工业洗衣机自动控制系统改造设计

2012-10-16王玉萍丛晓霞邵峰

河南科技学院学报(自然科学版) 2012年5期

王玉萍,丛晓霞,邵峰

（河南科技学院,河南新乡453003）

近年来随着国民经济的飞速发展,人民生活水平不断提高,洗涤行业产业化进程明显加快,社会对工业洗衣机的需求不断增加.工业洗衣机广泛应用于服装厂、水洗厂、工矿企业、学校、宾馆酒店、医院.自1911年世界上第一台洗衣机问世,工业洗衣机就相伴而生[1].由于我国洗涤行业产业化发展缓慢,使工业洗衣机的发展相对落后于家用洗衣机的发展.而机电技术的快速发展,为工业洗衣机性能的进一步提升奠定了基础[2].本文以PLC为核心,采用变频技术、传感器技术,实现了工业洗衣机的自动化控制,该设计简化了工业洗衣机的机械结构和控制电路结构,在减轻工人劳动强度的同时降低了工业洗衣机的能耗,提高了系统的可靠性,弥补了传统洗衣机在工业领域上应用的不足[3].

1 工业洗衣机控制系统组成及功能

1.1 系统构成

目前工业洗衣机多由内筒、外筒、多速电机、支撑装置、传动装置、控制电路组成[4].工作原理：由三角带及带动传动装置,将电机产生的动力传送到内筒和外同,采用继电接触器控制方式实现电机的正反转,定时装置为传统的机械结构.总体结构复杂、体积大、重量大、噪音大、电气控制方式落后,故障率高,可靠性差.改进后的工业洗衣机,去除了中间复杂的机械传动装置,只需一台普通的三相鼠笼式异步电动机,控制系统以PLC为核心,利用变频器,传感器实现电机的自动化控制,使工业洗衣机性能得到了很大的改善.系统主要由可编程控器、水位、温度检测系统、进水系统、排水系统、变频调速系统、电机等组成,其结构如图1所示.

图1 工业洗衣机控制系统构成Fig.1 Industrial washing machine control system

1.2 系统功能

设计控制系统以PLC为核心,它接受来自启动按钮、停止按钮、水位传感器、温度传感器等输入信号,通过程序控制进水排水电磁阀、加热器、电机等执行机构.系统自动判断水温、水位、衣质衣量、衣物的脏污情况,决定投放适量的洗涤剂并选择最佳的洗涤程序.当洗衣桶内衣物的多少和质地不同,注入相同水位的水时,其总重量是不同的,利用这一点,通过对洗衣电动机低速转动后的惯性测量,可以判断衣质和衣量.方法是：在洗衣桶内注入一定量的水后使电机低速运转,平稳后快速断电,洗衣桶在惯性作用下带动电机继续转动.此时,电机绕组产生反电动势,对其半波整流并放大整形后获得一矩形脉冲系列.通过分析脉冲个数和脉冲宽度.就能得到衣质衣量情况.衣物的脏污程度是通过排水口水的透明度来判断的.在洗衣机的排水口处安装一个光电传感器,若水的透明度低,光电传感器接收到的光能小,说明衣物较脏.工业洗衣机工作流程由进水、洗衣、排水和脱水4个过程组成,这4个过程可做到全自动依次运行,直至洗衣过程结束[5-6].

2 硬件电路设计

2.1 PLC的选型

可编程控制器的设计和开发是以工业控制为前提,信号处理时间短,速度快.能满足各个领域大、中、小型工业控制要求,系统配置简单灵活,可靠性高.根据工业洗衣机的工作流程及输入输出设备的数量和控制要求,本系统选用松下公司的FP1-C40型PLC.该产品标准型,I/O点数40,工作电压100～240 V,继电器输出方式.

2.2 电机主电路

工业洗衣机在洗涤和脱水时电机转速相差很大,一般为多台笼式电机采用离合器切换运转或者使用多速电机加上离合器、皮带轮及正反转开关等机械装置实现速度调节,机械结构复杂,故障率高.本设计采用一台普通的鼠笼式异步电动机,配套选择一台通用型变频器,实现电机的调速,转速开环控制,无速度传感器,控制电路简单,性价比高.通过PLC控制变频器的外接输入端子X1、X2、X3的不同组合,可得到8挡转速,能够满足洗衣过程对转速的要求.电机主电路如图2所示.

图2 电机主电路Fig.2 The main circuit of the motor

2.3 温度及浊度的检测

为了改善工业洗衣机的洗涤效果,增加水温控制功能,采用电加热器和铂电阻温度传感器控制水温.该传感器由精密级铂热电阻元件和经特殊工艺处理的防护套组成,并用三芯屏蔽信号电缆线从敏感元件引出用于测量,采用三线测量法测量,以减少导线电阻引起的测量误差.铂电阻温度传感器具有极佳的可互换性和长期稳定性,接线方法如图3所示.安装在排水口用来检测衣物洁净度的光电传感器,选用NPN型常开（或常闭）漫反射式光电传感器,其接线方法如图4所示.

图3 温度传感器接线电路Fig.3 temperature sensor wiring circuit

图4 光电传感器接线电路Fig.4 photoelectric sensor wiring circuit

2.4 PLC的I/O口分配及其外围接线电路

FP1-C40型PLC共有40个输入输出端口,其中输入24点,输出16点,I/O口分配如表1所示.PLC外围接线图如图5所示.

图5 系统控制电路Fig.5 System control circuit

按下启动按扭,工作指示灯L1亮,系统检测到门关闭信号后,进水电磁阀线圈YV1通电,进水电磁阀打开,开始进水,当水位达到一定量后使电机低速运转,平稳后快速断电,衣质衣量传感器检测到信号后,洗涤液电磁阀线圈YV3,注入适量的洗涤液,同时进水阀再次打开继续进水,高水位传感器检测到信号时,关闭进水电磁阀,停止进水,5 s后开始洗涤,电机正转25 s,暂停2 s,然后开始反转洗涤,待反转洗涤25 s后暂停3 s,如此循环,洗涤结束后,排水电磁阀线圈YV2通电,开始排水,排空后（水位传感器检测到低水位信号）开始脱水,并继续排水脱水10 s即完成一次从进水到脱水的工作循环过程.按照PLC设定的程序洗涤过程结束后,结束指示灯L2亮,同时蜂鸣器BE得电报警[7].