基于PLC的工業(yè)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張爭(zhēng)剛，熊剛

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 楊凌712100）

基于PLC的工業(yè)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張爭(zhēng)剛，熊剛

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 楊凌712100）

為了解決傳統(tǒng)洗衣機(jī)存在功能單一、洗滌效率低、衛(wèi)生狀況差等問(wèn)題，本文結(jié)合傳感器、電力電子以及智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于三菱FX2N-32MR型PLC的工業(yè)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主回路控制電路、PLC控制電路以及軟件系統(tǒng)3個(gè)部分，具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種操作模式，能夠滿(mǎn)足不同織物和用戶(hù)個(gè)性化需求，最后制作了樣機(jī)并且進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該洗衣機(jī)系統(tǒng)洗凈度達(dá)到0.95、含水率達(dá)0.5%、細(xì)菌數(shù)量低、操作簡(jiǎn)單、智能化程度高、成本低廉，達(dá)到了預(yù)期效果，具有一定的使用價(jià)值。

PLC；洗衣機(jī)；控制系統(tǒng)；智能

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)需求的不斷提高，人們對(duì)日常生活中的自動(dòng)化設(shè)備要求也越來(lái)越高，洗衣機(jī)便是其中一種[1-2]，然而普通全自動(dòng)洗衣機(jī)在滿(mǎn)足人們基本洗滌需求的同時(shí)還存在一些不足：

1）洗衣量較小，工作效率較低只能滿(mǎn)足一般家庭的日常需要，而像酒店、醫(yī)院等場(chǎng)合遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足其需求；

2）一般的洗衣機(jī)只有自動(dòng)模式，不能滿(mǎn)足不同織物和用戶(hù)的個(gè)性化需求；

3）洗衣機(jī)為多次重復(fù)使用設(shè)備，不同衣物經(jīng)洗衣機(jī)存在細(xì)菌交叉感染，危及人身健康；

4）一般的洗衣機(jī)沒(méi)有除濕功能，洗滌完畢的衣物還需晾曬后才能使用，浪費(fèi)時(shí)間；

5）在陰雨季節(jié)衣物往往容易發(fā)潮，影響穿著的舒適性和人體健康，而衣物的除潮往往要借助其他設(shè)備來(lái)進(jìn)行，增加用戶(hù)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前，能滿(mǎn)足以上要求的洗衣機(jī)主要是國(guó)外品牌，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴還沒(méi)有得到廣泛使用。文中設(shè)計(jì)一種基于PLC的工業(yè)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)洗衣過(guò)程的自動(dòng)化又能滿(mǎn)足不同織物和用戶(hù)的個(gè)性化需求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

基于PLC的工業(yè)洗衣機(jī)由進(jìn)水閥、出水閥、水位檢測(cè)、洗滌電機(jī)、甩干電機(jī)、烘干加熱器組成[2]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

水位檢測(cè)用來(lái)檢測(cè)洗衣機(jī)中水位高低，進(jìn)水閥控制水流入洗衣機(jī)，出水閥進(jìn)行排水控制，M1為洗滌電機(jī)，帶動(dòng)洗衣機(jī)桶旋轉(zhuǎn)進(jìn)行洗滌，M2為高速甩干電機(jī)，其高速旋轉(zhuǎn)使洗滌物品快速脫水，加熱器對(duì)洗滌物品烘干[3-5]。

圖1 工業(yè)洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

工業(yè)洗衣機(jī)的工作過(guò)程要求包括自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。

自動(dòng)模式：在自動(dòng)模式下可實(shí)現(xiàn)洗滌物品的自動(dòng)洗滌、漂洗、甩干、烘干處理，在此過(guò)程中不需要人為干預(yù)即可完成整個(gè)洗滌過(guò)程。

手動(dòng)模式：考慮到不同洗滌物品的特性及用戶(hù)洗滌習(xí)慣等的差別，用戶(hù)可單獨(dú)控制進(jìn)水電閥控制洗衣機(jī)水位高低，單獨(dú)控制洗衣機(jī)進(jìn)行洗滌、漂洗、甩干及烘干，滿(mǎn)足用戶(hù)的個(gè)性化需求。

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

PLC控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，而硬件又由兩部分組成，一部分為PLC控制回路主要由PLC控制器、模式選擇開(kāi)關(guān)、液位傳感器、進(jìn)水控制開(kāi)關(guān)、排水控制開(kāi)關(guān)、洗滌控制開(kāi)關(guān)、漂洗控制開(kāi)關(guān)、甩干控制開(kāi)關(guān)、加熱器控制開(kāi)關(guān)等輸入元件和進(jìn)水閥、出水閥、信號(hào)指示燈、報(bào)警器等小功率負(fù)載組成，洗滌電機(jī)、甩干電機(jī)、加熱器等大功率負(fù)載PLC無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)放在主回路中由接觸器驅(qū)動(dòng)。PLC系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 PLC系統(tǒng)控制框圖

2.2 硬件選型

PLC在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)采集、分析各個(gè)輸入信號(hào)，并輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)主電路進(jìn)而控制各負(fù)載執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作達(dá)到控制目標(biāo)。PLC的選型主要根據(jù)系統(tǒng)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)的多少來(lái)選擇。考慮到本系統(tǒng)的輸入信號(hào)及輸出信號(hào)數(shù)量，本系統(tǒng)中選擇日本三菱公司FX2N-32MR型PLC作為控制器。該P(yáng)LC可采用交流100～240 V電源供電，穩(wěn)定性很好，有32個(gè)I/O點(diǎn)，16點(diǎn)輸入、16點(diǎn)輸出，輸出形式為繼電器輸出，有256個(gè)定時(shí)器，能滿(mǎn)足本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)硬件中主回路主要功能是解決PLC輸出帶負(fù)載能力有限的問(wèn)題，負(fù)載功率較小時(shí)可由PLC輸出點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)[6-8]，如果負(fù)載功率較大，則需要借助驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，在本系統(tǒng)中使用接觸器來(lái)完成，并且對(duì)PLC起到隔離保護(hù)的作用，防止負(fù)載過(guò)載時(shí)燒壞PLC輸出點(diǎn)。PLC控制系統(tǒng)主回路如圖3所示。

圖3 工業(yè)洗衣機(jī)PLC控制系統(tǒng)主回路電路圖

PLC控制接觸器KM1及KM2的通、斷對(duì)洗滌電機(jī)M1正反轉(zhuǎn)控制，F(xiàn)R1為M1過(guò)載保護(hù)；PLC控制接觸器KM3來(lái)控制高速電機(jī)M2高速旋轉(zhuǎn)對(duì)衣物甩干；PLC控制接觸器KM4來(lái)控制加熱器對(duì)衣物進(jìn)行烘干，溫控器BT用來(lái)設(shè)置烘干溫度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)接觸器KM4斷開(kāi)，加熱器停止加熱；當(dāng)洗衣機(jī)容量較大時(shí)可選擇大容量洗滌電機(jī)、甩干電機(jī)和加熱器并配套相應(yīng)容量的接觸器KM1、KM2、KM3、 KM4滿(mǎn)足要求。

PLC的輸入用來(lái)接收各種外部信號(hào)包括開(kāi)關(guān)、按鈕、繼電器觸點(diǎn)和傳感器等，PLC的輸出用來(lái)將PLC輸出結(jié)果傳遞給被控對(duì)象包括接觸器、電磁閥、指示裝置等。本系統(tǒng)輸入信號(hào)11個(gè)，輸出信號(hào)7個(gè)，輸入信號(hào)在自動(dòng)模式下僅需啟動(dòng)信號(hào)、液位信號(hào)即可自動(dòng)完成洗滌任務(wù)；在手動(dòng)模式下，需要用戶(hù)根據(jù)自己需求輸入相應(yīng)的操作；輸出信號(hào)由進(jìn)水閥開(kāi)/閉、出水閥開(kāi)/閉、洗滌電機(jī)正轉(zhuǎn)/停止/反轉(zhuǎn)、甩干電機(jī)啟/停、加熱器啟/停等控制信號(hào)組成。系統(tǒng)PLC I/O端子分配如表1所示。

表1 PLC I/O分配表

由控制系統(tǒng)控制要求及I/O分配表設(shè)計(jì)系統(tǒng)I/O接線(xiàn)圖，如圖4所示。

在自動(dòng)模式下（X3 ON），按下SB1后，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)水（Y0 ON）--水滿(mǎn)（X4 ON）--停止進(jìn)水（Y0 OFF）--洗滌（Y1和Y2交替ON）--漂洗--排水（Y3 ON）--甩干（Y4 ON）--烘干（Y5 ON）--報(bào)警（Y6 ON）。

在手動(dòng)模式下（X2 ON），接通SA6洗衣機(jī)進(jìn)水，斷開(kāi)SA6洗衣機(jī)停止進(jìn)水，即可人為控制進(jìn)水量；接通SA7洗衣機(jī)排水，斷開(kāi)SA7洗衣機(jī)停止排水，即可人為控制排水量；接通SA2洗衣機(jī)進(jìn)行洗滌工序，洗滌電機(jī)正轉(zhuǎn)--暫停--反轉(zhuǎn)--暫停一直循環(huán)工作，斷開(kāi)SA2洗衣機(jī)停止洗滌，即可人為根據(jù)衣物臟凈程度、衣物特點(diǎn)控制洗滌時(shí)間，以達(dá)到最佳洗滌效果；接通SA3洗衣機(jī)進(jìn)行漂洗工序，洗滌電機(jī)正轉(zhuǎn)--暫停--反轉(zhuǎn)--暫停一直循環(huán)工作，斷開(kāi)SA3洗衣機(jī)停止漂洗，即可人為根據(jù)漂洗效果控制漂洗時(shí)間及漂洗次數(shù)，以達(dá)到最佳漂洗效果；接通SA4洗衣機(jī)甩干，斷開(kāi)SA4洗衣機(jī)停止甩干，即可人為控制脫水時(shí)間；接通SA5洗衣機(jī)烘干，斷開(kāi)SA5洗衣機(jī)停止烘干，即可人為控制烘干時(shí)間從而控制衣物干燥程度，當(dāng)然可能由于時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引起不安全，系統(tǒng)設(shè)置有溫控開(kāi)關(guān)做保護(hù)，當(dāng)溫度達(dá)到系統(tǒng)極限溫度時(shí)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)加熱器停止加熱。

圖4 工業(yè)洗衣機(jī)PLC控制系統(tǒng)I/O接線(xiàn)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)工業(yè)洗衣機(jī)的控制要求，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后等待用戶(hù)進(jìn)行工作模式的選擇，如果選擇自動(dòng)模式[7-12]，則在自動(dòng)模式下工作，如果選擇手動(dòng)模式，則在手動(dòng)模式下工作，兩種模式下可隨時(shí)停止工作。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

在手動(dòng)模式下可用戶(hù)可根據(jù)衣物特點(diǎn)及自己意愿單獨(dú)控制各個(gè)洗衣工序，如單獨(dú)進(jìn)行衣物的烘干、洗滌時(shí)間的長(zhǎng)短、漂洗次數(shù)等而不受系統(tǒng)程序的限定，使用方便，流程圖如圖6所示。

圖6 手動(dòng)模式流程圖

在自動(dòng)模式下，按下啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)水電磁閥進(jìn)水并進(jìn)行水位的檢測(cè)，當(dāng)水位達(dá)到高水位時(shí)進(jìn)水電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，并啟動(dòng)洗滌程序（洗滌電機(jī)M1正傳20秒后停止，3秒后再正傳20秒后再停止，3秒后重復(fù)剛才的洗滌過(guò)程20次），然后洗滌工序結(jié)束，打開(kāi)出水閥排出洗滌過(guò)程中的污水；當(dāng)檢測(cè)到污水排完后自動(dòng)關(guān)閉排水閥并打開(kāi)進(jìn)水閥，注入清水，當(dāng)清水水位達(dá)到高水位時(shí)關(guān)閉進(jìn)水閥，然后啟動(dòng)漂洗程序（洗滌電機(jī)M1正傳10秒后停止，4秒后再正傳10秒后再停止，4秒后重復(fù)剛才的漂洗過(guò)程10次），漂洗結(jié)束后打開(kāi)出水閥排出漂洗過(guò)程中的污水；當(dāng)檢測(cè)到污水排完后啟動(dòng)高速甩干電機(jī)M2進(jìn)行甩干及排水，45秒后停止甩干并關(guān)閉出水閥，啟動(dòng)加熱器對(duì)洗滌物品進(jìn)行烘干，烘干50秒后關(guān)閉加熱器啟動(dòng)報(bào)警裝置通知用戶(hù)洗滌任務(wù)結(jié)束，系統(tǒng)停止工作。在此過(guò)程中用戶(hù)只需按下啟動(dòng)按鈕，剩下的事情由洗衣機(jī)自動(dòng)完成，用戶(hù)只等洗衣機(jī)報(bào)警取干衣服。自動(dòng)模式流程圖如圖7所示。

圖7 自動(dòng)模式流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)

將編寫(xiě)的PLC程序?qū)懭隤LC中，將硬件、軟件結(jié)合進(jìn)行綜合調(diào)試。接通系統(tǒng)電源后將PLC運(yùn)行開(kāi)關(guān)打到RUN方式[13-15]，將SA1打到自動(dòng)模式，按下SB1后，看到進(jìn)水電磁閥指示燈L1亮（洗衣機(jī)進(jìn)水），當(dāng)水位上升到高水位時(shí)，停止進(jìn)水，洗滌電機(jī)正轉(zhuǎn)指示燈L2亮（洗滌作業(yè)），L2亮20秒后熄滅，3秒后洗滌電機(jī)反轉(zhuǎn)指示燈L3亮，L3亮20秒后熄滅，3秒后洗滌電機(jī)正轉(zhuǎn)指示燈L2亮......如此循環(huán)20次以后停止轉(zhuǎn)動(dòng)并自動(dòng)排水，水拍完后，看到洗衣又自動(dòng)進(jìn)水，水滿(mǎn)后，洗滌電機(jī)正轉(zhuǎn)指示燈L2亮（漂洗），L2亮10秒后熄滅，4秒后洗滌電機(jī)反轉(zhuǎn)指示燈L3亮，L3亮10秒后熄滅，暫停4秒后洗滌電機(jī)正轉(zhuǎn)指示燈L2亮......如此循環(huán)10次以后停止轉(zhuǎn)動(dòng)并自動(dòng)排水，水拍完后看到甩干指示燈L5亮，45秒后L5滅，L6燈亮（烘干），50秒后L6滅，報(bào)警燈AR亮，洗滌任務(wù)完成，將SA1打到停止，AR滅，洗衣機(jī)停止工作。

將SA1打到手動(dòng)模式，接通SA6，看到L1亮（洗衣機(jī)進(jìn)水），斷開(kāi)A6L1滅（停止進(jìn)水）；接通SA7，指示燈L4亮（洗衣機(jī)排水），斷開(kāi)SA7 L4滅（停止排水）；接通SA2，洗滌電機(jī)正轉(zhuǎn)指示燈L2亮（洗滌作業(yè)），20秒后L2熄滅，3秒后洗滌電機(jī)反轉(zhuǎn)指示燈L3亮，20秒后L3熄滅，3秒后L2亮......如此循環(huán)，斷開(kāi)SA2，L2、L3都滅（停止洗滌）；接通SA3，洗滌電機(jī)正轉(zhuǎn)指示燈L2亮（漂洗），10秒后L2熄滅，暫停4秒后洗滌電機(jī)反轉(zhuǎn)指示燈L3亮，L3亮10秒后熄滅，4秒后洗滌電機(jī)正轉(zhuǎn)指示燈L2亮......如此循環(huán)直到SA3斷開(kāi)，L2、L3都滅（停止漂洗）；接通 SA4，L5燈亮（甩干），斷開(kāi) SA4，L5燈滅（停止甩干）；接通 SA5，L6燈亮（烘干），斷開(kāi) SA5，L6燈滅（停止烘干）。在手動(dòng)模式下洗衣過(guò)程的各個(gè)工序工作時(shí)間完全由用戶(hù)控制，衣物較臟時(shí)可加長(zhǎng)洗滌時(shí)間，增加衣物洗凈比；衣物含洗滌劑較多時(shí)可增加漂洗次數(shù)，降低衣物洗滌劑殘余量；衣物含水量較高時(shí)延長(zhǎng)甩干時(shí)間及烘干時(shí)間，同時(shí)使洗衣機(jī)內(nèi)筒得到干燥，細(xì)菌在潮濕的環(huán)境下繁殖很快，但在干燥的環(huán)境下幾乎無(wú)法繁殖，對(duì)減少衣物細(xì)菌數(shù)量和經(jīng)洗衣機(jī)傳播到其他衣物的細(xì)菌數(shù)量大大減少；另外，在潮濕的的雨季，衣物常常發(fā)潮，影響穿著舒適度，而衣物又是干凈的不需要清洗，此時(shí)可以單獨(dú)使用洗衣機(jī)的烘干功能進(jìn)行除潮，方便實(shí)惠。

通過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，各個(gè)工序工作正常達(dá)到工業(yè)洗衣機(jī)控制工藝要求且工作穩(wěn)定可靠、達(dá)到控制工藝要求。為了驗(yàn)證工業(yè)洗衣機(jī)的性能，將PLC控制系統(tǒng)與普通洗衣機(jī)結(jié)合并進(jìn)行了改造[16]。進(jìn)行了衣物的洗滌、漂洗、甩干、和烘干，其洗凈比達(dá)到了0.95達(dá)到了國(guó)家A級(jí)水平，烘干后衣物的含水量達(dá)到了0.5%，達(dá)到了可直接穿著的含水量要求。而洗衣機(jī)在烘干工序后，洗衣機(jī)內(nèi)筒也被烘干，其細(xì)菌數(shù)量也比普通洗衣機(jī)細(xì)菌數(shù)量低很多。

5 結(jié)束語(yǔ)

以PLC為核心的工業(yè)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)滿(mǎn)足了對(duì)衣物的洗滌、漂洗、甩干、烘干等功能，并有自動(dòng)、手動(dòng)兩種工作模式供用戶(hù)選擇，使用方便、操作靈活能滿(mǎn)足用戶(hù)的個(gè)性化需求、并提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，效果良好。同時(shí)，該工業(yè)洗衣機(jī)的烘干功能使衣物含水率快速達(dá)到0.5%，同時(shí)洗衣機(jī)內(nèi)筒被快速烘干，破壞了細(xì)菌繁殖環(huán)境使洗衣機(jī)內(nèi)筒細(xì)菌數(shù)量大幅減少，極大降低了衣物細(xì)菌傳染給人的概率；其次，在陰雨季節(jié)可直接使用洗衣機(jī)的烘干功能對(duì)干凈衣物進(jìn)行除潮，對(duì)增加衣物穿著舒適性和人體健康很有益處。

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Design of industrial washing machine control system based on PLC

ZHANG Zheng-gang，XIONG Gang
（Yangling Vocational&Technical College，Yangling 712100，China）

In order to solve the problem with single function，lower washing efficiency and poor health in traditional washing machine，the design of industrial washing machine control system based on Mitsubishi FX2N-32MR PLC is designed in this paper，sensors，power electronics and intelligent control technology is used in the system.It consists of three parts:the main circuit，PLC control circuit and software，there are manual and automatic two modes to meet different needs of individual unsers in the system，F(xiàn)urther more，prototype is made and made a test，the results of the test on washing machine shows that cleanliness reached 0.95，water rate of 0.5%，low number of bacteria，simple operation，highly intelligentized and low cost，and achieve the desired effect.It has some use value.

PLC；industrial washing machine；control system；intelligent

TN02

A

1674－6236（2016）23-0078-04

2015-12-30 稿件編號(hào)：201512316

張爭(zhēng)剛（1981—），男，陜西武功人，碩士，講師。研究方向：自動(dòng)化技術(shù)。