基于PLC控制的电镀车控制系统设计

1 1 绪论绪论 电气控制技术是伴随着社会生产规模的扩大 生产水平的提高而前进发展 的 电气控制技术的进步又促进了社会生产力的提高 随着微电子技术 电力 电子技术 检测传感技术 机械制造技术的发展 工业控制中几乎所有的顺序 控制都可简单地由它完成 因而其应用愈来愈广泛 电动行车是现代化生产中 用于物料输送的重要设备 为了提高工作效率 促进生产自动化和减轻劳动强 度 往往需要实现电动行车的自动化控制 实现自动化控制 可以使行车能够 按照预定顺序和控制要求 自动完成一系列的工作 本设计介绍了工厂电镀车 间的电镀专用行车 利用电气控制装置构成一套半自动控制系统 实现对电镀 专用行车的半自动控制过程 本设计中的电镀专用行车是通过行车带动吊钩前后运动及吊钩的升降运动 来实现电镀的过程的 行车带动吊钩前进 后退分别经过电镀槽 1 5 当分别到 每个槽上方时 由限位开关发出控制指令使吊钩下降 当下降到槽中时又开始 定时电镀 定时结束后 吊钩上升 上升后还需定时停留一段时间让多余的液 体流回槽中才能走向下一个槽 当电镀结束后行车返回原位 2 2 电气控制简介电气控制简介 2 1 电气控制技术简介电气控制技术简介 电气控制系统是由电气控制元件按一定要求连接而成 电气控制又称为继 电器接触逻辑控制 一般包括电源装置 电动机控制线路及辅助电路 电气控制技术是用以实现生产过程电气化及其自动控制的电气设备及系统 的控制技术 以各类电动机为动力的传动装置与系统 电气控制系统是其中的 主干部分 电气控制系统中常用的控制电器主要是低压电器元件 电工仪表及 控制仪表等 电气控制系统是一种能根据外界的信号和要求 手动或自动地接 通 断开电路 断续或连续地改变电路参数 以实现电路或非电对象的切换 控制 保护 检测 交换和调节用的一种电气控制成套设备 电器的控制作用 就是 自动 或 手动 接通或者断开电路 通 也称 开 断 也称 关 因此 开 和 关 对应于逻辑 1 或 0 是电器最基本 最典 型的功能 由此定义 根据生产过程的工艺要求 由这些电器组成的 能满足 生产过程工艺要求的控制系统称电器控制 早期 因其主要由开关电器 继电 器 接触器等组成 故称继电器 接触器控制系统 至今一直沿用这一说法 又 因为它是一种逻辑控制 所以又称它是一种继电逻辑控制系统 2 2 电气控制技术的发展概况电气控制技术的发展概况 电气控制是利用电气元件对电力拖动系统进行控制 例如各种开关 按钮 继电器 接触器 半导体器件等都可以作为电气控制元件 它们根据生产工艺 的要求 按照一定的线路组成电气控制系统 自动地控制电动机的起动 调速 制动和正反转等 使生产机械按照预先制定的工作进程改变运动速度 方向和 工作部件的位置 以及工作循环的自动化等 随着科学技术的突飞猛进 对生 产工艺的要求越来越高 这就对电气控制技术提出了更高的要求 要求电气控 制系统最大限度地满足生产工艺的要求 力求简单经济 保证安全可靠 同时 操作维护方便 控制方法从手动到自动 功能从简单到复杂 控制技术从单机 控制到群体控制 操作从笨重到轻便 推动了生产技术的不断更新和高速发展 由此可见 电气控制技术在国民经济中起着及其重要的作用 3 电气控制技术是随着科学技术的不断发展及生产工艺不断提出新的要求而 得到飞速发展的 在控制方法上 主要是从手动控制到自动控制 在控制功能上 是从简单的控制设备到复杂的控制系统 在操作方式上 由笨重到轻巧 在控制原 理上 从有触点的继电接触式控制系统到以计算机为核心的 软 控制系统 随 着新的电器元件的不断出现和计算机技术的发展 电气控制技术也在持续发展 现代电气控制技术正是综合了计算机 自动控制 电子技术和精密测量等许多先 进科学技术成果 并得到飞速发展 现在 PLC CAD CAM 和 Robot 组成了当 代工业自动化技术的三大技术支柱 随着大规模集成电路和微处理器的发展和应用 在 1969 年出现了第一台以 软件手段来实现各种控制功能的革命性控制装置 可编程控制器 它把计算机 的功能完备 通用性和灵活性好等优点和继电接触式控制系统的操作方便 简单 易懂 价格低廉等优点结合起来 因此它是一种适应与工业环境的通用控制装置 现在的可变趁控制器和原来的控制系统相比 增加了算术运算 数据转换 过程 控制 数据通信等功能 已可以完成大型而复杂的控制任务 可编程控制器作为 工业自动化的技术支柱之一 在工业自动控制领域占有十分重要的地位 自 20 世纪 70 年代以来 电气控制相继出现了直接数字控制系统 DDC 柔性制造系统 FMS 计算机集成制造系统 CIMS 智能机器人 综合运用 计算机辅助设计 CAD 计算机辅助制造 CAM 集散控制系统 DCS 现 场总线控制系统等高技术 形成了从产品设计及制造和生产管理的智能化生产 的完整系统 将自动化生产技术推进到更高的水平 由上可知 电气控制技术的发展是伴随着社会生产规模的扩大 生产水平 的提高而前进的 电气控制技术的进步又促进了社会生产力的提高 随着微电 子技术 电力电子技术 检测传感器技术 机械制造技术的发展 21 世纪电气 控制技术必将给人类带来更加繁荣的明天 2 3 电气控制系统中常用的低压电器电气控制系统中常用的低压电器 2 3 1 概述概述 低压电器包括配电电器和控制电器两大类 它们是组成成套电气设备的基 础配套元件 低压电器 定义为 根据使用要求及控制信号 通过一个或多个 4 器件组合 能手动或自动分合额定电压在直流 DC1200V 交流 AC1500V 及以 下的电路 以实现电路中被控制对象的控制 调节 交换 检测 保护等作用 的基本件称为低压电器 采用电磁原理构成的低压电器元件 称为电磁式低压 电器 利用集成电路或电子元件构成的低压电器元件 称为电子或低压电器 利用现代控制原理构成的低压电器元件或装置 称为自动化电器 智能化电器 或可通信电器 根据电器的控制原理 结构原理及用途 又可有终端组合式电 器 智能化电器和模数化电器等 2 3 2 常用低压电器的分类常用低压电器的分类 1 低压断路器 俗称自动空气开关 有万能框架式低压断路器 装置式 低压断路器 模数化小型低压断路器 智能化断路器等类型 2 接触器 有交流接触器 直流接触器 切换电容器接触器 真空接触 器 智能化接触器等类型 3 刀开关 隔离器 转换开关 分为单极 双极 三极等型式 并有 多种安装型式 4 熔断器 有插入式熔断器 螺旋式熔断器 有填料密封式熔断器 无 填料密封式熔断器 快速熔断器 自复熔断器等类型 5 主令电器 包括按钮 指示灯 微动开关 接近开关 行程开关 主 令控制器 转换开关等 6 继电器 电磁式 根据控制信号不同可分为电压 电流 信号 温度 压力 时 间 中间等继电器 电子式 固态继电器 电动机保护继电器 电子漏电保护器等 双金属片式 热继电器 温度继电器 时间继电器等 可编程控制继电器 如德国西门子公司的 LOGO 金钟 默勒公司的 EASY 等 特种继电器 干簧继电器 电磁式继电器 极化继电器 磁保持继电器 等 7 执行电器 如电磁铁 电磁阀 电磁离合器 电磁抱闸等 5 8 电器安装附近 包括各种工业用插头插座 端子排 母线排 接线端 子 连接器 行线槽 缠绕管 导轨 连接导线等 9 成套电器 主要有低压控制屏 低压配电屏 动力配电箱 照明配电 箱等四大类 10 电工仪表 如电流表 电压表 功率表 智能仪表等 6 3 电镀车间专用行车系统组成和工作流程电镀车间专用行车系统组成和工作流程 3 1 行车简介行车简介 行车 吊车 天车都是人们对起重机的一个笼统的叫法 行车和现在我们 所称的起重机基本一样 基本有两类 一类为集中驱动 即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的 主动车轮 另一类为分别驱动 即两边的主动车轮各用一台电动机驱动 中 小型桥式起重机较多采用制动器 减速器和电动机 如图 3 1 所示 组合成一 体的 三合一 驱动方式 大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整 驱 动装置常采用万向联轴器 图图 3 1 行车配件行车配件 起重机械按其功能和结构特点 大致可以分为下列 4 大类 轻小型起重设备 轻小型起重设备的特点是轻便 结构紧凑 动作简单 作业范围投影以点 线为主 轻 小型起重设备 一般只有一个升降机构 它只能使重物作单一的 7 升降运动 属于这一类的有 千斤顶 滑车 手 气 电 动葫芦 绞车等 电动葫芦常配有运行小车与金属构架以扩大作业范围 桥式起重机 图图 3 2 行行车车 桥式起重机的特点是可以使挂在吊钩或其他取物装置上的重物在空间实现 垂直升降或水平运移 如图 3 2 桥式起重机包括 起升机构 大 小车运行机 构 依靠这些机构的配合动作 可使重物在一定的立方形空间内起升和搬运 桥式起重机 龙门起重机 装卸桥 冶金桥式起重机 缆索起重机等都属此类 臂架式起重机 臂架式起重机的特点与桥式起重机基本相同 臂架式起重机包括 起升机构 变幅机构 旋转机构 依靠这些机构的配 合动作 可使重物在一定的圆柱形空间内起重和搬运 臂架式起重机多装设在 车辆上或其他形式的运输 移动 工具上 这样就构成了运行臂架式旋转起重 机 如汽车式起重机 轮胎式起重机 塔式起重机 门座式起重机 浮式起重 机 铁路起重机等 升降机 升降机的特点是重物或取物装置只能沿导轨升降 升降机虽只有一个升降 机构 但在升降机中 还有许多其他附属装置 所以单独构成一类 它包括 电梯 货梯 升船机等 除此以外 起重机还有多种分类方法 例如 按取物 装置和用途分类 有吊钩起重机 抓斗起重机 电磁起重机 冶金起重机 堆 8 垛起重机 集装箱起重机和援救起重机等 按运移方式分类 有固定式起重机 运行式起重机 自行式起重机 拖引式起重机 爬升式起重机 便携式起重机 随车起重机等 按驱动方式分类 有支承起重机 悬挂起重机等 按使用场合 分类 有车间起重机 机器房起重机 仓库起重机 贮料场起重机 建筑起重 机 工程起重机 港口起重机 船厂起重机 坝顶起重机 船上起重机等 行车操作安全管理制度 1 操作人员班前 班中严禁饮酒 操作时必须精神饱满 精力集中 2 操作人员在使用行车前 应进行例行检查 发现装置和零件不正常时 必须在使用前排除 3 开车前 必须鸣铃或报警 操作中行车接近人时 亦应给以断续铃声 4 非行车操作人员不准随便进入行车驾驶室 5 行车上有两人工作时 事先没有互相联系和通知 不得擅自开动行车 6 工作中遇到突然停电 应将所有控制器手柄板回零位 在重新工作前 应检查行车是否完好后方可使用 因停电重物悬挂半空时 操作人员应使地面 人员紧急避让 7 在任何情况下 吊运重物不准从人的上方通过 吊臂下方不得有人 8 操作人员进行行车维护保养时 应切断主电源并挂上标志牌 9 严禁大小车及上下车三线同时使用 10 控制器应逐步开动 不得将控制器手柄从顺转位置直接猛转到反转 位置 应先将控制器转到零位 再换反方向 11 坚持做到 十个不准吊 指挥信号不明或乱指挥不吊 物体重量不清或超负荷不吊 斜拉物体不吊 重物上站人或浮置物不吊 工作场地昏暗 无法看清场地 被吊物及指挥信号不吊 工件埋在地下不吊 9 工作捆绑 吊挂不牢不吊 重物棱角处与吊绳之间未加垫衬不吊 吊索具达到报废标准或安全装置失灵不吊 重物超长未采取牵引措施不吊 3 2 电镀行车工作原理电镀行车工作原理 电镀专用行车采用远距离控制 起吊重量 500kg 以下 起重物品是有待进 行电镀或表面处理的各种产品零件 根据电镀加工工艺的要求 电镀专用行车 的结构和动作流程如图 3 3 所示 实际生产中电镀槽的数量由电镀工艺要求决 定 电镀的种类越多 槽的数量越多 图图 3 3 电镀专用行车的结构和动作流程图电镀专用行车的结构和动作流程图 电镀专用行车的工作过程如下 1 在电镀生产线一侧 工人将待加工的零件装入吊篮 并发出控制信号 行车自动上升 并逐段前进 根据工艺要求在需要停留的槽位停止 2 行车停留在某个槽位上面后 自动下降 停留一定的时间 各槽停留 的时间根据工艺要求预先设定 再自动上升并继续前行 3 如此完成电镀工艺规定的各道工序 直至生产的末端 然后 自动返 10 回原位 由工人卸下处理好的零件 至此 一次循环加工完成 可见 电镀专用行车加工过程的控制是顺序控 制 由吊篮前进 下降 延时停留 上升 后退等工序组成 为了适应批量生产需要 电镀车间专用行车的电气控制系统要针对不同的 工艺流程 例如镀金 镀银 镀锌 镀镍 镀铬 有程序预选和修改能力 设备机械结构与普通小型行车结构类似 跨度较小 要求准确停位 以便 吊篮能准确进入电镀槽内 工作时除具有自动控制的大车前后移动与吊物上下 移动外 还有调整吊篮位置的小车左右移动 生产线上镀槽的数量 由用户综合各种电镀工艺的需要提出要求 电镀种 类越多 则槽数也越多 为简化设计过程 本设计暂定 5 个电镀槽 停留时间 由用户根据工艺要求进行调整 11 4 技术设计方案及传动型式的选择技术设计方案及传动型式的选择 4 1 技术设计方案技术设计方案 根据设计任务 确定如下技术方案 1 控制装置具有程序预选功能 可按电镀工艺要求确定需要的停留工位 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 2 前后运动 升降运动要求准确停位 前后 升降及左右运动之间有联 锁作用 3 采用远距离控制 整机电源及各动作需要有相应灯光指示 4 设置极限位置保护和必要的电气保护措施 4 2 传动型式的选择传动型式的选择 行车中的小车 大车及升降运动无特殊要求 选用三相笼型交流异步电动 机即可满足传动需要 每台电动机的拖动功率基本一样 故选择三台相同的电 动机 每台额定功率 1 1KW 额定电压 380V 额定电流 1 99A 额定转速 1400r min 分别拖动 并采用机械减速 12 5 电气控制总体设计电气控制总体设计 5 1 总体方案选择说明总体方案选择说明 1 行车的左右 前后及上下运动分别由电动机 M1 M2 M3 拖动 并 通过正反转控制实现两个方向的移动 2 进退与升降运动停止时 采用能耗制动 以保证准确停位 平移中 升降电机 M3 采用电磁抱闸制动 以保证安全 3 位置控制指令信号 由固定在轨道一侧的限位开关发出 并用调节挡 铁的方法来保证吊篮与镀槽相对位置的准确性 4 制动时间与各槽停留时间 由延时继电器控制 5 采用串入或短接位置指令信号的方法 实现程序可调 6 M2 M3 为自动控制连续运转 采用热继电器实现过载保护 左右移 动为调整运动 短时工作无过载保护 7 采用带指示灯控制按钮 以显示设备运动状态 8 主电路及控制电路采用熔断器实现短路保护 9 由限位开关实现三方向的位置保护 10 电气控制箱置于操作室内 落地安装 5 2 电气控制原理图设计电气控制原理图设计 5 2 1 主电路设计主电路设计 1 由接触器 KM1 KM2 KM3 KM4 及 KM5 KM6 分别控制电动机 M1 M2 M3 的正反转 2 M2 M3 由热继电器 FR1 FR2 实现过载保护 M1 电动机为点动短 时工作 故不设过载保护 3 由 FU1 实现短路保护 并由隔离器 QS 作为电源控制 4 为保证准确停位 并考虑到进退与升降运动由同一型号电动机拖动 且相互联锁不会同时工作 所以 停车时采用同一个直流电源实现能耗制动 直流电源单相桥式整流 能耗制动回路中设有单独的熔断器短路保护 FU2 FU4 13 5 考虑到升降运动吊有一定的重量 在行车平移中 需设置电磁铁抱闸 制动控制 三相电磁铁 YA 与 M3 并联 当 M3 得电时 YA 工作 松开刹车允 许升降运动 M3 失电时 YA 释放 抱闸刹车 使吊篮稳定停留在空中 能安 全地前后平移 根据以上设计原则绘制出主电路如图 5 1 图图 5 1 电镀专用行车电气控制主电路电镀专用行车电气控制主电路 5 2 2 控制电路设计控制电路设计 1 吊篮的左右移动 由 KM1 KM2 控制 M1 的正 反转实现 14 2 M1 正转左移 反转右移 采用点动控制 两地操作 控制台操作 现场操作 3 在吊篮进退与升降运动中 不允许左右移动 故串联 KA1 KA4 常闭 触头以实现联锁 左右极限位置保护由固定于左右两端的限位开关 SQ6 SQ7 实现 4 根据电镀工艺要求 行车前进运动与升降运动为自动控制 其控制过 程是 按下 SB11 KM3 及 KA1 吸合 行车前进 当运行至需要停留的槽位 例如至 1 槽清洗 由运动挡铁压下固定于道轨一侧的行程开关 SQ1 SQ1 常闭 触头串在 M2 控制回路 使 KM3 KA1 失电 M2 停止旋转 同时由 KA1 常闭 及 SQ1 常开触头接通前进制动回路 KM7 KT1 得电 使 M2 制动行车准确停 在 1 槽 制动时间由 KT1 调定 停留时间由 KT4 调定 若工艺要求 1 槽无需 停留 则可扳动开关 SA1 使其常开触头闭合 常闭触头打开 则行车继续前进 在 M2 制动的同时 由 KM7 常开触头接通 KM6 与 KA4 使 M3 的正转 吊篮 下降 至下限极位 限位开关 SQ11 受压 使 KM6 失电 同时 SQ11 常开触头 接通下降制动回路 而使其迅速停车 零件在槽内停留时间由时间继电器 KT4 自动控制 由 KT4 延时闭合触头接通 KM5 KA3 使 M3 反转 吊篮上升 到 上极限位压下限位开关 SQ10 使 M3 停转 同时 SQ10 常开触头接通上升制动 回路 使 KM8 和 KT2 得电 在制动的同时 由 KM8 常开触头接通行车前进控 制回路 如此循环 直至按工艺要求完成零件的电镀过程 行车到达终点 压 SQ8 自动停止前进 同时由 SQ8 常开触头接通 KM4 KA2 使行车自动回到原 位 进退与升降之间 由 KA1 KA2 及 KA3 KA4 常闭触头串于对方控制回 路 实现联锁 过载保护由 FR1 FR2 常闭触头串在M2 M3 各自的控制回 路中实现 5 根据控制要求 KM3 KM6 的辅助触头数量不够 因而采用并联 KA1 KA4 中间继电器办法来解决 6 因设备调整需要 进退及升降控制应有连续运转控制 也有点动控制 7 由 FU5 对控制电路进行短路保护 8 控制电压直接采用电网电压 15 根据以上要求设计出如图 5 2 所示的控制电路 16 图图 5 2 电镀专用行车控制线路电镀专用行车控制线路 17 5 2 3 灯光指示电路设计灯光指示电路设计 根据设计要求 设计的灯光指示电路如图 5 3 所示 合上 QS HL0 指示灯 亮 表示控制系统已通电 生产过程中由灯 HL7 HL10 在 SQ11 SB14 中 显 示行车的进退 升降运行状态 并由灯 HL1 HL5 显示行车的停留位置 图图 5 3 电镀专用行车灯光指示电路电镀专用行车灯光指示电路 至此 按设计要求检查各动作程序 各种保护 联锁等 全部符合要求后 即可绘制电气控制总原理图 5 2 4 主要参数计算主要参数计算 1 FU1 熔体额定电流 FU1 熔体额定电流 IRN 7IIN 2 5 7 1 99A 2 5 5 6A 选用 IRN 6A 其余熔体额定电流选用 2A 2 能耗制动参数计算 18 制动电流 ID 1 5IN 3A 直流电压 UD IDR 30V 式中 R 为定于两相电阻约为 10 欧姆 整流变压器二次侧交流电流 I2 3A 0 9 3 33A 电压 U2 30V 0 9 33 3V 整流变压器容量 S I2U2 100VA 与显示 照明共同选用 BK 100 变压器 220 36 6 3V 5 2 5 编制元器件明细表编制元器件明细表 选择电器元件 编制电气原理图元件明细表 见表 5 1 5 3 电气工艺设计电气工艺设计 1 根据控制要求和电气设备的结构 电器元件的总体配置以及电器安装 板与控制面板上应安装的电器元件 在本设计中 电器箱外部 分布于生产线 上的电器元件有电动机 制动电磁铁 限位开关等 电器安装板上应安装的电 器元件有熔断器 继电器 中间继电器 热继电器 变压器 整流器等 控制 面板上安装的电器元件有电源开关 控制按钮 程序选择开关 指示灯等 2 分别对原理线路图的主电路及控制电路进行编号 3 根据电器元件的分布与电气原理图编号 绘制电气设备的安装接线图 如图 5 4 所示 图中已标明各电气部分的联接线号及联接方式 安装走线方式 导线及安装要求等 4 编制设计说明书 使用说明书 根据原理设计过程 编写设计说明书 其中包括总体方案的选择说明 电气原理线路设计说明主要参数计算及主要电器元件选择说明 元件明细表等 根据原理图及控制要求编写设备说明书 应包括本设备的用途 性能及 特点 工作原理简单说明 使用与维护注意事项等 至此 基本完成本设计要求的电气原理控制过程及工艺设计任务 19 表表 5 1 元器件明细表元器件明细表 序号元器件符号名称数量规格型号备注 1FU3 熔断器 1 BHC 型熔芯 2A HL0 HL5 指示灯 6XD16 3V 0 05A SA1 SA5 组合开关 5 HZ10 10 13 型 SQ6 SQ11 限位开关 6JLXK1 411 SQ1 SQ5 行程开关 5LXK2 131 KT4 KT8 时间继电器 5JS11 5 KT1 KT3 时间继电器 3JS7 2A KA1 KA4 中间继电器 4JZ7 44 KM1 KM9 接触器 9CJ20 10 10A 380 10SB11 SB14 启动按钮 4LA19 11D 绿色指示灯 6 3V 11SB9 SB10 停止按钮 2LA19 11D 红色指示灯 6 3V 12SB1 SB8 点动按钮 8LA19 11 13QS 电源开关 1HZ15 10 3 14TC 变压器 1BK 100 15VC 整流器 1QL5A 100V100V 5A 16