基于PLC、變頻器、觸摸屏的全自動工業洗衣機控制系統的設計

羅定職業技術學院 曾繁玲

針對工業洗衣機的控制要求和控制原理，提出一種以基于PLC、變頻器、觸摸屏的控制系統設計，對控制系統進行了軟、硬件設計。本控制系統以三菱FX3U-48MR 系列PLC 為核心控制器，通過三菱FR-E740 系列變頻器參數設置和外部端子與PLC 連接實現三段調速及斜波增、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，實現程序自動轉換；嵌入式TPC7062K 觸摸屏與PLC 連接進行數據傳送和交換，實現人機交互。通過PLC、變頻器、觸摸屏三者相互配合，實現了洗衣機的全自動控制，大大提高了洗衣機的工作效率。

洗衣機是日常生活中常見的家電之一，工業洗衣機廣泛應用于酒店、學校、工礦企業、醫院等洗衣量大、洗衣頻繁的場所，它的使用過程與家用全自動洗衣機相同，所不同的是要求具有較強的承載能力和抗干擾能力。本文工業洗衣機控制系統的設計是以可編程控制器（PLC）控制，具有運行可靠、抗干擾能力強等特點；采用變頻器實現電機調速，具有高效節能、節水、功耗低等優點；利用觸摸屏實現人機交互界面，具有用戶操作方便、界面簡單直觀等優點。通過PLC、變頻器、觸摸屏實現洗衣機的全智能化控制，從而提高了洗衣的工作效率。

1 控制要求和控制原理

按下工業洗衣機啟動按鈕，其自動完成“進水→洗滌正轉→暫?！礈旆崔D→暫停→排水→脫水→報警→停止”九個工作流程。進水由進水電磁閥執行，排水由排水電磁閥執行。進水時，電氣控制系統自動打開進水電磁閥，經進水管道排入洗衣桶；排水時，電氣系統自動打開排水電磁閥，經排水管道將水排出機外。洗衣機從進水至脫水環節共執行3 次大循環，大循環夠3 次，洗衣機發出報警信號，自動停機，完成工作任務。洗衣機由四個工作流程（洗滌正轉→暫?！礈旆崔D→暫停）構成一個小循環，小循環執行3 次，洗衣機進入排水環節。洗衣機的水位通過液位傳感器進行自動檢測，當檢測到高水位時停止進水；當檢測到低電位時開始脫水并排水[1]。

工業洗衣機控制系統主要控制部件由PLC、觸摸屏、變頻器、傳感器等構成?？刂葡到y的核心部分是PLC，其對輸入狀態進行掃描，可將觸摸屏和傳感器發出的請求信號送到輸入映像寄存器，然后執行PLC 程序，將程序執行結果寫入輸出映像寄存器，送到輸出鎖存電路，驅動變頻器、電磁閥和指示燈等輸出設備。變頻器控制三相異步電動機實現正反轉和調速，洗衣機洗滌的正轉和反轉分別采用三段變頻調速，脫水時采用工頻輸出。觸摸屏設定啟動按鈕、停止按鈕，顯示正、反轉運行時間和循環次數等參數，實現人機交互界面，完成數據的采集、監測與處理等。

2 控制系統的硬件設計

2.1 I/O 分配表

對工業洗衣機的控制要求進行分析，由2 個按鈕開關（啟動按鈕和停止按鈕）和2 個液位傳感器（高水位傳感器和低水位傳感器）組成PLC 輸入設備，由3 個電磁閥、1 個報警指示燈、2 個控制變頻器運行信號組成PLC 輸出設備、3 個控制變頻器調速信號（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I/O 分配表，控制系統的PLC 控制輸入輸出點共需13 個，其中輸入點5 個、輸出點9 個。為了控制系統留有20%的擴展裕量，本控制系統實際輸入、輸出點分別為輸入點5 個、輸出點11 個，選用三菱品牌FX3U-48MR 系列PLC 完全滿足控制系統要求。

2.3 變頻器選型

為了實現洗衣機控制系統的三相異步電動機的正、反轉控制及三段調速控制，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 控制系統接線圖

PLC、變頻器、觸摸屏系統接線圖如圖1 所示，主電路由三相交流電源、刀開關、熔斷器、變頻器和三相異步電動機組成。接通三相電源，使用變頻器外部端子控制三相異步電動機，帶動工業洗衣機實現正反轉控制；觸摸屏、PLC、按鈕、液位傳感器、電磁閥和指示燈構成洗衣機控制電路。PLC 的進水、排水和脫水電磁閥分別由Y0、Y1、Y2 驅動；報警指示燈由Y3 驅動；變頻器正轉端子（STF）、反轉轉子（STR)分別由Y4、Y5 控制，可實現工業洗衣機的洗滌正反轉、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 程序和變頻器調速參數的設定，可驅動電動機實現三段調速；TPC7062K 觸摸屏通過RS-232通訊線與PLC 通訊口連接，實現聯機運行[2,3]。

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

3 控制系統的軟件設計

3.1 觸摸屏組態設計

3.1.1 觸摸屏組態界面設計

工業洗衣機運行與組態監控界面設計如圖2 所示。組態界面左邊為監控區，可實時動畫顯示進、排水電磁閥，高、低水位傳感器，洗衣機正、反轉情況。組態界面的凹平面的最上方為指示燈區，分別為進水、排水、脫水、報警指示燈。凹平面的中間部分為三段速運行時間區，分別為洗滌正、反轉1、2、3 三種速度運行時間構成。凹平面的最下方為循環次數和頻率顯示區，循環次數顯示區分別為小循環和大循環的次數組成，頻率區由正、反轉頻率和脫水頻率組成。組態界面右下方為按鈕區，分別為啟動按鈕和停止按鈕[4]。

圖2 工業洗衣機的組態界面Fig.2 Configuration interface of industrial washing machine

在MCGS 嵌入式組態軟件工作臺的用戶窗口分別制作標題、洗衣桶、高低液位傳感器、進排水電磁閥、流動塊、轉軸、按鈕（啟動按鈕、停止按鈕）、指示燈（進水、排水、脫水、報警指示燈）、正反轉三段速時間（正轉1、2、3 速時間和反轉1、2、3 速時間）、循環次數（小循環和大循環次數）、頻率（正轉、反轉和脫水頻率）。

在組態界面設有工業洗衣機的模擬實時狀態的動畫，當控制系統發出進水指令信號，進水電磁閥自動打開，流動塊會從左向右流動，模擬水流進，洗衣桶的水位隨之會上升，當達到高水位設定值時，進水停止；當發出排水或脫水指令信號時，自動打開排水電磁閥，流動塊會從左向右流動，模擬水排出外面，洗衣桶的水位會隨之下降，當達到低水位時,洗衣機開始脫水和排水，轉軸的正反轉模擬洗衣機洗滌正反轉。

3.1.2 觸摸屏設備窗口組態的設定

為了觸摸屏與PLC 進行通信，需將MCGS 的數據對象與PLC 內部變量進行數據的連接。在MCGS 嵌入式組態軟件工作臺窗口打開設備窗口，然后在設備工具箱添加通用串口父設備和三菱_FX 系列編程口，再在通用串口父設備0--[通用串口父設備]設置參數和設備0--[三菱＿FX 系列編程口]設置添加Y0000 ～Y0007和Y0010、M0001 ～M0012、DWUB0000 ～DWUB0004、DWUB0020 ～DWUB0025 共30 個設備通道，最后在設備編輯窗口打開快速連接，完成變量連接。

3.1.3 觸摸屏數據對象的定義

根據控制系統的控制要求，觸摸屏MCGS 定義實時數據表，共設計開關型數據對象21 個(M0001-M0004、M0010、M0012；X0000-X0003；Y0000-Y0007、Y0010;旋轉度），數值型數據對象12 個（DWUB0000-DWUB0004、DWUB0020-DWUB0025）。

3.1.4 觸摸屏腳本程序的編寫

控制系統采用MCGS 組態腳本程序完成洗衣機液位增減和正反轉旋轉的功能，輸入腳本程序如下：

IF 設備0_讀寫Y0000=1 THEN

液位=液位+1

ENDIF

IF 設備0_讀寫Y0001=1 THEN

液位=液位-1

ENDIF

IF 設備0_讀寫Y0001=1 AND 設備0_讀寫Y0002=1 THEN

液位=0

ENDIF

IF 設備0_讀寫Y0004=1 OR 設備0_讀寫Y0005=1 THEN

旋轉度=1-旋轉度

ENDIF

3.2 變頻器參數設置

分析工業洗衣機的控制系統要求，設定變頻器參數。變頻器具體參數設置如下：

上限頻率pr.1 參數設定值=50Hz

下限頻率（pr.2)參數設定值=0Hz

基準頻率(pr.3)參數設定值=50Hz

第一速度（pr.4）參數設定值=30Hz

第二速度（pr.5）參數設定值=45Hz

第三速度（pr.6）參數設定值=25Hz

加速時間（pr.7）參數設定值=2s

減速時間（pr.8）參數設定值=2s

電子過電流保護（pr.9）參數設定值=電動機額定電流

操作模式選擇（pr.79）參數設定值=3

3.3 PLC 程序設計

PLC 程序設計主要采用基本指令和功能指令進行編寫，功能指令應用MOV 傳送指令和區間復位指令ZRST。控制系統上電或按下停止按鈕時，區間復位指令ZRST對洗衣機系統的數據進行初始化，對Y0000 ～Y0010、C0 ～C1、D0 ～D4、D20 ～D25 批量復位；傳送指令MOV實現控制系統時間的計時、循環的次數、頻率數值顯示。

4 結論

本文在對工業洗衣機的控制要求和控制原理進行分析的基礎上，對控制系統進行了軟、硬件設計，通過PLC、變頻器、觸摸屏三者相互配合，從而實現洗衣機自動控制。通過變頻器參數設置和外部端子與PLC 連接實現三段調速及斜波增、減速的效果，消除了傳統電機制動對工業洗衣機的損害；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，實現程序自動轉換；觸摸屏完成現場數據的采集與監測、處理與控制，實現人機交互。通過運行控制系統進行模擬調試，滿足控制要求，達到預期的效果，大大提高了洗衣機的工作效率。