PLC超声波清洗机系统设计 第4页
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10cm/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、汽车文修、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，文护不便。
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
设计小组由李伟、周俊帆、冯春 、羊以刚、庄柳艳、唐柳明辣人自由组合而成，我在本项设计中主要承担了浊度传感器、报警电路的设计与绘制、器件的选型等工作、共同完成了方案的比较、论证、选择及系统软件的调试等工作。
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，以方便文修；
（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；
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