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摘要：随着生活水平的提高，人们对食品卫生安全更加重视，因而国内商用洗碗机市场得到快速发展。鉴于此，介绍了现阶段商用洗碗机产品在发展中存在的一些问题，提出了一种基于三菱PLC与MCGS的智能商用洗碗机控制系统设计，包括系统硬件设计、I/O端口分配表、PLC外部硬件接线图、PLC程序设计及触摸屏画面设计，并详细分析了工艺过程及控制要求。通过系统联机仿真及调试，最终实现了智能商用洗碗机的PLC控制与MCGS监控。该控制系统的实用价值较大，具有良好的应用前景。
关键词：PLC;MCGS;商用洗碗机
0 引言
近些年来，受到劳动力成本快速上升、人们对食品安全与食品卫生的重要性形成共识、国家相关监管部门的管理愈加严格等多重因素的影响，国内商用洗碗机市场得到了快速发展。智能化一直是厂商研究的课题之一，而控制系统则成为洗碗机行业智能化探索的突破口。调研发现，目前对智能商用洗碗机的研究成果较少，产品不多，部分采用单片机控制系统，存在以下问题：（1）洗碗机拓展性不够，系统不够稳定可靠，难以适应商业环境，跟不上发展需求;（2）洗碗机多数采用喷淋式或水流式洗涤，洗涤方式单一，清洁效果不佳，不够节能;（3）洗碗机功能设计不够完善，洗涤效果不明显。
为此，本文对智能商用洗碗机的PLC控制系统进行相关研究与设计，结合组态控制技术与PLC应用技术，利用餐具残渣处理技术、超声波雾化去油技术、远红外线烘干技术、臭氧杀毒技术，选用三菱FX3U-64MR型PLC以及TPC7062KS型MCGS触摸屏，以动画显示、报警处理、流程控制等多种方式解决实际工程问题[1]。因PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、维护方便、改造容易等特点，而MCGS组态软件可对现场数据进行采集处理，所以将这两者结合有利于实现自动化。
1 系统硬件设计
商用洗碗机主要由自动除渣机、餐具分拣机、初洗喷淋机、主洗超声波浸泡池、冲洗喷淋机、烘干机、消毒机、餐具回流输送带等组成，主要硬件部分及其功能说明如下：
自动除渣机可用于餐具清洗、蔬菜清洗，其原理是通过高压气泵对除渣机底部冲入强力空气并产生有压气泡，对倒入水池内的较轻垃圾进行冲散悬浮（如饭粒、纸巾、包装膜），由水泵产生的循环冲水对水池上面部分进行冲浪排渣;对由冲浪机冲来的垃圾进行自动排送，无需人工。冲渣喷淋机对餐具进行一次喷淋冲渣处理，提高除渣效果。
初洗喷淋机可通过高温高压喷淋冲洗去除餐具上的污渍，再由冲洗喷淋机通过纯净水对餐具进行二次漂洗，提高洁净程度。其原理是利用高压水泵从上下左右不同角度对餐具进行喷淋冲洗，水压可调，360°精洗餐具每个表面，以达到洁净的清洗效果。同时，使用变频加热的自动热水机，出水快，短时间即沸。
主洗超声波浸泡池，主要由超声波浸泡池和超声波发生器两部分构成，做到360°无死角油污分离。喷淋机、浸泡池底部都安装有过滤器，对进水和出水进行过滤，让水质达到能循环利用的程度，以节约水资源。
烘干机采用远红外线恒温双烘干，采用双层隔热保温及热风循环系统对餐具进行高效率的烘干，以节约电能。
2 控制系统设计
2.1 工作原理
本文所设计的智能商用洗碗机通过MCGS触摸屏发出指令，通过PLC控制诸对象运行，同时反过来对PLC进行监控，这样可以更加便捷、直观地看到洗碗机进行至哪一个流程，将大大提高工作效率以及清洁度。
系统上电后，PLC将按编制好的程序开始运行，由程序来控制各开关的触点按照要求依次闭合或断开，进而驱动接触器和电磁阀的得失电，从而控制洗碗机按工艺过程有序运行[2]。
2.2 工艺过程及控制要求
智能商用洗碗机的工艺过程包括冲渣喷淋→餐具分拣→喷淋预洗→超声波主洗→喷淋冲洗→远红外线烘干→臭氧消毒共7个环节，具体控制要求如下：
（1）设有自动和手动模式，手动模式一般用于安装调试，在此模式下，洗碗机按照按下的单独按钮开关完成相应的动作;选择自动模式，按下“一键启动”按钮，洗碗机便能够按照程序自动依次运行，直至洗碗结束。
（2）设有水温选择开关，可以根据餐具干净程度来自主选择水温，以提高洗涤效率。
（3）设有水位选择开关，可以根据碗具数量多少来自主选择水位，以节约电能。
（4）设有温度传感器和液位传感器，分别监控着水加热的温度和水位的高度，到达设定值后，便自动停止加热和进水过程[2]。
（5）设有TS浊度传感器，实时检测水的洁净程度，如果水足够干净，则继续清洗，否则排出污水。
（6）为了能在突发情况下有效保护设备不被损坏，设有故障急停和報警装置，如果在控制系统运行过程中任何环节出现了工作异常，都将触发故障报警导致系统停机。
2.3 I/O地址分配
根据控制系统控制要求设计I/O端口分配表[3]，如表1所示。
2.4 硬件接线图设计
根据表1设计PLC外部硬件接线图[3]，如图1所示。
2.5 控制程序设计
该智能商用洗碗机控制程序由自动控制程序和手动控制程序两部分构成，本文以自动控制过程为例进行说明。自动控制程序主要分为以下步骤：首先进水到选定水位，加热到选定温度，水泵加压，添加洗涤剂;然后冲渣喷淋、餐具分拣，再喷淋预洗、超声波主洗、喷淋冲洗;最后远红外线烘干、臭氧消毒。在工作过程中，初洗机和清洗机底部设有过滤器，TS传感器实时检测浸泡池、过滤器中水的污浊程度，如果水质符合要求，则继续清洗，否则排出污水。因此，控制系统程序设计必须按照洗碗机的控制要求编写。 2.5.1 自动控制程序
该控制程序采用SFC语言进行编写，控制系统顺序功能图如图2所示。
（1）PLC电源接通后，初始状态S0动作，运行指示灯（HL2）为绿灯亮。进入是否自动模式选择，如果模式选择开关（SA1）旋转至手动控制，状态转移到S21，手动指示灯（HL4）为白灯亮，此时为安装调试状态;如果旋转至自动控制，状态转移到S20，自动指示灯（HL3）为绿灯亮，进入自动洗碗状态，如图2所示运行，进入选择序列结构。
（2）当按下启动按钮（SB1），旋转水位选择开关（SA3）选择高、低液位接通Y6、Y16，状态将会转移到S22，进水电磁阀（YV3）打开，开始往浸泡池注水，洗涤剂添加器（YV11）开始添加洗涤剂，同时接通时间继电器T10，添加2 s;注水期间，由液位检测开关SQ1、SQ2进行水位检测，如果到达所选的位置，则系统将自动进行下一步，否则继续注水。
（3）完成注水工作之后，旋转水温选择开关（SA2）选择常温、50 ℃、70 ℃可接通Y17，状态将会转移到S23，变频加热器开始对水加热，加热期间，由温度传感器进行实时温度检测，如果达到所选按钮的温度，则系统将自动进行下一步，否则继续加热。
（4）当加热结束之后，系统接通Y0-Y2，状态将会向S24转移，水泵对水加压，同时接通时间继电器T11;4 s过后，系统接通Y3，状态将会向S25转移，电机接触器（KM4）保持一直得电，驱动链排电机，餐具输送带运转起来。
（5）状态将会向S26转移，系统接通Y4，驱动喷淋电磁阀（YV1），除渣机开始冲渣排浪，同时接通时间继电器T12。
（6）冲渣5 s后，状态将会向S27转移，系统接通Y15，分拣机自动分拣，同时接通时间继电器T13。
（7）分拣3 s后，状态将会向S28转移，系统接通Y5，驱动喷淋电磁阀（YV2），初洗机对碗具进行预洗，同时接通时间继电器T14。
（8）初洗10 s后，状态将会向S29转移，系统接通Y12，驱动超声波发生器电磁阀（YV7），超声波浸泡池对碗具进行主洗，同时接通时间继电器T15;主洗期间，由TS浊度传感器检查浸泡池水的洁净程度，如果水足够干净，则进行下一步，否则排出污水。
（9）主洗10 s后，状态将会向S30转移，系统接通Y7，驱动喷淋电磁阀（YV4），清洗机对碗具进行冲洗，同时接通时间继电器T16。
（10）冲洗5 s后，状态将会向S31转移，系统接通Y13、Y14，驱动电磁阀YV8、YV9，烘干机和消毒机对碗具进行烘干消毒，同时接通时间继电器T17;烘干消毒3 s后，系统等待是否有停止信号，如果有，则自动返回初始状态S0停机，否则返回状态S24，反复循环工作进程;最后洁净无菌的餐具从洗碗机出口处自动滑出，由AGV小车搬运至立体仓库，省去半途人工参与，以免造成二次污染。
2.5.2 初始化程序
当系统上电时，M8002继电器向S0提供一个初始化脉冲，初始状态S0动作;当按下启动按钮（SB1），输入继电器X2常开触点接通，M0继电器得到记忆停止信号，若按下停止按钮（SB2），輸入继电器X3常闭触点断开，M0继电器失电，则状态转移到S0，返回初始状态，否则动作状态向S24转移，反复循环工作，如图3所示。
2.5.3 复位及报警程序
当输入继电器X22（链排过载信号）或X23（水泵1过载信号）或X24（水泵2过载信号）或X25（水泵3过载信号）常开触点接通，报警灯Y20闪烁亮，同时使得蜂鸣器Y24发出报警声，3 s后自动停止。同时，S20至S31区间停止复位。当按停止按钮（SB2）时也会停止复位，如图4所示。
2.5.4 水的污浊程度检测程序
当输入继电器X21（检测水污浊程度信号）常开触点接通，排水电磁阀（YV6）动作，5 s后自动停止排水，如图5所示。
3 组态监控
根据系统控制要求，利用MCGS组态软件设计如图6所示的触摸屏画面，完成对洗碗机现场数据的采集与监测，并对其进行数据的处理与控制。将数据下载到触摸屏后，可按照上面的说明对触摸屏进行简单操作。
4 结语
该控制系统经过联机仿真调试后，实现了智能商用洗碗机的PLC控制与MCGS监控，表现出了测试准确、稳定可靠、控制方便、人机界面友好等特点，能实现预期功能。该控制系统不仅能有效降低企业运营成本，更能保障消费者用餐的卫生安全，因此实用价值较大，具有良好的应用前景。
[参考文献]
[1] 王植.饮料灌装生产线控制监控系统的设计[J].机械与电子，2016，34（8）：48-50.
[2] 李晓娟，秦国庆，宋长源.基于PLC的家用喷淋式洗碗机设计[J].电子世界，2016（16）：49-50.
[3] 李响初.图解三菱PLC、变频器与触摸屏综合应用[M].2版.北京：机械工业出版社，2017.
关键词：PLC;MCGS;商用洗碗机
0 引言
近些年来，受到劳动力成本快速上升、人们对食品安全与食品卫生的重要性形成共识、国家相关监管部门的管理愈加严格等多重因素的影响，国内商用洗碗机市场得到了快速发展。智能化一直是厂商研究的课题之一，而控制系统则成为洗碗机行业智能化探索的突破口。调研发现，目前对智能商用洗碗机的研究成果较少，产品不多，部分采用单片机控制系统，存在以下问题：（1）洗碗机拓展性不够，系统不够稳定可靠，难以适应商业环境，跟不上发展需求;（2）洗碗机多数采用喷淋式或水流式洗涤，洗涤方式单一，清洁效果不佳，不够节能;（3）洗碗机功能设计不够完善，洗涤效果不明显。
为此，本文对智能商用洗碗机的PLC控制系统进行相关研究与设计，结合组态控制技术与PLC应用技术，利用餐具残渣处理技术、超声波雾化去油技术、远红外线烘干技术、臭氧杀毒技术，选用三菱FX3U-64MR型PLC以及TPC7062KS型MCGS触摸屏，以动画显示、报警处理、流程控制等多种方式解决实际工程问题[1]。因PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、维护方便、改造容易等特点，而MCGS组态软件可对现场数据进行采集处理，所以将这两者结合有利于实现自动化。
1 系统硬件设计
商用洗碗机主要由自动除渣机、餐具分拣机、初洗喷淋机、主洗超声波浸泡池、冲洗喷淋机、烘干机、消毒机、餐具回流输送带等组成，主要硬件部分及其功能说明如下：
自动除渣机可用于餐具清洗、蔬菜清洗，其原理是通过高压气泵对除渣机底部冲入强力空气并产生有压气泡，对倒入水池内的较轻垃圾进行冲散悬浮（如饭粒、纸巾、包装膜），由水泵产生的循环冲水对水池上面部分进行冲浪排渣;对由冲浪机冲来的垃圾进行自动排送，无需人工。冲渣喷淋机对餐具进行一次喷淋冲渣处理，提高除渣效果。
初洗喷淋机可通过高温高压喷淋冲洗去除餐具上的污渍，再由冲洗喷淋机通过纯净水对餐具进行二次漂洗，提高洁净程度。其原理是利用高压水泵从上下左右不同角度对餐具进行喷淋冲洗，水压可调，360°精洗餐具每个表面，以达到洁净的清洗效果。同时，使用变频加热的自动热水机，出水快，短时间即沸。
主洗超声波浸泡池，主要由超声波浸泡池和超声波发生器两部分构成，做到360°无死角油污分离。喷淋机、浸泡池底部都安装有过滤器，对进水和出水进行过滤，让水质达到能循环利用的程度，以节约水资源。
烘干机采用远红外线恒温双烘干，采用双层隔热保温及热风循环系统对餐具进行高效率的烘干，以节约电能。
2 控制系统设计
2.1 工作原理
本文所设计的智能商用洗碗机通过MCGS触摸屏发出指令，通过PLC控制诸对象运行，同时反过来对PLC进行监控，这样可以更加便捷、直观地看到洗碗机进行至哪一个流程，将大大提高工作效率以及清洁度。
系统上电后，PLC将按编制好的程序开始运行，由程序来控制各开关的触点按照要求依次闭合或断开，进而驱动接触器和电磁阀的得失电，从而控制洗碗机按工艺过程有序运行[2]。
2.2 工艺过程及控制要求
智能商用洗碗机的工艺过程包括冲渣喷淋→餐具分拣→喷淋预洗→超声波主洗→喷淋冲洗→远红外线烘干→臭氧消毒共7个环节，具体控制要求如下：
（1）设有自动和手动模式，手动模式一般用于安装调试，在此模式下，洗碗机按照按下的单独按钮开关完成相应的动作;选择自动模式，按下“一键启动”按钮，洗碗机便能够按照程序自动依次运行，直至洗碗结束。
（2）设有水温选择开关，可以根据餐具干净程度来自主选择水温，以提高洗涤效率。
（3）设有水位选择开关，可以根据碗具数量多少来自主选择水位，以节约电能。
（4）设有温度传感器和液位传感器，分别监控着水加热的温度和水位的高度，到达设定值后，便自动停止加热和进水过程[2]。
（5）设有TS浊度传感器，实时检测水的洁净程度，如果水足够干净，则继续清洗，否则排出污水。
（6）为了能在突发情况下有效保护设备不被损坏，设有故障急停和報警装置，如果在控制系统运行过程中任何环节出现了工作异常，都将触发故障报警导致系统停机。
2.3 I/O地址分配
根据控制系统控制要求设计I/O端口分配表[3]，如表1所示。
2.4 硬件接线图设计
根据表1设计PLC外部硬件接线图[3]，如图1所示。
2.5 控制程序设计
该智能商用洗碗机控制程序由自动控制程序和手动控制程序两部分构成，本文以自动控制过程为例进行说明。自动控制程序主要分为以下步骤：首先进水到选定水位，加热到选定温度，水泵加压，添加洗涤剂;然后冲渣喷淋、餐具分拣，再喷淋预洗、超声波主洗、喷淋冲洗;最后远红外线烘干、臭氧消毒。在工作过程中，初洗机和清洗机底部设有过滤器，TS传感器实时检测浸泡池、过滤器中水的污浊程度，如果水质符合要求，则继续清洗，否则排出污水。因此，控制系统程序设计必须按照洗碗机的控制要求编写。 2.5.1 自动控制程序
该控制程序采用SFC语言进行编写，控制系统顺序功能图如图2所示。
（1）PLC电源接通后，初始状态S0动作，运行指示灯（HL2）为绿灯亮。进入是否自动模式选择，如果模式选择开关（SA1）旋转至手动控制，状态转移到S21，手动指示灯（HL4）为白灯亮，此时为安装调试状态;如果旋转至自动控制，状态转移到S20，自动指示灯（HL3）为绿灯亮，进入自动洗碗状态，如图2所示运行，进入选择序列结构。
（2）当按下启动按钮（SB1），旋转水位选择开关（SA3）选择高、低液位接通Y6、Y16，状态将会转移到S22，进水电磁阀（YV3）打开，开始往浸泡池注水，洗涤剂添加器（YV11）开始添加洗涤剂，同时接通时间继电器T10，添加2 s;注水期间，由液位检测开关SQ1、SQ2进行水位检测，如果到达所选的位置，则系统将自动进行下一步，否则继续注水。
（3）完成注水工作之后，旋转水温选择开关（SA2）选择常温、50 ℃、70 ℃可接通Y17，状态将会转移到S23，变频加热器开始对水加热，加热期间，由温度传感器进行实时温度检测，如果达到所选按钮的温度，则系统将自动进行下一步，否则继续加热。
（4）当加热结束之后，系统接通Y0-Y2，状态将会向S24转移，水泵对水加压，同时接通时间继电器T11;4 s过后，系统接通Y3，状态将会向S25转移，电机接触器（KM4）保持一直得电，驱动链排电机，餐具输送带运转起来。
（5）状态将会向S26转移，系统接通Y4，驱动喷淋电磁阀（YV1），除渣机开始冲渣排浪，同时接通时间继电器T12。
（6）冲渣5 s后，状态将会向S27转移，系统接通Y15，分拣机自动分拣，同时接通时间继电器T13。
（7）分拣3 s后，状态将会向S28转移，系统接通Y5，驱动喷淋电磁阀（YV2），初洗机对碗具进行预洗，同时接通时间继电器T14。
（8）初洗10 s后，状态将会向S29转移，系统接通Y12，驱动超声波发生器电磁阀（YV7），超声波浸泡池对碗具进行主洗，同时接通时间继电器T15;主洗期间，由TS浊度传感器检查浸泡池水的洁净程度，如果水足够干净，则进行下一步，否则排出污水。
（9）主洗10 s后，状态将会向S30转移，系统接通Y7，驱动喷淋电磁阀（YV4），清洗机对碗具进行冲洗，同时接通时间继电器T16。
（10）冲洗5 s后，状态将会向S31转移，系统接通Y13、Y14，驱动电磁阀YV8、YV9，烘干机和消毒机对碗具进行烘干消毒，同时接通时间继电器T17;烘干消毒3 s后，系统等待是否有停止信号，如果有，则自动返回初始状态S0停机，否则返回状态S24，反复循环工作进程;最后洁净无菌的餐具从洗碗机出口处自动滑出，由AGV小车搬运至立体仓库，省去半途人工参与，以免造成二次污染。
2.5.2 初始化程序
当系统上电时，M8002继电器向S0提供一个初始化脉冲，初始状态S0动作;当按下启动按钮（SB1），输入继电器X2常开触点接通，M0继电器得到记忆停止信号，若按下停止按钮（SB2），輸入继电器X3常闭触点断开，M0继电器失电，则状态转移到S0，返回初始状态，否则动作状态向S24转移，反复循环工作，如图3所示。
2.5.3 复位及报警程序
当输入继电器X22（链排过载信号）或X23（水泵1过载信号）或X24（水泵2过载信号）或X25（水泵3过载信号）常开触点接通，报警灯Y20闪烁亮，同时使得蜂鸣器Y24发出报警声，3 s后自动停止。同时，S20至S31区间停止复位。当按停止按钮（SB2）时也会停止复位，如图4所示。
2.5.4 水的污浊程度检测程序
当输入继电器X21（检测水污浊程度信号）常开触点接通，排水电磁阀（YV6）动作，5 s后自动停止排水，如图5所示。
3 组态监控
根据系统控制要求，利用MCGS组态软件设计如图6所示的触摸屏画面，完成对洗碗机现场数据的采集与监测，并对其进行数据的处理与控制。将数据下载到触摸屏后，可按照上面的说明对触摸屏进行简单操作。
4 结语
该控制系统经过联机仿真调试后，实现了智能商用洗碗机的PLC控制与MCGS监控，表现出了测试准确、稳定可靠、控制方便、人机界面友好等特点，能实现预期功能。该控制系统不仅能有效降低企业运营成本，更能保障消费者用餐的卫生安全，因此实用价值较大，具有良好的应用前景。
[参考文献]
[1] 王植.饮料灌装生产线控制监控系统的设计[J].机械与电子，2016，34（8）：48-50.
[2] 李晓娟，秦国庆，宋长源.基于PLC的家用喷淋式洗碗机设计[J].电子世界，2016（16）：49-50.
[3] 李响初.图解三菱PLC、变频器与触摸屏综合应用[M].2版.北京：机械工业出版社，2017.