【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 高、易于操作的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制方法，該系統(tǒng)采用 PLC 控制，主要包括電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、離合器控制、進(jìn)排水電磁閥控制、循環(huán)控制、保護(hù)和聯(lián)鎖。 研究的具體內(nèi)容包括： 1. 深入了解洗衣機(jī)的發(fā)展、結(jié)構(gòu)及控制要求。 2. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括硬件設(shè)計(jì)， PLC的選擇，各硬件模塊的介紹，軟件設(shè)計(jì)，編程 方法。 3. 對(duì)編寫(xiě)好的編譯程序進(jìn)行實(shí)際調(diào)試。 4．用組態(tài)王軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 全自動(dòng)洗衣機(jī)的原理和構(gòu)造 全自動(dòng)洗衣機(jī)總體構(gòu)造 全自動(dòng)洗衣機(jī)在結(jié)構(gòu)上大致可分為 3 中類(lèi)型，即波輪式，滾筒式和攪拌式。我國(guó)的洗衣機(jī)在結(jié)構(gòu)上主要有波輪式和滾筒式兩類(lèi)，產(chǎn)品的類(lèi)型以波輪式為主，其他類(lèi)型為輔，外形結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示。 圖 21 全自動(dòng)洗衣機(jī)外形結(jié)構(gòu)圖 洗滌脫水系統(tǒng) 洗滌脫水系統(tǒng)主要由盛水桶，洗滌桶和波輪組成。盛水桶 又稱(chēng)為外桶，主要用來(lái)盛放洗滌液。盛水桶固定在鋼制底板上，通過(guò) 4 根吊桿懸掛在洗衣機(jī)箱體上。電動(dòng)機(jī)，離合器，排水閥等部件都裝在桶底下面。洗滌桶又稱(chēng)為脫水桶或者離心桶，也稱(chēng)為內(nèi)桶，它的主要功能是用來(lái)盛放衣物，在洗滌時(shí)配合波輪完成洗滌功能，在脫水時(shí)便成為離心式的脫水桶。波輪是全自動(dòng)洗衣機(jī)中對(duì)衣物產(chǎn)生機(jī)械作用的主要部件。按波輪的形狀來(lái)分，基本上有小波輪（直徑在 160mm 左右）的渦卷式水流和大波輪（直徑在 300mm洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 左右）新水流兩類(lèi)。 排水和進(jìn)水系統(tǒng) 全自動(dòng)洗衣機(jī)的進(jìn)排水系統(tǒng)都采用了電磁閥控制。為了對(duì)桶內(nèi)的 水位進(jìn)行檢測(cè)和控制，洗衣機(jī)上都安裝有水位控制器（水位開(kāi)關(guān)）。全自動(dòng)套桶洗衣機(jī)使用最多的水位開(kāi)關(guān)是空氣壓力式開(kāi)關(guān)，主要有氣壓傳感器裝置，控制裝置及電觸點(diǎn)開(kāi)關(guān) 3 部分組成，用來(lái)監(jiān)視水位的高低。此外電磁閥分進(jìn)水和排水電磁閥，進(jìn)水電磁閥是洗衣機(jī)上的自動(dòng)進(jìn)水開(kāi)關(guān)，它受水位開(kāi)關(guān)動(dòng)斷觸點(diǎn)的控制。而排水電磁閥是全自動(dòng)洗衣機(jī)上的自動(dòng)排水裝置，同時(shí)還起改變離合器工作狀態(tài)。進(jìn)水、排水電磁閥是采用電流流過(guò)線(xiàn)圈形成磁場(chǎng)的原理，洗衣機(jī)電磁閥在進(jìn)，排水時(shí)使用， 220V 交流電壓與電磁閥線(xiàn)圈接通，形成磁場(chǎng)，電磁線(xiàn)圈吸合。自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)，洗衣機(jī)里 的水就順著管道流出去了。斷電后，電磁閥線(xiàn)圈失去電流，磁場(chǎng)消失，電磁鐵松開(kāi)，閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，洗衣機(jī)里的水就流不出去了。 電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng) 全自動(dòng)套桶洗衣機(jī)的電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)和離合器組成，離合器又有普通離合器和減速離合器兩種。其中普通離合器用在采用小波輪的套桶洗衣機(jī)上，這種洗衣機(jī)在洗滌或者漂洗時(shí)波輪的轉(zhuǎn)速和脫水時(shí)離心桶的轉(zhuǎn)速相同，目前各種大波輪新水流套桶洗衣機(jī)普遍采用減速離合器，它在洗滌，漂洗時(shí)波輪的轉(zhuǎn)速較慢，而脫水時(shí)離心桶的轉(zhuǎn)速較快。電動(dòng)機(jī)同時(shí)作為洗滌和脫水時(shí)的動(dòng)力源，普遍采用主，副繞 組完全對(duì)稱(chēng)的電容式電動(dòng)機(jī)。由于一般全自動(dòng)套桶洗衣機(jī)的額定洗滌容量較大，因此電動(dòng)機(jī)的功率較大。 元件選擇 輸入元件選擇 根據(jù)要求，可以選擇 4 個(gè)按鈕 (SB)作為程序選擇和暫停，選用三個(gè)位置開(kāi)關(guān)（ SQ）作為高、中、低水位的輸入。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 1．按扭（ SB） 按鈕是一種人工控制的主令電器。主要用來(lái)發(fā)布操作命令，接通或開(kāi)斷控制電路，控制機(jī)械與電氣設(shè)備的運(yùn)行。按鈕的工作原理很簡(jiǎn)單，對(duì)于常開(kāi)觸頭 ,在按鈕未被按下前 ,電路是斷開(kāi)的 ,按下按鈕后 ,常開(kāi)觸頭被連通 ,電路也被接通；對(duì)于常閉觸頭，在按鈕未被按下前，觸頭是 閉合的，按下按鈕后，觸頭被斷開(kāi)，電路也被分?jǐn)唷Ｆ湔每梢宰鳛殚_(kāi)啟和停止洗衣機(jī)工作的按鈕。 2．位置開(kāi)關(guān)（ SQ） 位置開(kāi)關(guān)，稱(chēng)限位開(kāi)關(guān)，是一種將機(jī)器信號(hào)轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，以控制運(yùn)動(dòng)部件位置或行程的自動(dòng)控制電器。是一種常用的小電流主令開(kāi)關(guān)。在電氣控制系統(tǒng)中，位置開(kāi)關(guān)的作用是實(shí)現(xiàn)順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測(cè)。一類(lèi)為以機(jī)械行程直接接觸驅(qū)動(dòng)，作為輸入信號(hào)的行程開(kāi)關(guān)和微動(dòng)開(kāi)關(guān)；另一類(lèi)為以電磁信號(hào)（非接觸式）作為輸入動(dòng)作信號(hào)的接近開(kāi)關(guān)。 輸出元件選擇 1．繼電器（ KM） 電磁繼電器一般由鐵芯、線(xiàn)圈、銜 鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線(xiàn)圈兩端加上一定的電壓，線(xiàn)圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線(xiàn)圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。 2．電磁閥（ YV） 電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥可以配合不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù) 期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等。 而在本設(shè)計(jì)中，可用來(lái)控制洗衣機(jī)的進(jìn)水和排水等動(dòng)作。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 3．指示燈（ HL） 用來(lái)顯示洗衣機(jī)的實(shí)時(shí)工作情況，使用戶(hù)一目了然。選用 4 個(gè)指示燈分別用作電源指示（表示洗衣機(jī)電源已接通，等待選擇以全自動(dòng)、單排水、單脫水三者中的那種工作方式運(yùn)行）、全自動(dòng)運(yùn)行指示、單排水指示、單脫水指示。對(duì)于洗衣機(jī)的運(yùn)行指示選用 24V 的指示燈便可。 電動(dòng)機(jī)的選擇 選用 Y132M4 型異步電動(dòng)機(jī)，相關(guān)參數(shù)為：額定功率為 、額定電壓為 220V、額定電流為 、額定轉(zhuǎn)速為 1440rpm（ r/min）功率因素為 、效率為 87%。 由于洗衣機(jī)容量為 300kg，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩理論上為： ? ? ? ? ? ? ? ?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 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩， Nm； F 為力， N； r 為圓心到力的有效距離，m；， D 為圓柱的直徑，設(shè)為兩米，由于圓柱類(lèi)物體其重力在數(shù)學(xué)微積分算得在其半徑的一半處，所以 ?14rD， ? /g N kg ，為重力加速度。 而電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為： ? ? ? ?NN NPT N mn95 50 17 90 .6 輸出轉(zhuǎn)矩比負(fù)載轉(zhuǎn)矩大， 所示能帶動(dòng)，同時(shí)有一定的余量，是考慮到傳動(dòng)裝置、摩擦等因素要有一定的阻轉(zhuǎn)矩。 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與變頻器頻率關(guān)系計(jì)算： 同步轉(zhuǎn)速： ?? ? ?11 6 0 6 0 5 0 15002fN r / m inP 轉(zhuǎn)差率： ? ? ?? ? ? ?111115 00 14 00 0 041500NN N N 轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系： 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 ? ? ? ? ? ? ?11 1 16 0 6 01 1 0 9 9 9 6 2 9 9 8 82fN N ( S ) ( S ) . f . fp 所以，轉(zhuǎn)速 N 與頻率 f1 對(duì)應(yīng)關(guān)系 如 表 21 所示 。 表 21 頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（ r/min） 40 70 600 800 1200 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（ r/min） PLC 的選擇 1. I/O 點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì) I/O 點(diǎn)數(shù)是 PLC 的一項(xiàng)重要指標(biāo)。合理選擇 I/O 點(diǎn)數(shù)既可使系統(tǒng)滿(mǎn)足控制要求，又可使系統(tǒng)總投資最低。考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，一般應(yīng)在估計(jì)的總點(diǎn)數(shù)上再加上 20%—30%的備用量。該系統(tǒng)有 11 個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)10 個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)，具體的輸入輸出 如 表 22 所示 。 表 22 I/O 點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表 輸入點(diǎn) 輸出點(diǎn) 啟動(dòng)按扭 進(jìn)水電磁閥 停止按扭 排水電磁閥 水位選擇開(kāi)關(guān)（高水位） 洗滌電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)繼電器 水位選擇開(kāi)關(guān)（中水位） 洗滌電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)繼電器 水位選擇開(kāi)關(guān)（低水位） 脫水桶 手動(dòng)排水開(kāi)關(guān) 報(bào)警器 手動(dòng)脫水開(kāi)關(guān) 運(yùn)行指示燈 高水位傳感器 高水位指示燈 中水位傳感器 中水位指示燈 低水位傳感器 低水位指示燈 水排空傳感器 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 2. I/O 容量估計(jì) PLC 常用的內(nèi)存有 EPROM、 EEPROM 和帶鋰電池供電的 RAM。一般微型和小型 PLC 的存儲(chǔ)容量是固定的，介于 1—2KB 之間。用戶(hù)應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如 I/O 點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量、程序結(jié)構(gòu)等。因此在程序設(shè)計(jì)之前只能粗略地估算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每個(gè) I/O 點(diǎn)及有關(guān)功能元件占用的內(nèi)存量大致如下： 開(kāi)關(guān)量輸入元件： 10—20B/點(diǎn) 開(kāi)關(guān)量輸出元件： 5—10B/點(diǎn) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器： 2B/個(gè) 模擬量： 100—150B/個(gè) 通信接口：一個(gè)接口一般需要 300B 以上 根據(jù)上面算出的總字節(jié)數(shù)再考慮增加 25%左右的備用量，就可估算出用戶(hù)程序所需的內(nèi)存容量，從而選擇合適的 PLC 內(nèi)存。該系統(tǒng)有 11 個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn) 10 個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)，需內(nèi) 存 280B，有定時(shí)器 6 個(gè)，計(jì)時(shí)器 2 個(gè)，需內(nèi)存 16B，考慮余量后需要內(nèi)存 370B。 3. CPU 的選擇 PLC 的功能日益強(qiáng)大，一般 PLC 都具有開(kāi)關(guān)量邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)處理等基本功能，有些 PLC 還可擴(kuò)展各種特殊功能模塊，如通信模塊、位置控制模塊等，選型時(shí)可考慮以下幾點(diǎn)：功能與任務(wù)相適應(yīng)， PLC 的處理速度應(yīng)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求、 PLC 結(jié)構(gòu)合理、機(jī)型統(tǒng)一、在線(xiàn)編程和離線(xiàn)編程的選擇。該控制系統(tǒng) CPU 模塊可采用 CPU226（ AC/DC/繼電器）模塊，它可控制整個(gè)系統(tǒng)按照控制要求有條不紊地進(jìn)行。同時(shí)由于該模塊采用 交流 220V 供電，并且自帶 14 個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和 10 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，完全能滿(mǎn)足全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的要求，所以不再需要另外的電源模塊、數(shù)字量和輸出模塊。 I/O 地址分配表 輸入地址分配表 根據(jù)系統(tǒng)要求，輸入地址的分配如表 23 所示 。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 表 23 輸入地址分配表 名稱(chēng) 符號(hào) 地址 啟動(dòng)按鈕 SB1 停止按鈕 SB2 高水位按鈕 SB3 中水位按鈕 SB4 低水位按鈕 SB5 手動(dòng)排水開(kāi)關(guān) ST1 手動(dòng)脫水開(kāi)關(guān) ST2 高水位傳感器 ST3 中水位傳感器 ST4 低水位傳感器 SB6 排空檢測(cè)開(kāi)關(guān) SB7 輸出地址分配表 根據(jù)系統(tǒng)要求，輸出地址的分配如表 24 所示。 表 24 輸出地址分配表 名稱(chēng) 符號(hào) 地址 進(jìn)水電磁閥 YV1 排水電磁閥 YV2 洗滌電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)繼電器 KM1 洗滌電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)繼電器 KM2 脫水 KM3 報(bào)警 HA 運(yùn)轉(zhuǎn)指示燈 HL1 高水位指 示燈 HL2 中水位指示燈 HL3 低水位指示燈 HL3 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 內(nèi)部元件地址分配表 全制動(dòng)洗衣機(jī)控制時(shí)，需用到 PLC 內(nèi)部的計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器對(duì)其進(jìn)行過(guò)程控制，現(xiàn)對(duì)控制中要用到的內(nèi)部位元件地址分配表歸納如表 25 所示。 表 25 內(nèi)部地址分配表 定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器 對(duì)應(yīng)的作用 T37 進(jìn)水暫停計(jì)時(shí) T38 正洗計(jì)時(shí) T39 正洗暫停計(jì)時(shí) T40 反轉(zhuǎn)計(jì)時(shí) T41 反轉(zhuǎn)暫停計(jì)時(shí) T42 脫水計(jì)時(shí) T43 報(bào)警計(jì)時(shí) C50 正反洗循環(huán)計(jì)數(shù) C51 大循環(huán)計(jì) 數(shù) 硬件連線(xiàn)圖 主電路電氣原理圖 圖中 KM1， KM2 代表 2 個(gè)繼電器 “正轉(zhuǎn) ”、 “反轉(zhuǎn) ”，為控制電動(dòng)機(jī)電源方向的兩個(gè)繼電器組，它們的線(xiàn)圈分別與 PLC 的輸出端 、 相連，受控于 PLC 的輸出信號(hào)。其中正轉(zhuǎn)組和反轉(zhuǎn)組是通過(guò)變頻器的限制后接入電動(dòng)機(jī)的，因此，改變變頻器參數(shù)就可以改變洗滌時(shí)的速度。而脫水繼電器組直接與電源和電動(dòng)機(jī)相連，這樣，當(dāng)洗衣機(jī)處于脫水狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)按額定轉(zhuǎn)速工作。其中加入了不少電氣保護(hù)元件，如果出現(xiàn)突發(fā)情況，如短路、短路等時(shí)，可以保護(hù)其它電氣元件不會(huì)因?yàn)橥话l(fā)情況 而損壞，具體主電路電氣原理圖如圖 22 所示。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 MQ SK M 1F RK M 2L 1L 2L 33 ～F U 圖 22 主電氣原理圖 I/O 外部接線(xiàn)圖 洗衣機(jī)要實(shí)現(xiàn)衣服的洗滌和脫水，就要通過(guò)上述動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這些動(dòng)作可以通過(guò) PLC 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)加上開(kāi)關(guān)和按鈕，數(shù)碼管顯示器，蜂鳴報(bào)警器和欠電壓檢測(cè)保護(hù)電路等，就可以形成完整的 PLC 控制系統(tǒng)。通過(guò)軟件編程達(dá)到對(duì)整個(gè)洗衣過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)控制和用戶(hù)交互，外部接線(xiàn)圖如圖 23 所示 。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 I 0 . 0S B 1S B 2S T 1S T 2S T 3S B 3S B 4S T 4S T 5S T 6I 0