基于PLC的工业电镀系统设计.doc

河南城建学院本科毕业设计(论文) 摘要摘 要工业电镀生产线工位多、生产复杂，人工操作随机性大，影响产品质量。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。基于PLC的电镀生产线系统，不但可以使电镀产品的质量和品质得到严格的保证，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和更好的保证工人的人身安全有非常好的经济效益和社会效益。本设计对电镀系统中自动电镀过程进行了具体实现。以FX2N作为主控制器，行程开关检测。并详细阐述了其工作原理、基本功能框图、关键设计技术及软件工作流程，最后进行了软件实现，达到了系统要求的功能。关键词：电镀，PLCI 河南城建学院本科毕业设计(论文) AbsteactABSTRACT Industrial electroplating production line workers producing complex, large randommanual operation, affects product quality. Have a good mature plating process and goodquality bath additives, plating quality of the production in addition to know how to ensure that theplating products in strict accordance with the plating process operation .How to ensure that the plating time is an important factor to determine the plating quality of products and quality. Electroplating production line monitoring system based on PLC, not only can make strict guarantee product quality and quality of plating , but also for remote monitoring can also increase productivity and reduce labor intensityand better ensure that workers personal safety.There is a very good economic and social benefits. Automatic electroplating process system implementation. FX2N as the main controller, limits switch detection. And elaborated on its working principle, the basic functional block diagram of the key design techniques and software. workflow, and finally the software implementation to achieve the required functionality of the system.KEY WORDS : lectroplating production line，PLCII 河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录 目录摘要.IAbstract.II前 言11 绪论21.1课题研究背景21.2 国内外现状21.3 课题研究目的意义31.4 课题研究内容及工艺要求42 可编程控制器概述52.1 控制组件52.2 输入输出接口电路52.3 PLC构成的存储程序控制系统组成62.4 PLC的扫描技术72.4.1 PLC扫描工作方式72.4.2 PLC扫描工作过程82.4.3 扫描周期计算92.5 PLC编程语言简介92.5.1 扫描周期计算102.5.2 PLC控制系统与电气控制系统的区别102.6 PLC在工业产品中的应用113 电镀生产线的总体设计方案133.1 电镀行车设计思路133.2 电镀行车的工作过程143.3 具体工艺要求143.4 设计附加说明144 系统硬件设计164.1 plc选型164.1.1 确定I/O164.1.2 PLC容量选择164.1.3 确定PLC型号164.1.4 FX2N-32MR简介164.2 电镀行车控制系统的主电路设计174.3 行程开关简介184.3.1 行程开关原理及简介184.3.2 行程开关分类194.3.3 JW2型行程开关简介214.4电镀行车PLCI/0地址分配224.4 外部接线图234.5 控制流程245 软件设计255.1 电镀生产线PLC控制梯形图程序255.2 电镀生产线PLC控制梯形图程序分析256 结论27致谢28参考文献29附录30V 河南城建学院本科毕业设计（论文） 前言 前 言电镀生产作为一种传统产业自开始以来，几十年间有了极大的发展从早期的纯手工作坊生产发展到今天的半自动甚至全自动生产，电镀工业的进步是巨大的，电镀产品的种类和电镀工艺的复杂程度也是发生了极大的变化。电镀生产线自动化的程度在欧美等国家的发展水平已经较高，而在我国尚处在发展阶段。几十年前电镀一个工件只要备一个镀槽，用两只电极（阴、阳极）装上工件通上电就完事，后来控制的手段开始引入计算机控制，也就是人们所熟知的工业控制计算机系统。人们觉得这种工控机控制手段有明显的弱势，其工作的可靠性以及抗干扰等措施还是显得有些不够，考虑到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。随着市场上新的数字设备和数字技术的发展，新的工控装置PLC 受到越来越多地青睐。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。PLC技术引入电镀生产以后，电镀生产有了极大的发展。PLC可以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，从而很好的决定电镀产品质量和品质的重要因素，通过PLC可以实现电镀行车的准确运行，准确掌握电镀时间，提高生产效率。1 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论 1 绪论1.1课题研究背景电镀是一种借助于电流的作用，将有关金属均匀涂覆到基底材料表面的过程。或者说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。作为一种表面精饰工艺，电镀已经成为机械、电子、仪器、仪表、轻工、航空、航天等诸多行业和领域中提升产品质量档次的一种不可缺少的重要手段。它伴随着被镀产品的发展而发展，同时又对被镀产品质量的提高起着重要作用，其特有的装饰性、防护性及多功能性赋予了被镀产品多种新的功能，能够更好地满足工业和人们日常生活的需要，是被镀产品在激烈的市场竞争中占领市场的重要支撑。电镀工业已经成为我国重要的加工行业之一，在国民经济中占有举足轻重的地位。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。1.2 国内外现状随着科学技术和工业的迅速发展，人们对自身的生存环境提出了更高的要求。l989年联合国环境规划署工业与环境规划中心提出了“清洁生产”的概念，电镀作为一种重污染行业，急需改变落后的工艺，采用符合“清洁生产”的新工艺。美国学者JBKushner提出了逆流清洗技术，大大节约了水资源，受到了各国电镀界和环境保护界的普遍重视；在电镀生产中研发各种低毒、无毒的电镀工艺，如无氰电镀，代六价铬电镀，代镉电镀，无氟、无铅电镀，从源头上消减了污染严重的电镀工艺；达克罗与交美特技术（Geomet）作为表面防腐的新技术在代替电镀Zn、热镀Zn等方面得到了应用，在实现对钢铁基体保护作用的同时，减少了电镀过程中产生的酸、碱、Zn、Cr等重金属废水及各种废气的排放。 电镀生产线从手工操作,逐步向机械化和自动化方向发展。我国在这方面的发展速度是比较快的。在60年代,我国大多数的电镀生产,仍以手工操作为主。而现在不少企业甚至乡镇企业,已经有了比较好的电镀自动线。在借鉴国外先进技术的基础上,现已开发了各种类型的微电脑控制电镀自动线,上海近500家电镀厂、点,已有370多条电镀自动线,并有25条从国外引进的自动线,可见我国的电镀生产,正在向自动化方向发展,其中比较好的自动线的行车起步、制动、运行平稳、电机采用无级变速或配备变频调速后,定位准确,用聚氨酯作行车运行轮,运行时惯性小,噪声低,制动性好。行车的运行,溶液的温度、pH及添加剂的自动补充,已有用微电脑自动控制。但我国的电镀生产设备与国外先进国家相比,还有比较大的差距。相对而言,手工操作还比较多,有些厂的机械设备还比较陈旧,自动化程度不高,美国、日本等国的电镀自动线比我国先进。如日本大阪友电舍株式会社的电镀车间,各种镀液中的主要成分都是由电脑自动检测和自动控制及补充,操作的各种参数如温度、pH、电流等都由电脑自动测定和自动控制的。1.3 课题研究目的意义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。1.4 课题研究内容及工艺要求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。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。（1）、内容：电镀生产线上有三个槽，工件由装有可升降吊钩的行车带动，经过电镀、镀液回收、清洗等工序，完成电镀全过程。在电镀生产线一侧，工人将代加工的零件装入吊篮，并发出信号，专用行车便提升并自动逐段进行。按工艺要求在需要停留的槽位停下，并自动下降，停留一定时间（各槽停留时间按事先工艺要求调定）后自动提升，如此完成电镀工艺规定的每一道工序，直至生产线的末端自动返回原位，卸下处理好的零件，重新装料发出信号进入下一加工循环。（2）、工艺要求： 工件放入镀槽中，电镀280s后提起，停放28s，让镀液从工件上流回镀槽中，然后放人回收液中浸30s，提起后停15s，接着放入清水槽中清洗30s。最后提起停15s后，行车返回原位，一个工件的电镀过程结束。如果在中途断电，工件将报废无需在进行下面的工序，所以可以通过点动操作返回，取下报废品。33 河南城建学院本科毕业设计（论文） 可编程控制器概述 2 可编程控制器概述2.1 控制组件 PLC作为工业控制的专用电子计算机，其硬件结构与微机相似，主要包括CPU，RAM，ROM和I/O接口电路等，其内部是采用总线结构，进行数据和指令的传输，外部的各个输入信号经PLC的输入电路输入，经过PLC根据控制程序进行运算处理后，送到输出电路输出，以实现各种控制功能。由此可见，PLC作为一个自动控制的装置，其核心就是取代了继电器-接触器系统中的逻辑控制电路中的“控制组件”部分。PLC的控制组件由CPU和存储器组成，以下就是对这两个部分的介绍：（1）将输入信号传送到存储器中存储起来（2）按存放的先后顺序驱除用户指令进行编译（3）完成用户指令规定的各种操作（4）将操作结果送出输出端（5）响应各种外围设备的请求 目前PLC的CPU多为单片机，采用16位或32位CPU处理，小型的PLC的CPU系统来简化系统软件的设计和进一步提高其工作速度，CPU的结构形式决定了该PLC的基本性能，那么在我们的电镀生产线控制系统中所使用的CPU是单CPU系统。PLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器：（1）系统存储器 由ROM和EPROM组成，用以固化系统管理和监控程序，对用户程序作编辑处理。系统程序已由厂家固定，用户不能更改。（2）用户程序存储器 通常采用低功耗的COMS-RAM，由备用的电池在断开电源后仍然能够保存。用户程序存储器又可以分为两部分：一是用以存放用户编制的控制程序，用户可输入或者修改程序，PLC的产品说明书给出的“内容容量”或者“程序容量”就指这一部分的存储容量；第二部分是数据存储器，按输入，输出和内部寄存器，定时器，计数器，数据寄存器等单元的定义序号存储数据或状态，不同厂家出品的PLC有不同的定义序号。2.2 输入输出接口电路 PLC通过I/O接口电路，实现与外围设备的连接，外围设备输入PLC的各种控制信号，如各种主令器，检测元件输出的开关量，或模拟量，通过输入接口电路转换成PLC的控制组件能够接受和处理数字信号，而控制组件输出的控制信号又通过输出接口电路转换成现场设备所需要的控制信号，一般可直接驱动执行元件（继电器，接触器，电磁波微电机，指示灯等等）。由此可见，I/O接口电路在PLC控制系统中起着十分重要的作用。PLC的接口电路具有以下特点：（1）输入/输出接口电路均采用光电耦合电路，这可以有效的防止现场的电磁干扰，保证PLC能在恶劣的环境下可靠的工作。（2）输出接口电路有继电器，晶体管，晶闸管输出三种类型，以适合不同类型负载的控制要求，其中继电器输出方式，一般适用于低速，大功率（交，直）流负载；晶体管和晶闸管输出型均为无触点输出，晶体管输出一般适用于高效，小功率直流负载，晶闸管输出一般适用于高速，大功率交流负载，在本次电镀生产线的控制系统设计当中，我们的输出接口电路是选用的继电器输出方式。 除此之外，PLC还备有与各种外围设备配接的接口，均用插座引出到外壳上，可通过电缆的方式方便的配接如手编器，PC机，打印机，EPROM写入器，录音机及各种智能单元，链接单元等。2.3 PLC构成的存储程序控制系统组成输入设备（开关、传感器）输出设备（接触器、电磁阀）PLC内部控制电路控制对象（电动机等）图2.1 PLC构成的存储程序控制系统由上图看出，PLC构成的存储程序控制系统由如下三部分组成：输入设备：连接到可编程控制器的输入端，它们直接接收来自操作台命令或来自被控制对象的各种状态信息，产生输入控制信号送入可编程控制器。常用的输入设备包括控制开关和传感器。控制开关可以是按钮开关、限位开关、行程开关。光电开关、继电器和接触器的接点等。传感器包括各种数字式模拟式传感器，如光栅位移式传感器、磁尺、热电阻。热电偶等。输出设备：与可编程控制器的输出端相连。它们用来将可编程控制器的输出控制信号转换为驱动被控制对象的工作信号。常用的输出设备包括电磁开关、电磁阀、电磁继电器、电磁离合器、状态指示部件等。 输入部分采集输入信号，输出部分就是系统的执行部分，这两部分与继电器控制系统相同。PLC内部控制电路是由编程实现的逻辑电路，用软件编程代替继电器等功能。对于使用者来说，在编制应用程序时，可以不考虑微处理器和存储器复杂构成及使用的计算机语言，而把PLC看成内部由许多“软继电器”组成的控制器，用近似继电器控制电路图的编程语言进行编程。这样从功能上讲就可以把PLC的控制部分看做是由许多“软继电器”组成的等效电路。2.4 PLC的扫描技术2.4.1 PLC扫描工作方式PLC靠执行用户程序来实现控制要求。为了便于程序执行，在存储器中设置输入映象寄存器区和输出映像寄存器区（或统称I/O映像区），分别存放执行程序之前的个输入状态和执行过程这个结果的状态。PLC对用户程序的执行是以喜欢扫描方式进行的。所谓扫描，只不过是一种现象的说法，用户描述CPU对程序顺序、分时操作的过程。扫描从第0号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序执行程序，直到程序结束，即完成一个扫描周期，然后再从头开始执行用户程序，并周而复始的重复。由于CPU的运算处理速度很高，使得从外观上看，用户程序几乎是同时执行的。 PLC的扫描工作方式同传统的继电器控制系统明显不同。继电器控制装置采用硬逻辑并行的方式；在执行过程中，如果一个继电器的线圈通电，哪么该机电器的所有常开和常闭触点，无论处在控制线路的什么位置，都会立即动作：其常开触点闭合，常闭触点打开。而PLC采用循环扫描控制程序的工作方式；在PLC的工作过程中，如果某个软继电器的线圈接通，该线圈的所有常开和常闭接点，并不一定都会立即动作，只有CPU扫描到该节点时才会动作：其常开接点闭合，常闭接点打开。2.4.2 PLC扫描工作过程 PLC开始运作时，首先清除I/O映像的内容，然后进行自诊断，自检CPU及I/O组件，确定正常后开始循环扫描。每个扫描过程分为三个阶段进行，即输入采样、重新执行、输出刷新。PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期），如图2.2所示：输入采样程序执行输出刷新 图2.2 PLC工作周期的三个阶段1.输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（“0”或“1”，表现在接线端上是否承受外加电压）读入输入映像寄存器区。这个过程成为对输入信号的采样，或称输入刷新，接着转入程序执行阶段。在输入采样阶段结束后，即时输入信号状态发生改变，输入映像寄存器区中的状态也不会发生改变。2.程序执行阶段在程序执行阶段，在PLC对程序按顺序进行扫描，又称程序处理阶段。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序对由节点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算结果，刷新输出映像寄存器区或系统RAM区对应位的状态。在程序执行阶段，只有输入映像寄存器区存放的输入采样值不会发生改变，其他各种元素在输出映像寄存器区或系统RAM存储器内的状态和数据都有可能随着程序的执行随时发生改变。值得注意的是，在程序的执行过程中，排在上面的逻辑行被刷新后的逻辑线圈状态或数据，会对排在下面的凡是用到这些逻辑线圈的接点或数据的逻辑行起作用，而排在下面的逻辑行，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据，只有等到下一个扫描周期才可以会对排在上面的逻辑行起作用。起原因就是因为扫描是从上到下顺序进行的，前面执行的结果可能改变前面的扫描结果，只有到了下一个扫描周期再次扫描前面程序的时候才有可能起作用。如果程序中两个操作相互用不到对方的操作结果，哪么这两个操作的程序在整个用户程序中的相对位置是无关紧要的。3.输出刷新阶段当程序执行后，进入输出刷新阶段。此时，将输出映像寄存器区中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再通过输出端驱动用户输出设备（负载），这就是PLC的实际输出。2.4.3 扫描周期计算从严格意义上讲，在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。即一个扫描周期还应包含自诊断及外设通信等时间。一般来说，同型号的PLC，其自诊断所需的时间相同，如三菱FX2系列机自诊断时间为0.96MS。通信时间的长度与链接等外设多少有关系，如果没有连接外设，则通信时间为0.输入采样与输出刷新时间取决于其I/O点数，而扫描用户程序所程序所用的时间则与扫描速度及用户程序长短有关。对于基本逻辑指令组成用户程序，二者的乘积即为扫描时间。如果程序中包含用户特殊指令，则还必须根据用户手册查表计算执行这些特殊功能指令的时间。2.5 PLC编程语言简介在电镀生产线的控制系统设计当中，所用的编程语言是梯形图编程语言，为了能更好的了解到PLC的编程语言在PLC的设计当中的应用，集中在PLC的设计当中常用的几中编程语言。在PLC中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的打印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。2.5.1 扫描周期计算程序设计语言梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：(1)与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；(2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于 撑握和学习；(3)与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（PowerFLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；2.5.2 PLC控制系统与电气控制系统的区别 PLC控制系统与电气控制系统相比，有许多相似之处，也有许多不同，不同之处主要有以下几个方面：(1) 从控制方法上看，电气控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组合成控制逻辑，其连接多且复杂、体积大、功耗大、系统构成后，想再改变或增加功能较为困难。另外，继电器的触点数量有限。所以电气控制系统的灵活性和扩展性受到很大的限制。而PLC采用了计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、功能小，而且PLC所谓“软继电器”实质上是存储器单元的状态，所以“软继电器”的触点数量是无限的，PLC控制系统的灵活性和可扩展性好。(2) 从工作方式上看，在继电器控制电路中，当电源接通时，电路中所有继电器处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件限制而不能吸合，这种工作方式称为并行工作方式。而PLC的用户程序是按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序扫描顺序，这种工作方式称为串行工作方式。 (3)从控制速度上看，继电器控制系统依靠机械触点的动作以实现控制，工作效率低，机械触点还会出现抖动问题。而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序指令执行时间在微妙级，且不会出现触点抖动问题。 (4)从定时和计数控制上看，电气控制系统采用时间继电器的延时动作进行时间控制，时间继电器的延时时间易受环境温度和温度变化的影响，定时精度不高。而PLC采用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，定时范围宽，用户可以根据需要在程序中设定定时值，修改方便，不受环境的影响，且PLC具有计数功能，而电气控制系统一般不具备计数功能。 (5)从可靠性和可维护性上看，由于电气控制系统使用了大量的机械触点，其存在机械磨损、电弧烧伤等，寿命短，系统的联系多，所以可靠性和可维护性较差。而PLC大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其寿命长、可靠性高,PLC还具有自诊断功能，能查出自身故障，随时显示给操作人员，并能动态地监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供方便。2.6 PLC在工业产品中的应用在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”21世纪，PLC会有更大的发展。技术上，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；产品规模上，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。本文介绍以FX2N系列PLC为核心的电镀生产线控制，详细阐述了其工作原理、基本功能框图、关键设计技术及软件工作流程，极高的性价比。可编程控制器作为控制器的自动控制系统，实质上就是一种用于工业控制的专用计算机，它既可进行开关量的控制，又可实现模拟量的控制。PLC 采用了典型的计算机结构，主要由中央处理器、存储器、输入输出接口电路、电源等组成。CPU是整个PLC的核心，起神经中枢的作用。它按照PLC的系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中。存储器是具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。 PLC 虽具有微机的许多特点，但它的工作方式与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，而PLC则采用循环扫描工作方式。在PLC中用户程序按先后顺序存放。在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态对每个程序，处理器从第一条指令开始执行，直至遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环，每一个循环成为一个扫描周期。扫描周期的长短去决定于以下几个因素：一是处理器执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期大致可分为输入/输出刷新和执行指令两个阶段。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 电镀生产线总体设计方案 3 电镀生产线的总体设计方案3.1 电镀行车设计思路 总体设计方案分为硬件设计与软件设计两大部分，是以可编程控制器来进行控制和数据的处理与传输，同时配以相应硬件电路来控制升降电动机、前后电动机动作，来实现电镀行车的全自动运行。电镀行车采用远距离控制，起吊物品是有待进行电镀的各种产品零件。根据电镀加工工艺的要求，电镀行车的结构与动作流程如图3.1动作模拟图所示，图中电镀槽、回收液槽、清洗槽槽中装有各种电镀液。实际生产中电镀槽的数量由电镀工艺要求决定，本设计中以3个电镀槽进行介绍，在该系统中，每个槽位的定位由行程开关确定。电镀行车运行软件部分主要为整个流程的控制程序，运用PLC程序语言编写，程序存储在PLC的内存中。PLC为此系统的控制核心,此系统的输入信号是多种行程开关，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。 图3.1 电镀行车结构及流程图3.2 电镀行车的工作过程电镀专用行车采用远距离控制，起吊重量500kg以下(电镀行车吊钩最大负重为Mmax =500kg，其吊绳的摩擦系数可忽略不计，吊钩上升与下降的速度要求为v =15m/min)，起重物品是有待进行电镀或表面处理的各种产品零件。行车的左行和右行，前进与后退以及上升与下降的运动分别由电动机M1,M2,拖动通过电动机的正反转实现两个方向的运动，按工艺要求在需要停留的槽位停止，这由位置控制指令信号既固定于轨道一侧的限位开关发出来控制吊篮与槽位的对位。电镀行车的工作过程如上图3.1动作模拟所示。具体流程如下：1.在电镀生产线一侧，工人将待加工的零件装入吊篮，发出控制信号后，行车自动上升，并逐段前进，根据工艺要求在相应槽位停止。2.行车停留在某个槽位上面后，自动下降，停留一规定的时间（各槽位停留的时间根据工艺要求预先设定），再自动上升并在槽位上方停留一段时间保证电镀溶液完全流回电镀槽。3.如此完成电镀工艺规定的各道工艺，直至生产线的末端。然后，自动返回原位，由工人卸下处理好的零件。具体流程如下图： 图3.2 电镀行车工作框图3.3 具体工艺要求 电镀生产有三个槽（实际应用还会多些），工件由装有可升降吊钩的行车带动，经过电镀、镀液回收、清洗等工序，完成工件的电镀全过程。工艺要求为：工件放入电镀槽中，电镀280s后提起，停放28s，让镀液从工件上流回镀槽，然后放入回收液槽中浸30s，提起后停15s，接着放入清水槽中清洗30s，最后提起停15s后，行车返回原位，一个工件的电镀过程结束。 3.4 设计附加说明（1）行车的左右、前后及上下运动分别由电动机M1、M2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。（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）M1、M2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。（6）采用带指示灯控制按钮，以显示设备运动状态。（7）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。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件设计 4 系统硬件设计4.1 plc选型4.1.1 确定I/O通常IO点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10-15的裕量来确定。本设计中PLC控制系统输入信号来自于限位开关和按钮开关，输入信号14个，输出信号用于控制电动机M1，M2正反转，输出信号数量为5个。4.1.2 PLC容量选择 存储容量的选择 ： 用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。 PLC的IO点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在IO点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加2030的裕量。 存储容量（字节）开关量IO点数10 模拟量IO通道数100 另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。 4.1.3 确定PLC型号由于PLC组成的控制系统输入信号14个，均为开关量,X000-X005为按钮开关量，X006和X007为选择开关量，X011-XO16为限位开关量。该系统中有输出信号5个，其中2个用于吊钩升降电动机正反馈至接触器KM1和KM2，2个用于行车前进后退电动机正反转控制接触器KM3和KM4，1个用于原位指示。 综合4.1.1和4.1.2我选用三菱FX2N-32MR，输入输出点数均为16，满足控制要求。4.1.4 FX2N-32MR简介FX2N系列是三菱PLCFX家族中最先进的系列，是功能最强、速度最快的微型可编程控制器。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。FX2N-32MR型plc为继电器输出，输入输出点数均为16，输入信号电压为DC 24V,输入信号电流为5MA,外部供电电压为AC 220V。图4.1 FX2N-32MR外形图4.2 电镀行车控制系统的主电路设计本设计首先要确定系统的主电路设计，电路里要使用两个电动机，以确保行车的前进后退。设计如图4.2电镀主电路图。图4.2 电镀主电路图本文采用三相异步电动机控制作为行车和吊钩的动力单元。三相异步电动机具有结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的静态和动态特性。上图为电动机的主电路图，其中M1为控制行车的电动机，M2为控制吊钩的电动机。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。 三相异步电机定义：三相异步电机(Triple-phase asynchronous motor)是靠同时接入380V三相交流电源(相位差120度)供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。工作原理： 用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。三相异步电机是感应电机，定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场。通电启动后，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，即旋转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互作用产生电磁转矩，使转子转起来，实现能量变换。优点：与单相异步电动机相比，三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜。缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差4.3 行程开关简介 本设计中吊钩的上下运动，行车的前进后退，都是需要借助行程开关来控制的。作为本设计中重要的控制元件，着重在这里介绍一下行程开关的原理和分类，以及本设计所采用行程开关的型号参数。图4.3 行程开关符号4.3.1 行程开关原理及简介行程开关,又称限位开关，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。 在电气控制系统中，行程开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳组成。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。它可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作 。4.3.2 行程开关分类 1、 行程开关按其结构可分为：直动式、滚轮式、微动式和组合式。（1）直动式行程开关动作原理同按钮类似，所不同的是：一个是手动，另一个则由运动部件的撞块碰撞。当外界运动部件上的撞块碰压按钮使其触头动作，当运动部件离开后，在弹簧作用下，其触头自动复位。其结构原理如图4.4所示，其动作原理与按钮开关相同，但其触点的分合速度取决于生产机械的运行速度，不宜用于速度低于0.4m/min的场所。图4.4直动式行程开关结构图直动式行程开关组成 ：1：推杆2&4：弹簧3：动断触点5：动合触点（2）滚轮式行程开关当运动机械的挡铁(撞块)压到行程开关的滚轮上时，传动杠连同转轴一同转动，使凸轮推动撞块，当撞块碰压到一定位置时，推动微动开关快速动作。当滚轮上的挡铁移开后，复位弹簧就使行程开关复位。这种是单轮自动恢复式行程开关。而双轮旋转式行程开关不能自动复原，它是依靠运动机械反向移动时，挡铁碰撞另一滚轮将其复原。其结构原理如图4.5所示，当被控机械上的撞块撞击带有滚轮的撞杆时，撞杆转向右边，带动凸轮转动，顶下推杆，使微动开关中的触点迅速