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1、 PLC 在全自动洗衣机控制系统中的应用 2 作者：日期：个人收集整理 勿做商业用途 摘 要 选择西门子 S7-200 系列可编程控制器作为控制系统的核心,使其能在恶劣的环境下，能高可靠地连续工作；另外通过 USS 协议来控制 MM440 变频器，实现交流变频调速，从而简化传动系统，减少机械故障。在硬件上,通过分析控制功能要求，确定输入与输出,选择相应的元件,画出了控制系统的电气原理图.在软件上,设置各个洗衣过程参数，用顺序功能图介绍程序的运行过程；在变频器的初始参数表配合下，用梯形图实现对变频器的控制。实验结果表明，系统满足工业洗衣机的控制要求.关键词：工业洗衣机 可编程控制器 变频器 Ab
2、stract Select Siemens S7-200 series PLC as the core control system，which can work high reliability in harsh conditions.By USS agreement to control the MM440 inverter，AC frequency control,which can simplify transmission system，and reduce mechanical failure.In hardware,by analyzing the control require
3、ments,determine the input and output，choose corresponding element,draw a diagram of electrical control system。In software,set in the washing laundry process Parameter，use Sequential Function Chart state the program is running.In the inverter with the initial parameter table，use ladder diagram to ach
4、ieve the control of the inverter。Experimental results show that the control system meets the requirements of industrial washing machine。Keywords:industrial washing machine program logic control inverter 个人收集整理 勿做商业用途 个人收集整理 勿做商业用途 目 录 前 言 1 第一章 可编程控制器介绍 3 1.1 可编程控制器概述 3 1.2 可编程控制器的组成 4 1.3 可编程控制器的工作
5、原理 7 第二章 变频器介绍 9 2.1 交流电动机转速控制 9 2.2 异步电动机对供电装置的要求 9 2.3 变频器的控制方式及分类 10 第三章 全自动工业洗衣机设计 11 3。1 控制要求分析 11 3.2 硬件设计 12 3.2。1 元件选型.12 3.2.2 硬件电路连接图.17 3.3 软件设计 20 3.3。1 洗衣各过程参数设置.20 3。3.2 各子程序介绍.22 第四章 总 结 37 参考文献 38 致 谢 39 个人收集整理 勿做商业用途 个人收集整理 勿做商业用途 1 前 言 工业洗衣机主要用于宾馆、酒店、学校宿舍等需要洗衣量大、洗衣次数频繁的地方，这就要求洗衣机的洗
6、涤效果好、容量大、故障少、可靠性高、寿命长、磨损小、噪声低、运行平稳，正是基于这些要求，工业洗衣机才首选滚筒式结构。现代滚筒式洗衣机，一般采用不锈钢内、外筒密封设计，所以运行时噪声小；通过内筒有规律的正、反滚动形成的水流冲击，使水、衣物相互摩擦，这样柔和的洗涤衣物，使磨损大大降到，而且不会缠绕，可以减小衣物的报废率，对酒店等节约成本，具有直接的经济意义.传统工业洗衣机的程序控制器与水位、水温等控制是分开的，目前已淘汰，随着计算机技术的发展，单片机与 PLC 已成为洗衣机的主流控制器。单片机就是在一片半导体硅片上集成了微处理器、存储器和各种 I/O 接口,这一块集成电路芯片具有一台微型计算机的属
7、性.它主要用于测控领域,用以实现各种测试和控制功能。单片机体积小，集成度高，性能稳定，种类多,价格便宜，适合大规模生产，但是它只能在特定的环境中使用，无法适应电磁干扰、粉尘恶劣的环境，另外寿命也不很高，这些特点满足家用洗衣机（产量多、价格低）的要求，所以市场上家用洗衣机常使用单片机作控制器。而 PLC 专为工业环境应用而设计，它的稳定性高，抗干扰性强，寿命长，环境适应能力强,输入输出接口多，虽然其价格比单片机高，但适合工业洗衣机的需要，再加上工业洗衣机利润高,因此现代工业洗衣机普遍采用 PLC 控制.工业洗衣机的洗涤工艺一般由正反转洗涤、均布排水和脱水等几部分组成，整个洗涤控制的关键是低速洗涤
8、时有很平滑的力矩以及脱水时有很高的旋转速度。洗衣机的传动系统相当复杂，在洗涤和脱水时电机转速相差很大，一般为多台笼型电机采用离合器切换运转实现速度调节，而且由于负载很大，为了获得大的起动转矩要采用大电阻电机，减速时还另需制动装置，随着变频调速技术的发展，这种系统已不合洗衣机的发展要求。本设计采用 Siemens S7-200 PLC 和 MM440型变频器作为工业洗衣机的控制系统。可编程控制器的使用提高了系统的抗干扰能力，保证了系统的稳定性；变频器的使用显著提高了工业洗衣机的性能，可用一台电动机从低速到高速大范个人收集整理 勿做商业用途 2 围调节，满足低速洗涤大转矩和高速脱水的要求，且传动装
9、置可做得很小，控制性能和操作性能大幅提高,另外，变频器的使用可以节约大量的水和电，这对于使用者来说，具有重要的经济意义。个人收集整理 勿做商业用途 3 第一章 可编程控制器介绍 1.1 可编程控制器概述 可编程控制器简称 PLC（Program Logic Control).国际电工委员会（IEC)颁布的对 PLC 的定义为：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业
10、控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计.由此可知，PLC是专为“工业环境下应用而设计”，“易于与工业系统联成一体”.a.可编程控制器的主要特点（1）可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条件.继电器接触器系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象大大降低了系统的可靠性。而在 PLC 系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上 PLC 充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，因而具有极高的可靠性.据有关资料统计，目前各生产厂家生产的 PLC,其平均无故障时间都大大超过了 IEC 规定的
11、10 万小时，有的甚之达到了几十万小时。(2）适应性强，应用灵活.由于 PLC 产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需要灵活选用,以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求。重要的是，PLC 系统接线很少，其主要功能是通过程序实现的，在需要修改设备的控制功能时,只要修改程序，修改接线的工作量很小。（3）功能强，扩展能力强。PLC 中含有数量巨大的供用户使用的编程软元件，可轻松的实现大规模的控制.PLC 配合功能单元能方便地实现 A/D、D/A 转换及 PID 运算,实现过程控制、数字控制等功能.PLC 具有通信联网功能，它不仅可以控制一台单机
12、，一条生产线,还可以控制一个机群，许多生产线。它不但可以进行现场控制，还可以用于远程监控。个人收集整理 勿做商业用途 4（4）维修方便,简单，工作量少。PLC 有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和 I/O 点状态均有显示。工作人员通过这些信息可以查找故障原因,便于迅速处理.（5）编程简单,易于使用。易于使用 PLC 的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂,深受现场电气技术人员的欢迎。（6）体积小，能耗低，易于机电一体化.b.可编程控制器主要用途（1）数字量逻辑控制：这是 PLC 应用最广的领域，用以取代传统的继电器控制。含触点的串、并联及
13、组合逻辑或控制、定时、计数控制等。PLC 可应用于单片机控制、多机群控、生产自动线控制。其应用领域已遍布各行各业，甚至深入到家庭。（2）运动控制：PLC 使用专用运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度运行控制，可实现单轴、双轴、三轴和多轴控制。使运动控制与逻辑控制结合起来，可编程运动控制可以用于各种机械，如机床、装配机械、机器人、电梯等。(3）过程控制：通过模拟量 I/O 模块，PLC 能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID 功能的提供使 PLC 具有闭环控制能力，可用于过程控制。使 PLC 广泛地应用于塑料成型、加热炉、热处理设备、锅炉及轻化工、冶金、电力等
14、行业。（4）数据处理:现代可编程控制器具有数学运算、数据传送、转换、查表、排序、位操作等工能，可以完成数据的采集及处理。运算数据可以与参考值比较用于控制，也可以通过通信传送给其他智能装置,或将数据打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如过程控制系统、无人柔性控制系统等。（5)通信联网：可编程控制器通信包括主机与远程 I/O 之间的通信、多台可编程控制器之间的通信、可编程控制器与其他智能控制设备,如计算机、变频器、数控装置之间的通信，这些设备由于网络组成集中管理分散控制的分布式控制系统，极大地提高了控制的可靠性。1。2 可编程控制器的组成 根据结构不同，PLC 可分为整体式（单元式）和组合式(
15、也称模块式）两类:个人收集整理 勿做商业用途 5（1）整体式结构的 PLC 将中央处理单元(CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、I/O 扩展端口等组装在一个箱体内构成主机，另外还有独立的 I/O 扩展单元及扩展模块等与主机配合使用。整体式 PLC 结构紧凑、体积小，小型机常采用这种结构,其组成示意图见图 11 所示。中央处理单元（CPU）输出单元输出单元存储器系统程序存储器用户程序存储器外设接口I/O扩展口电源用户输出设备用户输出设备编程器盒式磁带机打印机EPROM写入器上位计算机PLC可编程终端 PTI/O扩展单元特殊功能单元图 11 整体式 PLC 的组成示意图(2)组合
16、式的 PLC 是将 CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能 I/O 单元、通信单元等分别做成单个的电路或模块，各模块可以插在带有总线的底板上。组合结构 PLC 的特点是配置灵活，输入接点、输出结点的数量可灵活选择，各种功能模块可以依需要配置，中、大型常用组合式结构。可编程控制器主要组成部分介绍：(1）中央处理器（CPU）CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 中系统程序赋予的功能指挥 PLC 有条不紊地进行工作。主要用途如下：1)接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储;2）用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区(输入映像寄存器);3)监测和诊断电源、PLC 内部电
17、路的工作状态和用户编程过程中的语法错误等;4)执行用户程序.从存储器逐条读取用户指令，完成各种数据的运算、传送和存储等功能；个人收集整理 勿做商业用途 6 5)根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出映像寄存器表的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能.（2）存储器 PLC 使用的物理存储器有随机存储器(RAM）,只读存储器（ROM)及可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM 或 EPROM）等。从用途上分系统存储器和用户存储器两部分，系统存储器用来存放由 PLC 生产厂家编写的系统程序，并固化在 ROM 内，用户不能直接更改，它使 PLC 具有基本的智能，能够完成 P
18、LC 设计者规定的各项工作。用户存储器包括用户程序存储器(程序区）和功能存储器（数据区）两部分。（3)输入、输出接口 输入输出接口是 PLC 与外界连接的接口，含开关量接口及模拟量接口。开关量输入接口用来连接钮、选择开头、行程开关等开关量输入信号；模拟量输入接口用来连接电位器、传感器等模拟输入信号。开关量输出接口用来连接接触器、电磁阀及指示灯等执行器件；模拟量输出接口连接使用模拟量控制的调节阀及调速装置等。常用开关量输入单元有直流输入单元与交流输入单元。常用的开头量输出单元有三种，可分为晶体管输出单元、晶闸管输出单元、继电器输出单元。1)晶体管输出单元：输出器件为晶体管，只能用于直流负载，它最
19、大的优点是适应于高频运作，响应时间短，一般为 0.2ms 左右，但它只能带 DC530V 的负载。2）晶闸管输出单元:输出器件是晶闸管，带负载能力为 0.2A/点，只能带交流负载，可适应高频动作，响应时间为 1ms.3）继电器输出单元：输出器件为继电器，优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达 2A/点，其不适用于高频动作的负载，这是其寿命决定的,响应时间为 10ms 其寿命一般在几十万至几百万次之间。当系统输出频率为每分钟 6 次以下时,应首先选继电器输出。（4）电源 PLC 使用 220V 或 24V 直流电源。内部开关电源为各部分电路提供 5V、12V、
20、24V 直流电源。其中 5V 电源一般用于 CPU 及扩展模块的工作电源。小型 PLC 一般都为输入输出电路和外部电子传感器提供 24V 直流电源，驱个人收集整理 勿做商业用途 7 动输出口的交直流电源一般由用户另行解决.但是 PLC 提供的电源的负载能力都是有限的，在配置时不能超载工作，例如本门子 S7-200 系列 PLC 的 CPU 内部电源 24V DC 输出最大电流为 400mA,CPU 及扩展模块所消耗的电流总和不能大于此值。当传感器的电流较大时，可以考虑使用外部 24V 电源，另外还要注意电源线的接法，外部电源不应和内部电源线并联连接，以避免影响它们各自的输出。1.3 可编程控制
21、器的工作原理 作为电器控制装置，可编程控制器必须接入电路，与主令器件、传感器件及执行器件共同构成系统才能承担控制任务。应用程序是控制的核心,它是输入输出单元联系纽带.PLC 的运行过程，请见图 12 所示.上电处理输入映像寄存器第一条指令第二条指令最后一条指令输出映像寄存器输出端输入端PLC执行自诊断CPU运行方式RUNSTOPCPU正常或有非致命错命便存放自诊断结果有致命错命时 CPU强制为 STOP 方式输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段 扫描周期 出错处理图 12 PLC 运行框图 上电处理是 PLC 上电后对系统进行的一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置检查,停电保持范围设
22、定等。扫描阶段因执行系统和应用程序而得名，在每次执行系统程序前先完成与其它外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新,而执不执行应用程序还与 CPU 的运行方式有关,扫描阶段主要分三部分：输入采样阶段：PLC 扫描所有输入端子,并将各输入状态存入输入映像寄存器中,此时刷新输入映像寄存器,在本次扫描周期内，不管输入信号如何变化它的内容将不再改变，只有到下一个扫描周期时再更新。程序执行阶段：根据指令一条一条扫描执行，当指令中涉及输入、输出状态时，PLC 就从输入映像寄存器中“读入上一阶段采入的输入状态，从相关元件映个人收集整理 勿做商业用途 8 像寄存器“读入”这些元件的状态，然后进行相应的计算
23、，结果再存入相应的元件寄存器中。所以元件寄存器在程序执行过程中会不断的变化。输出刷新阶段：在所有指令执行完毕后，将元件映像寄存器中所有输出元件的状态转到输出锁存器中，并通过输出接口单元输出。个人收集整理 勿做商业用途 9 第二章 变频器介绍 通用变频器是将固定频率输入的交流电源变换为可变频率交流电输出的电力电子设备.下面介绍变频器是如何调速，最后介绍交直交变频器的控制方式.2.1 交流电动机转速控制 从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是 50Hz。而交流电动机的同步转速：1160fNp （21）式中：N1为同步转速，r/min；f1为定子电流频率,Hz；P 为电动机的磁极对数。异步
24、电动机转速:1160(1)(1)fNNSSp （2-2）式中：S 为异步电动机转差率，11()NNSN，一般小于 3%。以上两式说明，无论是同步电动机还是异步电动机,转速都与送入电动机的电流频率成正比例变化，即改变电源频率可以方便地改变电动机的运行速度。2.2 异步电动机对供电装置的要求 三相异步电动机定子每相电动势的有效值为：11 114.44rMEk f N （2-3)式中：E1为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，V;f1为定子频率,Hz;N1为定子每相绕组串联匝数；kr1为与绕组结构有关的常数；M为每极气隙磁通量，Wb。由式 2-3 可知，如果每相电动势的有效值E1不变，改变定
25、子频率时就会出现以下两种情况：（1）如果 f1大于电动机的额定频率f1N，气隙磁通就会小于定额气隙磁通量MN，结果是尽管电动机的铁芯没有得到充分利用，但在机械特性允许的条件下长期使用，电动机不会损坏。个人收集整理 勿做商业用途 10（2）如果 f1小于电动机的额定频率 f1N，那么气隙磁通就会大于额定气隙磁通量MN,会导致电动机的铁芯产生过饱和，从而导致过大的励磁电流,严重时会因绕组过热而损坏电动机。因而在保障电动机不因电流加大而过载且充分利用电动机磁路的前提下，变频调速时，电源的电压与频率最好同时变化,有以下两种情况:（1)基频以下调速 要保持M不变,当频率f1从额定值f1N向下调节时必须同
26、时降低 E1，使11Ef常数，这就是采用电动势与频率之比恒定的方式.（2）基频以上调速 在基频以上调速时,频率可以从 f1N往上增高，但电压V1却不能超过额定电压V1N,最多只能保持11NVV。由式 2-3 可知,这将迫使磁通随频率的升高而降低，当于直流电动机弱磁升速的情况。综上可知，异步电动机可以有基频以上调速及基频以下两种调速方式。基频以上电压基本不变，弱磁而为恒功率调速。基频以下则需电压与频率同步变化，磁通不变，为恒转矩负载特性。由此可知,变频调速的供电装置必须具有以上功能才能满足电动机的要求，这样的装置称为变压变频装置，变压变频也是通用变频器工作的基本模式。2。3 变频器的控制方式及分
27、类 如何实现变压变频，输出平滑规则的正弦波形，实现良好的驱动性能,是变频器的根本任务,变频器控制中出现了多种控制方式，现在此做一简单介绍：（1）UCf控制 即电压与频率成比例变化控制.其特点是控制电路结构简单，成本较低、机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求。(2）转差频率控制 从电动机转速角度看，这是一种以电动机的实际运行速度加上该速度下电动机的转差率确定变频器输出频率的控制方式。（3)矢量控制（VC）矢量控制将交流电动机的定子电流采用矢量分解的方法,计算出定子电流的磁场分量及转矩分量，并分别控制,从而大大提高了变频器对电动机转速及力矩控制的精度及性能。(4）直接转矩控制（DTC
28、）转矩控制把转矩作为直接被控量，而不是通过控制电流及磁链间接控制转矩。个人收集整理 勿做商业用途 11 第三章 全自动工业洗衣机设计 3.1 控制要求分析 洗衣机要完成洗衣工作，除了对一般洗衣过程的人工工作及效能进行模拟之外,还要根据洗衣机的机械电子性质进行有关控制和检测.首先要求能完成洗衣功能；同时还要根据用户的不同需求，设置几种不同的洗衣程序；还要考虑洗涤时间长短，决定洗涤的强弱情况。(1)洗涤强度分类：可分为三种弱洗、标准、强洗.由于衣物有脏污程度之分，对于不同的衣物如果还是按同一种强度进行洗涤的话，这样对不脏的衣物洗涤便浪费电能和时间，而对于太脏的衣物洗涤效果又不佳。所以应就衣物脏污程
29、度洗涤不同的时间。为实现三种输入，可选用一个三输入的选择开关对应三种强度洗涤。(2）三种工作方式：全自动、单排水、单脱水。洗衣机主要用于全自动洗衣，有时人们生活需要如对某些衣物只需脱水等，所以考虑附加一些工作方式.为实现这三种功能，我们选用三个按钮，当需要那种方式时便按相应按钮便可。（3）织物类型选择功能：不同类型的衣物，所能承受的最高温度不一样，同时脱水的转速也不一样，织物纤维分为四种:1)棉纤维 它由纤维素巨分子相互联接而成的束状物,并相互环绕成卷曲带状,其本身有丰富的毛细管孔道，所以它的吸水性很强，并能在水中膨大，对极性污垢的吸附力较强,对非极性污垢吸附力稍弱。常在高温下对其洗涤，并且脱
30、水速度高才能脱干。2)羊毛纤维 羊毛纤维是由羊毛蛋白质分子聚结而成，其表面有一层鳞片紧密覆盖，可防止污垢的侵入,故较易洗净.但如果鳞片被破坏时就易污染，这时就不易洗净，温度高的话就易使其变形。并且羊毛纤维吸水性很强，分子之间的引力了比棉纤维大，吸附油污比棉纤维多.羊毛纤维只能在低温下洗涤。3）丝纤维 它也是一种蛋白质纤维,表面比较光滑，污垢附着较轻，易于湿润，也易于洗涤。同时脱水也容易，因此常在低温下洗涤,低速下就能脱干.它与羊毛纤维性质类似,可合为一类。个人收集整理 勿做商业用途 12 4）化学纤维 它可分为人造纤维（棉纤维相似，但表面光滑,不易沾污,较易洗净)和合成纤维（以石油化工产品为原
31、料制成,疏水性高,所以洗后干燥极快,其表面光滑，不易沾污）两种，此类衣物，常使用中等温度下洗涤，脱水也要较高转速才能脱干。所以衣物大体可分为三种:纯棉类、化纤类、羊毛类。洗涤时，先对衣物做好分类,这样采用不同的洗涤温度和脱水速度进行针对性地对待，才能在不损伤衣物的情况下，清得更干净。（4）停止功能:在出现意外或需要停止时，可按停止按钮停止。用一个按钮输入便可。（5）声光提示功能：对于洗衣的工作状态有指示灯提示。同时洗完后应有声音提示。3。2 硬件设计 为了实现各种控制功能，在此对 PLC、变频器等器件进行选型和电路连接,在硬件上实现控制功能要求。3。2。1 元件选型 根据控制要求确定，相应的输
32、入与输出，主要选择 PLC、变频器和电动机的型号.a。输入元件 由控制要求我们可以选择 4 个按钮作为程序选择和暂停，选用三个位置开关作为高、中、低水位的输入，选用二个 3 输入的选择开关用于选择所洗衣物的类型、洗涤强度.（1）按扭(SB）按钮是一种结构简单的手动主令电器,当按钮被按下时,先断开常闭触点,然后才接通常开触点。按钮释放后，在复位弹簧作用下使触点复位.在没有按动按钮时，接在常开触头接线柱上的线路是断开的，常闭触点接线柱的线路是接通的;当按下按钮时,两种触点状态改变,同时也使与之相连的电路状态改变.基于按钮的这种不按那么常开触点不通，按下导通后一旦放手又还原为不导通，这种优点正适合用
33、来做选择全自动、单排水、单脱水、停止这四种功能的输个人收集整理 勿做商业用途 13 入主令电器.（2）位置开关（SQ）滚筒式洗衣机一般使用水位控制器来检测水位。水位控制器由动静触点、橡胶气模片和气室等组成，它安装在洗衣机的上部，通过一根密封的导管与洗衣机的外桶(盛水桶）底部的贮气室相连，形成气路。当水注入外桶时，贮气室被封闭，随着水位的升高，密闭室内的空气气压随水压成正比例增大，密闭室内的空气压力也随之增大，到一定水位后,空气压力使橡胶气模片发生形变而推动电触点状态发生转换，使常闭触点断开，常开触点接通,从而使洗衣机检测到相应的水位.由于有三种水位（高、中、低）,所以要采用三个水位控制器。我们
34、选用 3 个位置开关表示水位控制器的动静触点。（3）开关（SA）开关是一种有别于按钮的主令电器,开关有很多种,最简单开关只表示两种状态-开与关，按下后常开触点闭合，电路接通,放手后，开关不会像按钮那样自动复位，仍保持开的状态。对于带冲洗与带漂洗这两种功能的输入控制可以选用开关来做主令器件。对于电路中，希望选择性的导通其中一路，那么可以使用选择开关.对于洗涤强度、衣物分类这两种功能的实现，可以选择两个三选一的选择开关,作为输入.b。输出元件（1）继电器（KM)电磁式继电器是用来接通与分断负荷电流的电磁式电器。它主要由线圈、铁芯、衔铁、动静触点、弹簧等组成。当线圈通电时，由电磁感应原理可知，线圈引
35、衔铁带动触点动作，使常闭触点断开,常开触点闭合；当线圈失电时，衔铁在弹簧的复位用力下迅速使常开触点断开，常闭触点接通。电磁阀的原理与继电器差不多，只是它可能使相应的阀门打开和关闭。进水与出水都可以使用电磁阀来实现，洗涤液也是通过电磁阀来打开阀门,用水将其冲入洗衣机的。（2）指示灯（HL)用来指示洗衣机的工作状态。选用 4 个指示灯分别用作电源指示（表示洗衣机电源已接通,等待选择以全自动、单排水、单脱水三者中的那种工作方式运行)、全自动运行指示、单排水指示、单脱水指示。对于洗衣机的运行指示选用 24V 的指示灯便可。（3）扬声器（Y）用于发出声音，提示洗完.声音提示选用一个 24V 供电的扬声器
36、。c.电动机 个人收集整理 勿做商业用途 14 工业洗衣机容量一般为 300 公斤，对此选用 Y132M-4 型异步电动机，相关参数为：额定功率为 7。5kW、额定电压为 380V、额定电流为 15.4A、额定转速为 1440rpm（r/min）功率因素为 0.85、效率为 87%。由于洗衣机容量为 300kg，其负载转矩理论上为:LTFrmgDkgN kgmN m113009.8/2147044 式中：TL为负载转矩，Nm;F 为力，N；r 为圆心到力的有效距离，m；，D为圆柱的直径，设为两米，由于圆柱类物体其重力在数学微积分算得在其半径的一半处，所以14rD，9.8/gN kg,为重力加速
37、度.而电动机的输出转矩为：NNNPTN mn95501790.6 输出转矩比负载转矩大,所示能带动，同时有一定的余量，是考虑到传动装置、摩擦等因素要有一定的阻转矩。异步电动机转速与变频器频率关系计算：同步转速:1160605015002fNr/minP 转差率：1111150014000 041500NNNNNS.NN 转速与频率关系:11116060110 999629 9882fNN(S)(S).f.fp 所以，转速 N 与频率 f1；对应关系请见表 31 所示：表 31 转速 N 与频率 f1 对应表 异步电动机的转速（r/min)40 70 600 800 1200 异步电动机的转速（
38、r/min）1。33 2。33 20。00 26.68 40.02 d。可编程控制器选择 通过分析可知数字量输入有15 个，模拟量输入有 2 个，数字量输出有 11 个。所用我们选用西门子公司S7-200 系列 PLC 中的 CPU224。它是一种整体式结构的小型 PLC，有 14 个数字输入接口，10 个数出接口，CPU226 虽然在数字个人收集整理 勿做商业用途 15 量输入输出（24 入/16 出)上,不用扩展就能满足需求，但它比 CPU224 要贵得多，所以考虑到成本方面 PLC 选用 CPU224 型，同时扩展一个数字输入输出接口模块 EM223（4 入/4 出）；对于变送器送过来的
39、标准传感器 420mA 模拟信号，我们选用 EM231 模拟量扩展模块（4 路模拟量输入口）。这样对于数字输入输出空余 3 入/3 出，模拟量输入空余 2 路，以作备用。PLC 的输入接口有开关量接口及模拟量接口两类，而常用开关量接口又有直流输入单元与交流输入单元之分,由于此次设计的都是 24V 的直流开关信号，所以采用直流输入单元.而开关量输出单元，既有直流输出又有交流输出，同时要求输出量的变化不是很频繁，所以在此选用继电器输出电路.对于SIEMENS S7-200系列PLC,用该公司专用的编程器STEP 7-Micro/WIN V4。0 编写相应的程序。e。变频器 由于洗衣机在洗涤时桶内有
40、大量水，对电动机在低速时输出转矩要求较高。对于这一点可选用与西门子 PLC 相配套的变频器 MM440，它是一种矢量型通用变频器，具有良好的低速高转矩输出及良好的动态性能.MM440 变频器的输出频率控制有以下四种方式：(1）基本操作面板(BOP)操作方式 这是通过操作面板上的按扭手动调节输出频率的操作方式,这种方式在此不适合自动调节。（2）外输入端子数字量频率选择操作方式 变频器通常设有多段固定频率选择操作功能。各固定频率值通过功能码设定，频率段的选择通过外部端子选择.由于这种方式所能实现的频率个数有限，所以不采用这种方式.（3）外输入端子模拟量频率选择操作方式 MM440 设有模拟量输入端
41、子，当接在这些端子上的电流或电压量在一定的范围内平滑变化时，变频器的输出频率在一定的范围内平常变化。这类方式可由PLC扩展一个模拟量输出模块,输了模拟量来控制变频器,这种方法缺点是要扩展一个模块，从而增加了成本。（4）通信数字量操作方式 为了方便与网络接口,变频器一般都设有网络接口，都可以通过通信方式接收个人收集整理 勿做商业用途 16 频率控制指令,西门子公司设计了与 PLC 专用的通信协议通用的串行口协议（USS）,它是按照串行总线的主-从通讯原理来确定访问的方法.总线上可以连接一个主站和最多 31 个从站。主站根据通讯报文中的地址字符来选择要传输数据的从站.在主站没有要求它进行通讯时，从
42、站本身不能首先发送数据，各个从站之间也不能直接进行信息的传输.这种方法可以通过指令设置想要的频率输出，只需用一根通信线把 PLC 与变频器连接起来便可。所以比较四种方式，选用通信数字量操作方式最好.S7200 系列 PLC 安装的是标准的 9 针“D 型”插头/座,为了解方便设备的连接，西门子公司提供了专用的网络连接器，用于连接 RS485 接口设备。而变频器 MM440 有相应的 RS485 通信端口,所以只需用相应电缆将 CPU224 与MM440 的端子 1 与 2、3 与 29、8 与 30 相连就能实现硬件上的通信。变频器 MM440 要实现 USS 通信还得对其相关参数设置事先置，
43、请使用变频器自带小键盘设定表 32 中相关的参数.表 32 变频器参数设定 参数号 设定值 功能说明 P0003 3 专家模式,使能读/写所有参数 P0004 20 通迅 P0100 0 输入交流电率（50Hz）P0300 1 电动机类型（异步电动机）P0304 380 电动机额定电压设定 P0305 15.4 电动机额定电流设定 P0307 7.5 电动机额定功率设定 P0308 0。85 电动机额定功率因素设定 P0309 87 电动机效率设定 P0310 50 电动机额定频率设定 P0311 1440 电动机额定转速设定 P0700 5 USS 对变频器进行控制 P1000 5 USS
44、通迅发送频率设定值 P1300 0 线性 v/f 控制方式 P2010 6 变频器 USS 波特率设为 9600 个人收集整理 勿做商业用途 17 P2011 0 变频器从站 USS 节点地址(030）f。其它（1）加热 现代洗衣机通常都有加热功能,滚筒式洗衣机的加热装置一般安装在外筒底部，由于长期接触水溶液，同时还有洗涤液的侵蚀，所以应考虑到加热装置的防腐性，不应直接与水溶液接触。传统的洗衣机所用的加热装置为管状加热器，又称为加热管,它是密闭型的，管内通过绝缘的氧化镁粉末接触电热丝来导热,这样电热丝与外界相隔离，不会氧化，也不漏电，同时寿命长,正适合工衣洗衣机的要求，所以本次设计不采用热得快
45、来加热。（2)模拟量输入计算 对于温度与流量传感器我们在此不做详细介绍，只对其标准信号在 PLC 如何转换作一个简介。模拟量输入模块是将输入 020mA 信号转换为 032000 的数字量，420mA 对应的 A/D 转换数值为 640032000，所以对于温度 0100变化值 X 与采样到的数字值关系为:0100006400320006400XAIW 所以,当温度为 40时，对应的数字量为 16640；当温度为 60时，对应的数字量为 21760；当温度为 90时，对应的数字量为 29440。3。2.2 硬件电路连接图 a.主电气原理图 三相异步电动机由变频器提拱可变频率的交流电，以实现不同
46、的转速，而变频器由电网三相交流电供电。加热管中的电阻丝用KM1 控制其是否加热,而 KM1又由 PLC 控制其线圈通电.由 220V 交流电供电。主电路电气原理图请见图 31所示.个人收集整理 勿做商业用途 18 MM440M3FU地UVWL1L2L3加热电阻丝L1KM1380V(AC)图 31 主电气原理图 b.控制电气原理图（PLC 接线图）数字输入供电由 24V 直流电源,输出除了继电器 KM1 由 220V 电网供电外，其余也均用 24V 直流电供电。CPU224 可以直接安装在板上，也可以安装在 DIN导轨上,利用总线连接电缆，将 CPU 与扩展模块 EM223、EM231 连接起来
47、.如图32 所示。1M I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 2M I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.51Simatic S7-2003 Cpu 22481L Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 2L Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 DC 0VDC 24VDC 0VDC24 VSA1SA2SB1SB2SB3SQ1SQ2SQ3M I2.0EM223L Q2.0M L+EM231RA A+A-RB B+B-L1NYV1YV2YV3YV4YV5KM1 温度传感器 流量传感器SB4HL1HL4HL3HL2S
48、A3SA4冲洗开关漂白开关全自动单排水单脱水低水位中水位高水位弱洗标准强洗纯棉类化纤类羊毛类停止预洗液电磁阀进水电磁阀主洗液电磁阀漂白液电磁阀排水电磁阀电源指示灯全自动指示灯单排水指示灯单脱水指示灯扬声器加热输出温度传感器流量传感器图 32 控制电路电气原理图-CPU224 AC/DC/Relay 接线图 个人收集整理 勿做商业用途 19“CPU224 AC/DC/Relay”中,AC 表示 CPU 电源为 220V 交流电源，DC 表示输入口的电源类型为直流,Relay 表示输出口器件的类型为继电器输出电路。c.I/O 分配表 对于图 32 所示输入与输出，将 PLC 系统资源分配给各输入与
49、输出，详见表 33 所示。表 33 PLC 地址分配表 符号 地址 功能说明 选择开关 SA1 I0。0 带冲洗功能选择 选择开关 SA2 I0.1 带漂洗功能选择 按钮 SB1 I0.2 启动洗衣机为全自动方式运行 按钮 SB2 I0.3 启动洗衣机为单排水方式运行 按钮 SB3 I0.4 启动洗衣机为单脱水方式运行 位置开关 SQ1 I0.5 低水位检测输入 位置开关 SQ2 I0。6 中水位检测输入 位置开关 SQ3 I0。7 高水位检测输入 选择开关 SA3 I1。0 选择弱洗 I1.1 选择标准 I1.2 选择强洗 选择开关 SA4 I1。3 选择纯棉类 I1。4 选择化纤类 I1。
50、5 选择羊毛类 按钮 SB4 I2.0 使系统停止的输入 电磁阀 YV1 Q0.0 用于进水控制 电磁阀 YV2 Q0.1 用于控制是否冲入预洗液 电磁阀 YV3 Q0.2 用于控制是否冲入主洗液 电磁阀 YV4 Q0.3 用于控制是否冲入漂白液 电磁阀 YV5 Q0.4 用于排水控制 指示灯 HL1 Q0。5 用于指示电源 指示灯 HL2 Q0。6 表示洗衣机正处在全自动运行状态 指示灯 HL3 Q0。7 表示洗衣机正处在单排水运行状态 指示灯 HL4 Q1。0 表示洗衣机正处在单脱水运行状态 扬声器 Y1 Q1。1 用于发出声音,提示洗完 继电器 KM1 Q2.0 用于控制加热电源的开与断