基于PLC的網鏈式清洗機控制系統設計與實現

摘"要：針對清洗機各功能部位的傳感器因進水故障導致系統控制紊亂甚至停機的問題，設計一種基于PLC和變頻器的網鏈式清洗機控制系統。介紹以FX5U為核心的整體控制原理以及結合隊列先入先出思想使用一個行程開關來確定工件到達各工序的方法。經實際運行測試，系統運行正常，工件能準確停在各關鍵位置點上。

關鍵詞：PLC；變頻器；網鏈式清洗機；先入先出

中圖分類號：TP273""文獻標志碼：B""文章編號：1671-5276（2024）02-0274-03

Design and Implementation of Control System of Net Chain Cleaner Based on PLC

LIU Peifa

（Hebei Guangde Fluid Control Co.， Ltd.， Cangzhou 061019，China）

Abstract：Aimed at the disorder or even shutdown of sensor system control of each functional part of cleaning machine due to water inlet fault， a mesh chain cleaning machine based on PLC and frequency converter is designed. With FX5U as the core， this paper introduces the whole control principle and the method of using a travel switch to determine the arrival of the workpiece in each process by combining the idea of first in first out queuing. The actual operation tests show that the system operates normally and the workpiece can stop at each key position accurately.

Keywords：PLC；frequency converter；net chain cleaning machine；first in first out

0"引言

機加工等行業中，加工件表面常帶有鐵屑、油污、塵土、切削液等雜物，為提高產品的外觀質量和使用性能，清洗工序是工件加工完成后的一個較重要的工序。市面上有較多類型的清洗設備，其中網鏈式超聲波清洗機因清洗效率高、設備便于維護而使用較多。

網鏈式清洗機運行時，一般要求工件在到達相應位置時（例如超聲波水槽底部），傳動裝置停止一定時間后再繼續運行，實現此功能的方式大多數是在相應工位放置一檢測開關用以確認工件位置，但檢測裝置因進水發生故障，從而導致設備停機，影響工件清洗效率及后續工序的進行。

針對上述情況，本文設計了一種使用行程開關進行工件位置定位的清洗機，程序通過此開關的輸入進行計數，以此確定多個工件位置。目前該設備已在我司常規閥項目部進行了實際測試，設備運行正常，清洗效果良好。

1"整體設計

1.1"結構組成

網鏈式清洗機主要由超聲波清洗槽、溢流槽、噴淋裝置、風淋裝置、加熱系統、傳動裝置等組成，其中超聲波清洗槽內部均勻分布一些振子，使得超聲波發射到工件表面的效果最佳，強化出油效果［1］。清洗機入口與出口處分別放置一光幕開關，用于檢測工件盒。超聲波溢流槽與噴淋水槽里面分別安有液位開關和溫度傳感器。網鏈每隔一定距離便有一個固定擋板，擋板的作用一是固定工件盒，防止其在隨網鏈運動過程中出現側翻等情況，二是使行程開關碰到擋板時有輸出。超聲波水槽與超聲波溢流槽通過循環泵構成一個水循環系統，超聲波溢流槽與噴淋水槽的水相互獨立，且均帶有過濾裝置，具體結構如圖1所示。

1.2"工作原理

將放有待清洗工件的工件盒放置在傳動網鏈的兩個擋板之間，入料口光幕識別一定時間后，傳動電機以設定速度向前運行，同時系統開始對行程開關的輸入進行計數并與超聲波位置值、噴淋位置值、風淋位置值進行比較，當內部計數值等于上述3個位置設定值時，傳動電機減速停止，相應功能區域內的元器件動作，工作指定時間后，傳動電機啟動，直至工件盒到達下料口光幕開關處，此時一個工件盒的清洗流程結束。

當清洗機內部存在多個工件盒時，只要任意一工件盒到達相應功能區域，傳動電機便停止運行，當多個工件盒同時到達功能區時，傳動電機停止時間由功能區設定時間最長來決定。例如清洗時兩個工件盒分別到達超聲波水槽和噴淋口下方，超聲清洗時間設定為30s，噴淋時間設定為15s，噴淋水泵在噴淋15s后停止，此時傳動電機并不啟動，只有在超聲波清洗時間到達30s時，傳動電機才會繼續運行。

受設備長度影響，清洗機存在最大清洗能力，即清洗機內部所允許出現的最大工件盒數量。只要下料光幕有輸入時，傳動電機便停止運行。

2"控制系統硬件設計

清洗機控制系統主要由傳感器模塊、控制模塊、執行機構組成。控制系統通過傳感器模塊采集清洗機溫度、液位以及開關量輸入數據。控制模塊中PLC負責整個系統的邏輯運算并同時與溫控表、變頻器采用通信的方式進行數據交換，溫控表通過比較實時溫度與設定溫度對現場加熱棒進行通斷控制，以達到溫控目的，變頻器根據設定值控制現場水泵、傳動電機的轉速。控制系統的總體硬件框圖如圖2所示。

2.1"傳感器模塊設計

傳感器模塊中的行程開關、光幕開關、液位開關均為主令開關，是用來發布命令，閉合或斷開控制電路并改變系統工作狀態的電器［2］，本次設計中液位開關選擇浮球樣式，光幕與浮球開關接線方式為常閉，使系統具備斷線檢測功能。

溫度傳感器大體分為熱電阻與熱電偶，鉑熱電阻物理、化學性質穩定，感溫元件體積小，熱響應快［3］，因此溫度傳感器選用3線制的PT100。

2.2"控制模塊設計

溫控表選擇宇電AI-526，此儀表支持Modbus_RTU通信，Modbus協議使不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，方便進行集中控制［4］，PLC選擇同時具備以太網端口和RS485接口的FX5U-32MR/ES，接線時要把PLC本體模塊的終端電阻切換至110 Ω，同時終端設備的RDA、RDB端口也要接上110 Ω的終端電阻，提高數據傳輸質量，減小干擾［5］。變頻器選擇臺達精巧標準型MS300，水泵控制方式為V/F模式，矢量控制可以分別控制異步電動機定子的轉矩電流和勵磁電流，使其得到和直流電動機一樣的控制性能，因此傳動電機控制方式為矢量控制［6］。

3"程序與HMI畫面設計

3.1"整體程序流程圖

待清洗工件需要依次完成超聲波清洗、噴淋沖洗、風淋操作，因此PLC需要控制傳動電機的啟停、各工序電機的啟停以及各工序的工作時間。因每個工件盒都需要在各工序停止，所以每個工件盒的計數在系統內部都是獨立運行，一旦有工件盒到達任意工序時，傳動電機需停止運轉。整體動作流程如圖3所示。

3.2"使用行程開關確定工件位置功能的原理與實現方法

因所有工件盒共用同一行程開關進行計數并且工件盒是依次放置，先放入的盒子計數值要比后放入的計數值大，最先放置的工件盒最先清洗完成，因此整個清洗過程可近似看作為隊列的先入先出，隊列中的數據會隨著行程開關狀態的改變而同時變化。不妨把清洗機最大清洗數量當作隊列長度，入料口光幕開關相當于入隊操作，而出料口光幕開關相當于出隊操作。

系統內部建立存儲工件盒計數值的數組StatPosCountValue，數組長度為最大清洗數量。每當上料光幕i_bEnableSensor有輸入時，內部工件數量StatInsideValue加1。在行程開關i_bCountSensor有輸入時，StatPo-sCountValue數組前StatInsideValue（含）個元素進行加1計數操作，其程序如圖4所示。

當下料光幕i_bDisEnableSensor有輸入時，數組整體向前移動一位，數組最后一個元素賦值0，同時內部工件數量StatInsideValue減1，其程序如圖5所示。

計數數組StatPosCountValue任意元素到達相關工序所設定的位置范圍時，傳動電機停止，同時相應工序運行系統設定時間。

3.3"HMI畫面設計

HMI泛指操作人員和機器設備交換信息的設備，即觸摸顯示屏、操作顯示面板等。清洗機觸摸屏分別設計了主畫面、參數設定、手動操作、IO監控、報警查看以及配方6個底層畫面，在參數設定畫面中插入了間接窗口以方便對參數進行集中管理，部分畫面如圖6所示。

4"結語

該設備長期運行期間，FX5U偶爾發生Modbus通信故障，使用手持示波器現場查看Modbus通信波形，經大量觀測后發現在變頻器運行期間，波形噪聲過大，通信故障時的A線與B線電壓均不在正常值范圍之間，以此判斷通信故障原因為變頻器所致。檢查電控柜及現場電機發現，電機動力線僅單端接地，同時柜內動力線與通信線同線槽鋪設，解決方式為重新接地、柜內通信線與動力線分開鋪設，故障解除。

本文設計并制作了一種網鏈式清洗機。該清洗機的系統能根據需要調整工件在清洗機內部功能區停止位置。長期運行表明，該清洗機產品覆蓋范圍廣且清洗效果良好，日清洗工件數量達到預期要求，設備故障率明顯低于車間其他傳統網鏈式清洗機。

參考文獻：

［1］ 陳天玉. 不銹鋼表面處理技術［M］. 2版. 北京：化學工業出版社，2016：5-7.

［2］ 代穎. 現代低壓電器技術［M］. 北京：機械工業出版社，2020：57.

［3］ 戴蓉，劉波峰. 傳感器原理與工程應用［M］. 2版. 北京：電子工業出版社，2021：247.

［4］ 向曉漢. 西門子PLC工業通信完全精通教程［M］. 北京：化學工業出版社，2013：58.

［5］ 蔡杏山. 全彩圖解三菱FX3S/3U/3U系列PLC快速入門與提高［M］. 北京：電子工業出版社，2021：327-328.

［6］ 向曉漢. 西門子SINAMICS G120 S120變頻器技術與應用［M］. 北京：機械工業出版社，2020：62.

收稿日期：20221011