生产管理知识_电镀生产线自动控制系统的设计与实现论文

江南大学 硕士学位论文 电镀生产线自动控制系统的设计与实现 姓名：黄佳伟 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：刘飞 20090801 摘要 题目： 专业： 研究生： 导师： 摘要 电镀生产线自动控制系统的设计与实现 控制理论与控制工程 黄佳伟 刘飞 随着现代工业和技术的发展，电镀在机械、电子、仪器仪表、轻工、地质、交通运 输和国防工业等生产部门的应用日益广泛。与人们的日常生活也有十分密切的关系。 现代市场竞争日趋激烈，企业迫切需要提高生产效率和产品质量，于是如何提高电 镀生产线的自动控制性能，减少成本具有重要的意义。 本文以镀锌电镀自动生产线控制系统设计为目标，对其电镀的工艺要求和控制要求 进行了分析，结合企业的实际情况，开发了一套基于触摸屏与P L C 的电镀生产线的自 动控制系统，提出了设计方案，然后对该生产线控制系统的硬件部分进行了设计。在对 电镀控制系统的设计中，针对于电镀生产线上行车运行不平稳，定位不精确等问题提出 了解决的方法。 为了提高速度的跟踪控制效果，必须对速度控制进行了研究。首先，建立变频器与 电动机的传递函数。其次，比较了经典P I D 控制理论与现代模糊控制理论的优缺点，并 把现代模糊控制理论和经典控制理论有机结合，构建了适合于变频器一电动机控制要求 的模糊P I D 控制器。接着，设计了相应的控制规则，实现了对电机速度跟踪性能的优化。 最后M A T L A B 仿真验证了所提方法的可行性与优越性。 此外，本文还对温度控制进行了研究，利用专家P I D 控制方法取代了原单闭环控制 方法，进而使温度平稳达到目标值，降低了蒸汽阀的开关次数，提高阀的寿命。 最后实现了电镀生产线控制系统软件的设计，将模糊P I D 智能算法应用到P L C 控 制系统中。在人机交互方面，本系统采用触摸屏作为人机界面，通过专业软件的设计使 得运行的各个状态和过程可见、可控。 关键词：P L C触摸屏模糊控制P I D 控制 A b s t r a c t A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r ya n dt e c h n o l o g y , e l e c t r o p l a t i n gh a sb e e nw i d e l y u s e di nm a c h i n e r y , e l e c t r o n i c ，i n s t r u m e n t ，l i g h ti n d u s t r y , g e o l o g y , t r a n s p o r t a t i o n ，a n dn a t i o n a l d e f e n s ei n d u s t r ya n di ti sa l s ov e r yc l o s et ot h ec o m m o nl i f eo fp e o p l e D u et ot h ea c u t ec o m p e t i t i o no ft h em a r k e t ，t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y m u s tb ee n h a n c e d S o ，i ti ss i g n i f i c a n tt oe n h a n c et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fe l e c t r o p l a t i n g p r o d u c t i o nl i n ea n dr e d u c ep r o d u c t i o nc o s t T h i sp a p e ra n a l y z e st e c h n o l o g i c a la n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t sc o m b i n e dw i t hp r a c t i c a l s i t u a t i o no nt h eb a s i so fd e s i g no fz i n cp l a t i n ga u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e T h ec o n t r o ls y s t e m o fa u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n eW a sa l s od e s i g n e db a s e do nt o u c hs c r e e na n dP L C T h ed e s i g n s c h e m eW a sa l s op r o p o s e di nd e t a i l T h e n ，t h eh a r d w a r ep a r to fp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e m W a sd e s i g n e de s p e c i a l l yf o c u s e do nt h eu n s t a b l es l i d i n go fd r i v i n ga n di m p r e c i s i o no f l o c a t i o n T oi m p r o v et h et r a c k i n gp e r f o r m a n c e ，t h ec o n t r o lf o rd r i v i n gs p e e dm u s tb es t u d i e d F i r s t ， t h et r a n s f e rf u n c t i o no ff r e q u e n c yc o n v e r t e ra n de l e c t r i cm o t o ri sc o n s t r u c t e d N e x t ，t h e c l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r e mo fP I Da n dm o d e mf u z z yc o n t r o lt h e o r e mW a sc o m p a r e da n da p r o p e rf u z z yP I Dc o n t r o l l e r s u i t a b l et of r e q u e n c yc o n v e r t e ra n de l e c t r i cm o t o rc o n t r o l r e q u i r e m e n tW a sd e s i g n e db yc o m b i n i n gm o d e mf u z z yc o n t r o lt h e o r e ma n dc l a s s i c a lc o n t r o l t h e o r e m T h e n ，c o r r e s p o n d i n gc o n t r o lr u l e W a sa l s od e s i g n e dt oo p t i m i z et h et r a c k i n g p e r f o r m a n c e F i n a l l y , M a t l a bs i m u l a t i o nv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ep r o p o s e d m e t h o d B e s i d e s ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lh a sa l s ob e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r T h ee x p e r tP I D c o n t r o lh a sb e e nu s e dt ot a k ep l a c eo fo r i g i n a l s i n g l e c l o s e d l o o pc o n t r o lm e t h o dw h i l e t e m p e r a t u r ea c h i e v e dt a r g e tv a l u es m o o t h l y , t h es w i t c h i n go ft h es t e a mv a l v ed e g r a d e da n d l i f e s p a no fv a l eW a sp r o l o n g e d T h es o f t w a r ed e s i g no fp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e di nt h ee n d T h ef u z z y P I Di n t e l l i g e n ta l g o r i t h mW a sa p p l i e di nt h eP L Cc o n t r o ls y s t e m A st h eh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o ni sc o n s i d e r e d ，t h et o u c hs c r e e ni su s e da sm a n m a c h i n ei n t e r f a c e T h eo p e r a t i o no f t h es t a t ea n dp r o c e s sW a sv i s i b l ea n dc o n t r o l l a b l ev i at h ed e s i g no fp r o f e s s i o n a ls o f t w a r e K e y w o r d s ：e l e c t r o p l a t i n g ；P L C ；t o u c hs c r e e n ；f u z z yc o n t r o l ；P I Dc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本犬在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 蓍雠 日 期：2 一吒够 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 鱼鲣 导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外电镀自动线现状及发展水平 电镀工业是我国重要的加工行业，至今已有1 0 0 多年历史，近代科学技术的发展 为它增添了许多新的内容，因而电镀在机械、地质、电子、仪器仪表、轻工、交通运输 和国防工业等生产部门的应用日益广泛，与人们的日常生活也密切相关【1 1 。 电镀是一种电化学过程，也是一种氧化还原反应，是获得金属保护层的有效方法。 在这个过程中金属离子获得电子被还原成金属原子，金属原子按一定的规律排列形成晶 体成为镀层。电镀技术又称为电沉积，其基本原理就是直流电场的作用下，在电解质溶 液( 镀液) 中由阳极和阴极构成回路，使溶液中的金属离子沉积到阴极镀件表面上，以 形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程【2 1 。 电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸，从而提高耐腐蚀 性、抗高温氧化性、良好的导电性、高的硬度、高的耐磨性和减摩性、微细加工的均匀 性以及其他某些特殊的物理、化学特性，同时又赋予金属光泽美观。 电镀生产线是指按一定的电镀生产工艺要求，将有关的各种电镀处理槽、电镀行车运 动装置、电源设备、循环过滤装置、检测仪器、加热装置、空气搅拌装置、排水排水及 污染处理装置等组合，是一个由电气控制系统协调控制的完整系统【3 】【4 】。 目前，国外很多企业使用大容量、功能多，高质量的工业控制计算机，如单片机， 微计算机，P L C 等，组成控制系统，集中控制行车动作、镀槽液温度值、电流密度、电 镀时间、添加剂含量等工艺参数，调整生产过程中各参数的动态平衡，自动实现优化生 产。可以看出，现代电镀自动线已形成自动化程度高，机械系统结构合理，运行可靠的 特剧5 。镀液用热交换器进行槽外循环，自动调温。用高效、耐蚀，使用温度高的连续 过滤装置使镀液达到合适的过滤精度。用空气搅拌强化电镀过程和清洗过程。配有喷淋 清洗装置和逆流漂洗闭路循环系统，安装了工艺参数自动控制系统。采用了稳压、稳流、 稳定电流密度的可控硅整流器等一系列先进的配套设备【6 】。随着电镀辅助设备的发展， 促进了电镀生产自动线向完善发展，日本电镀企业4 5 0 0 家中有3 0 实现了计算机控制的 全自动化，其余的均采用非连续式半自动化电镀生产线吼 虽然国产电镀自动线及其配套设备与世界工业发达国家先进水平相比还存在差异， 但近些年来国内电镀自动线种类、使用面上有了很大突破【羽。电镀厂车间专业化程度越 来越高。对大批量镀件，凡工艺成熟的，通常采用能处于满负载状态下连续生产的环形 电镀自动线。对需要改变工艺条件的生产线则采用适应性强、机械结构简单的，间歇生 产的直线式电镀自动线。从效率、产量角度考虑，前者具有一定的优势。直线式电镀自 动线行车及其传动机构较先进，加工精度高【9 1 。行车由于采用了电机无级变速系统，起 步、制动、运行平衡，各工序可选择合适的速度行车加工精度高、自重轻、运行时惯性 小用微机控制，接近开关检测行车工位信号以及一些其他技术，保证行车系统高可靠性， 停位准、晃动小、镀件不飘落【l0 1 ，但是在速度控制中仍存在问题，电机的速度的精度不 江南大学硕士学位论文 高，实际的转速与所给定的速度误差太大。 在电气控制上，电镀线的发展经历了由手工、半手工生产线，再到自动化生产线的 发展过程【l l 】。目前，电镀自动线大都采用了先进的控制方式、变频技术、D C S ，达到了 很高的自动化水平，大大提高了电镀质量，极大限度的提高了生产效率。 1 2 电镀生产线实现自动控制的意义 落后的操作方式会引起很多人为的问题，也会增加成本，质量也没有保障。采用自 动化控制系统后，会有很大的改善： ( 1 ) 降低物量消耗量。在电解电镀过程中，除了电源装置的能量的损耗，电镀过程中的能 耗也占绝大部分。而电流和电压是影响电镀过程能耗的因素，实现自动化控制后，实时 监控电解液浓度、温度、电极距离等参数，就可以对电源的电流、电压输出进行调整和 合理的配置，使电镀生产过程完全符合其工艺要求，进而减少人为因素的干扰，使电镀 生产处于最佳运行状态，资源利用充分合理，提高产品质量同时节能【1 2 】【13 1 。 ( 2 ) 减轻工人劳动强度，保障工人生命安全。原本的电镀生产线上的行车都是有人去操作 的，而且必须有人巡视监测，计算时间，以防出差错和发生事故，在不增加人员的前提 下，个人的工作强度必然加大。在实现生产控制自动化后，因为自动生产线具有自动报 警及自动保护功能，只需一人在控制室操作、监视，既能节省劳动力，又能减轻工人的 劳动强度【l 4 。 电镀工艺是电化学生产工艺，在电镀手工生产过程中，职工接触一些硝酸、重金属 盐、氰化物等一些有毒有害物质是不可避免的，对他们的安全健康受到了很大的影响， 实现电镀生产线自动化后，职工可以在控制室通过监控，尽可能不去或少去车间，减少 身体危害。 ( 3 ) 提高镀件质量。电镀工艺的参数如温度，时间，电流等能否被有效的控制是影响电镀 产品质量的重要因素。实现生产线自动化后，就能严格的并且很好的控制电镀工艺的主 要参数。而且对行车行程控制可在编制程序时设置多种可变功能，如跳位、延时、停留 时间更改、预动作选择等，能适应工艺变化的需要【1 5 】【1 6 1 。 ( 4 ) 有利于环境保护。自动化控制系统能严格监督各种废气、废水处理设备的运行情况， 使生产环境和生态环境切实得到进一步改善【1 7 】。 ( 5 ) 监控管理简便。在自动化控制生产线上，电镀的电流值、电压值、当前温度值和每个 槽的电镀时间等参数都能通过友好的控制界面显示给用户，并能动态的显示各条生产线 的运行状态。用户可以直接通过界面修改电镀参数或者调用各种工艺方案，从而满足不 同的生产。而且整个电镀过程的生产纪录可以保留，还可以打印出来，以备将来查询和 参考【1 8 】【1 9 】。 综上所述，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。 1 3 国内电镀行车控制问题 2 第一章绪论 行车的运行是整个电镀生产线的关键，直接影响着生产效率和产品质量，现在国内 很多企业对速度控制不是特别重视，速度控制不合理，虽然现在电镀行车使用了电机无 级调速，使速度连续稳定运行，但是现在很多公司都是使用的开环控制，由人工直接调 节变频器的频率改变电机速度。调节行车速度非常麻烦，通过视觉观察，如果电机快了， 则频率调低：如果慢了，频率调高，而且速度的跟踪效果很不好，误差很大，运行效率 不高。为了减少生产时间，也有一些公司采用了单闭环对速度进行实时监测，但是效果 始终不理想，因此加入P I D ，模糊控制等先进控制算法对速度进行调整。 另外电镀行业中温度控制是影响产品质量的重要因素之一，电镀温度控制的精度会 直接影响到电镀产品的颜色和质量。在科学研究和生产实践的诸多领域中，温度控制理 论发展很快，包括近年来快速发展的P I D 温控、模糊控制以及神经网络和遗传算法在温 控系统中的应用，其中P I D 控制器是工业过程控制中最常见的一种控制器，而且它已经 广泛应用于工业过程控制之中。P I D 控制由于其结构简单、原理透明、鲁邦性较好，不 需在线辨识数学模型等优点，一直为广大的控制技术人员所青睐，但是国内大部分公司 采用的是简单的比例控制，这样温度控制差相当大，有的公司采用了具有传统的P I D 控 制的仪表，但这又增大了设备成本。电镀行业中的温度控制是一种具有时滞和非线性的 时变过程，采用常规P I D 控制虽然比简单的比例控制好，但控制效果也并不理想。长期以 来，电镀行业的电镀过程的温度控制问题都没有得到很好的解决。因此，需要研究开发 出一种控制性能良好的智能型控制器来改变这种状态。专家控制的实质是将受控对象的 特性和控制规律的有关专家知识融入到控制器中。其中，利用专家控制经验来在线整定 P I D 参数也就构成了一种专家P I D 控制器，本文对这种专家控制器进行了研究和开发，并 对电镀过程的温度进行了控制实验【2 0 】【2 1 】。 1 4 模糊智能控制的发展 工业和现代科学技术高速发展，各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、 系统稳定性与适应能力的要求越来越高，应用范围也更加广泛。控制理论的迅速发展， 出现了许多先进的控制算法，然而，以P I D 为原理的各种控制器仍是过程控制中不可或 缺的基本控制单元。这是因为P I D 控制具有结构简单、容易实现、控制效果好和鲁棒性 强等特点，且P I D 算法原理简明，参数物理意义明确，理论分析体系完整，为广大控制 工程师所熟悉【2 2 1 。但是随着工业的发展，对象的复杂程度不断加深，尤其是大滞后、时 变的、非线性的复杂系统，有的参数未知或缓慢变化，有的带有延时或随机干扰，有的 无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙，常规控制的缺陷逐渐暴露出来。对于时变 对象和非线性系统，传统的控制己是显得无能为力。因此常规控制的应用受到很大限制 和挑战【2 3 1 。人们在对应用的同时，也对其进行了各种改进，主要体现在两个方面一是对 常规本身结构的改进，即变结构控制另一方面，模糊控制、神经网络控制和专家控制是 目前智能控制中最为活跃的领域，它与常规控制相结合，扬长避短，发挥各自的优势， 成所谓智能控制。这种新型控制器己引起人们的普遍关注和极大的兴趣，并己得到较为 广泛的应用。 江南大学硕士学位论文 对于那些难以获得数学模型或粗糙的的工业过程，仍然是以人的操作经验为基础， 进行人工控制。而在人的思维、语言以及信息的处理中，表现出许多模糊概念，可见对 一些不清晰系统，就是要把模糊信息综合起来加以分析，用模糊数学理论与计算机技术 相结合的方法，设计成模糊控制器，来代替有经验的操作者的人工控制，以实现工业过 程的智能化控制【2 4 1 。 模糊控制的优点有( 1 ) 不需要被控对象的数学模型；( 2 ) 控制器不是数学解析型控制 器，而是运用人工智能设计的智能控制器，把专家的经验总结成若干条规则进行有效控 制，控制算法十分简捷；( 3 ) 鲁棒性强，即被控对象模型结构和参数发生变化时，仍能保 持良好的控制性能；( 4 ) 对时不变系统，缓时变系统，快时变系统都能适用；( 5 ) 克服较 大的非线性【2 5 】。 模糊控制具有智能控制所具有的一系列优点，在速度控制系统中己经开始获得应 用。 综上所述，以经典控制理论为基础的控制，因其具有结构简单易于实现的特点，至 今在机电运动控制系统中仍有广泛的应用。但传统的采用线性定常组合方式，难于协调 解决快速性和稳态特性之间的矛盾，在具有参数变化和外干扰情况下其鲁棒性也不够 好。吸取自适应控制和智能控制的基本思想并利用计算机的优势，对传统的进行改造后， 形成了模糊控制。它具有不依赖系统精确数学模型的特点，对系统的参数变化具有较好 的鲁棒性。模糊控制器应具有自整定、自综合和监控三种运行状态。自整定是指控制器 根据对象特性变化自动整定参数，使控制系统具有稳定鲁棒性自综合用来保证控制系统 的性能鲁棒性监控状态用来确保控制系统安全可靠运行。 在模糊控制理论的研究和应用方面，美国和日本等国走在了世界的前列。在我国 关于模糊控制开展的研究起步较美日等国迟，但是在理论研究和技术应用个方面也取得 了巨大的进步【2 6 J 。 1 5 本课题的研究内容和文章结构 1 5 1 本课题研究内容 国内电镀生产线的落后，控制系统的自动化程度不够，如果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，因此实 现自动控制是迫切需要的。 本课题根据某企业的镀锌生产线控制系统的不足，对其电镀工艺要求和控制要求进 行了分析，开发了一套基于触摸屏与P L C 结合的电镀生产线自动控制系统，对控制系 统的硬件和软件进行了优化设计，既节省项目投资，又提高电镀质量、提高经济效益从 社会效益上讲，既实现电镀工艺自动线高效可靠的运行，又可提高电镀自动线的自动化 水平。 对于一个具体的工艺要求，电镀生产过程往往是固定的，企业为了提高生产率，减 少行车运行的时间是一个有效的途径，我们通过各个因素的分析可以发现行车的速度控 4 第一章绪论 制是一个关键因素。 由于行车运行效率低，为了减少生产时间，提高行车运行的效率，为此对速度的控 制进采用了闭环控制方法取代了原本的开环控制，引入了先进控制算法对其进行研究应 用。首先，建立变频器与电动机的传递函数。其次，将闭环控制方法取代开环控制方法， 并引入先进的控制算法，构建了一个速度控制器，实现了对电机速度跟踪性能的优化， 最后M A T L A B 仿真验证了所提方法的可行性与优越性。另外，本课题还对温度控制进 行优化改造，用专家P I D 控制取代了原来的单闭环比例控制，提高温度精度和蒸汽阀的 使用寿命。 1 5 2 论文结构 本文对速度跟踪控制策略的研究，并对电镀生产线的自动控制系统进行了设计全文 分为五章。 第1 章，首先介绍了本课题的背景，其次介绍了国内外电镀控制技术的发展和国内的存 在的问题，就针对解决问题。 第2 章，对镀锌的工艺和控制要求进行了分析，提出了设计方案，并对控制系统进行了 硬件设计。 第3 章，对行车速度控制系统进行分析提出了不足，对模糊P I D 控制进行研究，并通过 M A T L A B 软件仿真证明其优越性，并利用专家P I D 对温度控制进行了优化 第4 章，阐述了对电镀生产线控制程序的优化设计和触摸屏设计，实现了P L C 对模糊 P I D 控制的速度程序编写。 第5 章，总结工作内容，并提出对电镀生产线优化的新的方案和思路 第二章电镀生产线控制系统的总体设计 第二章电镀生产线控制系统的总体设计 本章以某企业的镀锌自动生产线为背景，对镀锌工艺进行了分析，并根据该公司对 镀锌控制要求提出了设计方案，对控制系统进行了硬件设计。 2 1 镀锌生产线工艺分析 2 1 1 镀锌工艺分析 镀锌自动生产线生产环节大体分成三个基本阶段：镀前处理阶段、电镀过程阶段和 镀后处理阶段。 镀前处理是电镀的关键环节，为了使电镀生产得以优质、高效、简洁地顺利进行， 在电镀施工前将工件的表面处理准备工作，该阶段要根据表面状况、工件材料的性质和 表面处理的要求，进行仔细的表面准备工作，要除去工件表面的氧化层或去油，改善工 件表面状况，以保证电镀层的品质。在此生产线中的镀前处理工艺主要经过初电解，水 洗，酸脱脂，酸电解，终电解，活化。 电镀过程就是把工件放入镀槽里进行电镀，在电镀控制过程中要控制好镀液工作温 度、镀液配方、电流密度和电镀时间，电镀过程主要经过镀锌。 镀后处理主要是为了装饰或加强防腐能力而进行的一系列操作，主要经过：超声波 水洗，出光，钝化，热纯水洗，侵水溶剂等。经过电镀的器件可以提高其使用寿命，具 有可靠性高和抗干扰能力强等特点，所镀工件在各行各业得NT 广泛应用【2 刀。 该镀锌中初电解，终电解，镀锌，热纯水洗四个工艺需要温度控制。而其中初电解， 终电解，镀锌三个工艺还需要里需要电流作用，因此还要整流控制。 镀锌自动化生产线各工段的工艺流程参见图2 1 ，生产线各工段的工艺参数见表2 1 7 江南大学硕士学位论文 上料 上 r 初电解 I 一 水洗 热纯水洗 7 1 L土 中和侵水溶剂 二 镀锌 下挂 二 f ：次逆流水洗。 上 超声波水洗 ， 出光 2 次逆流水洗 上 钝化 2 次逆流水洗 一 图2 1 镀锌工艺流程图 F i g2 1Z i n cp l a n t i n gp r o c e s sc h a r t 表2 1 镀锌工艺参数 ! 垒垒! 曼! 圣i 里里巳! 型i 翌g 巳! Q 里呈! ! 巳垒望! 塑呈! 呈! ! 飞吧 有效容积 电镀 ，。 序号工序名称温度 数量( L I T E R S )时间 上挂2 初电解2 水洗 水洗 酸脱脂 2 水洗 水洗 酸电解 l 水洗 水洗 终电解 2 水洗 水洗 活化 水洗 9 9 0 0 3 8 5 0 3 8 5 0 9 0 0 0 3 8 5 0 3 8 5 0 4 8 0 0 3 8 5 0 3 8 5 0 9 0 0 0 3 8 5 0 3 8 5 0 3 8 5 0 3 8 5 0 8 3 2 0 s7 0 2 3 2 0 s 1 8 0 s 3 2 0 s7 0 2 1 2 0 s l 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 挖埒M 垢 第二章电镀生产线控制系统的总体设计 1 6中和 交换 镀锌 镀锌 镀锌 水洗 水洗 超声水洗 出光 交换 水洗 水洗 钝化1 钝化2 水洗 水洗 热纯水 浸水溶剂 下挂 3 3 3 2 1 4 4 0 s 1 9 0 s 2 0 s 3 0 s 3 0 s 2 5 3 2 5 3 2 5 3 3 0 s6 0 5 5 s 2 1 2 镀锌设备的结构 本课题中金属镀锌电镀线采用已经在电镀行业得到广泛应用的直线式生产线结构， 如图2 2 。直线式自动生产线结构简单( 由各种槽子，多个行车、轨道及程控系统组成) ， 按各镀件工艺的要求，将各工艺槽安好顺序布置成一条直线，自动控制行车安装在槽体 的上方，根据工艺要求来传送有工件的飞巴或滚筒以完成全过程。在直线的一端在飞巴 上装未处理的工件，另一端则是从飞巴上卸下已处理的工件，也有仅在一端装卸工件。 该生产线为了有一个充分的上料时间和下挂时间，采用了两个上挂位和两个下挂 位，在行车运行第一个周期内只使用一个上挂位l 和一个下挂位1 ，而上挂位2 跟下挂 位2 可有充分时间去装卸工件。到行车运行到下一个周期，即第二个周期时，则使用上 挂位2 和下挂位2 ，而上挂位1 和下挂位1 则被用于装卸工件。 直线式自动生产线对于大、中、小型零件均能适用，并且规模不限，而且它的机械 装置简洁，制造方便，在同一条生产线上可根据不同的工艺要求通过控制系统执行不同 的工艺流程，但它的电气控制、调试、维修较复杂，目前大量用于镀锌、铜、镍，铬等 工艺( 2 8 】【2 9 1 。 本课题生产线为了减低成品的周期时间，总共使用了6 部行车。 9 0 K K 兀O O 0 O 0 O 0 0 O 0 0 O 踮 溉溉溉踮踮踟踮 踮踮踮踮踮踮踮踮 3 K “3 3 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 坞均加n 盟捣孔历弱盯勰四 江南大学硕+ 学位论文 围22 镀锌生产线 F i g2 2 Z i n cp l a n t i n g p r o d u c t i o n I i n e 2 2 镀锌自动线控制系统的设计要求 ( 1 ) 操作简单，能实现对行车的手动和自动控制 ( 2 ) 控制系统性能稳定，运行可靠，方便维护，能满足功能的扩展 ( 3 ) 具有自动保护自动报警，能满足电镀厂车间运行管理和安全处理的要求 ( 4 ) 对此电镀生产线工艺要求的镀液的温度参数和一些辅助设备的开关通过人机界面 进行实时监控 ( 5 ) 行车行驶要平稳，定位要精确，动作停止时工件尽量无抖动现象 ( 6 ) 能通过人机界面实现速度控制，使速度得到晟大的提高。 23 电镀控制系统设计方案 根据镀锌自动线控制系统的要求和工艺的分析，采用集散控制方法，利用P L C 作 为控制核心，触摸屏作为上位机进行监控。 为了使设计清晰，将整个控制系统可分为四个部分分别为：行车控制系统，电镀 温度控制系统，辅助设备控制系统，监控系统。然而监控系统可集中控制其余三个部分， 监控系统主要通过人机界面来实现。系统控制要求框架如图23 所示。 第二章电镀生产线控制系统的总体设计 一裤秽系， 人， ，机 P 电镀温度控制 界 o 系统 面 一栅l _ 繇 统 图2 3 系统控制要求框架 F i g2 3 b l o c kd i a g r a mo fs y s t e mc o n t r o lr e q u i r e m e n t 2 3 1 辅助设备系统 在辅助设备控制里，主要是对喷淋，风机和整流器这些重要辅助设备进行控制。 在电镀过程中，金属需要在相应的电解液和特定的工艺条件下，由于外加电流的作 用，通过槽液中离子的运动，在金属制品阳极上形成一层氧化膜的过程，该过程也称为 阳极氧化。其关键技术就是保证电镀时所需的电流密度，它将影响该电镀过程的发生及 效果。整流器的作用就是把工业用的交流电变为直流，以便在电镀里使用应为电镀加工 是要直流电流来进行加工的【3 0 1 。 整流器选用江阴天马的可控硅整流器其规格为K D F 2 0 0 0 A 1 2 V ，输出精度在5 以 内，通过R S 4 8 5 与P L C 通讯。 喷淋作用是对工件表面进行清洗，以保证工件表面的清洁。 阴极移动的作用就是带动工件在镀液里上下浮动，以保证镀层均匀 风机主要起排气的作用，由于镀液会挥发，如弥漫在车间内，对工作人员的身体有 害，因此要不断排除有害气体，净化工作环境。 由于整流器，风机，喷淋现场控制的不方便，为此使用了触摸屏对其设备的开关进 行控制。 2 3 2 温度控制系统 温度控制在电镀过程中的起着非常重要的作用，电镀槽中槽液的温度将直接影响电 镀过程是否能顺利进行、所镀工件是否能达到工艺要求。因为电镀反应需要槽液温度达 到一定温度范围时才能正常进行，这样可以保证镀件的镀层厚度均匀，确保镀件表面镀 层性质达到工艺要求。 该生产线主要是使用加温盘管对初电解、终电解、镀锌和热水洗四个槽液的温度进 行加热。蒸汽管通过电磁阀与加温盘管组、疏水管相连组成加温回路；温度传感器与电 磁阀组成信号反馈控制部分。通过蒸气对加温管进行加热，从而是槽液温度加热。 电磁阀的启动要求是通过触摸屏控制的，温度可在触摸屏上显示出来。 2 3 3 行车控制系统 在电镀自动线上，行车的控制系统是电镀的自动控制的核心部分。电镀步骤的进行 江南大学硕士学位论文 是一步一步按顺序进行，这就要求电镀线上的工件要通过行车按工艺顺序完成电镀过 程。行车的控制，对电镀效果产生重要影响。对行车的基本要求就是运动平稳，且按步 骤完成工艺要求，并能提高生产效率。 行车工作范围的分布 行车的运动范围直接影响工作效率，行车工作范围越广，即所行使的路径越长，运 动周期也就越长，因此至关重要。根据工艺流程将各个槽体从工件上件开始到下件位以 l 号工序位到4 0 号工序位结束。将整个工艺分成几区域，这里分为镀前，镀锌，镀后。 各个行车所分配到工作槽位数要差不多，这样周期时间就能得到满足。各个行车的运动 范围表示如下 1 号行车：上件位N - 次逆流水洗位( 1 号工序位到7 号“ - - 8 号工序位) 2 号行车：二次逆流漂水洗位N - 次逆流水洗位( 7 号工序位1 2 号工序位) 3 号行车：逆流水洗位到交换槽( 1 2 号工序位1 6 号工序位) 4 号行车：中和位到超声水洗( 1 5 号工序位“ - - 2 8 号工序位) 5 号行车：二次逆流水洗到交换( 2 6 号工序位3 2 号工序位) 6 号行车：交换槽到下挂位( 3 2 号工序位“ - 4 0 号工序位) 在电镀过程中，为了实现大批量的、连续生产，在电镀自动线上会出现多个镀槽。 这样在1 号行车和2 号行车、2 号行车和3 号行车、3 号行车和4 号行车，4 号行车与5 号行车，5 号行车与6 号行车之间会出现运动重合区，这就要求编程人员在编程时避开 行车的相撞。 行车动作流程的设计 行车的行走路径控制，主要分为离线式行车派车规则和即时式行车派遣控制。 离线式行车派遣规则因为所规定的行车运动为固定周期式的运动，就是行车按照工 程师事先安排好的动作进行反复运动，所以又称为周期式行车派遣规划，也称为固定流 程规则。这种方法就是因为容易直接将行车行程输入可编程控制器中来对行车进行控 制，而且其生产效率是比较好的，所以广泛运用于一般自动化电镀线的设计。但离线式 行车派遣规划无法处理不同的生产状况，如复杂的大型混合电镀生产线，而且往往一个 新的规则需要数日或甚至数周的时间来设计与测试，严重影响新产品开发及生产效率。 另外就即时性行车派遣而言，它的好处是可以随时因生产的状况，即时对行车的派 遣作出调整，但是因为在生产效率比固定周期的行车规则差，且一般即时控制的行车派 遣无法确定工作的处理时限能够在制程的容许范围之内，故一般实际生产甚少使用 3 1 1 3 2 1 o 本文所涉及的镀锌生产线，由于只有镀锌纯粹一种工艺，并不像镀铜镀镍等混合 型电镀工艺，可多种新品在其中不同的槽液里处理，该镀锌生产线无需处理不同的生产 状况。因此为了提高镀锌生产线有效的生产效率。根据以上几点特性，采用离线式行车 派遣规则，即固定流程控制。 行车行走流程的设计时要考虑四种问题特性【3 3 】： ( 1 ) 时间限制：工件在每一个处理步骤中的时间，即镀槽中的时间，受到一定的限制( 最 1 2 第二章电镀生产线控制系统的总体设计 短与最长的处理时间限制) ，不管在处理时间方面是低于最短时间还是高于最长时间， 都会造成工件不合格。 ( 2 ) 容量限制：无论是镀槽还是行车的容量均受到限制，行车一次只能处理一批次工件， 即一个飞巴，镀槽只能处理一个飞巴，而且槽与槽之间无暂存区。 ( 3 ) 一个轨道的限制：整条自动电镀生产线只有一根轨道允许行车往返，因此，严禁在轨 道上的行车碰撞或穿越。 ( 4 ) 移动时间限制：在槽与槽间运行的行车，在搬运或空车移动的时间受到槽间距离、行 车本身移动速度的限制，任何处理步骤间的移动必须将行车移动的时间考虑进去，而且 不同镀槽间的距离不同，移动时间必须受到不同距离的限制。 行车路线绘制思路： 以任意相邻两车为基准，首先对两车所分布的槽位定义为具有n + 1 个处理槽的独立小生 产系统，对其做如下假设： n _ 化学处理工序的数量，工序被标记为O ，1 ，1 1 ，工序0 的处理槽是装载或卸载站： 仉一工件在工序i 处理槽内必须停留的最短时间： 匆一工件在工序i 的处理槽内可以停留的最长时间： q 一行车从工序i j 的处理槽之间的空运送时间，q ，。= 0 ，巳，= q ，巳+ 1 ，= C o ： 谚一从工序i i + 1 的处理槽吊钩运送工件所需的运送时间： 墨一工件在工序i 的处理槽内的处理时间( q S j 匆) ： 聊，一行车从工序i 的处理槽运走工件的开始时间( 规定= 0 ) ： T 一周期，即某一工件进入系统到下一个工件进入系统所经历的时间： t 一一个周期内，工件从工序i 的处理槽离开的时间： 危一一个周期内分配给行车1 的运送数： 巩，一可行周期的下界： 瓦。一可行周期的上界： 阢一区间 0 ，1 之间的随机数。 ( 1 ) 初始运送时间I 的确定。由于q 墨6 f ，因此，丑可以取区间内的任意一个值，为 了减少搜索空间，采用随机数的方法产生区间内的值，其表达式为 岛= q + P l ( 6 一q ) 由于现为行车从工序i 的处理槽运走工件的开始时间，故 ，= m i - I + 儡- I + 一( f = 1 ，2 ，刀) 一个周期内的( 初始) 运送时间可以用下式来确定：t = m tm o d T ，r o o d 为取模运 算由于该问题为一周期性排序问题，周期不小于其所有工序中处理时间下限中的最大 处理时间，因此，可取下界= m a ) 【 ，q ，) ：同理，可取上界乙= q 。周期T 不同( 在上下界范围内变化) ，则其运送顺序不同，置不同( 取不同的随机数) ，其运送 顺序也不同。 用取模运算所求出的初始方案，仅仅保证了处理时间在其允许范围内，但是，它 没有考虑这些运送时间( 空运送和运送) 是否足够：如果给行车分配相应的运送后，是 江南大学硕士学位论文 否保证行车不发生碰撞等。为了满足这些条件，必须对运送进行局部调整、对两行车之 间的冲突进行检查及对运送可行性进行检查等。 ( 2 ) 局部调整。局部调整包括了相邻运送不可行的调整和周期时间的不可行性的调整。 相邻运送不可行的调整。由于确定初始运送时间时，没有考虑相邻两工序之间的空 运送时间，可能导致运送时间不满足。解决的方法：将后一个运送时间往后移一点，以 使行车有足够的空运送时间 周期时间的不可行性的调整。如果最后一个运送时间不足。解决的办法：将当前周 期作适当延长，如图2 4 ，实线表示运送，虚线表示空运送 JI ( 8 ： 二 弋饵 行： 行： ( 7 】 f O 7 、 一 ( 6 ( 5 】 ( 4 ( 3 ： ( 2 ) ( 1 ： 0 X T 2 图2 4 时间一运送图 F i 薛4T i m e - f o r w a r d ( 3 ) 冲突检查。由于两个行车安装在相同的轨道上，其上的工件不允许互相穿越。为避 免行车冲突，在图2 4 所示的时间图中，任意两个斜线( 虚线或实线) 之间都不允许产 生交叉。检查步骤为： 步骤Oi - - 0 ： 步骤1 如果f 6 当t l 时，i i c i iT + t , - t , 一l q l 包，则不可行，放弃该方案： 1 4 5 4 3 2 l 6 7 8 O 第二章电镀生产线控制系统的总体设计 根据如上所述绘制行车行走路径见附录B 行车动作设计 电镀自动线的基本功能就是代替人工操作将带有工件的飞巴通过行车送入镀槽，执 行电镀过程。 电镀控制系统的工作方式分为自动和手动两种，正常生产时使用自动循环的工作方 式以保证电镀工件时的位置和生产节拍，批量生产产品。进行安装和故障调试时为了检 查各部分动作情况而需要使用手动的工作方式。 在正常生产中，电镀的典型的自动循环工作流程如下，程序如图2 5 所示： ( 1 ) 当工件到达系统中输入暂存区( 上料区) 后，由工作人员将工件装载于飞巴 ( 2 ) 按下自动启动按钮后，行车依照内部所设定的程序，将工件依序运往每个处理槽加 以处理 ( 3 ) 工件通过所有制程步骤后即完成工件部分的作业，可送往输出暂存区等待工作人员 将其从挂架上卸下。 ( 4 ) 卸下工件后，挂架继续进行后续的人工化学处理( 擦干，除去电镀沉积物) ( 5 ) 挂架完成化学作业后，送至输入暂存区等待工作人员重新装卸下一批工件 电镀自动生产线要求能够反复进行以上的工作循环，并保证生产节拍。 在安装调试或系统出现故障时，应能对系统各部分分开进行调试，只针对某一动作 做到手动，按钮按下系统进行指定的单一运动，松开即停止。这样能够很容易的排查出 系统中异常的部分，并在调整后反复试验此单一动作的正确性，而不必让系统作自动循 环，可以节约时间，降低风险。 江南大学硕士学位论文 图2 5 程序控制流程图 F i g2 5p r o g r a mc o n t r o lf l o w c h a r t 2 4 电镀控制系统硬件部分设计 控制系统的硬件部分是整个系统的运行的平台，是与机械部分的直接接口并与前者 共同构成整个电镀自动工作的基础瞰J 。系统硬件部分必须在确定了控制对象、控制范围 和控制要求之后，开展整体架构、硬件选型、具体搭建等各方面工作。在满足控制要求 和考虑到现场条件的前提下，精心