基于PLC的發動機連桿清洗線控制系統設計

方 強，姜莉莉，莫偉強

（廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006）

0 引言

連桿作為發動機上的核心零件，其表面清洗的干凈程度會直接影響到發動機的正常運行。很長時間以來，國內針對連桿專門的清洗設備較少，清洗技術也比較薄弱。隨著我國工業的快速發展，發動機連桿的需求量在不斷地增大，同時對連桿的質量要求也不斷在提高［1-2］。針對以上問題，專門研究設計了一套針對發動機連桿的自動化清洗線。

1 清洗線的工藝流程和工作原理

發動機連桿的自動化清洗線示意圖如圖1所示。

圖1 發動機連桿的自動化清洗線示意圖

根據連桿的清洗要求，將清洗線的工藝流程安排如下：超聲波清洗→高壓噴淋→浸泡防銹液→烘干，即清洗線由超聲波清洗、高壓噴淋、浸泡防銹液和熱風烘干4個工位組成［3］。人工將待清洗的連桿放入工裝夾具，并將夾具置于預放工位后，步進電機會帶動上托板移動到上料位置，主氣缸上的掛鉤下降到適當位置將夾具掛起，各工位門同時打開，步進電機帶動上托板移動一個工位，主氣缸下降到適當位置將夾具平穩放下，掛鉤退出，上托板返回到上一工位取料位置，各工位門同時關閉。當清洗完成后，掛鉤下降將夾具掛起，鼓風機啟動將連桿吹干，各工位門打開，夾具移動到下一個工位，如此循環工作［4］。清洗完成后的連桿，送到待包裝工作區。連桿清洗線的工藝流程如圖2所示。

圖2 連桿清洗線的工藝流程圖

分析連桿清洗線的各工位功能及其基本工藝流程，控制系統需要滿足以下控制要求：

（1）為了保證控制系統運行的安全性，電氣系統需有開機初始化、自診斷和急停保護功能。

（2）為了保證控制系統的可靠性和易維護性，應采用氣缸與電機為動力源，并采用按鈕集中控制和觸摸屏控制。

（3）針對清洗線對不同工作模式的要求，應有手動和自動兩種清洗工作模式。其中，自動清洗模式應包含高強度清洗、標準清洗和輕度清洗3種子模式，以滿足連桿不同的清洗要求。

（4）基于連桿的結構特點和清潔度要求，高壓水射流噴頭的壓力、流量和清洗時間等參數應可調。

（5）為了保證連桿的清洗質量，清洗池中清洗液的液位、溫度和污染度等參數可設定并能實時監控［5］。

2 清洗線控制系統設計及硬件選型

連桿清洗線自動控制系統由上位機觸摸屏、下位機可編程控制器PLC組成。PLC有數字量輸入與模擬量輸入，數字量輸入端連接手動／自動旋鈕、進水／排水旋鈕、開機／停機按鈕等；模擬量輸入端采用A／D模塊，連接溫度傳感器、液位傳感器和水質監測傳感器，這些傳感器能夠實時采集清洗池中清洗液的溫度、液位和污染度。PLC也有數字量輸出與模擬量輸出，數字量輸出端連接步進系統、電磁閥和交流接觸器等；模擬量輸出端采用D／A模塊，與變頻器、電阻絲等連接［6］。

該清洗線自動控制系統PLC采用三菱FX3U-128MT系列作為下位機控制器，并選用特殊功能模塊，2個FN2N-4AD模擬量輸入模塊（此模擬量模塊是將液位、溫度等信號轉化為1V～5V，4mA～20 mA，然后發送到PLC進行處理）和1個FN2N-4DA模擬量輸出模塊。人機界面選用威綸通TK6070ip系列觸摸屏。連桿清洗線控制系統框圖如圖3所示。

圖3 連桿清洗線控制系統框圖

3 控制系統軟件設計

軟件設計有手動工作方式與自動工作方式兩個模式。手動工作方式主要用于運行前調試，通過觸摸屏上不同的按鈕實現不同操作。自動工作方式是清洗線的主要工作方式。控制系統采用順序控制設計方法，即按照清洗工藝預先規定的順序，在各輸入信號的作用下，根據內部狀態和時間順序，在清洗過程中各執行機構自動有序地進行動作。運用順序控制設計時，應根據控制系統程序流程圖畫出順序功能圖，再根據順序功能圖畫出梯形圖［7］。連桿清洗線控制系統程序流程圖如圖4所示。為了保證各動作的順序性，系統在軟件設計上采用了前后動作互鎖功能，使前后動作嚴格按照工作節拍進行。

4 觸摸屏界面設計

采用威綸通的TK6070ip系列HMI觸摸屏，能夠理想、生動地顯示PLC、單片機、PC機上的數據信息，并支持與大多數的PLC直接通信。PLC傳輸數據不需要運行其他任何特殊程序，可以快速有效地實現現場數據的采集、處理、監控和輸出。連桿清洗線控制系統的觸摸屏主界面如圖5所示［8］。

該系統的觸摸屏界面有以下特點：①主界面下有4個二級子界面，簡單美觀，方便用戶理解和操作；②清洗模式選項包括自動清洗和手工清洗兩種模式；③參數設置包含清洗時間、水質污染度、清洗液溫度等參數的設定；④報警記錄界面可以同步反映設備的報警事項，并直接在觸摸屏上面伴隨著報警聲音實時顯示出來；⑤每個下級界面右下角均有一個快捷鍵返回到上級界面和主界面。

圖4 連桿清洗線控制系統程序流程圖

連桿自動清洗線實物運行圖如圖6所示。

圖5 連桿清洗線控制系統觸摸屏主界面

圖6 連桿自動清洗線實物運行圖

5 結束語

本研究提出的自動清洗線將多道清洗工序集中在一個清洗設備上完成，通過長時間的實驗和測試，該基于FX3U-128MT系列PLC自動控制系統的發動機連桿清洗設備，運行穩定可靠，自動化程度高，操作維護方便，而且很大幅度地提高了清洗效率和清洗質量［9-10］。目前該設備投入了企業生產線作業，生產效率明顯提高，工人的勞動強度也明顯降低，滿足了連桿自動化清洗的要求。

［1］ 盧劍鋒，李清.基于PLC的內燃機專用清洗設備控制系統［J］.機電工程，2009，26（7）：91-93.

［2］ 喻永康，奚敏赟.基于PLC的金屬工件毛刷清洗機控制系統設計［J］.機械工程與自動化，2014（5）：155-156.

［3］ 劉文芳.基于PLC及觸摸屏技術的CIP清洗控制系統的設計［J］.制造業自動化，2011，33（5）：143-144.

［4］ 崔劍平，趙振，王秋敏，等.PLC和觸摸屏在控制系統中的應用［J］.機械工程與自動化，2007（4）：160-161.

［5］ 薛迎成，馮海辰，王正虎，等.PLC在清洗機中的應用［J］.自動化技術與應用，2008，27（1）：125-126.

［6］ 韓清華，趙有斌，李虓，等.基于PLC和組態軟件的液位和溫度監控［J］.包裝與食品機械，2009，27（5）：6.

［7］ 李鵬，張家梁，楊建國.基于PLC的負極片自動包裝控制系統開發［J］.機械設計與制造，2012（10）：173-175.

［8］ 徐宏海，董金星.基于S7-300PLC與觸摸屏的玻璃清洗機控制系統設計［J］.制造業自動化，2012（5）：40-42.

［9］ 許海峰，馮毅，朱君君，等.基于氣動及PLC技術的電鍍件清洗控制系統設計［J］.液壓與氣動，2009（7）：12-14.

［10］李金成.三菱FX2NPLC功能指令應用詳解［M］.北京：電子工業出版社，2011.