1、1 引言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。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
2、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 1。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的主流方向。为此，我选定了该题目，简单的实现了电镀生产线的自动工作流程，并进行了简单的软件设计，从画面上达到了该系统的监控目的。1.1 PLC的发展趋势二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，
3、PLC 得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC 不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品，PLC 在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC 市场容量基数的不断扩大，近年来 PLC 在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家 PLC 的增长十分迅速。
4、综合相关资料，2004 年全球 PLC 的销售收入为 100 亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC 的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加 1，程序从起始步（
5、步序号为零）起依次执行到最终步（通常为 END 指令） ，然后再返回起始步循环运算。PLC 每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC，循环扫描周期在 1 微秒到几十微秒之间。PLC 用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16 位（也有 32 位的）为一个模拟量。大型 PLC 使用另外一个 CPU 来完成模拟量的运算。把计算结果送给 PLC 的控制器。相同 I/O 点数的系统，用 PLC 比用 DCS，其成本要低一些（大约能省 40%左右） 。PLC 没有专用操作站，它用的软件和硬
6、件都是通用的，所以维护成本比 DCS要低很多。一个 PLC 的控制器，可以接收几千个 I/O 点（最多可达 8000 多个I/O） 。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用 PLC 较为合适。PLC 由于采用通用软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近 10 年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用 PLC 进行控制，PLC 在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内 PLC 在我国仍将保持高速增长势头 2。1.2 PLC的分类PLC 产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对 PLC 的分
7、类可以根据结构、功能的差异等进行大致分类。1.2.1 按 I/O点数分类PLC 按其 I/O 点数多少一般可分为以下 4 类。1.微型 PLC：I/O 点数小于 64 点的 PLC 为超小型或微型 PLC。2.小型 PLC：I/O 点数为 256 点以下，用户程序存储容量小于 8KB 的为小型PLC。3.中型 PLC：I/O 点数在 5122048 点之间的为中型 PLC。4.大型 PLC：I/O 点数为 2048 点以上的为大型 PLC。它具有极强的软件和硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化 3。1.2.2 按功能分类 根据 PLC 所具有的功能不
8、同可将 PLC 分为低档、中档、高档 3 类。1.高档 PLC：除具有中档 PLC 的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、函数、表格、CRT 可编程控制器原理与应用显示、打印和更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化。2.中档 PLC：除具有低档 PLC 的功能外，还具有较强的模拟量 I/O、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID(比例、积分、微分控制)控制等功能，以适用于复杂控制系统。3.低档 PLC：具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量的模拟量 I/
9、O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能1.3 PLC系统组成及功能1.CPU 运算和控制中心它在整个系统中起“心脏”作用。 2.存储器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。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM 组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。3.输入/输出接口(1) 输入接口：输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导
10、通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成 PLC 内部所能接受的数字信号。(2) 输出接口：输出接口工作过程：当内部电路输出数字信号 1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号 0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作 4。 1.4 PLC的基本工作原理 PLC 采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式1.每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。2.输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序
11、在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3.一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4.元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5.扫描周期的长短由三条决定。 （1）CPU 执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数6.由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟 5。1.5研究的背景与意义1.5.1 生产线的控制系统的概述电镀行车生产线自动化的程度在德国、意大利、美国等国家的发展水平已经较高，而在我国尚处在发展阶段。中国经济的高速发展，工业化进程的不断深化，为自动化行业的迅猛发
12、展提供了广阔的空间。电镀行业是我国重要的加工行业，据粗略估计，全国现有 15000 家电镀生产厂，行业职工总数超过 50 万人，现有5000 多条生产线和 2.53 亿平方米电镀面积生产能力。电镀行业年产值约为100 亿元人民币。近十年来，乡镇企业发展迅速电镀行业企业规模普遍较小，年电镀能力超过 10000 平方米的企业不足 500 家。少数合资企业或正规专业化企业拥有国际先进水平的设备和设施，但是大多数中小企业仍在使用许多过时的技术和设备，大量的生产线为半机械化和半自动化控制，一些甚至为手工操作。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
13、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。传统的方法是使用顺序控制器，由于其电路复杂，接口多，受外界干扰大，工作可靠性差，维护也困难。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。1.5.2 课题的选题背景及意义电镀就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。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。
14、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。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
15、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
16、成本、高质量自动化生产的发展方向 6。1.6 生产工艺要求如摘要中所述，电镀的工作流程：启动吊钩上升上限行程开关闭合右行至 1 号槽上方XK1 行程开关闭合吊钩下降进入 1 号槽下限行程开关闭合电镀延时吊钩上升，由 3 号槽内吊钩上升，然后左行至左限位，吊钩下降至原位，即原位。按照要求，我们要实现以下工作方式：1.原位：表示设备处于初始状态，吊钩在下限位置，行车在左限位置。2.连续工作：当吊钩回到原点后，延时一段时间（装卸零件） ，自动上升右行，按照工作流程要求不停的循环。3.单周期工作：设备始于原点，按下启动按钮，设备工作一个周期，然后停于原点，要重复第二个工作周期，必须再按一下启动按钮。1
17、.7小结本部分首先介绍了 PLC 的相关特性，并通过对电镀行业发展现状的研究以及对生产工艺流程的分析，确定了课题的研究内容、目的和意义。第 2章 系统的硬件设计2.1生产线的工作流程我们根据设计要求绘制了整个系统的工作流程图，以便可以更清楚的认识该生产线的生产全过程，整个系统的工作流程图，如图 2-1 所示。行车动作无非就是上下左右受控移动，按照指定的顺序(即动作表)完成一系列的动作。要求有几套动作表可以选择，动作可以静态修改，也可以在运行时由上位机动态修改。在这里，我们把行车的一个动作定义为：“到几号工位上升，再到几号工位下降”，或者是“延时几秒”，每个动作表由若干个动作字组成，放在 PLC
18、 的数据寄存器里，动作表由 PLC 程序初始化，也可以在运行时通过串行通讯由上位机读取和修改，PLC 程序在运行时只是不断地解释和执行动作表。开始初始化连续单周期运行否槽 1槽 2槽 3YNYNYN返回图 2-1 电镀生产线工作流程图2.2 PLC的选择根据自动化电镀生产线的控制要求，我们采用了德国西门子 PLC S7-200 CPU226 型号，此类型 PLC 无论独立运行，还是联接网络都能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、塑料机械、电梯等行业。S7-200 CPU226 通讯功能完善，具有极高的性能价格比是很突出
19、的特点，也是我们采用它的主要原因。 PLC为此系统的控制核心，此系统的输入信号有两部分，一部分是原点、单周期、连续等面板控制按钮，另一部分是多种行程开关，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 7。2.3 I/O地址分配在本次系统设计中，我们定义的 I/O 分配表如表 2-1 所示。将 13 个输入信号和 5 个输入信号按各自的功能类型分好，并与 PLC 的 I/O 点一一对应，编排地址如下表。数字量扩展模块的地址分配
20、是从最靠近 CPU 模块的数字量模块开始，在本机数字量地址的基础上从左到右按字节连续递增，模拟量扩展模块的地址是从最靠近 CPU 模块的模拟量模块开始，在本机模拟量地址的基础上从左到右按字递增。表 2-1 I/O 分配表表 2-1 I/O 分配表（续）2.4 主电路的设计电气原理图是根据电气控制系统的工作原理，采用电器元件展开的形式，利用图形符号和项目符号表示电路各电器元件中导电部件和接线端子连接关系的电路图。电气原理图并不按电器元件实际布置来绘制，而是根据它在电路中所起的作用画在不同的部位上。电气原理图具有结构简单、层次分明的特点，适合研究和分析电路工作原理，在设计研发和生产现场等方面得到广
21、泛应用 8。序号 输 入 序号 输 出1 I0.0 上限位 14 Q0.0 上升2 I0.1 下限位 15 Q0.1 下降3 I0.2 左限位 16 Q0.2 右行4 I0.3 XK1 行程开关 17 Q0.3 左行5 I0.4 XK2 行程开关 18 Q0.4 原位6 I0.5 XK3 行程开关 19 Q0.5 定时7 I0.6 原点开关8 I0.7 连续工作开关9 I1.0 启动按钮10 I1.1 停止按钮12 I1.3 单周期按钮13 I1.4 右限位L 1L 2L 3M 133M 2F U 1 F U 2K M 1K M 2 K M 3K M 4F R 1F R 2Q S图 2-2 电
22、镀生产线主电路图电气原理图一般分为主电路和辅助电路两部分，在本次设计中我们着重分析了主电路图。在本设计中，根据电镀生产线的工艺要求，只需用两台电机分别控制吊钩的上升、下降和行车的左行、右行。主电路如图 2-2，接触器 KM1，KM2 控制电动机 M1 的正、反转，实现吊钩的上升和下降，接触器 KM3，KM4 控制电动机M2 的正、反转，实现行车的前进和后退。2.5 控制电路设计 我们定义的 I/O 端子接线图如图 2-3 所示。由图表可以看出,PLC 控制系统的输入信号有 13 个，均为开关量。其中单操作按钮开关 2 个，行程开关 3 个，限位开关 5 个，选择工作方式开关 2 个。PLC 控制系统的输出信号有 5 个，其中 2个用于驱动吊钩电机正反转接触器 KM1、KM2,2 个用于驱动行车电机正反转接触器 KM3、KM4，1 个用于原位指示。
