基于可編程控制器的工業(yè)干衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)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(yè)干衣機(jī)廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中，是石油化工企業(yè)，特別是孤島式海洋平臺或油輪必不可少的機(jī)電設(shè)備。現(xiàn)有研究和報道中將干衣機(jī)按照加熱方式分為熱泵式、電熱式、燃?xì)馐胶臀⒉ㄊ絒1]。各種加熱方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，能源效率也不相同。目前我國使用的干衣機(jī)大多是電干衣機(jī)[2]。干衣機(jī)分為家用與工業(yè)用途，本文主要討論的是工業(yè)用途的電加熱式服裝烘干機(jī)。

工業(yè)服裝烘干機(jī)是將洗滌后的濕織物進(jìn)行干燥處理的洗滌設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)為投入成本低、運(yùn)行費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)簡單，價格較低，目前國內(nèi)干衣機(jī)生產(chǎn)廠家大多是沿用早期進(jìn)口干衣機(jī)的生產(chǎn)圖紙，依葫蘆畫瓢，缺乏技術(shù)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(yè)服裝干衣機(jī)，從投入使用至今已運(yùn)行十多年，生產(chǎn)廠家已停止生產(chǎn)該系列的干衣機(jī)。由于干衣機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度較高，使用周期長，操作系統(tǒng)已損壞并且不可修復(fù)，常規(guī)的作法是整體更換新的工業(yè)干衣機(jī)，但由于工業(yè)干衣機(jī)體積龐大，大于海上石油鉆采平臺常規(guī)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(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地施工費(fèi)用，更換施工費(fèi)用高于新設(shè)備的費(fèi)用，故提出了使用可編程控制器和觸摸屏組成的工業(yè)干衣機(jī)控制系統(tǒng)，自主設(shè)計并安裝控制系統(tǒng)的硬件及軟件，采用最簡單最實用的控制方法，增加參數(shù)設(shè)置和故障顯示功能，提高工業(yè)干衣機(jī)的自動化程度和降低維修難度。該控制系統(tǒng)的應(yīng)用，為公司節(jié)省大量的費(fèi)用，可輕易拓展到其他控制系統(tǒng)損壞的干衣機(jī)，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，操作簡易。

1 工業(yè)干衣機(jī)系統(tǒng)組成及控制原理

干衣機(jī)依靠內(nèi)部的加熱元件對進(jìn)入機(jī)體內(nèi)的外界空氣進(jìn)行加熱，同時依靠電機(jī)帶動滾筒或葉輪轉(zhuǎn)動，使加熱后的空氣與衣物接觸，經(jīng)過濾冷凝或者直接排出機(jī)外[4]。工業(yè)干衣機(jī)的機(jī)械部分由基座、滾筒、滾輪、皮帶、排風(fēng)機(jī)、玻璃門等組成。電氣部分包括加熱絲、滾筒馬達(dá)、排風(fēng)機(jī)馬達(dá)、變頻器、斷路器、變壓器、接觸器、控制板卡、顯示操作面板、進(jìn)出風(fēng)口溫度傳感器和玻璃門限位等組成。外部的空氣經(jīng)過PTC 發(fā)熱元件（加熱絲）加熱后進(jìn)入滾筒，加熱滾筒里面的衣物，濕熱的空氣經(jīng)過毛絮過濾網(wǎng)從底部通過離心式排風(fēng)扇排出，如圖1所示。

圖1 電熱式干衣機(jī)結(jié)構(gòu)原理[5]

為達(dá)到既能快速干衣又安全可靠、不傷衣物，經(jīng)試驗，可根據(jù)衣服的材質(zhì)將出風(fēng)口溫度上限設(shè)定在50～70 ℃之間[6]。工業(yè)干衣機(jī)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(lián)加熱。滾筒馬達(dá)由變頻器控制，可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)滾筒的轉(zhuǎn)速，使?jié)L筒內(nèi)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(fēng)機(jī)主要把滾筒內(nèi)的熱空氣往外排出?？刂葡到y(tǒng)的核心是根據(jù)溫度需求接通與斷開加熱絲的電源。工業(yè)干衣機(jī)的控制邏輯為檢測到玻璃門關(guān)好后，操作人員接下啟動按鈕，排風(fēng)機(jī)和滾筒馬達(dá)啟動，檢測到進(jìn)風(fēng)口溫度低于進(jìn)風(fēng)口預(yù)設(shè)溫度后啟動第一組加熱絲，延時預(yù)設(shè)的時間后進(jìn)風(fēng)口溫度還沒達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，再啟動第二組加熱絲，再經(jīng)過一段時間的延時，進(jìn)風(fēng)口溫度還沒達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，再啟動第三組加熱絲。由于蒸發(fā)過程是一個吸熱過程，含濕空氣溫度要明顯低于進(jìn)氣口的溫度[7]。當(dāng)運(yùn)行時間達(dá)到預(yù)設(shè)時間或進(jìn)風(fēng)口溫度與出風(fēng)口溫差小于預(yù)設(shè)值后停止加熱，延時一段時間后滾筒和風(fēng)機(jī)停止工作。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

2.1 主回路設(shè)計

根據(jù)工業(yè)干衣機(jī)的控制系統(tǒng)組成及工作原理，設(shè)計出工業(yè)干衣機(jī)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(jī)的電源斷路器，Q1、Q2 和Q3 是加熱絲的斷路器。滾筒電機(jī)由一個普通變頻器控制轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)，排風(fēng)電機(jī)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(yè)干衣機(jī)控制系統(tǒng)電氣原理

2.2 控制回路設(shè)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(tǒng)采用可編程邏輯控制器（PLC）和觸摸屏實現(xiàn)，可編程邏輯控制器的核心是擁有高速大容量數(shù)據(jù)處理能力的微處理器，它融合了多種現(xiàn)代化技術(shù)，包括計算機(jī)處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、電子元器件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是一類全新、應(yīng)用范圍十分廣泛的自動控制裝置[8]。本控制系統(tǒng)采用AB 公司的MicroLogix1400 系列PLC，為了節(jié)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(guān)、進(jìn)風(fēng)口超溫開關(guān)、滾筒電機(jī)和排風(fēng)電機(jī)過熱開關(guān)和啟動/停止按鈕。PLC的輸出包括加熱絲接觸器、排風(fēng)機(jī)接觸器、滾筒正反轉(zhuǎn)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(shè)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(fēng)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(fēng)階段增加滾筒內(nèi)空氣流通，烘干效率提高。

3.1 控制程序設(shè)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(xué)習(xí)成本。增加干衣機(jī)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(chǎn)品產(chǎn)生好的印象，從而讓產(chǎn)品與用戶產(chǎn)生進(jìn)一步的交流[9]。把四通道熱電阻輸入模塊設(shè)置成熱電阻PT100，模塊就可以把溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在程序中用除法指令把數(shù)字量除以10即可得到十進(jìn)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(wěn)定，設(shè)置每2 s讀一次溫度值存到寄存器中，進(jìn)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(yùn)行周期的時間可調(diào)，進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口溫度差停機(jī)值可調(diào)，正反轉(zhuǎn)可設(shè)置等。編程上采用比較延時法，啟動時，當(dāng)檢測到實際溫度沒達(dá)到預(yù)設(shè)值時，啟動第一組加熱絲，延時一段時間，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度還沒達(dá)到預(yù)設(shè)值，再啟動第二組加熱絲，以此類推；當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，先停止第一組加熱絲，延時一段時間，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度還超過預(yù)設(shè)溫度，再停止第二組加熱絲，以此類推，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度維持在預(yù)設(shè)溫度值內(nèi)，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(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度與排風(fēng)口溫度相差值達(dá)到預(yù)設(shè)值時或運(yùn)行時間到達(dá)預(yù)設(shè)時間值后，自動停止干衣機(jī)的運(yùn)行，提高干衣機(jī)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(jiān)控畫面設(shè)計

觸摸屏監(jiān)控畫面的左邊以進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)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(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及加熱絲的啟動與停止?fàn)顟B(tài)（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(jìn)風(fēng)口的溫度和設(shè)置值決定，根據(jù)衣物的厚度與濕度設(shè)置干衣機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，達(dá)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(yīng)的參數(shù)即可，如圖6所示。

圖5 干衣機(jī)監(jiān)控畫面

圖6 參數(shù)設(shè)置畫面

工業(yè)干衣機(jī)屬于高溫動設(shè)備，長時間運(yùn)行容易出現(xiàn)報警或故障。當(dāng)系統(tǒng)檢測到有故障發(fā)生時，自動停止干衣機(jī)的運(yùn)行，自動記錄故障點(diǎn)，在觸摸屏監(jiān)控畫面上方顯示故障信息，進(jìn)入故障顯示畫面中也可以查看詳細(xì)的故障信息。只有按下復(fù)位按鈕才能解除故障。為了方便維修人員快速處理故障，設(shè)置了故障顯示畫面，如圖7所示，PLC 輸入的每一個回路出現(xiàn)故障時，都在故障顯示畫面中以紅色的標(biāo)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(diǎn)，進(jìn)而提高故障處理效率，降低停機(jī)時間。

圖7 故障顯示畫面

4 結(jié)束語

由可編程控制器和觸摸屏組成的工業(yè)干衣機(jī)控制系統(tǒng)，操作簡易，可靠性高，壽命長，適用性強(qiáng)，故障排查快速?？梢詰?yīng)用在更新?lián)Q代新設(shè)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(shè)備的施工費(fèi)用高的問題，減短了施工周期，延長了設(shè)備的使用壽命?？刂葡到y(tǒng)能滿足現(xiàn)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(jìn)行維護(hù)與維修。但控制方式較為傳統(tǒng)，自動化程序高但智能化程度低，以后需要利用多種先進(jìn)的傳感器和智能化算法，實現(xiàn)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(jī)自動停止工作，減少電能浪費(fèi)[10]。