器，結構簡單，使用方便，開發(fā)難度小。所以，PLC成為研發(fā)的主流，而我本次畢業(yè)設計的主要內容也是用PLC編出洗衣機的智能化洗衣程序。1. 總體設計方案 本課題主要要求設計一個智能洗衣機程序控制系統(tǒng)。要求實現(xiàn)洗衣機自動送

4、水、洗滌、排水、脫水的幾次循環(huán)過程；每一次循環(huán)和循環(huán)中的每一個環(huán)節(jié)都有固定的時間；能根據(jù)設定的程序自動送水、洗滌、排水、脫水；設計出控制系統(tǒng)。具體要求如下：PLC通電以后，系統(tǒng)進入初始狀態(tài)，準備啟動。啟動以后開始往里注水水，當水位達到高水位后取消注水，這時洗衣機要開始工作。整個洗滌分三次小循環(huán)和三次大循環(huán)。小循環(huán)包括：正轉15s，暫停3s；倒轉15s，暫停3s。三次小循環(huán)再加上排水（到低水位時停止）和10s的脫水排水過程，就算一次大循環(huán)。當三次大循環(huán)結束以后，報警10s，之后停機，整個過程全部結束。整體方案如下：PLC按鈕輸入變頻器電動機進、排水閥報警與指示燈選用PLC作為為中央處理器，通過電

5、腦將洗衣機的程序寫入PLC的CPU，PLC根據(jù)所寫入的程序和按鈕送入的信號執(zhí)行送水、洗滌、排水、脫水的每一個環(huán)節(jié)以及循環(huán)次數(shù)；洗滌和脫水則電動機工作，送水和排水電磁閥工作；如果在任何一個環(huán)節(jié)中出現(xiàn)故障，則報警器鳴叫。其單元結構圖如圖1-1所示。圖1-1 硬件單元結構圖程序編好以后，通過軟件仿真。第二章 三菱FX2N-64MR型PLC本次設計用到的核心器件，毫無疑問就是控制器，即三菱FX系列PLC。它負責控制策略的編寫，控制行為的執(zhí)行。當外部信號輸入時，它就要根據(jù)信號的內容經(jīng)過內部程序分析判斷需要執(zhí)行的步驟，然后通過繼電器的動作完成控制作用，PLC實物如圖2-1所示。2.1 PLC的定義與由來P

6、LC的全稱是可編程邏輯控制器，它采用某種編輯程序可編程的存儲器，存儲內部程序，執(zhí)行順序控制、邏輯運算、計數(shù)與算術操作、定時等便于用戶學習使用的指令，并且通過數(shù)模輸入和數(shù)模輸出信號去控制很多設備。圖2-1 三菱PLC實物最早發(fā)明的PLC僅能實現(xiàn)順序控制和邏輯計算。計算機技術在不斷地發(fā)展，也不斷地擴展和完善了PLC的功能，使其作用遠遠不止邏輯和順序控制的小范圍，更新了模擬量、過程控制等實用較多的作用。2.2 PLC的特點1 編程簡單且容易學習。PLC用的最多的就是編程語言就是梯形圖。梯形圖這種語言直觀形象、易懂易學，熟悉電器的電路圖的技術員就可以很快學會梯形圖這種語言，可以編寫PLC程序。2 功能

7、強大，性價比高。一臺比較小型的PLC內就有幾百到一千個能供用戶選擇的編程軟件，可以完成很簡單以至很復雜的控制策略。與功能相同的繼電器控制系統(tǒng)相比，不僅節(jié)省成本，而且檢修調制也變得輕松容易。3 硬件選擇比較多，用戶可以根據(jù)需求進行不同的模塊組合，能夠滿足多種多樣的控制需求?，F(xiàn)在的PLC已經(jīng)達到世界標準水平，附帶著大量的功能模塊以供選擇，可以方便靈活地實現(xiàn)各種系統(tǒng)的配置，組成功能不同、規(guī)模不同的系統(tǒng)。4 可靠性比較高，抗擾能力很強。傳統(tǒng)使用的繼電器控制系統(tǒng)使用的基本都是中間和時間繼電器。因為出頭的接觸很容易不良，故障率比較大。而PLC中用軟件取代了大量的時間、中間繼電器，接線能夠減少到繼電器系統(tǒng)控

8、制的0.010.1倍，因此故障率大大減小。5 設計方便、調試簡單。PLC控制系統(tǒng)中的繼電器、計數(shù)器很少，也使控制柜安裝、設計、接線簡單，容易辦到。6 維修量小且方便。PLC出現(xiàn)故障的幾率很小，而且?guī)в凶栽\斷能力和顯示的功能。PLC本身或外部其他硬件發(fā)生故障時，可以通過PLC上的光發(fā)二極管或編程機器傳出的信號快速查明故障原因，更換模塊可以快速地使故障排除。7 能耗低，體積小。對于比較復雜的系統(tǒng)，PLC可以大大減少所用元件，可以使柜子的占地減少到1/10-1/2。2.3 PLC的結構實際上的PLC包括軟件和硬件兩部分，這里只介紹硬件部分。1 電源模塊電源占有著舉足輕重、不可忽視的地位。如果電源的性

9、能不夠良好、可靠、穩(wěn)定，系統(tǒng)就無法正常工作。因此，在PLC的設計中，電源的設計是比較嚴苛的一部分。一般允許交流電壓在10%15%的范圍內波動，可以把PLC直接接到電網(wǎng)上而不采取其他措施。2 中央處理器（CPU）中央處理器（CPU）是PLC的控制中樞，是整個控制系統(tǒng)地核心。它依據(jù)PLC自己的特有屬性處理和分析來自于設備輸入的功能代碼；測試各硬件模塊的實時狀況，并指出程序中的問題和警告。當PLC即將開始工作時，從現(xiàn)場的多種裝置得到的信號和指令后儲藏在輸入輸出模塊中，然后從現(xiàn)場工作程序的指令中讀取內容，根據(jù)指令的計算規(guī)則得到結果后傳送給輸入輸出設備保存起來。當所有的指令都經(jīng)過分析以后把PLC最終得到

10、的決策內容給到輸出設備，然后繼續(xù)下一輪讀取，循環(huán)執(zhí)行著現(xiàn)場工作程序。為了保證PLC控制的可靠性，在大型的PLC上采用雙核CPU組成冗余系統(tǒng)，或采用三核CPU構成表決式系統(tǒng)。這樣局部的故障就無法波及整體的工作。3 存儲器它能夠記憶一些東西，里邊的主要元件是半導體元件。系統(tǒng)本身運行的時候也需要程序的支持，保存這部分程序的半導體電路叫做系統(tǒng)程序存儲器。這部分內容只可以看，不能改。而軟件的部分則可以根據(jù)用戶的需求進行更改，工作時的數(shù)據(jù)以及程序保存在隨機存儲器中，既可以看，也可以改。（1）輸入接口現(xiàn)場輸入接口電路由光電耦合電路和微機的輸入接口電路，它的作用是PLC與現(xiàn)場控制接口界面的入輸通道。輸入接口的

11、電路工作過程：合上開關后，二極管就發(fā)光，之后三極光經(jīng)光照后導通，并且向內部的電路輸入信號；當斷開開關，二極管不再發(fā)光，三極管不再導通，也不向內部傳輸信號。也就是輸入接口電路可以把外部的開關信號變成能夠被PLC內部接受的的數(shù)字信號。（2）輸出接口PLC與執(zhí)行機構之間的通道叫做輸出接口，傳送數(shù)據(jù)、中斷信號以及現(xiàn)場采集到的故障和警報信息。作用是PLC通過它可以向現(xiàn)場執(zhí)行部件去輸出相對應的控制信息。工作過程：內部電路給出的數(shù)字信號為1時，有電流去流過，繼電器的線圈也有電流，之后常開觸點就會因而提供負載導通需要的電流、電壓；內部電路給出的數(shù)字信號為0時，就沒有其電流流過，繼電器的線圈失電，常開觸點就會斷

12、開，負載的電流和電壓也會斷開。這也就是輸出接口能把內部電路的數(shù)字信號轉化成物理動作信號。5 通信接口 Plc配有很多各種各樣的相互聯(lián)系的接口，并且裝有處理相關數(shù)據(jù)的設備。經(jīng)過這些通道，主機能夠與控制環(huán)中的所有相關檢測儀器、傳送裝置以及執(zhí)行機構進行相互傳送信號。另外，兩臺主機之間和多臺主機之間都能夠進行通信，使其成為一個很大的控制兼監(jiān)控的大網(wǎng)系統(tǒng)。還有進行遠程操控也需要這種接口通道。6 智能接口模塊進行智能化以后的通道是一個比較孤獨的單元，具有自己的各個運行部件，包括處理器、內存以及各種通道。它是PLC的一個不可或缺的部分，通過一定的途徑與主機相連，實現(xiàn)通信等作用，并能夠單獨擔任一定的任務。PL

13、C的智能接口模塊種類很多，這里就不一一列舉了。7 編程裝置編程裝置是把工業(yè)現(xiàn)場的控制要求和目標轉化成PLC語言并輸入到PLC的CPU中進行控制作用的裝置，并且能夠充當現(xiàn)場的實時監(jiān)控設備，并且能夠在工程師和主機之間建立起溝通的橋梁，是PLC上很重要的一個組成部分。編程裝置有比較獨立的裝置，也有裝設在主機內部的。專用的編程器能夠服務的品牌較少，由于是特殊設計，成本比較高。另外，PLC的發(fā)展非?？焖伲枰粩嗟馗缕涔δ?，所以過去設計的專用編程器也會很快被淘汰掉了，所以，一般人很少選用此類編程器。相反，大部分的人都愿意在自己的計算機上安裝相應的計算機軟件完成編程工作，這樣不僅方便使用，成本較低，而且

14、更新?lián)Q代比較簡單。如此一來，用戶就可以花較少的錢得到性能強大的控制系統(tǒng)，這是目前PLC發(fā)展的主要趨勢。2.4 PLC的應用領域 目前，根據(jù)PLC的不同類型，已將它的應用分為以下幾類。1 開關量的邏輯控制 PLC應用最廣泛的領域就是開關量的邏輯控制，因為它也是PLC最基礎的控制功能，可以取代繼電器的控制。這樣既可以控制小型規(guī)模的設備，也可以控制有很多設備組成的流水線、生產(chǎn)線等等大規(guī)模的現(xiàn)場。例如，香煙包裝的生產(chǎn)線，采礦用的皮帶輸送機、裝配汽車的生產(chǎn)線、鍍電流水線、箱冰生產(chǎn)線、控制電梯，還有組合機床電氣控制。2 慢連續(xù)量過程控制溫度和流量等物理量的變化是比較平緩的，由于工業(yè)現(xiàn)場的要求需要采集模擬量

15、并組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。這就需要有模擬量和數(shù)據(jù)量的相互轉化，即A/D和D/A轉換的模塊。PLC的這個功能已經(jīng)被廣泛應用到電力、化工、冶金、機械、輕工等行業(yè)。比如，鍋爐的控制，磨廠分級的過程控制、加熱爐溫控制、水處理的控制、酒釀的控制等等。3 快連續(xù)量的動運控制PLC還能夠驅動步進電機等精度要求比較高小型設備，比如機械手臂等需要小幅度圓周運動的場合。現(xiàn)今，運動的控制已經(jīng)成為PLC不能缺乏的功能之一，它已經(jīng)被廣泛使用于多種機械，比如機器手、裝配機械、金屬形成機械。4 通信PLC通信的類型大體為以下幾種：（1）PLC和PLC之間的互相通信。兩臺之間可以通信，幾十臺或者上百臺也能；同系列之間的可以，不同系

16、列之間的也行。比如，把三菱的FX系列PLC當成三菱的A系列的就地制控站，這樣就能簡單地現(xiàn)實生產(chǎn)過程分散控制以及集中管理。（2）PLC和智能裝置的通信。PLC可以和打印機等附加設備，另加遠程控制設備等非主要設備進行通信，使之形成一個網(wǎng)絡。（3）PLC和上位計算機間的通信。計算機能進行編程，也能對PLC監(jiān)控與管理。和集散控制系統(tǒng)類似，PLC也能實現(xiàn)一臺計算機同時領導多臺PLC進行控制。（4）PLC和PLC數(shù)據(jù)取存單元實現(xiàn)通信。PLC提供多種型號的數(shù)據(jù)取存單元，用這個數(shù)據(jù)取存單元能方便地對已設定的數(shù)據(jù)修改，也能對各個監(jiān)控點數(shù)據(jù)和圖形的變化實現(xiàn)監(jiān)控，也能對PLC發(fā)生的故障進行判別和診斷。PLC應用的領

17、域也越來越寬泛，差不多遍及所有的控制現(xiàn)場。大部分的工業(yè)領域都有PLC進行控制。跟隨著PLC性價比的不斷提高，它的應用圍范會越來越大。第三章 三菱FR-A540變頻器的結構和原理本次設計中的另一個重要元件就是變頻器，變頻器是連接PLC與洗衣機的電動機的重要樞紐。由于PLC輸出的是開關信號，沒有過渡過程。而電動機的起停是一個緩慢的過程，起停太快會無法啟動甚至損壞電動機。而變頻器就是一個平滑調速的裝置，能很好解決電動機的起停問題，本次設計采用的是三菱FR-A540型變頻器。3.1 變頻器簡介變頻器通過一定的技術，把輸入其的電壓的頻率進行改變，由于電動機的轉速與供電電源的頻率有直接的關系，所以變頻器能

18、通過這種手段改變電機的轉速，實現(xiàn)變頻調速。變頻器能夠把直流變成交流，也能把交流變成直流，同時還能過濾掉不需要的干擾性頻率。變頻器經(jīng)內部的IGBT開斷來調整輸出電源的頻率和電壓，從而實現(xiàn)節(jié)能和調速的目標。變頻器還設有很多保護的功能，防止電流、電壓等過載引起對電動機的傷害。所以，變頻器和電動機是一對孿生兄弟，基本不可分開。3.2 變頻器的構成一 主電路變頻器的主電路由整流器、平波電路、逆變器和制動電路組成，如圖3-1所示。1 整流器圖3-1 變頻器電路結構把交流變成直流的過程叫做整流。用二極管和三極管以及晶閘管等元器件，利用電力電子技術經(jīng)過一定的原理組合在一起就能實現(xiàn)這個功能。一般的整流電路經(jīng)過調

19、整也能變成逆變電路。2 平波電路 經(jīng)整流器后的直流電壓中，有6倍電源率頻脈動電壓，另加逆變流器生產(chǎn)的脈動流電也會讓直流的電壓產(chǎn)生波動。為了能夠抑制波動的電壓，用電感與電容吸收脈動的電壓和電流。裝置的容量比較小的時候，若電源及主電路的器件有余量，則能夠省略電感而直接用簡潔的平波電路。3 逆變器和整流器不同，逆變器它的作用只是把直流的功率轉換成要求率頻的交流的功率，一句PWM的控制信息把6個開關元件間歇導通和關斷，就能得到頻率能變化的三相交流的輸出。4 制動電路異步電機工作在再生的制動區(qū)（轉差率是負的），再生的能量存儲在平波回路中的電容器里，讓直流電壓能夠升高。通常來看，由機械統(tǒng)系（含帶電機）的慣

20、量積攢到的能量比在電容器里儲存著的能量多，需快速地制動時，能用可以逆變的變流器向電源設置或制動電路（電阻和開關）將再生的功率耗費掉，避免直流回路的電壓升高。二 控制回路1 運算回路 通過控制系統(tǒng)中的閉環(huán)測量裝置把電機運行的實時數(shù)據(jù)采集回來后，通過運算回路的計算，得出相應的結果，從而根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算變頻的程度。2 電壓和電流測檢電路和主電路的電位進行隔離，檢測電流、電壓等。3 驅動回路是驅動主回路的器件的回路，能夠讓主回路的器件關斷、導通。4 速度測檢電路 以安在異步電機軸上邊的速度測檢器件（PLGTG）的信號作為速度的信號，送到運算電路，依據(jù)運算和指令能讓電動機在指令要求的速度下運轉。5 保護

21、回路當回路的某些電力物理量超過正常工作的范圍時，就變得非常危險，為了保護電動機被燒毀，需要設置一些保護性電路。保護電路主要含有：（1）逆變器的保護包含瞬時過流電、再生過壓、過載、瞬間停電、冷風機異常、接地過流電等保護。（2）異步電機保護包含過載、超速和超頻等保護。（3）其他保護 包含防失速過流、防失速再生過壓等保護。第四章 硬件電路連接與控制程序設計4.1 硬件電路連接本次設計的硬件部分主要包括PLC、變頻器、電動機和各種繼電器。PLC作為主控制器，根據(jù)內部的工作程序，通過按鈕的輸入信號進行分析計算，最后得出結果輸出到變頻器或控制進水、排水閥的繼電器；變頻器主要是對電動機的啟動和停止進行平滑地

22、調速，除了輸入和輸出三相電的R、S、T和U、V、W外，還有正轉輸入端STF、反轉輸入端STR，并且對變頻器的參數(shù)進行設置，可以實現(xiàn)電動機啟動和停止的調速過渡時間進行調整。本次設計的硬件連接圖如圖4-1所示。圖4-1 硬件連接圖 硬件圖是基礎，有了正確合理的硬件連接，才能保證軟件的正常運行。軟件部分是核心，是整個洗衣機的大腦，以下是軟件部分。4.2 控制程序設計一 變頻器參數(shù)設置之所以要選用變頻器作為PLC和電動機之間的橋梁，一是因為PLC的輸出信號需要通過變頻器傳送給電動機，二是因為電動機的啟動需要通過變頻器改變輸入頻率而緩慢啟動。根據(jù)本次設計的要求和需要，本次設計變頻器參數(shù)設置如表4-1所示

23、。序號內容參數(shù)1系統(tǒng)清零2運行模式Pr.79=5（程序）3時間設定Pr.200=0/2(分鐘、秒)4程序運行組Y1正轉（STF）Pr.7=3 Pr.8=3 Pr.20=30 Pr.29=0Y2反轉（STR）Pr.7=3 Pr.8=3 Pr.20=30 Pr.29=0Y4脫水（RH）Pr.18=130二 控制程序設計根據(jù)1.3的設計要求和設計方案，現(xiàn)將軟件設計部分列舉如下1 PLC的I/O的配置方式如表4-2所示。輸入設備輸入繼電器輸出設備輸出繼電器代號功能代號功能SB1啟動按鍵X0KM0進水閥Y0SB2停止按鍵X1正轉Y1SB3排水按鍵X2反轉Y2SQ4高水位X3KM1排水Y3SQ5低水位X4

24、脫水Y4HL蜂鳴器Y5表4-2 PLC的I/O配置方式2順序功能圖順序功能圖是整個程序的邏輯結構，必須保證正確、簡潔，本設計的順序功能圖如圖4-2所示。啟動正、反轉不夠3次初始狀態(tài)進水洗滌正轉暫停洗滌反轉暫停排水報警脫水、排水停機大循環(huán)不夠3次高水位15s3s15s3s低水位10s10s一次小循環(huán)一次大循環(huán)圖4-2 順序功能圖3 程序清單圖4-3 程序清單（一）圖4-4 程序清單（二）圖4-5 程序清單（三）第五章 控制系統(tǒng)仿真結果本設計仿真采用GX WORKS 2軟件。 GX WORKS 2是德國三菱公司開發(fā)的PLC編程與仿真綜合一體的軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真各種PL

25、C程序你，能夠清楚地看出程序的運行情況以及輸入輸出之間的關系。利用GX WORKS 2對本次的工業(yè)洗衣機控制程序進行仿真，以下是結果截圖：1 進水當按下啟動按鈕后，Y000接通，進水電磁閥打開，洗衣機開始進水，當水位到達高水位開關后，Y000關閉，停止進水，如圖5-1所示。圖5-1 進水輸出示意圖2 正轉當高水位開關X003接通后，Y001接通，洗衣機開始正轉，正轉要持續(xù)15s，然后暫停3s，如圖5-2所示。圖5-2 正轉輸出示意圖3 反轉 正轉暫停3s結束后，Y002接通，洗衣機開始反轉，反轉要持續(xù)15s，然后暫停3s。如圖5-3所示。圖5-3 反轉輸出示意圖4 排水脫水 正轉、反轉以及附帶

26、的暫停循環(huán)運行三次后，Y003接通，洗衣機開始排水；當水位到達低水位后，Y004接通，洗衣機開始脫水并繼續(xù)排水，脫水持續(xù)10s，如圖圖5-4所示。圖5-4 排水脫水輸出示意圖5 報警 當三次小循環(huán)及排水、脫水完成后,算一次大循環(huán)，三次大循環(huán)完成后，Y005接通，蜂鳴器開始報警，報警持續(xù)10s后結束，此時整個洗衣過程完成，如圖 5-5所示。圖5-5 報警輸出示意圖結論隨著高科技的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中的自動化已經(jīng)日益不可缺少，而且地位越來越重要，不僅能夠保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定、準確、快速，更能節(jié)約大量的人力、物力、財力，而PLC作為控制家族中非常重要的一員，地位也非常重要，PLC已成為遍及工業(yè)控制現(xiàn)場的大

27、角色。在設計中，主要對電動機的控制程序進行編程，從而控制電動機的旋轉方法、時間，以及進、排水閥門實現(xiàn)洗衣過程。它由PLC、變頻器、各種繼電器、報警蜂鳴器組成，當PLC的輸入端口接受外部的信號后，根據(jù)程序算法決定輸出端的動作方法。結合變頻器當中的電機調速程序，控制電機和繼電器的動作。通過本次設計，使我學到的知識應用到了實踐，深化了對PLC和變頻器的硬件設備與軟件設計的認識，使我們在設計的實踐中獲得新的知識。理論知識作為科研的基礎，是必不可少的，認真學習課堂內容和課本知識是我們大學四年中很重要的一部分。然而“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。搞科研就像學習任何一門技藝一樣，紙上談兵永遠都不會有什么成就，無論好壞拿