节能洗衣机结构及控制系统设计

黄淑琴

（泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300）

随着技术的发展，现有工业洗衣机通过设定程序完成自动化工作，减轻了工人的负担。但现有工业洗衣机存在控制设计不合理、结构复杂且维修困难的问题，整体结构设计不能满足不同材质的衣服的使用要求，也不能满足对洗衣时液体浑浊度的实时监控和处理要求，无法实现节约用水的目的。

节能洗衣机的特点是能自动完成洗涤、漂洗和脱水的转换，整个过程不需要人工操作。这类洗衣机均采用套筒式结构，其进水、排水都采用电磁阀，由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令，驱动各执行器件动作，整个洗衣过程自动完成，极大地提高了生产效率。

一、结构设计

图1所示为节能洗衣机的结构，包括洗衣机壳体和设于洗衣机壳体上的控制装置。洗衣机壳体内设有洗脱缸及与洗脱缸相适配的主轴、排水管，与主轴相适配的电动机，及相应的皮带和皮带轮。电动机转动并通过皮带将动力传递到皮带轮上，皮带轮转动从而带动主轴转动，主轴带动洗脱缸旋转。洗脱缸上设有排水孔和排水电磁阀，排水孔与排水管连接，洗脱缸内设有高液位传感器、低液位传感器、浑浊度传感器、衣质传感器，所有传感器分别与控制装置连接。洗衣机壳体底部设有固定板，电动机固定于该固定板上，它相对于水平面的倾斜角度为25～40°，设置倾斜的目的是为了在皮带变形后，便于调整皮带的松紧。洗衣机壳体内侧防水涂层厚度为2～3.5mm。

图1 节能洗衣机结构

控制装置包括设于洗衣机壳体上的控制面板和与控制面板连接的控制系统。控制系统的核心是PLC程序控制器，它分别与启动按钮、高低液位传感器、浑浊度传感器、衣质传感器、停止按钮、报警器、进水电磁阀、变频器、排水电磁阀和脱水电磁阀连接；并且PLC程序控制器的高速洗涤信号输出端和低速洗涤信号输出端与变频器连接，变频器另一端连接电动机。

控制面板上设有启动按钮、停止按钮和调节控制按钮，调节控制按钮与PLC控程序控制器、进水电磁阀、排水电磁阀、脱水电磁阀相适配。

二、硬件组成

（一）西门子S7-200 CPU224可编程控制器

该可编程控制器属于小型PLC，在结构设计上比较紧凑，价格合理，功能强大，它使用超级电容器存储器的数据保护，消除了对锂电池的依赖[1-2]，可以处理12点模拟量输入和4点模拟输出。PLC多达4个中断控制输入，每个中断输入相应的时间都很小，只有0.2ms左右，可编程控制器还有日期和时间的中断控制功能。西门子S7-200 CPU224可编程控制器，有16个DC输入点，10个DC晶体管输出点。

（二）电动机

洗衣机脱水时消耗功率大于洗涤时的功率，所以以脱水时消耗功率为选择依据，一般选用单相电容运转式异步电动机。

（三）传感器

主要包括衣质传感器、水位传感器和浑浊度传感器。

衣质传感器选择电阻传感器，在洗涤之前用来测定所洗衣物属于棉类还是化纤类。

水位传感器选择的是谐振式水位传感器，它满足连续的水位检测。

浑浊度传感器采用红外光电传感器，由它判断出水的浑浊程度，满足对洗衣时液体浑浊度的实时监控，根据对不同浑浊度的水的处理要求，控制进水量的大小，从而达到节水的目的。

（四）变频器

变频器的控制原理是将工业现场的交流电转变为直流电，然后通过变频器的内部运算和外部命令输入等信号，将直流电转变为现场电动机控制的交流电。这种交流电是可以调节的，通过调节可以改变电动机的转速和转矩。根据设计要求，本次设计采用PF753变频器对电动机进行调节输出。变频器的各项保护可通过输入输出端口进行输出显示。变频器接线主要分为两部分，首先是电源线和电机线，按照相序要求正确接线；其次是控制线路，控制线包括运行使能线、正转反转命令、多段速度输入命令以及使能输入。

三、电气控制设计

节能洗衣机的洗衣筒即外筒固定，作盛水用，脱水筒即内筒可以旋转，作脱水用，它们是同轴安放的。控制系统发出需要进水信号时，进水阀接通，水经进水管注入外筒；发出排水信号时，使排水阀打开，此时水由外筒排出到机外。洗涤时根据信号电动机驱动波盘实现正、反转，此时脱水筒并不旋转。脱水时根据输出信号要求，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内筒正转进行甩干。

（一）节能洗衣机控制系统动作流程

节能洗衣机控制系统顺序功能如图2所示。

（二）程序控制设计

1.系统启动程序设计：节能洗衣机在系统启动的时候，应确保排水阀关闭，报警器复位，计数器和时间继电器复位，在此基础上进行启动。

2.进水阀程序设计：进水阀根据系统指令启动后，自动加水，当水位超过高液位传感器时，进水阀关闭。

3.电机正反转程序设计：当进水阀关闭后，进行时间延时，延时时间到，开始进行正转或反转高速洗涤输出。在时间延时过程中，当正转高速洗涤时间到，则开始下一步动作输出。当浑浊度传感器接通后，转为正转和反转低速洗涤输出。

图2 节能洗衣机控制系统顺序功能图

4.排水阀和脱水阀程序设计：当计数满时，排水阀打开；当低液位传感器接通时，排水阀关闭。同时当低液位传感器或者衣质传感器接通时，脱水阀打开，并进行时间延时，延时时间到，脱水阀关闭。程序设计如图3所示。

图3 排水阀和脱水阀程序

四、组态设计

工业现场大量使用PLC，使触摸屏技术得到越来越广泛的应用。根据控制要求，操作画面上设置了系统启动，高、低液位传感器，浑浊度传感器，衣质传感器和系统停止等输入信号按钮，并设置了正、反转高速洗涤，正、反转低速洗涤，进水阀，排水阀和脱水阀等输出指示灯。图4为控制系统HMI操作画面。控制系统的应用具有更加方便、直观的特点。

图4 控制系统HMI操作画面

五、结语

PLC控制在节能洗衣机控制系统中获得成功应用。在洗衣机控制系统中，衣服的洗涤和脱水工作由可编程控制器控制完成。实践表明，该方法提高了工作效率，可以适应任何恶劣的工作环境，参数设置可以根据实际需要设定，以满足各种不同洗衣要求。