基于可編程控制器的工業干衣機控制系統設計

梁 天

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 528400）

0 引言

工業干衣機廣泛應用在各行各業中，是石油化工企業，特別是孤島式海洋平臺或油輪必不可少的機電設備。現有研究和報道中將干衣機按照加熱方式分為熱泵式、電熱式、燃氣式和微波式[1]。各種加熱方式各有優缺點，能源效率也不相同。目前我國使用的干衣機大多是電干衣機[2]。干衣機分為家用與工業用途，本文主要討論的是工業用途的電加熱式服裝烘干機。

工業服裝烘干機是將洗滌后的濕織物進行干燥處理的洗滌設備，其優點為投入成本低、運行費用低，結構簡單，價格較低，目前國內干衣機生產廠家大多是沿用早期進口干衣機的生產圖紙，依葫蘆畫瓢，缺乏技術改造能力[3]。我國南海某石油鉆采平臺有若干臺電加熱式工業服裝干衣機，從投入使用至今已運行十多年，生產廠家已停止生產該系列的干衣機。由于干衣機運行環境溫度較高，使用周期長，操作系統已損壞并且不可修復，常規的作法是整體更換新的工業干衣機，但由于工業干衣機體積龐大，大于海上石油鉆采平臺常規門口的寬度，更換非常困難，需要熱工切割多面墻壁才能整體更換，再加上海上施工費用遠遠高于陸地施工費用，更換施工費用高于新設備的費用，故提出了使用可編程控制器和觸摸屏組成的工業干衣機控制系統，自主設計并安裝控制系統的硬件及軟件，采用最簡單最實用的控制方法，增加參數設置和故障顯示功能，提高工業干衣機的自動化程度和降低維修難度。該控制系統的應用，為公司節省大量的費用，可輕易拓展到其他控制系統損壞的干衣機，運行可靠穩定，操作簡易。

1 工業干衣機系統組成及控制原理

干衣機依靠內部的加熱元件對進入機體內的外界空氣進行加熱，同時依靠電機帶動滾筒或葉輪轉動，使加熱后的空氣與衣物接觸，經過濾冷凝或者直接排出機外[4]。工業干衣機的機械部分由基座、滾筒、滾輪、皮帶、排風機、玻璃門等組成。電氣部分包括加熱絲、滾筒馬達、排風機馬達、變頻器、斷路器、變壓器、接觸器、控制板卡、顯示操作面板、進出風口溫度傳感器和玻璃門限位等組成。外部的空氣經過PTC 發熱元件（加熱絲）加熱后進入滾筒，加熱滾筒里面的衣物，濕熱的空氣經過毛絮過濾網從底部通過離心式排風扇排出，如圖1所示。

圖1 電熱式干衣機結構原理[5]

為達到既能快速干衣又安全可靠、不傷衣物，經試驗，可根據衣服的材質將出風口溫度上限設定在50～70 ℃之間[6]。工業干衣機加熱絲共有6 個，由3 個接觸器控制，每一個加熱絲有3 個繞組，接成星型，每兩個加熱絲并聯加熱。滾筒馬達由變頻器控制，可以在一定的范圍內調節滾筒的轉速，使滾筒內的衣物從滾筒的最高處開始落下，增加衣物與熱空氣的接觸面積。排風機主要把滾筒內的熱空氣往外排出。控制系統的核心是根據溫度需求接通與斷開加熱絲的電源。工業干衣機的控制邏輯為檢測到玻璃門關好后，操作人員接下啟動按鈕，排風機和滾筒馬達啟動，檢測到進風口溫度低于進風口預設溫度后啟動第一組加熱絲，延時預設的時間后進風口溫度還沒達到預設溫度，再啟動第二組加熱絲，再經過一段時間的延時，進風口溫度還沒達到預設溫度，再啟動第三組加熱絲。由于蒸發過程是一個吸熱過程，含濕空氣溫度要明顯低于進氣口的溫度[7]。當運行時間達到預設時間或進風口溫度與出風口溫差小于預設值后停止加熱，延時一段時間后滾筒和風機停止工作。

2 控制系統硬件組成

2.1 主回路設計

根據工業干衣機的控制系統組成及工作原理，設計出工業干衣機的電氣原理圖，如圖2所示。主回路方面，380 V 電源引入后分配給4 個斷路器Q0～Q3，其中Q0 是兩個電機的電源斷路器，Q1、Q2 和Q3 是加熱絲的斷路器。滾筒電機由一個普通變頻器控制轉速和正反轉，排風電機由接觸器KM0 控制啟動和停止；加熱絲也由接觸器KM1、KM2和KM3控制啟動和停止。

圖2 工業干衣機控制系統電氣原理

2.2 控制回路設計

控制回路方面，控制電源通過380/220 V 電源變壓器提供，220 V 電源為24 V 直流電源模塊和接觸器線圈供電。控制系統采用可編程邏輯控制器（PLC）和觸摸屏實現，可編程邏輯控制器的核心是擁有高速大容量數據處理能力的微處理器，它融合了多種現代化技術，包括計算機處理技術、自動控制技術、電子元器件技術和網絡通信技術，是一類全新、應用范圍十分廣泛的自動控制裝置[8]。本控制系統采用AB 公司的MicroLogix1400 系列PLC，為了節省控制面板上的按鈕和PLC 的輸入端口，啟動和停止采用一個按鈕控制。PLC 的輸入包括急停按鈕、門開關、進風口超溫開關、滾筒電機和排風電機過熱開關和啟動/停止按鈕。PLC的輸出包括加熱絲接觸器、排風機接觸器、滾筒正反轉接觸器、總故障接觸器和啟動/停止指示接觸器。兩路PT100 溫度傳感器接到熱電阻輸入模塊RTD/Resistance Module 的兩個輸入通道上。PLC 輸入輸出地址分配表如表1 所示。

表1 PLC輸入輸出地址分配表

3 編程及畫面設計

織物滾筒烘干可分為4 個階段：升溫階段、恒速烘干階段、降速烘干和吹冷風階段。升溫階段烘干速率不斷提高；恒速烘干階段烘干速率保持不變；降速烘干階段烘干速率呈線性減少；吹冷風階段增加滾筒內空氣流通，烘干效率提高。

3.1 控制程序設計

啟動和停止采用一個按鈕控制，一鍵操作，用最簡潔的操作方式，減少使用者的學習成本。增加干衣機剩余時間的顯示，讓使用者一目了然，減少對未知事物的焦慮感。讓使用者對產品產生好的印象，從而讓產品與用戶產生進一步的交流[9]。把四通道熱電阻輸入模塊設置成熱電阻PT100，模塊就可以把溫度信號轉換成數字量，在程序中用除法指令把數字量除以10即可得到十進制的實際溫度值，由于溫度不會突變，為了讓溫度值顯示更加穩定，設置每2 s讀一次溫度值存到寄存器中，進而在觸摸屏畫面上顯示，部分程序如圖3所示。

圖3 啟動與停止部分程序

為了方便烘干不同濕度和厚度的衣物，編程時充分考慮一個運行周期的時間可調，進風口和排風口溫度差停機值可調，正反轉可設置等。編程上采用比較延時法，啟動時，當檢測到實際溫度沒達到預設值時，啟動第一組加熱絲，延時一段時間，當進風口溫度還沒達到預設值，再啟動第二組加熱絲，以此類推；當進風口溫度達到預設溫度，先停止第一組加熱絲，延時一段時間，當進風口溫度還超過預設溫度，再停止第二組加熱絲，以此類推，當進風口溫度維持在預設溫度值內，保持加熱絲不動，這樣就可以盡量降低接觸器的頻繁接通與斷開，延長接觸器的使用壽命。當進風口溫度與排風口溫度相差值達到預設值時或運行時間到達預設時間值后，自動停止干衣機的運行，提高干衣機的自動化程序。程序控制邏輯圖如圖4所示。

圖4 程序控制邏輯

3.2 觸摸屏監控畫面設計

觸摸屏監控畫面的左邊以進風口和排風口的溫度顯示為主，啟動/停止可以通過觸摸屏上的按鍵操作或者實體按鍵操作；右邊顯示干衣機的運行狀態及加熱絲的啟動與停止狀態（停止時不顯示，啟動加熱時才顯示），右上角顯示剩余時間，如圖5 所示。加熱絲的啟動與停止由進風口的溫度和設置值決定，根據衣物的厚度與濕度設置干衣機的運行參數，達到以最合適的溫度高效烘干衣物的要求。操作人員不需要用電腦來更改控制程序，只需要在觸摸屏上更改相應的參數即可，如圖6所示。

圖5 干衣機監控畫面

圖6 參數設置畫面

工業干衣機屬于高溫動設備，長時間運行容易出現報警或故障。當系統檢測到有故障發生時，自動停止干衣機的運行，自動記錄故障點，在觸摸屏監控畫面上方顯示故障信息，進入故障顯示畫面中也可以查看詳細的故障信息。只有按下復位按鈕才能解除故障。為了方便維修人員快速處理故障，設置了故障顯示畫面，如圖7所示，PLC 輸入的每一個回路出現故障時，都在故障顯示畫面中以紅色的標志顯示故障回路，維修人員通過查看電氣原理圖即可快速定位故障點，進而提高故障處理效率，降低停機時間。

圖7 故障顯示畫面

4 結束語

由可編程控制器和觸摸屏組成的工業干衣機控制系統，操作簡易，可靠性高，壽命長，適用性強，故障排查快速。可以應用在更新換代新設備較為困難的海上石油開采平臺或輪船中，解決了更換新設備的施工費用高的問題，減短了施工周期，延長了設備的使用壽命。控制系統能滿足現場實際要求，一般人員都能熟練使用，持電工證的電工都能進行維護與維修。但控制方式較為傳統，自動化程序高但智能化程度低，以后需要利用多種先進的傳感器和智能化算法，實現智能控制。通過重力傳感器和溫濕度傳感器能在衣物烘干后，烘干機自動停止工作，減少電能浪費[10]。