基于变频器和PLC实现的工业洗衣机控制系统的设计

基于变频器和PLC实现的工业洗衣机控制系统的设计

王春华

（山东煤炭技术学院山东淄博255120）

摘要：工业洗衣机是指额定洗涤容量大于6kg，应用于专业洗涤部门及服务行业使用的工业洗衣机。随着变频调速技术的发展，大型工业洗衣机也逐渐采用PLC与变频器组合控制。采用变频调速技术控制变频电动机解决了洗衣机洗涤与脱水时的转速差异问题，解决了传统洗衣机中使用鼠笼型异步电动机为降低启动电流而牺牲启动转矩的根本问题。

关键词：变频器；PLC实现；工业洗衣机；控制系统；设计

引言

研究内容

1本论文主要针对工业洗衣机进行相应的控制系统的设计与研究。通过对工业洗衣机类型与特点的分析，确定工业洗衣机控制系统的主体结构，从控制系统动力电路设计到PLC控制器的I/O端口的分配，到PLC的接线，最终完成控制程序的编写等四个主要方面进行设计的。通过对工业洗衣机速度的研究，对其控制动力电路加入变频器进行调速，并且采用变频器和PLC连接，对整个工业洗衣机进行控制，实现对工业洗衣机工作过程的控制。

2工业洗衣机的控制要求

（1）系统通电后，自动进入初始状态，准备启动；（2）按洗衣启动按钮开始进水，当水位到达预设高水位时，停止进水，并开始洗涤。正转洗涤15s，暂停3s，反转洗涤15s，暂停3s，此过程为一次小循环。若小循环不满3次，则开始下一个小循环；若小循环次数达到3次，则开始排水；（3）当水位下降到最低水位时，开始脱水并继续排水，脱水时间为10s，10s时间到，即完成一次大循环。若大循环次数未达到3次，则返回进水，开始下一次大循环；若大循环次数达到3次，则进行洗涤完毕报警，报警10s后结束全部过程，自动停机；（4）洗衣机在“正转洗涤15s”和“反转洗涤15s”过程中，要求使用变频器来驱动电动机，且实现3段速运行，即先以30Hz运行5s，接着变为50Hz运行5s，最后变为20Hz运行5s；（5）脱水时的变频器输出为50Hz，设定其加速、减速时间均为2s；（6）通过触屏设定启动、停止按键、显示正反转运行时间、循环次数等参数。

3系统硬件电路设计

洗衣机电动机的“正反转”、“脱水”的速度是与PLC的输出端和变频器的RH、RM、RL三个端子相连，受PLC的输出信号控制。其中正转和反转是通过变频器的STF、STR两个端子来控制。因此，变频器的参数就可以改变洗涤和漂洗时的速度。本次工业洗衣机控制系统的电路框图如图1所示。

图1工业洗衣机控制系统电路框图

PLC控制系统主要跟对电动机、电磁阀、继电器和变频器等进行控制，其中电动机的工作情况、工作时间主要是依据不同的PLC程序来进行控制，进水阀和出水阀是通过水位传感器来进行控制的。电动机的转速主要依靠变频器进行调节控制。

4PLC控制电路设计

工业洗衣机的电路设计主要指PLC的控制电路设计，其中最重要的是PLC、变频器的应用电路设计。

4.1PLC输入/输出分配表

PLC输入主要包括启动、停止、排水按钮和高、低水位传感器信号输入等。PLC的输出主要包括进水、排水、脱水和报警指示灯等信号。

4.2PLC的外部接线

PLC的外部接线主要包括输入、输出、变频器、和电源等几个模块。通过PLC输入与输出端的接线来实现外部信号的接收和发出，通过plc的控制来达到工业洗衣机正常运行和停止。通过变频器的控制来达到电机的转速调节。工业洗衣机控制的输入、输出模块总共有11个输入点数、11个输出点数，而三菱FX2N系列的PLC达到了此要求。对于工业洗衣机供电系统主要选用的380V三相交流电和24V的直流电，L1、L2、L3三相交流电通过空气开关接入，将火线、工作零线N、保护地线PE与稳压电源相接转化为DC24V的电压输出，为PLC和相关设备提供电源。

五系统软件设计

（一）控制系统流程

从工业洗衣机的结构和所处的环境出发，结合FX2N-48MRPLC的特点与采用控制系统的形式，对工业洗衣机的控制流程进行具体的分析。按照控制任务要求，工业洗衣机电路接通电源后，PLC得电自动进入初始状态，准备启动。当按下启动按钮开始进水，当水位到达高水位时，停止进水，并开始洗涤。若小循环不满3次，则开始下一个小循环；若小循环次数达到3次，则开始排水。当水位下降到低水位时，开始脱水并继续排水，脱水时间到，即完成一次大循环。若大循环次数未达到3次，则返回进水，开始下一次大循环；若大循环次数达到，则进行洗完报警。报警时间到后结束全部过程，自动停机。

（二）工业洗衣机控制器状态流程图

该工业洗衣机控制属于典型的顺序控制，应优先选择步进指令进行编程。根据控制要求，设计出控制系统的状态转换图如图2所示。如图所示，

S0表示工业洗衣机顺序控制的初始状态：S20~S27分别表示洗衣机的排水、进水、脱水、报警、波轮正反转以及报警等状态；X0~X4分别表示洗衣机的排水、进水、脱水、报警、波轮正反转以及报警等状态的转换条件；工业洗衣机的排水、进水、脱水、报警、波轮正反转以及报警有PLC的Y0~Y7、Y10输出。在初始状态S0有效时，按下启动按钮X0，状态由S0状态转换到S20，输出Y0置位，工业洗衣机开始进水；当转换条件X3接通时，状态由S20转换到S21，此时Y4得电波轮开始正转（时间15秒）；当转换条件T2接通时，状态由S21转换到S22，此时洗衣机开始暂停3秒；当转换条件T3接通时，状态由S22转换到S23，此时Y5得电波轮开始反转（时间15秒）；当转换条件T6接通时，状态由S23转换到S24，此时洗衣机暂停三秒，看C0计数是否到达3次，若未到则返回S21状态，若到达3次则向下运行；当转换条件T7和C0接通时，状态由S24转换到S25，此时Y1得电洗衣机进入排水状态；当转换条件X4接通时，状态由S25转换到S26，此时Y1、Y2、Y4同时得电洗衣机进入脱水排水状态；当转换条件C1、T8接通时，状态由S26转换到S27，此时Y3得电洗衣机进入报警状态。

结语

论文主要以PLC和变频器技术为基础对工业洗衣机的控制系统进行设计，即以PLC为工业洗衣机控制系统的核心，通过计算机和自动化的基础知识为依据开发的一套“PLC—变频器”的自动控制系统。设计形成的系统要比现有的系统有更高的控制精度，并且可靠性有了极大的提高。从而也会为企业创造更多的经济效益，是非常有推广价值的自动控制系统。综上实践证明，系统的时间由PLC设定时间决定，内部运行效果由变频器决定，一旦PLC设定时间到，系统中电动机直接被强迫并依靠惯性停止。

参考文献：

[1]李志斌.PLC和变频器在工业洗衣机控制系统中的应用[J].电机与控制应用，2008，35（6）：44-46.

[2]瞿彩萍.PLC应用技术（三菱）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2006

[3]刘喜峰.机床电气控制与PLC技术[M].北京：清华大学出版社，2011