电镀自动线柔性控制系统设计与应用

工程硕士学位论文 I 摘摘 要要 近年来 特种工艺表面处理 电镀 技术在工业领域中得到了迅速的发展 特别是微裂纹镀铬工艺和柔性电镀自动线控制技术 以其高效 灵活 精密等 显著特点 成为国内外的研究热点 本设计提出了微裂纹镀铬电镀自动线柔性控制的具体解决方案 以 PT 可 编程终端简称触摸屏 与 PLC 可编程控制器 等主要器件组成控制系统 接 收并处理电镀设备的传感信号 同时 PLC 将电镀设备的运行状态信息显示在 触摸屏上 并等待接收控制指令 操作人员通过触摸屏输入指令信号 主控制 模块根据触摸屏输入的指令和柔性控制算法控制电镀设备的工作状态 从而实 现柔性电镀控制 上位机通过串口与控制系统实现通讯 可以根据具体需要更 新控制系统的控制程序 从而使系统更具灵活性 以适应不同的生产需要 本 课题完成了控制系统的软硬件设计 并成功应用于减振器杆微裂纹镀铬电镀自 动生产线 取得了良好的效果 本文首先讨论了柔性电镀自动线相关理论 结合电镀自动线机械设计和工 艺设计要求 提出了柔性控制系统的解决方案 并对方案进行了详细的论证 在此基础上 完成了柔性控制系统硬件设计 柔性控制系统软件开发 PT 与 PLC 现场调试及性能分析 关键词关键词 柔性控制 电镀自动线 PT PLC 工程硕士学位论文 II Abstract In recent years the technology of special process surface treatment electroplating has developed rapidly in the industrial field Especially microfracture chromalizing technique and flexible electroplating automatic line control technique became the focus of domestic and overseas researcher because of its noticeable characteristics of high efficiency agility and high precision This design introduces a specific solution of microfracture chromalizing automatic line flexible control With the framework of PT programmable termination called touch screen and PLC programmable Logic controller we build the control system which receives and processes the signal from the electroplate equipment At the same time the PLC views the state information on the PT waiting for the input order The operator inputs the control order by PT in order to control the states of electroplate equipment In this way we can realize the flexible control method The main computer communicates with the control system by RS232 serial interface so we can refresh the program of the system to meet different produce needs which makes the control system more convenient for different users The software and hardware design were carried out and applied to microfracture chromalizing automatic production line of absorber stick successfully Firstly This paper discussed the theories concerning flexible electroplating automatic line Secondly this paper proposed solution of flexible control system according to concerned theories and electroplating automatic line requirements of mechanical design and process design additionally this paper presented detailed demonstration about above solution Lastly in the basis of this solution this paper completed hardware design of flexible control system software development of flexible control system on site debugging and performance analysis of PT and PLC Key words flexible control electroplating PT PLC 工程硕士学位论文 III 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 课题研究的目的及意义 2 1 3 电镀自动线柔性控制的发展 3 1 3 1 PT PLC 在电镀自动线中的应用 3 1 3 2 国内外研究现状及分析 4 1 4 本文研究的主要内容 5 第 2 章 电镀自动线柔性控制原理 7 2 1 电镀自动线的组成及特点 7 2 1 1 电镀自动线的组成结构 7 2 1 2 电镀自动线的特点 8 2 2 电镀自动线的工艺特征 10 2 2 1 电镀自动线的工艺流程 10 2 2 2 电镀自动线柔性控制的技术要求 12 2 3 本章小结 12 第 3 章 电镀自动线柔性控制系统设计 13 3 1 系统方案设计 13 3 1 1 系统结构 13 3 1 2 方案分析 15 3 2 系统的硬件设计 16 3 2 1 PT 的主要性能 16 3 2 2 PLC 器件的特点 17 3 2 3 芯片型号的选择 19 3 2 4 电气控制接线图设计 22 3 3 系统的软件设计 27 3 3 1 PT 窗口界面设计 27 3 3 2 PLC 编程原理 30 3 3 3 用户代码设定 32 3 3 4 控制过程程序设计 33 3 4 本章小结 38 第 4 章 电镀自动线柔性控制系统的应用及测试 39 4 1 电镀自动线柔性控制系统的应用 39 4 2 生产线上用户程序编制方法 40 工程硕士学位论文 IV 4 2 1 行车控制的硬件安装位置 40 4 2 2 用户程序编辑 41 4 2 3 用户程序数据区 DM 填写 42 4 3 系统实际使用流程 44 4 3 1 PT PLC 组态及程序调试 44 4 3 2 检测系统反馈 45 4 3 3 根据反馈修改完善程序 46 4 4 系统能力评价 48 4 5 本章小结 49 结 论 50 参考文献 51 致 谢 53 工程硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1 1 课题背景 半个世纪以来 世界机械与电子工业的发展极大的促进了电镀技术的进步 特别是近二十余年来 在电镀过程中引进诸多物理因素如 磁 声 光 热 电流波形及频率 溶液流速和机械震动等 使镀层质量和电镀效率有了明显提 高 1 国际上研究工作比较活跃的领域是脉冲电镀 高速电镀和复合镀等 目前 在国内已得到成功应用 工业发展不断的对新材料提出要求 电镀技术也由原 来进行防护装饰和功能性镀层加工跨入了新材料制造领域 对电镀设备及其相 关的配套装置的性能 质量和品种等提出了新的更加严格的要求 2 为了稳定电化学生产过程 保证产品质量一致性 各国电镀行业对生产过 程自动化相当重视 电镀的自动化管理系统得到应用 并已经实现商品化 在 汽车制造等行业中开始使用 对于一些批量很大和连续性生产的电化学加工生 产线 电镀自动管理已成为稳定生产的关键问题 微裂纹镀铬 3 工艺是近几年来飞速发展的一种电镀加工工艺 镀铬在电镀工 业中占有极其重要的地位 并列为三大镀种 镀锌 镀铬 镀镍 之一 在传 统镀铬的基础上 相继开发了微裂纹镀铬 稀土镀铬 高效率镀铬等新工艺 4 使镀铬层的应用进一步扩大 柔性控制 5 Soft control 由一个控制 PLC 系统联系起来的一些设备 传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备 使工件加工准确 迅速和 自动化 国际生产工程研究协会指出 柔性控制系统是一个自动化的生产制造 系统 在最少人的干预下 能够生产任何范围的产品族 系统的柔性通常受到系统 设计时所考虑的产品族的限制 国际上电镀自动线的控制系统 比较有代表性的是德国帕尔公司的自动化 控制系统 它融合了德国 西门子 公司生产的电器原件的优良性能 整合各 硬件形成了高端高性能的电镀自动线控制产品 6 其香港分公司在北京的合资公 司北京金朋电镀器材有限公司的控制系统是国内电镀自动线的高端产品 垄断 并制约着国内产品的开发和研制 近年来深圳上材旭光化工机械 深圳 有限 公司将部分日本电镀设备控制系统引入国内 其 PT 控制系统设计有着比较高的 性能 二家外国公司的控制系统影响着国内电镀设备制造厂家的控制系统水平 工程硕士学位论文 2 可编程终端 PT Programmable Terminal PT 又称人机界面 HMI 与 PLC Programmable Logic Controlle PLC 联机通信后 通过键盘或屏幕的 触摸键 可向 PLC 输入数据以及控制命令 进而控制电镀设备工作 具有高度 自动化的特点 7 同时 这种方式可以与柔性控制技术结合在一起 进而组成电 镀自动线柔性控制系统 目前 国内正在加大这方面的研究 力图缩小与国际 上的差距 基于 PT PLC 的电镀自动线柔性控制系统 它的应用有助于提高生产效率 和工艺质量 改善工艺水平 提高我国电镀设备产业的国际竞争力 1 2 课题研究的目的及意义 随着我国加入 WTO 国内的产品要走向国际市场 而国外的产品要进入国 内市场 提高产品质量和降低成本是社会发展的必由之路 提高设备的自动控 制水平和适应性是未来发展的必然结果 提高国内设备制造水平 同国际设备 接轨是设备制造厂家的必然选择 8 在社会高速发展的今天 充分了解和掌握各专业发展的前沿 熟练运用成 熟的控制方案 在国际上节约能源减少污染排放被越来越多地重视 提高劳动 生产率 降低生产成本 提高设备的自动控制水平 合理有效地使用资源 成 为技术发展的方向 9 特别是电镀行业是污染排放比较严重的行业 10 高污染低 能效的技术 已经被发达国家逐步限制 被其它工艺所代替 开发 柔性电镀自动线 可以取代进口设备 组建适应于国内厂家要求的 生产线 具有很高的现实意义 在全面了解国际国内电镀工艺发展水平 和高 端机械设备结构的基础上 采用 PLC PT 等自动化水平较高的控制方案 将柔 性控制技术与实际生产相结合 目前 针对国内各厂家的具体要求 开发更适 应用户需求的产品 已经得到越来越多的研发机构的关注 从柔性控制角度开发和设计电镀自动线控制系统 可以实现节约能源 减 少污染物的排放 提高劳动生产率 降低生产成本 使之有同国际市场上的电 镀设备产品相竞争的优势 11 同时也能提高和促进国内电镀行业设备的控制水 平 开发出具有自主知识产权的设备控制系统 工程硕士学位论文 3 1 3 电镀自动线柔性控制的发展 1 3 1 PT PLC 在电镀自动线中的应用 可编程终端 PT Programmable Terminal PT 可向可编程控制器 PLC Programmable Logic Controller PLC 输入数据 显示数据或图形 在 普通 PC 上使用厂家提供的 PT 支持软件 可以调用各种控件 如各种按钮 数 值 输入 指示灯 数值显示 文字 数值显示 信息显示 条状图 曲线图 XY 图 图仪表 动态图 图形元素 静态文字 静态图形等 用这种方式 可 以制作数百幅生动 丰富的监控画面 用户通过程序开发后 完成程序的编译 由连接 PC RS 232C 端口与 PC 的第 1 个 RS 232C 端口的通信线缆 将监控画面 由 PC 下载到 PT 此后 PT 就可以脱离 PC 而独立工作 12 PLC 可编程控制器是一种数字运算操作系统 专为工业环境应用而设计 它 采用可编程的存储器结构 可以在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计算和算术运算等操作的指令 并通过数字式 模拟式的输入 输出 控制各种 机械设备的生产过程 13 柔性电镀自动线中的柔性控制的概念 是指在生产线上将要生产的零件按 照技术 工艺要求进行有效分类后 能够进行自主生产 在 PT PLC 及软件程 序的控制下尽量减少人为因素的影响 在整条生产线中间做到无人化生产 实 现工厂要求的 混流生产 满足不同工艺参数的质量要求 14 下面主要介绍一下国内应用了 PT PLC 技术自动化控制水平比较高的几条电 镀生产自动线 厂家 及各自自动控制系统的性能 国内的典型的生产线有 吉林长春一汽嘉信热处理电镀科技有限公司使用的 滚镀锌自动生产线和高架装饰镀铬线 长春一汽东机工减振器有限公司使用的 微裂纹减振器杆镀铬一线和二线 辽宁锦州万得汽车减振器有限公司使用的微 裂纹减振器杆镀铬一线和二线 以上六条生产线自动控制系统各有特点 北京金朋电镀器材有限公司 是国内首家引进国外电镀生产线自动控制程序 及其设计要求的公司 在国内制造了几十条自动控制生产线 在同长春一汽嘉 信热处理电镀科技有限公司合作过程中 培训了几名电器控制工程师 在使用 过程中还没有应用类似于 PT 等可视化自动检测技术 因此在设备特别是控制方 面出现问题时 及时处理有很多的难度 主要是故障出现的位置不容易判断 工程硕士学位论文 4 程序修改也有很多问题 但其程序设计的理念比较先进 对开发为柔性控制程 序设计提供了很好的理论基础 上村旭光化工机械深圳有限公司是近几年进入国内市场的电镀设备制造公司 其产品优点是控制性能很好 具有稳定的性能 把 PT 引进到了控制系统 并对 PLC PT 等相关硬件软件的通讯性能进行了较完整的开发 在电镀自动线上有很 好的应用 不足之处在于设备运行过程中是按 步 来进行的 只能按一种程 序进行工作 适应性很差 更谈不到柔性控制了 长春一汽嘉信热处理电镀科技有限公司 是国内制造高端电镀自动线设备控 制的企业 是融国内 国际高端设备自动控制于一体的生产设备制造厂家之一 其产品从实际出发 从工艺 设备 工装 零件 辅助设备入手 吸收了国内 外厂家之优点 开发出了具有适应各方面要求的自动线控制系统 在些基础上 形成了柔性电镀自动线的控制系统 15 1 3 2 国内外研究现状及分析 国外电镀自动线制造 生产厂家都采用上位机来控制自动线的各种运行状 态 15 具有设备集成度高 功能性强 专业化程度高 成本较高的特点 一般 国外一套自动线成本均在一千万元以上 且设备维修和管理费用是国内厂家无 法承担的 进口到国内设备的自动控制部件都进行了多层保密设计 有问题后 都需要请国外供货商来维修 维修费用高 并且供货商不针对国内厂家的需要 进行二次开发 设备具有很强的垄断性 国外的电镀设备现阶段主要强调的是设备的产能 主要开发的是专一设备 符合外国的大批量 少品种 专业化厂家的需要 在柔性控制方面只是保证用 户提出的基本要求 现阶段 还没有提出向国内厂家要求的一些与工艺紧密相 关的控制要求 如行车起吊的柔起 柔停功能 整流器送电的柔起 柔停功能 一条生产线上可以生产多个工艺要求的零件等适合国内电镀厂家电镀设备 柔性控制在国际上提出主要包含以下几项内容 机器柔性 当要求生产一系列不同类型的产品时 机器随产品变化而 加工不同零件的难易程度 工艺柔性 工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力 制 造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度 产品柔性 产品更新或完全转向后 系统能够非常经济和迅速地生产 出新产品的能力 产品更新后 对老产品有用特性的继承能力和兼容能力 工程硕士学位论文 5 维护柔性 采用多种方式查询 处理故障 保障生产正常进行的能力 生产能力柔性 当生产量改变 系统也能经济地运行的能力 对于根 据订货而组织生产的制造系统 这一点尤为重要 扩展柔性 当生产需要的时候 可以很容易地扩展系统结构 增加模 块 构成一个更大系统的能力 运行柔性 利用不同的机器 材料 工艺流程来生产一系列产品的能 力和同样的产品 换用不同工序加工的能力 16 近年来 为打破国外垄断 我们在研究和开发实用性强 性价比合理的电 镀设备 仅使用 PLC 来控制设备实现自动控制需要大量的程序设计 一般要求 几套至十几套程序 因此采用价格比较低的 PT 代替上位机 与 PLC 联合使用 使部分由程序控制的内容 转化为触摸屏上部分窗口可调来实现 这样解决了 造价高及技术要求高的难题 今后在开发方面主要以实际应用为主 能够实现 整条自动线的自我管理 实现更加柔性化 1 41 4 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 为满足不断发展的需要 我们在电镀自动线控制程序引入了 PT 与 PLC 自 动控制 也提出了 柔性电镀自动线 的概念 本课题力争运用先进的技术手 段和控制理论 解决生产线中的实际问题 提高生产效率和产品的工艺质量 本课题主要研究通过 PT PLC 实现对电镀自动线的联合控制 使设备自动 运行 电镀工艺参数自动检测调整 自动给定参数 以实现设备的柔性控制 17 先对需要研究的内容和要求作了全面的分析和了解 对采用的硬件的性能和使 用方法作了详细研究 并对控制系统中使用的软件程序和通信程序等相关内容 作了先期的开发 利用研究的成果在有关的设备上进行了实际应用 收到了良 好的效果 本文主要研究内容有以下五个方面 1 从电镀自动线机械设计 工艺设计着手 采用先进的设计方法和工艺布 置为控制做好基础 分析电镀自动线设备的特点 工艺流程及设备柔性控制的 要求 2 对 PT 的基本性能作全面的研究 特别是对二种 PT 性能的对比实用的研 究 PT 质量高低直接影响程序的编制和对柔性控制的影响 本文通过对 PT 性 能的分析和 PT 窗口页面的设计 经过多次设计和修改之后 使 PT 设备满足工 工程硕士学位论文 6 艺需求 解决了 PT 在电镀自动线上应用的相关问题 3 对PLC的基本性能作了全面的探索 特别是对日本OMRON 欧姆龙 公司 模块式PLC的性能的作了重点的了解和研究 其PLC质量性能直接影响程序的编 制和对柔性控制的解决难度 通过对PLC性能的分析和PLC程序的设计 结合本次课题所要开发的内容 进行了多次的设计和修改 重点对柔性控制理论在PLC程序设计中正确使用 如何在程序中实现其功能 作了全面分析和产述 通过对 步 自动运行程序 的设计和分析 程序设计在读程序 分析程序 执行程序的过程 能够完全满 足生产线的全面需要 从而实现程序的柔性化控制 4 主要从二个方面对电镀自动线柔性控制的硬件及安装图纸进行了选择和 设计 所选择的各项零件对以后的使用有着举足轻重的影响 其性能指标是否 能够实现柔性控制的重要依据 在设计过程中充分考虑为 PLC 中程序设计的需 要 特别是 DM 数据区的使用预留了足够的设计接口 5 根据锦州万得汽车悬架有限公司的要求 设计年产 300 万支减振器杆微 裂纹镀铬生产线 并以满足 混流生产 为背景 探讨新开发的 PT PLC 柔性 控制系统 经过具体实施步骤 进行有效的调试工作 特别是在修改程序时的良 好性能进一步得到了发挥 工程硕士学位论文 7 第 2 章 电镀自动线柔性控制原理 2 1 电镀自动线的组成及特点 2 1 1 电镀自动线的组成结构 电镀自动线主要包括 起吊行走行车系统 行架系统 槽组系统 通风系 统 工装系统 直流电供电系统 溶液循环加热系统 电器控制系统构成 17 如图 2 1 所示 图 2 1 电镀自动线的组成 Fig 2 1 structure of automatism electroplating product line 各系统的主要功能如下 起吊行走行车系统 由二台行车组成 用来完成零件各工序间在夹具上的 运输 行架系统 行架用来支承行车 即为行车配套的部件 槽组系统 是组成生产线的主要部件 完成零件的除油 清洗 阳极刻蚀 行架 槽组系统 循环加热 1 号行车 2 号行车 二套通风系统 工程硕士学位论文 8 镀铬 回收 清洗等工序 主要包括化学除油槽 温水清洗槽 冷水清洗槽 阳极刻蚀槽 镀铬槽 四级回收槽 镀后清洗槽等组成部分 通风系统 主要由槽上吸风罩 槽边风箱 风管 风机及排风管等组成 用来排除由除油槽 阳极刻蚀槽 镀铬槽溶液产生的废气 保持室内空气清洁 工装系统 主要包括夹具主体导电支撑架 上下屏蔽护套及导电坐等相关 配件 用来给要电镀的零件提供足够的电流和均匀的电流分布 直流电供电系统 由直流电源 12V 2000A 导电铜排 V 型坐等构成 用于给电镀零件提供稳定的直流电能 溶液循环加热系统 主要由循环泵 加热器 循环管 温度传感器 温度 控制表及电器原件等组成 具有自动加温 保温及显示温度功能 及不用人工 调控温度 具有加温快 节电等优点 电器控制系统 主要由 PC 机 变频器 空气开关及各种电器原件组成 是 用来完成行车的各项工作的周边电器系统 18 2 1 2 电镀自动线的特点 电镀自动线具有如下特点 1 龙门式单驱动增强纤维带提升行车 行车采用钢板弯形大部件组装龙门式框架结构 外表面刷防锈底漆后外喷 涂桔红色防护漆 行车的提升 行走均采用制动电机直插式蜗轮减速器驱动 运行速度分为高 中 低三速变频调整 运行平稳 提升为增强纤维带传动 变频调速 行车的提升 行走及停止均由微机通过无触点开关控制 并配有提 升防反转过冲及判断夹具等保险安全装置 19 全线由两台行车组成 它的作用是实现零件在各工艺槽之间运输 主要起 到三个作用 一是保证零件在生产线上的左右运行 二是实现零件从镀槽中提 起和落下 三是携带溶液接液盘 保证溶液不滴入其它溶液槽中 2 行架结构简单方便 全部结构为小部件组装式 通用紧固件组装成整体行架 结构简单维修方 便 对场地无特殊要求 一端进出件的生产线便于生产操作 底部用工字钢垫底 提高生产线高度便于操作者操作 20 行车的组成及运动方式如图 2 2 所示 包括行车和接液盘的左右移动时候电 机的左右转 和吊杠的上下移动时候电机的正反转 电机得到控制系统的控制 工程硕士学位论文 9 信号以后 按照用户所需要的方式控制行车 接液盘和吊杠的运动方向 图 2 2 行车的组成及运动方式 Fig 2 2 structure and move mode of travelling crane 3 槽组系统 主要有七个工艺槽组成 化学除油槽 双联清洗槽 温水清 洗 流水清洗 阳极刻蚀槽 二个镀铬槽 回收槽 流水清洗槽 用来完成零 件表面的除油 清洗 阳极刻蚀 镀铬 回收等工序 21 典型镀铬槽的基本样 式如图 2 3 所示 图 2 3 典型镀铬槽样式 Fig 2 3 typical chromeplate mode 4 电气系统 主要有 PLC 变频器 触摸屏 电机减速器 接近开关 光电 开关 限位开关 继电器等部件组成 用来给生产线提供动力和控制 22 工程硕士学位论文 10 2 2 电镀自动线的工艺特征 2 2 1 电镀自动线的工艺流程 典型的电镀自动线的工艺流程 23 为 装夹具 化学除油 温水清洗 流水 清洗 阳极刻蚀 镀铬 回收 回收 回收 回收 流水清洗 卸夹具 在流程中 设备根据反馈数据决定何时转为下一道工序 在这个过程中 自动化控制采用柔性控制的方式 可以使工艺更细腻 质量更好 24 下面给出了各溶液槽中的化学成份及工艺规范 表 2 1 电镀工序主要溶液槽内化学成份 Table 2 1 chemic medicament in liquor flume on the different electroplate procedure 溶液名称工艺规范 序 号 工序名称 化学名称 化学分 子式 含量 g L 温度 电流 密度 A dm2 时间 min 1 装 夹 2 化学除油氢氧化钠 NaOH40 1050 105 1 表面活性剂 1 5 0 5 3 温水清洗温水 H2O50 101 0 5 4 冷水清洗流水 H2O 室温 1 0 5 5 阳极刻蚀 HEEF251 5 0 0560 520 1030 10S 铬酐 CrO3250 30 硫酸根 SO43 0 1 0 三价铬 Cr3 5 0 3 0 6 镀铬槽 HEEF251 5 0 0560 560 520 2 铬酐 CrO3250 30 硫酸根 SO43 0 1 0 三价铬 Cr3 5 0 3 0 7 回收静水 H2O 室温 1 0 5 8 回收静水 H2O 室温 1 0 5 9 回收静水 H2O 室温 1 0 5 10 回收静水 H2O 室温 1 0 5 11 流水清洗流水 H2O 室温 1 0 5 12 卸夹 考虑到设备的具体运行机制和工艺流程 我们将工艺槽的排列顺序进行了 仔细设计 如图 2 4 所示 25 工程硕士学位论文 11 工 位 1234567891011121314151617 名 称 装 夹 具 卸 夹 夹 化 学 除 油 温 水 清 洗 流 水 清 洗 水 洗 回 收 回 收 回 收 回 收 阳 极 刻 蚀 镀 铬 镀 铬 镀 铬 镀 铬 镀 铬 镀 铬 图 2 4 电镀自动线平面布置 Fig 2 4 plane collocation of auto electroplate product line 工位 1 是将未电镀零件装在夹具上 工位 2 是将已电镀后零件从夹具上卸下 工位 3 是将未电镀零件放入除油槽中清除零件表面所携带的油污 工位 4 5 是将未电镀零件表面带有除油槽中的清洗剂清洗干净 工位 6 是将电镀后的零件经过四次回收后做最后一次清洗 去除零件表面 所携带的镀铬溶液 工位 7 8 9 10 是将电镀后的零件在水槽中清洗并回收其溶液 主要作 用有二个目的 一是回收利用零件所携带的镀铬溶液 二是降低排放废水中的 六价铬的含量 工位 11 阳极刻蚀是将零件作为阳极在溶液中进行腐蚀去除表面的氧化膜层 以提高镀铬层的结合力 26 工位 12 13 14 15 16 17 在一个镀铬槽内 是将零件作为阴极在其表 面镀覆一层铬金属层 镀铬层厚度要求在 20 5 微米 生产节拍为 3 5 分钟 满足镀铬层厚度要求要电镀时间为 20 分钟 因此设计六个工位来满足生产的需 要 二台行车的运行过程分工 27 1 号行车是负责完成 1 号工位到 8 号工位内 的夹具 在各槽内按工艺要求完成对零件的表面的处理工作 2 号行车负责完成 9 号工位到 17 号工位内的夹具在各槽内按工艺要求而进行的调整 28 行车工作过程简述 第一台行车上有三台电机用来完成工作过程 第一步将行车运行到有需要 起吊的夹具位置 将起吊吊钩置于行车的最下端 起吊电机启动将夹具吊入工 作槽中 接液盘电机启动将接液盘置于夹具底部 收集夹具滴下的液体 行车 行走电机启动 将夹具运送到下一工作位置 接液盘电机启动将接液盘撤离夹 具底部 起吊电机启动将夹具放入新的工作槽中 完成零件的工作槽换位 待 下一次工作 第二台行车负责配合完成整条生产线的夹具运送工作 工程硕士学位论文 12 2 2 2 电镀自动线柔性控制的技术要求 柔性控制主要包含几方面的要求 行车行走柔性控制即行车柔起 柔停 行车上吊杠柔起 柔停 行车自动 寻位即工艺的柔性控制 生产线自动判别错误及提示 29 真对以上三项要求我们分别采取三种手段实现柔性控制 对于行车行走柔 性控制主要采用变频器实现 而工艺的柔性控制主要利用 PLC 强大的编程功能 实现 生产线出现的问题由 PT 解决 柔性控制的设计思路是读程序 分析程序 执行程序 所谓程序就是指用 户在 DM 区的操作码 这就要求梯形图具有读代码和分析代码及执行代码的功能 当需要改变工艺时无须更改梯形图 只改变 DM 区的用户码既可 由此即达到了 柔性控制 30 要真正地实现生产线柔性控制就要有一个很好的系统组态 所谓系统组态 就是选用或制作恰当的硬件和软件 组成一个有机的整体 达到系统整体最佳 的目标 在硬件方面 以满足工艺要求为准 选用或制作控制器 传感器 动 力装置及机械装置 不但要求每个部分本身高性能 更强调控制器 执行器 传感器 动力装置及机械五者之间的协调与配合 在软件方面选用中文版的工 业控制组态 软件及 PLC 通称支持软件 采用合适的编程方法 编写控制程序 正确使用可编程序终端 触摸屏 还要选用配套的软件 要注意三种软件是否 相互兼容 31 2 3 本章小结 本章主要对电镀自动线上控制方面的有关技术要求 电镀设备 工艺等方 面进行比较全面的分析 为以下研究和设计作好基础工作 特别对电镀自动线 的柔性控制提出了理论模型 为下一步开展工作提供了明确的技术要求 在这 个模型的基础上 开发的相应软 硬件控制系统 将在以下章节详细论述 工程硕士学位论文 13 第 3 章 电镀自动线柔性控制系统设计 3 1 系统方案设计 3 1 1 系统结构原理 从现场设备传感器引出的电镀状态信号 通过 A D 转换 或者从电镀设备 获取开关控制信号 输入 PLC 主控模块 由主控模块负责处理各种柔性控制状 态 人机交互通过 PT 与 PLC 的接口实现 32 最后 整个 PLC 的程序加载由开 发的 RS232 串口与上位机的通讯实现 系统结构如图 3 1 所示 电镀设备接口 信号 转换 PLC主控模块上位机 反馈控制信号 信号 转换 PT人机交 互模块 图 3 1 系统结构示意图 Fig 3 1 structure of control system 具体的柔性控制基于 PLC 实现 结合 PLC 的结构 以 PLC 的数据区 DM 区 作为用户程序的存储区 用户程序是编程者自定义的一系列码 而梯形图则以 读码 解码 执行等功能的形式出现的 用户可通过人机界面 PT 来对用户 程序的码进行修改从而达到柔性控制的目的 PLC 程序结构如下图所示 DM区数据库建立PLC读码解码输出外部执行指令 图 3 2 PLC 程序结构 Fig 3 2 structure of PLC program 基于如上的结构流程设计 我们搭建本柔性控制系统的硬件平台 由于硬 件部分涉及到电镀设备的机械部分和电器接口部分 数字信号处理模块涉及到 的内容也很多 十分繁琐 具体的实现方式 将在以下章节详细介绍 系统部 工程硕士学位论文 14 件组成如图 3 3 所示 Fig 3 3 structure of control system components 人机交互部分 通过 PT 终端实现 PT 部分要完成读取系统状态和传递控制 命令的功能 通过 PT 显示 可以清楚的知道电镀工作状态 通过对指令的改变 最终实现柔性控制 通过上述的结构及硬件设计我们知道 PLC 是整个系统的核心控制模块 系 统最终的所有功能 都要通过 PLC 来协调完成 所以我们要选择功能完备且能 够实现本系统的元器件 具体将在以后章节详细论证 这里还需要交待的是 现场设备 即电镀设备与控制器的接口实现 这是 本柔性电镀系统最终实现的关键之处 将机械 工艺和电器控制有机组合起来 如图 3 4 所示 电镀的设备传感器的信号与控制设备的衔接 实现了本接口 上 述的系统就可以具体的应用于生产当中 电源单元CPU 单元存储器 输入单元 输出单元 特殊 I O 接口通讯单元 现场设备 PLC PC 终端设备 系统总线 图 3 3 系统部件组成 工程硕士学位论文 15 图 3 4 电镀设备与系统接口示意图 Fig 3 4 connection of control system and electroplate equipment 3 1 2 方案分析 现在我们对系统结构中各个模块进行分析 首先 是控制系统与设备的交互通信模块 控制系统的各种参数命令 最 终要体现在设备的运转状态上 同时 电镀设备的反馈数据等也需要传给控制 系统 以做出相应调整 实现柔性控制 在实际中 我们通过各种连接到设备 的传感器得到模拟信号 经 A D 转换成数字信号 或者直接得到设备提供的开 关信号 传到 PLC 控制器上 控制器的命令可以通过数字信号控制电机和电镀 设备上的一些控制器 最终转换成电镀设备的运转状态 主控部分 我们选取的 PLC 器件功能十分强大 可以开发简单的嵌入式系 统 通过扩展存储器可以把设计的程序和数据储存 片上可以扩展与主机通讯 的 RS232 串口 实现主机对电镀自动线柔性控制系统的初始化或者其它操作 这个设计一个比较关键的地方 分别是人机交互 控制器与设备交互这两 个方面 在本方案中 我们选择比较人性化而且功能十分完备的 PT 触摸屏模块 实现人机交互 操作员的命令通过触摸屏输入控制系统 由控制系统运行相应 的程序 结合设备的反馈信息 实现柔性控制 这种方案可以实现设计的技术 要求 因此是可行的 软件部分 我们设计了人机交互界面 柔性控制程序 和其它的命令程序 通过软件控制 能够实现电镀设备的自动化运作 这部分将在以下章节详细介 绍 工程硕士学位论文 16 根据上述分析 我们设计的电镀自动线柔性控制系统 方案上是可行的 也是合理的 3 2 系统的硬件设计 3 2 1 PT 的主要性能 可编程终端 Programmable Terminal PT 又称人机界面 HMI PT 作 为 PLC 的一个外部设备 与 PLC 联机通信后 通过键盘或屏幕的触摸键 可向 PLC 输入数据 显示数据图形或者在普通 PC 上使用厂家提供的 PT 支持软件 通 过调用各种控件 如各种按钮 数值 输入 指示灯 数值显示 文字 数值显 示 信息显示 条状图 曲线图 XY 图 图仪表 动态图 图形元素 静态文 字 静态图形 以及其他通用控件等 可以制作数百幅生动 丰富的监控画面 完成编译后 通过连接 PC 的 RS 232C 端口与 PC 的第 1 个 RS 232C 端口的通信 线缆 将监控画面由 PC 下载到 PT 此后 PT 就可以脱离 PC 而独立工作 PT 的第 2 个 RS 232C 端口与 PLC 的 RS 232C 端口通过通信线缆相连接 此 后 就可使用 PT 对 PLC 控制系统进行操作并显示各种信息 33 使用 PT 可取消传统的控制板面 从而简化了硬件结构 减少了接线 也就 节省了 PLC 的 I O 单元 PT 有文本操作面板 图形 文本操作面板和触摸屏操作 面板 3 种类型 其中文字操作面板和触摸屏操作面板在以下介绍中简称为触摸 屏 触摸屏 PT 由显示屏幕 触摸检测元件和触摸屏控制器组成 触摸检测 元件安装在显示屏幕的前面 用于检测触摸位置 以便将检测信号传送到触摸 屏控制器 触摸屏控制器将接收到的信号转换成触摸点坐标 并通过通信线缆 将信号传送给 PLC 的 CPU 单元 PLC 中的相关信息由 CPU 单元经通信线缆传 送到触摸屏控制器 在屏幕上以数字 文字或图形方式予以显示 通过用手指 触摸相关的按钮和控件就可以完成相应的控制操作 一般的触摸屏可以编制 255 幅画面 有的触摸屏可以编制 500 幅画面 可见 使用触摸屏可以节省大量的 按钮 指示灯等元器件 免去了配线等工作 也就节省了 PLC 的 I O 单元 根 据触摸屏的工作原理和传送信息的介质划分 触摸屏主要有电阻式 红外线式 电容式及表面声波式四种类型 用于工业控制系统的触摸屏大多为电阻式触摸 屏 电阻式触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面相匹配的多层复合薄膜 由 工程硕士学位论文 17 一层玻璃或有机玻璃作为基层 表面涂有透明的导电层 上面再盖有一层外表 面经过硬化处理 光滑防刮的塑料层 其内表面也涂有一层透明的导电层 在 两层导电层之间有许多细小 小于千分之一英寸 的透明隔离点把它们隔开绝 缘 当手指触摸屏幕时 平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个 接触 其中一面导电层接通 会向底层释放均匀电压场 使得检测层的电压由 零变为非零 这种接通状态被控制器侦测到后 进行 A D 转换 并将得到的电 压值与 5V 相比既可得到触摸点的坐标 这就是所有 电阻式触摸屏的工作原理 电阻屏根据引出线多少 分为 4 线 5 线 6 线等多线电阻式触摸屏 第三代电阻 式 5 线及 7 线 触摸屏的表面硬度大于 4 透光度为 90 防水 防尘 防火 及防反光性能良好 34 选用触摸屏时还需要了解显示屏面积 色彩 对比度及接口等相关性能要 求 3 2 2 PLC 器件的特点 首先要对采用的主要电器元件 PLC 的系统功能作全面的分析 PLC 最初用于逻辑控制和顺序控制 当应用于运动控制和过程控制时 PLC 必须扩展自己的功能 才能满足生产的需要 机床工业 汽车工业等属于离散 型制造工业 这类工业侧重于运动控制 例如位置控制和速度控制 为此 生 产 PLC 的厂家相继推出了位置控制模块 伺服定位模块 运动控制模块 电子 凸轮模块 A D 转换模块 D A 转换模块 以及高速计数模块等功能模块 用于 速度 加速度 以及位置控制等运动控制 很多中小型企业属于混合型制造工业厂家 这类制造业中既有运动控制又有 过程控制 为了适应这些企业的需要 各厂家都在自己的 PLC 产品中推出了温 度传感器模块 PID 比例 积分 微分 控制模块 A D 转换模块 D A 转换 模块 闭环控制模块 以及模糊控制模块等功能模块 用于温度 压力 流量 及液位等过程控制 由于 PLC 本身的模块化结构 以及远程 I O 模块功能的不 断完善 使得 PLC 易于实现多级控制 分布控制 分散控制 通过不同级别的 网络将 PLC 与 PLC PLC 与远程 I O 模块 PLC 与人机介面 以及 PLC 与 PT 连接 起来 形成管 控一体化的网络结构 PLC 工作原理介绍如下 PLC 通常分为整体式和模块式两种结构 以日本 OMRON 欧姆龙公司的 PLC 为例 CPM1A 为整体式 PLC 其 CPU 单元中装配了 10 40 点的输入 输出电路 工程硕士学位论文 18 C200Ha 系列为 模块式 PLC 所谓模块 就是按照功能将电路进行分类 每一种 功能制成一块电路板 通常称为模板 每块模板置于工程塑料外壳内 成为独 立的单元 如 CPU 输入单元 输出单元特殊 I O 单元 通信单元 以及电源单 元等 各单元插在带有总线的 CPU 底板上 构成 CPU 机架 CPU 单元必须安插在 CPU 底板上 如果 CPU 机架 或称主机架 的 I O 点数不够用 或者需要增加新 的特殊单元时 可以增加扩展 I O 机架 扩展 I O 机架由扩展 I O 底板 电源 单元 I O 单元 以及特殊 I O 单元组成 模块式 PLC 的另一种结构是用总线连 接器将各个单元连接起来 模块式 PLC 的特点是组态灵活 扩展方便 以及维 护简单 CPU 单元是 PLC 的核心部分 它由微处理器 系统程序存储器 用户程序存 储器 以及工作数据存储器组成 对于小型 中型和大型 PLC 其 CPU 单元的微 处理器通常为 1 个 2 个和 3 个 采用多处理器的目的是用来分割控制任务 进 行协同处理 提高操作和响应速度 此外 CPU 单元上还有外设端口 通信端口 还可以加装通讯板和扩展存储器板 日本 OMRON 欧姆龙 公司模块式 PLC 的 CPU 单元由 CPU 单元模板 指 示器 存储器板舱 DIP 开关 外设端口 RS 232 端口 以及通信板舱等组成 在通信板舱内安装一块合适型号的通信板 CPU 就可以通过 RS 232C RS 422 或 RS485 与可编程终端 个人计算机 温度控制器 SYSMAC LINK 单元 SYSMAC NET 连接单元 条型码读入器或其他外围设备进行通信 存储器板舱用于安装扩 展存储器板 如 EEPROM 存储器板 其容量为 4 6 KB 存储器板作为 RAM 与 CPU 内置 RAM 共同工作 给 CPU 读写程序和 I O 数据 EEPROM 存存储器板不需要后 备电源 即使把它从存储器板舱中取出 仍能保持其数据 35 PLC 的存储器包括系统程序存储器 用户程序存储器及数据存储器 系统程序存储器 系统程序是永久存储的程序 包括管理程序 标准子程序 调用程序 监控程序 检查程序 以及用户指令解释程序 一般存储在 ROM 或 EPROM 之中 用户程序存储器 应用程序存储器 用户程序是用户使用编程器输入的编 程指令或用户使用编程软件由计算机下载的梯形图程序 一般存储在随机存储 器 RAM 中 用户数据一般也存放在 RAM 中 这部分存储器称为数据存储器 为 了防止 RAM 中的信息在掉电时丢失 通常用后备锂电池作保护 保存用户程序 和用户数据 C200Ha 模块式 PLC 可选用外置式 EEPROM 存储器盒 其容量为 4 6KB 用以 增加内置 RAP 的容量 EEPROM 存储盒不需要后备锂电池 工程硕士学位论文 19 3 2 3 芯片型号的选择 根据设计方案的要求 在触摸屏的型号选择上 我们作了如下考虑 首先对比介绍二种性能比较优良的 PT 产品 除了具备以上介绍的各项功能 外 由于产品的不同其主要功能也有所侧重 一个是以日本欧姆龙 OMRON 公司生产的 PT NT631 系列 另一个为以德国 西门子 SIMATIC 公司生产的 PT OP270 系列 欧姆龙 OMRON PT NT631 系列的与系统有关的功能 系统菜单 可通过选择画面上显示的系统菜单进行系统设置和维护 画面 数据的生成 用支持工具在个人计算机生成画面数据 可传送并存储在内部的 画面数据内存中 恢复功能 在 NT631 631C 的运行结束之前的状态和内存表的 内容 可在运行停止时或电源断开时存入 并在运行恢复时显示在画面上 画 面保护功能 该功能用于延长背景灯的使用寿命并防止屏幕上产生残留影像 时钟功能 可根据内部时钟数据显示时间 编程器功能 当 NT631 631C 以 NT 连接 1 1 方式连接 C 系列 CP