基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计.doc
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基于PLC的全自动洗衣机控制系统设计
沈阳航空航天大学
2010年6月
III
摘要
随着科学技术的发展使得洗衣机更加多样化,智能化。
本文介绍并实现了一种全自动洗衣机控制系统。
这款全自动洗衣机,不仅可以实现对衣物洗涤(强洗或弱洗)的完整洗衣过程,而且还可以针对不同情况下的衣物,单独漂洗和脱水,其中这四种洗涤模式都能够实现全自动的过程。
本系统采用可编程序控制器(PLC)为控制核心,利用触摸屏代替传统的按钮和显示器,完成四种洗涤模式的选择和所有洗衣过程的动态监控,其中触摸屏与PLC的结合非常简单。
系统拥有良好的人机交互界面,操作简单方便。
利用PLC、触摸屏、变频器、电动机之间的有机结合来实现对工业洗涤的全自动控制。
关键词:
PLC;全自动洗衣机;触摸屏
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnologymakesthemachinemorediverse,intelligent.Thepaperintroducesandrealizefull-automaticwashingmachineisakindofcontrolsystem.Itcannotonlyrealizefull-automaticwashingmachine,washingclothestowashorweakwash(strong)completeprocess,butalsocanwashclothesindifferentsituations,anddehydrating,includingsinglerinsethefourmodescanrealizefull-automaticwashingtheprocess.ThissystemUSESprogrammablelogiccontroller(PLC)asthecore,usetouch-screensinsteadofthetraditional"buttonanddisplay,fourkindsofwashingmodelselectionandallthelaundry,includingtheprocessofdynamicmonitorPLCandtouchscreenwithverysimple.Thesystemhasgoodhuman-machineinterface,easytooperate.UsingPLCandtouchscreen,inverter,theorganiccombinationofthemotortorealizetheautomaticcontrolofindustrialwashing.
Keyword:
PLC;Automaticwashingmachine;Tuch-screen
目录
1绪论 1
1.1选题的意义 1
1.2洗衣机的发展状况 1
1.3研究内容及目标 3
2全自动洗衣机控制系统的设计方案 4
2.1控制系统的工作原理 4
2.2控制系统的构成 4
3全自动洗衣机的硬件设计 5
3.1PLC的简介 5
3.1.1S7-200系列PLC的简介 7
3.1.2PLC的结构及组成 7
3.1.3PLC的工作原理 9
3.1.4PLC的模块选择 10
3.2触摸屏 11
3.2.1MT506S触摸屏的简介 11
3.2.2MT506S触摸屏的工作原理 11
3.3西门子MICROMASTER420变频器 12
3.3.1变频器的简介 12
3.3.2变频器的特性及保护 12
3.3.3变频器的使用 13
3.3.4变频器的参数设置 15
3.4异步电动机的简介 16
3.4.1电动机的选择 16
3.4.2电动机的接法 17
3.5硬件接线图 18
4全自动洗衣机控制系统的软件设计 19
4.1STEP7软件使用简介 19
4.2PLC的I/O分配 20
4.2.1PLC的程序流程图 21
4.2.2主程序指令分析 22
4.3维纶EB500组态软件简介 24
4.3.1触摸屏参数的设置 25
4.3.2触摸屏画面设计 25
4.3.3触摸屏的工程下载与通信 27
5全自动洗衣机控制系统的总体调试 29
参考文献 30
总结 31
致谢 32
附录Ⅰ梯形图程序 33
1绪论
1.1选题的意义
随着社会经济的发展以及科学技术水平的逐步提高,各种电器全自动化成为必然的发展趋势。
洗衣机是人们生活中不可缺少的电器,它的产生极大的方便了人们的生活。
在工业生产中的应用十分广泛,城市家庭为了摆脱繁重的家务劳动、节省业余时间,也经常将不便于家庭清洗的衣物送到洗衣店清洗,尤其服务业、大型宾馆、酒店、医院、学校、工厂等领域,每天都要有大量的棉、毛、化纤、丝绸织物需要清洗。
应对大容量或者不同材质的衣物应该选择合适的洗涤方式,这样不仅可以实现洗衣机的全自动化、社会化服务,而且最重要的是满足了对工业洗涤的要求。
但是,基于传统继电器控制的洗衣机,已经不能满足人们对它自动化程度的要求,所以洗衣机为了更好地满足人们的需求,必须借助于自动化技术的发展。
而随着PLC技术的发展,用PLC作为控制器,就能很好地满足全自动洗衣机对自动化的要求,并且其控制方式灵活多样,控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。
应用触摸屏能够监控到洗衣机各种工作流程的具体状况,有着方便、快捷、清晰可见的效果。
正是由于自动化技术的飞速发展,才使得洗衣机由初始的半自动发展到现在的全自动,而现在的洗衣机正向智能化的方向发展。
1.2洗衣机的发展状况
从古到今,洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动,而在洗衣机出现以前,对于许多人而言,它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣,手搓、棒击、冲刷、甩打这些不断重复的简单的体力劳动,留给人的感受常常是:
辛苦劳累。
1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战——美国人比尔·布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。
布莱克斯的洗衣机构造极为简单,是在木筒里装上6块叶片,用手柄和齿轮传动,使衣服在筒内翻转,从而达到“净衣”的目的。
这套装置的问世,让那些为提高生活效率而冥思苦想的人大受启发,洗衣机的改进过程开始大大加快。
1880年,美国又出现了蒸汽洗衣机,蒸汽动力开始取代人力。
之后,水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。
1911年,美国试制成功世界上第一台电动洗衣机。
电动洗衣机的问世,标志着人类家务劳动自动化的开端。
1922年,迎来一种崭新的洗衣方式“搅拌式”。
搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。
这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴,在立轴下端装有搅拌翼,电动机带动立轴,进行周期性的正反摆动,使衣物和水流不断翻滚,相互摩擦,以此涤荡污垢。
搅拌式洗衣机结构科学合理,受到人们的普遍欢迎。
10年之后,美国本德克斯航空公司宣布,他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机,洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。
这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶,朝自动化又前进了一大步!
直至今日,滚筒式洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。
随着工业化的加速,世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。
首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机,它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流,使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚,洗净衣物。
1955年,在引进英国喷流式洗衣机的基础之上,日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。
至此,波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。
20世纪60年代以后,洗衣机在一些发达国家的消费市场开始扩大,家庭普及率迅速上升。
此间洗衣机在日本的发展备受瞩目。
60年代,日本出现了带甩干桶的双桶洗衣机,人们称之为“半自动型洗衣机”。
70年代后期,微电脑控制的全自动洗衣机横空出世,让人耳目一新。
80年代,“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便,功能更完备,洗衣程序更随人意,外观造型更为时尚。
进入90年代,由于电机调速技术的提高,洗衣机实现了大范围的转速变换与调节,诞生了许多洗衣机。
此后,随着电机驱动技术的发展与提高,日本生产出了电机直接驱动式洗衣机,省去了齿轮传动和变速机构,引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。
洗衣机的快速发展,使得工业洗衣机具备以下特点:
(1)工业洗衣机采用卧式滚筒型:
工业洗衣机的内外筒均采用优质不锈钢板精制而成,平整光亮、耐腐蚀、对织物的磨损小且无损伤,机器使用寿命长。
(2)工业洗衣机内筒门盖均装有不锈钢安全锁紧机构:
外筒门盖上设有电器互锁装置,运转安全可靠。
(3)工业洗衣机采用三角胶带传动:
振动小、运转平稳、经久耐用。
(4)工业洗衣机专业用于服装厂、水洗厂、宾馆、酒店,医院,工矿企业等。
1.3研究内容及目标
本次设计以PLC为控制核心,主要学习PLC、变频器的工作原理及使用方法,以及维纶触摸屏EB500的设计原理与基本画面设计方法。
能够模拟全自动洗衣机工作过程,拥有良好的人机交互界面,随时可以自主的选择强洗,弱洗,漂洗或脱水等。
利用PLC、触摸屏、变频器、电动机的有机结合来实现对工业洗涤的全自动控制。
2全自动洗衣机控制系统的方案设计
2.1控制系统的工作原理
全自动洗衣机完整的洗衣工作过程包括进水、洗涤、漂洗、排水,脱水五个过程组成。
本次设计的洗衣机可以自主选择强洗、弱洗、漂洗,脱水四种洗涤模式,其中强洗和弱洗的洗涤模式能够实现完整的洗衣过程;完成洗涤模式选择后,每种模式的洗衣过程都能够做到全自动依次运行,直至洗衣结束。
也能够实现洗衣机对衣物单独漂洗和脱水功能。
以PLC为控制核心,通过PLC控制变频器输出实现电机的正反转。
全自动洗衣机控制系统的运行控制方式设置如下:
(1)进水时间为5s。
(2)进水完毕后,开始洗涤,电机正反转各2s,完成一个周期。
(3)步骤
(2)循环6(3)次为强(弱)洗的洗涤过程。
(4)洗涤结束后排水,时间为5s,洗涤过程结束。
(5)再进水5s,开始漂洗,电机正反转各2s,完成一个周期,循环3个周期,完成3次漂洗,漂洗过程结束。
(6)脱水5s,电动机高速旋转。
(7)若按下“急停”按钮,当前所有过程停止,返回到初始状态。
2.2控制系统的构成
系统通过PLC将信息由自由口通讯协议方式传送到变频器中,变频器的相关参数设置确保无误后,通过控制变频器实现电机的正反转的调节。
最终能够在触摸屏上进行操作,实现合理洗衣的功能。
控制系统的结构图如图2.1所示。
M
变频器
PLC
触摸屏
图2.1控制系统的结构图
3全自动洗衣机的硬件设计
3.1PLC的简介
PLC的定义:
在PLC的发展过程中,美国电气制造商协会经过4年的调查,于1980年将其正式命名为可编程序控制器。
(ProgrammableController),简写为PC。
后来由于PC这个名称常常被人们称呼个人电脑)(PersonalComputer),为了区别,现在把可编程序控制器成为PLC,PLC是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计。
采用可编程序控制器的存储器,用来在其内部进行逻辑运算顺序控制、定时、计算和运算操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械和生产过程。
PLC及其有关外围设备,都应按适用于工业生产环境来联成一个整体,按易于扩展功能的原则设计。
PLC是专为在工业环境下应用设计的,具有面向工业控制的特点。
具体特点为:
(1)可靠性高、抗干扰能力强
PLC能在高温高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子恶劣环境下可靠地工作。
PLC的平均无故障时间非常长,故障修复时间短。
(2)通用性强、灵活性好、功能齐全
PLC是通过软件实现控制的,其控制程序编在软件中,实现程序软件化,因而对不同控制的对象都可采用相同的硬件进行配置。
其产品已系列化、模块化、标准化,能方便灵活地组成大小不同、功能不同的控制系统同,通用性强。
(3)编程简单、使用方便
目前,大多数PLC均采用继电器式控制形式的“梯形图”编程方式,既继承了传统控制线路的清晰直观,形式简练,又易于接受,因此普遍受到欢迎。
这是PLC能够迅速普及的重要原因。
(4)模块化结构
PLC的各部件,包括CPU,电源I/O等都采用模块化设计。
都有扩充插口,可以适应各种不同的工业控制需要。
(5)安装简单、调试方便
安装时,由于PLC的输入/输出接口已经做好,因此可以直接和外部设备相连,缩短了安装时间。
PLC的调试可先在实验室模拟完成,模拟调试完成后,再现场安装、调试。
这样就可以避免可能在现场出现的一些问题,从而缩短调试周期。
(6)网络通信
PLC提供标准通信接口,可以方便的进行网络通信。
PLC的不断发展,其性能在不断的完善、功能在不断的增强。
其主要功能有:
(1)开关量逻辑控制
这是PLC最基本的功能。
PLC具有强大的逻辑运算能力,可以实现各种简单和复杂的逻辑控制,常用于取代传统的继电器控制系统。
(2)A/D与D/A转换功能
A/D与D/A转换功能就是通过A/D、D/A模块完成对模拟量和数字量之间的转换。
(3)闭环过程控制
过程控制功能是指通过PLC的PID控制指令实现对温度、压力、速度、流量等物理参数的闭环控制。
(4)定时/计数控制功能
定时/计数控制功能就是用PLC提供的定时器、计数器指令实现对某种操作的定时或计数控制,以取代时间继电器和计数继电器。
(5)扩展功能
扩展功能是指通过连接输入/输出扩展单元(即I/O扩展单元)模块来增加输入输出点数,也可通过附加各种智能单元及特殊功能单元来提高PLC的控制能力。
(6)顺序(步进)控制
顺序控制功能就是用顺序指令来实现在有多道加工工序的控制中,只有前一道工序完成后,才能进行下道工序操作的控制,以取代由硬件构成的顺序控制器。
(7)数据处理功能
数据处理功能是指PLC能进行数据传送、比较、移位、数制转换、算术运算与逻辑运算以及编码和译码等操作。
(8)通讯联网功能
通讯联网功能是指通过PLC之间的联网、PLC与上位计算机的连接等,实现远程I/O控制或数据交换,以完成系统规模较大的复杂控制。
3.1.1S7-200系列PLC的简介
西门子的SIMATICS7系列是市场上流行的具有代表性的可编程序控制器,它包括S7-200、S7-300、S7-400三大类,其中S7-200是小型可编程序控制器,适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
具有紧凑的设计、良好的扩展性、安全可靠的通讯、界面友好的编程软件,高速的处理能力,强大的指令集。
S7-200系列出色表现在以下几个方面:
极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块,S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
3.1.2PLC的结构及组成
S7-200的CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中,从而形成了一个功能强大的微型PLC,外部结构图如图3.1所示。
图3.1PLC外部结构图
PLC通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
如图3.2所示。
图3.2PLC的基本组成
(1)主机
主机部分包括中央处理器(CPU)、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。
CPU是PLC的核心,它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理,即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作,将结果送到输出端,并响应外部设备(如编程器、电脑、打印机等)的请求以及进行各种内部判断等。
PLC的内部存储器有两类,一类是系统程序存储器,主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序,系统程序已由厂家固定,用户不能更改;另一类是用户程序及数据存储器,主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
(2)输入/输出(I/O)接口
I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。
输入接口接受输入设备(如按钮、传感器、触点、行程开关等)的控制信号。
输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备(如接触器、电磁阀、指示灯等)。
I/O接口一般采用光电耦合电路,以减少电磁干扰,从而提高了可靠性。
I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标,通常小型机有几十个点,中型机有几百个点,大型机将超过千点。
(3)电源
电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源,通常也为输入设备提供直流电源。
(4)编程器
编程器是PLC的一种主要的外部设备,用于手持编程,用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监控PLC的工作情况。
除手持编程器外,还可通过适配器和专用电缆线将PLC与电脑连接,并利用专用的工具软件进行电脑编程和监控。
PLC在正式运行时,不需要编程器。
编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等,并将用户程序送入PLC中,在调试过程中,进行监控和故障检测。
S7-200系列PLC可采用多种编程器,一般可分为简易型和智能型。
简易型编程器是袖珍型的,简单实用,价格低廉,是一种很好的现场编程及监测工具,但显示功能较差,只能用指令表方式输入,使用不够方便。
智能型编程器采用计算机进行编程操作,将专用的编程软件装入计算机内,可直接采用梯形图语言编程,实现在线监测,非常直观,且功能强大,S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP7-Micro/WIN。
3.1.3PLC的工作原理
PLC的工作过程分为以下几个阶段:
输入处理阶段、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试、输出处理阶段。
(1)输入处理阶段
每次扫描周期开始时,先读数字输入点的当前值,然后把这些值写到输入映像寄存器中。
CPU以8位(1个字节)为增量的方法来保留输入映像寄存器。
在每次扫描周期开始时,CPU会将映像寄存器中未使用的输入位清零。
CPU允许连续使用几个扩展模块,当未使用这种I/O扩展功能(即未安装扩展模块),可以用这些未使用的扩展输入位作为附加的内部存储器标志位来使用。
除非允许模拟量滤波,CPU在扫描周期中是不能自动更新模拟量输入值,用户可以选择对每个模拟通道设置数字滤波。
数字滤波用于低成本的模拟量模块,这些模块不支持内部滤波。
数字滤波应用于输入信号缓慢变化的场合,如果是高速信号,应该不选择数字滤波。
如果模拟量输入选择输入模拟器,CPU在每个扫描周期刷新模拟输入、执行滤波功能、并存储滤波值。
当访问模拟输入时,使用滤波值。
如果模拟输入不选择输入滤波器,当访问模拟输入时,CPU每次从物理模块读取模拟值。
(2)执行程序
在扫描周期的执行程序阶段里,CPU执行程序是从第一条指令开始,直到最后一条指令结束。
不论在主程序或中断程序执行过程中,直接I/O指令允许对输入点和输出点直接存取。
如果在程序中使用了中断,与中断事件相关的中断程序就作为程序的一部分存储下来。
中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行,而是当中断事件发生时才执行(中断事件可能会发生在扫描周期的任意点上)。
(3)处理通讯请求
在扫描周期的信息处理阶段,CPU处理从通讯端口接收到的任何信息。
(4)执行CPU的自诊断测试
在扫描周期中,CPU检查其硬件,以及用户存储器(仅在RUN模式下),它也检查所有的I/O模块的状态。
(5)输出处理阶段
每个扫描周期的结尾,CPU把存在输出映像寄存器中的数据输送给数字输出点。
CPU以一个字节(8位)为增量来保留输出映像寄存器。
如果CPU或扩展模块不给物理输出点提供保留字节的每一位,则不能把这些位分配给I/O链中的后续模块。
但是可以像使用内部存储器标志位那样来使用输出映像寄存器中没有使用的位。
当CPU操作模式从RUN切换到STOP,数字输出设置为输出表中定义的值,或保持当前状态,模拟输出保持最后写入的值。
3.1.4PLC的模块选择
S7-200的基本性能如下:
(1)输入输出点数(I/O点数),指可编程序控制器外部输入输出端子数,这是PLC的一项非常重要的技术指标,常用I/O点数来表征PLC的规模大小。
(2)扫描速度,一般指PLC执行一条指令的时间,单位为μs/步;有时也以执行一千条指令的时间来计算,单位为ms/千步。
(3)内存容量,一般指PLC存储用户程序的多少。
(4)指令条数,指令条数的多少是衡量PLC软件功能强弱的主要指标。
(5)内部寄存器,内部寄存器的配置情况是衡量PLC硬件功能的一个指标。
(6)高功能模块,将高功能模块与主模块搭配,可实现一些特殊功能。
S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的5种CPU供其使用。
基于本次设计中输入/输出I/O点等因素考虑,所以最终选择CPU224。
CPU224的性能指标如下:
本机集成14输入,10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。
1个RS485通讯编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可以很容易地整体拆卸,是具有较强控制能力的控制器。
3.2触摸屏
触摸屏作为一种新型的人机界面,从一出现就受到关注,它的简单易用,强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境,甚至可以用于日常生活之中,应用非常广泛,比如:
自动化停车设备、自动洗车机、天车升降控制、生产线监控等,甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调整。
随着科技的飞速发展,越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面,PLC控制器强大的功能及复杂的数据处理也呼唤一种功能与之匹配而操作又简便的人机出现,触摸屏的应运而生无疑是21世纪自动化领域里的一个巨大的革新。
触摸屏技术方便了人们对计算机的操作使用,是一种极有发展前途的交互式输入技术。
随着科技的进步,触摸屏技术也经历了从低档向高档逐步升级和发展的过程。
3.2.1MT506S触摸屏的简介
本次设计选择MT500系列MT506S触摸屏。
它专门面向PLC应用的,不同于一些简单的仪表式或其它的一些简单的控制PLC的设备,其功能非常强大,使用非常方便,非常适合现代工业越来越庞大的工作量及功能的需求,日益成为现代工业必不可少的设备之一。
3.2.2MT506S触摸屏的工作原理
为了工业控制现场操作的方便,人们用触摸屏来代替鼠标,键盘和控制屏上的开关、按钮。
触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。
触摸屏的检测部件安装在显示屏幕前
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