基于PLC的电镀生产线控制系统设计.docx

PLC的电镀生产线控制系统设计学 号：2009061141班 级：09电气一班设计人：陈军许指导老师：高明远日 期：2011年6月22号基于PLC的电镀生产线控制系统设计本学期课程设计我们选择的是电镀生产线控制系统的设计， 其主要控制流程是，生产线有三个梢，工件有可升降吊钩的行车 带动，经过电镀，渡液回收和清洗等过程来完成工件的电镀过程。 PLC的基本工作原理PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1、每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。2、输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端 有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被 读入。3、一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4、元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5、扫描周期的长短由三条决定。（1） CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数6、由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。电镀生产线的控制系统概述与选题背景意义基于PLC电镀生产线的控制系统的概述电镀行车生产线自动化的程度在德国、意大利、美国等国家的发展水 平已经较高，而在我国尚处在发展阶段。中国经济的高速发展，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，据粗略估计，全国现有15000家电镀生产厂，行业职工总数超过 50万人，现有5000多条生产线和 2.53亿平方米电镀面积 生产能力。电镀行业年产值约为100亿元人民币。近十年来，乡镇企业发展迅速电镀行业企业规模普遍较小，年电镀能力超过10000平方米的企业不足500家。少数合资企业或正规专业化企业拥有国际先进水平的设备和 设施，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 PLC有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。课题的选题背景及意义电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。简单的理解，是物理和化学的变化和 结合。随着工业化生产的不断细分，新工艺新材料的不断涌现，在实际产品 得到应用的设计效果也日新月异，电镀是我们在设计中经常要涉及到的一 种工艺，而电镀效果是我们使用时间较长，工艺也较为成熟的一种效果。 对于这种工艺的应用在我们的产品上已经非常多，而通过这种的处理我们 通常可以得到一些金属色泽的效果，如高光、亚光等，搭配不同的效果构成产品效果的差异性，通过这样的处理为产品的设计增加一个亮点。电镀工艺的应用我们一般作以下用途：a:防腐蚀b:防护装饰c:抗磨损d:电性能（根据零件工作要求，提供导电或绝缘性能的镀层）e:工艺要求。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。电镀生产线按照其工艺要求和规模一般设计有两台行车、三台行车和 四台行车工作，每台行车都根据已编制好的各自的程序运行；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 PLC作为核心控制部件，其控制更为安全、可靠、 方便、灵活，自动化程度更高。用PLC辅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、工作稳定、性能可靠和抗干扰能力 强的特点，是一种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方向。控制对象的设计要求详述如摘要中所述，电镀的工作流程如图1.1 :启动一一吊钩上升一一上限行程开关闭合一一右行至1号槽上方一一XK1行程开关闭合一一吊钩下降进入1号槽一一下限行程开关闭合一一电镀延时一一吊钩上升，由 3号槽内吊钩上升，然后左行至左限位，吊钩下降至原位，即原位。按照要求，我们要实现以下工作方式：1、原位：表示设备处于初始状态，吊钩在下限位置， 行车在左限位置。2、连续工作：当吊钩回到原点后，延时一段时间（装卸零件），自动 上升右行，按照工作流程要求不停的循环3、单周期工作：设备始于原点，按下启动按钮，设备工作一个周期,XK1XK2/原点下限XK3 右限然后停于原点，要重复第二个工作周期，必须再按一下启动按钮。图1.1电镀的工作流程系统的硬件设计PLC机型选择根据自动化电镀生产线的控制要求，我们采用了德国西门子PLC S7-200 CPU226型号，此类型 PLC无论独立运行，还是联接网络都能完成 各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的 自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、塑料机械、电梯等行业。S7-200 CPU226通讯功能完善，具有极高的性能价格比是很突出的特点， 也是我们采用它的主要原因。PLC为此系统的控制核心，此系统的输入信号有两部分，一部分是原点、单周期、连续等面板控制按钮，另一部分 是多种行程开关，这些面板按钮信号和传感器信号作为PLC的输入变量，经过PLC的输入接口输入到内部数据寄存器，然后在PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，以输出变量的形式送到输出接口，从而驱动电机来控 制行车的运行和吊钩的升降I/O分配表及其端子接线图在本次系统设计中，我们定义的I/O分配表如表2-1所示。将13个输入信号和5个输入信号按各自的功能类型分好，并与 PLC的I/O点一 一对应，编排地址如下表。数字量扩展模块的地址分配是从最靠近CPUW块的数字量模块开始，在本机数字量地址的基础上从左到右按字节连续递 增，本模块高位实际位数未满8位的，未用位不能分配给I/O链的后续模块，模拟量扩展模块的地址是从最靠近CPU模块的模拟量模块开始，在本机模拟量地址的基础上从左到右按字递增。我们定义的I/O端子接线图如图 2-1所示。由图表可以看出，PLC控制 系统的输入信号有 13个，均为开关量。其中单操作按钮开关2个，行程开关3个，限位开关5个，选择工作方式开关3个。PLC控制系统的输出信号有5个，其中2个用于驱动吊钩电机正反转接触器KM1、KM2,2个用于驱动行车电机正反转接触器KM3、KM4 , 1个用于原位指示。表2.1 I/O 分配表序号输入序号输出1I0.0上限位14Q0.0上升2I0.1下限位15Q0.1下降3I0.2左限位16Q0.2右行4I0.3XK1行程开关17Q0.3左行5I0.4XK2行程开关18Q0.4原位6I0.5XK3行程开关19Q0.5定时7I0.6原点开关8I0.7连续工作开关9I1.0启动按钮10I1.1停止按钮12I1.3单周期按钮13I1.4右限位上限KM1io"'I0.0下限 / I0.1左限/行程开关1/行程开关_/_行程开关3/单周期/右限/24VQ0.0Q0.1_ KM2I0.2I0.3I0.4I0.5I0.7I1.0I1.1I1.3I1.4Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5KM3KM4HL1HL2S7-200 CPU226ACFU1M2M1L2L220/图2.1 I/O端子接线图电镀生产线的工作流程图我们根据设计要求绘制了整个系统的工作流程图，以便可以更清楚的认识该生产线的生产全过程，整个系统的工作流程图，如图 2-3所示。行车动作无非就是上下左右受控移动，按照指定的顺序（即动作表）完成一系列的动作。要求有几套动作表可以选择，动作可以静态修改，也可 以在运行时由上位机动态修改。在这里，我们把行车的一个动作定义为：“到几号工位上升，再到几号工位下降”，或者是“延时几秒”，每个动作表由若干个动作字组成，放在 PLC的数据寄存器里，动作表由 PLC程 序初始化，也可以在运行时通过串行通讯由上位机读取和修改，PLC程序在运行时只是不断地解释和执行动作表。图2.3电镀生产线工作流程图系统的软件设计器件的选择PLC内部资源内部根据软元件的功能不同，分成了许多区域，如输入/输出继电器区、定时器区、计数器区、特殊继电器区等。下面分别介绍下。1、定时器：电气自动控制的大部分领域都需要用定时器进行时间控制，灵活地使用定时器可以编制出复杂动作的控制程序。它是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。定时器的工作过程与继电 -接触器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点。使用时要提前输入时间预设值。当定时器的输入条件满 足时开始计时，当前值从0开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预设值时，定时器触点动作。利用定时器的触点就可以得到控制所 需的延时时间。2、计数器：计数器可用来累计输入脉冲的个数，经常用于对产品进行 计数或者进行特定功能的编程。使用时要提前输入它的特定植。当输入触 发条件满足时，计数器开始累计它的输入端脉冲电位上升延的次数，当计 数器计数达到预定的设定值时，其常开触点闭合，常闭触点断开。3、输入继电器：输入继电器一般都有一个PLC的输入端子与之对应，它用于接受外部的开关信号。当外部的开关信号为闭合时，输入继电器的 线圈得电，在程序中常开触点闭合，常闭触点断开。4、输出继电器：输出继电器一般都有一个PLC上的输出端子与之对应。当通过程序使得输出继电器线圈得电时，PLC上的输出端开关闭合，它可以作为控制外部负载的开关信号。同时在程序中其常开触点闭合，常闭触 点断开。5、内部位存储器：内部位存储器的作用和继电-接触器控制系统中的中间继电器相同， 它在PLC中没有输入/输出端与之对应， 因此它的触点不 能驱动外部负载， 这是与输出继电器的主要区别。 它主要起逻辑控制作用。PLC软元以上几个是我们在本次系统设计的过程中可能需要用到的 件，另外PLC还有很多其它的软元件。PLC编程语言PLC梯形图具有以下一些特点：1、PLC的梯形图是“从上到下”按行绘制的，两侧的竖线类似电气控 制图的电源线，通常称做母线（ Bus Bar ）,大部分梯形图只保留左母线； 梯形图的每一行是“从左到右”绘制，左侧总是输入接点，最右侧为输出 元素，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按纽、内部条件等；线圈通 常代表逻辑“输出”结果，如指示灯、接触器、中间继电器、电磁阀等。对S7-200系列的PLC来说，还有一种输出“盒”（功能框），它代表附加 的指令，如定时器、计数器或数学运算等功能指令。2、电气控制电路左右母线为电源线，中间各支路都加有电压，当支路 接通时，有电流流过支路上的触点与线圈。梯形图中的假想电流在图中只 能作单方向的流动，即只能从左向右流动。层次改变（接通的顺序）也只 能先上后下，与程序编写时的步序号是一致的。3、梯形图中的输入接点如I1.0、I0.1等，输出线圈 Q0.0、Q0.1等不是物理接点和线圈，而是输入、输出存储器中输入、输出点的状态，并不 是接线时现场开关的实际状态；输出线圈只对应输出映像区的相应位，该 位的状态必须通过 I/O模块上对应的输出单元才能驱动现场执行机构。4、梯形图中使用的各种 PLC内部器件，如辅助继电器、定时器、计数 器等，也不是真的电器元件，但具有相应的功能，因此通常按电气控制系 统中相应器件的名称称呼它们。梯形图中每个继电器和触点均为PLC存储器中的一位，相应位为“1”，表示继电器线圈通电、常开接点闭合或常闭接点断开；相应位为“ 0”，表示继电器线圈断电、常开接点断开或常闭接 点闭合。5、梯形图中的继电器触点既可常开，又可常闭，其常开、常闭触点的 数目理论上是无穷多个（受存储容量限制），也不会磨损，因此，梯形图 设计中，可不考虑触点数量，这给设计者带来很大方便。对于外部输入信 号，只要接入一个信号到PLC即可。6、电气控制电路中各支路是同时加上电压并行工作的，而PLC是采用循环扫描方式工作，梯形图中各元件是按扫描顺序依次执行的，是一种申行处理方式。由于扫描时间很短（一般不过几十毫秒），所以控制效果同 电气控制电路是基本相同的。但在设计梯形图时，对这种并行处理与串行 处理的差别有时候应予注意，特别是那些在程序执行阶段还要随时对输入、 输出状态存储器进行刷新操作的PLC,不要因为对串行处理这一特点考虑不够而引起偶然的误操作。PLC梯形图设计图3.1 梯形图总结在高老师的指导下我们经过认真的学习了解，完成了本次电镀生产线 的课程设计。电镀是一门具有悠久历史的表面处理技术，近几年来，随着 新的工艺技术方法，尤其是一些新的镀层材料和复合电镀技术的出现，极 大扩展了这一项表面处理技术的应用。并使其成为现代表面工程技术的重 要组成部分。那么，通过我们这次对电镀生产线控制系统的设计不仅让我 们更多的了解到了电镀这个工艺的发展前景，而且让我们重新认识了用 PLC来设计控制系统的使用价值，整个设计对我们即将走入社会的毕业生 来讲是一次很大的锻炼，是我们对专业知识有了进一步的提高。在该组成员的极力配合下，该电镀生产线控制系统的设计基本完成， 在设计当中我们充分考虑到了操作的方便性，元件的实惠性和工艺的简单 性。在设计当中我们的基本参考资料是基于教科书，再通过各种途径获取 更详细的资料设计该控制系统的。PLC的编程是我们整个设计最主要的一部分，我们的编程是采用梯形图编程语言，所有的编写步骤和编写要点是严格按照课本要求和教科老师 的指导来编写的，所以整个编写的过程是相当严谨的。而且我们编写程序 之前对电镀生产线的工作流程做了详细的分析，每个步骤考虑都很严密， 所以总的来说，这个系统的设计师比较好的。但是在完成课程设计的过程中我们还是遇到了很多问题，这样的系统如果能够实际验证的话会很到程度上提高我们的动手能力。而且在完成中 有一些小的细节我们也没有考虑到。这也是条件所限。在之后的设计中， 我们会更加努力