PLC电镀生产线控制系统设计

1 评分 唐山工业职业技术学院 毕业设计说明书 设计题目 基 plc 的电镀生产线控制系统设计 专 业 机电一体化技术 班 级 07 机电 51 姓 名 李雅娴 学号 37 指导教师 孙来为 完成日期 2 前言 毕业设计是大学阶段最后一次综合性设计 是大学里所学知识的综合体现 是应用所学基础理论 专业知识与技能分析和解决生产实际问题的综合性训练 毕业设计是学生毕业前进行的全面综合训练 是培养学生综合运用所学知识与技 能解决实际问题的教学环节 是学生在校获得的最后训练机会 也是对学生在校 期间所获得知识检验 希望通过最终的毕业设计 能更加巩固 扩大和强化自己 所学到的理论知识和技能 提高自己毕业设计制图 编写技术说明书的能力 学 会正确使用技术资料 标准手册和工具书 并在设计中进一步提高自己理论联系 实际 严肃 认真的工作作风 为即将走向工作岗位所从事的技术工作打下一个 良好的基础 这次设计的题目是 PLC 在电镀生产线上的应用设计 并绘制出电 镀工艺流程图 自动工作状态流程图 电镀生产线 PLC 控制梯形图 在这次设计 中 我明确设计目的并决定好好把握和利用好这次机会 通过自己的努力终于完 成了这次设计任务 但又由于水平和时间有限 设计中错误难免 希望老师们批 评指正 从而能得到不断的进步 在本次设计过程中 得到了孙来为老师的精心讲解和耐心帮助 对此 特表 示衷心的感谢 感谢孙来为老师抽出宝贵时间为我讲解一些设计中出现的疑问 目录 3 1 绪论 1 1 课题概述 本课题要求设计一种基于 plc 的全自动电镀生产线 利用实验室 plc 实 训装置模拟全自动电镀生产线的运行 并利用计算机进行组态监控 1 2 电镀概述 4 就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一层薄层其他金属或合金的过程 电镀时 镀层金属做阳极 别氧化成阳离子进入电镀液 待镀的金属制品做阴 极 镀层金属的阳离子在金属表面别还原成镀层 为排除其他阳离子的干扰 切实镀层均匀 牢固 需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液 以保持镀层金 属阳离子的浓度不变 电镀的目的是在基材上镀上金属镀层 改变基材表面性 质或尺寸 电镀能增强金属的抗腐蚀性 镀层金属多采用耐腐蚀的金属 增加 强度 防止磨耗 提高导电性 润滑性 耐热性 和表面美观 随着科学发展 电镀生产工艺也不断更新 例如一种电镀生产的清洗水不排 放新工艺 即自然闭路循环工艺 它除设有电镀槽和清洗槽外 还设有储液槽 工艺上通过一个周期对清洗槽进行一次翻槽以及用储液槽中的液体来弥补渡槽 镀液由于蒸发产生的损失量等措施 达到了使电镀液的蒸发量与清洗水回收量 的平衡 从而实现了电镀生产过程不排放任何清洗水的工艺 不仅大大减少了 用水量 还使清洗液中的电镀液对环境的严重污染 因此 它有很好的经济效 益及社会效益 电镀生产线种类也很多 例如 单镀种环形电镀线 钓鱼式环型自动生产线 垂直升降悬臂式电镀生产线 龙门式自动控制电镀生产线 中柱直线式电镀生 产线等 1 3 控制对象的设计要求 如摘要中所述 电镀的工作流程如图 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 继续右行 碰到右限位 然后左行至左限 位 吊钩下降至下限位 即原位 按照要求 我们要实现以下工作方式 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 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 步进工作 设备始于原点 当按下启动按钮时 设备只会运行一步 然后停止 再按下启动按钮时 设备会再向前运行一步 然后停止 按照此过程一直工作下去 直至一 个工作周期完成 5 槽 3槽 2槽 1原点 上限 下限 左限 X K 1 X K 2 X K 3 右限 第 2 章 系统的硬件设计 2 1 主电路设计 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 1 图中 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 6 M 1 3 M 2 3 K M 1 K M 3 F R 1 F R 2 F U 2F U 1Q S L 1 L 2 L 3 K M 2 K M 4 2 2 PLC 机型选择 各种 PLC 的品种很多 它们的结构形式 性能 价格也都各不相同 适合的场合也各 有侧重 合理选择 PLC 型号 对于提高 PLC 控制系统技术经济性指标具有重要意义 3 S7 200 系列 PLC 可提供 5 种不同的基本单元和多种规格的扩展单元等 目前提供的 S7 200CPU 有 CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 224XP CPU 226 和 CPU 226XM 不同型 号的 PLC 性能差别也比较大 所以在实际设计中 要在满足功能的要求下 选择能够保证系 统可靠工作 维护使用方便以及价格适中的型号 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 分配表及其端子接线图 2 3 1 I O 地址分配 2 3 2 PLC 外部接线图 序号 输 入 序号 输 出 1 I0 0 0000 上限位 SQ1 13 Q0 0 上升 KM1 2 I0 1 下限位 SQ2 14 Q0 1 下降 KM2 3 I0 2 左限位 SQ3 15 Q0 2 右行 KM3 4 I0 3 右限位 SQ4 16 Q0 3 左行 KM4 5 I0 4 XK1 行程开关 SQ5 6 I0 5 XK2 行程开关 SQ6 7 I0 6 XK3 行程开关 SQ7 8 I1 0 启动 Q1 9 I1 1 停止 Q2 10 I1 2 步进 Q3 11 I1 3 单周期 SB1 12 I1 4 连续 SB2 8 K M 1 K M 2 K M 3 K M 4 F U 2 2 0 V 2 4 V S B 2 S A 3 S Q 1 S Q 2 S Q 3 S Q 4 S Q 5 S Q 6 S Q 7 S A 2 S A 1 I 0 0 I 0 1 I 0 2 I 0 3 I 0 4 I 0 5 I 0 6 I 1 0 I 1 1 I 1 2 I 1 3 I 1 4 Q 0 0 Q 0 1 Q 0 2 Q 0 3 S B 1 S 7 2 0 0 C P U 2 2 6 C N 1 M 2 M 1 L 9 3 系统的软件设计 3 1 PLC 内部资源 内部根据软元件的功能不同 分成了许多区域 如输入 输出继电器区 定时 器区 计数器区 特殊继电器区等 下面分别介绍下 1 定时器 电气自动控制的大部分领域都需要用定时器进行时间控制 灵 活地使用定时器可以编制出复杂动作的控制程序 它是 PLC 中重要的编程元件 是累计时间增量的内部器件 定时器的工作过程与继电 接触器控制系统的时间继电器基本相同 但它没 有瞬动触点 使用时要提前输入时间预设值 当定时器的输入条件满足时开始计 时 当前值从 0 开始按一定的时间单位增加 当定时器的当前值达到预设值时 定时器触点动作 利用定时器的触点就可以得到控制所需的延时时间 2 计数器 计数器可用来累计输入脉冲的个数 经常用于对产品进行计数 或者进行特定功能的编程 使用时要提前输入它的特定植 当输入触发条件满足 10 时 计数器开始累计它的输入端脉冲电位上升延的次数 当计数器计数达到预定 的设定值时 其常开触点闭合 常闭触点断开 3 输入继电器 输入继电器一般都有一个 PLC 的输入端子与之对应 它用 于接受外部的开关信号 当外部的开关信号为闭合时 输入继电器的线圈得电 在程序中常开触点闭合 常闭触点断开 4 输出继电器 输出继电器一般都有一个 PLC 上的输出端子与之对应 当 通过程序使得输出继电器线圈得电时 PLC 上的输出端开关闭合 它可以作为控 制外部负载的开关信号 同时在程序中其常开触点闭合 常闭触点断开 5 内部位存储器 内部位存储器的作用和继电 接触器控制系统中的中间继 电器相同 它在 PLC 中没有输入 输出端与之对应 因此它的触点不能驱动外部 负载 这是与输出继电器的主要区别 它主要起逻辑控制作用 以上几个是我们在本次系统设计的过程中可能需要用到的 PLC 软元件 另 外 PLC 还有很多其它的软元件 3 2 PLC 编程语言 PLC 是通过运行编写的用户程序实现控制任务的 PLC 中的程序由系统程序 和用户程序两部分组成 系统程序由 PLC 生产厂家提供 它支持用户程序的运行 用户程序是用户为完成特定的控制任务而编写的应用程序 S7 200 系列 PLC 的编 程语言非常丰富 有梯形图 语句表 功能块图和顺序功能图等 用户可以选择 11 一种编程语言 如果需要 也可混合使用几种语言编程 这些编程语言都是面向 用户的 它使控制程序的开发 输入 调试和修改工作大大简化 我们在本次设 计中选择梯形图编程 以下我们详细介绍下梯形图的概念 梯形图左边有一条垂直的线称作左母线 右边一条虚线称为右母线 母线之 间是触点的逻辑连接和线圈的输出 PLC 梯形图具有以下一些特点 1 PLC 的梯形图是 从上到下 按行绘制的 两侧的竖线类似电气控制图的 电源线 通常称做母线 Bus Bar 大部分梯形图只保留左母线 梯形图的每 一行是 从左到右 绘制 左侧总是输入接点 最右侧为输出元素 触点代表逻 辑 输入 条件 如开关 按纽 内部条件等 线圈通常代表逻辑 输出 结果 如指示灯 接触器 中间继电器 电磁阀等 对 S7 200 系列的 PLC 来说 还有 一种输出 盒 功能框 它代表附加的指令 如定时器 计数器或数学运算 等功能指令 2 电气控制电路左右母线为电源线 中间各支路都加有电压 当支路接通 时 有电流流过支路上的触点与线圈 梯形图中的假想电流在图中只能作单方向 的流动 即只能从左向右流动 层次改变 接通的顺序 也只能先上后下 与程 序编写时的步序号是一致的 12 3 梯形图中的输入接点如 I1 0 I0 1 等 输出线圈 Q0 0 Q0 1 等不是物 理接点和线圈 而是输入 输出存储器中输入 输出点的状态 并不是接线时现 场开关的实际状态 输出线圈只对应输出映像区的相应位 该位的状态必须通过 I O 模块上对应的输出单元才能驱动现场执行机构 4 梯形图中使用的各种 PLC 内部器件 如辅助继电器 定时器 计数器等 也不是真的电器元件 但具有相应的功能 因此通常按电气控制系统中相应器件 的名称称呼它们 梯形图中每个继电器和触点均为 PLC 存储器中的一位 相应位 为 1 表示继电器线圈通电 常开接点闭合或常闭接点断开 相应位为 0 表示继电器线圈断电 常开接点断开或常闭接点闭合 5 梯形图中的继电器触点既可常开 又可常闭 其常开 常闭触点的数目 理论上是无穷多个 受存储容量限制 也不会磨损 因此 梯形图设计中 可 不考虑触点数量 这给设计者带来很大方便 对于外部输入信号 只要接入一个 信号到 PLC 即可 6 电气控制电路中各支路是同时加上电压并行工作的 而 PLC 是采用循环 扫描方式工作 梯形图中各元件是按扫描顺序依次执行的 是一种串行处理方式 由于扫描时间很短 一般不过几十毫秒 所以控制效果同电气控制电路是基本 相同的 但在设计梯形图时 对这种并行处理与串行处理的差别有时候应予注意 13 特别是那些在程序执行阶段还要随时对输入 输出状态存储器进行刷新操作的 PLC 不要因为对串行处理这一特点考虑不够而引起偶然的误操作 3 3 组态软件 计算机技术和网络技术的飞速发展 为工业自动化开辟了广阔的发展空间 我们可以方便快捷地组建优质高效的监控系统 并且通过采用远程监控及诊断 双机热备等先进技术 使系统更加安全可靠 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件 它们是在自动控制系统 监控层一级的软件平台和开发环境 使用灵活的组态方式 为用户提供快速构建 工业自动控制系统监控功能的 通用层次的软件工具 组态软件应该能支持各种 工控设备和常见的通信协议 并且通常应提供分布式数据管理和网络功能 对应 于原有的 HMI 人机接口软件 Human Machine Interface 的概念 组态软件应 该是一个使用户能快速建立自己的 HMI 的软件工具 或开发环境 在组态软件出 现之前 工控领域的用户通过手工或委托第三方编写 HMI 应用 开发时间长 效 率低 可靠性差 或者购买专用的工控系统 通常是封闭的系统 选择余地小 往往不能满足需求 很难与外界进行数据交互 升级和增加功能都受到严重的限 制 组态软件的出现 把用户从这些困境中解脱出来 可以利用组态软件的功能 构建一套最适合自己的应用系统 随着它的快速发展 实时数据库 实时控制 14 SCADA 通讯及联网 开放数据接口 对 I O 设备的广泛支持已经成为它的主要 内容 随着技术的发展 监控组态软件将会不断被赋予新的内容 组态软件 对应全称为 Human and Machine Interface Man and Machine Interface Supervisory Control and Data Acquisition 中文翻译为 人机 界面 监视控制和数据采集软件 一般英文简称有三种分别为 HMI MMI SCADA 目 前组态软件的发展迅猛 已经扩展到企业信息管理系统 管理和控制一体化 远 程诊断和维护以及在互联网上的一系列的数据整合 组态软件的功能和特点可归纳如下 概念简单 易于理解和使用 功能齐全 便于方案设计 实时性与并行处理 建立实时数据库 便于用户分步组态 保证 体统安全可靠运行 利用丰富的 动画组态 功能 快速构造各种复杂生动的动 态画面 引入 运行策略 的概念 它具有以下几个方面的特点 1 可视化操作界面 真彩显示图形 支持渐进色 丰富的图库 动画连接 2 无与伦比的动力和灵活性 拥有全面的脚本与图形动画功能可以对画面 中的一部分进行保存 以便以后进行分析或打印 15 3 变量导入导出功能 变量可以导出到 Excel 表格中 方便的对变量名 称等属性进行修改 然后再导入新工程中 实现了变量的二次利用 节省了开发 时间 4 强大的分布式报警 事件处理 支持实时 历史数据的分布式保存 强大的脚本语言处理 能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理 5 全新的 Web Server 架构 全面支持画面发布 实时数据发布 历史 数据发布以及数据库数据的发布 6 方便的配方处理功能 丰富的设备支持库 支持常见的 PLC 设备 智能仪表 智能模块 提供硬加密及软授权两种授权方式 16 3 4 程序流程图设计 开始 初始化 计数 连续否 槽 1槽 2槽 3 N Y 电镀生产线连续工作和步进工作程序流程图 17 3 5 程序梯形图设计 I 1 1 I 1 0 M 0 3 M 0 3 I 1 3 M 0 1 I 1 4 M 0 1 I 1 4I 1 3 M 0 0 M 0 0 M 0 1 M 0 2 I 0 1 Q 0 1 I 0 0 I 0 1 I 0 2 I 0 3 I 0 4 I 0 5 I 0 6 M 0 2 M 0 0 I 1 0 I 0 2 C 4 8 1 C U C T U P V R I 1 2 M 0 2 M 0 3 I 0 4 I 0 2 I 0 0 Q 0 0 I 1 2 I 1 2 C 4 8 T 3 7 I 1 0 I 1 0 I 1 2 M 0 2 C 4 8 Q 0 2 I 0 5 I 0 6 Q 0 1 I 0 3 I 1 1 Q 0 0 I 1 2 I 0 0 I 0 4 I 0 5 I 0 6 I 0 3 Q 0 3 I 1 1 Q 0 2 Q 0 2 I 1 2 I 1 0 I 0 0 18 I 1 2 I 0 2 I 0 1 Q 0 0 I 1 2 I 0 4 I 1 2 I 0 5 I 1 2 I 0 6 I 1 2 I 1 2 I 1 2 I 1 2 I 1 0 I 1 0 I 1 0 I 1 0 I 0 2 I 0 4 I 0 5 I 0 6 Q 0 1 I 1 1 Q 0 1 I 0 1 I 1 2 5 0 T 3 7 P T T O NI N 1 0 0 m s I 1 2 I 0 3 I 0 4 I 0 2 Q 0 2 I 1 2 I 1 0 I 0 3 I 0 4 Q 0 3 I 1 1 Q 0 3 程序梯形图 19 第 4 章 调试 4 1 组态与 PLC 1 按照输入两个配置表和外部接线图 将 PLC 输入输出与相应面板符号的插 孔用连接线连好 2 按照输入输出配置 编写电镀生产线 PLC 程序 3 下载编写程序到 PLC 运行调试程序 模拟动作实验板上的按钮和开关 验证所编程序的逻辑 4 根据毕业设计要求 设计组态程序 实现电镀生产线动态模拟 5 通过串口连接 PLC 和计算机 实现组态软件对 PLC 的监控 4 2 系统调试 1 对每一个现场信号和控制量做单独测试 2 检查硬件修改程序 3 对现场信号和控制量做综合测试 4 带设备调试 5 调试结束 4 3 具体实施 1 设备连接 利用 PLC 与计算机专用电缆 将 PLC 通过编程口与上位机算计串口 COM 口 连接 进行串行通讯 串行通讯方式使用 组态王计算机 的串口 I O 设备通过 串行通讯电缆连接到 组态王计算机 的串口 2 设备配置 利用设备配置向导完成串行通讯方式的 I O 设备安装 安装过程简单 方便 3 设计图形界面并建立动画连接 在组态王 画面 上创建电镀生产线控制示意图 并将各个控制信号所建立 相应变量关联 进行动画连接 4 系统运行 启动组态王运行系统 将 PLC 开关指向 RUN 状态 按下启动按钮 观察 电镀生产线系统控制结果 20 第 5 章 结论 电镀是一门具有悠久历史的表面处理技术 近几年来 随着新的工艺技术方 法 尤其是一些新的镀层材料和复合电镀技术的出现 极大扩展了这一项表面处理 技术的应用 并使其成为现代表面工程技术的重要组成部分 那么 通过我们这次 对电镀生产线控制系统的设计不仅让我们更多的了解到了电镀这个工艺的发展前景 而且让我们重新认识了用 PLC 来设计控制系统的使用价值 整个设计对我们即将走 入社会的毕业生来讲是一次很大的锻炼 是我们对专业知识有了进一步的提高 在该组成员的极力配合下 该电镀生产线控制系统的设计基本完成 在设计 当中我们充分考虑到了操作的方便性 元件的实惠性和工艺的简单性 在设计当中 我们的基本参考资料是基于教科书 再通过各种途径获取更详细的资料设计该控制 系统的 PLC 的编程是我们整个设计最主要的一部分 我们的编程是采用梯形图编程 语言 所有的编写步骤和编写要点是严格按照课本要求和教科老师的指导来编写的 所以整个编写的过程是相当严谨的 而且我们编写程序之前对电镀生产线的工作流 程做了详细的分析 每个步骤考虑都很严密 所以总的来说 这个系统的设计师比 较好的 但是在编写的过程中我们还是遇到了很多问题 这样的系统如果能够实际验 证的话会很到程度上提高我们的动手能力 而且在编写过程中有一些小的细节我们 也没有考虑到 如果说能够有足够的条件来调试的话能够大大提高我们系统的正确 性 当然在以后的类似设计当中我们将会尽量的达到这些要求 21 参考文献 1 李道霖 电气控制与 PLC 原理及应用 M 电子工业出版社 2006 7 2 孙海维 SIMATIC 可编程控制器及应用 M 机械工业出版社 2005 1 3 廖常初 可编程控制应用技术 M 重庆大学出版社 2002 3 4 冯立明 电镀工艺与设备化学 M 北京工业出版社 2005 6 5 孙平 可编程控制器原理及应用 M 高等教育出版社 2004 8 6 常 晓 玲 电气控制系统与可编程控制器 北京 机械工业出版社 2007 7 黄 北 刚 工厂电气控制电路实例详解 北京 化学工业出版社 2007 3 8 方 承 远 工厂电气控制技术 北京 机械工业出版社 2002 9 田 瑞 庭 可编程控制器应用技术 北京 机械工业出版社 1994 10 西门子公司 S7 200 可编程控制器系统手册 2002 11 西门子公司 S7 200 可编程控制器产品目录 2005 12 北 京 亚 控 自动化软件科技有限公司 组态王 使用手册 2002