PLC超声波清洗机系统设计
一、 课程设计题目
超声波清洗机
超声波清洗机工作流程如图1所示：将欲清洗的工件置于工篮中，将工件篮放置在挂杆上，按下启动按钮，挂杆向下运动将工件置于清洗液中，加热清洗液至沸腾，启动超声波生器工作20分钟后，超声波发生器停止工作，挂杆向上运动将工件置于蒸汽中5分钟，停止加热，启动喷淋5分钟，其后停止喷淋，取出工件传送带上，按下清洗结束按钮，启动传送带工作。
1、超声波清洗机的原理
（1）、什么是超声波：波可以分为三种，即次声波、声波、超声波。次声波的频率为20Hz以下；声波的频率为20Hz～20kHz；超声波的频率则为20kHz以上。其中的次声波和超声波一般人耳是听不到的。超声波由于频率高、波长短，因而传播的方向性好、穿透能力强，这也就是为什么设计制作超声波清洗机的原因。
（2）、超声波如何完成清洗工作：超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。
a.空化作用：空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，液体中产生真空核群泡的现象，在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力，由此剥离被清洗物表面的污垢，从而达到精密洗净目的。
在超声波清洗过程中，肉眼能看见的泡并不是真空核群泡，而是空气气泡，它对空化作用产生抑制作用降低清洗效率。只有液体中的空气气泡被完全脱走，空化作用的真空核群泡才能达到最佳效果。
b.直进流作用：超声波在液体中沿声的传播方向产生流动的现象称为直进流。声波强度在0.5W/cm2时，肉眼能看到直进流，垂直于振动面产生流动，流速约为250px/s。通过此直进流使被清洗物表面的微油污垢被搅拌，污垢表面的清洗液也产生对流，溶解污物的溶解液与新液混合，使溶解速度加快，对污物的搬运起着很大的作用。
c.加速度：液体粒子推动产生的加速度。对于频率较高的超声波清洗机，空化作用就很不显著了，这时的清洗主要靠液体粒子超声作用下的加速度撞击粒子对污物进行超精密清洗。
2、超声波清洗机的特点
在机械及制造行业中，经常遇到各种零件和加工件的清洗问题。其清洗对象主要是机加工油、切削液、金属屑等污垢，传统方法是采用有机溶剂(汽油或煤油)辅以手工刷洗，不但劳动强度大而且操作环境恶劣。近年来逐步开发了许多水基清洗剂来取代溶剂清洗，但这些水基清洗剂普遍存在着化学清洗能力低的缺点，且需要辅以物理方法来增强其清洗力，常规清洗机喷射、搅拌等方式来达到这一目的，这类清洗机通用性差，只适合于品质结构单一、形式简单的工件清洗，对于多品种，形状复杂，特别是有不规则孔、腔、狭缝的零件往往无能为力，而超声波清洗由于其无孔不入的特点以及强力的清洗作用，不但对于手工及机械方法难以触及到部位也能很好的清洗，而且适用性强。超声波清洗与其他清洗方法的清洗能力比较见下图：
超声波清洗与各种化学的、物理的、电化的和物化的清洗方法比较，有以下独特优点：
(1)、能快速、彻地清除工件表面上的各种污垢；
(2)、能清洗带有空腔、沟槽等形状复杂的精密零件；
(3)、对工件表面无损；
(4)、可采用各种清洗剂；
(5)、在室温或适当加温60℃即可进行清洗；
(6)、整机一体化结构便于移动；
(7)、节省溶剂、清洁纸、能源、工作场地和人工等；
(8)、不需人手接触清洗液，安全可靠。
3、超声波清洗机适用行业及范围
电子、电气、灯具、仪器、仪表、机械、打印机喷嘴、五金、工具、轴承、液压、汽车维修、电镀前处理、医疗、航空、玻璃、眼镜、钟表、珠宝、陶瓷、模具、化纤、制笔。
二、总体方案设计
1、方案1：采用常规继电器控制方法
在过去的许多年，电气控制系统线路基本采用继电-接触器的控制方法，其线路简单、价格低廉，但是随着现代化工艺的发展，复杂的工流程使其越来越不能胜任。虽然采用继电-接触器的控制虽然初期投入较少，但带来的问题是接线复杂、体积大、可靠性不高等一系列问题，且众多的接触控制件容易出现故障，维护不便。
2、方案2：采用可编程控制器控制
随着科学技术的发展，新的电气元件与控制装置不断涌现，使电气控制系统发生了很大的变化。PLC即可编程控制器控制就是随之发展起来的。它取代了继电-接触器的中间控制运算环节，如时间继电器、中间继电器、计数器等。
3、方案论证
性价比分析：方案1采用了常规的继电器控制方式，它不具有自诊断、监控和各种报警功能，方案2采用PLC控制方式它既可以进行顺序控制，又可以进行闭环回路的调节控制，特别是它具有体积轻、重量轻、耗电低、性价比高等优点。
安全性分析：方案1中的安全系数不高，而方案2中采用PLC进行控制可以防止产生寄生电路的影响和一些不必要的失误，比如人工失误或者电机故障。采用PLC可以减少接点个数，进而可以减少环境对接点的影响，它还可以运行于条件恶劣的环境中，防止外界对系统的一些影响，使系统运行安全可靠。
4、方案选择
通过上面的方案选择和方案论证，可以得出选择方案2是最适合本次设计需要的，无论从稳定性、性价比、安全性方面考虑还是环境适应性考虑方案2采用的PLC控制方式是最适合的，所以我们选择具有高稳定性的PLC即可编程控制方式。
5、PLC方案选择
PLC控制系统设计方案又分为：
(1)、经验设计法：采用这种方案，设计的梯形图较为简洁，程序较短，但各状态之间相互牵扯，相互影响。因此，这种方案设计程序显得脉络不清，前后相互影响，容易出问题。
(2)、流程图法（顺序控制法STL）：这种方法是计算机程序设计时常用的方法。它用方框图描述控制过程，方框代表动作，圆圈代表起始位与终了位，连线代表流向，短横线代表状态转换条件。这种图可以把控制对象的工作状态及控制过程清晰地表示出来。使用此法能快速地编出复杂的程序，是一种优越的程序设计的方法，但使用这种方法编写的程序较长。
(3)、方案选择
根据新型控制器带来的新的设计理念，即在PLC的程序中，清晰性、可读性才是最关键的，而程序的长短并不重要，因此，选用流程图法设计控制系统的程序，这样便于在梯形图中发现问题，使系统的可靠性更高。
三、单元模块设计
1、总体设计步骤
设计分为硬件和软件设计，按图1工作流程首先确定PLC控制系统的总设计步骤如图2所示。由于PLC所有控制功能都是以程序的形式来体现的，因此PLC应用设计的大量工作将用在程序设计上，在这里需要注意几个关键性的问题。
（1）、新型控制器带来的设计理念，即编梯形图首先要求是程序的可读性，以方便维修；
（2）、充分利用好PLC的功能；
（3）、采用了PLC之后，减少了外部电器的使用；
（4）、节约输入输出口；
（5）、编程方法的多样性。
2、硬件部分
硬件主要包括电动机主接线电路、电加热器及超声波振荡器电源电路、PLC输入/输出电路、检测电路及PLC报警电路等。
超声波清洗机主电路原理图见附图2所示。
PLC外部接线图见附图4所示。
元器件选择原则、选型及PLC报警电路如下介绍：
已知条件：压缩机P=2KW/380V，加热器P=2KW/380V,挂杆上下电机P=1.5KW/380V,超声波发生器P=1KW/220V。
(1)、PLC的选型
○1、物理结构的选择：整体/模块式、特殊功能模块；
○2、I/O点数的确定：准确统计I/O点数，留10～20%余量； PLC超声波清洗机系统设计
○3、存储器容量的选择：开关量（ I/O点数×8），模拟输入/输出：200字节/路，应留有余量；
○4、PLC指令功能的选择：任何PLC均能满足开关量控制，如有其它控制则需注意选择。
本系统需要21个输入点和15个输出点，根据选择选型原则选用FX2-48MR型PLC。FX2-48MR输入/输出点数均为24；工作电压：220V,50HZ/60HZ；输出类型：继电器输出；功率：40VA。
(2)、空气断路器选用
○1、空气断路器的额定电压和额定电流：应不小于电路的正常工作电压和工作电流；
○2、热脱扣器的整定电流：应与所控制的电动机的额定电流或负载额定电流一致。
(3)、熔断器及熔体额定电流的选择
○1、熔断器的额定电压必须大于或等于线路的工作电压；
○2、熔断器的额定电流必须大于或等于所装熔体的额定电流；
○3、对变压器、电炉、及照明等负载的短路保护，熔体的额定电流应稍大于线路负载的额定电流；
○4、对一台电动机负载的短路保护，熔体的额定电流IRN应大于或等于1 .5～2.5倍电机额定电流IN；
○5、对几台电动机同时保护，熔体的额定电流应大于或等于其中最大容量的一台电动机的额定电流INmax的1 .5～2.5倍加上其余电动机额定电流的总和。
在电动机功率较大而实际负载较小时，熔体额定电流可适当选小些，小到以起动时熔体不断为准。
(4）、接触器的选择
○1、选择接触器的类型 根据所控制的电动机或负载电流类型来选择接触器的类型，即交流负载应使用交流接触器，直流负载使用直流接触器，如果控制系统中主要是交流电动机，而直流电动机或直流负载的容量比较小时，也可用交流接触器进行控制，但是触头的额定电流应适当地选用得大些；
○2、选择接触器的额定电压 通常选择接触器触头的额定电压大于或等于负载回路的额定电压；
○3、选择接触器主触头的额定电流 选用接触器的额定电流应大于或等于电动机的额定电流；
○4、选择接触器吸引线圈的电压 接触器吸引线圈电压一般从人身和设备安全角度考虑，可选择低一些；但当控制线路简单、用电不多时，为了节省变压器，则可选用380V；
○5、接触器的触头数量、种类选择 接触器的触头数量、种类等应满足控制线路的要求。
（5）、热继电器的选择
○1、热继电器的额定电流和热元件的额定电流均应大于电流的额定电流；
○2、在一般情况下，可选用两相结构的热继电器；但当电网电压的均衡性较差、工作环境恶劣或较少有人照管的电动机，可选用三相结构的；
○3、电动机拖动的是冲击性负载（如冲床等），或电动机起动时间较长，或电动机所拖动的是设备不允许停电的情况下，选择热继电器元件的额定电流可比电动机的额定电流高1.1～1.15倍。
（6）、电磁阀的选择
ZDF多功能电磁阀通用于水、电、气、油、弗里昂等粉质较低，对铜不腐蚀的中性气和液体，进行强制调节。阀门开度和局部时间可调，有防止水蚀作用。
选公称直径80mm,公称压力1.6mp.电流电压AC 220（+10%～-15%），50HZ。
（7）、额定电流计算
I=PN/(√3UNηcosø) (A)
其中: PN :负载额定功率(W) UN: 负载额定电压(v)
η: 负载效率(取0.9) cosø: 负载功率因数(取0.85)
○1 压缩机电流：I=2000W/(1.732×380V×0.9×0.85)=3.97 A
○2加热器电流：I=2000W/(1.732×380V×0.9×0.85)=3.97 A
○3 挂杆上下电机电流：I=1500W/(1.732×380V×0.9×0.85)=2.98 A
○4超声波发生器电流：I=1000W/(220V×0.9×0.85)=5.94 A
○5PLC电流：I=40VA/(220V×0.9×0.85)=0.24 A
○6总电流I30：
按需要系数法计算，根据查得压缩机组需要系数Kd=0.75，cosø=0.8,tanø=0.75。
设备总容量：Pe=2KW+2KW+1.5KW+1KW+1KW(附属)=7.5 KW
有功计算负荷：P30=KdPe=0.75×7.5KW=5.625 KW
无功计算负荷：Q30= P30tanø=5.625KW×0.75=4.219 KW
视在计算负荷：S30= P30/cosø=5.625KW/0.8=7.03 KVA
计算总电流： I30=S30/（√3UN）=7.03KVA/（√3×0.38）=10.68 A
（8）、元器件选择
○1电源保护FU1：IRN≥(1.5～2.5)INmax+∑IN =(1.5～2.5)×3.97+（3.97+2.98+5.94）
=(18.85～22.82)A 选用25A的熔体
挂篮电机保护FU2： IRN≥(1.5～2.5)INmax =(1.5～2.5)×2.98
=(4.47～7.45)A 选用10A的熔体
压缩机电机保护FU3：IRN≥(1.5～2.5)INmax =(1.5～2.5)×3.97
=(5.96～9.93)A 选用10A的熔体
○2为保证先进性及可靠性接触器、空气开关、热继电器均采用ABB公司产品。具体型号如附表2元件清单明细表所示。
（9）、报警电路
a）、温度报警
如图3所示，由LM3911温度检测控制集成电路实现温度的采集，集成电路A内部由基准稳压器，温度传感器和一个运放组成，内部基准电压为6.85V，其电源端V＋与输出端OUT间电压与绝对温度成正比，感温灵敏度为＋10mV/℃。因其内部带有基准稳压器，因此只要使用足够大的现流电阻，令其工作电流在几毫安即可。它内部的集成运算放大器可以作比较使用。因此用它作为温度检测和控制器件十分方便。
工作原理：市电经二极管VD半波整流，电容C2滤波，电阻R5限流后加到LM3911集成电路A的V＋端。A的输入端从分压电路R1，R2，RP的电位器RP上取出，作基准比较电压。当传感器检测到实际温度低于RP设定温度时，A的OUT输出高电平，使晶闸管V1触发导通，于是有电流通过电阻R8，双向晶闸管V2也导通，接通中间继电器KA1的线圈，当温度高于设定值时，A的输出为低电平，V1，V2关闭，中间继电器线圈断电，继电器返回初态。如此重复上述过程，使温度恒定在设定值附近。在温度过高的情况下，把该电路用在高温报警停止加热的控制中，中间继电器处于吸合状态，辅助触点接常开，并且该电路平常一直保持测温状态。在考虑沸点温度时，再用LM3911温度检测控制集成电路一块，把温度设定在沸点处，因为氟利昂到达沸点后温升不会在提高，用继电器的常闭辅助触点，使得超声波启动。而PLC的程序设计时，只考虑断开时的状态，而不考虑温度下降后继电器的返回。其中温度过高时由上部检测温度的电路发出报警。下图中，电阻R5作为正反馈电阻，用以消除临界温度点附近V2的工作不稳定性；电容C1为防干扰电容。按图3示参数，电位器RP调整温度范围为20～60℃。弗利昂的沸点温度为32℃，因此该电路已经达到测温和控制温度的目的。
b）、浊度报警
在超声波清洗机中，清洗液应该有一定的纯度才能够实现对物件的清洗，在浑浊度达到一定的程度时就需对清洗液进行更换。实现浑浊度检测由浊度传感器电路完成。如图4、5所示。 PLC超声波清洗机系统设计
浑浊度的检测是采用红外光电传感器来完成的。利用红外线在水中的透光的程度，而产生光电变化，使光电阻阻值发生变化，产生驱动电压，在利用74L71和整流滤波恒压电路的电压翻转和供电，驱动中间继电器线圈，使线圈得电，从而使中间继电器相应的触电动作，产生报警信号，使电铃发声和使指示灯亮。
光电阻传感器是将光信号转换为电阻变化的一种传感器，用这种传感器测量其他非电量时，只要将被测非电量的变化转换成光信号的变化即可，这种测量方法具有结构简单，非接触，高可靠性，高精度和反应快等优点。故广泛用于自动检测系统中。
光敏电阻选用国产MG42-5A型密封硫化镉光敏电阻。中间继电器选用DZ-431/1104，由直流12V电压驱动。发光二极管采用红外发光二极管，波长900nm,正向电压1.3～1.5V(10mA 时)，光功率为100～500uW。
C）、液位检测
本设备禁止干烧，即应有液位检测用灵敏开关，它是一种灵敏度很高的开关元件，只需要很小的力即可使开关闭合，反应快，精度高等优点，在本次设计中是为了和浮筒相互配合完成液位检测报警的功能。它一般是通过传感器和一些电磁机构来实现。
浮筒：采用它的原因是结构简单，和一些开关元件相互配合完成液体液位检测更重要原因是价格便宜。
超声波洗机控制面板及内元件分布图见附图3所示。
3、软件部分
在了解了系统的工艺要求的基础上可画出超声波清洗机控制工艺流程图如附图1所示。根据工艺要求确定PLC的输入、输出点数，确定后列现I/O分配表见附表1所示。根据工艺流程图画出系统状态转移图见图6所示。
主程序控制具有如下特点：
（1） 盖开关受压时才能启动。在自动状态运行中，若打开盖子，则系统处于暂停状态。门一合上，程序继续运行。
（2） 在暂停状态下，可以进行加液和排液操作。
（3） 无论处于何种运行状态下，一旦出现故障报警，清洗工作立刻停止，但压缩机不停，若故障严重，不能及时排除，可通过急停按钮或切换至手动状态按下停止按钮停止压缩机。
（4） 压缩机出现故障停止，则主程序立刻停止。
（5） 在自动状态下，按下停止按钮，程序在完成全部清洗工作后停止，并使压缩机延时3分钟停止，让清洗箱内的余热充分散发。
主程序控制原理：
启动程序之前，必须盖紧盖子，使X5通。通过选择开关选择运行状态。若选定自动运行，按下启动按钮，压缩机启动，清洗工作进入自动程序中，挂篮开始下降，到位压合行程开关，X2通，运行停止，并开始启动加热器（通过中间元件M1转换驱动），温度达到沸腾，通过温度控制电路使X6通，状态开始转移至超声波发生器启动，20分钟后关闭，挂篮上行至蒸汽区压合上限位行程开关，X4通，停留5分钟，然后自动启动喷淋。喷淋5分钟后，关闭喷淋，清洗工作结束（压缩机不停），结束指示灯亮，打开盖子，X5断，结束指示灯灭，取出工件，完成一次清洗任务。若还要清洗其它工件再把工件放入挂篮中，盖紧盖子，按下启动按钮，清洗机再次自动完成一次清洗任务。任意时候，按下停止按钮，清洗机在完成全部清洗工作后，延时3分钟停止压缩机。
若选择手动运行，则按下启动按钮后，只是启动压缩机，清洗工艺流程不再是自动完成，每一步状态均由人工手动完成，每一种状态之间没有严格的顺序，由人为的干预而定。
公用程序用于驱动接触器，电磁阀等元件，以便使对应的设备工作，手动/自动程序通过中间元件调用它。
故障检测程序控制原理：
当报警条件达到时，X17～X22中任意一个或多个通，输出端对应输出脉冲使灯闪烁，工作人员处理报警时，按下报警响应按钮，X24通，M6使Y14短，对应的故障信号输出直通，结果报警音响不响，灯常亮。故障处理完毕后报警条件消除，对应的故障指示灯灭。X23通，可测试灯和报警音响是否正常。
故障报警控制程序:PLC故障报警电路由梯形图8完成，此报警梯形电路与主梯形图7是接为一体的（为方便读图，单独例出）。
主程序梯形图:依照图6手动/自动操作状态流程图编写出主梯形图如图7所示。
PLC中间状态元件表如下表所示：
中间状态元件表
序号 中间元件 作 用
1 M0 进入自动程序
2 M1 启动加热器（自动）
3 M2 自动清洗结束标志（驱动结束指示灯）
4 M3 启动加热器（手动）
5 M4 正常停止标志（用以控制压缩机延时停止）
6 M5 保持结束标志（用以控制压缩机延时停止）
7 M6 故障响应时，短接故障灯闪烁
8 M7 取故障状态
9 M8 进入手动程序
10 M9 挂蓝向下运动（自动）
11 M10 挂蓝向下运动（手动）
12 M11 启动超声波发生器（自动）
13 M12 启动超声波发生器（手动）
14 M13 挂蓝向上运动（自动） PLC超声波清洗机系统设计
中间状态元件表（续）
序号 中间元件 作 用
15 M14 挂蓝向上运动（手动）
16 M15 启动喷淋（自动）
17 M16 启动喷淋（手动）
18 M17 停止压缩机（手动）
19 M18 加/停清洗液
20 T0 超声波发生器工作定时（自动）
21 T1 对工件置于蒸汽区定时，（自动）关闭加热器
22 T2 喷淋定时（自动状态下）
23 T3 超声波发生器工作定时（手动状态下）
24 T4 对工件置于蒸汽区定时，关闭加热器（手动状态下）
25 T5 喷淋定时（手动状态下）
26 T6 正常停机情况下，延时停止压缩机（自动状态下）
27 T7，T8 故障灯闪烁源
四、系统调试
系统设计完成后进行必要的硬件、软件调试。本系统程序调试采用了GX Simulator Version6 PLC模拟调试软件及GX Developer Version 7 PLC设计/维护工具进行了防真调试，限位开关及温度传感检测用调试程序中的模拟开关代替，经调试，本程序能够达到工艺和要求。
五、超声波清洗机的正常使用
1、使用：超声波清洗机的使用应严格按以下要求分部操作。
（1）联结好清洗槽与发生器之间的电缆；
（2）将清洗液倒入清洗槽中（倒入清洗液的量就为放入被清洗物时，液面的位置约为整体的四分之三为佳）；
（3）将被清洗物放入清洗槽；
（4）合上电源总开关QF1、PLC电源开关QF2、PLC负载电源开关QF3等电源；
（5）设立手动/自动运行方式，开机。
2、注意事项
（1）在清洗槽中没有倒入清洗液或水时，严禁开机，否则可能损坏仪器；
（2）电缆联结器在使用前必需确立联结头是否受潮，如有受潮现象，应先处理干燥后，方可使用；
（3）勿使清洗液及水流到发生器中，以免损坏仪器。
3、使超声波清洗效果最佳的方式
（1）超声波清洗槽的温度最好为32+5℃；
（2）根据不同的清洗对象正确选择清洗剂。清洗剂一般分为水基（碱性）清洗剂、有机溶剂清洗剂和化学反应清洗剂。通常使用最多的为水基清洗剂（本次设计的清洗剂为沸里昂TMC 沸点为32℃）。
4、超声波清洗机的清洗剂的循环使用超声波清洗方式可以节约大量的清洗剂，每次使用完清洗机后，最好将清洗液放入容器中，下次使用时再倒入清洗槽，余下的沉淀物可处理掉。如清洗液的浓度不够时，适量加入一点即可重复使用。
六、超声波清洗机技术指标
电源：AC 220V±10% 50Hz±5%
超声功率：1000 W
频率：28kHz±10%
七、设计总结
现代电气控制技术课程设计是电气工程及其自动化专业的重要课程设计之一。本课程设计吸收了有关教材和资料的长处及本领域新技术内容的基础上，将超声波清洗机工作流程设计与以前所学内容相结合。重点阐述了超声波清洗机的工作流程和各检测部分。
这次现代电气控制技术的课程设计主要分五部分，首先是总体方案的设计，选择设计方案和控制方法。接下来是各单元模块的设计。包括硬件和软件，其中硬件有各元器件的选择，而软件主要是调试，看各部分的功能是否符号要求。最后就是整个系统的调试。看各部分是否匹配。
