基于PLC、变频器、触摸屏的全自动工业洗衣机控制系统的设计

罗定职业技术学院 曾繁玲

针对工业洗衣机的控制要求和控制原理，提出一种以基于PLC、变频器、触摸屏的控制系统设计，对控制系统进行了软、硬件设计。本控制系统以三菱FX3U-48MR 系列PLC 为核心控制器，通过三菱FR-E740 系列变频器参数设置和外部端子与PLC 连接实现三段调速及斜波增、减速的效果；PLC 程序采用基本指令和功能指令编程，容易理解和使用方便；液位传感器检测高低水位，实现程序自动转换；嵌入式TPC7062K 触摸屏与PLC 连接进行数据传送和交换，实现人机交互。通过PLC、变频器、触摸屏三者相互配合，实现了洗衣机的全自动控制，大大提高了洗衣机的工作效率。

洗衣机是日常生活中常见的家电之一，工业洗衣机广泛应用于酒店、学校、工矿企业、医院等洗衣量大、洗衣频繁的场所，它的使用过程与家用全自动洗衣机相同，所不同的是要求具有较强的承载能力和抗干扰能力。本文工业洗衣机控制系统的设计是以可编程控制器（PLC）控制，具有运行可靠、抗干扰能力强等特点；采用变频器实现电机调速，具有高效节能、节水、功耗低等优点；利用触摸屏实现人机交互界面，具有用户操作方便、界面简单直观等优点。通过PLC、变频器、触摸屏实现洗衣机的全智能化控制，从而提高了洗衣的工作效率。

1 控制要求和控制原理

按下工业洗衣机启动按钮，其自动完成“进水→洗涤正转→暂停→洗涤反转→暂停→排水→脱水→报警→停止”九个工作流程。进水由进水电磁阀执行，排水由排水电磁阀执行。进水时，电气控制系统自动打开进水电磁阀，经进水管道排入洗衣桶；排水时，电气系统自动打开排水电磁阀，经排水管道将水排出机外。洗衣机从进水至脱水环节共执行3 次大循环，大循环够3 次，洗衣机发出报警信号，自动停机，完成工作任务。洗衣机由四个工作流程（洗涤正转→暂停→洗涤反转→暂停）构成一个小循环，小循环执行3 次，洗衣机进入排水环节。洗衣机的水位通过液位传感器进行自动检测，当检测到高水位时停止进水；当检测到低电位时开始脱水并排水[1]。

工业洗衣机控制系统主要控制部件由PLC、触摸屏、变频器、传感器等构成。控制系统的核心部分是PLC，其对输入状态进行扫描，可将触摸屏和传感器发出的请求信号送到输入映像寄存器，然后执行PLC 程序，将程序执行结果写入输出映像寄存器，送到输出锁存电路，驱动变频器、电磁阀和指示灯等输出设备。变频器控制三相异步电动机实现正反转和调速，洗衣机洗涤的正转和反转分别采用三段变频调速，脱水时采用工频输出。触摸屏设定启动按钮、停止按钮，显示正、反转运行时间和循环次数等参数，实现人机交互界面，完成数据的采集、监测与处理等。

2 控制系统的硬件设计

2.1 I/O 分配表

对工业洗衣机的控制要求进行分析，由2 个按钮开关（启动按钮和停止按钮）和2 个液位传感器（高水位传感器和低水位传感器）组成PLC 输入设备，由3 个电磁阀、1 个报警指示灯、2 个控制变频器运行信号组成PLC 输出设备、3 个控制变频器调速信号（变频器高、中、低速）组成。其I/O 具体分配如表1 所示。

表1 I/O 分配表Tab.1 I/O allocation table

2.2 PLC 选型

根据I/O 分配表，控制系统的PLC 控制输入输出点共需13 个，其中输入点5 个、输出点9 个。为了控制系统留有20%的扩展裕量，本控制系统实际输入、输出点分别为输入点5 个、输出点11 个，选用三菱品牌FX3U-48MR 系列PLC 完全满足控制系统要求。

2.3 变频器选型

为了实现洗衣机控制系统的三相异步电动机的正、反转控制及三段调速控制，因此选用型号为FR-E740-1.5K 变频器。

2.4 触摸屏选型

触摸屏（TPC）选用北京昆仑通态公司嵌入式TPC 7062K 触摸屏，液晶显示屏为7 英寸高亮度TFT，四线电阻式，是一款嵌入式一体化触摸屏，以低功耗CPU 为核心。

2.5 控制系统接线图

PLC、变频器、触摸屏系统接线图如图1 所示，主电路由三相交流电源、刀开关、熔断器、变频器和三相异步电动机组成。接通三相电源，使用变频器外部端子控制三相异步电动机，带动工业洗衣机实现正反转控制；触摸屏、PLC、按钮、液位传感器、电磁阀和指示灯构成洗衣机控制电路。PLC 的进水、排水和脱水电磁阀分别由Y0、Y1、Y2 驱动；报警指示灯由Y3 驱动；变频器正转端子（STF）、反转转子（STR)分别由Y4、Y5 控制，可实现工业洗衣机的洗涤正反转、暂停及停止功能；变频器高、中、低速端子（RH、RM、RL)分别由Y6 ～Y7、Y10控制，通过PLC 程序和变频器调速参数的设定，可驱动电动机实现三段调速；TPC7062K 触摸屏通过RS-232通讯线与PLC 通讯口连接，实现联机运行[2,3]。

图1 PLC、变频器、触摸屏系统接线图Fig.1 Wiring diagram of PLC, inverter and touch screen system

3 控制系统的软件设计

3.1 触摸屏组态设计

3.1.1 触摸屏组态界面设计

工业洗衣机运行与组态监控界面设计如图2 所示。组态界面左边为监控区，可实时动画显示进、排水电磁阀，高、低水位传感器，洗衣机正、反转情况。组态界面的凹平面的最上方为指示灯区，分别为进水、排水、脱水、报警指示灯。凹平面的中间部分为三段速运行时间区，分别为洗涤正、反转1、2、3 三种速度运行时间构成。凹平面的最下方为循环次数和频率显示区，循环次数显示区分别为小循环和大循环的次数组成，频率区由正、反转频率和脱水频率组成。组态界面右下方为按钮区，分别为启动按钮和停止按钮[4]。

图2 工业洗衣机的组态界面Fig.2 Configuration interface of industrial washing machine

在MCGS 嵌入式组态软件工作台的用户窗口分别制作标题、洗衣桶、高低液位传感器、进排水电磁阀、流动块、转轴、按钮（启动按钮、停止按钮）、指示灯（进水、排水、脱水、报警指示灯）、正反转三段速时间（正转1、2、3 速时间和反转1、2、3 速时间）、循环次数（小循环和大循环次数）、频率（正转、反转和脱水频率）。

在组态界面设有工业洗衣机的模拟实时状态的动画，当控制系统发出进水指令信号，进水电磁阀自动打开，流动块会从左向右流动，模拟水流进，洗衣桶的水位随之会上升，当达到高水位设定值时，进水停止；当发出排水或脱水指令信号时，自动打开排水电磁阀，流动块会从左向右流动，模拟水排出外面，洗衣桶的水位会随之下降，当达到低水位时,洗衣机开始脱水和排水，转轴的正反转模拟洗衣机洗涤正反转。

3.1.2 触摸屏设备窗口组态的设定

为了触摸屏与PLC 进行通信，需将MCGS 的数据对象与PLC 内部变量进行数据的连接。在MCGS 嵌入式组态软件工作台窗口打开设备窗口，然后在设备工具箱添加通用串口父设备和三菱_FX 系列编程口，再在通用串口父设备0--[通用串口父设备]设置参数和设备0--[三菱＿FX 系列编程口]设置添加Y0000 ～Y0007和Y0010、M0001 ～M0012、DWUB0000 ～DWUB0004、DWUB0020 ～DWUB0025 共30 个设备通道，最后在设备编辑窗口打开快速连接，完成变量连接。

3.1.3 触摸屏数据对象的定义

根据控制系统的控制要求，触摸屏MCGS 定义实时数据表，共设计开关型数据对象21 个(M0001-M0004、M0010、M0012；X0000-X0003；Y0000-Y0007、Y0010;旋转度），数值型数据对象12 个（DWUB0000-DWUB0004、DWUB0020-DWUB0025）。

3.1.4 触摸屏脚本程序的编写

控制系统采用MCGS 组态脚本程序完成洗衣机液位增减和正反转旋转的功能，输入脚本程序如下：

IF 设备0_读写Y0000=1 THEN

液位=液位+1

ENDIF

IF 设备0_读写Y0001=1 THEN

液位=液位-1

ENDIF

IF 设备0_读写Y0001=1 AND 设备0_读写Y0002=1 THEN

液位=0

ENDIF

IF 设备0_读写Y0004=1 OR 设备0_读写Y0005=1 THEN

旋转度=1-旋转度

ENDIF

3.2 变频器参数设置

分析工业洗衣机的控制系统要求，设定变频器参数。变频器具体参数设置如下：

上限频率pr.1 参数设定值=50Hz

下限频率（pr.2)参数设定值=0Hz

基准频率(pr.3)参数设定值=50Hz

第一速度（pr.4）参数设定值=30Hz

第二速度（pr.5）参数设定值=45Hz

第三速度（pr.6）参数设定值=25Hz

加速时间（pr.7）参数设定值=2s

减速时间（pr.8）参数设定值=2s

电子过电流保护（pr.9）参数设定值=电动机额定电流

操作模式选择（pr.79）参数设定值=3

3.3 PLC 程序设计

PLC 程序设计主要采用基本指令和功能指令进行编写，功能指令应用MOV 传送指令和区间复位指令ZRST。控制系统上电或按下停止按钮时，区间复位指令ZRST对洗衣机系统的数据进行初始化，对Y0000 ～Y0010、C0 ～C1、D0 ～D4、D20 ～D25 批量复位；传送指令MOV实现控制系统时间的计时、循环的次数、频率数值显示。

4 结论

本文在对工业洗衣机的控制要求和控制原理进行分析的基础上，对控制系统进行了软、硬件设计，通过PLC、变频器、触摸屏三者相互配合，从而实现洗衣机自动控制。通过变频器参数设置和外部端子与PLC 连接实现三段调速及斜波增、减速的效果，消除了传统电机制动对工业洗衣机的损害；采用基本指令和功能指令编程，容易理解和使用方便；使用液位传感器检测高、低水位，实现程序自动转换；触摸屏完成现场数据的采集与监测、处理与控制，实现人机交互。通过运行控制系统进行模拟调试，满足控制要求，达到预期的效果，大大提高了洗衣机的工作效率。