基于可编程控制器的工业干衣机控制系统设计

梁 天

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 528400）

0 引言

工业干衣机广泛应用在各行各业中，是石油化工企业，特别是孤岛式海洋平台或油轮必不可少的机电设备。现有研究和报道中将干衣机按照加热方式分为热泵式、电热式、燃气式和微波式[1]。各种加热方式各有优缺点，能源效率也不相同。目前我国使用的干衣机大多是电干衣机[2]。干衣机分为家用与工业用途，本文主要讨论的是工业用途的电加热式服装烘干机。

工业服装烘干机是将洗涤后的湿织物进行干燥处理的洗涤设备，其优点为投入成本低、运行费用低，结构简单，价格较低，目前国内干衣机生产厂家大多是沿用早期进口干衣机的生产图纸，依葫芦画瓢，缺乏技术改造能力[3]。我国南海某石油钻采平台有若干台电加热式工业服装干衣机，从投入使用至今已运行十多年，生产厂家已停止生产该系列的干衣机。由于干衣机运行环境温度较高，使用周期长，操作系统已损坏并且不可修复，常规的作法是整体更换新的工业干衣机，但由于工业干衣机体积庞大，大于海上石油钻采平台常规门口的宽度，更换非常困难，需要热工切割多面墙壁才能整体更换，再加上海上施工费用远远高于陆地施工费用，更换施工费用高于新设备的费用，故提出了使用可编程控制器和触摸屏组成的工业干衣机控制系统，自主设计并安装控制系统的硬件及软件，采用最简单最实用的控制方法，增加参数设置和故障显示功能，提高工业干衣机的自动化程度和降低维修难度。该控制系统的应用，为公司节省大量的费用，可轻易拓展到其他控制系统损坏的干衣机，运行可靠稳定，操作简易。

1 工业干衣机系统组成及控制原理

干衣机依靠内部的加热元件对进入机体内的外界空气进行加热，同时依靠电机带动滚筒或叶轮转动，使加热后的空气与衣物接触，经过滤冷凝或者直接排出机外[4]。工业干衣机的机械部分由基座、滚筒、滚轮、皮带、排风机、玻璃门等组成。电气部分包括加热丝、滚筒马达、排风机马达、变频器、断路器、变压器、接触器、控制板卡、显示操作面板、进出风口温度传感器和玻璃门限位等组成。外部的空气经过PTC 发热元件（加热丝）加热后进入滚筒，加热滚筒里面的衣物，湿热的空气经过毛絮过滤网从底部通过离心式排风扇排出，如图1所示。

图1 电热式干衣机结构原理[5]

为达到既能快速干衣又安全可靠、不伤衣物，经试验，可根据衣服的材质将出风口温度上限设定在50～70 ℃之间[6]。工业干衣机加热丝共有6 个，由3 个接触器控制，每一个加热丝有3 个绕组，接成星型，每两个加热丝并联加热。滚筒马达由变频器控制，可以在一定的范围内调节滚筒的转速，使滚筒内的衣物从滚筒的最高处开始落下，增加衣物与热空气的接触面积。排风机主要把滚筒内的热空气往外排出。控制系统的核心是根据温度需求接通与断开加热丝的电源。工业干衣机的控制逻辑为检测到玻璃门关好后，操作人员接下启动按钮，排风机和滚筒马达启动，检测到进风口温度低于进风口预设温度后启动第一组加热丝，延时预设的时间后进风口温度还没达到预设温度，再启动第二组加热丝，再经过一段时间的延时，进风口温度还没达到预设温度，再启动第三组加热丝。由于蒸发过程是一个吸热过程，含湿空气温度要明显低于进气口的温度[7]。当运行时间达到预设时间或进风口温度与出风口温差小于预设值后停止加热，延时一段时间后滚筒和风机停止工作。

2 控制系统硬件组成

2.1 主回路设计

根据工业干衣机的控制系统组成及工作原理，设计出工业干衣机的电气原理图，如图2所示。主回路方面，380 V 电源引入后分配给4 个断路器Q0～Q3，其中Q0 是两个电机的电源断路器，Q1、Q2 和Q3 是加热丝的断路器。滚筒电机由一个普通变频器控制转速和正反转，排风电机由接触器KM0 控制启动和停止；加热丝也由接触器KM1、KM2和KM3控制启动和停止。

图2 工业干衣机控制系统电气原理

2.2 控制回路设计

控制回路方面，控制电源通过380/220 V 电源变压器提供，220 V 电源为24 V 直流电源模块和接触器线圈供电。控制系统采用可编程逻辑控制器（PLC）和触摸屏实现，可编程逻辑控制器的核心是拥有高速大容量数据处理能力的微处理器，它融合了多种现代化技术，包括计算机处理技术、自动控制技术、电子元器件技术和网络通信技术，是一类全新、应用范围十分广泛的自动控制装置[8]。本控制系统采用AB 公司的MicroLogix1400 系列PLC，为了节省控制面板上的按钮和PLC 的输入端口，启动和停止采用一个按钮控制。PLC 的输入包括急停按钮、门开关、进风口超温开关、滚筒电机和排风电机过热开关和启动/停止按钮。PLC的输出包括加热丝接触器、排风机接触器、滚筒正反转接触器、总故障接触器和启动/停止指示接触器。两路PT100 温度传感器接到热电阻输入模块RTD/Resistance Module 的两个输入通道上。PLC 输入输出地址分配表如表1 所示。

表1 PLC输入输出地址分配表

3 编程及画面设计

织物滚筒烘干可分为4 个阶段：升温阶段、恒速烘干阶段、降速烘干和吹冷风阶段。升温阶段烘干速率不断提高；恒速烘干阶段烘干速率保持不变；降速烘干阶段烘干速率呈线性减少；吹冷风阶段增加滚筒内空气流通，烘干效率提高。

3.1 控制程序设计

启动和停止采用一个按钮控制，一键操作，用最简洁的操作方式，减少使用者的学习成本。增加干衣机剩余时间的显示，让使用者一目了然，减少对未知事物的焦虑感。让使用者对产品产生好的印象，从而让产品与用户产生进一步的交流[9]。把四通道热电阻输入模块设置成热电阻PT100，模块就可以把温度信号转换成数字量，在程序中用除法指令把数字量除以10即可得到十进制的实际温度值，由于温度不会突变，为了让温度值显示更加稳定，设置每2 s读一次温度值存到寄存器中，进而在触摸屏画面上显示，部分程序如图3所示。

图3 启动与停止部分程序

为了方便烘干不同湿度和厚度的衣物，编程时充分考虑一个运行周期的时间可调，进风口和排风口温度差停机值可调，正反转可设置等。编程上采用比较延时法，启动时，当检测到实际温度没达到预设值时，启动第一组加热丝，延时一段时间，当进风口温度还没达到预设值，再启动第二组加热丝，以此类推；当进风口温度达到预设温度，先停止第一组加热丝，延时一段时间，当进风口温度还超过预设温度，再停止第二组加热丝，以此类推，当进风口温度维持在预设温度值内，保持加热丝不动，这样就可以尽量降低接触器的频繁接通与断开，延长接触器的使用寿命。当进风口温度与排风口温度相差值达到预设值时或运行时间到达预设时间值后，自动停止干衣机的运行，提高干衣机的自动化程序。程序控制逻辑图如图4所示。

图4 程序控制逻辑

3.2 触摸屏监控画面设计

触摸屏监控画面的左边以进风口和排风口的温度显示为主，启动/停止可以通过触摸屏上的按键操作或者实体按键操作；右边显示干衣机的运行状态及加热丝的启动与停止状态（停止时不显示，启动加热时才显示），右上角显示剩余时间，如图5 所示。加热丝的启动与停止由进风口的温度和设置值决定，根据衣物的厚度与湿度设置干衣机的运行参数，达到以最合适的温度高效烘干衣物的要求。操作人员不需要用电脑来更改控制程序，只需要在触摸屏上更改相应的参数即可，如图6所示。

图5 干衣机监控画面

图6 参数设置画面

工业干衣机属于高温动设备，长时间运行容易出现报警或故障。当系统检测到有故障发生时，自动停止干衣机的运行，自动记录故障点，在触摸屏监控画面上方显示故障信息，进入故障显示画面中也可以查看详细的故障信息。只有按下复位按钮才能解除故障。为了方便维修人员快速处理故障，设置了故障显示画面，如图7所示，PLC 输入的每一个回路出现故障时，都在故障显示画面中以红色的标志显示故障回路，维修人员通过查看电气原理图即可快速定位故障点，进而提高故障处理效率，降低停机时间。

图7 故障显示画面

4 结束语

由可编程控制器和触摸屏组成的工业干衣机控制系统，操作简易，可靠性高，寿命长，适用性强，故障排查快速。可以应用在更新换代新设备较为困难的海上石油开采平台或轮船中，解决了更换新设备的施工费用高的问题，减短了施工周期，延长了设备的使用寿命。控制系统能满足现场实际要求，一般人员都能熟练使用，持电工证的电工都能进行维护与维修。但控制方式较为传统，自动化程序高但智能化程度低，以后需要利用多种先进的传感器和智能化算法，实现智能控制。通过重力传感器和温湿度传感器能在衣物烘干后，烘干机自动停止工作，减少电能浪费[10]。