基于PLC的电镀槽生产线的控制设计方案

1 基于 电镀槽生产线的控制设计方案 第 1章 绪论 制系统概述及选题背景意义 题背景及意义 中国经济高速发展，工业化进程的不断深化，为自动化行业的迅猛发展提供了广阔的空间。电镀行业是我国重要的加工行业，但是大多数中小企业仍在使用许多过时的技术和设备，大量的生产线为半机械化和半自动化控制，一些甚至为手工操作。工业电镀生产线工位多、生产复杂，同时在电镀中，其氧化、酸洗、碱洗、电镀等许多工艺具有严重的化学污染和腐蚀，对人的身心健康十分不利，而且人工操作随机性大，影响产品质量。传统的方法是使 用顺序控制器，由于其电路复杂，接口多，受外界干扰大，工作可靠性差，维护也困难。采用 较完善的诊断和自保护能力，可以增强系统的抗干扰能力，提高系统的可靠性。 一件电镀产品的质量除了要有好的成熟的电镀工艺和品质好的镀液添加剂外，如何保证电镀产品严格按照电镀工艺流程运行和保证产品的电镀时间则是决定电镀产品质量和品质的重要因素。在电镀生产线上采用自动化控制不但可以使电镀产品的质量和品质得到严格的保证，有效的减少废品率，而且还可以提高生产效率和减轻工人的劳动强度，有着非常好的经济效益和社会效益，电镀生产线上对行 车的自动控制则是电镀生产线自动化控制的关键。 制系统的概述 随着集成电路和计算机技术的迅猛发展，存储控制程序逐步替代接线程序控制，成为工业控制系统的主流发展方向。所谓程序控制，就是将控制逻辑程序语言的形式存放在存储器中，通过执行存储器中的程序实现系统的控制要求。这样的系统称为存储程序控制系统。在存储程序控制系统中，控制程序的修改不需要改变控制器内部的接线，而只需通过通过编程器中的某些程序语言内容。 用 以变频器对电镀自动生产线行车进行自动控制，具有结构简单、编程方便、操作灵活、使用安全、 工作稳性能可靠和抗干扰能力强的特点，是一种 2 很有效的自动控制方式，是电镀生产实现高效、低成本、高质量自动化生产的发展的主流方向。 在电镀生产线上采用自动化控制不但可以使电镀产品的质量和品质得到严格的保证，有效的减少废品率，而且还可以提高生产效率和减轻工人的劳动强度，有着非常好的经济效益和社会效益，电镀生产线上对行车的自动控制则是电镀生产线自动化控制的关键。对于行车的自动控制，早期是采用继电器逻辑电路和顺序控制器，发展至今其控制方式已采用可编程控制器 为核心控制部件，其控制更为安全、可靠、方便、灵活，自动 化程度更高。 程设计内容及要求 电镀生产线采用专用行车，行车架上装有可升降的吊钩，行车和吊钩各有一台电动机拖动。行车的前进、后退和吊钩的上升、下降均由相应的行程开关发出信号。 生产线上有三个槽，工件由装有可升降吊钩的行车带动，经过电镀、镀液回收、清洗等工序，完成电镀全过程。在电镀生产线一侧，工人将代加工的零件装入吊篮，并发出信号，专用行车便提升并自动逐段进行。按工艺要求在需要停留的槽位停下，并自动下降，停留一定时间（各槽停留时间按事先工艺要求调定）后自动提升，如此完成电镀工艺规定的每一道工序，直至 生产线的末端自动返回原位，卸下处理好的零件，重新装料发出信号进入下一加工循环 。 电镀生产线的工艺流程如下图所示： 3 用步进指令设计一个电镀槽生产线的控制系统。其控制要求如下：具有手动和自动控制的功能，手动时，各动作功能分别操作；自动时，工件放入电镀槽中，按下起动按钮后，电镀提起移至渡槽停放 30 秒，再放入回收液槽中停放 12 秒，提起后停 5 秒，再放入清水槽中，清洗 12 秒，提起后停 5 秒，行车返回到原位，镀件的加工过程全部结束。图中 行车进退限位开关， 别是吊钩上下纤维开关。 介 编程控制器 (计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(简称 主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 是为了避免与个人计算机(简称混淆，所以将可编程控制器简称 1969年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。 基本结构 可编程控制器作为控制器的自动控制系统，实质上就是一种用于工业控制的专用计算机，它既可进行开关量的控制，又可实现模拟量的控制。 用了典型的计算机结构，主要由中央处理器、存储器、输入输出接口电路、电源等组成。如图 2示。 30s 清水槽 回收液槽 镀槽 5s 5s 10s 12s 12s 原位 1镀工艺流程图 4 电源电源接口中央处理器存储器外部设备接口编程器 其他输入接口输出接口图 2基本结构 为箱式和模块式两种，但他们的组成是相同，基本上都由 储器，输入 /输出接口电路，电源模块等几部分组成的，下面分别对几种单元进行介绍。 整个 核心，起神经中枢的作用。它按照 系程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中。同时，诊断电源和 部电路的工作状态及编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的信号，去 指挥有关的控制电路。 2 存储器是具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、 成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（ 成。 3 输入 /输出接口电路 输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输 入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成 部所能接受的数字信号。 5 输出接口工作过程：当内部电路输出数字信号，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号 0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或者不动作。 工作原理 具有微机的许多特点，但它的工作方式与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，而 采用 循环扫描工作方式。在 用户程序按先后顺序存放。对每个程序，处理器从第一条指令开始执行，直至遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环，每一个循环成为一个扫描周期。扫描周期的长短去决定于以下几个因素：一是处理器执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期大致可分为输入 /输出刷新和执行指令两个阶段。 特点 1、可靠性高、抗干扰性强 用了集成度很高的微电子器件，大量开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠程度是使用机械触点的继电 器所无法比拟的。为了保证 在恶劣的工业环境下可靠工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件或软件的刚干扰的设施。 (1)硬件方面的设施有： 隔离 输入、输出接口电路一般都采用光点耦合器来传递信号，这种光电隔离设施使外部电路与 部之间完全避免了点的联系，有效地抑制了外部的干扰源对 影响，还可以防止外部强电穿入内部 滤波 在 路电源和输入、输出 (I/O)电路中设置了多种滤波电路，可有效抑制高频干扰信号。 在 部 点电源采取屏蔽、稳压、保护等设施 ，防止干扰信号通过供电源进入 部，另外各个输入 输出（ I/O）接口电路的电源彼此独立，以避免电源之间的相互干扰； 内部设置连锁、环境检测与诊断等电路，一旦发生故障就报警； 外部采用密封、防尘、抗震的外壳封装机构，以适应工作的恶劣的环境。 （ 2）在软件方面的设施有： 6 设置故障检测与诊断程序，每次扫描都对系统状态、用户程序、工作环境和故障进行检测诊断，发现错误后，立即作自动相应的措施，如报警、保护数据和封锁输出等。 定义用户程序及动态数据进行电池后备，以以保证停电后有关状态及信息不会丢失。 2 、编程简单易学 用与继电器控制线路图非常接近的梯形图作为编程语言，它既有继电器电路的清晰直观的特点，又充分考虑到电气工人和技术人员的读图习惯，对使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识，因此，易学易懂，程序改变时也容易修改。 3、功能完善、适应性强 目前 品已经标准化，系列化和模块化，不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制功能，还具有 A/D、 D/A 转换、算术运算及数据处理、通信联网和生产过程监控等功能。它能根据实际需要，方便灵活地组装成大小各异、功能不一的控制系统，即可控制一台单机、一条生产线 、又可以控制一个机群、多点生产线。既可以现场控制，又可以远程控制。 针对不同的工业现场信号，如交流、直流、开关量或模拟量、电流或电压脉冲或电位、强电或弱电等， 有相应 I/O 接口模块与工业现场控制器件和设备直接连接，用户可以根据需要方便的进行配置，组成使用、紧凑的控制系统。 4、使用简单，调试维修方便 接线极其方便，只需将生产输入信号的设备（如按钮、开关等）与 接收输出型号的被控制设备（接触器、电磁阀等）与 用螺丝刀既可完成全部接线工作。 用户程序可在实验室模拟调试，输入信号用开关来模拟，输出可以用发光二极管。调试后再将 现场安装调试。调试工作量要比继电器控制系统少得多。 故障率很低，并且有完善的自诊断功能和运行故障指示装置。一旦发生故障，可以通过 上各种发光二极管的亮灭状态迅速查明原因，排除故障。 5 、体积小、重量轻、功耗低 由于 用了半导体大规模集成电路，因此正规产品机构紧凑、体积小、重量轻、功耗低，所以 容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想 7 的控制设备。 第 2章 硬件设计方案 动系统 本文采用三相异步电动机控制作为行车和吊钩的动力单元。三相异步电动机具有结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的为太和动态特性的有点。下图为电动机的主电路图，其中 控制行车的电动机， 控制吊钩的电动机。 型 在 统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据 控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定 部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 设计相应的控制系统 。 型选择的基本原则是满足控制系统的功能要求及保证可靠，维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比，还要考虑控制系统的工艺改进后的系统升 8 级的需要，更要兼顾控制系统的制作成本，选择是主要考虑以下几点： 编程控制器的结构选择 基本结构分整体式和模块式两种，整体式 每一个 I/O 点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，一般用于小型控制系统中；而模块式功能扩展灵活方便，在 I/O 点数输入点数与输出点数的比例， I/O 模块的种类等方面选择余地大，且维护方便，一般用于复杂的控制系统。 ，可编程控制器控制系统的规模的大小是用输入，输出的点数来衡量的。在设计系统时，应准确统计 I/O 点数，并考虑今后调整和工艺改进的需要，一般为实际点数再加上 10% 20%的备用量。 储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于 存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 10，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数位内存的总字数（ 16 位为一个字），另外再按次数的 25%考虑余量。因此本课题的 000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间 。 制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 （ 1）控制功能 要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专门的只能输入输出单元完成所需的控制功能，提高 处理速度和节省存储器容量。 （ 2）编程功能 离线编程方式： 编程器公用一个 程器在编程模式时， 为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模 9 式， 现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但 使用和调试不方便。在线编程方式： 机 在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到逐句，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型 常采用。 五种标注化编程语言：顺序功能图（ 梯形图（ 功能模块图（ 种图形化语言和语句表（ 结构文本（ 种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（ 同时，还应支持多种语言编程形式，如 C， 满足特殊控制场合的控制要求。 过对输入输出点的选择、对存储容量选择、对 I/O 响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分析。 该控制系统选用三菱公司 列的 体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块链接，可以增加输入 /输出点。 综上所述选择并根据课题要求所以所选 三菱 号。如图： 压电器选择 断器选择 10 对于频繁起动的单台电动机为了起到短路保护作用，又保证电动机的正常启动，在频繁起动时，熔体不应熔断。即 3 以选型号为 5，熔体为 6A。 关选择 根据控制要求当按下启动按钮（有信号）时程序动作，自动运行，当需要手动时，选择自动 /手动开关。在运动过程中需要限位和状态转换，所以在前进和后退过程中需要限位开关和行程开关。 触器 根据要求选额定工作电压、电流为 380V、 5A，额定线圈电压为 220V，频率为 600 次 /h，类别为 号为 三极交流接触器。 第 3 章 软件系统的设计 ，计算 IO 口数目，为便于查看，分别绘制输入、输出接口功能表如下： 表 ，要求整个生产过程能手动和自动进行，这主要体现在行车控制上，同时还要求行车和吊钩的正反向运动均能实现电动控制，以便对设备进行调整和检修。电镀生产线的自动工作状态流程图如下： 12 车自动工作控制过程 行车在原位，吊钩下降到最下方，限位开关 压下，操作人员将要电镀的工件放在挂具上，即 可开始电镀工作。 （ 1）吊钩上升 按下启动按钮 钩上升，当碰到上限开关 ，吊钩上升停止。 （ 2）行车右行 在吊钩停止的同时，行车右进。 （ 3）吊钩下降 行车前进至压右限位开关 车停止前进；同时吊钩下降。 （ 4）定时电镀 吊钩下降至下线开关 ，停止下降。同时 始计时，定时电镀 30s。 （ 5）吊钩左行 时到，吊钩上升至压下上限 始计时 10S，之后左行压至 始下行。 （ 6）定时回收 吊钩下压至压下 ，吊钩停止下降，同时 始计时，工件停 留在回收液槽中 12s。 （ 7）定时清洗 时到，上升到限位 时 5S，左行至限位下降，至限位后 时 12S 清洗。 （ 8）返回原位 清洗结束后上升至限位， 时 5S,吊钩返回原点。 后面各工序的动作过程，以此类推。 13 动控制步进指令图 统程序梯形图 图中 0 至 31 步为手动控制，其后为自动控制程序。 14 15 16 17 18 试 先通过计算机打开三菱 编程软件，将已编好的程序编入编程软件，检查无误点击转换按 钮对程序进行转换，再将 进算计联机，把在 态，点击软件里的 钮写入，将程序写入 后是接线，将各个开关按钮和器件与 I/O 口相连，最后监控调试程序。通过对程序的编译调试，可以找出编程的一些语法上的错误，检查是否有双线圈输出，同时可以对程序改进以优化程序。 19 第 4 章 本设计特点 接触器控制电镀槽的工作可靠性差、故障率高、