基于plc的全自動超聲波清洗機設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本套清洗系統(tǒng)，采用Mitsubishi（三菱）FX2N-64MR可編程控制器（PLC）為主控器，威倫MT6070iH型觸摸屏為輔助操作界面，兩者之間采用RS485（串行）通訊，設計出了一套可手/自動運行的集超聲波、噴淋、鼓泡、烘干為一體的全自動清洗機。其工位轉(zhuǎn)換運用了減速電機和氣缸相結(jié)合的方式，進行了優(yōu)勢互補。各種傳感器：

2、溫度（Pt100）、電感（Autonnics PRCML18-5DN）、行程開關的加入為系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)提供了保障。并且還有次級控制器：變頻器（OMRON 3G3JZ-A4007）、溫度控制儀（OMRON E5CZ）作為保障，使得整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠。該清洗系統(tǒng)，可廣泛應用于機械制造、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天、電子等各個行業(yè)。</p><p>　　關鍵詞：PCL，觸摸屏，變頻器，傳感器，超聲波，電路設計，系統(tǒng)開發(fā)&

3、lt;/p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　目 錄2</b></p><p>　　第一章 引 言2</p><p>　　第二章 系統(tǒng)主要機構(gòu)原理3</p

4、><p>　　2.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.2 PLC的工作原理3</p><p>　　2.2.1輸入刷新階段3</p><p>　　2.2.2程序執(zhí)行階段4</p><p>　　2.2.3輸出刷新階段4</p><p>　　2.3超聲波清洗機工作原理4</p

5、><p>　　2.4超聲波清洗機的結(jié)構(gòu)5</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件組成6</p><p><b>　　3.1電氣控制6</b></p><p>　　3.1.1主電路6</p><p>　　3.1.2信號輸入15</p><p>　　3.1.3 動作輸出1

6、7</p><p>　　3.2 人機界面19</p><p>　　3.2.1人機界面的特點19</p><p>　　3.2.2人機界面的功能人機界面的主要功能:19</p><p>　　3.3 清洗槽布局20</p><p>　　3.3.1 主體布局20</p><p>　　3.3.2

7、 傳動系統(tǒng)21</p><p>　　第四章 操作說明22</p><p><b>　　4.1開機22</b></p><p>　　4.1.1手動操作22</p><p>　　4.2自動操作23</p><p>　　4.2.1報警23</p><p><b&

8、gt;　　4.3關機24</b></p><p>　　第五章 設備選型及技術參數(shù)25</p><p>　　第六章 程序設計27</p><p><b>　　結(jié) 論39</b></p><p><b>　　參考文獻40</b></p><p><b&

9、gt;　　致 謝41</b></p><p><b>　　第一章 引 言</b></p><p>　　隨著生產(chǎn)力和科學技術的不斷發(fā)展，人們的日常生活和生產(chǎn)活動大量的使用自動化控制，不僅節(jié)約了人力資源，而且很大程度的提高了生產(chǎn)效率，又進一步的促進了生產(chǎn)力快速發(fā)展，并不斷的豐富著人們的生活。早期的自動控制系統(tǒng)是依靠繼電器接觸器來實現(xiàn)的，其特點是：結(jié)構(gòu)簡單、

10、價格低廉、抗干擾能力強，可以實現(xiàn)集中控制和遠距離控制，但是其采用固定接線，通用性和靈活性差；又采用觸點的開關動作，工作頻率低，觸點易損壞，可靠性差。1969年，出現(xiàn)了可編程邏輯控制器PLC，其特點是：具備邏輯控制、定時、計數(shù)等功能，編程語言采用直觀的梯形圖語言，軟件更改方便，通用性和靈活性好。</p><p>　　目前，可編程控制器PLC主要是朝著小型化、廉價化、標準化、高速化、智能化、大容量化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展

11、，與計算機技術相結(jié)合，形成工業(yè)控制機系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Field bus Control System)，這將使PLC的功能更強，可靠性更高，使用更方便，適用范圍更廣。在工藝參數(shù)較多,需要人機交互時, 配合使用具有觸摸操作和通信功能的人機界面就是一種很好的選擇。在本文的清洗系統(tǒng)中, 通過PLC 及人機界面與變頻器的通信應用, 可以在人機界面上直接設

12、定清洗值與起停各臺水泵和動作機構(gòu), 能實時監(jiān)控超聲波,溫度,電機跳閘等等的情況, 并具有報警等功能。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)主要機構(gòu)原理</p><p>　　2.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　1.中央處理單元(CPU):中央處理單元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能：a. 接收并存儲從用戶程序和數(shù)據(jù)；b.檢查電源、存

13、儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。 </p><p>　　2.存儲器:可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。存放系統(tǒng)軟件（包括監(jiān)控程序、模塊化應用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放用戶程序（用戶程序存放數(shù)據(jù)）的存儲器稱為用戶程序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分。 </p><p

14、>　　3.輸入接口電路:輸入輸出信號有開關量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實際涉及到的信號當中，開關量最普遍。</p><p>　　4．輸出接口電路:可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出(M)、晶體管輸出(T)、晶閘管輸出(SSR)三種輸出形式。</p><p>　　5．電源：PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造

15、商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。如FX2N額定電壓AC100V—240V，而電壓允許范圍在AC85V—264V之間。允許瞬時停電在10ms以下，能繼續(xù)工作。</p><p>　　一般小型PLC的電源輸出分為兩部分：一部分供PLC內(nèi)部電路工作；一部分向外提供給現(xiàn)場傳感器等的工作電源。</p><p&

16、gt;　　2.2 PLC的工作原理</p><p>　　PLC是采用循環(huán)掃描的工作方式。一個掃描周期主要可分為3個階段。</p><p>　　2.2.1輸入刷新階段</p><p>　　在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的

17、內(nèi)容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。</p><p>　　2.2.2程序執(zhí)行階段</p><p>　　在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應的邏輯運算結(jié)果存入對應的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。</p><p>　　2.2.3輸出刷新階段</

18、p><p>　　當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。</p><p>　　由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段構(gòu)成PLC一個工作周期，由此循環(huán)往復，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。 </p><p>　　顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長

19、短。掃描周期越長，響應速度越慢。由于每個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應速度。但是由于其對I/O的變化每個周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進行刷新，這對一般的開關量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大部分時間是與外設隔離的，而工

20、業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應系統(tǒng)中就會造成響應滯后現(xiàn)象，這個一般PLC都會采取高速模塊。</p><p>　　2.3超聲波清洗機工作原理</p><p>　　超聲波清洗機的主要原理即超聲的“空化作用”，所謂“空化”即把液體放入清洗機內(nèi)，槽內(nèi)作用超聲波，由于超聲波與聲波一樣千種疏密的振動性，使介質(zhì)的壓力作交替變化，在超聲出現(xiàn)負壓區(qū)域的液體中產(chǎn)生振力，且形

21、成真空氣泡，并被后面的壓縮力擠壓而破滅。這種超聲強大的振動，當聲壓達到一定空值時，氣泡將迅速增長，然后又突然閉合時，由于液體間相互碰撞產(chǎn)生強大的沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千帕的大氣壓力，這就是超聲空化。</p><p>　　超聲波清洗機的機理是把超聲波電能高效轉(zhuǎn)化為超聲波機械能，這種超聲波機械能能使液體產(chǎn)生空化作用，形成細微的空化氣泡，當空化氣泡消失時能產(chǎn)生極大地沖擊力，當被清洗物件受到這種沖擊力的作用時，黏附在其表

22、面的各類污物將被剝離。超聲波清洗機具有高效低噪，清洗質(zhì)量好，速度快，并能靈活組合，達到清洗各種盲孔，微孔，深孔等其他清洗方法難以清洗的目的。由于具有以上獨特的性能，所以被越來越多的人認識和接受，更被廣泛的應用于航天航空、軍工、電子、機械、鐘表、光學、醫(yī)療、光纖、電鍍等行業(yè)。</p><p>　　2.4超聲波清洗機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　超聲波清洗機由兩部分組成，一是超聲波發(fā)生器，二是換

23、能器陣列.超聲波發(fā)生器內(nèi)有PWM開關集成電路產(chǎn)生開關信號，推動由大功率模塊組成的全橋放大電路放大，經(jīng)高頻變壓器隔離變換，再經(jīng)匹配電感后耦合到清洗缸上的換能器陣列上，實現(xiàn)將220V電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換成高頻機械能，達到無損清洗的目的。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件組成</p><p>　　本清洗機有兩大部分組成,即電氣控制部分和機械執(zhí)行部分.電氣控制部分又分為信號輸入與動作輸出;機械執(zhí)行部分

24、又分為主清洗槽與儲液槽以及整體支撐框架三部分.</p><p><b>　　3.1電氣控制</b></p><p><b>　　3.1.1主電路</b></p><p><b>　　3.1.2信號輸入</b></p><p>　　在輸入觸點中，包含了各種光電傳感器、電感傳感器、

25、按鈕、以及人機界面。</p><p>　　3.1.3 動作輸出</p><p>　　為了起到電氣隔離，保護整個系統(tǒng)，所以都用到了24V中間繼電器來控制其他交流接觸器。</p><p><b>　　3.2 人機界面</b></p><p>　　3.2.1人機界面的特點</p><p>　　人機界面是

26、新一代高科技可編程終端 , 專為PLC而設計的互動式工作站 , 具備與各品牌 PLC連線監(jiān)控能力 , 適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中應用 , 可代替普通或工控計算機。其主要特點有: ①畫面容量大 , 可達 255 個畫面 , 畫面規(guī)劃簡單。②ADP3 全中文操作軟件 , 適用于Windows95/ Windows98環(huán)境 ,巨集指令豐富 , 編程簡單。③交互性好 , 抗干擾能力強 , 通信可靠性高。④自動化程度高 , 操作簡單方便 , 故障率低

27、 , 壽命長 , 維修量少。</p><p>　　3.2.2人機界面的功能人機界面的主要功能有: </p><p>　　①設計者可根據(jù)需要編輯出各種畫面 , 實時顯示設備狀態(tài)或系統(tǒng)的操作指示信息。②人機界面上的觸摸按鍵可產(chǎn)生相應的開關信號 , 或輸入數(shù)值、字符給 PLC 進行數(shù)據(jù)交換 , 從而產(chǎn)生相應的動作控制設備的運行。③可多幅畫面重疊或切換顯示 , 顯示文字、數(shù)字、圖形、字符串、警報信

28、息、動作流程、統(tǒng)計資料、歷史記錄、趨勢圖、簡易報表等。</p><p><b>　　3.3 清洗槽布局</b></p><p>　　3.3.1 主體布局</p><p><b>　　主體布局圖</b></p><p>　　工藝流程：超聲波粗洗→超聲波精洗→噴淋精洗→壓縮空氣鼓泡→熱風烘干</p

29、><p>　　3.3.2 傳動系統(tǒng)</p><p><b>　　傳動氣路圖</b></p><p><b>　　傳動流程圖</b></p><p><b>　　第四章 操作說明</b></p><p><b>　　4.1開機</b>&l

30、t;/p><p>　　把設備上的急停按鈕復位，按電源按鈕，電源指示燈按鈕亮后表示開機正常。</p><p><b>　　4.1.1手動操作</b></p><p>　　把旋鈕旋到手動狀態(tài)，按“手動開始”按鈕，“手動開始”燈亮后，點擊觸摸屏上的“手動操作”觸摸鍵進入手動操作界面，點擊對應的觸摸鍵在條件滿足時進行相應的操作，各觸摸鍵能運行對應操作條件為

31、:</p><p>　　①上料電機:在提升電機在上限或上極限時，上料終點限位和上料終點極限位沒信號時。</p><p>　　②下料電機: 在提升電機在上限或上極限時,下料終點限位和下料終點極限位沒信號時。</p><p>　?、鄄凵w伸出: 在提升電機在上限或上極限時,槽蓋伸出限位沒信號時。</p><p>　?、懿凵w縮回: 槽蓋縮回限位沒信號

32、時。</p><p>　?、?#加熱器:在液位超過限位，溫度沒達到時。</p><p>　?、?#循環(huán)泵: 在液位超過限位時。</p><p>　?、?#超聲波: 在液位超過限位時。</p><p>　?、?#加熱器:在液位超過限位，溫度沒達到時。</p><p>　　⑨2#循環(huán)泵: 在液位超過限位時。</p&g

33、t;<p>　?、?#超聲波: 在液位超過限位時。</p><p>　　⑾3#加熱器:在液位超過限位，溫度沒達到時。</p><p>　　⑿12#循環(huán)泵: 在液位超過限位時。</p><p>　?、褔娏?在液位超過限位、噴淋蓋氣缸伸出到限位時。</p><p>　?、?#加熱器:溫度沒達到時。</p><p&

34、gt;　?、庸呐蓍y:在4#加熱器開時。</p><p>　?、怨娘L機發(fā)熱包:在槽蓋氣缸伸出到限位，溫度沒達到時。</p><p>　　⒄脫鉤氣缸回縮:提升電機在下限或下極限，平移氣缸在伸出限位時。</p><p>　?、置撱^氣缸伸出:提升電機在下限或下極限，平移氣缸在縮回限位時。</p><p>　　⒆平移氣缸縮回: 提升電機在上限或上極限。

35、</p><p>　?、仄揭茪飧咨斐? 提升電機在上限或上極限。</p><p>　　(21)提升電機提升:在平移氣缸縮回、脫鉤氣缸伸出時或者在平移氣缸伸出、脫鉤氣缸縮回時，沒到提升上限或上極限。</p><p>　　(22)提升電機下降:在平移氣缸縮回、脫鉤氣缸回縮時或者在平移氣缸伸出、脫鉤氣缸伸出、下料起點沒料時，槽蓋氣缸在縮回限位、提升電機沒到提升下限或下極限

36、。</p><p>　　手動操作下，在觸摸鍵操作ON時，再按一下觸摸鍵操作會變?yōu)镺FF。手動操作時，再按下“手動開始”按鈕，會停止手動操作。</p><p><b>　　4.2自動操作</b></p><p>　　把旋鈕旋到自動狀態(tài)，按“自動開始”按鈕，“自動開始”燈亮后，點擊觸摸屏上的“自動操作”觸摸鍵進入自動操作界面，自動操作開始后，流程會

37、按照下料流程進行自動操作</p><p>　　自動下降過程-自動取貨過程-自動取貨提升-自動平移伸出-自動下降放貨-自動脫鉤放貨-自動脫鉤上升-自動清洗+平移氣缸回縮</p><p>　　自動操作時，再按下“自動開始”按鈕，會停止自動操作。</p><p><b>　　4.2.1報警</b></p><p>　　當出現(xiàn)報

38、警時、手動操作界面和自動監(jiān)控界面上的“報警”觸摸鍵閃爍。三色燈的紅燈和面板上的報警等亮、蜂鳴器響。</p><p>　　點擊觸摸屏上的“報警”觸摸鍵進入報警畫面查看報警內(nèi)容，按報警復位觸摸鍵復位可復位的報警。“蜂鳴關閉”可關閉蜂鳴器聲音。</p><p><b>　　各個報警內(nèi)容及處理</b></p><p>　　提升電機超下極限報警:檢查提升

39、電機下限是否損壞或不能正常檢測到。</p><p>　　提升電機超上極限報警: 檢查提升電機上限是否損壞或不能正常檢測到。</p><p>　　平移氣缸回縮超時報警:檢查平移氣缸是否卡死或限位安裝正常。</p><p>　　平移氣缸伸出超時報警：檢查平移氣缸是否卡死或限位安裝正常。</p><p>　　脫鉤氣缸回縮超時報警：檢查脫鉤氣缸是否卡

40、死或限位安裝正常。</p><p>　　脫鉤氣缸伸出超時報警: 檢查脫鉤氣缸是否卡死或限位安裝正常。</p><p>　　槽蓋氣缸伸出超時報警: 檢查槽蓋氣缸是否卡死或限位安裝正常。</p><p>　　槽蓋氣缸縮回超時報警: 檢查槽蓋氣缸是否卡死或限位安裝正常。</p><p>　　電機跳閘報警: 控制電機或加熱器的斷路器跳閘，檢查電機或加

41、熱器。</p><p>　　1#槽液位過低報警：液位計是否損壞或缺水。</p><p>　　2#槽液位過低報警：液位計是否損壞或缺水。</p><p>　　3#槽液位過低報警：液位計是否損壞或缺水。</p><p>　　4#槽液位過低報警：液位計是否損壞或缺水。</p><p>　　5#槽液位過低報警：液位計是否損壞或

42、缺水。</p><p><b>　　4.3關機</b></p><p>　　按急停按鈕停止電源控制電源，檢修設備時要把控制柜內(nèi)的總開關關閉。</p><p>　　第五章 設備選型及技術參數(shù) </p><p><b>　　第六章 程序設計</b></p><p><b&g

43、t;　　結(jié) 論</b></p><p>　　針對五槽全自動超聲波清洗機的設計流程，對機床的工作原理都必須了解。通過這次設計構(gòu)思，到設計完成我記憶深刻，有不少的收獲和提高。這次程序設計由于經(jīng)驗不足等原因，對設計過程中出現(xiàn)的問題有了深刻的了解。要結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行分析，細心觀察，對引起缺少動作而報警原因的多個方面做出細致的比較與分析，優(yōu)化檢查的順序與方法。對發(fā)現(xiàn)的問題進行綜合的分析、徹底查找出故障。這是

44、我對五槽全自動超聲波清洗機程序設計工作的一些認識和理解，不足之處，請各位老師對我多提寶貴意見。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 李建興.可編程序控制器應用技術.北京：機械工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[2] 陳宇，段鑫.可編程序控制器基礎及編程技巧.廣州：華南理工大學出版社，2002.&l

45、t;/p><p>　　[3] 王永華.現(xiàn)代電器控制及PLC應用技術.北京：北京航空航天大學出版社，2003.</p><p>　　[4] 高欽和.可編程控制器應用技術與設計實例.北京：人民郵電出版社，2004.</p><p>　　[5] 廖常初.PLC編程及應用.北京：機械工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[6] 郁漢琪.《電氣控制與可

46、編程序控制器》, 東南大學出版社,2003.</p><p>　　[7] 易傳祿主編.《可編程序控制器應用指南》 , 上?？破粘霭嫔?2004.</p><p>　　[8] 張進秋．可編程控制器原理及應用實例[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003．</p><p>　　[9] 湯以范主編《電氣與可編程序控制器技術》 . 機械工業(yè)出版社,2005.</p>

47、<p><b>　　致 謝</b></p><p>　　三年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。三年的求學生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，在此感謝不辭辛苦的老師們。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的