基于PLC的自动清洗消毒机的控制系统设计【毕业作品】
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B I YE SHE JI
(20届)
基于PLC的自动清洗消毒机的控制系统设计
所在学院
专业班级自动化
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期年月
摘要
在平时生活中,清洗消毒是一件必须做的事情,否则很容易发生细菌感染的事件,而医院的清洗消毒更是重中之重。
早先清洗消毒工作都是由专门人员手工操作,缺点很多,耗时耗力且易发生事故。
近年来,可编程控制器发展非常迅速,集微型计算机技术,自动化控制技术,通讯技术于一体,逐步取代传统的手动继电器控制,广泛应用在一些大中小型工业自动化系统中,成为了实现工业自动化的一种强有力的工具。
基于这一技术的发展,人类发明了自动清洗消毒机。
利用全自动清洗消毒机对医疗物品进行有效的清洗、消毒,既能保证消毒供应室的工作人员避免交叉感染,又能减轻工作人员的工作强度,更为医疗物品最终达到灭菌要求提供了保障。
本设计的自动清洗消毒机由清洗舱、框架组件、密封门、管路系统、控制系统、外装饰罩、手推车等部分组成。
它的工作过程包括预洗、清洗、中和、冲洗、漂洗和干燥六个步骤。
这个过程采用PLC来编程控制,可以做到高效精确的控制整个流程。
本设计的程序采用顺序控制设计法的梯形图语言实现编程。
关键词:自动清洗消毒机,控制系统,PLC
Abstract
In ordinary life, cleaning and disinfection is what we must do, or it is very easy to happen bacterial infections events. The hospital cleaning and disinfection is paramount. The cleaning and disinfection of the earlier work is the specialized personnel manual operation. It has many shortcomings, for example, wasting time and energy. It can also cause bacterial infections events.
The rapid development of PLC has set micro-computer technology, automation and control technology, communications technology in one, and gradually replace the traditional manual relay control systems, the PLC has Widely used in a number of small, medium and large industrial automation systems and has become a powerful tool for industrial automation systems. For the development of this technology, people made automatic washing and disinfectant machine. Use of the machine on medical items for effective cleaning and disinfection, which can ensure the working personnel of the sterilization supply &distribution avoid cross infection, and can reduce the strength of staff work. More medical items eventually get the sterilization requirements to provide the safeguard.
The design of this machine is composed of cleaning tank, framework components, seal gate, pipeline system, control system, outside decoration cover and wheelbarrow parts.When it is working, it has six steps. They are pre-washing, cleaning, neutralization, washing, rinsing and drying. This process adopts PLC programming control can make an efficient accurate control of sterilization. This design program of the sequence control design method ladder diagram language implementation programming.
Keywords: Automatic Washing and Disinfectant Machine, Control System , PLC
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (Ⅱ)
目录 (Ⅲ)
第一章绪论 (1)
1.1 课题的背景和意义 (1)
1.2 清洗机现状 (2)
1.2.1 清洗技术的分类 (2)
1.2.2 国内外清洗机介绍 (2)
1.3 PLC概述 (3)
1.3.1 PLC的产生与发展 (3)
1.3.2 PLC的特点 (4)
1.3.3 PLC的分类与应用 (4)
1.3.4 PLC的发展趋势 (5)
1.4 设计的主要内容 (6)
第二章系统主要机构原理与方案设计 (7)
2.1 PLC的基本结构 (7)
2.2 PLC的工作原理 (8)
2.3 基于PLC的系统设计原则与步骤 (9)
2.3.1 设计原则................................................................... (9)
2.3.2 系统设计的基本步骤 (9)
2.4 PLC与其他控制系统方案的比较 (10)
2.4.1 PLC与继电器控制的比较 (10)
III
2.4.2 PLC与单片机控制的比较 (10)
2.4.3 PLC与微型计算机控制的比较 (10)
2.4.4 控制系统的确定 (11)
2.5 清洗原理 (11)
第三章系统设计 (13)
3.1 清洗机结构 (13)
3.2 设计指标参数及流程图 (14)
3.2.1 设计指标与参数 (14)
3.2.2 清洗消毒流程图 (14)
3.3 输入输出点的确定与分配 (21)
3.4 PLC选型 (22)
3.5 PLC外部连接图................................................................ . (24)
第四章程序设计 (25)
4.1PLC编程语言 (25)
4.2 顺序控制设计法 (25)
结论 (26)
参考文献 (27)
致谢 (28)
附录 (29)
IV
第一章绪论
1.1 课题的背景和意义
清洗消毒是生活中很常见必须的事情,而在医院,需要重复使用的医疗器械更需要清洗消毒及至灭菌。
受污染的手术器械的清洗质量直接关系到灭菌效果和医院感染情况的发生,所以对医务用品的清洗和消毒是医院清洗工作的重心。
在国家卫生部颁布的《消毒技术规范》和《医院感染管理规范》中明确规定了医疗器械必须彻底清洗干净后再进行消毒或灭菌。
这是因为手术器械等使用后会残留各种有机物质,这些如血液、蛋白质粘液都会有效阻止微生物与消毒气体接触。
即使灭菌完成后,也极易形成异物微粒或分解产物,因此良好的清洗对医务用品是最基本的要求,对必须经过灭菌的物品更是至关重要的一步。
现今对医疗器械的清洗的发展趋势是集中处理,目前国内大型医院已经开始实施,但在多数中小医院还未普及。
手术器械的清洗是重中之重,目前国内绝大多数的医院均在手术室内设立洗涤间。
司械护士直接负责手术器械清洗并包装,这样由于工作量大和时间不充裕必然带来清洗质量的下降。
因此规范清洗过程,强化清洗质量,是保证消毒灭菌成功的必要条件。
为了预防和控制医院感染,提高医疗质量,利用全自动清洗消毒机对医疗物品进行有效的清洗、消毒,既能保证消毒供应室的工作人员避免交叉感染,又能减轻工作人员的工作强度,更为医疗物品最终达到灭菌要求提供了保障[1]。
传统的清洗方法是工作人员使用刷子抹布等在清洗消毒剂的辅助下清洗,这种方法虽然可以杀灭病源微生物,但是受到很多难以预测因素的影响。
全自动清洗消毒机通过预先设定的程序控制机器完成预洗、清洗、中和、漂洗、干燥等步骤来实现对物品的清洗。
手工清洗时对清洗消毒剂的计量很困难,而且无法采用较高的温度,难以处理管腔某些特定的部位,物品清洗的效果受个人因素的影响较大。
而全自动清洗消毒机用电脑控制消毒清洗剂的用量,可以采用较高的温度,接触时间可以很长并调节合适的水位,清洗的效果更容易得到保证。
手工清洗时,工作人员暴露于污染物和液体环境中,被清洗的物品污染的
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风险较高。
而全自动清洗消毒机的清洗在密闭的空间内进行,没有被喷溅到工作人员的风险,可防止工作人员被污染和感染。
此外,采用自动清洗机的清洗效率大大提高,节省的宝贵的人力资源和工作时间。
1.2 清洗机现状
1.2.1清洗技术的分类
目前的清洗技术一般分为下面五种:
1. 喷淋式清洗:该方法利用压力将清洗液通过特定的喷嘴喷淋到清洗物品上来实现预定的清洗目标。
由于加压的大小不同可以分为一般清洗与高压清洗,其中高压清洗还可以实现对工业工件毛刺的去除,这是一般的清洗达不到的效果。
2. 超声波清洗:超声波清洗主要利用超声的空化作用,把超声波电能有效地变为机械能使得液体形成细微的空化气泡。
再利用气泡破灭时产生的能量对清洗的物品形成有效地冲击,被清洗的物品在这种冲击作用下附在上面的脏东西被清洗掉。
3. 沉浸式清洗:沉浸式清洗顾名思义是将要清洗的物品沉浸在事先准备的清洗液中,再利用循环泵让液体流动或者将液体对清洗物品大流量喷射来达到清洗的目的。
4. 蒸发脱脂清洗:此种方法采用了卤化烃清洗液,使其与脂化物产生化学作用,再通过热风加热等使其蒸发来达到清洗效果。
5. 综合清洗:该方法是利用以上四种方法,根据实际情况灵活搭配实现对清洗物品的清洗。
1.2.2 国内外清洗机介绍
1. 超声波清洗机:超声波清洗机是目前国内外广泛应用的一种清洗机,主要是利用超声波在液体中的气化作用。
这种清洗方法的用途很广泛,可以对机械零件、医疗器械、各种轴承、电子元件、光学器件等进行有效地清洗。
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2. 高压清洗机:美国的辛普森清洗系统公司最早开始生产该产品。
目前该公司拥有多种品种的产品还可以依据客户的要求采取皮带转动或者直接转动型。
该公司的产品选用的发动机具有低油耗、大功率的优点。
3. 台式洗涤器:这种洗涤装置由日本研发并生产,因为具有洗涤与干燥一体化、体积小、操作简便易学、效率高、外观精美等特点,常被用于小物品制造加工业、牙医诊所、各研究实验室和检测中心来清洗小件的物品。
4. 超高温纤维织物清洗机:该产品克服了之前的清洗机在洗涤大件的纤维织物时的困难,该系列产品的清洗温度都在200度以上,可以实现对地毯的有效清洗。
5. 简易遥控游泳池清洗机:该产品由美国Agua公司在最近几年推出,采用了微处理器来控制它的工作状态。
该产品的优势在于工作人员不必下到水池中,只要手持遥控器就可以对游泳池的各个位置进行清洗。
该装置还拥有多种传感器使其功能性更强,使用更加方便、效果更好。
6. 山东新华医疗器械股份有限公司是国内一家生产医用全自动产品的专业厂家,该公司的产品有:全自动清洗消毒器,超声波清洗机,高效全自动清洗消毒器,多舱室清洗消毒器,快速式超生喷淋清洗消毒机,快速式全自动清洗消毒器,大型清洗消毒器等。
1.3 PLC概述
1.3.1 PLC的产生与发展
1969年,美国数字设备共公司根据通用汽车公司的要求研制开发出一台可编程序控制器,并在GM公司汽车生产线上应用成功。
这台型号为PDP-14的可编程序控制器就是世界第一台。
当时开发PLC的主要目的是用来取代继电器逻辑控制系统,只能进行计数、定时以及开关量的逻辑控制,所以通常称之为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC[2]。
随着科学技术的发展,在1970年后出现了微处理器和微型计算机,人们将这些技术应用到PLC中,使得它能够发挥计算机的一部分功能,人们用逻辑编
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程取代了硬连线逻辑,添加了运算和数据传送处理等功能,使其真正成为一种电子计算机工业控制设备。
在1980年,国外控制界将其命名为可编程序控制器(Programmable Controller)简称PC。
但由于它和个人计算机(Personal Computer)的简称相同,所以现在仍把它简称PLC。
PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展,由最初的一位机发展为8位机。
进入20世纪后期,大规模和超大规模集成电路等微电子技术迅猛发展,以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了前所未有的发展,使PLC在概念、设计、性价比以及应用等方面都取得新的进展。
不仅其控制功能加强,功耗体积减小,成本大幅降低,可靠性持续提高,编程和故障检测则更为简便,而且远程I/O和通信、数据处理以及人机界面(HMI)也有了长足的发展。
现在PLC不仅能应用于制造业的自动化系统,而且还可以应用于连续生产的过程控制系统,PLC已经成为现代工业自动化的三大技术支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)。
1.3.2 PLC的特点
现代工业生产过程复杂多样,对控制的要求也各不相同,为适应工业环境的使用,PLC具有以下特点。
1.抗干扰能力强、可靠性高,能应对工作现场恶劣的环境条件,有的还采用了冗余设计以增强其可靠性 2.控制系统结构简单,通用性强,可以利用PLC和各种扩展模块灵活组成大小与要求不同的控制系统3.编程方便,不需要专门的计算机语言可在短时间内掌握4.功能强大,适用面广,几乎能满足所有工业控制 5.控制系统设计、施工及调试的周期短,因为现在已经实现了系列化、标准化与通用化6.维护方便,PLC极大方便工作人员找出故障,缩短维护时间[3]。
1.3.3 PLC的分类与应用
PLC的发展很快,类型很多,可以从不同角度进行分类,比较常见的是根据其控制规模和结构进行分类。
控制规模主要指PLC可控制的最大I/O点数。
通常而言,PLC能控制的I/O点数越多,其控制的对象就越复杂,控制系统的规模也越大。
根据PLC的控制规模,可将PLC分为小型、中型、大型三类。
小型
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PLC(含微型机)可控制的最大I/O点数为256点以下。
小型PLC一般以处理开关量逻辑控制为主,现在的还具有较强的通信能力和一定的模拟量处理能力。
中型PLC的I/O点数为256~2048点之间,它不仅具有极强的开关量逻辑控制能力,其通信联网功能和模拟量处理能力更加强大。
大型PLC的I/O点数在2048点以上,程序和数据存储容量最高分别可达10MB,其性能已经与工业控制计算机相当,具有计算、控制、调节功能,还具有强大的网络结构和通信联网能力,有些还具有冗余能力。
根据PLC的结构形式,可将PLC分为整体式和模块式两类。
微型和小型PLC 一般为整体式结构,它的特点是将PLC的基本部件都集中装在一个机箱内,一个主机箱就是一台PLC。
中、大型PLC多采用模块式结构,这由大中型PLC要处理大量的I/O点数决定的,模块式结构的PLC配置灵活,故障检测、安装、调试与维修方便。
初期的PLC主要在开关量居多的电气顺序控制系统中使用,随着PLC性能价格比的不断提高,其应用领域不断扩大[4]。
PLC的主要应用范围大致可归纳为中小型单机电气控制、制造业自动化、运动控制和流程工业自动化这几个方面。
在中国,PLC的应用行业十分广泛。
目前大部分的PLC都用于机械控制、过程控制、批量控制和诊断。
但与其他国家相比在机械加工及生产线方面的应用,需要加大PLC的使用量以进一步提升自动化程度。
1.3.4 PLC的发展趋势
就全世界自动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言,PLC仍然处于一种核心地位,其发展趋势是集成度越来越高、工作速度越来越快、功能越来越多、工作越来越可靠、使用越来越方便,主要体现在如下几个方面:
(1)向小型化、专业化、低成本方向发展;
(2)向大容量、高速度、信息化方向发展;
(3)智能化模块的发展;
(4)可靠性进一步提高;
(5)编程语言多样化。
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第一章绪论
1.4设计的主要内容
本设计为山东新华医疗器械股份有限公司的PQX系列清洗机,是根据国内外用户对清洗的最新要求研发生产的清洗设备,能够完成对物品的预洗、清洗、漂洗和干燥。
对全自动清洗机控制系统的设计在理论上和实践上都是对自身控制理论水平的提高。
在本设计中应做到以下几点:
(1)熟悉全自动清洗机的控制系统设计方法,掌握清洗机的控制过程。
(2)掌握PLC编程方法。
(3)掌握PLC控制全自动清洗机控制系统的设计,设计出基于PLC的控制系统。
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第二章系统主要机构原理与方案设计
2.1 PLC的基本结构
PLC采用了典型的计算接结构,它主要由中央处理器、存储器、专门设计的输入输出模块、电源等组成[5]。
如图2-1所示。
1、中央处理单元(CPU):CPU是PLC的核心由控制器、运算器与寄存器构成。
它的主要功能有接收并存储用户程序和数据,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:PLC的存储器有系统存储器和用户存储器。
系统存储器在ROM 中存放厂家程序,而用户存储器包含了用户程序存储器和数据存储器。
3、输入接口单元:输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种,开关量是最常用的输入信号。
4、输出接口单元:将弱电控制信号转成强电信号输出来驱动电磁阀等执行元件。
5、电源:如果没有一个良好可靠的电源,PLC控制系统是无法正常工作的,所以厂商对电源的设计和制造十分重视。
PLC一般使用220V交流或24V直流电,内部开关电源为CPU和存储器等提供直流电。
图2-1PLC结构框图
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2.2 PLC
图2-2 PLC运行框图
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PLC的工作原理是建立在计算机工作原理上通过执行反应控制要求的程序实现。
PLC属于串行工作方式,它的工作全过程如图2-2所示。
整个过程可分为上电处理、扫描过程和出错处理。
当PLC正常运行时,它不断重复扫描过程。
典型扫描周期包括输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。
2.3基于PLC的系统设计原则和步骤
2.3.1设计原则
为了能够实现被控对象的的控制要求、提高生产的效率和产品的质量。
我们在设计PLC控制系统时应遵守下列原则:
(1) 尽可能的实现被控对象的控制要求,实现PLC的功能最大化,这是设计PLC控制系统的前提和最重要的一条原则[6]。
为了达到此要求,我们在设计前要进行现场调查研究,收集控制对象的资料与相关的国内外先进技术资料[1]。
与此同时,与现场的工作人员紧密配合,共同拟定控制方案。
(2) 使PLC控制系统安全可靠、长期稳定运行,是设计PLC控制系统的重要原则。
因此我们在系统设计、元器件的选择和软件编程上要全面考虑。
(3) 做到简单、经济实用及维修方便是另一个重要原则,我们在满足控制对象要求的前提下要注意不断地扩大工程的效益还要注意不断降低工程的成本。
这就要求我们不仅该使控制系统简单、经济还要使控制系统的使用和维护方便、成本低。
(4)由于时代的进步、技术的发展,控制要求也会持续提高,所以我们在设计时要适当考虑到未来控制系统发展和完善。
在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时要适当留有空间来适应生产进步和工艺提高[7]。
2.3.2系统设计的基本步骤
我们在设计PLC控制系统时,应遵循以下基本步骤:
(1) 深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求
(2) 确定I/O设备。
根据被控对象对PLC控制系统的功能要求,确定系统所需要的用户输入、输出设备。
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(3) 选择合适的PLC类型。
根据已确定的用户I/O设备,统计所需要的输入信号和输出信号的点数,选择合适的PLC的类型。
(4) 分配I/O点。
分配PLC的输入输出点,编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线图。
(5) 设计出应用系统梯形图。
根据状态流程图等设计出梯形图程序。
(6) 将程序输入PLC。
(7) 进行软件测试。
(8) 应用系统整体调试。
2.4 PLC与其他控制系统方案的比较
2.4.1 PLC与继电器控制系统的比较
PLC与继电器控制系统在实现逻辑控制、顺序控制、时间控制等开关量的控制方面功能是相同的。
但是继电器控制系统采用硬接线实现逻辑关系,连线多且复杂,对已经连接完成的系统进行改变十分困难。
PLC采用存储逻辑,每个二进制存储单元相当于一个软继电器。
其触电可有无穷,而继电器触点数目很少。
系统构成后还可以通过修改程序改变控制功能。
PLC能完成更复杂的控制且与继电器控制系统的工作方式完全不同。
PLC的响应速度比继电器控制系统快得多,执行时间一般为几微秒,而继电器的通断动作在几十个微秒级。
除此之外,PLC在可靠性、功耗、使用寿命以及设计与施工方面的优势是继电器控制系统完全不能比的[8]。
2.4.2 PLC与单片机控制的比较
单片机的优点是结构简单、使用方便、价格低廉,它一般被用于数据采集与工业控制方面。
PLC的数据采集与处理是弱点。
但PLC用于工业控制时,稳定可靠,抗干扰能力比单片机强很多,能适用复杂环境。
2.4.3 PLC与微型计算机控制的比较
两者之间的差异较大,体现在各个方面。
如表2-1所示。
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表2-1 PLC与微型计算机的对比
2.4.4控制系统的确定
综合以上各个系统与PLC的比较之后,从安装的简便易行、经济效果、后期的保养维护、控制系统的可靠性和可发展性等方面考虑,它具有方便可靠、经济耐用、适应环境广泛、简单易学等优点,因此采用PLC控制系统的方案是目前最优的选择。
2.5清洗原理
本设计的自动清洗消毒机以注射水和纯化水作为工作介质,并根据预先设计的计量自动加入适量的清洗剂,通过大流量循环泵,使清洗溶液在清洗舱和清洗管路中循环,并通过旋转喷射臂将带有压力的清洗溶液均匀,同时强有力的喷射到被清洗物品上,对物品进行有效清洗;清洗后,使用所选水源对物品进行漂洗,直到污物残留浓度符合清洗效果,最后通过热风对设备的内外表面进行干燥。
其中,为满足清洗效果,本产品所使用的水源是医用标准的注射水和纯化水,若达不到建议使用蒸馏水代替。
在清洗阶段根据清洗物品性质的不同添加酸性或碱性清洗剂,在中和阶段添加另一种清洗剂。
清洗的六个阶段依
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次进行,全自动清洗流程如图2-3所示。
图2-3 清洗流程
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第三章系统设计
3.1 清洗机结构
设备结构:本设计的自动清洗消毒机由清洗舱、框架组件、密封门、管路系统、控制系统、外装饰罩、手推车等部分组成。
1. 清洗舱:采用不锈钢,清洗舱内壁抛光,舱体圆角设计以保证舱内无死角,舱体底板倾斜设计,保证舱体排水彻底。
2. 密封门:选用夹层钢化玻璃结构,安全、隔热,可方便的观察设备内的物品的清洗状态。
密封门带有多种安全保护:1)自锁:密封门未关闭,程序无法启动,程序运行结束后,才能开启密封门;2)安全:密封门在关闭过程中,遇到障碍,能够自动返回。
不会挤伤操作员或损坏设备和器械;3)对于双扉设备,还有双门互锁:前门开启时,后门呈关闭状态,后门打开时前门呈关闭状态,有效保证污染区与清洁区的隔离。
3. 管路系统:由阀门、循环泵、风机、蠕动泵、加热管以及相应的接管或管件组成,用以完成程序要求的喷淋清洗、加热消毒、热风干燥等功能。
主要可以分为:循环水喷淋管路、添加清洗液管路、循环水加热系统、热风干燥系统等。
循环水喷淋系统:由大流量水泵将水通过设备内部的上下旋转喷射臂均匀喷淋到物体表面。
自动添加清洗液:蠕动泵根据程序设定的剂量自动向循环水内分别添加清洗液。
清洗液可增加洗涤力,保证良好的清洗效果。
加热系统可根据清晰地物品的要求和清洗过程的不同要求,自动对清洗舱内循环水加热,达到最适宜的清洗温度。
高效率空气加热系统:由大风量风机、加热系统和高效空气过滤器组成。
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能在最短的时间内将空气加热到所需温度,节省干燥时间。
独特的空气预热系统,消除了因为环境温度不同对空气加热系统的影响。
4. 控制系统:控制系统由CPU主控制器,人机界面,打印记录系统,模拟量采集系统组成。
主控器为西门子PLC,功能强大,可靠稳定。
西门子触摸屏做人机操作界面、动态显示设备的工作状态,操作简单。
微型打印机,可自动打印温度、时间、压力等数据,并可根据客户要求配置记录仪实时打印曲线。
3.2 设计指标参数及流程图
3.2.1 设计指标与参数
本设计的主要技术指标与参数如下:
1.水源压力:0.2~0.5Mpa;流量:35L/min; 水/循环:140L;
所选水源:4~7 d
2.电源:380/50Hz/25kW;电/循环:4.5度(近似值)
3.压缩气压力:0.4~0.7Mpa;压缩气:100L/min;
4.环境温度:5~40℃
5.相对湿度:20℃时不大于90%;
6.预洗:时间180S;温度30℃;
清洗:时间300S;温度50℃;加药时间15S
中和:时间180S;温度40℃;加药时间5S
冲洗:时间60S;温度30℃;
漂洗:时间60S;温度80℃;
干燥:时间1500S;120℃。
3.2.2 清洗消毒流程图
根据上述参数确定详细的自动清洗消毒流程图,如图3-1所示。
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