（机械制造及其自动化专业论文）多镀种电镀生产线控制系统的研制与应用.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 电镀技术是一种重要的表面处理技术，应用十分广泛，与人们的生活息息相 关。在我国，电镀行业企业规模普遍较小，大多数中小型企业仍在使用许多过时 的技术和设备，大量的生产线为半自动化控制，甚至有些还是手工生产线，过程 可控性差，直接影响产品质量，导致生产效率低，最终结果是企业的经济效益下 降。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的稳定性， 于是提高电镀生产线的自动化程度具有重要的意义。 本文以多镀种电镀生产线控制系统的研制和应用为目标，通过对国内某企业 镀锌、镀铜、镀镍等电镀生产以及金黄色化学氧、脉冲阳极氧化等氧化生产的工 艺要求和控制系统技术指标进行了分析后，结合车间的实际情况，将这些镀种整 合到同一条生产线上，研制出了应用 profibus 现场总线的多镀种电镀生产线分 布式分层递阶自动控制系统。 在对该生产线控制系统的电气部分进行设计之后，着重对多通道槽液温度检 测与控制进行了研究，利用pid 控制方法取代了槽液温度传统定点开关控制方法， 进而使温度平稳达到目标值，大幅度降低了加热阶段槽液温度的过冲和保温阶段 槽液温度的波动，实现了槽液温度的精确控制。同时，还研制了 plc 与整流器、 变频器的多机实时通讯软件。 通过多镀种电镀生产线实际运行表明，槽液温度控制精度高，可达0.5； plc 与整流器、变频器多机通讯实时性好。实践证明，多镀种电镀生产线控制系 统采用分布式分层递阶控制结构可靠性高，实用性强，完全可以满足实际生产的 需求，提高了电镀产品的质量和生产效率，实现了电镀生产集成自动化。 关键词：多镀种，分层递阶，多通道，多机通讯 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract electroplating technology is an important surface treatment technology, which has been used widely and linked with peoples daily life closely. in china, the scale of electroplating industries is generally small. most small and medium enterprises are still using outdated technologies and equipments. a large number of production lines are semi- automatic, even some of them are manual, so that product quality is poor, and production efficiency is extremely low. all of these lead to a bad economic efficiency to enterprise. competition in market is more and more fierce, which causes enterprises urgently to improve production efficiency and stability of product quality, that is why improving the automation of an electroplating production line is great importance. in this paper, research and apply on the control system of multiple automatic electroplating line has been taken as a target. after the analysis of the production process requirements of zinc, copper, nickel plating and oxidation surface treatment of an enterprise in our country, considering the actual situation of the workshop, all kinds of plating were integrated into one production line, and the distributed hierarchical control system with profibus was developed. after the electrical system design, the emphasis focused on the multi- channel temperature detection and control system of electroplating solution, where taken pid control method instead of the traditional fixed- point switch control method. in this method, not only increased temperature to target value stably, but also temperature overshoot at the end of heating process and fluctuation in holding process was greatly reduced. furthermore, multi- machine instant communication programs between rectifiers, inverters and plc were developed. practical experience of the multiple automatic electroplating line indicates that precision of electroplating solution temperature control is high, which is up to 0.5, and multi- machine communication works well. practice proves that control system of multiple automatic electroplating line by means of distributed hierarchical control structure has high reliability and strong practicality, besides that it fully meets the needs of actual production. not only did product quality and production efficiency improved, but also realized integrated automation of electroplating. keywords: multiple, hierarchical, multi- channel, multi- machine communication 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 电镀生产线简介绪论 1.1.1 电镀原理 电镀（electroplating）就是利用电化学原理在某些金属（或非金属）表面上镀 上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面 附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀，提高耐磨性、导电性、反光性及增进 美观等作用的一种工艺12。电镀时，镀层金属做阳极，被氧化成阳离子进入电镀 液；待镀的金属制品做阴极，镀层金属的阳离子在其表面被还原形成镀层。为排 除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电 镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度稳定。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层， 从而改变基材表面性质或尺寸，它是获得金属防护层、装饰层的主要方法之一。 1.1.2 电镀生产线的分类 电镀工艺需要一系列的工序才能完成，将完成这一系列工序的设备在空间上 组建成连续的线装布局即为电镀生产线。电镀生产线根据不同的分类方式可以分 成不同的种类3- 7。 电镀生产线根据自动化程度分为三种： 手工生产线 手工生产线一般用于贵金属的电镀，如镀金、镀银等单件小批量生产。它的 特点是生产过程由人工全程参与，所以人为因素（比如操作工人的技术熟练程度 等）对产品质量的影响较大。 半自动生产线 半自动生产线通常是在生产线上铺设导轨，工件依靠在导轨上运行的行车被 转运于各电镀工艺槽中进而完成电镀加工。行车一般设有前进、后退、上升和下 降等按钮，由工人手动操作行车的各个动作。这种生产线生产的产品质量相对比 较稳定，镀层均匀性好，产量也相对于手工生产线得到提高，适用于中小批量生 产。 自动生产线 本类生产线是按一定电镀工艺过程要求将有关镀槽、镀件提升转运装置、电 器控制设施、过滤设备、检测仪器、电源设备、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8。 自动化电镀生产线通过 机械装置和电气设施自动完成电镀工艺要求的全部过程，因而具有生产效率高、 产品质量稳定、劳动条件好等特点。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 电镀生产线按照工件的装夹方式分为三种： 滚镀生产线 滚镀生产线上工件的装夹具为滚筒。工艺处理过程中，滚筒在马达驱动下实 现旋转运动，滚筒内工件随之翻滚，所以滚镀镀层均匀，滚筒的旋转运动同时也 搅拌了槽液。它的特点是单批工件处理能力大，但是由于工件与电极之间为间歇 性接触，所以导电性能较差，在对导电性能要求比较高的情况下一般不得采用滚 镀方式。在滚筒上制作一定形状的导流板，可以很好的实现滚筒内外槽液的交换 和控制电镀药液的流动方向，使之卷动工件做不同的翻滚运动，能获得更好的镀 层质量，此类滚筒目前国类外尚未问世，作者等人已申请国家发明专利。 挂镀生产线 挂镀生产线上工件的装夹具为挂架。挂架是挂具的载体，挂具材质一般是富 有弹性的螺旋状金属丝索，材料还应具有导电性良好等特点。电镀处理前需人工 将工件逐一、均匀地夹持在挂具上，再将夹持好工件的挂具均匀的挂在挂架上， 至此完成了镀前工件的装夹准备工作。相对于滚镀生产线，此类生产线生产前准 备周期较长，但工件与电极之间为永久性接触，所以导电性好；工件与电镀液接 触更为充分，工件与工件之间没有擦刮，所以镀层光洁无擦痕。 装筐生产线 装筐生产线上工件的装夹具为不锈钢篮筐。该类生产线的特点是处理过程中 不需要电极，主要用于前处理、钝化处理等工艺阶段。在工艺槽中，篮筐在机械 手的夹持下可实现螺旋运动，所以工件和槽液间的相对运动量较大，在清洗等工 序上优点非常明显。通常实现螺旋运动的机械手与行车合为一体，行车担负这转 运工件和工艺处理过程中的螺旋运动驱动的任务，所以该类生产线行车全程跟踪 工件，行车占用率高，镀槽利用率低，生产效率也较低。 自动化电镀生产线根据排列方式又可以分为两种： 直线式自动化电镀生产线 直线式自动化电镀生产线如图 1.1 所示。该生产线是根据工艺流程要求，将工 艺槽直线排列，在上面铺设直线导轨，运行于导轨上的电动行车完成运载滚筒、 挂架或吊篮的任务。行车动作由控制器完成，通常也有手动功能。行车控制简单 可靠，运行速度高。直线型电镀生产线配备的行车采用碳钢板或不锈钢板折弯成 型，通常还有表层喷塑、喷漆工艺，所以外形美观，同时也提高了抗腐蚀的能力。 行车行走滚轮采用钢芯外包聚氨酯结构，保证了行车运行的稳定性，同时消除了 噪声9。行车的运行的马达通常采用变频器调速，使行车运行速度根据用户的需要 可自由调整，同时也能缓起缓停精确定位，减小冲击。该类生产线可以实现滚、 挂、装筐等不同电镀装夹工艺，是最为常见的自动化电镀生产线。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 图 1.1 直线式自动化电镀生产线 fig.1.1 linear automatic electroplating production line 图 1.2 环形自动化电镀生产线 fig.1.2 ring automatic electroplating production line 环形自动化电镀生产线 图 1.2 所示，环形自动化电镀生产线的工艺槽最为典型排列方式是 u 型，因 此又称其为 u 形自动线。通常该种自动线由许多宽度基本相同而长度不同的固定 槽、挂具水平前进推动装置和定点升降的机械装置、自动控制仪器仪表等组成。 它能使挂具带着工件按节拍有规律地进行上升、下降、定时工艺处理、推动前进 等动作，它可以自动完成包括除油、酸洗、清洗、电镀等多道工序。杠杆式垂直 升降结构，有着镀槽空间利用率高，机械动作简单，设备维修费用低，露空时间 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 短，工件运行平稳等特点。u 型生产线也可采用由行车完成工件的吊运的方式， 这样装载能力更强，可控性更高。此种方式行车需具有转弯功能，故内外侧轮子 必须设计差速机构或者独立驱动并加以速度匹配，结构复杂、成本高。总体来说 环形生产线外形美观，自动化程度高，操作人员少。该类自动线适用于镀层质量 要求高，大批量，形状较为单一，工艺成熟的电镀1011。 1.2 国内电镀生产线发展现状 1.2.1 电镀技术的发展 18401900 年。电镀技术的萌芽阶段，各镀种逐渐被发明，但当时的工业 水平限制了电镀技术的广泛应用和发展1213。 19002000 年。随着工业自动化程度的不断成熟和发展，电镀技术快速地 走向实用化，而且自动化、专业化技术越来越多的应用于电镀工业生产中。相关 先进的材料、设备（如金属钛、纳米超滤膜、大容量开关式电镀电源等）也越来 越多地应用于电镀工艺生产中12- 16。 2000 年以后。电镀技术在其它相关技术的发展情况下，向更高水平发展， 在诸多高科技精密检测仪器的辅助下，人们对电镀技术的基本原理、电镀工艺对 镀层结构的影响、各种电镀添加剂对电镀层特性的改善等都有了更细微深入的了 解。目前，电镀技术不仅趋向于提高电镀层质量、满足工件特殊功能要求方向发 展，还趋向于清洁生产方向发展1216。 1.2.2 电镀设备的发展 随着科学技术的发展，电镀设备也获得了较大的进步1317。 随着对镀层质量要求的提高，电镀电源、电镀槽、阳极、搅拌等设备和装 置在科学技术发展的支撑下，多次得到改进。 操作工艺从原先的手工操作发展为半自动生产线，进一步发展为全自动电 镀生产线。 1.3 国内外电镀生产线研究现状 1.3.1 国外电镀生产线研究现状 国外电镀行业萌芽相对较早，从 1840 年申请镀银专利以来，如今已取得了卓 越的成果。电镀不仅影响着其传统的机械制造业和轻工业，而且在电子、汽车、 通讯、航空等新兴领域中也发挥着越来越重要的作用。 国外对于电镀生产线的研究现状，相关文献介绍较少。绝大多数的文献集中 于介绍塑料电镀工艺的研究，如在陶瓷基上电镀铜制作特制的电容器，对于全塑 封装的小型变压器的外塑装塑料进行电镀来屏蔽电磁场等8。 在电镀生产线的研究 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 方面，由于在环保理念、制造水平和综合配套能力等方面明显优于国内，所以其 研究产品较为先进18。国外生产的电镀生产线自动化程度高，结构布置合理，稳 定性强，镀层质量好，以德国生产的生产线为典型代表。但是这些电镀生产线都 是单一镀种生产线，各镀种仍为分散处理，在进行电镀前需要人工对镀件基材、 镀种进行分类，再送至相应自动化线上加工处理得到成品。 1.3.2 国内电镀生产线研究现状 我国电镀行业起步明显晚于国外，并且在发展的历程中经历了在上个世纪中 下叶由高峰跌入低谷再回升的过程。如今经过恢复和发展，随着中国加入世贸组 织，对外的开放，一些发达国家和地区的电镀企业纷纷到我国设厂，引进了不少 的先进电镀技术。我国电镀行业发展速度很快，但是离一些发达国家还有很大的 差距。由于电镀加工给产品带来的装饰性和功能性，电镀行业已成为我国国民经 济发展过程中有着举足轻重地位的发展型行业13。 国内对于电镀生产线的研究起步较晚，虽然经历了手工生产到半自动生产线， 再到全自动生产线的技术进步，但与国外电镀生产线相比，还存在一定的差距。 如我国目前设计和制造的电镀自动线与国外相比自动化程度明显逊色一筹，并且 仍然为单任务、单一镀种的生产线，空间和设备的利用率较低1415，过程中人工 参与频繁，人为的偶然因素影响着产品质量，可控性较差。 目前，我国有多所高校和研究所从事电镀生产线的研究工作，并获得了丰硕 的成果，但至今没有涉足将多个镀种整合到同一条生产线的多任务集成电镀生产 线研究方向18。 1.4 本课题研究的背景及意义 国内电镀生产线的落后，控制系统的自动化程度不够，人工干预过程控制使 得产品质量的稳定性差。一方面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。另一方面将多个镀种整合到同一条生产线上可以合理的利用 空间和设备，可以做到电镀生产线的集成自动化。 本课题针对国内某企业的镀锌、镀镍、镀锌镍合金、镀铜等生产线自动化程 度较低的缺点，对其各电镀工艺要求和控制要求进行了分析，开发了一套多任务、 多镀种电镀生产线自动控制系统，合理地将多个镀种整合到同一条生产线上，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，实现了电镀 生产线的集成自动化，是电镀生产线自动化水平质的提升。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 1.5 本课题研究的内容 多镀种多任务电镀生产线的研发是一项系统化的工程，但是其研究成果具有 非常高的使用价值。在进行多次可行性论证后，完成多镀种全自动电镀生产线布 局，设计生产线机械系统和电器系统，并在此基础之上完成 plc 为核心的软件控 制系统、上位机监控系统、数据库系统的研制。 本论文侧重于多镀种全自动电镀生产线控制系统的研制，研究的主要内容如 下： 分层递阶控制系统的研究：在对工艺要求和生产线布局进行描述后，研制 一套多镀种电镀生产线的分层递阶控制系统。 分布式多通道自动检测与控制技术：研制基于分布式多通道自动检测技术 的多镀种电镀生产线槽液温度控制子系统。 多机实时通讯技术：研制电镀电源、滚筒转速驱动变频器多机实时通讯控 制子系统。 重庆大学硕士学位论文 2 电镀工艺分析及设备布局 7 2 电镀工艺分析及设备布局 本章以某企业的镀锌、镀镍、镀铜、阳极氧化、化学氧化等生产工艺为背景， 结合车间的实际情况对多镀种电镀生产线设备布局进行了阐述。 2.1 生产纲领与工艺流程 2.1.1 生产纲领 镀锌年生产能力约 500 吨， 镀镍、镀铜、镀锌镍合金年生产能力约 340 吨， 阳 极化年生产能力约 500 吨。年生产纲领见表 2.1。 表 2.1 年生产纲领 table.2.1 annual production program 镀种 镀层厚度 （m） 日产量（t） 年产量（t） 基材 镀锌 512 2（100200 批） 500 碳钢/合金钢/不锈钢 镀镍 58 0.12（1020 批） 30 铜/碳钢/不锈钢 镀铜 58 1.2（120240 批） 300 铜/碳钢/不锈钢 镀锌镍合金 512 0.4（2040 批） 50 铜/碳钢/合金钢 化学氧化 23 0.2（1020 批） 50 铝/铝合金/钛/钛合金 阳极氧化 812 1.8（90180 批） 450 铝/铝合金/钛/钛合金 工作制度及年时基数见表 2.2。每周工作 5 天制，全年工作 254 天，2 班制。 表 2.2 工作制度及年时基数 table 2.2 working system and annual time base 每班工作时间（h） 年时基数（h） 备注 名称 工作性质或环境类别 班 班 班 班 二类 8 8 1810 1810 工人 三类 6 6 1360 1360 间断工作 8 8 1950 3740 生产线 短期连续 8 8 - - 重庆大学硕士学位论文 2 电镀工艺分析及设备布局 8 2.1.2 工艺流程简介 无论是镀锌、镀镍、镀铜还镀锌- 镍合金工艺，生产环节大体上由三个基本阶 段组成：镀前处理阶段、电镀阶段和镀后处理阶段。 前处理是电镀的基础环节，该环节处理质量的好坏直接影响电镀生产的效率、 镀层与基材结合的致密性等。该阶段的任务是完成工件的表面处理，为电镀加工 做好准备工作。镀前处理要根据工件基材的化学性质、表面状况和表面处理的要 求，进行仔细的表面清理，除去工件表面的氧化层和油污，达到改善工件表面状 况，最终确保镀层优良品质的目的。 电镀就是把经过镀前处理的工件放入装有预先配备好电镀液的镀槽里，用电 化学反应的方式在工件表面镀上一层金属层的工艺过程，这也是整个电镀生产的 核心环节。电镀槽槽液的配方是电镀工艺能得到预期产品质量最基本的要求。同 样的镀种可能有不同的槽液配方。使用这些不同槽液配方进行电镀处理，最终得 到的产品质量也可能有所差异。但它们都有一个共同点就是对槽液中各种物质、 离子的含量要求配方有严格的要求。除此之外，在电镀控制过程中，流经工件表 面的电流密度、槽液温度、槽液的清洁度、槽液的均匀度以及滚镀工艺时滚筒的 转速都将直接或间接地影响到镀层质量的好坏。 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。工件经过电 镀后表面非常清洁，活性很强，极其容易遭受腐蚀，所以必须立即进行镀后处理， 使金属表面生成保护膜，减缓腐蚀。同时，镀后处理工艺还能达到装饰工件表面 的目的。 类似地，氧化处理也分为氧化前处理、氧化处理和氧化后处理阶段。与镀锌 镀铜等工艺不同的是，由于氧化处理本身就是在工件表面生成一层氧化膜的过程， 相对于刚进行完电镀的工件而言，经过氧化处理的工件表面活性相对较低，所以 氧化后处理一般比较简单。 氧化工艺根据原理不同可分为化学氧化和阳极氧化两类。化学氧化是利用单 纯的化学原理在金属或合金表面生成氧化膜的工艺。阳极氧化也叫电化学氧化， 是将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。无 论是化学氧化还是阳极氧化都是为了的表层金属氧化物薄膜，因为它能改变表面 状态和性能，如表面着色，提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，保护金属表面等3。 一般情况下，阳极氧化声场氧化膜的效率要远远高于化学氧化，所以阳极氧化的 得到了广泛的应用，生产纲领中阳极氧化的产量也远高于化学氧化的产量。 根据工艺要求，该多镀种电镀生产线主要包括镀锌、镀镍、镀铜、镀锌镍合 金以及氧化等镀种，其中镀锌包含酸性镀锌和碱性镀锌工艺，镀镍包含预镀镍、 镀半光亮镍、镀光亮镍和镀暗镍工艺，镀铜包含预镀铜和镀紫铜工艺，氧化包括 重庆大学硕士学位论文 2 电镀工艺分析及设备布局 9 化学氧化和阳极氧化。除此之外，由于镀镉、镀银等镀种在电镀液中含有氰化物 等对人体有害物质，在对槽液管理以及废水、废气的处理有严格的要求所以没有 纳入本全自动生产线中，而是单独建造生产线来处理。但为了能在镀镉、镀银生 产任务繁重的情况缓解其生产线的压力，本多镀种全自动电镀生产线还应具有镀 镉、镀银等工艺的前处理和后处理能力。 镀锌工艺流程 镀锌工艺包括碱性镀锌和酸性镀锌，根据工件的材质、清洁程度等不同，工 艺流程有所差异，图 2.1 所示为镀锌工艺流程。图中可以看出，清洁度较差的工件 首先要进行超声波化学除油再进行电解除油，清洁度较高的工件直接进入化学除 油即可。酸洗和活化工序在不同的情况下也是可选的。 上料 超声波除油 电解除油 热水洗 三级逆流水洗 酸洗 三级逆流水洗 活化 二级逆流水洗 碱性镀锌 酸性镀锌 三级逆流水洗 热水洗 活化 三级逆流水洗 出光 水洗 热水洗 甩干 烘干 下料 纯水洗 低铬彩钝 图 2.1 镀锌工艺流程图 fig. 2.1 technological process of zinc plating 镀镍工艺流程 镀镍工艺包括镀暗镍、镀半光亮镍和镀光亮镍三种工艺，如图 2.2 所示。为了 降低成本，一般在镀镍之前先进行预镀铜，形成一定厚度的镀铜层后再在其表面 镀镍。对于某些基材，直接在其表面镀铜的结合性较差，所以在预镀铜前还需要 现在工件表面进行预镀镍。 重庆大学硕士学位论文 2 电镀工艺分析及设备布局 10 上料 超声波除油 电解除油 热水洗 三级逆流水洗 酸洗 三级逆流水洗 纯水洗 预镀镍 回收 三级逆流水洗 预镀铜 三级逆流水洗 三级逆流水洗 回收 热水洗 下料 镀暗镍 镀半亮镍 镀亮镍 回收 脱水 烘干 图 2.2 镀镍工艺流程图 fig .2.2 technological process of nickel plating 镀紫铜工艺流程 有的工件由于基材与紫铜结核性较差的原因，在对其镀紫铜前需要先进行预 镀镍打底，镀紫铜工艺流程如图 2.3 所示。 上料 超声波除油 电解除油 热水洗 三级逆流水洗 酸洗 三级逆流水洗 纯水洗 预镀镍 回收 三级逆流水洗 镀紫铜 三级逆流水洗 回收 热水洗 下料 图 2.3 镀紫铜工艺流程图 fig.2.3 technological process of copper plating 镀锌- 镍合金工艺流程 镀锌- 镍合金工艺流程如图 2.4 所示。 重庆大学硕士学位论文 2 电镀工艺分析及设备布局 11 上料 超声波除油 电解除油 热水洗 三级逆流水洗 酸洗 三级逆流水洗 纯水洗 镀锌镍合金 三级逆流水洗 热水洗 活化 三级逆流水洗 出光 水洗 热水洗 甩干 烘干 下料 纯水洗 锌镍合金彩钝 图 2.4 镀锌镍合金工艺流程 fig.2.4 technological process of zn- ni alloy plating 化学氧化工艺流程 化学氧化工艺与镀锌、镀镍、镀铜等工艺不同的是在主工艺槽中处理时是在 纯化学反应下进行了，无需对工件通电。工艺流程如图 2.5 所示。 上料 超声波除油 热水洗 二级逆流水洗 碱腐蚀 热水洗 二级逆流水洗 出光 脱氧 浸渍 二次逆流水洗 纯水洗 二级逆流水洗 纯水洗 彩虹色氧化 金黄色氧化 热水洗 下料 重铬酸钾填充 回收 图 2.5 化学氧化工艺流程图 fig.2.5 technological process of chemical oxidation 阳极氧化工艺流程 阳极氧化工艺流程如图 2.6 所示。 重庆大学硕士学位论文 2 电镀工艺分析及设备布局 12 上料 超声波除油 热水洗 二级逆流水洗 碱腐蚀 热水洗 二级逆流水洗 出光 脱氧 浸渍 二次逆流水洗 二级逆流水洗 二级逆流水洗 脉冲阳极化 有色阳极化 硫酸阳极化 硬质阳极化 铬酸阳极化 纯水封闭 下料 重铬酸钾填充 回收 图 2.6 阳极氧化工艺流程图 fig.2.6 technological process of anodic oxidation 2.2 工艺需求分析与车间布局 若按镀种单独建设生产线，生产线的设备布局必须根据工艺流程以最长的工 艺路线设计，统计所需设备见表 2.3。 表 2.3 单独建线所需设备 table 2.3 equipment requirements in separate production line style 行车 （台） 工艺槽 （个） 驱动电机 （台） 温控系统 （套） 超声波设备 （台） 脱水机 （台） 烘干箱 （台） 酸性镀锌 1 29 20 8 1 1 1 碱性镀锌 1 29 20 9 1 1 1 镀暗镍 1 27 27 8 1 1 1 镀半亮镍 1 27 27 8 1 1 1 镀亮镍 1 27 27 8 1 1 1 镀紫铜 1 22 22 7 1 0 0 镀锌- 镍合金 1 25 16 9 1 1 1 彩虹色氧化 1 21 0 8 1 0 0 金黄色氧化 1 21 0 8 1 0 0 脉冲阳极化 1 21 0 7 1 0 0 有色阳极化 1 21 0 7 1 0 0 重庆大学硕士学位论文 2 电镀工艺分析及设备布局 13 续表 2.3： 行车 （台） 工艺槽 （个） 驱动电机 （台） 温控系统 （套） 超声波设备 （台） 脱水机 （台） 烘干箱 （台） 硫酸阳极化 1 21 0 7 1 0 0 硬质阳极化 1 21 0 7 1 0 0 铬酸阳极化 1 21 0 7 1 0 0 合 计 14 333 159 108 14 6 6 从表中可以看出，共需要配备行车 14 台、工艺槽 333 个、滚筒驱动电机 159 台、温控系统 108 套、超声波清洗设备 14 台以及脱水机、烘干箱各 6 台。经过对 系统配置进行分析，发现设备利用率极低，规模庞大。所以应该将系统进行压缩， 优化布局。 分析各工艺流程，发现镀锌、镀镍、镀铜和镀锌- 镍合金镀种的工艺流程较为 相似，化学氧化和阳极氧化工艺流程也有类似之处。所以考虑将各镀种整合，将 前处理、后处理阶段各相同功能的工艺槽合并，供不同的镀种共用。使用率较高 的工艺槽，通过计算后并行布置多个以降低其使用率，保证各条工艺路线的畅通。 由于车间面积的局限性，将电镀处理类工艺和氧化处理类工艺分开，分别布置在 相邻的两个车间内。根据电镀生产工艺的三个阶段功能的相对独立性，将生产线 分为三段，分别是镀前处理段、电镀段和镀后处理段，各段之间由转运小车衔接 工艺路线。其中，前处理段和电镀处理段为滚镀、挂镀两用生产线，镀后处理段 为装筐生产线。将氧化生产工艺分为氧化前处理段和阳极化处理段。由于阳极氧 化镀种较多，工艺路线较长，化学氧化镀种少，工艺路线较短，并且化学氧化不 需要电极，所以将化学氧化工艺槽直接布局进氧化前处理段并设计为装筐生产线。 阳极化处理段由于对导电性要求较高所以设计为挂镀生产线。按此种设计方案， 所需设备见表 2.4。 表 2.4 整合建线所需设备 table 2.4 equipment requirements in integrated production line style 行车 （台） 工艺槽 （个） 驱动电机 （台） 温控系统 （套） 超声波 （台） 脱水机 （台） 烘干箱 （台） 转运车 （台） 电镀前处理 1 23 23 5 1 0 0 电镀处理 1 22 22 7 0 0 0 电镀后处理 1 14 0 8 0 2 1 4 氧化前处理 1 23 0 8 1 0 0 0 重庆大学硕士学位论文 2 电镀工艺分析及设备布局 14 续表 2.4： 行车 （台） 工艺槽 （个） 驱动电机 （台） 温控系统 （套） 超声波 （台） 脱水机 （台） 烘干箱 （台） 转运车 （台） 阳极化处理 1 23 0 8 0 0 0 合 计 5 105 45 36 2 2 1 4 从表中可以看出共需要配备行车 5 台、工艺槽 105 个、滚筒驱动电机 45 台、 温控系统 36 套、超声波清洗设备 2 台、脱水机 2 台、烘干箱 1 台。 显然，通过将各个镀种整合，生产现场方便集中管理，设备的利用率高，整 个系统经济性好。该多镀种全自动电镀生产线可以完成各镀种完整的工艺路线， 也可以选择性地只进行其中的某部分工艺，工艺路线可以灵活自由地选择、组合， 柔性较大，对新工艺的开发，有着很好的兼容性，用户使用极为方便。 生产线现场设备布局如图 2.7 所示。 2.3 控制系统设计要求 操作简单、可靠； 控制系统性能稳定，运行可靠，方便维护，能满足功能的扩展； 具有自动保护，自动报警，能满足电镀生产车间运行管理和安全处理的要 求； 槽液温度、液位、槽电流、槽电压、滚筒驱动转速等实现自动控制，槽液 温度要求控制精度达到1，槽电流电压控制精度达到2； 镀槽中各类添加剂按 ah 消耗量自动添加，酸碱度自动检测与调节； 对工艺要求的槽液的温度、酸碱度、槽电流、槽电压以及行车的实际位置 等通过人机界面进行实时监控； 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，速度可 调，并能实现自动和手动控制。 重庆大学硕士学位论文 2 电镀工艺分析及设备布局 15 图 2.7 车间设备布局图 fig.2.7 facility layout in workshops 重庆大学硕士学位论文 3 应用现场总线的分布式分层递阶控制系统 16 3 应用现场总线的分布式分层递阶控制系统 电镀生产工艺是要求非常严格的生产过程，槽液温度、酸碱度、电流密度、 滚镀时滚筒转速等控制不当都会导致产品质量下降，甚至致使其报废。氧化生产 工艺中也是如此，在阳极氧化中如果槽电压等要求非常精确，电压的控制不当会 造成便表面色泽等达不到预期的效果等。在有些工序中，产品质量对工艺时间非 常敏感，处理时间控制不当也会对最终产品的质量产生影响。此外，槽液中大多 含有强腐蚀性，强氧化性的化学物质，工程的控制不当可能会对操作人员的人生 安全构成威胁。总体来说，该生产线控制系统必须是一套以系统稳定性和控制及 时性为前提，同时满足连续控制特性，使得所有现场执行机构相动作协调一致。 根据电镀生产线、氧化生产线本身的特点，本章将分层递阶控制理论和分布 式控制理论相结合，研制出适用于本生产线的应用现场总线的分布式分层递阶控 制系统。 3.1 分层递阶控制理论概述 组织器 分配器 协调器1协调器n 硬件控制器n硬件控制器1 过程n过程1 组织级 协调级 控制级 被控对象 第一级 第二级 第三级 图 3.1 分层递阶控制系统结构 fig.3.1 architecture of hierarchical control system 上个世纪七十年代，著名学者傅京逊（k.s,fu）从发展学习控制的角度首先正 式提出智能控制这个新兴的科技领域。 g.n.萨里迪斯对智能控制的发展做出了重要 重庆大学硕士学位论文 3 应用现场总线的分布式分层递阶控制系统 17 贡献，他从控制控制理论发展的观点，论述了从通常的反馈控制到最优控制，随 即控制，再到高阶段发展的过程，他首次提出了分层递阶自能控制的结构形式19。 分层递阶控制理论是一种控制系统的方法论，其控制智能是根据分级管理系 统中十分重要的“精度随智能提高而降低”原理逐级分配的。智能控制系统各级 的共同要素涉及机器各种作用的不确定性，采用概率模型描述这些具有共同度量 的作用，即它们各自的熵(entropies) 20- 25。这些熵在智能控制系统的不同层级的 物理阐述为组织级、协调级和执行级，如图 3.1 所示。 组织级代表控制系统的主导思想，它根据存储在长期存储器内的本原数据集 合，组织绝对动作、一般任务和规则的序列。协调级作为中间结构，由一定数目 的协调器组成，目标是把控制问题的实际公式与最有希望的完全协调规则联系起 来。执行级按照控制论，对相关过程执行适当的控制，具有较高的精度和较低的 智能。 3.2 profibus 现场总线技术 现场总线技术是随着计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术 的发展，在工业控制领域出现的一种新兴的控制技术。profibu 现场总线满足了 生产过程现场级数据可存取性的重要要求，一方面它覆盖了传感器/执行器领域的 通信需求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能26。 如表 3.1 所示，iso/ois 通信标准模型由 7 层组成，一类是面向用户的第五层 到第七层，另一类是面向网络的第一层到第四层。从用户角度看，profibus 现 场总线提供了 dp、fms 和 pa 三种通信协议类型27。profibus- dp 使用了第一 层和第二层，这种精简的结构保证了数据的高速传送，特别适合可编程控制器与 县城分散的 i/o 设备之间的通信。 表 3.1 iso/ois 通信标准模型 table 3.1 standard iso / ois communication model 第 1 层 第 2 层 第 3 层 第 4 层 第 5 层 第 6 层 第 7 层 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 profibus- dp 通信协议采用了物理层、数据链路层和应用层，同时增加了用 户层。各层功能定义28： 物理层（physical layer） ：定义了网络信道上电气和机械特性，其中包括 编码类型和传输标准。profibus- dp 使用的是简单、低成本的 rs485 传输技术， 波特率从 9.6kbps12mbps。 重庆大学硕士学位论文 3 应用现场总线的分布式分层递阶控制系统 18 数据链路层（data link layer） ：定义了一系列服务于应用层的功能和向下 与物理层接口，使用物理层的服务，提供介质存取控制功能、信息传输的差错检 验。在 ice61158 中定义了 profibus- dp 的传输服务包括： 1） srd（send and request data with acknowledge） ，在一个信息循环内完成 数据发送和接收。 2） sdn（send data with no acknowledge） ，用于多点传送和广播传送的报文 中。 数据链路层是 profibus- dp 的核心，所有连接到同一物理通道上的应用进程 都是由链路层实时管理来协调。 用户层（user layer）定义了现场设备数据库间互相存取的统一规则，用 户根据标准功能块组态系统，实现用户功能，是使profibus- dp 总线控制系统具 有开放性和可互操作性的关键。 profibus- dp 是一个令牌网络，它在各个主站间采用令牌传送。令牌就是一 种权力，持有令牌者拥有对总线的使用权利。在一个网络中，令牌只有一个所以 在同一时间内有且只有一个主站拥有令牌，这样避免了多方式发布命令而造成网 络混乱。没有拥有令牌者只有等待。 在主站与从站之间采用主- 传送的方式。 从站只能接受主站的命令并产生响应， 它不具有向主站提出请求的权利。每个主站都有自己所控制的从站，它不能控制 其它主站所拥有的从站，但它可以读取它们的数据。 除了 profibus 现场总线以外，西门子 plc 还有另外几种常用的通讯方式。 首先就是 mpi （multipoint interface） 通讯方式， 它通常设置通讯速率为 187.5 kbps， 所以 mpi 通讯时当通讯速率要求不高，通讯数据量不大时可以采用的一种简单经 济的通讯方式。其次就是 modbus 通讯方式，西门子 s7- 300 通过扩展通讯模块 cp340、cp341 后，可以实现 s7- 300 与 s7- 300、s7- 200、带 rs485 的外围设备之 间的通讯，它的特点是经济性好，编程相对复杂，并且通讯速率低，通常设置的 通讯速率为19.2 kbps， 所以这种通讯方式通常使用在plc 与外围设备之间的通讯， 一般来说它们的通讯数据量不大通常为几个字节到十几个字节。再次就是 simatic net 工业以太网方式，它是针对制造业控制网络的数据传输的以太网标 准， 与普通以太网相比较， 它具有更强的抗干扰能力。 其传输速率能达到 100mbps， 适合超远距离传输，但是成本高。 多镀种电镀生产线中主从设备之间距离在 50100m 之间，数据交换量大，要 求通讯效率高，同时还要保证数据的实时性。综合西门子常用通讯方式的特点， 在本系统中选用 profibus- dp 总线进行通讯具有以下优点： 性价比高：成本低，通讯速率快，通讯程序简单。 系统结构清晰：各功能模块分散独立，依靠总线与主控设备联接，系统结 重庆大学硕士学位论文 3 应用现场总线的分布式分层递阶控制系统 19 构清晰。 节省投资：现场总线系统接线简单，用一根双绞线或电缆通常可挂接多个 设备。分散在设备前端的智能设备可直接执行多种传感、控制、报警和计算功能。 线路敷设中可大大减少电缆、端子、桥架的用量，设计和校接工作量也减少。如 果需要新增现场控制设备时也可连接就近的设备。节省设计、安装工作量和投资。 节省维护开销：一般现场控制设备都具有诊断功能，设备将维护信息送到 中央控制器，用户根据诊断信息，可快速处理故障，减少维护量。 3.3 应用现场总线的分层递阶系统的实现 电镀生产线被控量繁多，现场设备比较分散，各功能设备之间关系密切，相 互制约影响，同时生产工艺要求控制精确度高，实时性好。充分利用递阶控制系 统功能强、性能好、适合于较复杂控制系统开发的特点，以及 profibus- dp 现场 总线技术系统结构清晰、节省投资和维护开销等优点，将现场总线技术与分层递 阶控制理论相结合，开发出一套应用现场总线的分层递阶控制系统并应用于电镀 多镀种全自动电镀生产线上。 图 3.2 展示了生产线控制系统的结构。它是一个三级递阶控制系统，包括组织 级、协调级和执行级。 组织级由位于中央控制室的一台安装有西门子cp5611 板卡的研华 ip610工控 机和两台分别位于氧化生产线、电镀生产线上下料口的研华一体化工作站组成。 一体化工作站实质上是计算机，它们通过路由方式与工控机驳接，三台计算机在 局域网中共享同一个数据库，由此实现数据交换。组织级主要实现工艺管理、数 据库管理、生产监控和人机接口。操作工人在现场的一体化智能终端上通过身份 认证后，可以选择工艺路线进行生产，监控现场设备的运行状态和各工艺槽工作 参数的实时跟踪，享有最低级别的管理权限。工艺人员通过身份认证后方可进入 组织级管理监控系统，进行电镀、氧化生产工艺路线及工艺参数的编制与修改， 享有最高级别的管理权限。 协调级由两套