基于三菱PLC控制的超聲波清洗機應(yīng)用

胡青龍

（無錫中科電氣設(shè)備有限公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

汽車發(fā)動機零部件在數(shù)控中心加工過程中，表面會沾滿切削液或灰塵，致使零部件清潔度無法滿足裝配要求，因此必須清洗零部件以滿足其裝配的要求。由于汽車零部件的復雜性及切削液的強附性，常規(guī)清洗效果不理想。目前利用超聲波清洗已成為國內(nèi)外最有效的清洗手段，并逐步深入到科技領(lǐng)域的方方面面和多種生產(chǎn)環(huán)節(jié)，特別在汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用更為普遍[1]。當今市場上已有一些采用超聲波原理的清洗設(shè)備，但清洗過程中出現(xiàn)水漬導致清潔無法滿足要求的情況時有發(fā)生。為此，在借鑒原有超聲波技術(shù)的基礎(chǔ)上增加移動噴淋、超聲波次數(shù)、清洗（漂洗）以及移動風切等工序，研制了新型超聲波清洗機，旨在實現(xiàn)汽車零部件清洗的機械化、自動化[2]。

1 工藝順序及控制要求

超聲波清洗機的任務(wù)是把清洗框中（經(jīng)過檢驗員檢測完成）的零部件通過傳動電機運送至不同的清洗池中，通過噴淋、超聲波清洗、漂洗以及鼓泡等步驟去除零部件表面污漬，然后通過烘干使其表面干燥光潔，達到零部件使用的要求。該超聲波清洗機系統(tǒng)由自動加熱、循環(huán)系統(tǒng)和搬運傳送3部分組成。設(shè)備在調(diào)試或出現(xiàn)故障時，可通過手動方式實現(xiàn)單步動作或返回設(shè)備到原始狀態(tài)工作位置。

超聲波清洗機是一種典型的順序控制方式，其工藝流程：人工上料——移動噴淋——超聲波清洗——超聲波漂洗——純水超聲漂洗——移動風切劈水——轉(zhuǎn)移輸送——熱風烘干——風吹冷卻——人工下料[3]。

超聲波清洗機的控制部分由觸摸屏（人機界面）系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)兩部分組成。觸摸屏（人機界面）系統(tǒng)負責顯示設(shè)備的運行狀態(tài)，清洗機自動與手動控制狀態(tài)的切換，清洗機所有設(shè)備的手動控制以及傳動機構(gòu)、噴淋水泵、循環(huán)泵、移動劈水、加熱器的自動開啟；PLC 系統(tǒng)負責采集現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)反饋給觸摸屏系統(tǒng)予以顯示，同時接收觸摸屏系統(tǒng)發(fā)出的啟動命令，通過自身的邏輯關(guān)系開啟對應(yīng)的設(shè)備。

1.1 控制要求

當系統(tǒng)處于手動狀態(tài)時，操作人員可以通過觸摸屏上面的軟按鈕開啟對應(yīng)的設(shè)備，同時監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)。

當系統(tǒng)處于自動狀態(tài)，操作人員可以通過觸摸屏上面的“自動啟動”軟按鈕，啟動（清洗、漂洗、純水漂洗）循環(huán)泵以及（清洗、漂洗、純水漂洗）加熱器。循環(huán)泵的作用是使清洗槽內(nèi)的液體流經(jīng)過濾器保持清洗槽內(nèi)水的清潔，需持續(xù)運行且受對應(yīng)清洗槽內(nèi)液體液位的控制。當液體液位處于低位時，停止對應(yīng)循環(huán)泵運行[4]。

考慮到設(shè)備的安全運行，清洗機的上下料采用人工操作，把需要清洗的工件裝入清洗框中放入清洗準備位置時，人工按下系統(tǒng)“啟動”按鈕，上料電機開始運行。當上料電機運行帶著清洗框遮擋住上料光電時，上料電機停止運行，傳動電機開始下降運行；當傳動電機下降到位，掛鉤氣缸前進勾住清洗框后，傳動電機開始上升；當傳動電機上升到位，前進氣缸前進使清洗框位于噴淋槽上方，傳動電機開始下降，下降到位，掛鉤氣缸后退，使清洗框脫離掛鉤，傳動電機開始上升，上升到位，前進氣缸開始后退，氣缸后退到位[5]。至此，傳動電機的工作已經(jīng)結(jié)束，等待下一個循環(huán)的來臨。噴淋槽氣動門關(guān)閉開始噴淋，清洗槽與漂洗槽超聲波開始超聲清洗，純水漂洗槽內(nèi)的液體利用壓縮空氣進行鼓泡漂洗，移動風切劈水進行往返劈水，每個工序的運行都需要計時，當運行時間到達設(shè)定值時停止當前工序的運行，所有工序的運行時間全部到達設(shè)定值時，才代表清洗工作全部完成，傳動機構(gòu)方可允許動作。傳動機構(gòu)通過機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使上料與噴淋槽、清洗槽、漂洗槽、純水漂洗槽、移動風切槽內(nèi)的清洗籃子同步升降，完成工序的整體移動[6]。當下一個清洗籃子進入清洗槽時，傳動機構(gòu)回到起始等待位置后停止運行，系統(tǒng)開始進入清洗工序，同時第二個清洗籃子人工準備就緒；當清洗工序全部完成后，狀態(tài)指示燈閃爍報警后人工按下傳動“啟動”按鈕，傳動開始運行，依次類推，由于清洗機的長度有限，清洗機清洗部分可以進入5個清洗籃進行清洗和劈水。如果想進入第6個清洗籃時，必須等第一個進入且已經(jīng)清洗好的清洗籃進入轉(zhuǎn)移輸送位時，由輸送電機自動帶入烘干箱后方可進行。

需要清洗的工件已經(jīng)清洗完畢，但清洗機內(nèi)還有5 個清洗籃子需要處置，如果上料位沒有清洗籃子遮擋光電開關(guān)時，傳動機構(gòu)不會自動運行，此時只需要按下“退料”按鈕，傳送機構(gòu)繼續(xù)運行，下一個清洗好的工件清洗籃進入轉(zhuǎn)移送位，通過輸送電機自動進入烘干部分。通過多次退料操作，方可完成清洗槽內(nèi)的工件清洗。待烘干箱內(nèi)所有工件烘干完畢后，下料電機完成烘干箱內(nèi)部所有工件的下料后方可停止設(shè)備清洗機，關(guān)閉設(shè)備清洗機電源。

當在清洗機運行過程中按下傳動“停止”按鈕，清洗機停止運行，如果需要清洗機繼續(xù)運行時，只需按下“啟動”按鈕后，清洗機方可繼續(xù)進行工件的清洗工作。

超聲波清洗機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超聲波清洗機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 超聲波清洗機PLC接線圖

圖3 超聲波清洗機擴展模塊接線圖

2 超聲波清洗機PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)超聲波清洗機的工藝要求及控制需要，清洗機有如下主要設(shè)備：水槽循環(huán)泵3臺；上料電機、下料電機、輸送電機各1 臺；提升電機1 臺；噴淋水泵1 臺；攪拌風機1 臺；電動滾筒4 個；風冷風扇6 個；烘道風切電機1 臺；3 臺超聲波；5臺電加熱。8個雙線圈電磁閥負責8個氣缸的動作；3個單線圈電磁閥負責上下風刀劈水和純水漂洗槽的鼓泡。

對I/O做如下分配[7]。

（1）輸入端

啟動/緊急停止按鈕，3點；電機運行狀態(tài)及保護，24點；超聲波運行狀態(tài)，3點；電加熱運行及保護，13點；機構(gòu)限位及氣缸到位，20點；光電傳感器[8]，5點；低液位保護，7點；上下風刀及鼓泡狀態(tài)，3點；照明狀態(tài)，1點，以上輸入共計79點。

（2）輸出端

系統(tǒng)運行狀態(tài)及報警，4 點；氣缸運行控制，19 點；超聲波運行控制，3 點；電加熱控制，10 點；電機控制，13點，照明，1點，以上輸出共計50點。

根據(jù)客戶對品牌要求以及性價比，選擇日本三菱FX3U系列可編程序控制器作為超聲波清洗機的中央處理單元。結(jié)合輸入/出的點數(shù)數(shù)量，在考慮20%的備用量基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)選用三菱FX3U 系列FX3U-128MR/ES 可編程序控制器作為主控制模塊，2塊FX2N-16EX模塊作為數(shù)字量輸入的擴展模塊。

超聲波清洗機PLC接線圖如圖2所示，擴展模塊接線圖如圖3所示。

3 FX3U-128MR/ES

FX 系列PLC 是三菱PLC 家族小型機的代稱，F(xiàn)X3U 是FX系列中的一種，支持高速處理、CC-Link通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊、模擬量控制及高級定位系統(tǒng)，通過使用種類豐富的功能擴展板及特殊適配器，可實現(xiàn)高精度控制，與FX2N相比，功能得到大幅強化與提升。FX3U具有高速運算處理能力，如基本指令運算達到0.065 μs /指令，應(yīng)用指令0.642 μs /指令；內(nèi)置程序內(nèi)存達到64 000 步，使用帶程序傳送功能的閃存存儲器盒可實現(xiàn)大容量存儲；具有7680 點輔助繼電器、512 點計時器、235點計數(shù)器、8000數(shù)據(jù)寄存器；實際控制的最大輸入輸出點數(shù)可達到256 點[9]?？梢奆X3U-128MR/ES 可編程序控制器能夠滿足此超聲波清洗機控制要求。

3.1 元件選擇

根據(jù)超聲波清洗機的工藝要求，控制系統(tǒng)部分元件選擇如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)部分元件

3.2 控制系統(tǒng)程序邏輯圖

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求繪出清洗機清洗部分邏輯圖，如圖4所示。

圖4 清洗機部分邏輯圖

3.3 控制系統(tǒng)梯形圖

根據(jù)超聲波清洗機控制系統(tǒng)的順序功能圖編寫出系統(tǒng)的梯形圖，如圖5～8所示。

圖5 系統(tǒng)初始化部分程序（回原點程序）

圖6 系統(tǒng)部分手動程序

4 結(jié)束語

圖7 系統(tǒng)部分自動程序

圖8 系統(tǒng)緊急停止程序

利用超聲波原理設(shè)計制造的新型清洗機現(xiàn)場安裝投入使用后，清洗干燥效果滿足設(shè)計要求，解決了現(xiàn)場其他品牌清洗設(shè)備在清洗干燥過程中存在水漬的現(xiàn)象。該超聲波清洗機利用PLC作為控制單元，具有操作簡單、運行可靠、維護方便的特點，降低了操作人員的勞動強度和勞動成本，得到了客戶的肯定。