电镀生产线PLC控制

第一章 引 言 1、设计目的和任务及内容 1.1、设计目的综合运用本课程及前期课程的相关知识和技能，相对独立地设计和调试一个小型PLC应用系统，使学生获得控制技术工程的基本训练，提高工程意识和实践技能。同时提高学生对文献资料的检索和信息处理的能力，以及编写和整理设计文档的能力。1.2、设计任务熟悉工艺流程及生产设备的工作原理；根据控制要求，画出硬件电路图、PLC接线图及控制梯形图；利用编程软件编制程序，可先在计算机上进行仿真，然后在实验室完成调试；完成课程设计说明书。1.3、设计内容 电镀生产线采用专用行车，行车架上装有可升降的吊钩。行车和吊钩各由一个电动机拖动。行车的进退和吊钩的升降均由相应的限位开关定位。假定该生产线有三个槽位。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，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，电镀一个工件的全过程结束。系统有自动和手动两种操作模式。第二章 系统硬件设计2.1、系统硬件配置及组成原理 2.1.1、电气控制线路的设计本自动线中的电动机控制线路，采用交流380/220V电源供电，电源开关采用刀开关与自动开关串连的组合形式，其中刀开关起隔离电源、安全检修的作用，自动开关起短路保护作用。电动机控制线路中各电机主电路接于380V电源，控制电路接于220V电源。各电机主电路采用接触器控制，并采用热继电器作过载保护，其中行车电机和吊钩电机采用电磁抱闸制动。因实际需要，吊钩电机采用转子串电阻起动。因此，电镀行车电动机的主电路、局部照明电路、向PLC负载供电的直流稳压电源。2.1.2、电动机的设计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，具有较好的为太和动态特性的有点。2.1.3、PLC的选型PLC的选型在PLC的应用设计当中非常的重要，目前在国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几点：首先规模要适当。输入、输出点数以及软件对PLC的功能及指令要求是选择PLC机型规模大小的重要依据。首先要有足够的输入、输出点数，并留有一定的裕量（百分之十的备用量）。如果只是为了实现单机自动化，或者机电一体化产品，可选用小型的PLC。如果控制系统较大，输入、输出点数较多，被控设备较分散的，可选用中型或大型的PLC。其次功能要相当，结构要合理。对于以开关量进行控制的系统，一般的低档机就能满足要求；对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，应选用带A/D、D/A转换，加减运算，数据传送的低档机；对于控制比较复杂，控制性能较高的系统，应选用中档或高档机。根据以上对PLC的选型要进行的严格分析，再对照我们所设计的电镀生产线的控制系统的具体分析，我们所选用的控制系统是三菱公司的FX2N-32MR-001，CPU、电源、输入输出一体化机型，可以连接模拟量、定位、通讯、网络等各种特殊扩展设备。内置8K容量的RAM存储器，通过安装存储器卡盒，最大可扩展到16K容量。CPU处理速度0.08us/基本指令，I/O点数各为16点，便可以满足其控制要求，且有一定的裕量。2.1.4、PLC的控制功能PLC是一种一位处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。因此它的组成以一般的微型计算机基本相同，也是有硬件系统和软件系统两大部分组成。PLC的硬件系统由基本单元、I/O扩展单元及外部设备组成，如下图为PLC的硬件系统的机构框架图1PLCEPROM写入器 打印机盒式磁带机编程器驱 动 受 控 元 件接 受 现 场 信 号I/O扩 展 单 元基本单元I/O扩 展 接 口输 入 部 件外 部 I/O 接 口存储器RAM（用户程序）EPROM(系统程序)控制器运算器电源 微处理器(CPU)输 出 部 件 图1 PLC的硬件系统结构框图1、微处理器（CPU） 与通用计算机一样，CPU是PLC的核心部件，在PLC控制系统中的控制系统中的作用类似于人体的神经中枢，整个PLC工作过程都是在CPU的统一指挥下进行的。它的主要功能有以下几点：（1）接受从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储；（2）用扫描方式接受输入设备的状态信号，并存入相应的数据区（输入映像寄存器）；（3）监测和诊断电源，PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误；（4）执行用户程序，完成各种数据的运算、传递和存储等功能；（5）根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。2、存储器 PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统程序，用户存储器用来存放用户编织出来控制程序。 系统程序用来管理PLC系统，不能由用户直接存取，所以，PLC产品样本或说明书中所列的存储器类型及其容量，系指用户程序存储器而言。如FX2-24M的存储器容量为4K步，即指用用户程序存储器的容量。 PLC所配的用户存储器的容量 大小差别很大，通常中小型PLC的用户存储容量在8K步以下，大型PLC的存储了容量可达到或超过256K步。3、输入输出(I/O)部件如上图1所示中的输入部件和输出部件也成为输入/输出单元或输入/输出模块。实际生产过程中产生的输入信号多种多样信号电平各不相同，而PLC所能处理的信号只能是标准电平，因此必须通过输入模块将这些信号转换成CPU能够接受和处理的标准电平信号。同样外部执行元件如电磁阀、接触器、继电器等所需要的控制信号电平也千差万别，亦必须通过输出模块将CPU输出的标准电平信号转换成这些执行元件所能接收的控制的信号。所以，输入/输出模块实际上是CPU与现场输入输出设备之间的连接部件，起着PLC与被控制对象间传递输入输出信号的作用。PLC输入/输出模块的电路框图2.1、图2.2所示。外 部 输 入 信 号隔离器滤波器输入 状 态 寄 存 器滤波器信 号 接 收 回 路滤波器隔离器隔离器图2.1 输入接口隔离器保存器信 号 发 送 回 路输 出 状 态 寄 存 器功率放大器外 部 设 备隔离器保存器功率放大器隔离器保存器功率放大器图2.2 输出接口 为提高抗干扰能力，一般的输入/输出模块都有光电隔离装置。在数字量I/O模块中广泛采用由发光二接管和光电三接管组成的光电耦合器，在模拟量I/O模块中通常采用隔离放大器。来自工业生产现场的输入信号经输入模块进入PLC。这些信号有的是数字量，有的是模拟量；有的是直流信号，有的是交流信号。使用时要根据输入信号的类型选择何时得输入模块。由PLC产生的输出控制信号经过输出模块去驱动负载，如电镀上的升降电动机的起停和正反转、阀门的开闭、设比的移动、升降等。和输入模块相同，与输出模块相接的负载所需的控制信号有的是属质量，有的模拟量；有的交流，有的是直流。因此，同样需要根据负载性质选择合适的输出模块。PLC具有多种模块，常见的有属质量I/O模块和模拟量I/O模块，以及快速响应模块、高速计数模块、通信接口模块、温度控制模块、中断控制模块、PID控制模块和位置控制模块等多种。I/O模块的类型、品种与规格越多，PLC系统的灵活性越好；I/O模块的I/O容量越大，PLC系统的适应性越强。2.2、系统硬件电路图2.2.1、主电路图KM4FU1M13M23FU2UFU3KM1KM2KM3 专用行车的前后和升降运动由三相交流异步电动机拖动，根据电镀行车的起吊重量，选用两台电动机进行拖动。主电路拖动控制 系统如图所示，其中，行车的前进和后退，吊钩的上T升和下降控制分别通过两台电动机M1、M2的正、反转来控制。 图3 主电路图本图没有给三相异步电动机加热继电保护器，是因为三相异步电动机工作时间是以秒计算的，工作时间较短；根本不会造成三相异步电动机发热而损坏。所以本图可以不用热继电保护器2.2.2、I/O分配表输入信号输出信号名称功能编号名称功能编号SB1启动X000SQ4行车限位（后退）X014SB2停止X001SQ5吊钩限位（提升）X015SB3吊钩提升X002SQ6吊钩限位（下降）X016SB4 吊钩下降X003SB5行车前进X004输出信号SB6行车后退X005名称功能编号SA 选择开关（手动）X006HL原位指示灯Y000SA选择开关（自动）X007KM1吊钩提升电机正转接触器Y001SQ1行车限位（前进）X011KM2吊钩提升电机反转接触器Y002SQ2行车限位（后退）X012KM3行车电机正转接触器Y003SQ3行车限位（后退）X013KM4行车电机反转接触器Y004图4 I/O分配表2.2.3、I/O接线图24VX000X001X002X003X004X005X007Y002Y001Y003X006X011X012X014X015X016X013Y004COMCOMSB1SB2SB3SB4SB5SB6SASASQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6KM1KM2 KM3KM4220VFX2N - 32MR-001Y000HLFU图5 PLC控制系统I/O接线图第3章 系统软件设计3.1、系统功能分析3.1.1、工艺流程图及控制流程电镀生产线有三个槽（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。电镀生产线的工艺流程如图。图6 电镀工艺流程图控制流程电镀生产线除装卸工件外，要求整个生产过程能自动进行，这主要体现在行车的控制上，同时还要求行车和吊钩的正反向运行均能实现点动控制，以便对设备进行调整和检修。图是电镀生产线的自动工作状态流程图。自动控制过程如下：行车在原位，吊钩下降到最下方，限位开关SQ4、SQ6被压下，操作人员将要电镀的工件放在挂具上，即可开始电镀工作。（1）吊钩上升 按下启动按钮SB1，使辅助继电器M1接通，吊钩提升电机正转，吊钩上升，当碰撞到上限位开关SQ5时，吊钩上升停止。（2）行车前进 在吊钩上升停止的同时，辅助继电器M2接通，行车电机正转前进。（3）吊钩下降 行车前进碰撞到右限开关SQ1，行车停止前 进，同时辅助继电器M3接通，吊钩电机反转，吊钩下降。（4）定时电镀 吊钩下降碰撞到下限位开关SQ6动作时，同时辅助继电器M4接通，使定时器T0定时280S，开始电镀。（5）吊钩上升 定时器T0定时时间一到，辅助继电器M5接通，吊钩电机正转，吊钩上升。（6）定时滴液 吊钩上升碰撞到上限位开关SQ5时，吊钩停止上升，同时辅助继电器M6接通，定炻器TI定时28S开始，工件滴液。（7）行车后退 T1定时时间到，辅助继电器M7接通，行车电机反转，行车后退，转入下道镀液回收工序。（8）吊钩下降 行车后退，碰撞到第一个左限位开关SQ2，行车后退停止，吊钩电机反转，同时辅助继电器M8接通，吊钩下降。（9）浸收回液 吊钩下降碰撞到下限位开关SQ6时吊钩停止下降，同时辅助继电器M9接通，使定时器T2定时30S开始，工件浸收回液。（10）吊钩上升 定时器T2定时时间到，辅助 继电器M10接通，吊钩电机正转，吊钩上升。（11）工件滴液 吊钩上升碰撞到上限位开关SQ5时，吊钩停止上升，辅助继电器M11接通，定时器T3定时15S开始，工件滴液。（12）行车后退 定时器T3定时时间到，辅助继电器M12接通，行车后退，转入下道工序清水槽清洗。（13）吊钩下降 行车后退碰撞到第二个左限位开关SQ3，行车停止后退，辅助继电器M13接通，吊钩电机反转，吊钩下降。（14）清水槽清洗 吊钩下降碰撞到下限位开关SQ6，吊钩停止下降，辅助继电器M14接通，定时器T2开始定时30S，工件于清水槽中清洗开始。（15）吊钩上升 T2定时时间到，辅助继电器M15接通，吊钩电机正转，吊钩上升。（16）工件滴液 吊钩上升碰撞到上限位开关SQ5，吊钩停止上升，辅助继电器M16接通，定时器T3定时15S开始，工件滴液。（17）行车后退 定时器T3定时时间到，辅助继电器M17接通，行 车后退。（18）吊钩下降 当行车后退碰撞到左限位开关SQ4时，行车停止后退，辅助继电器M18接通，吊钩电机反转，吊钩下降。（19）复位 吊钩下降碰撞到下限位开关SQ6，吊钩停止下降，辅助器M19接通，行车复位，按下SB2，行车停止，工作人员此时可以取下工件，整个电镀过程结束。若再次按下SB1，则开始下一个工作循环工作过程。3.1.2、工作状态流程图 图7 工作状态流程图3.2、控制程序设计思路3.2.1、梯形图的介绍一个梯形图有左边的一条垂直向下的线及若干条与之相交并向右延伸的分支线组成。一个梯形图，左边的称为母线，相当于电气控制线路中的电源线。分支线称为回路，在回路上有常开或常闭触点的串联或并联。如果触点ON，从母线来的“能流”就可以通过该触点；若触点OFF，则“能留”不能通过。若“能留”通过一系列串联或并联的触点到达了继电器线圈，则其通电，否则，线圈不能通电。线圈通电习惯上也称为线圈得电，线圈不能通电习惯上也称线圈失电。从计算机程序设计的角度来看， 分支线回路也称为指令行，常开、常闭触点可认为是沿指令行设置的条件，这些条件的逻辑组合，可以决定右边指令的执行结果。 指令可以分支，可以会合，指令行上垂直的一对线称为条件（即触点） 无斜线穿过的条件称为常开条件（NO，常开触点），有斜线穿过的条件称为常闭条件（NC，常闭触点）每个条件上或下标注的数字表示指令的操作数位。梯形图右边是指令，该指令的状态由左侧的条件来决定。3.2.2、梯形图编程1软继电器PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。 2能流如下图所示触点1、2接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流”从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向右流动。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。 图8 能流图3母线梯形图两侧的垂直公共线称为母线(Bus bar)。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线可以不画出。 4梯形图的逻辑解算根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。 3.2.3、梯形图编程规则梯形图作为一种编程语言，绘制时有一定的规则。在编辑梯形图时，要注意以下几条：(1)梯形图的各种符号，要以左母线为起点，右母线为终点从左向右分行绘出。每一行的触点群构成该行梯形图的“执行条件”，与右母线连接的是输出线圈，功能指令，不能是触点。一行写完，自上而下依次再写下一行。注意触点不能接在线圈的右边。(2)触点应画在水平线上，不能画在垂直分支线上。(3)不包含触点的分支应放在垂直方向，不可水平方向设置，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。(4)如果有几个电路块并联时，应将触点最多的支路块放在最上面。若有几个支路块串联时，应将并联支路多的尽量靠近左母线。(5)遇到不可编程的梯形图时，可根据信号流对原梯形图重新编排，以便于正确进行编程。3.2.4、语句表程序的编程规则在许多场合需要将绘好的梯形图列写出指令语句表程序，根据梯形图上的符号及符号间的互相关系正确的选取指令及注意正确的表达顺序是很重要的(1)利用PLC基本指令对梯形图编程时，必须要按信号单方向从左到右、自上而下的流向原则进行编写。(2)在处理较复杂的触点结构时，如触点块的串联并联或堆栈指令，指令表的表达顺序为：先写参与因素的内容，再写参与因素 间的关系。3.2.5、电镀生产线梯形图设计顺序流程图顺序控制功能图又称为状态转移图或功能表图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计可编程控制器的顺序控制程序的有力工具。顺序控制功能图并不涉及所描述的控制功能的具体技术，它是一种通用的技术语言，可以供进一步设计和不同专业的人员之间进行交流之用。该课题所采用的是无分支的顺序控制方法。Y1吊钩升S0S21S22S23S24S25S26S27S28S29S30S31S32S33S34S35S36S37S38S39M8002手动控制X0启动SB1Y1吊钩升Y3行车进Y2吊钩降T0电镀时间Y1吊钩升T1滴液Y4行车退Y2吊钩降T2浸回收液X15X11X15T0 K2800X12X16T2 K300X16T1 K280X15T3 K150X13X16T2 K300X15T3 K150X14X16X16X14T3滴液Y4行车退Y2吊钩降T2洗清水Y1吊钩升T3滴液Y4行车退Y2吊钩降图9 顺序流程图STL梯形图程序（图6）步进梯形指令是FX系列的，功能最好表达形式，还有一个指令RET利用这两个指令很方便地编制顺序控制功能图和程序。3.3、电镀生产线PLC控制梯形图图10 电镀生产线PLC控制梯形图第4章 系统调试及结果分析4.1、系统调试 该梯形图的程序的每一步均进行了模拟仿真，发现各步都能正常工作，梯形图正确。 图11上图是在对程序的初始化脉冲M8002强制为ON的状态下观察对应的后续布是否动作，阴影部分使动作的元件，可以看出此步梯形图使正确的。 图12 上图是检查定时器在满足条件时时是否开始计时。图13 上图是检查定时器在定时时间到时是否使相应的后续步工作。4.2、结果分析通过三菱PLC编程软件对电镀生产线PLC控制进行了模拟，让我明白了电镀的工作流程，对电镀有了深刻的了解。近几年来，虽然我国的电镀工业有不错的发展，但是，与发达国家相比还是存在很大的差异，必须奋起直追，才能赶上世界先进水平，以满足工业生产的要求，我国的电镀工业正在不断发展，并且朝着节能、环保的方向发展。对电镀质量的要求也朝着高耐腐蚀性和高装饰性的方向发展。 本课题我们主要研究的是PLC在电镀行业的应用，我们可以去研究减少企业成本、提高企业生产效率及产品质量为目标，根据控制系统设计的原则，对镀锌工艺和控制要求进行了分析，并对其控制系统进行了设计，同时为了对电镀控制时间优化，提高产量，对行车运行的速度控制进行理论研究，建立传递函数，然后进行对比，优化，违为新的生产线设计提供了背景。我们还可以对行车运行的路径进行研究，因为固定周期流程和即时姓行车运行各自仍有很大的缺陷，若能建立，一兼顾固定行车运形规则的生产效率及即时的生产效率及即时控制的弹性的行车运行方式，将有助于增进电镀产品的生产效率与新产品的开发。还有我们在良好的速度控制时，如何能减低行车之间出现碰撞的现象和堆飞巴的现象。第5章 结束语通过学习、实践，逐步进入一般工程应用的组织、规划、设计、调试和运行等领域。利用PLC实现对电镀生产线的系统控制，使系统具有很强的适应能力，可方便完成自动，手动控制和相互之间的切换；整个程序采用结构化的设计方法，提高了电镀生产线的自动化程度和生产效率，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。简要的陈述，完成了本设计的组态画面设计，实现了对传送现场状态的实时监控。本设计通过软硬件之间的配合与调试，达到工业设计的要求，实现传送生产线的自动化控制。主要介绍了PLC的基本构成、内部元器件、基本指令及应用举例、功能指令及应用举例、软件应用、网络通信、梯形图的编程方法及应用举例、实际应用系统的设计方法等。该系统利用可编程控制器和组态软件强大的功能，可实现传送生产线的全自动化，并可兼容手动操作。它不仅可以取代传统的继电接触器控制系统，还可以进行复杂的过程控制和构成分布式自动化系统，使电气控制技术进入了一个崭新的阶段,在生产过程、科学研究和其他产业领域中，电气控制技术的应用都是十分广泛的。因此在简明扼要的介绍基本理论和基础技能的同时，重点突出了实践性环节，主要体现在大量增加了应用性实例的编程，从工程实际出发，由易到难，循序渐进，在简单的实际应用中领悟PLC编程的技巧和方法，感悟实践渗透理论带来认知的快捷与方便。参考文献（1）电气控制与PLC . 熊幸明 机械工业出版社 2011（2）现代电器控制及PLC的应用技术. 张万忠 中国电力出版社 2005（3）三菱公司网站电子资料. 2009（4）可编程控制器应用技术. 胡学林 高等教育出版社 2007（5）电工技术 高福华 常通义 机械工业出版社 2006 (6)现代通信原理 曹志刚 钱亚生 清华大学出版社 2004 (7)电路分析基础 李建明 人民邮电出版社 2001 (8)PLC编程理论、算法及技巧 宋伯生 机械工业出版社 2009 (9)工厂电气控制技术 方承远 机械工业出版社 2000 (10)机床电气与PLC 陶维利 西安电子科技大学出版社2005