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

陳寶森 楊桂華

（桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

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

陳寶森 楊桂華

（桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

采用西門(mén)子S7-300 PLC結(jié)合變頻器MM440控制電機(jī)變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)型工業(yè)洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)，具有洗滌、漂洗、脫水全自動(dòng)功能。文章介紹了系統(tǒng)功能，硬件電路工作原理和軟件程序流程。

工業(yè)洗衣機(jī)；S7-300 PLC；MM440

1 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，工廠不斷的增加，工人每天的工作服又臟又難洗，洗衣服成了一件煩心事；隨著人類(lèi)的生活水平不斷提高，旅游業(yè)的發(fā)展也帶動(dòng)了酒店業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)每天就會(huì)產(chǎn)生大量的換洗被套、床單，清洗成了一項(xiàng)非常麻煩的事。隨之，就出現(xiàn)了工業(yè)洗衣機(jī)?，F(xiàn)代的工業(yè)洗衣機(jī)具有很強(qiáng)大的功能，在容量方面一般可以洗15kg～100kg織物，在工廠、水洗廠、工礦企業(yè)、學(xué)校、賓館、酒店、醫(yī)院等洗衣房具有廣泛應(yīng)用［1］，是大批量洗衣，提高效率的理想設(shè)備。

2 系統(tǒng)控制方案

2.1 系統(tǒng)功能描述

本工業(yè)洗衣機(jī)采用滾筒洗衣方式，設(shè)計(jì)洗衣容量為100kg。能夠滿足洗大量的織物，使用次數(shù)頻繁的需要，可適用于酒店、工廠洗衣房等。此次的設(shè)計(jì)是全自動(dòng)型洗衣機(jī)，具有洗衣機(jī)進(jìn)水、排水、加熱、洗滌、漂洗、脫水、報(bào)警的全自動(dòng)循環(huán)功能。洗衣機(jī)有多種洗衣模式選擇，分別有普通洗，超強(qiáng)洗，手動(dòng)脫水，手動(dòng)漂洗，溫度選擇，洗滌物超重提示，同時(shí)可根據(jù)洗滌物重量調(diào)整給水量，根據(jù)漂洗時(shí)水的濁度來(lái)決定漂洗次數(shù)，從而達(dá)到節(jié)約用水的目的。

2.2 系統(tǒng)控制方案

溫度選擇功能有具有電加熱和鍋爐加熱兩種方式，采用撥動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇；電加熱適用于30kg以下，使用大功率電熱管加熱；鍋爐加熱則沒(méi)有重量要求，洗滌時(shí)使用熱水閥進(jìn)水；當(dāng)溫度達(dá)到90℃時(shí)還具有殺菌效果。重量檢測(cè)可自動(dòng)測(cè)出衣服的重量來(lái)選擇給水量，可通過(guò)水位開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)；同時(shí)還具有超重功能提示，當(dāng)衣物超重后洗衣機(jī)無(wú)法開(kāi)始工作。濁度檢測(cè)可檢測(cè)漂洗時(shí)水的濁度來(lái)確定漂洗次數(shù)，漂洗次數(shù)最多為4次，到達(dá)4次之后如果還不干凈只能手動(dòng)漂洗。電子門(mén)鎖具有檢測(cè)與執(zhí)行作用，主要功能是檢測(cè)門(mén)鎖是否鎖住，如果未鎖住則不進(jìn)行洗滌程序，并報(bào)警。

控制系統(tǒng)的組成包括：可編程控制器、變頻器、三相異步電動(dòng)機(jī)、熱水進(jìn)水電磁閥、冷水進(jìn)水電磁閥、排水電磁閥、水位開(kāi)關(guān)、安全門(mén)開(kāi)關(guān)、固態(tài)繼電器、加熱器、溫度傳感器、重力傳感器、濁度傳感器。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 PLC選型

PLC選擇西門(mén)子S7-300系列。S7-300是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的可編程序控制器（PLC）系列產(chǎn)品之一。其模塊化結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及性價(jià)比高、電磁兼容性強(qiáng)、抗震動(dòng)沖擊性能好，使其在廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域中，成為一種既經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案［2］。

S7-300與各模塊連接圖如圖2所示：

圖2 S7-300與各模塊連接圖

3.1.2 變頻器

由于100kg洗衣機(jī)需使用11kw的三相異步電機(jī)的，所以變頻器使用西門(mén)子MM440變頻器。

該變頻器帶有一個(gè)集成制動(dòng)斬波器，即使在制動(dòng)和短減速斜坡期間，也能以突出的精度工作。所有這些均可在 0.12 kW（0.16 HP）直至250 kW（350 HP）的功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

MM440變頻器可以在其操作面板進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，變頻器的“3、4”端口和“10、11”端口為模擬量輸入端口，對(duì)應(yīng)為模擬輸入1和模擬輸入2。可通過(guò)設(shè)置P0701參數(shù)值為1，使數(shù)字輸入端口“5”具有正轉(zhuǎn)的控制功能；設(shè)置 P0702參數(shù)值為2，使數(shù)字輸入端口“6”具有反轉(zhuǎn)控制功能，設(shè)置P1000為2可設(shè)定頻率由模擬量通道ΑINI輸入。在I/O口18端口旁邊有兩個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，用來(lái)選擇模擬量輸入類(lèi)型，其中DIP1對(duì)應(yīng)模擬輸入1，DIP2對(duì)應(yīng)模擬輸入2。當(dāng)輸入電壓信號(hào)的時(shí)候?qū)IP開(kāi)關(guān)打到下面，當(dāng)輸入電流信號(hào)的時(shí)候?qū)IP開(kāi)關(guān)打到上面［3］。

（1）變頻器采用模擬量控制電機(jī)時(shí)S7-300 PLC數(shù)字量/模擬量輸出地址如表1：

表1 PLC輸出地址表

（2）MM440快速參數(shù)設(shè)置如表2：

表2 MM440快速參數(shù)設(shè)置表

3.1.3 PLC I/O分配表

PLC I/O分配表如表3：

表3 PLC I/O 分配表

3.2 I/O硬件接線圖

PLC及變頻器接線圖如圖3所示：

圖3 PLC及變頻器接線圖

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 模式選擇

普通洗模式下，開(kāi)始正轉(zhuǎn)30s后，暫停5s接著反轉(zhuǎn)30s，然后暫停5s接著正轉(zhuǎn)30s，如此反復(fù)5次，轉(zhuǎn)速控制在30r/min。

超強(qiáng)洗模式下，開(kāi)始正轉(zhuǎn)35s后，暫停4s接著反轉(zhuǎn)35s，然后暫停4s接著正轉(zhuǎn)35s，如此反復(fù)6次，轉(zhuǎn)速控制在35r/min。

漂洗模式下，洗衣機(jī)檢測(cè)洗滌水排完后，開(kāi)始進(jìn)水，然后正轉(zhuǎn)25s后，暫停3s接著反轉(zhuǎn)25s，暫停3s接著正轉(zhuǎn)25s，如此反復(fù)3次，然后排水，轉(zhuǎn)速控制在40r/min。

脫水模式下，洗衣機(jī)檢測(cè)漂洗的水排完后，開(kāi)始正轉(zhuǎn) 8分鐘，轉(zhuǎn)速700r/min。

3.3.2 控制要求

工業(yè)洗衣機(jī)控制要求如下：

（1）洗衣機(jī)通電，PLC工業(yè)洗衣機(jī)投入運(yùn)行，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)準(zhǔn)備啟動(dòng)。

（2）按啟動(dòng)按鈕，洗衣機(jī)開(kāi)始工作?？娠@示洗滌物重量相應(yīng)的水位。

（3）洗衣機(jī)重力傳感器檢測(cè)所洗滌物是否超重，如果超重將提示，門(mén)鎖電源斷開(kāi)且洗衣機(jī)不工作。

（4）洗衣機(jī)PTC電子門(mén)鎖檢測(cè)洗衣機(jī)門(mén)是否關(guān)好。是，則可進(jìn)行洗滌。否，則未鎖提示燈亮，且工業(yè)洗衣機(jī)無(wú)法開(kāi)始工作。并且在按選擇模式按鈕時(shí)蜂鳴器響。

（5）如若洗衣機(jī)門(mén)關(guān)好到位，PTC電子門(mén)鎖通電加熱發(fā)熱元件，洗衣機(jī)門(mén)鎖住，洗衣過(guò)程不可開(kāi)門(mén)。

（6）溫度撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，可選擇電加熱和鍋爐熱水兩種方式，電加熱溫度從 0～100℃可調(diào)（選擇 0℃時(shí)以水的常溫為起始溫度，即不使用加熱功能）。

（7）接著可選普通洗模式、超強(qiáng)洗模式、手動(dòng)漂洗模式、手動(dòng)脫水模式。

（8）洗衣機(jī)開(kāi)始進(jìn)水，并且根據(jù)洗滌物重量決定給水量。洗衣機(jī)進(jìn)水的同時(shí)，加熱程序啟動(dòng)。且本次洗滌只進(jìn)行一次加熱。

（9）洗衣機(jī)洗滌程序開(kāi)始。

（10）洗滌程序結(jié)束后，漂洗程序開(kāi)始。

（11）濁度傳感器檢測(cè)洗衣水的濁度，決定漂洗次數(shù)，最多漂洗不能超過(guò)4次，如果超過(guò)4次之后濁度仍然不達(dá)標(biāo)，洗衣機(jī)將不再漂洗。

（12）漂洗程序結(jié)束后，脫水程序開(kāi)始。

（13）脫水水完成后程序結(jié)束且結(jié)束指示燈亮。蜂鳴器響兩秒后停止。

3.3.3 工業(yè)洗衣機(jī)程序流程圖

工業(yè)洗衣機(jī)程序流程圖如圖4。

圖4 程序流程圖

4 程序仿真調(diào)試

本次的工業(yè)洗衣機(jī)采用西門(mén)子的 S7-PLCSIM V5.4仿真軟件進(jìn)行程序的調(diào)試與仿真。

S7-PLCSIM，是西門(mén)子公司團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的可編程控制器模擬軟件，它在Step7集成狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了無(wú)硬件模擬，是一個(gè)可以用 STEP 7工具來(lái)監(jiān)視和調(diào)試程序的軟件。

啟動(dòng)仿真軟件，按下啟動(dòng)按鈕I0.0之后啟動(dòng)洗衣機(jī)，運(yùn)行燈Q4.0得電并自鎖；撥動(dòng)開(kāi)關(guān)選擇I1.4電加熱方式，溫度設(shè)置80℃。接下來(lái)是超重及水位顯示測(cè)試，依次設(shè)置洗滌物重量為28kg、60kg、80kg，洗衣機(jī)依次顯示相應(yīng)的低水位、中低水、高水位；當(dāng)設(shè)置洗滌物為 105kg時(shí)，洗衣機(jī)超重指示燈Q5.7亮起，設(shè)置為27kg時(shí)超重狀態(tài)解除，電子門(mén)鎖Q4.3得電，洗衣機(jī)門(mén)鎖住。按下普通洗按鈕，洗衣機(jī)開(kāi)始根據(jù)重量進(jìn)水，待加水達(dá)到低水位后I1.0為1，加熱程序啟動(dòng)，固態(tài)繼電器接通加熱管，等待溫度達(dá)到80℃后，加熱停止。洗滌開(kāi)始正反轉(zhuǎn)，待正反轉(zhuǎn)達(dá)到 5次之后，開(kāi)始排水，洗滌正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器為 0觸發(fā)漂洗程序，漂洗啟動(dòng)，漂洗時(shí)電機(jī)正反轉(zhuǎn)完成3次循環(huán)后，漂洗正反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器為0，第一次漂洗結(jié)束，設(shè)置濁度達(dá)不到要求，洗衣機(jī)繼續(xù)再漂洗 3次，漂洗結(jié)束。脫水開(kāi)始，脫水正轉(zhuǎn) 8分鐘后，結(jié)束指示燈亮，洗衣結(jié)束。按下停止按鈕，洗衣機(jī)恢復(fù)初始狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

洗衣機(jī)從手搖木制時(shí)代、蒸汽動(dòng)力時(shí)代、電動(dòng)動(dòng)力時(shí)代經(jīng)過(guò)了30多年的發(fā)展；到了70年代出現(xiàn)了全自動(dòng)型工業(yè)洗衣機(jī)，工業(yè)洗衣機(jī)朝著高度智能化、大型化、功能多樣化不斷發(fā)展。采用PLC控制的工業(yè)洗衣機(jī)具有硬件比較簡(jiǎn)單，編程方面相對(duì)簡(jiǎn)單，并且可容易測(cè)試，維修費(fèi)用少且方便，可滿足各種場(chǎng)合的需要。

［1］ 曾祥進(jìn)，黃傲成.基于 STC11F32XE的工業(yè)洗衣機(jī)原料智能加劑系統(tǒng)研究［J］.軟件導(dǎo)刊，2013（10）:95-97.

［2］ 張銳麗，王洪.電機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制［J］.消費(fèi)電子，2013（10）:176.

［3］ 馬寧，孔紅. S7-300 PLC和MM440變頻器的原理與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Design of industrial washing machine control system based on PLC

The SIEMENS PLC S7-300 is combined with frequency converter MM440 to control motor speed， and design of automatic industrial washing machine is realized. It has complete automatic function of washing， rinsing and dehydration. The system function， the principle of hardware circuit， and the software design process of the device are presented.

Industry washer； S7-300； MM440

TH122；TP27

Α

1008-1151（2016）06-0049-03

2016-05-10

陳寶森（1991-），男，桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化；楊桂華（1971-），女，桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)檢測(cè)與控制。