【文章內容簡介】 更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產品規(guī)模上看，會進一步 向超小型及超大型方向發(fā)展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富，規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完善的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現(xiàn)少數(shù)幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其他工業(yè)控制計算機網(wǎng)構成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術的發(fā)展方向。目前的計算機集散控制 DCS（ Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。伴隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā) 展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡和國際通用網(wǎng)絡的重要組成部分 ，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領域發(fā)揮越來越大的作用。 陜西國防學院 機電工程學院 畢業(yè)設 計 論文 9 第 3 章 系統(tǒng) 硬件設計 系統(tǒng)簡介 全自動洗衣機的工作原理 洗衣機的洗滌過程主要是在機械產生的排滲、沖刷等機械作用和洗滌劑的潤濕、分散作用下，將污垢拉入水中來實現(xiàn)洗凈的目的。首先充滿于波輪葉片間的洗滌液，在離心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿桶壁上升。在波輪中心處，因甩出液體而形成低壓區(qū)，又使得洗滌液流回波輪附近。這樣，在波輪附近形成了以波輪軸線為中心的渦流。衣物在渦流的作用 下，作螺旋式回轉，吸入中心后又被甩向桶壁，與桶壁發(fā)生摩擦。又由于波輪中心是低壓區(qū)，衣物易被吸在波輪附近，不斷地與波輪發(fā)生摩擦，如同人工揉搓衣物，污垢被迫脫離衣物。其次，當衣物被放進洗滌液之后，由于慣性作用運動緩慢，在水流與衣物之間存在著速度差，使得兩者發(fā)生相對運動，水流與衣物便發(fā)生相對摩擦，這種水流沖刷力同樣有助于污垢離開衣物。再次由于洗衣涌形狀的不規(guī)則，當旋轉著的水流碰到桶壁后，其速度和方向都發(fā)生了改變，形成湍流。在湍流的作用下，衣物做無規(guī)則地運動并翻滾，其纖維不斷被彎曲、絞紐扣拉長，衣物相互相摩擦，增大 了洗滌的有效面積，提高衣物的洗凈的均勻性。 全自動洗衣機是通過水位開關與電磁進水閥配合來控制進水、排水以及電機的通斷：從而實現(xiàn)自動控制的。電磁進水閥起著通、斷水源的作用。當電磁線圈斷電時，移動鐵芯在重力和彈簧力的作用下，緊緊頂在橡膠膜片上，并將膜片的中心小孔堵塞，這樣閥門關閉，水流不通。當電磁線圈通電后，移動鐵芯在磁力作用下上移，離開膜片，并使膜片的中心小孔打開，于是膜片上方的水通過中心小孔流入洗衣桶內。由于中心小孔的流通能力大于膜片兩側小孔的流通能力，膜片上方壓強迅速減小，膜片將在壓力差的作用下上移，閉門 開啟，水流導通。 工藝工程分析 通常地，人們采用洗衣機來洗衣服需要經(jīng)歷洗衣、清洗、排水、脫水等四個 環(huán)節(jié)。 在全自動洗衣機中，這樣的一個過程完全由 PLC 來完成。當人們將衣服和洗衣液放進洗衣機，按下啟動按鈕后，洗衣機就會自動完成洗衣服的整個過程。并且，全自動洗衣機需要其控制系統(tǒng)足夠可靠，以避免洗衣機輕易出現(xiàn)故障。 陜西國防學院 機電工程學院 畢業(yè)設 計 論文 10 全自動洗衣機中， PLC 主要完成以下的功能： 檢測功能 （ 1） 檢測進水是否到了需要的水位，即進水是否完成。 （ 2） 檢測排水是否完成。 控制功能 （ 1） 控制進水、洗衣、排水、脫水等洗衣機的動作。 （ 2） 控制洗衣、清洗 、脫水、蜂鳴等的時間長短。 （ 3） 控制洗衣、清洗的次數(shù)。 （ 4） 控制在洗衣機完成一個動作到下一個動作的準確轉換。 （ 5） 控制完成洗衣時的信號提示。 系統(tǒng)的控制 方案 PLC 投入運行，系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，準備好啟動。 （ 1） 按下啟動按鈕 。 （ 2） 開始進水，水滿（即水達到高水位）時停止進水。 （ 3） 停止進水 2s 后開始洗滌。 （ 4） 洗滌時，正轉 10s，停 2s，反轉 10s，再停 2s。 （ 5） 如此循環(huán) 30 次， 30 次滿后開始排水，排空（即水位下降到低水位）后，開始脫水。 （ 6） 重復（ 2） —— （ 4）的步驟，直到完成 3 次循環(huán)。 （ 7） 3 次循環(huán)完成后，則進行 2s 蜂鳴。 （ 8） 蜂鳴 完成后洗滌過程全部結束，自動停機。 PLC 的選型 系統(tǒng)設計的水平將直接影響控制系統(tǒng)的性能、設備的可靠性。這其中 PLC 的選型至關重要，如何根據(jù)不同的控制要求選擇合適的 PLC，設計出運行平穩(wěn)、動作可靠、安全實用、調試方便、易于維護的控制系統(tǒng)呢？在 PLC 系統(tǒng)設計時，首先應該確定系統(tǒng)方案，下一步工作就是 PLC 的設計選型。選擇 PLC 有如下幾方面的內容： 輸入 /輸出（ I/O）點的估算 ： PLC 的輸入輸出點數(shù)是 PLC 的基本參數(shù)之一。 I/O 點數(shù)的確定以控制所需的所輸入 /輸出點數(shù)的總和為依據(jù) 。 在一般情況下 ， PLC 的 I/O 點數(shù)應當有適當?shù)挠嗔?。 陜西國防學院 機電工程學院 畢業(yè)設 計 論文 11 PLC 的存儲器容量的估算 ： 存儲器容量是指可編程序控制器本身能提供的存儲單元大小，各種 PLC 的存儲器容量大小可以從該 PLC 的基本參數(shù)中找到。程序容量是存儲器中用戶程序所使用的存儲單元的大小，因此 存儲 容量應大于程序容量。 PLC 通訊功能的選擇： 現(xiàn)在 PLC 的通訊功能越來越強大，很多 PLC 都支持多種通訊協(xié)議（有些需要配備相應的通訊模塊），選擇時要根據(jù)實際需要選擇合適的通訊方式。 PLC 系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡主要形式由以下幾種形式： （ 1） PC 為主站，多臺型號 PLC 為從站，組成簡易 PLC 網(wǎng)絡； （ 2） 1 臺 PLC 為主站，其他同型號 PLC 為從站，構成主從式 PLC 網(wǎng)絡； （ 3） PLC 網(wǎng)絡通過特定網(wǎng)絡接口連接到大型 DCS 中作為 DCS 的子網(wǎng)； （ 4） 專用 PLC 網(wǎng)絡（各廠商的專用 PLC 通信網(wǎng)絡）。 PLC 機型的選擇： PLC 按結構分為整體型和模塊型兩類。整體性 PLC 的 I/O 點數(shù)較少且相對固定，因此用戶選 擇 的余地較小，通常用于小型的控制系統(tǒng)。模塊型 PLC 提供多種 I/O 模塊可以在 PLC 基板上插接，方便用戶根據(jù)需要合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點數(shù)。因此，模塊型 PLC 的配置比較靈活，一般用于大中 型控制系統(tǒng)。 傳感器的選型與工作原理 傳感器按原理分類可分為兩大類型：壓力傳感器和應變傳感器。按被測量分類主要可分為四大類型：震動、沖擊傳感器類、壓力傳感器 類 、力傳感器及特性傳感器類。 根據(jù)本系統(tǒng)的需求，我們選用壓力傳感器。壓力傳感器又有很多種型號，每種型號都有自己特別適用的某些用途，我們必須根據(jù)使用要求選擇最適合的壓力傳感器。通常，選擇壓力傳感器最主要的權衡因素是重量、頻率響應和靈敏度。本系統(tǒng)選用的是 LC01 系列內裝 IC 壓電加速度傳感器，它具有 低阻抗輸出，抗干擾能力強，可以進行長電纜傳輸而不致 引起噪音增加； 可直接與內置恒流源的數(shù)據(jù)采集器連接； 可以使用通用同軸電纜或絲線； 性能價格比高，多點測量，總的系統(tǒng)價格較低； 安裝方便，使用簡單等優(yōu)點。 本系統(tǒng)中洗衣機的水位傳感器相當于壓力開關。當設定好一個壓力值以后，注水后產生 水壓 ，達到壓力值后就自動通電， 起 到了開關的作用，洗衣機水位開關分為電子式（可調電阻式）和開關式兩種，它們都是通過水位上升時產生的空氣壓力通過管道傳遞到傳感器使電阻發(fā)生變化或者內部開關接通來使用電腦產生動作的，它損壞后都會產生注水不陜西國防學院 機電工程學院 畢業(yè)設 計 論文 12 準，長注不動作（運轉），排完水后不甩干等情 況。 繼電器及接觸器 的工作原理 繼電器的工作原理 繼電器是一種當輸入的物理量達到規(guī)定值時，其電氣輸出電路被接通或者阻斷的一種自動電器。它廣泛用于生產過程自動化裝置，電力系統(tǒng)保護裝置，各類運動、遙控和通信裝置，是現(xiàn)在自動控制系統(tǒng)中最基礎的電器元件之一。繼電器一般由輸入感測機構和輸出執(zhí)行機構兩部分組成。前者用于反映輸入量的變化，后者完成觸電分合動作（對有觸電的繼電器）或半導體元件的通斷（對無觸電繼電器）。繼電器具有跳躍的輸入 — 輸出特性，當繼電器接受一個輸入信號 X 時，只有它達到動作值 Xd，繼電器才動作，輸出從零躍至Ymax。輸入信號繼續(xù)增大，輸出信號仍為 Ymax 不變。繼電器動作之后，如果減少輸入信號，則繼電器只在輸入減少到 Xf 時才動作，返回起始位置，輸出信號躍回零。這一特性稱為繼電特性。這里，使繼電器開始動作的輸入量值（動作值）、繼電器由一種狀態(tài)變至另一種狀態(tài)的時間（動作時間）是繼電器的主要技術參數(shù)。它們表征繼電器工作過程的性能，又是選用繼電器的依據(jù)。 繼電器有很多種類。如電氣量繼電器，非電氣量繼電器；保護繼電器，控制繼電器；有觸電繼電器，無觸點繼電器等等。常用的 按工作原理分類的繼電器有電磁繼電器、極化繼電器、舌簧繼電器、熱繼電器和時間繼電器等。 20 世紀后，繼電器有很大發(fā)展，先后出現(xiàn)磁性無觸點繼電器、半導體無觸點繼電器、專用集成電路式電子時間繼電器、固態(tài)繼電器、印刷電路板安裝式繼電器，以及代微機處理器的保護繼電器和智能化繼電器。 接觸器的工作原理 接觸器 (Contactor)是指 能頻繁關合、承載和開斷正常電流及規(guī)定的過載電流的開斷和關合 的 裝置。在電工學上，因為可快速切斷交流與直流主回路和可頻繁地接通與大電流控制 (某些型 號 可達 800 安培 )電路的裝置，所以 經(jīng)常運用于電動機做為控制對象﹐也可用作控制工廠設備﹑電熱器﹑工作母機和各樣電力機組等電力負載，接觸器不僅能接通和切斷電路，而且還具有低電壓釋放保護作用。接觸器控制容量大，適用于頻繁操作和遠距離控制。是自動控制系統(tǒng)中的重要元件之一。 接觸器是指工業(yè)電中利用線圈流過電流產生磁場，使觸頭閉合，以達到控制負載的電器。接觸器由電磁系統(tǒng)（鐵心，靜鐵心，電磁線圈）觸頭系統(tǒng)（常開觸頭和常閉觸頭）和滅弧裝置組成。其原理是當接觸器的電磁線圈通電后，陜西國防學院 機電工程學院 畢業(yè)設 計 論文 13 會產生很強的磁場，使靜鐵心產生電磁吸力吸引銜鐵，并帶動觸頭動作：常閉觸頭斷開；常開 觸頭閉合，兩者是聯(lián)動的。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸頭復原：常閉觸頭閉合；常開觸頭斷開。 系統(tǒng)控制主電路 本次設計的控制系統(tǒng)主要是以可編程序邏輯控制器所輸出的離散指令為指令元，通過這些數(shù)字信號的輸出以及其他控制電路的受控行為來指揮供電電路，實現(xiàn)對洗衣機的控制。 控制電路的組成主要包括：可編程序控制器、繼電器組。其中，繼電器為主要執(zhí)行模塊， PLC 所發(fā)出的數(shù)字指令控制繼電器線圈，而繼電器的開合直接控制電機的電源電路，實現(xiàn)對電動機的控制。 洗衣機 PLC 控制主電路圖如圖 31 所示 圖 31 PLC 控制主電路圖 主電路由隔離開關 QS、主電路熔斷器 FU交流接觸器 KM KM2 的主觸頭、熱繼電器 FR 的熱敏元件和三相異步電動機 M 構成。其中，隔離開關 將電氣設備和電源隔開或接通 ， 由于有明顯的斷開點，比較容易判斷電路是否已經(jīng)切斷電源。如檢修時就常用隔離開關把電源斷開，檢修好后再接通，以保證工作上的安全 。斷路器 FU1 實現(xiàn)對電機的短路保護，當電路出現(xiàn)短路時能盡快地切斷電路，實現(xiàn)短路保護。熱繼電器 FR 的熱敏陜西國防學院 機電工程學院 畢業(yè)設 計 論文 14 元件在電機過載時會發(fā)生形變，通過斷開輔助常閉觸頭將主電路斷開，實現(xiàn)電機的過載保護。接觸器的主觸頭 KM1 和 KM2 實現(xiàn)電機的正反轉控制， PLC 控制接觸器 KM KM2的線圈通斷電，進而控制接觸器的主觸頭通斷，實現(xiàn)電機的正反轉，從而帶動洗衣機實現(xiàn)洗衣過程。 I/O 分配 CPM1A 系列 PLC 是歐姆龍公司生產的小型整體式可編程序控制器，它的性能價格比很高，在小規(guī)模控制中已獲廣泛應用。 CPM1A 系列 PLC 中又有很多種型號的 PLC。此全自動洗衣機系統(tǒng)中共有 4 個輸入點和 6 個輸出點，共需要 10 點 I/O，根據(jù)點數(shù)及程序容量，選擇了 CPM1A20CDRA 作為其主機。 I/O 分配 ： 輸入：啟 動按鈕 00000 SB1 停止按鈕 00001 SB2 高水位按鈕 00002 SB3 低水位按鈕 00003 SB4 輸出：進水電磁閥 01000 YA1 電機正傳接觸器 01001 KM1 電機反轉接觸器 01002 KM2 排水電磁閥 01003 YA2 脫水離合器 01004 KM3 蜂鳴器 01005 KM4 PLC 的接線圖 PLC 的接線圖如圖 32 所示 。 陜西國防學院 機電工程學院 畢業(yè)設 計 論文 15 S