1、基于PLC的全自动超声波清洗机设计毕业作品摘 要本套清洗系统，采用Mitsubishi（三菱）FX2N-64MR可编程控制器（PLC）为主控器，威伦MT6070iH型触摸屏为辅助操作界面，两者之间采用RS485（串行）通讯，设计出了一套可手/自动运行的集超声波、喷淋、鼓泡、烘干为一体的全自动清洗机。其工位转换运用了减速电机和气缸相结合的方式，进行了优势互补。各种传感器：温度（Pt100）、电感（Autonnics PRCML18-5DN）、行程开关的加入为系统的正常运转提供了保障。并且还有次级控制器：变频器（OMRON 3G3JZ-A4007）、温度控制仪（OMRON E5CZ）作为保障，使得
2、整个系统更加稳定、可靠。该清洗系统，可广泛应用于机械制造、医疗卫生、航空航天、电子等各个行业。关键词：PCL，触摸屏，变频器，传感器，超声波，电路设计，系统开发 第一章 引 言随着生产力和科学技术的不断发展，人们的日常生活和生产活动大量的使用自动化控制，不仅节约了人力资源，而且很大程度的提高了生产效率，又进一步的促进了生产力快速发展，并不断的丰富着人们的生活。早期的自动控制系统是依靠继电器接触器来实现的，其特点是：结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，可以实现集中控制和远距离控制，但是其采用固定接线，通用性和灵活性差；又采用触点的开关动作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。1969年，出现了可编程
3、逻辑控制器PLC，其特点是：具备逻辑控制、定时、计数等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。目前，可编程控制器PLC主要是朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的方向发展，与计算机技术相结合，形成工业控制机系统、分布式控制系统DCS(Distributed Control System)、现场总线控制系统FCS(Field bus Control System)，这将使PLC的功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用范围更广。在工艺参数较多,需要人机交互时, 配合使用具有触摸操作和通信功能的人机界面就是一种很好的选择。在本文的清洗系统中, 通过
4、PLC 及人机界面与变频器的通信应用, 可以在人机界面上直接设定清洗值与起停各台水泵和动作机构, 能实时监控超声波,温度,电机跳闸等等的情况, 并具有报警等功能。第二章 系统主要机构原理2.1 PLC的基本结构1.中央处理单元(CPU):中央处理单元 (CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系统程序赋予的功能：a. 接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 2.存储器:可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储
5、器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存放数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。 3.输入接口电路:输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实际涉及到的信号当中，开关量最普遍。4输出接口电路:可编程序控制器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)三种输出形式。5电源：PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。如FX2N额定
6、电压AC100V240V，而电压允许范围在AC85V264V之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。一般小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。2.2 PLC的工作原理PLC是采用循环扫描的工作方式。一个扫描周期主要可分为3个阶段。在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条
7、开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。 显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在
8、一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。超声波清洗机的主要原理即超声的“空化作用”，所谓“空化”即把液体放入清洗机内，槽内作用超声波，由于超声波与声波一样千种疏密的振动性，使介质的压力作交替变化，在超声出现负压区域的液体中产生振力，且
9、形成真空气泡，并被后面的压缩力挤压而破灭。这种超声强大的振动，当声压达到一定空值时，气泡将迅速增长，然后又突然闭合时，由于液体间相互碰撞产生强大的冲击波，在其周围产生上千帕的大气压力，这就是超声空化。超声波清洗机的机理是把超声波电能高效转化为超声波机械能，这种超声波机械能能使液体产生空化作用，形成细微的空化气泡，当空化气泡消失时能产生极大地冲击力，当被清洗物件受到这种冲击力的作用时，黏附在其表面的各类污物将被剥离。超声波清洗机具有高效低噪，清洗质量好，速度快，并能灵活组合，达到清洗各种盲孔，微孔，深孔等其他清洗方法难以清洗的目的。由于具有以上独特的性能，所以被越来越多的人认识和接受，更被广泛的
10、应用于航天航空、军工、电子、机械、钟表、光学、医疗、光纤、电镀等行业。超声波清洗机由两部分组成，一是超声波发生器，二是换能器阵列.超声波发生器内有PWM开关集成电路产生开关信号，推动由大功率模块组成的全桥放大电路放大，经高频变压器隔离变换，再经匹配电感后耦合到清洗缸上的换能器阵列上，实现将220V电网电能转换成高频机械能，达到无损清洗的目的。第三章 系统硬件组成本清洗机有两大部分组成,即电气控制部分和机械执行部分.电气控制部分又分为信号输入与动作输出;机械执行部分又分为主清洗槽与储液槽以及整体支撑框架三部分.主电路在输入触点中，包含了各种光电传感器、电感传感器、按钮、以及人机界面。3.1.3
11、动作输出为了起到电气隔离，保护整个系统，所以都用到了24V中间继电器来控制其他交流接触器。3.2 人机界面 人机界面是新一代高科技可编程终端 , 专为PLC而设计的互动式工作站 , 具备与各品牌 PLC连线监控能力 , 适于在恶劣的工业环境中应用 , 可代替普通或工控计算机。其主要特点有: 画面容量大 , 可达 255 个画面 , 画面规划简单。ADP3 全中文操作软件 , 适用于Windows95/ Windows98环境 ,巨集指令丰富 , 编程简单。交互性好 , 抗干扰能力强 , 通信可靠性高。自动化程度高 , 操作简单方便 , 故障率低 , 寿命长 , 维修量少。3.2.2人机界面的功
12、能人机界面的主要功能有: 设计者可根据需要编辑出各种画面 , 实时显示设备状态或系统的操作指示信息。人机界面上的触摸按键可产生相应的开关信号 , 或输入数值、字符给 PLC 进行数据交换 , 从而产生相应的动作控制设备的运行。可多幅画面重叠或切换显示 , 显示文字、数字、图形、字符串、警报信息、动作流程、统计资料、历史记录、趋势图、简易报表等。项目内容电源输入电压范围AC220V15%额定频率50/60Hz额定功耗5W数字端子数字控制信号输出（RUNEMG）开关量输出 3A/30V+5V传感器电源最大供电电流50mA+24V传感器电源最大供电电流30mA继电器触点容量3A/250V(AC)或3
13、A/30V(DC)模拟端子P1采样分辩率5V/10BITVRC分辩率/最大负载电流0.5%/10mA环境条件环境温度-1070环境湿度90%以下（无水珠凝结）振动长宽厚主机：192138重量3.3 清洗槽布局3.3.1 主体布局主体布局图工艺流程：超声波粗洗超声波精洗喷淋精洗压缩空气鼓泡热风烘干3.3.2 传动系统传动气路图传动流程图第四章 操作说明把设备上的急停按钮复位，按电源按钮，电源指示灯按钮亮后表示开机正常。把旋钮旋到手动状态，按“手动开始”按钮，“手动开始”灯亮后，点击触摸屏上的“手动操作”触摸键进入手动操作界面，点击对应的触摸键在条件满足时进行相应的操作，各触摸键能运行对应操作条件
14、为:上料电机:在提升电机在上限或上极限时，上料终点限位和上料终点极限位没信号时。下料电机: 在提升电机在上限或上极限时,下料终点限位和下料终点极限位没信号时。槽盖伸出: 在提升电机在上限或上极限时,槽盖伸出限位没信号时。槽盖缩回: 槽盖缩回限位没信号时。1#加热器:在液位超过限位，温度没达到时。1#循环泵: 在液位超过限位时。1#超声波: 在液位超过限位时。2#加热器:在液位超过限位，温度没达到时。2#循环泵: 在液位超过限位时。2#超声波: 在液位超过限位时。3#加热器:在液位超过限位，温度没达到时。12#循环泵: 在液位超过限位时。喷淋:在液位超过限位、喷淋盖气缸伸出到限位时。4#加热器:
15、温度没达到时。鼓泡阀:在4#加热器开时。鼓风机发热包:在槽盖气缸伸出到限位，温度没达到时。脱钩气缸回缩:提升电机在下限或下极限，平移气缸在伸出限位时。脱钩气缸伸出:提升电机在下限或下极限，平移气缸在缩回限位时。平移气缸缩回: 提升电机在上限或上极限。平移气缸伸出: 提升电机在上限或上极限。(21)提升电机提升:在平移气缸缩回、脱钩气缸伸出时或者在平移气缸伸出、脱钩气缸缩回时，没到提升上限或上极限。(22)提升电机下降:在平移气缸缩回、脱钩气缸回缩时或者在平移气缸伸出、脱钩气缸伸出、下料起点没料时，槽盖气缸在缩回限位、提升电机没到提升下限或下极限。手动操作下，在触摸键操作ON时，再按一下触摸键操
16、作会变为OFF。手动操作时，再按下“手动开始”按钮，会停止手动操作。把旋钮旋到自动状态，按“自动开始”按钮，“自动开始”灯亮后，点击触摸屏上的“自动操作”触摸键进入自动操作界面，自动操作开始后，流程会按照下料流程进行自动操作自动下降过程-自动取货过程-自动取货提升-自动平移伸出-自动下降放货-自动脱钩放货-自动脱钩上升-自动清洗+平移气缸回缩自动操作时，再按下“自动开始”按钮，会停止自动操作。当出现报警时、手动操作界面和自动监控界面上的“报警”触摸键闪烁。三色灯的红灯和面板上的报警等亮、蜂鸣器响。点击触摸屏上的“报警”触摸键进入报警画面查看报警内容，按报警复位触摸键复位可复位的报警。“蜂鸣关闭
17、”可关闭蜂鸣器声音。各个报警内容及处理提升电机超下极限报警:检查提升电机下限是否损坏或不能正常检测到。提升电机超上极限报警: 检查提升电机上限是否损坏或不能正常检测到。平移气缸回缩超时报警:检查平移气缸是否卡死或限位安装正常。平移气缸伸出超时报警：检查平移气缸是否卡死或限位安装正常。脱钩气缸回缩超时报警：检查脱钩气缸是否卡死或限位安装正常。脱钩气缸伸出超时报警: 检查脱钩气缸是否卡死或限位安装正常。槽盖气缸伸出超时报警: 检查槽盖气缸是否卡死或限位安装正常。槽盖气缸缩回超时报警: 检查槽盖气缸是否卡死或限位安装正常。电机跳闸报警: 控制电机或加热器的断路器跳闸，检查电机或加热器。1#槽液位过低
18、报警：液位计是否损坏或缺水。2#槽液位过低报警：液位计是否损坏或缺水。3#槽液位过低报警：液位计是否损坏或缺水。4#槽液位过低报警：液位计是否损坏或缺水。5#槽液位过低报警：液位计是否损坏或缺水。按急停按钮停止电源控制电源，检修设备时要把控制柜内的总开关关闭。第五章 设备选型及技术参数 品牌名称型号数量三菱PLCFX2N-64MR-0011威伦触摸屏MT6070iH 2WV1ATP按钮LA39-G11/G233欧姆龙开关电源S8JC-Z15024C1欧姆龙变频器3G3JZ1施耐德断路器NSX 100F MA 100 3P FFC1施耐德断路器GV2-ME32C2施耐德断路器GV2-ME24C2
19、施耐德断路器GV2-ME18C3施耐德断路器GV2-ME16C1施耐德断路器GV2-ME12C2施耐德断路器GV2-ME08C2施耐德断路器GV2-ME06C2施耐德交流接触器LC1-D32M7C2施耐德交流接触器LC1-D24M7C2施耐德交流接触器LC1-D16M7C2施耐德交流接触器LC1-D09M7C8施耐德热继电器LRD16C1施耐德中间继电器LZD-D24MC14技术参数参数项目电压频率功率接线方式型号换能器220V28KHz100W 152二线制超声波一槽加热380V50Hz二/三线制超声波二槽加热380V50Hz二/三线制超声循环泵380V50Hz0.4KW 2四线制鼓泡槽加热
20、380V50Hz二线制喷淋储液槽加热380V50Hz6.0KW 3三线制喷淋泵380V50Hz7.5 KW 1四线制喷淋循环泵380V50Hz1.0 KW 1四线制烘干加热380V50Hz2.0 KW 3三线制烘干风机380V50Hz0.75KW 1四线制提升马达380V50Hz0.75KW 1四线制上/下料马达380V50Hz0.2KW 2四线制整机最大总功率380V/220V50Hz70KW三相四线制第六章 程序设计结 论针对五槽全自动超声波清洗机的设计流程，对机床的工作原理都必须了解。通过这次设计构思，到设计完成我记忆深刻，有不少的收获和提高。这次程序设计由于经验不足等原因，对设计过程中
21、出现的问题有了深刻的了解。要结合现场实际情况进行分析，细心观察，对引起缺少动作而报警原因的多个方面做出细致的比较与分析，优化检查的顺序与方法。对发现的问题进行综合的分析、彻底查找出故障。这是我对五槽全自动超声波清洗机程序设计工作的一些认识和理解，不足之处，请各位老师对我多提宝贵意见。参考文献1 李建兴.可编程序控制器应用技术.北京：机械工业出版社，2004.2 陈宇，段鑫.可编程序控制器基础及编程技巧.广州：华南理工大学出版社，2002.3 王永华.现代电器控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，2003.4 高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例.北京：人民邮电出版社，2004.
22、5 廖常初.PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，20056 郁汉琪.电气控制与可编程序控制器, 东南大学出版社,2003.7 易传禄主编.可编程序控制器应用指南 , 上海科普出版社,2004.8 张进秋可编程控制器原理及应用实例M北京：机械工业出版社，20039 汤以范主编电气与可编程序控制器技术 . 机械工业出版社,2005.致 谢三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。三年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，在此感谢不辞辛苦的老师们。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！ 同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。
