PLC課程設計-洗衣機

PAGE23PLC課程設計_洗衣機1概述目前中國市場正進入更新?lián)Q代期，市場潛力巨大，人們對于洗衣機的要求也越來越高，目前的洗衣機主要有強弱洗滌功能、進排水系統(tǒng)故障自動診斷功能、暫停等七大功能，在許多方面還不能達到人們的需求。這就要求設計者們有更高的專業(yè)和技術水平，能夠提出更多好的建議和新的課題，將人們的需要變成現(xiàn)實，設計出更節(jié)能、功能更全面、更人性化的全自動洗衣機。目前的洗衣機都沒有實現(xiàn)全方面的兼容，大多洗衣的廠家都注重各自品牌的洗衣機的特長，突出一兩個與別的洗衣機不同的個性化的功能，洗衣機的各項功能是PLC控制實現(xiàn)的，控制功能靈活，因此，設計出基于PLC全自動洗衣機控制電路系統(tǒng)具有很強的實用性。本設計采用物美價廉的三菱為控制核心,為保證洗衣機及人身安全,設計了蜂鳴報警電路.功率驅(qū)動電路由可控硅實施對電動機,進水閥,排水閥的控制.本設計只設計了全自動洗衣機的基本功能,其他的一些功能可在原有的基礎上擴展升級,使全自動洗衣機能更加智能化,更加完善.我們是采用PLC可編程控制技術設計的全自動化洗衣機。全自動洗衣機的洗衣桶（外桶）和脫水桶（內(nèi)桶）是以同一中心安放的。外桶固定，作盛水用。內(nèi)桶可以旋轉(zhuǎn)，作脫水（甩水）用。內(nèi)桶的四周有很多小孔，使內(nèi)外桶的水流相通。該洗衣機的進水和排水分別由進水電磁閥和排水電磁閥來執(zhí)行。進水時，通過電控系統(tǒng)使進水閥打開，經(jīng)進水管將水注入到外桶。排水時，通過電控系統(tǒng)使排水閥打開，將水由外桶排出到機外。洗滌正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)由洗滌電動機驅(qū)動波盤正、反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，此時脫水桶并不旋轉(zhuǎn)。脫水時，通過電控系統(tǒng)將離合器合上，由洗滌電動機帶動內(nèi)桶正轉(zhuǎn)進行甩干。高、低水位開關分別用來檢測高、低水位。啟動按鈕用來啟動洗衣機工作。停止按鈕用來實現(xiàn)手動停止進水、排水、脫水及報警。排水按鈕用來實現(xiàn)手動排水。它能實現(xiàn)的功能有：首先系統(tǒng)處于初始狀態(tài)時，按下啟動按扭及水位選擇開關，開始進水，水滿（即水位到達高低）時停止進水。2秒后開始洗滌，洗滌時，正轉(zhuǎn)15秒后暫停，暫停3秒后開始反轉(zhuǎn)洗滌，反轉(zhuǎn)洗滌15秒后暫停，暫停3秒。如此循環(huán)3次，排空后（水位下降到低位）開始脫水并繼續(xù)排水。脫水10秒即完成一次從進水到脫水的工作循環(huán)過程。若未完成3次大循環(huán)，則返回從進水開始的全部動作，進行下一次大循環(huán)；若完成了3次大循環(huán)，則進行洗完報警。報警10秒結(jié)束全部過程，自動停機。此外按排水按鈕可實現(xiàn)手動排水；按停車按扭可停止進水、排水、脫水及報警。全自動洗衣機的實物示意圖如下圖1所示。圖1全自動洗衣機的實物示意圖全自動洗衣機有各種洗滌程序,可供自由選擇,工作時間可任意調(diào)節(jié)，而且工作狀態(tài)及洗、脫時間在面板都有顯示,能自動處理脫水不平衡(具有各種故障和高低電壓自動保護功能),工作結(jié)束或電源故障會自動斷電,無需看管,確保安全。它還具有浸泡,手洗水流功能。它省時省力，操作簡單，非常方便的適用于人們的日常生活中，給人們帶來了更多的好處。2總體方案設計2．1拖動方案選擇拖動方式主要由液壓拖動、電機拖動和氣壓驅(qū)動等。液壓驅(qū)動以高壓油液作為工作介質(zhì)。驅(qū)動機構(gòu)可以是開環(huán)的，也可以是閉環(huán)的，可以是直線的或者旋轉(zhuǎn)的。液壓油液可達到較高壓力，使機構(gòu)體積小，能得到較大的推力或轉(zhuǎn)矩，適用于大型機器人和大負載。其優(yōu)點為工作平穩(wěn)可靠，噪聲低。壓力流量可調(diào)，無需減速齒輪，易實現(xiàn)自動控制。具有自潤滑性能，機械效率高。缺點為油液粘度受溫度變化影響，性能不穩(wěn)定,且高溫容易引起燃燒爆炸等危險。液體存在泄漏，應用場合受限制。需要專門的供油系統(tǒng)，成本高，需要維護。以電動機作為原動機拖動機械設備運動的一種拖動方式。又稱電氣傳動。由于電能獲得方便，使用電動機的設備體積比其他動力裝置小,并且沒有汽、油等對環(huán)境的污染,控制方便，運行性能好，傳動效率高，可節(jié)省能源等。所以，80％以上的機械設備，應用電力拖動電力拖動裝置由電動機及其自動控制裝置組成。自動控制裝置通過對電動機起動、制動的控制，對電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的控制，對電動機轉(zhuǎn)矩的控制以及對某些物理參量按一定規(guī)律變化的控制等，可實現(xiàn)對機械設備的自動化控制。采用電力拖動不但可以把人們從繁重的體力勞動中解放出來，還可以把人們從繁雜的信息處理事務中解脫出來，并能改善機械設備的控制性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。按電動機供電電流制式的不同，有直流電力拖動和交流電力拖動兩種交流電動機沒有機械式整流子，結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠,有良好的節(jié)能效果,在功率和轉(zhuǎn)速極限方面都比直流電動機高。在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動是最簡單的，在工業(yè)上應用很廣。在機器人中主要應用于1/2自由度的開－關類型關節(jié)。氣動執(zhí)行元件既有直線氣缸，也有旋轉(zhuǎn)氣動馬達。它具有壓縮空氣粘度小，容易達到高速、操作簡單、可完成大量的點位搬運操作任務、無需專用氣源，系統(tǒng)成本低廉、空氣介質(zhì)清潔無污染、工作壓力低，氣動元件成本低等特點。它同時也有壓縮空氣工作壓力低輸出推力小、工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，位置控制困難的缺點。在本次設計中采用電機拖動方式。2．2控制方式選擇控制方式有多種，目前普遍使用的有PLC控制、單片機控制和FPGA控制。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。PLC由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。單片機與通用微型計算機相比較，它在硬件結(jié)構(gòu)、指令設置上均有其獨到之處。單片機中的存儲器ROM和RAM是嚴格分工的。ROM為程序存儲器，只存放程序、常數(shù)及數(shù)據(jù)表格。而RAM則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放變量。這樣的結(jié)構(gòu)主要是考慮到單片機用于控制系統(tǒng)中，有較大的程序存儲空間，把已調(diào)試好的程序固化在ROM中，而把少量的隨機數(shù)據(jù)存放在RAM中，這樣，小容量數(shù)據(jù)存儲器能以高速RAM形式集成在單片機內(nèi)，以加快單片機的執(zhí)行速度。但單片機上RAM是作為數(shù)據(jù)存儲器用，而不是當作高速數(shù)據(jù)緩沖存儲器（Cache）用。單片機采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制的需要，單片機的邏輯控制能力要優(yōu)于同等級的CPU，持別是單片機具有很強的位處理能力。由于體積小、成本低、運用靈活、易于產(chǎn)品化，它能方便地組成各種智能化的控制設備和儀器，做到機電儀一體化。它可用于工業(yè)控制、儀器儀表、電訊技術、辦公自動化和計算機外部設備、汽車與節(jié)能、導航與控制等領域。FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列，其可以設計為各種邏輯功能，設計靈活。當然它也可嵌入各種CPU做為處理器，如8051，ARM，NIOS_ii等等構(gòu)架的CPU。其優(yōu)點是并行處理，因此速度快，適合與高速場合，例如圖像，視頻數(shù)據(jù)采集與處理。在本次設計中，鑒于以上幾種控制方式，選用PLC控制方式。2．3工作方式選擇控制方式主要有知道自動工作、半自動工作和手動工作。自動控制是指在沒有人直接參與的下，利用外加的設備或裝置，使、設備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制是相對人工控制概念而言的。指的是在沒人參與的情況下，利用控制裝置使被控對象或過程自動地按預定規(guī)律運行。手動控制方式是指每一操車設備的動作在滿足閉鎖條件下,靠操作臺上的相應按鈕來.而在方式下,只要每一操車設備的動作滿足了相應的閉鎖邏輯條件,該動作就會自動完成,此時操作臺上的指令按鈕。半自動指的是在安全區(qū)可以由操作人員手動調(diào)節(jié)，到工作區(qū)則由系統(tǒng)控制。全自動洗衣機主要是采用自動控制方式，為了緊急情況和檢修，同時采用手動控制方式。2．4信號檢測裝置選擇信號檢測是針對反應偏差問題的一種系統(tǒng)研究測試方法。信號檢測并不嚴格地關注感覺過程，而是強調(diào)刺激事件出現(xiàn)與否的決策判斷過程。本設計采用控制閥來檢測水位。洗衣機控制面板的水位控制閥有一根細管與洗衣機內(nèi)桶的底部側(cè)面相通。當洗衣機加水時，管內(nèi)空氣被壓縮，當達到一定壓力時，推動控制閥內(nèi)電源鑄點相通?？刂崎y水位高、中、低所需要壓力不同。所以能控制不同水位。2．5保護措施1、短路保護電氣設備由于各種原因相接加相碰，產(chǎn)生電流突然增大的現(xiàn)象叫短路。短路一般分為相間短路和對地短路兩種。短路的破壞作用瞬間釋放很大熱量，使電氣設備的絕緣受到損傷，甚至把電氣設備燒毀。大的短路電流，可能在用電設備中產(chǎn)生很大的電動力，引起電氣設備的機械變型甚至損壞。短路還可能造成故障點及附近的地區(qū)電壓大幅度下降，影響電網(wǎng)質(zhì)量。短路保護應當設置在被保護線路接受電源的地方。電氣設備一般采用熔斷器、自動空氣開關、過電流繼電器等作為短路保護措施。2、過負荷保護過負荷保護是指用電設備的負荷電流超過額定電流的情況。長時間的過負荷，將使設備的載流部分和絕緣材料過度發(fā)熱，從而使絕緣加速老化或遭受破壞。設備具有過負荷能力即具有一定的過載而又不危及安全的能力。對連續(xù)運轉(zhuǎn)的電力機都要有過負荷保護。電氣設備裝設自動切斷電流或限止電流增長的裝置，例如自動空氣開關和有延時的電流繼電器等作為過負荷保護。3、欠壓和失壓保護電氣設備應具有在電網(wǎng)電壓過低時能及時地切斷電源，同時當電網(wǎng)電壓在供電中斷再恢復時，也不自動起動，即有欠壓、失壓保護能力。因電力設備自行起動會造成機械損壞和人身事故。電動機等負載如電壓過低會產(chǎn)生過載。通常電氣設備采取接能器聯(lián)鎖控制和手柄零位起動等作為欠壓和失壓保護措施。4、缺相保護所謂缺相，就是互相供電電源缺少一相或三相中有任何一相斷開的情況。造成供電電源一線斷開的原因是：低壓熔斷器或刀閘接觸不良；接觸器由于長期頻繁動作而觸頭燒毛，以至不能可靠接通；熔絲由于使用周期過長而氧化腐蝕，以致受起動電流沖擊燒斷，電動機出線盒或接線端子脫開等等。此外，由于供電系統(tǒng)的容量增加，采用熔斷器作為短路保護，結(jié)果也使電動機斷相運行的可能性增大。為此，國際電工委員(IEC)規(guī)定：凡使用熔斷器保護的地方，應設有防止斷相的保護裝置。在本次設計中，為了保護人身安全和洗衣機，主要采用熔斷器，在線路上有其他的保護措施，例如空氣開關等。3主電路設計洗衣機的主電路圖如圖2所示。整個線路的工作原理為：接觸器KM1主觸點得電閉合時，電機M正轉(zhuǎn)運行，接觸器KM2主觸點得電閉合時，M反轉(zhuǎn)運行。為防止全自動洗衣機在工作過程中電路發(fā)生短路、過載，損壞電動機和電路中的各種電氣設備，因此在主電路中安裝了熔斷器和熱繼電器，當電路出現(xiàn)短路故障時，能迅速、可靠的斷開電。圖2主電路4PLC控制系統(tǒng)設計4．1控制系統(tǒng)組成框圖控制系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。圖3控制系統(tǒng)組成框圖4.2PLC的選用依據(jù)系統(tǒng)資源分配以及I/O分配表，，故選擇三菱。4.3控制流程圖根據(jù)控制要求，畫出控制流程圖4所示。圖4控制流程圖4.4I/O通道分配I/O通道分配包含輸入地址分配和輸出地址分配。（1）輸入地址分配洗衣機控制系統(tǒng)主要是數(shù)字量控制。系統(tǒng)數(shù)字量輸入有啟動按鈕、停止按鈕、手動排水開關、高水位開關水、低水位開關共5個輸入控制信號，需要5個PLC的輸入端點。控制電器與PLC端點關系如表1所示。表1輸入地址分配表PLC輸入地址對應洗衣機控制電器電器元件代號X000停止按鈕SB1X001啟動按鈕SB2X002手動排水按鈕SB3X003高水位選擇開關SQ1X004低水位選擇開關SQ2(2)輸出地址分配洗衣機控制系統(tǒng)的執(zhí)行電器有進水電磁閥、排水電磁閥、電動機正轉(zhuǎn)接觸器、電動機反轉(zhuǎn)接觸器、脫水電磁離合器、報警蜂鳴器等6個，需要PLC的6個輸出信號控制，即需要6個PLC輸出端點。執(zhí)行電器與PLC端點關系如表2所示。表2輸出地址分配表輸出地址對應外部設備繼電器元件代號Y000進水電磁閥YV1Y001洗滌電機正轉(zhuǎn)接觸器KM1Y002洗滌電機反轉(zhuǎn)接觸器KM2Y003排水電磁閥YV2Y004脫水電磁離合器YV3Y005報警蜂鳴器HA由表1和表2可知，洗衣機控制系統(tǒng)需要PLC提供5輸入通道和6個輸出通道，F(xiàn)X2N-32MR系列產(chǎn)品設置有16個輸入通道和16個輸出通道，因此采用此系列產(chǎn)品能夠滿足控制要求。4.5定時器和計數(shù)器分配洗衣機洗衣過程控制中，需要使用多個定時器和計數(shù)器進行洗衣工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制，故對它們也需要依據(jù)使用目的進行分配，定時器與計數(shù)器的使用如表3所示。表3定時器和計數(shù)器分配表類別元件設定值作用定時器T020進水到位暫停T1150正轉(zhuǎn)洗滌計時T230 正轉(zhuǎn)暫停T3150反轉(zhuǎn)洗滌計時T430反轉(zhuǎn)暫停T5100排水計時T6100報警計時計數(shù)器C03正、反循環(huán)洗滌次數(shù)C13脫水（大循環(huán)）計數(shù)4.6系統(tǒng)接線圖PLC控制的全自動洗衣機共用到了5個輸入口和6個輸出口。輸入口分別控制操縱洗衣機工作的按鈕和開關，輸出口連接的是進、排水電磁閥和洗滌電動機及脫水桶和報警器。其整體外部接線圖如圖5所示。圖5系統(tǒng)外部接線4.7狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖根據(jù)系統(tǒng)接線圖，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖6所示。圖6狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖4.8梯形圖設計梯形圖的單元設計如下:按下啟動按鈕X1時，S20初始化。按下停止按鈕X0，采用區(qū)間復位ZRST指令使洗衣機停止工作。啟動和停止的梯形圖如圖7所示。圖7啟動、停止程序梯形圖按下啟動按鈕X1，狀態(tài)元件S20驅(qū)動進水電磁閥YV1輸出線圈Y000，洗衣機進水，按下X2可以實現(xiàn)手動排水，水到達高水位時X3閉合，狀態(tài)元件S21驅(qū)動定時器T0延時2S.梯形圖如圖8所示。圖8進水及手動排水程序梯形圖延時到后，狀態(tài)元件S22驅(qū)動接觸器KM1閉合，驅(qū)動輸出線圈Y001電動機M正轉(zhuǎn)，開始洗滌。延時15S，再暫停3S后，狀態(tài)元件S24驅(qū)動接觸器KM2閉合，驅(qū)動輸出線圈Y002電動機M反轉(zhuǎn)。同樣洗滌15S，在暫停3S。通過計數(shù)器C0和定時器T4的控制，如此洗滌3次。梯形圖如圖9所示。圖9正反轉(zhuǎn)程序梯形圖洗滌3次后，狀態(tài)元件S26驅(qū)動輸出線圈Y003,開始排水。低水位開關X4，脫水離合器YV3驅(qū)動輸出線圈Y004，開始脫水。通過計數(shù)器C1計數(shù)3次，洗滌完成，狀態(tài)元件S27驅(qū)動線圈Y005報警10S結(jié)束整個洗衣機的洗滌。脫水和報警結(jié)束梯形圖如圖10所示。圖10脫水及報警結(jié)束程序4.9程序指令表見附錄二。設計小結(jié)通過本系統(tǒng)的設計，我對三菱FX2N系列PLC的特點有了深入的理解。全自動洗衣機控制系統(tǒng)利用了三菱FX2N系列PLC的特點，對按鈕、電磁閥、開關等其他一些輸入輸出點進行控制，實現(xiàn)