基于PLC、變頻器、觸摸屏的全自動(dòng)工業(yè)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 曾繁玲

針對工業(yè)洗衣機(jī)的控制要求和控制原理，提出一種以基于PLC、變頻器、觸摸屏的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計(jì)。本控制系統(tǒng)以三菱FX3U-48MR 系列PLC 為核心控制器，通過三菱FR-E740 系列變頻器參數(shù)設(shè)置和外部端子與PLC 連接實(shí)現(xiàn)三段調(diào)速及斜波增、減速的效果；PLC 程序采用基本指令和功能指令編程，容易理解和使用方便；液位傳感器檢測高低水位，實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換；嵌入式TPC7062K 觸摸屏與PLC 連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和交換，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過PLC、變頻器、觸摸屏三者相互配合，實(shí)現(xiàn)了洗衣機(jī)的全自動(dòng)控制，大大提高了洗衣機(jī)的工作效率。

洗衣機(jī)是日常生活中常見的家電之一，工業(yè)洗衣機(jī)廣泛應(yīng)用于酒店、學(xué)校、工礦企業(yè)、醫(yī)院等洗衣量大、洗衣頻繁的場所，它的使用過程與家用全自動(dòng)洗衣機(jī)相同，所不同的是要求具有較強(qiáng)的承載能力和抗干擾能力。本文工業(yè)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以可編程控制器（PLC）控制，具有運(yùn)行可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)；采用變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，具有高效節(jié)能、節(jié)水、功耗低等優(yōu)點(diǎn)；利用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，具有用戶操作方便、界面簡單直觀等優(yōu)點(diǎn)。通過PLC、變頻器、觸摸屏實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的全智能化控制，從而提高了洗衣的工作效率。

1 控制要求和控制原理

按下工業(yè)洗衣機(jī)啟動(dòng)按鈕，其自動(dòng)完成“進(jìn)水→洗滌正轉(zhuǎn)→暫?！礈旆崔D(zhuǎn)→暫?！潘撍鷪?bào)警→停止”九個(gè)工作流程。進(jìn)水由進(jìn)水電磁閥執(zhí)行，排水由排水電磁閥執(zhí)行。進(jìn)水時(shí)，電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)打開進(jìn)水電磁閥，經(jīng)進(jìn)水管道排入洗衣桶；排水時(shí)，電氣系統(tǒng)自動(dòng)打開排水電磁閥，經(jīng)排水管道將水排出機(jī)外。洗衣機(jī)從進(jìn)水至脫水環(huán)節(jié)共執(zhí)行3 次大循環(huán)，大循環(huán)夠3 次，洗衣機(jī)發(fā)出報(bào)警信號，自動(dòng)停機(jī)，完成工作任務(wù)。洗衣機(jī)由四個(gè)工作流程（洗滌正轉(zhuǎn)→暫?！礈旆崔D(zhuǎn)→暫停）構(gòu)成一個(gè)小循環(huán)，小循環(huán)執(zhí)行3 次，洗衣機(jī)進(jìn)入排水環(huán)節(jié)。洗衣機(jī)的水位通過液位傳感器進(jìn)行自動(dòng)檢測，當(dāng)檢測到高水位時(shí)停止進(jìn)水；當(dāng)檢測到低電位時(shí)開始脫水并排水[1]。

工業(yè)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)主要控制部件由PLC、觸摸屏、變頻器、傳感器等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)的核心部分是PLC，其對輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，可將觸摸屏和傳感器發(fā)出的請求信號送到輸入映像寄存器，然后執(zhí)行PLC 程序，將程序執(zhí)行結(jié)果寫入輸出映像寄存器，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)變頻器、電磁閥和指示燈等輸出設(shè)備。變頻器控制三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速，洗衣機(jī)洗滌的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)分別采用三段變頻調(diào)速，脫水時(shí)采用工頻輸出。觸摸屏設(shè)定啟動(dòng)按鈕、停止按鈕，顯示正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)間和循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，完成數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測與處理等。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 I/O 分配表

對工業(yè)洗衣機(jī)的控制要求進(jìn)行分析，由2 個(gè)按鈕開關(guān)（啟動(dòng)按鈕和停止按鈕）和2 個(gè)液位傳感器（高水位傳感器和低水位傳感器）組成PLC 輸入設(shè)備，由3 個(gè)電磁閥、1 個(gè)報(bào)警指示燈、2 個(gè)控制變頻器運(yùn)行信號組成PLC 輸出設(shè)備、3 個(gè)控制變頻器調(diào)速信號（變頻器高、中、低速）組成。其I/O 具體分配如表1 所示。

表1 I/O 分配表Tab.1 I/O allocation table

2.2 PLC 選型

根據(jù)I/O 分配表，控制系統(tǒng)的PLC 控制輸入輸出點(diǎn)共需13 個(gè)，其中輸入點(diǎn)5 個(gè)、輸出點(diǎn)9 個(gè)。為了控制系統(tǒng)留有20%的擴(kuò)展裕量，本控制系統(tǒng)實(shí)際輸入、輸出點(diǎn)分別為輸入點(diǎn)5 個(gè)、輸出點(diǎn)11 個(gè)，選用三菱品牌FX3U-48MR 系列PLC 完全滿足控制系統(tǒng)要求。

2.3 變頻器選型

為了實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的三相異步電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制及三段調(diào)速控制，因此選用型號為FR-E740-1.5K 變頻器。

2.4 觸摸屏選型

觸摸屏（TPC）選用北京昆侖通態(tài)公司嵌入式TPC 7062K 觸摸屏，液晶顯示屏為7 英寸高亮度TFT，四線電阻式，是一款嵌入式一體化觸摸屏，以低功耗CPU 為核心。

2.5 控制系統(tǒng)接線圖

PLC、變頻器、觸摸屏系統(tǒng)接線圖如圖1 所示，主電路由三相交流電源、刀開關(guān)、熔斷器、變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)組成。接通三相電源，使用變頻器外部端子控制三相異步電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)工業(yè)洗衣機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制；觸摸屏、PLC、按鈕、液位傳感器、電磁閥和指示燈構(gòu)成洗衣機(jī)控制電路。PLC 的進(jìn)水、排水和脫水電磁閥分別由Y0、Y1、Y2 驅(qū)動(dòng)；報(bào)警指示燈由Y3 驅(qū)動(dòng)；變頻器正轉(zhuǎn)端子（STF）、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子（STR)分別由Y4、Y5 控制，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)洗衣機(jī)的洗滌正反轉(zhuǎn)、暫停及停止功能；變頻器高、中、低速端子（RH、RM、RL)分別由Y6 ～Y7、Y10控制，通過PLC 程序和變頻器調(diào)速參數(shù)的設(shè)定，可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)三段調(diào)速；TPC7062K 觸摸屏通過RS-232通訊線與PLC 通訊口連接，實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)運(yùn)行[2,3]。

圖1 PLC、變頻器、觸摸屏系統(tǒng)接線圖Fig.1 Wiring diagram of PLC, inverter and touch screen system

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)

3.1.1 觸摸屏組態(tài)界面設(shè)計(jì)

工業(yè)洗衣機(jī)運(yùn)行與組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)如圖2 所示。組態(tài)界面左邊為監(jiān)控區(qū)，可實(shí)時(shí)動(dòng)畫顯示進(jìn)、排水電磁閥，高、低水位傳感器，洗衣機(jī)正、反轉(zhuǎn)情況。組態(tài)界面的凹平面的最上方為指示燈區(qū)，分別為進(jìn)水、排水、脫水、報(bào)警指示燈。凹平面的中間部分為三段速運(yùn)行時(shí)間區(qū)，分別為洗滌正、反轉(zhuǎn)1、2、3 三種速度運(yùn)行時(shí)間構(gòu)成。凹平面的最下方為循環(huán)次數(shù)和頻率顯示區(qū)，循環(huán)次數(shù)顯示區(qū)分別為小循環(huán)和大循環(huán)的次數(shù)組成，頻率區(qū)由正、反轉(zhuǎn)頻率和脫水頻率組成。組態(tài)界面右下方為按鈕區(qū)，分別為啟動(dòng)按鈕和停止按鈕[4]。

圖2 工業(yè)洗衣機(jī)的組態(tài)界面Fig.2 Configuration interface of industrial washing machine

在MCGS 嵌入式組態(tài)軟件工作臺的用戶窗口分別制作標(biāo)題、洗衣桶、高低液位傳感器、進(jìn)排水電磁閥、流動(dòng)塊、轉(zhuǎn)軸、按鈕（啟動(dòng)按鈕、停止按鈕）、指示燈（進(jìn)水、排水、脫水、報(bào)警指示燈）、正反轉(zhuǎn)三段速時(shí)間（正轉(zhuǎn)1、2、3 速時(shí)間和反轉(zhuǎn)1、2、3 速時(shí)間）、循環(huán)次數(shù)（小循環(huán)和大循環(huán)次數(shù)）、頻率（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和脫水頻率）。

在組態(tài)界面設(shè)有工業(yè)洗衣機(jī)的模擬實(shí)時(shí)狀態(tài)的動(dòng)畫，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出進(jìn)水指令信號，進(jìn)水電磁閥自動(dòng)打開，流動(dòng)塊會(huì)從左向右流動(dòng)，模擬水流進(jìn)，洗衣桶的水位隨之會(huì)上升，當(dāng)達(dá)到高水位設(shè)定值時(shí)，進(jìn)水停止；當(dāng)發(fā)出排水或脫水指令信號時(shí)，自動(dòng)打開排水電磁閥，流動(dòng)塊會(huì)從左向右流動(dòng)，模擬水排出外面，洗衣桶的水位會(huì)隨之下降，當(dāng)達(dá)到低水位時(shí),洗衣機(jī)開始脫水和排水，轉(zhuǎn)軸的正反轉(zhuǎn)模擬洗衣機(jī)洗滌正反轉(zhuǎn)。

3.1.2 觸摸屏設(shè)備窗口組態(tài)的設(shè)定

為了觸摸屏與PLC 進(jìn)行通信，需將MCGS 的數(shù)據(jù)對象與PLC 內(nèi)部變量進(jìn)行數(shù)據(jù)的連接。在MCGS 嵌入式組態(tài)軟件工作臺窗口打開設(shè)備窗口，然后在設(shè)備工具箱添加通用串口父設(shè)備和三菱_FX 系列編程口，再在通用串口父設(shè)備0--[通用串口父設(shè)備]設(shè)置參數(shù)和設(shè)備0--[三菱＿FX 系列編程口]設(shè)置添加Y0000 ～Y0007和Y0010、M0001 ～M0012、DWUB0000 ～DWUB0004、DWUB0020 ～DWUB0025 共30 個(gè)設(shè)備通道，最后在設(shè)備編輯窗口打開快速連接，完成變量連接。

3.1.3 觸摸屏數(shù)據(jù)對象的定義

根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求，觸摸屏MCGS 定義實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表，共設(shè)計(jì)開關(guān)型數(shù)據(jù)對象21 個(gè)(M0001-M0004、M0010、M0012；X0000-X0003；Y0000-Y0007、Y0010;旋轉(zhuǎn)度），數(shù)值型數(shù)據(jù)對象12 個(gè)（DWUB0000-DWUB0004、DWUB0020-DWUB0025）。

3.1.4 觸摸屏腳本程序的編寫

控制系統(tǒng)采用MCGS 組態(tài)腳本程序完成洗衣機(jī)液位增減和正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的功能，輸入腳本程序如下：

IF 設(shè)備0_讀寫Y0000=1 THEN

液位=液位+1

ENDIF

IF 設(shè)備0_讀寫Y0001=1 THEN

液位=液位-1

ENDIF

IF 設(shè)備0_讀寫Y0001=1 AND 設(shè)備0_讀寫Y0002=1 THEN

液位=0

ENDIF

IF 設(shè)備0_讀寫Y0004=1 OR 設(shè)備0_讀寫Y0005=1 THEN

旋轉(zhuǎn)度=1-旋轉(zhuǎn)度

ENDIF

3.2 變頻器參數(shù)設(shè)置

分析工業(yè)洗衣機(jī)的控制系統(tǒng)要求，設(shè)定變頻器參數(shù)。變頻器具體參數(shù)設(shè)置如下：

上限頻率pr.1 參數(shù)設(shè)定值=50Hz

下限頻率（pr.2)參數(shù)設(shè)定值=0Hz

基準(zhǔn)頻率(pr.3)參數(shù)設(shè)定值=50Hz

第一速度（pr.4）參數(shù)設(shè)定值=30Hz

第二速度（pr.5）參數(shù)設(shè)定值=45Hz

第三速度（pr.6）參數(shù)設(shè)定值=25Hz

加速時(shí)間（pr.7）參數(shù)設(shè)定值=2s

減速時(shí)間（pr.8）參數(shù)設(shè)定值=2s

電子過電流保護(hù)（pr.9）參數(shù)設(shè)定值=電動(dòng)機(jī)額定電流

操作模式選擇（pr.79）參數(shù)設(shè)定值=3

3.3 PLC 程序設(shè)計(jì)

PLC 程序設(shè)計(jì)主要采用基本指令和功能指令進(jìn)行編寫，功能指令應(yīng)用MOV 傳送指令和區(qū)間復(fù)位指令ZRST?？刂葡到y(tǒng)上電或按下停止按鈕時(shí)，區(qū)間復(fù)位指令ZRST對洗衣機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，對Y0000 ～Y0010、C0 ～C1、D0 ～D4、D20 ～D25 批量復(fù)位；傳送指令MOV實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)時(shí)間的計(jì)時(shí)、循環(huán)的次數(shù)、頻率數(shù)值顯示。

4 結(jié)論

本文在對工業(yè)洗衣機(jī)的控制要求和控制原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計(jì)，通過PLC、變頻器、觸摸屏三者相互配合，從而實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)自動(dòng)控制。通過變頻器參數(shù)設(shè)置和外部端子與PLC 連接實(shí)現(xiàn)三段調(diào)速及斜波增、減速的效果，消除了傳統(tǒng)電機(jī)制動(dòng)對工業(yè)洗衣機(jī)的損害；采用基本指令和功能指令編程，容易理解和使用方便；使用液位傳感器檢測高、低水位，實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換；觸摸屏完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、處理與控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)試，滿足控制要求，達(dá)到預(yù)期的效果，大大提高了洗衣機(jī)的工作效率。