毕业设计（论文）-电镀加工自动线PLC控制系统设计.doc

学号业设计(论文)题目：电镀加工自动线PLC控制系统设计作者届别2015系别机械工程学院专业机械电子工程指导老师华职称副教授完成时间2015年5月20日1摘要本文以电镀自动生产线控制系统设计为研究对象，以其电镀专用行车为控制对象，对其电镀的工艺要求和控制要求进行了分析，采用理论研究的方法，设计了一套基于PLC的电镀车间专用行车自动控制系统。本系统选用三菱FX2N-64MR-001型号的PLC来进行控制，通过PLC输出信号接触器的触点动作，来控制三台异步电动机的运行，从而实现对行车的水平运动和吊钩的垂直运动的控制，考虑到电镀、上升、下降等运动时行车和吊钩需要准确停位。在程序设计时为了便于对设备进行调整和检修，设计了手动程序以实现对行车和吊钩的点动控制，对于自动控制程序的设计，其工作过程是典型的顺序控制，采用步进指令能很好的实现对其控制。通过软件仿真可以看出所设计的控制系统很好的实现了电镀的工艺要求和控制要求，可以方便完成自动和手动之间的切换，体现出PLC控制系统具有调试方便、适应性强的优点。关键字：电气控制、PLC、行车控制、电镀ABSTRACTTheelectroplatingautomaticproductionlinetocontrolsystemdesigntostudywithitsspecializedoperationstocontroltraffic.theelectroplatingtechnologyandcontroloftheclaimwasanalysedandthetheoryoftheresearchsdesignawebbasedontheplcelectroplatedimpressionofthespecialtrafficcontrolsystemThesystemitsubishifx2n-64mr-001kindoftheplctocontroltheoutputsignaloftheplccontactswithsomeactiontocontrolmotorthreeasynchronous2operationthelevelofthemotionandthehookverticalmotionsoftheoperationsrisingandfallingthemotionandthehooktotherightstop.inprogrammingtofacilitatetheadjustmentofequipmentanddesignamanualproceduresfortheimplementationandhookatthecontroltheautomaticcontrolofthedesignitistypicaloftheorderofcontrolandusethestepintotheinstructionstotheverygoodwiththecontrols.Throughsoftwaresimulationscanseethatthesystemoftheelectroplatingtechnologyandcontrolyoucaneasilyfinishautomaticandmanualswitchbetweenthatoftheplccontrolsystemfortheadaptable.Keywords：electriccontrol；programmablelogiccontrol；controlofvehiclemotion；electroplate3目录摘要1第一章绪论41.1电镀生产线简介41.2电镀行车控制系统的种类41.2.1继电接触器控制系统41.2.2单片机控制系统51.3电镀行车及专用行车的简介61.3.1电镀行业的简介61.3.2行车的简介71.3.3电镀行车控制系统的发展与现状71.4电镀加工自动线PLC控制系统设计内容81.4.1设备基本情况81.4.2拖动系统91.5电镀加工自动线PLC控制系统设计要求9第二章控制系统总体方案及系统硬件设计102.1电镀车间专用行车PLC控制系统方案选择102.1.1拖动方案102.1.2槽位选择方案102.1.3信号检测装置选择102.1.4指示显示方案102.2电镀车间专用行车PLC控制系统主电路102.3保护方案选择112.4抗电源干扰措施112.5控制系统的接地设计12第三章控制系统软件设计133.1控制系统动作流程框图133.2系统控制流程图133.3PLC选型143.4IO点分配16第四章测试调试195参考文献21致谢224第一章绪论1.1电镀生产线简介随着我国国民经济的迅速发展，电镀与精饰的新技术和新工艺不断涌现。电镀生产线实现的是一个复杂的工艺生产过程，需要控制电镀时间，电镀电流，电压，溶液浓度，温度，相关的周边设备控制及生产过程自动化。电动行车是现代化工厂中用于物料输送的重要设备，在传统的控制方式下，大多数都采用人工操纵的半自动控制方式。在很多场合，为了提高工作效率、减轻劳动效率和促进生产自动化，往往需要将电动行车的自动化控制实现。实现自动化控制之后，就可以使行车能按照预定顺序和控制要求下自动完成一系列的工作。1.2电镀行车控制系统的种类1.2.1继电接触器控制系统继电器问世以来，一直是电气控制的主流，目前国内仍有不少厂家应用继电接触器控制系统。其中输人单元为按钮开关等主令电器、逻辑单元是支配控制系统的“程序”，它是由各种继电器的触点通过导线连接，并具有一定的逻辑功能的控制线路。输出单元包括各种阀门的控制线圈、各类接触器控制线圈及信号指示等执行元件。这种控制系统的特点是：价格便宜、性能价格比低。由于存在继电器抖动、打弧、吸合不良等现象，因此控制系统寿命短，可靠性差。因为它的自动控制功能是靠继电器的辅助触点动作来实现，而触点动作一次需要几十毫秒，所以控制速度慢；由于需要改变控制逻辑就要改变各触点间的连线，故技改难度大，同时体积大，耗能高。因此继电接触器控制方案，适用控制逻辑比较简单，所需继电器数量较少，程序固定的场合。51.2.2单片机控制系统用单片机可以构成各种工业控制系统。有不少控制系统是利用通用PC单片机或通用计算机。大部分都可以用单片机系统或单片机加通用机系统来代替计算机系统，特别是较大型的工业测控系统。单片机的控制逻辑由软件组成，同时软件的编写和修改方便，设计安装接线工作量相对较少，设计周期较短，其适应性较强。但其缺点是对工作环境条件要求较高，抗干扰能力不强，它适应于工作环境条件比较好的各种控制领域，如机械、冶金、纺织、国防、民用等。除通用外设（如打印机、硬盘、磁盘等）外，还有许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口，而这些外设与接口完全由主机进行管理，必然造成主机负担过重，因而出现了新的控制手段，即可编程序控制器。1.2.3可编程序控制器控制系统可编程控制器简述PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，它采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学。用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。它具有可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，易学易用，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低等特。可编程序控制器的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强；（2）适应性强，应用灵活；（3）编程方便，易于使用；（4）功能强，扩展能力强；（5）PLC控制系统安装、设计、调试方便；（6）维修方便，维修工作量少；（7）PLC体积小，重量轻，易于实现机电一体化。可编程序控制器的应用领域6现在随着微电子技术的快速发展和PLC的制造成本在不断下降，但功能反而大大加强。目前，在先进的工业国家中PLC已经成为了工业控制的标准设备，应用领域已经覆盖了所有的工业企业。概括起来主要应用在以下几个方面：（1）顺序控制；（2）运动控制；（3）闭环过程控制；（4）数据处理；（5）通信和联网。1.3电镀行车及专用行车的简介1.3.1电镀行业的简介电镀是对机体表面进行装饰、防护以及获得某些特殊性能的一种表面工程技术，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防范。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镀层。电镀技术又称为电沉积，其基本原理就是直流电场得作用下，在电解质溶液（镀液）中有阳极和阴极构成了回路，使溶液中的金属离子沉积到阴极镀件表面上，以形成均、致密和结合力良好的金属的过程。电镀工业是我国重要的加工行业至，今已有100多年的历史，电镀是重要的表面工程技术，不仅能获得防护装饰性镀层，还可通过不同工艺得到具有特殊用途的功能薄膜，随着近代科学技术的发展，也为它增添了很多新的内容，因此电镀在机械、地质、电子、轻工、仪器仪表、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。电镀车间所进行的生产工艺可分为三个环节，即镀前表面处理、电镀处理和镀后处理。电镀工艺设备一般是指上述直接对零件进行加工处理的生产设备。其中，电镀处理是整个过程中的主要工艺。根据零件的要求，有针对性的选择某一种或几种单金属或合金电镀工艺对零件进行电镀或浸镀等加工，以达到防蚀、耐磨和美观的目的。电镀处理过程中所用的设备主要有各类固定槽、滚动槽、挂具、行车、吊篮等。电镀自动线是按一定的电镀工艺过程要求，将有关渡槽、镀件提升运转装7置、电气控制、电源设备、过滤设备、检测仪器、加热与冷却装置、滚筒驱动装置、空气搅拌设备及线上污染控制设施等组合为一体的总称。与手工操作的电镀生产线相比，可以大幅度提高产量，稳定产品质量，降低劳动强度，提高劳动生产效率，简化生产管理，缩小占地面积，改善车间环境，减少有害气体，使车间整齐美观，从而创造良好的工作环境。1.3.2行车的简介行车、天车和吊车都是人们对起重机的一个笼统的叫法，行车是用来在短距离内提升和移动物件的机械，是现代化工厂中用于物料输送的重要设备，一般有两类：一类是集中驱动，即用一台电动机来带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类是分别驱动，即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。电镀车间专用行车是某厂电镀车间为了提高功效、减轻劳动强度和促进生产自动化，提出制造的一台专用半自动起吊设备。它采用远距离控制，起吊重物在500kg以下。起吊物品是待进行电镀及表面处理的各种产品零件。电镀车间有多个电镀（清洗）槽位，分别标记为1槽、2槽实际生产线上镀槽的数量是根据用户综合各种电镀工艺的需要所提出的要求而定。电镀种类越多，槽数越多。本设计暂定5个电镀槽位。1.3.3电镀行车控制系统的发展与现状在工业控制的各个领域里，小到一个简单的机电一体化设备、大到整个生产线，以及大型的工程领域里，都存在PLC控制系统的技术存在。PLC已不在是局限在逻辑上，应该理解成过程控制器，如西门子全集成自动化TIA的概念。在整个自动化领域，PLC和传动是组成自动控制的两个非常重要的部分。在主流PLC往集成化、大型化、网络化和多功能化发展的同时，也有许多分支也在并列发展。我们还有很多单体化、一体化的设备，现在更加微型化离散的控制也在同步进行。比如西门子S7-200功能强大，1000多块一个，原来是不能想象的。为了满足自动控制领域各层面的不同要求，小型机、微型机的发展势头也变得很猛。现在，PLC不仅可以控制逻辑模拟闭环控制数字智能控制、数据采集、监控、通信网络和分销控制被广泛使用。现在大、中型或小型PLC配备了AD、DA转换和运算功能有些还有PID的功能。因而能使PLC应用在模拟量8的速度控制、闭环控制和运动控制等具有了硬件基础；PLC还具有输出和接收高速脉冲的功能，再配合相应的传感器和伺服装置，PLC就可以实现数字量的智能控制；PLC配合可编程终端设备（如触摸屏），可以实时显示采集下来的现场数据和分析结果，为分析和研究系统提供了依据；利用PLC自检信号可以实现系统监控；另外PLC还具有较强的通信功能，可以和计算机或者其他智能装置来进行通信和联网，从而能够方便的实现集散控制。一个功能完备的PLC既能满足控制的要求，又能满足现代化大生产管理的需要。总之为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业扩印不同需要，PLC产品大致向以下几方面发展：（1）向小型化方向发展；（2）向高速度、大容量和智能化方向发展；（3）PLC编程工具与编程语言的多样化、高级化、标准化；（4）向网络化方向发展；（5）发展容错技术和故障诊断。1.4电镀加工自动线PLC控制系统设计内容1.4.1设备基本情况该电镀自动线是某厂电镀车间为了提高工效、促进生产自动化和减轻劳动强度而提出制造出阿里的一台专用半自动起吊设备。采用远距离控制，起吊重量在500千克以下，起吊物品是待进行电镀及表面处理的各种产品零件。其结构及工艺流程如图1所示。9图1电镀自动线示意图电镀自动线机械结构与普通小型行车结构类似，由小车、大车和吊物提升机构组成。工作时，除具有自动控制的大车移动（前后）与小车（提升吊物用）上下运动外，还有调整吊篮位置的小车左右运动。其工作过程为：在电镀自动线的一侧，工人将吊篮装入待加工零件，并发出信号，提升机构便提升并自动逐段前进，按照工艺要求在需要停留的槽位上停止，并且自动下降，停留一定的时间后自动提升，像这样完成好电镀工艺所规定好的每一道工序，直至自动线的末端自动返回到原位，卸下刚处理完的零件，重新发出信号后进入下一加工循环。对于不同零件，其镀层要求和工艺过程是不相同的，则自动线上镀槽的数量也不相同，该控制系统能对不同工艺过程（如镀铬、镀锌、镀镍镉）有程序预选和修改能力的功能。该自动线有5个电镀槽，各槽停留时间由用户根据工艺要求进行整定。1.4.2拖动系统专用行车的小车、大车和升降运动均采用三相交流异步电动机（Y100L1-4，2.2kW、5A、1420rmin、380V）分别拖动，并采用一级机械减速。1.5电镀加工自动线PLC控制系统设计要求（1）控制装置具有程序预选功能（按电镀工艺确定需要停留工位），一旦程序选定，除上、下装卸零件，整个电镀工艺应能自动进行。1234510（2）前后、升降运动要求准确停位，前后、左右、升降运动之间有相互联锁作用。（3）采用远距离控制，整机电源及各种动作要有相应的指示。（4）应有极限位置保护和其它必要的电气保护措施。第二章控制系统总体方案及系统硬件设计2.1电镀车间专用行车PLC控制系统方案选择2.1.1拖动方案为实现不同的槽位的精准位置停车，设计采用自带刹车的电机。这既节省了左右制动接触器，也减少了能耗制动的能量，使用接近开关代替行程开关，以获得更多的反应时间，然后在程序中使用一定的延时，保证行车的精准位置停车，并且使挂件不会因为运动的惯性，出现撞击事故。在平移过程中上下行的电机采用抱闸制动（失电保持型），以防止吊篮因为自重下滑导致事故。2.1.2槽位选择方案在启动电机以前要通过旋动开关选择不同的槽位，因设计的行车是上料点和下料点分开，故不需考虑行车在中途返回。通过程序的设计就可以实现行车在不同的槽位上停车并进行电镀的设计要求。2.1.3信号检测装置选择在每一个槽位之前设置接近开关，相对行程开关能使停车更精准，在左右平移上限位置也设置接近开关，给行车充分的反应时间实现前后限位保护。每个槽位电镀都做了上下限的行程开关，方便控制电镀过程的电机动作。由于上下动作的速度较慢，为了减少输入点和开关数量以及成本，没有添加上下限保护开关。2.1.4指示显示方案在不同的槽位前面设置到位提示，在原点和下料点处、及电机前进运行时设置指示灯，以保证控制人员通过指示灯清晰了解行车的运行状况。112.2电镀车间专用行车PLC控制系统主电路如图2，控制系统采用3台三相交流异步电动机（Y100L1-4，2.2kW、5A、1420rmin、380V），M1用于驱动行车的前进后退，M2用于控制上升下降，M3用于点动调整行车左右位置，并由接触器KM1KM2KM3KM4KM5KM6分别控制其正反转。隔离开关QS作为电源控制由熔断器FU1实现短路保护，由热继电器FR1、FR2、FR3实现过载保护。取U、W两相电流，经整流滤波后产生36V直流电，为能耗制动提供直流电源。图2电镀车间专用行车PLC控制系统主电路2.3保护方案选择如图2，在主电路以及整流滤波电路中装设熔断器保护，并给每一台电动机装设热继电器，防止电机过载过热。122.4抗电源干扰措施(1)可以使用隔离变压器来抑制电网中的干扰信号，为了改善隔离变压器的抗干扰效果，应注意两点：第一，屏蔽层要良好接地；第二，次级连接线应用双绞线，以减少电源线间干扰。(2)滤波器有较好的抗电网干扰的作用，但是要选择好滤波器的频率范围常常是困难的为此，常的方法是既使用滤波器，同时也使用隔离变压器。2.5控制系统的接地设计良好的接地可以有效地防止干扰引起的误动作，控制系统的接地一般有图3所示的3种方法。图3控制系统的接地方法其中图3（a）为控制器和其他设备分别接地方式，这种接地方式最好。一般不能使用图3（c）所示的共通接地方法。在设计接地时，还需注意以下两点：第一，采用共通接地方式，接地电阻应小于100；第二，接地线应尽量粗，一般用大于2mm平方的接地线13第三章控制系统软件设计3.1控制系统动作流程框图为实现设计要求，拟用三台电动机分别控制行车前进后退到达不同的电镀槽位，上行下行实现电镀过程，以及必要时做左右调整。通过选择不同的旋动开关实现功能选择，以使行车在不同的槽位停止完成电镀的动作。图4为实现这些动作的流程框图，也是程序运行的主要流程。开始原点选择不同槽位不同的槽位的电镀动作下料点原点指示启动下料声光提示电镀槽位指示图4控制系统动作流程框图3.2系统控制流程图通过调用子程序这种方法，可以实现选择不同的开关完成不同的动作。给这种程序设计思想具有较强的功能拓展性，可根据不同的要求对子程序赋予不同的值，实现程序预选功能。图5为子程序调用流程框图。14行车前进调用条件满足选择槽的子程序子程序返回下一个条件满足行车前进图5子程序调用流程框图3.3PLC选型FX系列PLC由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元组成。本控制系统选用FX2N-64MR-001，FX2N-64MR-001是FX2N系列中三菱PLCFX家族中最先进的系列。有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块，灵活性和控制能力强，可扩展到256点。此型号名称体系形式如图6所示。15图6FX2N-64MR-001名称体系形式这些参数的编号分为两部分，第一部分用一个字母代表功能，如输入继电器用“X”表示，输出继电器用“Y”表示，第二部分用数字表示该软组件的序号，输入输出继电器的序号为八进制，其余软组件为十进制。下表所列为FX2N系列可编程器的总体性能。表1FX2N系列可编程器的总体性能环境温度055摄氏度环境湿度35%89%RH（不结露）抗噪声干扰用噪声仿真器产生电压为1000V、噪声脉冲宽度为1微秒、周期为30100Hz的噪声，在此噪声干扰下PLC工作正常耐压AC1500V1min绝缘电阻5M以上各端子与接地端之间接地第3种接地。不能接地时，亦可浮空使用环境禁止腐蚀性气体，严禁尘埃FX2N-64MR-001有着以下特点：（1）系统配置既固定，又灵活（2）编程简单（3）备有可自由选择，而且有丰富的品种（4）高性能，令人放心；（5）高速运算（6）能够在多种特殊用途中使用（7）使外部机器通讯更简单化（8）外部设备共同（9）密码保护，使用一个八位数字密码保护您的程序。根据该专用行车的控制要求，其输进输出及控制信号共有32个，其输入信号20个，输出信号17个，实际使用时，系统的输入输出都为开关控制量，16加上10%15%的余量，并无其他特殊控制模块的需要，拟采用三菱公司的FX2N-64MR型PLC，如果需要增加一些槽位的时候可以再配用F系列的拓展单元，以满足需要的更多的输入输出点。3.4IO点分配选用三菱FX2N-64MC型PLC，输入输出各32点。如图7，将20个输入信号、17个输出信号按各自的功能类型分好。下料点指示灯设为HL1，下料点声音指示设为HL2，一槽位指示灯设为HL3，二槽位指示灯设为HL4，三槽位指示灯设为HL5，四槽位指示灯设为HL6，五槽位指示灯设为HL7，原点指示灯设为HL8，运行指示灯设为HL9。电机前进线圈设为KM1，电机后退线圈设为KM2，电机上行线圈设为KM3，电机下行线圈设为KM4，电机左调整线圈设为KM5，电机右调整线圈设为KM6，电机上下行后抱闸制动线圈设为KM7，电机左右平移能耗制动线圈设为KM8。启动按钮设为SB1，前限指示接近开关设为SQ1，原点行程开关设为SQ2，下料点指示行程开关设为SQ3，后限保护接近开关设为SQ4，停止按钮设为SB2，一槽选择开关设为SA1，一槽接近开关设为SQ5，一槽上限开关设为SQ6，一槽下限开关设为SQ7，二槽选择开关设为SA2，二槽接近开关设为SQ8，二槽上限开关设为SQ9，二槽下限开关设为SQ10，三槽选择开关设为SA3，三槽接近开关设为SQ11，三槽上限开关设为SQ12，槽下限开关设为SQ13，左右调整点动按钮设为SB3，上下调整点动按钮设为SB4。各输出端的负载一侧并联接入220V交流电。17图7PLC接线图将外接元件与PLC的IO点一一对应，编排地址。表2是外部IO信号与PLC的IO接点地址编号对照表。表2外部信号与PLC的IO接点地址编号对照表输入信号名称功能IO编号SB1启动按钮X000SQ1前限指示接近开关X001SQ2原点行程开关X002SQ3下料点指示行程开关X003SQ4后限保护接近开关X004SB2停止按钮X005SA1一槽选择开关X006SQ5一槽接近开关X007SQ6一槽上限开关X010SQ7一槽下限开关X011SA2二槽选择开关X012SQ8二槽接近开关X01318SQ9二槽上限开关X014SQ10二槽下限开关X015SA3三槽选择开关X016SQ11三槽接近开关X017SQ12三槽上限开关X020SQ13槽下限开关X021SB3左右调整点动按钮X032SB4上下调整点动按钮X033输出信号名称功能IO编号HL8原点指示灯Y000HL9运行指示灯Y001KM1电机前进线圈Y002KM2电机后退线圈Y003KM3电机上行线圈Y004KM4电机下行线圈Y005HL1下料点指示灯Y006HL2下料点声指示Y00