基于PLC的工業(yè)洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計

張爭剛，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)洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計

張爭剛，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)洗衣機存在功能單一、洗滌效率低、衛(wèi)生狀況差等問題，本文結(jié)合傳感器、電力電子以及智能控制技術(shù)，設(shè)計了一種基于三菱FX2N-32MR型PLC的工業(yè)洗衣機控制系統(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個部分，具有手動、自動兩種操作模式，能夠滿足不同織物和用戶個性化需求，最后制作了樣機并且進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明該洗衣機系統(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，具有一定的使用價值。

PLC；洗衣機；控制系統(tǒng)；智能

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

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

2）一般的洗衣機只有自動模式，不能滿足不同織物和用戶的個性化需求；

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

4）一般的洗衣機沒有除濕功能，洗滌完畢的衣物還需晾曬后才能使用，浪費時間；

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)備來進(jìn)行，增加用戶經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前，能滿足以上要求的洗衣機主要是國外品牌，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴還沒有得到廣泛使用。文中設(shè)計一種基于PLC的工業(yè)洗衣機控制系統(tǒng)既能實現(xiàn)洗衣過程的自動化又能滿足不同織物和用戶的個性化需求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過程

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

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

圖1 工業(yè)洗衣機結(jié)構(gòu)示意圖

工業(yè)洗衣機的工作過程要求包括自動模式和手動模式。

自動模式：在自動模式下可實現(xiàn)洗滌物品的自動洗滌、漂洗、甩干、烘干處理，在此過程中不需要人為干預(yù)即可完成整個洗滌過程。

手動模式：考慮到不同洗滌物品的特性及用戶洗滌習(xí)慣等的差別，用戶可單獨控制進(jìn)水電閥控制洗衣機水位高低，單獨控制洗衣機進(jìn)行洗滌、漂洗、甩干及烘干，滿足用戶的個性化需求。

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

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、模式選擇開關(guān)、液位傳感器、進(jìn)水控制開關(guān)、排水控制開關(guān)、洗滌控制開關(guān)、漂洗控制開關(guān)、甩干控制開關(guān)、加熱器控制開關(guān)等輸入元件和進(jìn)水閥、出水閥、信號指示燈、報警器等小功率負(fù)載組成，洗滌電機、甩干電機、加熱器等大功率負(fù)載PLC無法直接驅(qū)動放在主回路中由接觸器驅(qū)動。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、分析各個輸入信號，并輸出控制信號驅(qū)動主電路進(jìn)而控制各負(fù)載執(zhí)行相應(yīng)動作達(dá)到控制目標(biāo)。PLC的選型主要根據(jù)系統(tǒng)輸入/輸出點數(shù)的多少來選擇。考慮到本系統(tǒng)的輸入信號及輸出信號數(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PLC可采用交流100～240 V電源供電，穩(wěn)定性很好，有32個I/O點，16點輸入、16點輸出，輸出形式為繼電器輸出，有256個定時器，能滿足本控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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)載能力有限的問題，負(fù)載功率較小時可由PLC輸出點直接驅(qū)動[6-8]，如果負(fù)載功率較大，則需要借助驅(qū)動電路來實現(xiàn)控制，在本系統(tǒng)中使用接觸器來完成，并且對PLC起到隔離保護(hù)的作用，防止負(fù)載過載時燒壞PLC輸出點。PLC控制系統(tǒng)主回路如圖3所示。

圖3 工業(yè)洗衣機PLC控制系統(tǒng)主回路電路圖

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

PLC的輸入用來接收各種外部信號包括開關(guān)、按鈕、繼電器觸點和傳感器等，PLC的輸出用來將PLC輸出結(jié)果傳遞給被控對象包括接觸器、電磁閥、指示裝置等。本系統(tǒng)輸入信號11個，輸出信號7個，輸入信號在自動模式下僅需啟動信號、液位信號即可自動完成洗滌任務(wù)；在手動模式下，需要用戶根據(jù)自己需求輸入相應(yīng)的操作；輸出信號由進(jìn)水閥開/閉、出水閥開/閉、洗滌電機正轉(zhuǎn)/停止/反轉(zhuǎn)、甩干電機啟/停、加熱器啟/停等控制信號組成。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)計系統(tǒng)I/O接線圖，如圖4所示。

在自動模式下（X3 ON），按下SB1后，系統(tǒng)自動運行進(jìn)水（Y0 ON）--水滿（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）--報警（Y6 ON）。

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

圖4 工業(yè)洗衣機PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

圖5 主程序流程圖

在手動模式下可用戶可根據(jù)衣物特點及自己意愿單獨控制各個洗衣工序，如單獨進(jìn)行衣物的烘干、洗滌時間的長短、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 手動模式流程圖

在自動模式下，按下啟動按鈕后，系統(tǒng)自動打開進(jìn)水電磁閥進(jìn)水并進(jìn)行水位的檢測，當(dāng)水位達(dá)到高水位時進(jìn)水電磁閥自動關(guān)閉，并啟動洗滌程序（洗滌電機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)剛才的洗滌過程20次），然后洗滌工序結(jié)束，打開出水閥排出洗滌過程中的污水；當(dāng)檢測到污水排完后自動關(guān)閉排水閥并打開進(jìn)水閥，注入清水，當(dāng)清水水位達(dá)到高水位時關(guān)閉進(jìn)水閥，然后啟動漂洗程序（洗滌電機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)剛才的漂洗過程10次），漂洗結(jié)束后打開出水閥排出漂洗過程中的污水；當(dāng)檢測到污水排完后啟動高速甩干電機M2進(jìn)行甩干及排水，45秒后停止甩干并關(guān)閉出水閥，啟動加熱器對洗滌物品進(jìn)行烘干，烘干50秒后關(guān)閉加熱器啟動報警裝置通知用戶洗滌任務(wù)結(jié)束，系統(tǒng)停止工作。在此過程中用戶只需按下啟動按鈕，剩下的事情由洗衣機自動完成，用戶只等洗衣機報警取干衣服。自動模式流程圖如圖7所示。

圖7 自動模式流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗

將編寫的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運行開關(guān)打到RUN方式[13-15]，將SA1打到自動模式，按下SB1后，看到進(jìn)水電磁閥指示燈L1亮（洗衣機進(jìn)水），當(dāng)水位上升到高水位時，停止進(jìn)水，洗滌電機正轉(zhuǎn)指示燈L2亮（洗滌作業(yè)），L2亮20秒后熄滅，3秒后洗滌電機反轉(zhuǎn)指示燈L3亮，L3亮20秒后熄滅，3秒后洗滌電機正轉(zhuǎn)指示燈L2亮......如此循環(huán)20次以后停止轉(zhuǎn)動并自動排水，水拍完后，看到洗衣又自動進(jìn)水，水滿后，洗滌電機正轉(zhuǎn)指示燈L2亮（漂洗），L2亮10秒后熄滅，4秒后洗滌電機反轉(zhuǎn)指示燈L3亮，L3亮10秒后熄滅，暫停4秒后洗滌電機正轉(zhuǎn)指示燈L2亮......如此循環(huán)10次以后停止轉(zhuǎn)動并自動排水，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，報警燈AR亮，洗滌任務(wù)完成，將SA1打到停止，AR滅，洗衣機停止工作。

將SA1打到手動模式，接通SA6，看到L1亮（洗衣機進(jìn)水），斷開A6L1滅（停止進(jìn)水）；接通SA7，指示燈L4亮（洗衣機排水），斷開SA7 L4滅（停止排水）；接通SA2，洗滌電機正轉(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SA2，L2、L3都滅（停止洗滌）；接通SA3，洗滌電機正轉(zhuǎn)指示燈L2亮（漂洗），10秒后L2熄滅，暫停4秒后洗滌電機反轉(zhuǎn)指示燈L3亮，L3亮10秒后熄滅，4秒后洗滌電機正轉(zhuǎn)指示燈L2亮......如此循環(huán)直到SA3斷開，L2、L3都滅（停止漂洗）；接通 SA4，L5燈亮（甩干），斷開 SA4，L5燈滅（停止甩干）；接通 SA5，L6燈亮（烘干），斷開 SA5，L6燈滅（停止烘干）。在手動模式下洗衣過程的各個工序工作時間完全由用戶控制，衣物較臟時可加長洗滌時間，增加衣物洗凈比；衣物含洗滌劑較多時可增加漂洗次數(shù)，降低衣物洗滌劑殘余量；衣物含水量較高時延長甩干時間及烘干時間，同時使洗衣機內(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)境下幾乎無法繁殖，對減少衣物細(xì)菌數(shù)量和經(jīng)洗衣機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，此時可以單獨使用洗衣機的烘干功能進(jìn)行除潮，方便實惠。

通過實際測試發(fā)現(xiàn)，各個工序工作正常達(dá)到工業(yè)洗衣機控制工藝要求且工作穩(wěn)定可靠、達(dá)到控制工藝要求。為了驗證工業(yè)洗衣機的性能，將PLC控制系統(tǒng)與普通洗衣機結(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)到了國家A級水平，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。而洗衣機在烘干工序后，洗衣機內(nèi)筒也被烘干，其細(xì)菌數(shù)量也比普通洗衣機細(xì)菌數(shù)量低很多。

5 結(jié)束語

以PLC為核心的工業(yè)洗衣機控制系統(tǒng)滿足了對衣物的洗滌、漂洗、甩干、烘干等功能，并有自動、手動兩種工作模式供用戶選擇，使用方便、操作靈活能滿足用戶的個性化需求、并提高了系統(tǒng)運行可靠性，效果良好。同時，該工業(yè)洗衣機的烘干功能使衣物含水率快速達(dá)到0.5%，同時洗衣機內(nèi)筒被快速烘干，破壞了細(xì)菌繁殖環(huán)境使洗衣機內(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)可直接使用洗衣機的烘干功能對干凈衣物進(jìn)行除潮，對增加衣物穿著舒適性和人體健康很有益處。

[1]梁麗楨，梁永剛.可編程控制器在工業(yè)洗衣機中的應(yīng)用[J].電氣傳動自動化，2004（6）:42-44.

[2]劉德兵.全自動工業(yè)洗衣機控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015（7）:105-106.

[3]李中偉，朱永濤.智能洗衣機控制器的設(shè)計[J].科技視界，2014（36）:100-116.

[4]李圣良.基于MCS-51單片機的洗衣控制系統(tǒng)[J].兵工自動化，2006（10）:81-101.

[5]徐良雄.PLC和變頻器在工業(yè)洗衣機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2012（8）:207-210.

[6]廖興展.工業(yè)洗衣機的PLC控制[J].廣西輕工業(yè)，2010（7）: 49-50.

[7]劉祖其，劉海，井建康.全自動洗衣機的PLC程序設(shè)計與研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010（4）:150-152.

[8]梁言.中國洗衣機市場現(xiàn)狀與趨勢分析[J].中國經(jīng)貿(mào)導(dǎo)刊，2004（4）:40.

[9]李志斌.PLC和變頻器在工業(yè)洗衣機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電機與控制應(yīng)用，2008（6）:44-46.

[10]胡志剛，張慧.變頻器在工業(yè)洗衣機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014（6）:49-52.

[11]孫勇，戴立紅，沈明新，等.基于LOGO的全自動洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].遼寧科技大學(xué)學(xué)報，2015（6）:184-187.

[12]于秀娜，張茜銘.基于PLC的洗衣機系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（36）:121.

[13]張芬，王歡.基于MCGS及PLC的全自動洗衣機系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33（6）:82-84.

[14]柳勝耀，李瑛，趙四海.基于家用洗衣機的性能測試環(huán)境實驗室建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2014（11）:248-251.

[15]王超.基于PLC的工業(yè)洗衣機控制系統(tǒng)[J].電子制作，2014（21）:3-4.

[16]趙志偉,陳學(xué)有,潘瓊.采用特征值法和Prony法相結(jié)合的PSS自適應(yīng)控制[J].陜西電力，2012（6）：49-52，62.

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：201512316

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