摘要
本文介绍了一种基于PLC控制的自动洗碗机设计，该设计可以自动完成洗涤、漂洗、烘干等多个环节，大大提高了洗碗效率和质量。
PLC控制系统是本设计的核心。在该系统中，PLC控制器作为控制核心，通过编程实现对洗碗机的自动控制。PLC控制器通过传感器检测洗碗机内部的水位、温度等参数，使用程序控制洗碗机的水泵、加热器等设备的开关，实现自动化控制。PLC控制系统具有响应速度快、稳定性好、可靠性高等优点，可以满足洗碗机在高负荷、高频率运行的要求。
自动洗碗机由洗涤室、漂洗室、烘干室和控制系统等组成。洗涤室包括洗碗机内部水泵、喷淋器等设备，用于实现洗涤功能。漂洗室包括漂洗箱、水泵、喷淋器等设备，用于实现漂洗功能。烘干室由烘干箱、加热器和风扇等设备组成，用于实现烘干功能。控制系统包括PLC控制器、传感器等设备，用于实现对洗碗机的自动控制。
本文介绍了一种基于PLC控制的自动洗碗机设计，该设计具有自动化程度高、响应速度快、稳定性好、可靠性高等优点。该设计可以自动完成洗涤、漂洗、烘干等多个环节，大大提高了洗碗效率和质量。该设计可以应用于家庭、餐厅、酒店等场所，为人们的生活带来便利。
关键词：商用洗碗机；PLC控制；喷淋式洗碗
Abstract
This article introduces a PLC-controlled automatic dishwasher design, which can automatically complete multiple processes such as washing, rinsing, and drying, greatly improving the efficiency and quality of dishwashing. The PLC control system is the core of this design. In this system, the PLC controller serves as the control core and automatically controls the dishwasher through programming. The PLC controller detects parameters such as water level, temperature, and detergent concentration inside the dishwasher through sensors, and controls the switches of equipment such as water pumps and heaters according to the program to achieve automatic control of the dishwasher. The PLC control system has the advantages of fast response, good stability, and high reliability, and can meet the requirements of the dishwasher for high-load and high-frequency operation. The automatic dishwasher includes a washing chamber, a rinsing chamber, a drying chamber, and a control system. The washing chamber includes equipment such as a water pump and a sprayer inside the dishwasher to achieve washing function. The rinsing chamber includes equipment such as a rinsing box, a water pump, and a sprayer to achieve rinsing function. The drying chamber includes equipment such as a drying box, a heater, and a fan to achieve drying function. The control system includes equipment such as a PLC controller and sensors to achieve automatic control of the dishwasher. This article introduces a PLC-controlled automatic dishwasher design, which has the advantages of high automation, fast response, good stability, and high reliability. The design can automatically complete multiple processes such as washing, rinsing, and drying, greatly improving the efficiency and quality of dishwashing. The design can be applied to places such as homes, restaurants, and hotels, bringing convenience to people's lives.
Key Words：Commercial dishwasher, PLC control, Spray-type dishwashing
目 录
1绪论
1.1.课题研究背景及研究的目的与意义
1.2.自动洗碗机国内外研究近况分析
1.3.研究的主要内容和方法
2洗碗机总体方案设计
2.1.洗碗机工作原理
2.2.洗碗机清洗过程
2.3.洗碗机清洁方式选择
2.4.本章小结
3洗碗机结构设计及计算
3.1.带传动的设计和计算
3.2.减速器的选型
3.3.联轴器的选择
3.4.轴承的型号及其选择
3.5.控制系统结构设计
3.6.本章小结
4关键零部件的校核计算
4.1.传动辊的校核计算
4.2.托辊的校核计算
4.3.轴承的承载能力计算及寿命校核
4.4.本章小结
5控制系统设计
5.1.控制系统硬件选型及设计
5.2.控制系统程序编写
5.3.控制系统程序仿真
5.4.本章小结
结论
致谢
参考文献
1绪论
1.1.课题研究背景及研究的目的与意义
1.1.1.研究背景
本文在分析国内后疫情时代餐饮行业复苏的情况下，面向商用洗碗机进行前景分析，并进行商用洗碗机的设计概述。
2020年初爆发的新冠疫情对全球餐饮行业造成了巨大的冲击。由于社交距离措施的实行，许多餐馆和酒店被迫关闭或减少服务，导致餐饮行业遭受了前所未有的打击。全球范围内，餐饮行业的收入大幅下降，不少餐饮企业受到了破产的威胁。随着新冠病毒逐渐得到控制，餐饮行业开始逐渐复苏，但是依旧面临着许多挑战。在这个时候，商用洗碗机的设计变得越来越重要。
在后疫情时代，商用洗碗机的设计对于餐饮行业的复苏至关重要。在之前，餐厅通常都需要依靠高度依赖人工的方式来清洗餐具和餐盘，但是，由于疫情的影响，招聘、培训和管理人员的难度都在增大，加大了餐厅运营成本。因此，高效，快速地进行餐具清洗，成为了提高餐厅效率的关键因素。商用洗碗机通过大大缩短洗涤时间和减少人工操作，来提高餐厅的效率和竞争力。
同时，针对疫情的防控措施，商用洗碗机的设计也具有一定的实际意义。传统的餐具洗涤方式容易造成交叉污染，食品中存在病毒和微生物会增加食品中毒和疾病的风险。商用洗碗机通常使用高温和强力水流对器具进行重复清洗能有效地杀死微生物，达到消毒的效果，让餐饮企业更安全和卫生。
此外，商用洗碗机的设计还能帮助餐饮企业提高服务质量，提高顾客满意度。商用洗碗机采用合理的清洗程序和清洗剂，能够快速并完整地清洗餐具，保证餐具的整洁程度。整洁的餐具不仅可以提高顾客的用餐舒适度，还能够提高顾客的信任和满意度，间接地增加餐厅业绩。
自动洗碗机在欧美家庭中已经非常普及，覆盖率超过60%，而在近年来才开始受到关注的国内市场，覆盖率却微乎其微。在智研咨询的调查统计报告中指出，2019年洗碗机销量为578.9万台，国内零售额增进率维持在两位数，表达了洗碗机行业的巨大的发展潜力，表明了洗碗机是近年来最具发展潜力的厨电品类之一。洗碗机在大型餐饮、连锁餐饮、高档酒店等市场中得到广泛应用，但是它的发展历程并不长久。2018年，我国商用洗碗机市场规模达到7.58亿元，其中，大型商用洗碗机规模为2.71亿元，小型商用洗碗机规模为4.87亿元，但是这个市场的增长速度并不如人意。在发达国家，洗碗机使用洗涤剂的普及率非常高，占据了全球销售额的90%[1]。这表明了现代家庭生活中洗碗机的重要性以及洗涤剂市场的巨大潜力。洗碗机的使用不仅提高了家庭生活的便利性，还有助于节约用水和能源，减少了对环境的负担。同时，洗涤剂的不断创新和改进也为消费者提供了更加高效、环保的选择。可以预见，在未来的发展中，洗碗机和洗涤剂市场将继续保持稳定增长的趋势。自2009年以来，中国的洗碗机洗涤剂销量增长了20%以上，这种增长趋势逐年增加[2]。图1-1为2015年至2022年中国商用洗碗机市场规模增长图，通过图表不难看出全国商用洗碗机市场正处于平稳发展期。
图1- 1 2015-2022 年间中国的商业洗碗机市场规模和增长率
1.1.2.研究目的及意义
在餐饮行业中，自动洗碗机是一种得到广泛应用的设备。它不仅能够高效地清洗餐具，还能提高餐饮企业的生产效率和节约人工成本。自动洗碗机在餐饮行业中具有重要的地位，但是如何设计一款PLC控制的自动洗碗机，是一个值得研究的问题。
- 探究自动洗碗机的技术原理和市场需求
自动洗碗机作为餐饮业的重要设备，在市场上拥有广阔的前景和需求。因此，研究根据市场需求和洗碗机的技术原理进行科学的设计，将有助于满足市场上的需求。
- 选择合适的PLC控制器
在自动洗碗机的设计过程中，选择适合的PLC控制器非常重要。PLC控制器可以实现对自动洗碗机的精准控制和自动化监测，提高洗碗机的操作精度和稳定性。
- 设计相应的控制程序
使用PLC控制器，编写相应的程序可以实现自动化控制，并监测洗碗机在工作过程中的异常和错误。
- 设计自动洗碗机的机械框架和清洗系统
在自动洗碗机的设计中，充分考虑不同餐饮企业的需求和要求，设计合适的机械框架和清洗系统，以满足不同餐饮企业的需求。
- 分析自动洗碗机的性能和特点
通过分析自动洗碗机的性能和特点，可以评估设计的合理性和可行性，检验自动洗碗机是否符合工作要求和使用效果。
- 探讨如何将自动洗碗机推广到更广泛的市场
对于自动洗碗机的设计，可以考虑到如何将其用于更广泛的餐饮行业。制定推广计划，探讨广告投放策略，增加市场知名度和品牌价值。
据奥维云网（AVC）研究测算，全球商用洗碗机市场规模达220亿元，中国商用洗碗机市场规模21亿元[3]。分区域来看，欧美市场商用洗碗机渗透率达70%以上，中国商用洗碗机渗透率约5%。中国商业厨房设备品类前十名见表1-1。
表 1-1 中国商用厨房设备品类市场规模TOP10
中国商业厨房设备品类市场规模TOP10 | ||
场景 | 商厨设备品类 | 市场规模（亿元） |
清洁场景 | 油烟净化系列设备 | 420 |
烹饪场景 | 小炒双眼灶 | 130 |
冷储存场景 | 台面式冷柜 | 110 |
冷储存场景 | 立式冷柜 | 95 |
烹饪场景 | 煲仔灶 | 60 |
烹饪场景 | 汤炉 | 53 |
冷储存场景 | 饮料柜 | 40 |
烹饪场景 | 电热式烤炉 | 38 |
服务场景 | 开水器 | 25 |
服务场景 | 微波炉 | 22 |
烹饪场景 | 蒸饭柜 | 21 |
清洁场景 | 商用洗碗机 | 21 |
商用洗碗机产品结构相对简单，产品同质化严重且智能化水平不高。不同于家用洗碗机技术的快速迭代，商用场景下，全自动洗碗机至今缺位，即餐具在被放进洗碗机前，要进行人工除渣和预洗。据奥维云网（AVC）调研显示，20%的餐厅不愿购置洗碗机的首要原因在于不接受预洗。因此，家电企业要布局商用市场，可以将战略重心瞄准在商用全自动洗碗机上，率先解决行业难题，建立竞争壁垒。
由此分析可以得出，在智能化时代，自动洗碗机作为餐饮行业的重要设备，应用范围广泛。基于PLC控制的自动洗碗机，能够有效提高洗碗效率和降低人工成本，符合当前自动化的社会发展要求。因此，研究如何基于PLC控制技术设计自动洗碗机具有重要的现实意义，有望推动餐饮行业的技术进步并创造更高效率和更高质量的用餐环境。商用洗碗机的市场尚未饱和，且具备较大的发展前景。本文将带传送、喷淋结构、烘干装置进行结合，运用于商用洗碗机领域，设计一款全自动商用洗碗机。
1.2.自动洗碗机国内外研究近况分析
1.2.1.国外研究现状
国外学者正在逐步将洗碗机设计为消毒除菌、节约能源方向靠拢，同时也在关注洗碗机的清洁能力。
在洗碗机的清洁过程中，餐具上残余的细菌和病毒往往是伴随着食物残渣存在的，但是细菌和病毒在清洁过程后可能并不会消失，这是国外洗碗机研究设计的方向之一。
随着现代生活方式涉及越来越多的电器，特别是那些使用水的电器可能提供适合富集极端耐真菌的替代生态位。自最近以来，由于节能方案的生态限制减少，例如使用较低的温度洗涤衣服和碗碟，以及使用侵蚀性较小的洗涤剂，这些设备中的栖息地趋于变得不那么极端，更容易被微生物占据[4]。
在对于洗碗机及其清洁剂的研究中，国外学者对于漂洗式洗碗机除菌清理的使用过程中发现，使用带有漂白剂的餐具洗涤剂是一个关键因素，使用大于50°C的漂洗温度足以降低病毒载量。因此，建议使用商用洗碗机洗涤剂加漂白剂，清洁温度至少为45°C并保持45分钟，漂洗温度至少为50°C，以充分杀菌消毒，图1-2为洗碗机的洗涤剂添加装置[5]。
图1- 2 洗涤剂添加装置
洗碗机在工作时，需要加热水源进行清洗，而加热装置是电能消耗的主要部分[6]。
热回收是利用冷却水余热加热水源，从而缩小对于加热装置电量的耗费；热回收设计被广泛应用于空调行业，加大了对于温度的利用。近年，国内一些学者设计了在洗碗机冲洗清洗段内布置圆管换热器和热管换热器两级余热回收装置，分析了该回收装置内进水加热过程、流动路径和两级换热器的换热特点。该热回收装置能充分利用洗碗机余热资源，明显降低洗碗机综合能耗，实现热水降温和热气流的降湿排放[7]。
国外学者研究发现，在影响洗碗机清洁能力的诸多环节中，喷嘴的种类、摆放位置也具有一定影响。喷嘴影响大，距离影响小，单位流量输入应有较高的“加权清洗影响度”[8]。在洗碗机的结构设计中，应通过更好地放置喷雾清洗装置，或将容器表面设计为更垂直于喷嘴，如垂直圆柱形或球形罐等诸多方式，尽量减少冲击影响角度[9]。
1.2.2.国内研究现状
在商用洗碗机领域中，关于洗碗机设计的研究，目前国内的研究已经取得了不错的成果，大部分是洗碗机清洁能力本土化加强化、清洗过程全自动化和洗碗机配套清洁剂的研究。
相较于西餐，中餐的烹调方法多样，不仅有煎、烹、蒸、煮、烤、炸，还有需要明火与油的“炒”。由于炒料的原因，中国的餐具经常有很多油污，因此清洗锅碗特别麻烦。为了解决这个问题，洗碗机针对中式烹饪的“重油”研发了强劲洗涤水量、水压、高温的喷淋系统，以及特别设计的“强劲洗”程序，可以清洗干净任何油污。
喷淋头的清洁能力对于洗碗机的清洁效果至关重要。一些国内学者对某商用洗碗机的喷淋结构进行了分析，发现其存在设计缺陷。为了解决这个问题，他们提出了优化方案，并对改进后的结构进行了验证，最终得出了最合理的结构：水流应该垂直均匀地喷出，这样可以获得最佳的喷淋效果[10]。
洗碗机的去污能力主要取决于以下因素：
- 温度：洗碗机的高温水可以有效地去除餐具表面的污渍和油脂，因此温度是影响去污能力的重要因素。
- 洗涤剂：洗碗机使用的洗涤剂中含有氧化剂和碱性成分，可以有效地去除餐具表面的污渍和油脂。
- 水压：水压越大，洗碗机的去污能力越强。
- 餐具材质：不同材质的餐具表面吸附污渍的能力不同，因此对于一些难以清洗的餐具，洗碗机的去污能力可能会受到一定的限制。
洗碗机的清洗过程是非常高效的，可以在短时间内将餐具上的污垢完全清除，让餐具焕然一新。然而，这个过程并不总是完美的，有时候还会留下一些难以清洗的污渍。经过国内学者的研究发现，在自动洗碗机的去污过程中，水流的喷射作用占据了全部清洗作用的 58%，而化学清洗剂的作用仅占 15%。这一研究结果表明，自动洗碗机的清洗能力主要依赖于水流的喷射作用，而非化学清洗剂[10]。
1.3.研究的主要内容和方法
设备的操作流程是：将餐具放入料篮中，然后将料篮放入洗碗盘，放盘后，洗碗盘将进入洗涤室。洗涤室的高效清洗系统将自动清洗、漂洗和烘干餐具。最后，洗好的餐具将按照设备预设的方式和目标数目从洗碗机中取出，准备上桌使用。
因此，本文的研究重点是设计一种高效的自动洗碗机结构。在设计过程中，主要关注以下几个方面：
- 洗碗室：洗碗室是设备的核心部分，其内部设有多个洗涤和漂洗站，每个站的数量和配置根据实际需要而定。
- 传动系统：该设备采用了带传动步进式设计，可精确调节洗碗盘的速度和转向。在传动系统中，采用了高效的减震设计以减少工作噪音。
- 控制系统：该设备的控制系统采用了PLC编程技术，能够智能控制转盘转速、温度和水位等参数。
2洗碗机总体方案设计
洗碗机的总体方案包括机械结构的设计和控制流程的设计，为满足实际使用需求并增加经济效益，需选择成本较低、工作方式简单、成型效率较高、易于维修调试的设备以及自动化程度高、高智能度的控制方案。
2.1.洗碗机工作原理
商用洗碗机的工作原理是将餐盘、餐具、快餐盒、保温箱、广口瓶等产品送入循环热水冲洗区，由上方和侧方两排喷洗臂喷洗涤水进行冲洗。接着，产品进入强力高温冲洗的漂洗区，最后进入高温净水漂洗区，以达到清洗、消毒和烘干的效果。洗净的广口瓶、餐盘、餐具、保温箱、周转箱等需要由人工从输送带上取出；为了使设备的正常运转得到了有力的保证，电气控制采用了PLC和传感器对洗涤全过程进行自动化控制，来保持恒温状态，并自动控制蒸汽换热器或电加热器、进水电磁阀等。此外，为了确保程序的可控性，额外添加了一些控制元件，包括门开关、温度传感器和急停开关。
自动洗碗机采用特殊的洗涤方式和环境，具有出色的除菌和杀菌功能。在洗涤过程中，洗碗机能够有效地清除餐具表面的细菌和病毒，保障餐具的卫生。此外，洗碗机还能够完成餐具的烘干，让餐具焕然一新。在60℃的温度下，大肠杆菌、葡萄球菌等细菌可以在20分钟内被杀死。此外，洗碗机还可以通过重复冲洗与热风烘干等过程将乙肝等难以在高温下杀死的病毒彻底清除。因此，商用洗碗机是餐厅、食堂、酒店、餐具消毒中心等场所洗碗的最佳选择。
2.2.洗碗机清洗过程
洗碗机洗涤流程一般包含4个步骤，即预洗、主洗、漂洗、烘干。
1．预洗阶段：高压水流通过喷淋臂对餐具进行循环冲洗，冲洗掉餐具上大部分的残渣，然后把污水排出。
2．主洗阶段：高压水流经过PTC设备加温，同时将洗涤剂融入水中，循环冲洗餐具，排掉污水。
3．漂洗阶段：利用冷水对餐具进行各个角度，全方位无死角地漂洗。
4．干燥阶段：在水中加入光亮剂，水温加热到60到70°C，冲洗后排出，利用烘干系统快速烘干餐具。
带传动式洗碗机的清洗工作就是在带的传输方向上依次排列多个功能模块，利用带的单向传输将洗碗机的碗碟逐步通过各个清洗模块。完成对于碗碟的清洗，工作流程见图2-1。
图2- 1 洗碗机清洗流程图
2.3.洗碗机清洁方式选择
国内洗碗机市场形态各异，行业内涌现出多种设计形式的洗碗机，并将洗碗机的各个领域区分开来。按洗涤方式分为以下四种：喷淋式、超声波式、叶轮（波轮）式、水流式；若按开门装置来分，则有前开式和顶开式；从机体结构上分，有单层壳体和双层壳体[11]。
2.3.1.喷淋式洗碗机
喷淋洗碗机通过高压水泵高温高压水流注入喷淋管后由喷淋嘴360度无死角喷射到餐具表面，加上洗涤剂的辅助作用，以彻底分解餐具的表面油和残留物，结构简图如图2-2所示。餐具上的残留物可以通过浸泡池中的化学物质来去除，这些化学物质可以快速分解油脂并将其从餐具表面去除。在清洗过程中，高温处理可以有效杀菌，从而实现清洁和灭菌的双重效果。整个过程基于化学去渍和机械冲洗的作用。
