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PLC 和变频器应用设计 摘 要 随着社会经济的发展和科学技术水平的提高，工业全自动化成为必然的 发展趋势。工业全自动化洗衣机的产生极大的方便了企业的生产。国产工业 洗衣机经过几年的平稳发展，无论在质量上还是功能上都和世界领先水平同 步。纵观洗衣机市场，高效节能、省水、省电、环保型洗衣机一直在市场上 占主导地位。 根据工业全自动洗衣机的工作原理，利用可编程控制器和变频器实现控 制。PLC 的优点是可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等。 变频器的优点是高效、节能等，为了进一步提高工业洗衣机的功能和性能， 避免传统控制的一些弊端， 就提出了用 PLC 和变频器来控制工业洗衣机这个 课题。该论文就怎样利用 PLC 和变频器来控制工业洗衣机进行了调查，对其 中软件设计、硬件设计等问题进行了分析和研究，实现了工业洗衣机的正常 运行和强制性停止功能。 关键词 工业洗衣机，可编程控制器，变频器控制 1 绪论 1.1 课题背景 洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺 少的家用电器，在工业生产中的应用也十分广泛，本课题在于对工业用洗衣 机的研究。工业用洗衣机适用于宾馆、饭店、医院、学校、工厂等领域，满 足大容量的洗衣要求。但是传统的基于继电器的控制，已经不能满足人们对 洗衣机的自动化程度的要求了，必须借助于自动化技术的发展。工业洗衣机 洗涤与脱水时的转速相差很大，通常使用变极电动机或数台一般电动机用离 合器切换运转，由于负载惯性很大，为了获得很大启动转矩特性要采用较大 的电阻的电动机， 减速时需制动装置。 由于工业洗衣机电机为直接启动或 Y/Δ 启动，启动电流等于 37 倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严 重的损坏，而且会对电网容量要求过高，启动时产生大的电流和震动对设备 的使用寿命极为不利。鉴于以上问题，采用 PLC 和变频器对工业洗衣机进行 PDF created with pdfFactory Pro trial version 改造，PLC 与人机界面的实时数据交换功能，从根本上解决设备控制线路繁 锁、故障点多、操作复杂等一系列问题，有效的提高设备生产效率与设备性 能。用变频器控制电动机即可实现一台电动机从低速到高速大范围调速而且 装置可做很小，控制性和操作性都得到很大提高，平衡了过程中洗衣桶的转 速，缩短了工作周期时间。 1.2 本课题所做的工作 本课题以企业对工业洗衣机的实际需求为例，综合应用了相关的专业知 识研究了 PLC 和变频器对工业洗衣机控制系统的设计与实现， 本文所做的工 作主要有 ①综合分析了控制系统的设计要求； ②分析了工业洗衣机控制系统中被广泛应用的变频调速原理及 PLC 的 控制； ③介绍了 PLC 和变频器等主要设备； ④重点设计了工业洗衣机控制系统的硬件电路，其中重点设计并论述了 PLC 控制电路的设计思路并给出了设计图及PLC 和变频器的外部端子连接； ⑤重点设计 了 工业洗 衣机 控制 系 统各部分的 软件， 其中利用 RSLogix5000 设计出了系统人机界面程序，并给出了系统关键梯形图程序。 2 工业洗衣机概述 工业用洗衣机是指额定洗涤容量大于 6kg，应用于专业洗涤部门及服务 行业使用的洗衣机。目前工业用洗衣机的主要结构是滚筒式。近年来在家用 全自动洗衣机大力推广的影响下，大型工业用洗衣机也从原来的继电器控制 方式逐步进入全自动控制时代。大型工业用洗衣机在全国各医院、酒店宾馆 及大型企业应用广泛。 2.1 工业洗衣机发展史 1874 年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战，有人发明了木制手摇洗 衣机，发明者是美国人比尔布莱克斯。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 士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。 1880 年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。之后，水 力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。到 1911 年，美国试制成功世界上第一 PDF created with pdfFactory Pro trial version 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。 电动洗衣机几经完善，在 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。不过 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 [2]。 2.2 工业洗衣机的工作原理及结构 工业洗衣机一般采用滚筒式的洗衣方式。由电机通过皮带变速带动内 胆转动，衣物在滚筒中不断地被提升摔下，再提升再摔下，做重复运动，加 上洗衣粉和水的共同作用使衣物洗涤干净。因为衣物在洗涤过程中不缠绕、 洗涤均匀、磨损小，所以就连羊绒、羊毛、真丝衣物也能在机内洗涤。 工业洗衣机主要由外筒、转筒、传动部分、电器控制柜、左右密封罩、 管路仪表及放水阀等部件组成。转筒采用优质不锈钢板制成，有双舱室结构 和单舱室结构两种，运转平稳，取衣方便。外筒的轴承座上设计有密封装置， 其密封可用压紧圈调节。洗衣机外壳上装有安全栓，用以支撑打开后的转筒 门。转筒的正反转由电器部分自动控制。放水阀采用手提式，放水速度快。 2.3 工业洗衣机工艺流程及动力要求 整个洗涤过程分为进水、洗涤、排水、脱水四个部分。起动时开始进水， 水位到达高水位时停止进水，并开始洗涤正转。洗涤正转 15s，暂停 3s，洗 涤反转 15s，暂停 3s 为一次小循环，若小循环不足 3 次，则返回洗涤正转， 若循环达 3 次，则开始排水。水位下降到低水位时开始脱水并继续排水。脱 水 20s 即完成一次大循环。大循环不足 3 次，则返回进水，进行下一次大循 环。若完成 3 次大循环，则进行洗完报警。报警后 10s 结束全部过程，自动 停机。 对于工业洗衣机滚筒来说 洗涤和漂洗过程是频繁的正、 反转运行过程， 均布排水过程是排除滚筒内洗涤用水并将衣物均匀分布在滚筒周围的平衡过 程，脱水是高速运转甩出衣物内含水的过程，干燥则是长时间的低速运转过 程。为了确定各过程的运行时间和转速，需要通过安装在洗衣机内部的各种 传感器检测衣物布质、布量、洗涤方式、混浊度等，再经过模糊决策的方法 PDF created with pdfFactory Pro trial version 布 质 布 量 洗涤方式 浑浊程度 电机速度 洗涤时间 进水量 洗涤剂量 模糊 决策 得出最佳的洗涤策略。如图 2.1 所示。 图 2.1 洗涤策略图 PDF created with pdfFactory Pro trial version 5 3 变频器简介 实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动 电路、保护电路以及控制器等部分组成。变频器主要用于交流电动机（异步 电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调 速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企 业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。 自上世纪 80 后代被引进中国以 来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到 了快速发展和广泛的应用。 3.1 变频器的基本原理及特点 3.1.1 变频调速原理 变频调速器将电网中的三相交流电整流成直流电后，通过逆变器再将直 流电逆变成电压可调、频率可调的三相交流电驱动异步电动机，实现调速和 节电。 三相异步电机转速为 211 1601/nnsfsp−− 式（3.1） 上式中n2转子转速，r／min； n1同步转速； p极对数； f1电源频率，Hz； s 转差率。 由式（3.1）可知转速可以通过改变电源频率、绕组的极对数或转差率 等进行改变，一般 p、s 不变，即 21 nf∝。 3.1.2 变频器分类及特点 从结构上看变频器可分为交- 直- 交、交- 交变频器，电压源型和电流源型 逆变器。 ①交- 直- 交变压变频器 交- 直- 交变压变频器先将交流电源通过整流器变换成直流，在通过逆变 器变换成可控频率和电压的交流，如图 3.1 所示。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 6 AC 50Hz 恒压恒频 （CVCF） 中间直流环节 变压变频 （VVVF） 整流 逆变 AC 由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个中间直 流环节， 所以又称为间接式的变压变频器。 具体的整流和逆变电路种类很多， 当前应用最广泛的是由二极管组成的不可控整流桥和由功率开关器件 （P- MOSFET，IGBT 等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称 PWM 变 压变频器如图 3.2 所示。 PWM逆变 调压调频 AC 50Hz 恒压恒频 （CVCF） 中间直流环节 变压变频 （VVVF） AC PWM 变压变频器之所以如此广泛，由于它具有如下的一系列优点 1）在主电路和逆变两个单元中，只有逆变时可控，通过它同时调节电压 和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行 控制，电路也简单效率高。 2）输出电压波形是一系列的 PWM 波但由于采用了恰当的 PWM 控制 r 技术，正弦基波的比重较大，影响电动机运行的低次谐波受到很大抑制，因 而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。 3） 逆变器同时实现调压调频， 动态响应不受中间直流环节滤波器参数的 影响，系统的动态性能也得到提高。 4）采用不可控的二极管整流，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电 压大小的影响。 图 3.1 交-直-交（间接）变压变频基本结构 图 3.2 交-直-交 PWM 变压变频器的基本结构 PDF created with pdfFactory Pro trial version 7 PWM 变压变频器常用的功率开关器件有 P- MOSFET、IGBT、GTO 和替 代 GTO 的电压控制器件如 IGCT、IEGT 等。受到开关器件额定电压和电流 的限制，对于特大容量电动机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管 （SCR）并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交- 直- 交变压变频器如图 3.3 所示。 AC 50Hz 恒压恒频 （CVCF） 中间直流环节 变压变频 （VVVF） AC SCR 可控整流器 六拍 逆变器 调压 调频 ②交- 交变压变频器 交- 交变频器在结构上没有明显的中间直流环节 （或者叫“中间直流储能 环节”或“中间滤波环节”） ， 来自电网的交流电被直接变换为电压、 频率均 可调的交流电，所以称为直接式变频器。 ③电压源型和电流源型逆变器 在交- 直- 交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆 变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的区分在于直流环节采用 怎样的滤波器。如图 3.4 绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。 逆变器 逆变器 Ld -- Cd Id ab Ud Ud 1）电压源型逆变器（Voltage Source Inverter，VSI） ，直流环节采用大电 流滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下时一个内阻为零的恒压 图 3.3 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频 （a）电压源逆变器 （b）电流源型逆变器 图 3.4 电压源型和电流源型逆变器示意图 PDF created with pdfFactory Pro trial version 8 源，输出交流电压时为矩形波或阶梯波 [14]。 2）电流源型逆变器（Current Source Inverter，CSI） ，简称电流源型逆变 器直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当一个恒流源，输 出交流电流时为矩形波或阶梯波 [7] [9]。 3.2 变频器应用前景 变频器调速大大的节省了能耗，中国是能耗大国，能源利用率很低而能 源储备不足。在电力消耗中，60～70为动力电，而在电动机带变频控制 的比重占有非常少，是电力能耗的重点，因此国家大力提倡节能措施，并着 重推荐变频调速技术。 电动机系统节能是国家发展和改革委员会启动的十大重点节能工程之 一，国家发展规划要求当前应推广变频调速节能技术。鼓励企业使用变频调 速技术，慢慢的工业机械都尽可能采用交流电动机变频调速工艺调速技术。 电动机系统节能是目前中国市场上最具商业潜力的领域。 应用变频调速，可以大幅度提高电动机转速控制精度，使电动机在最节 能的转速下运行。在工业中，许多变动负荷电动机一般按最大需求来生产电 动机容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间比例却非常 高，如采用变频调速，可以大幅度提高轻载运行时的工作效率，因此变动负 荷的节能潜力巨大 [11]。 3.3 变频器的选择 随着电力电子技术、计算机技术、控制技术的发展，变频器的功能、性 能得到了很大的提高。 根据其性能及控制方式不同可分为通用型、 多功能型、 高性能型，其控制方式也依次分为 U/f 控制、电压型 PWM 控制、矢量控制 等。根据生产的需要，在变频器性能规格、容量等方面进行选择。 3.3.1 变频器种类的选择 根据负载机械的工作特点， 结合对调速范围、 调整精度和经济性的要求， 选择不同种类的变频器来控制运行。 ①通用型变频器 一般采用 U/f 控制方式，适用于风机、泵类负载场合。其节能效果显著， 调整范围和调整精度较低，因此成本较低。 ②多功能通用变频器 多功能变频器主要适应工业自动化类的高速、高效需求。 工业洗衣机一般采用通用型变频器。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 9 3.3.2 变频器的规格和指标选择 在选择变频器时，会接触到许多厂家提供的各类变频器的产品样本，这 些样本主要介绍变频器的系列型号、特点以及各种功能的指标。根据自己的 实际需要，就这些产品的性能、指标进行比较、筛选，以确定适合自己的变 频器。 ①型号 一般厂家自定的系列名称，包括电压等级和可适配电机的容量。 ②电压级别 根据各国的工业标准或用途不同，其电压级别也各不相同，在选变频器 时，首先应注意其电压级别是否与电源电压和电机的电压相适合。 ③最大适配电机 在最大适配电机一栏中，通常给出最大适配电机的容量。应该注意这个 容量一般以 4 极普通异步电动机为对象。 ④电源 变频器对电源的要求主要有电压/频率、 允许电压变化率和允许频率变化 率等三个方面。 ⑤控制特性 1）电压型还是电流型。 2）U/f 控制，转差频率控制方式或矢量控制。 3）输出频率范围，一般最低为 0.1Hz，最高频率因变频器性能而异 3.3.3 变频器容量的选择 变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合 理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便 的方法如下 ①电机实际功率确定法。 首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器 的容量。 ②公式法。 设安全系数取 1.05，则变频器的容量 b P 为 cos/05 . 1 kwyhPP mmb 式（3.2） 式（3.2）中， m P 为电机负载, m h 为电机功率。 计算出 Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。 综上所述，工业洗认机一般采用通用型变频器，采用 U/f 控制方式。由 于它的电机的频繁变速，因此选用电流源型变频器。最后经过再三的筛选， 确定选用三菱 FR- A540 变频器 [8] [9]。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 10 3.4 三菱 FR-A540 通用变频器 三菱通用变频器是日本三菱电机株式会社的产品。三菱通用变频器是采 用最新柔性 PWM 控制技术，使噪音减小，加强了抑制射频干扰能力；采用 直接监视控制主回路的智能驱动电路，使低速性能提高。 3.4.1 FR-A540 变频器控制端子接线 FR- A540 变频器的各电路接线端子，如图 3.5，其中同心圆表示主电路 接线端子，空心圆表示控制电路输入接线端子，实心圆表示控制电路输出接 线端子。 异 常 端 子 模 拟 信 号 输 出 （ DC 0-10v） 公 共 端 辅 助 输 入 电 流 输 入 频 度 设 定 电 位 器 1/2W （ 漏 型 输 入 公 共 端 ） 瞬 时 掉 电 再 起 动 选 择 复 位 电 流 输 入 选 择 直 流 24V输 出 和 外 部 晶 体 管 公 共 端 子 正 转 起 动 反 转 起 动 起 动 自 保 持 选 择 高 速 中 速 低 速 点 动 模 式 第 二 加 /减 速 度 时 间 选 择 输 出 停 止 运 行 频 率 达 到 瞬 时 停 电 过 负 载 频 率 检 测 （ 集 电 极 开 路 输 出 公 共 端 ） 指 示 仪 表 切 换 模 拟 信 号 公 共 端 切 换 刻 度 校 正 阻 抗 接 地 电 动 机 PU接 口 （ RS-485） 三 相 交 流 电 源 短 路 片 当 用 FR-BEL时 请 卸 掉 此 短 路 片 短 路 片 当 用 FR-ABR时 请 卸 掉 此 短 路 片 注 端 子 PR、 PX在 0.4～ 7.5KW中 装 有 短 接 片 控 制 电 路 输 入 信 号 （ 无 电 源 输 入 ） 频 率 设 定 信 号 （ 模 拟 ） - 图 3.5 控制端子接线图 PDF created with pdfFactory Pro trial version 11 3.4.2 端子接线说明 ①主回路端子说明如表 3.1。 表 3.1 主回路端子说明 端子记号 端子名称 说 明 R, S, T 交流电源 输入 连接工频电源。当使用高功率因数转换器时， 确保这些端子 不连接FR-HC U, V, W 变频器 输出接线 三相鼠笼电机 R1, S1 控制回路 电源 与交流电源端子 R,S 连接。在保持异常显示和异常输出时或 当使用高功率因数转换器时， FR-HC时， 请拆下R－R1和S-S1 之间的短路片，并提供外部电源此端子 P, PR 连接制动 电阻器 拆开端子 PR-PX 之间的短路片，在 P-PR 之间连接选件制动电 阻器FR-ABR P, N 连接制动 单元 连接选件FR-BU型制动单元或电源再生单元FR-RC或高功率 因数转换器FR-HC P, P1 连接改善功 率因数 DC 电抗器 拆开端子 P-P1 间的短路片，连接选件改善功率因数用电抗器 FR-BEL PR, PX 连接内部制 动回路 用短路片将 PX-PR 间短路时出厂设定内部制动回路便生效 7.5K 以下装有 接地 变频器外壳接地用，必须接大地 ②控制回路端子说明如表 3.2。 表 3.2 控制回路端子说明 类型 端子 记号 端子 名称 说 明 STF 正转启动 STF 信号处于 ON 便正转，处于 OFF 便停 止。 STR 反转启动 STR 信号 ON 为逆转，OFF 为停止 当STF和STR 同时处于 ON 时,则停止 STOP 启动自保持 使 STOP 信号处于 ON,可以选择启动信号自保持 输 启 动 点 RH RM 多段速度 用 RH,RM 和 RL 信号的组合 可以选择多段速度。 输入端子功 能选 PDF created with pdfFactory Pro trial version 12 RL 选择 JOG 点动模式 选择 JOG 信号 ON 时选择点动运行。用启动 信号（STF 和 STR）可以点动运行。 RT 第 2 加/减速 时间选择 RT 信号处于 ON 时选择第 2 加减速时间。 Pr.180 到 Pr.186用 于改变端功 能。 MRS 输出停止 MRS 信号为 ON（20ms 以上）时，变频器输出停止。用 电磁制动停止电机时，用于断开变频器的输出。 RES 复位 用于解除保护回路动作的保持状态。 使端子 RES 信号处 于 ON 在 0.1 秒以上,然后断开。 AU 电流输入 选择 只在端子 AU 信号处于 ON 时，变频器才 可用直流 4-20mA 作为频率设定信号。 CS 瞬停电再启 动选择 CS 信号预先处于 ON， 瞬时停电再恢复时 变频器便可自动启动。但用这种运行必 须设定有关参数，因为出厂时设定为不 能再启动。 输入端子功 能选 Pr.180 到 Pr.186用 于改变端功 能。 SD 公共输入端 子（漏型） 接点输入端子和 FM 端子的公共端。直流 24V,0.1APC 端子电源的输出公共端. 入 信 号 、 功 能 设 定 PC 直流24V电源 和外部晶体 管公共端接 点输入公共 端（源型） 当连接晶体管输出（集电极开路输出） ，例如可编程控 制器时， 将晶体管输出用的外部电源公共端接到这个端 子时,可以防止因漏电引起的误动作,这端子可用于直 流 24V,0.1A 电源输出。当选择源型时，这端子作为接 点输入的公共端。 10E 10VDC, 容许负荷 电流 10mA 10 频率设定用 电源 5VDC, 容许负荷电 流 10mA 按出厂设定状态连接频率设定电 位器时,与端子 10 连接。当连接 到 10E 时,请改变端子 2 的输入规 格。 2 频率设定 电压 输入 0～5VDC或 0～10VDC时 5V10VDC对应于为最大 输出频率。输入输出成比例。 用参数单元进行输入直流 0～5V出厂设定和0～10VDC 的切换。 输入阻抗 10KΩ, 容许最大电压为直流 20V。 模 拟 频 率 设 定 4 频率设定 电流 DC4～20mA,20mA 为最大输出频率,输入,输出成比例. 只在端子AU信号处于ON时,该输入信号有效,输入阻抗 250Ω, 容许最大电流为 30mA。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 13 1 辅助频率 设定 输入0～5VDC或 0～10VDC时,端子2或 4的频率设 定信号与这个信号相加。用参数单元进行输入 0～ 5VDC 或 0～10VDC出厂设定的切换。输入阻抗 10KΩ,容许电压20VDC。 5 变频设定 公共端 频率设定信号端子 2,1 或 4和模拟输出端子 AM 的公 共端子。请不要接大地。 A，B， C 异常输出 指示变频器因保护功能动作而输出停止的转 换 接 点 . AC200V 0.3A,30VDC 0.3A, 异 常 时B-C 间不导通A-C 间导通,正常时B-C 间导通A-C 间不导通 RUN 变频器正在 运行 变频器输出频率为启动频率出厂时为 0.5Hz以上时为低电平,正在停止或正在直 流制动时为高电平*2。 SU 频率到达 输出频率达到设定频率的10出厂设定, 可变更时为低电平,正在加/减速或停止时 为高电平*2。容许负荷为 DC24V,0.1A。 OL 过负荷 报警 当失速保护功能动作时为低电平,失速保护 解除时为高电平*2。 容许负荷为 DC24V,0.1A。 IPF 瞬时停电 瞬时停电,电压不足保护动作时为低电平*2, 容许负荷为 DC24V,0.1A FU 频率检测 输出频率为任意设定的检测频率以上时为低 电平,以下时为高电平*2, 输出端 子的功 能选择 通过 Pr.19 0到 Pr.195 改 变 端子功 能 集 电 极 开 路 SE 集 电 极 开路 输出公共端 端子 RUN,SU,OL,IPF,FU 的公共端子 脉 冲 FM 指示仪表用 出厂设定的 频率容许负荷电流 1 mA 60H 时 1440 脉冲/s 输 出 信 号 模 拟 AM 模拟信号 输出 可以从 16 种监示 项目中选一种作 为输出*3 出厂设定的 频率输出信号 0 到 DC 10V 容许负荷电流 1 mA 通 信 R S 4 8 5 PU 接口 通过操作面板的接口, 进行 RS-485 通迅 遵守标准EIA RS-485 标准 通讯方式 多任务通信 通迅速率最大19200bps 最长距离 500m PDF created with pdfFactory Pro trial version 14 ③主回路接线说明 1）电源及电机接线的压着端子，请使用带有绝缘管的端子。 2）当接线时剪开布线挡板上的保护衬套22K 以下的。 3）电源一定不能接到变频器输出端上U, V, W,否则将损坏变频器。 4）接线后，零碎线头必须清除干净，零碎线头可能造成异常，失灵和故 障，必须始终保持变频器清洁。在控制台上打孔时，请注意不要使碎片粉末 等进入变频器中。 5）为使电压下降在 2以内，请用适当型号的电线接线。 变频器和电机间的接线距离较长时，特别是低频率输出情况下，会由于 主电路电缆的电压下降而导致电机的转矩下降。 6）布线距离最长为 500 米。 7） 在 P 和 PR 端子间建议连接制定的制动电阻选件, 端子间原来的短路 片必须拆下。 8）运行后，改变接线的操作，必须在电源切断 10 分钟以上，用万用表 检查电压后进行。断电后一段时间内，电容上仍然有危险的高压电 [1] [3]。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 15 4 工业洗衣机控制系统的硬件 4.1 PLC 简介 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器Programmable Logic Controller,PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展， 这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的 范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个 人计算机Personal Computer的简称混淆，所以将可编程序控制器简称 PLC。 PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计 算机相同，如图 4.1 所示。 基本构成为电源、中央处理单元CPU、存储器、输入输出接口电路、 功能模块、通信模块等 [13]。 PLC 一般采用循环扫描的工作方式，其工作过程一般分为三个阶段，即 输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个 扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述 三个阶段。 ①输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并 将它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序 执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 因此， 如果输入是脉冲信号， 则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输 入均能被读入。 ②用户程序执行阶段 CPU 输 入 模 块 输 出 模 块 输出 电源 电源 开关 可编程控制器 图 4.1 PLC 基本结构图 PDF created with pdfFactory Pro trial version 16 在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 梯形图。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构 成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进 行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储 区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或 者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 ③输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按 照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路 驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出[6]。 4.2 PLC 的硬件选择 随着 PLC 在工业控制中的推广普及，PLC 产品的种类越来越多，其结构 型号、性能、容量、指令系统、编程方法等各不相同，适用场合也各有侧重。 因此，合理选择 PLC，对于提高 PLC 在控制系统中的应用有着重要作用。 4.2.1 PLC 机型的选择原则 在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格 比最优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合， 建议选用整体式结构的 PLC； 其他情况则最好选用模块式结构的 PLC； 对于开 关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其 控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D 转换、D/A 转换、加减运算、数据传 送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的 工程项目中（如要实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模 及复杂程度来选用中档或高档机（其中高档机主要用于大规模过程控制、全 PLC 的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。 4.2.2 CONTROLLOGIX PLC 系统概述 国内外有许多工控产品厂商例如西门子系列、松下 FP 系列、Omron C200H 系列和本次设计选用的罗克韦尔的 ControlLogix 系统 PLC， 实现 PLC 在工业洗衣机的控制。 ControlLogix 系统是基于 PLC 和 SLC 的基础上发展起来的，除了具 备 PLC 和 SLC 的大部分功能以外，还集成了多种控制规律（顺序控制、运 动控制、驱动控制和过程控制等） ，具有一些自身的特点。如下 ①模块化结构。ControlLogix 系统不仅包括模拟量、数字量这些不同模 块，而且还有专门的运动控制模块及相应的全套的运动控制指令。用户可以 PDF created with pdfFactory Pro trial version 17 按照自己的需要，在一块背板上，安装不同数目的数字量 I/O 模块、模拟量 I/O 模块以及各种通讯模块。 ②硬冗余。省去了软冗余中编程的麻烦，减少了设备切换时间，降低了 故障的发生率。 ③强大的网络功能。主要包括 Ether Net、Control Net 、Device Net 三 层网。 ④系统间结合紧密。可与现有的 Rockwell 各层网络上的设备通过相应 的连接模块进行信息交换，实现与其它网络上的程序处理器之间无缝对接。 ⑤带电插拔。 用户就可以在继续维持系统运行的同时更换有故障的模块， 而不会影响整个系统其它部分的正常运行。 ⑥系统小型化、抗干扰性强。适用于有限的安装空间，并且携带方便， 可耐受振动、高温以及各种工业环境下的电气干扰。 随着科技的不断进步和工业生产规模的不断扩大， 尤其是工业现场中对 过程变量控制要求的提高，再加上传统的 PLC 系统在处理模拟量方面的不 足，ControlLogix 系统一经推出，在工控领域就受到关注，得到了用户的认 可和广泛应用 [4][5]。 从技术参数相匹配、经济实惠等多方面因素的考虑，本次设计选用了美 国罗克韦尔公司的 ControlLogix PLC。因为此系统具有许多其它系统不能比 拟的优点，基于 ControlLogix 平台的 Logix5000 处理器模块可以为工业控制 提供一种最新的而且具有灵活性的完整控制方案。 ① ControlLogix 系统与现有基于 PLC 系统之间完美结合，与现有网络 用户完美结合并可实现信息的透明互换，与其他网络上的程序处理器之间完 美结合。 ② ControlLogix 系统的模块化的 I/O、内存及通讯接口为用户提供了一 种即可组态又便于扩展的系统。 用户可以根据需要灵活配置所需的 I/O 数量、 内存容量以及通讯网络， 以后当用户需要进一步扩展系统时， 可随时添加I/O、 内存急通讯接口。 ③ ControlLogix 系统允许用户带电插拔系统中的任何模块，而不会对模 块造成损坏，这样用户就可以在继续维持系统运行的同时更换故障模块。 ④ ControlLogix 可以在网络之间、网络链路之间以及通过背板之间实现 新鲜的高速传送。 ⑤ ControlLogix 采用特殊设计的高强度工业硬件平台，从而可耐振动， 高温以及各种工业环境下的电气干扰。 ⑥ ControlLogix 允许多个 Logix5000 处理器模块插入在同一个背板上， PDF created with pdfFactory Pro trial version 18 高速度的背板使每个处理器都可轻而易举的访问其他处理器的数据，从而实 现 I/O 数据急其他信息的共享。 ⑦通过 Ethernet ControlNet 和 DeviceNet 网络将处理器连接起来， 可以实 现分布式处理。 ⑧通过ControlNet DeviceNet和RemoteI/O链路即可将远离处理器的分布 式 I/O 连接起来。 ⑨该操作系统提供了真正具有优先级的多任务环境，从而允许用户通过 单独排定软件组件来满足自己的应用要求，这就大大提高了处理器的效率而 且降低了成本，因为它可以减少用户整个控制系统的处理器数量。 ⑩ Logix5000 处理器有完整的