电镀车间专用行车PLC控制系统毕业设计Word下载.docx
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参考文献35
附录36
1.电镀生产线电器控制系统使用说明书36
1.1系统功能简介36
1.2主要技术参数36
1.3工作原理37
1.4使用说明37
1.5使用与维护主意事项37
2.程序指令表清单38
摘要
本课题主要研究的是可编程控制器（PLC）在工业生产领域的应用。
针对小型电镀车间行车电气控制系统故障频繁的弊端，采用国内外处于领先地位的PLC控制系统加以改进，是采用PLC控制系统对老机改造的一个成功案例。
它使得生产线在实现完全自动化的同时，可以灵活地进行手动操作，并能通过报警装置，对生产线出现的故障进行智能报警。
这套系统技术先进、操作简单安全、经济效益高。
该系统使得生产效率、产品合格率与老式设备相比大为提高。
关键词：
可编程控制器，电镀专用行车，自动控制
绪论
随着金属加工业的发展，电镀行业在我国迅速地发展了起来，目前全国拥有五千多家厂点、二十多万职工，其规模、产量及其产值都进入世界电镀大国行列。
电镀的科研成果不断涌现，工程技术不断更新。
为我国的重工业的发展带来了长途的进步，为社会主义祖国创造了大量财富。
然而，在电镀车间的生产中依然存在着很大的工艺问题。
传统的小型电镀车间生产线较长，设备分散，前后联锁，逻辑关系复杂。
采用传统的继电器控制，电气控制设备大量使用机电式有触点电器。
触点转换频繁，触点竞争机会和故障可能性大，可靠性低，维护量大。
电镀生产现场环境比较恶劣，是一个高温、多尘埃、易着火的一级防火单位，触点因接触不良而产生的火花和高温都是产生火灾苗子的安全隐患。
所以对新设备的引入的需求是改良电镀车间的生产状况的必要之举。
近年来，随着大规模集成电路的发展，以微处理机为核心组成的可编程控制器（PLC）得到了迅速的发展，在电动机的运行控制、电磁阀的开闭、产品的计数、温度压力等的设定和控制等方面，可编程控制器正发挥着越来越大的作用。
由于可编程控制器运行可靠、易学易用、抗干扰性强，尤其在工业控制中的运用变得更加广泛。
可编程控制器（PLC）是一种数字型的电子系统，即为计算机产品，它为在工业环境下应用而设计，即为工业计算机。
这种工业计算机与传统用于工业控制的继电器相比具有独一无二的特性[1]。
（1）高可靠性：
PLC在软硬、件的设计上采用了一系列的抗干扰措施，使目前其他任何一种工业控制设备都无法达到这样的可靠性。
（2）编程方便，易于学用：
它采用与实际继电器控制电路非常接近的梯形图方式编程，广大电气技术人员非常熟悉，易于掌握，易于推广。
（3）通用性强：
PLC用程序代替了接线，改变接线只要改变程序，因而柔性大。
（4）体积小、重量轻，是“机电一体化”特有的产品。
本课题以电镀车间专用行车自动电气控制系统为背景，主要通过采用PLC控制设备的技术方案完成对电镀车间自动生产线的控制。
电镀车间的电镀生产属于中规模的工业生产，其特点是生产线的跨度较小，电镀液带有腐蚀性，且高温。
因而要求行车的定位精确，控制装置可以智能报警。
所以整个系统分成控制系统与动力系统两部分，控制系统（手动/自动控制）主要由PLC完成；
动力系统由电动机拖动电镀工作元件完成，控制系统对动力系统进行完全的控制。
此套电气控制系统以价格相对低廉的PLC为核心，与其他动力辅助设备一起构成电镀车专用行车的控制系统，预期这套系统能够达到的目标是：
定位精确；
具有程序预选功能；
具有“手动/自动”两种控制方式；
采用远距离操控，控制面板指示明了；
电气设备具有电气保护措施，具有极限位置保护；
能够对生产情况进行监控，智能报警。
1电镀生产线的现状及发展状态.
1.1国内外电镀生产线的发展情况
电镀生产线从手工操作，逐步向机械和自动化方向发展。
我国在这方面的发展是比较快的。
在60年代，我国大多数的电镀生产，仍以手工操作为主。
而现在的不少企业甚至是乡镇企业，已有了比较好的电镀自动线。
在借助国外先进技术的基础上，现在已经开发了各种类型的微型电脑控制电镀自动线，上海近500家电镀厂、点，已经有370多条电镀自动线，并有25条从外国引进的自动线，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，电机采用无极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。
车辆的运行，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的先进国家相比，还有比较大的差距，相对而言，手工操作还是比较多的，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，操作的各种参数温度、PH值、电流等都由电脑自动测定和自动调节，行车的运行完全无人操作。
能到达车间无尘，底面无水，所有槽口上面均无液滴。
操作人员以及外来人员进入车间，不允许穿自己的鞋子，必须换上干净的拖鞋，再经过净化设备，用高压净化的空气，吹掉身上的灰尘后才能进入车间。
生产时连续不断的用净化空气将车间内的空气压向室外，这样的电镀车间和电镀自动线，在国际上也是比较先进的。
我国的电镀生产也要向这样的先进方向发展，但现阶段我们不能提出这样的要求，因为我国现阶段的基础条件和配套设备等许多方面还不适应这样先进的要求。
其实，有些国家的电镀生产线也没有这样的先进，如澳大利亚墨尔本一个比较大的电镀厂的电镀生产线，行车是由人工操作的，控制行车的操作人员跟着行车走，设备比我国有些企业还差。
1.2国内电镀行业存在的问题
电镀自动线是大规模生产和增加品种的必然产物,它对改进我国电镀工业的落后的面貌起着举足轻重的作用。
然而在现阶段我国的电镀生产线上，在电镀车间的生产中依然存在着很大的工艺问题。
电镀生产现场环境比较恶.劣，是一个高温、多尘埃、易着火的一级防火单位，触点因接触不良而产生的火花和高温度都是产生火灾苗子的安全隐患。
现阶段我国的电镀生产线，主要应该考虑行车运行平稳，定位准确，设备耐用，生产效率高，确保电镀质量高，质量好。
现在有些企业在设计电镀自动线时，要求一条自动线有多种功能，例如既能镀铁零件，还能镀锌压铸件；
既能镀装饰铬镀层，又能仿镀金和仿铜镀层。
其实，有些槽子排在内线基本上不用，行车在这些不用的槽子上面走来走去，既降低生产效率，又影响产品质量。
有些电镀线中安排了许多清洗槽和辅助槽；
有些辅助槽过宽，使一条电镀线排得很长，同样会降低生产效率和产品质量。
总之，我国的电镀生产线要向国际上最先进的方向发展，但现阶段应在讲究实用、实效的基础上求先进，循序渐进，逐步提高我国电镀生产的先进水平。
1.3国内电镀生产线的发展状态
由于可编程控制器运行可靠、易学易用、抗干扰性强，尤其再在工业控制中的运用变得更加广泛。
PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构，硬件组成，软件结构以及I/O通道，用户界面诸多方面都有其特殊性。
因此在工业生产的成本战与效益战中，占领了绝对优势。
PLC的推广应用，使得长期以来令人头痛的程控问题得到迎刃而解。
它不仅稳定可靠，不易产生误动作，而且可方便的实现一机多程序控制，在“显示、打印”、“大电流冲击”、“温控”、“PH值监测”等各个领域一显示了它的威力。
在速度控制方面，由于采用了变频器，一台变频器可同时控制数台电机，不仅可以无极调节运行速度，使其达到最佳状态，且可方便的满足每个动作的开始及终点有一定距离的缓速，呈缓变形式，达到工件运行平稳，准确定位。
其他如单钓行车取代传统的双钓行车，降低行车总重量，降低成本，使行车运行稳定；
行车轮用尼龙轮缘外套聚氨酯橡胶的结构，增加了行车轮的摩擦力，减少噪音，提高行车的到位准确率等。
这些新技术、新设备的应用大大提高了电镀行业的机械化、自动化程度，为适应多品种、大批量生产，保证产品质量，挖掘企业潜力，满足日益增长的国名经济发展的需要提供了可靠的保证。
2电镀生产线专用行车的技术要求
2.1电镀生产线的工艺要求
本课题研究的电镀生产线属于小型生产企业的电镀生产线。
电镀小型专业行车，其运动形式主要有三种：
即大车拖动的行车前后运动和提升机构的重物的升降运动以及小车在镀槽方向上的左右运动。
电镀专用行车设备是采用远距离控制，起吊重量是500kg以下（含电镀装具和电镀件），生产效率高，劳动强度低的专用自动化起吊设备。
电镀专用行车的结构与工艺流程图1所示：
图1电镀专用行车示意图
电镀专用行车在生产线上的工作顺序是：
操作人员在操作区域将待加工的零件装入吊篮，并发出开车指令，专用行车的小车便自动提升吊篮至吊梁顶部，大车同时自动前行。
前行至电镀生产现场时大车停止运行，小车牵引吊篮以及生产工件自动逐段前行，按工艺设定的要求在各镀槽前停车，吊篮自动下降至电镀槽内，停留一定的时间（在各槽停留的时间预先按工艺要求设定）后自动提升吊篮，如此完成电镀工艺规定的每一道工序，直至生产线的终端，大车自动后行返回操作区域，小车自动右行自动返回原位，卸下吊篮内处理好的零件，重新装料待出发指令后进入下一次加工循环。
在电镀生产工艺中，不同的零件对镀层的要求不同，而且还要满足批量生产的需求。
因此，电气控制系统针对不同的工艺流程（如镀锌、镀铬、镀镍等），硬件应具有预选功能，控制程序应具有参数可修正功能。
电镀专用行车与通用的小型行车结构类似，跨度较小，但要求定位准确，以便吊篮能准确进入电镀槽内，所以设计中在工序的各个动作中的转化时利用传感器的传感信号作为动作转化的开关。
工作时大车的移动（前/后）与吊篮的上/下运动、小车移动（左/右）,除了应该具有自动控制功能以外，还要能够执行人工手动控制。
由于电镀生产线属于中型的工业生产系统，生产的设备的造价较高，生产的时候设备的功率较大，耗电量较大，故而其安全性必须得到考虑，以保证操作人员以及生产设备的安全，降低危险系数，所以无论是自动运行时还是手动运行时，系统都必须有相应的保护措施，各个动作之间要有联锁、自锁。
故障出现时要能够及时的报警，生产线无条件的停止运行，故障消除后，才可以继续恢复运行。
行车电气系统的框图如图2所示：
图2电镀专用行车电气系统控制框图
2.2系统动力设备的要求
电镀车间专用行车的拖动设备采用三相交流异步电动机分散拖动，并采用一级机械减速，以达到行车平稳，定位准确的目的。
电镀生产线上的镀槽数量，一般按实际工作环境进行考虑，对于一般的工业电镀产品而言，5层电镀已经达到了国内同行业生产中的较高要求，所以本课题考虑5个镀槽，吊篮的时间按生产工艺设定。
2.3系统设计要求
（1）控制装置设计选用PLC作为系统的控制核心，本次设计采用三菱F1－60MR型机，根据工艺的要求合理的分配PLC的机型和I/O接口。
（2）本设计的控制装置具有程序预选的功能（按工艺确定需要的槽位），程序设定后，除上、下装卸零件外，整个电镀工艺可以自动运行。
（3）本设计可以采用自动/手动两种自动方案，按工艺要求编辑程序可以实时调整参数。
系统具有故障报警装置，装置包括故障的警示以及显示装置。
（4）前后运动、升降运动的定位准确，拖动设备的驱动电机位正、反转双向运行，因此要在PLC控制回路中加装互锁控制装置。
（5）采用远距离控制，整机电源及各主要设备动作要有相应的指示。
（6）为了设计的安全运行，在设计中需考虑必要的保护措施，包括电机的过热保护，控制系统的短路保护等。
PLC的接地，按照产品手册的要求设计，在图中标明。
3系统总体设计
3.1总体的方案说明
（1）本设计方案中的控制对象电机均由交流接触器完成开、停的控制，电动机需采用正、反向控制，正、反转之间具有互锁的功能，为了避免过多的使用接触器，互锁装置由PLC内部的软件完成。
（2）为了精确的对各个行动部件（大车，小车）进行定位，采用行程开关和接近开关对其进行定位的设计，选用的开关在现场进行安装，在选型和安装硬件以及编程时应考虑抗干扰性能。
选用的开关由于要进行反复的使用和承受高强度的负荷，选用开关时还要考虑其耐磨损性。
（3）导轨上的驱动电机，其内部设有过载保护开关，一般为常闭型触点。
作为电机的过载保护信号，在设计PLC的控制电路时应考虑该信号的逻辑关系。
（4）对于电镀车间小型行车系统而言，电镀环节是整个工序成败的关键，而进行电镀的镀槽定位的信号是由装在电镀现场的行程开关录入的，所以行程开关的工作状况，即行程开关在工作时的好坏对生产有极大的影响。
而行程开关一般为无源电器元件，其动作为重复性的机械动作，磨损和受压的次数最多，因而是整个工作的电气元件中最容易出现故障的装置。
所以在自动程序开始之前，先要对行程开关进行检测，进行检测时，是用检测电机（小功率）驱动一个检测小车对行程开关进行通/断的测试。
（5）起吊电机（M1）、横行电机（M2）、走行电机（M3）、检测用电机（M4）。
分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点用过中间继电器KA的转换后，作为PLC的输入触点，用以完成各个电机系统的过载保护。
（6）主回路选用自动开关，各负载和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器实现短路的保护。
（7）电气控制箱设置在控制控制室内。
控制面板与控制箱内的电器板选用BVR型铜导线连接，电气控制箱与执行装置之间采用接线端子板连接。
（8）设计方案中选用的PLC为继电器输出型。
（9）PLC本身配有24＋V的直流电源，该接线端可为输入传感器提供直流24V电源。
PLC的接地线与机器的接地端相连，基本单元必须接地。
为了抑止附加在电源设及输入端的干扰，应给PLC接以专用地线，接地点应与动力设备（电动机）的接地点分开，接地电阻应该小于100Ω，接地线面积应大于2mm2，而且接地点应该尽可能靠近可编程控制器。
（10）PLC控制程序，均采用梯形图编程（LD）。
3.2电气控制系统的设计
3.2.1主电路的设计
（1）主电路采用的是380V三相交流电源为电路供电。
（2）在主回路中交流接触器KM1、KM2，KM3、KM4，KM5、KM6，KM7、KM8分别控制电动机M1（起吊），M2（横行），M3（走行），M4（自检）的正反转功能。
（3）由于电动机M1、M2、M3、M4工作时间较长电流量较大，功率的消耗较大所以需要进行过载保护，分别由热继电器FR1、FR2、FR3、FR4实现过载保护。
（4）选择自动开关QF为总电源的开关，既可以完成主回路的短路保护，又起到隔离三相交流电源的作用，使用和维护维修更便捷。
（5）由FU1、FU2、FU3、FU4分别实现各个负载回路的短路保护电路作用。
FU5、FU6、分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。
（6）电动机的控制设计中，拖动电机由主回路设计，电动机的控制及报警电路由PLC回路设计完成。
根据上述设计原则[17]，电气控制主电路图如图3所示
图3电镀车间专用行车控制系统主电路图
3.2.2交流控制电路设计[18]
（1）控制电路设有电源指示HL0，以标识工作电路电源的工作情况。
（2）在PLC的控制回路中设计了隔离变压器TC用以防止电源的干扰隔离变压器TC的选用，一般根据PLC的耗电量来配置，本系统的自动控制方案采用的是三菱F1－60MR型的可编程控制器，其耗电量40VA，其输入端电源有100～110V，200～220V两种，考虑到尽量和外接的用电器的电源兼容，选用220V的电源端口进行电源的输入。
故可以考虑采用标准型，变比1：
1、220V的隔离变压器。
（3）起吊电机（M1）、横行电机（M2）、走行电机（M3）分别设有运行指示灯
HL1/HL2（上行/下行），HL3/HL4（左行/右行），HL5/HL6（前行/后行），均由KM1、KM2、KM3的辅助触点点亮。
（4）程序功能预选（小车停止电镀槽位置）指示灯分别由5个扭子开关SB3～SB7进行选通控制，实现小车按工艺要求在进行不同方案的电镀操作。
（5）本系统的4台电动机（M1、M2、M3、M4）的过载保护部分是由四只热继电器（FR1、FR2、FR3、FR4）组成，将其常开触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护回路，中间继电器KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护的控制功能。
（6）在电镀槽安装位置的末端，安装有一小型电机（M4），作为电镀时行程开关检测电路的拖动设备。
交流控制电路如图4所示：
图4电镀车间专用行车控制系统交流控制电路
3.3系统设备元件的选用方案和参数的计算
3.3.1动力设备的设计和选择[8]
电镀车间专用行车的特点是跨度小，定位准确，并且要满足批量生产的需求。
根据实际生产情况的使用要求，额定起升重量为500kg（含电镀装具和电镀件），为保证工件平稳的启动以及起升后运动的稳定，从安全性以及工艺需求分析，起升的速度设定为V1＝3m/min，横行速度设定为V2＝20m/min，走行的速度设定为V3＝30m/min，横行小车的全重设为200kg，桥重5t，横行的阻力系数设为C1＝10N/KN，走行的阻力系数为C2=12N/KN，机械的传动效率设为0.75。
（1）各机构所需功率计算
设安全系数为1.5，则启动重量按照1.5×
500＝750kg＝0.75t；
设P1、P2、P3分别为各个机构工作时所需的功率；
设GΣ为各个机构的重量之合；
故由机械设计公式[9]可得：
（2）各机构工作类型以及FC％对应值
根据起重机工作类型和电动机FC％值对应的关系，（轻型FC＝15％，中型FC＝25％，重型FC＝40％，特重型FC＝60％）。
（3）电动机功率的选择
考察三组主拖动设备的电动机以及检测装置的驱动电机，确定减速比后查Y系列三相异步交流电机产品目录可以确定：
A.三组主拖动设备的电机选用：
Y802－4型，额定功率为0.75kw；
B.检测行程开关用小车的驱动电机与主拖动设备相比其功率和动力都较小，故选用的电机为：
Ys45－2型，额定功率0.016kw。
3.3.2主要参数计算及元器件选择[10]
（1）自动开关QF脱扣电流的选定：
该自动开关设计为供电系统的电源开关，在主回路中的控制对象为交流电动机（电感性负载）。
自动开关过电流脱扣值的整定，针对电动机负载而言，可按电机额定电流的1.7倍选定
本系统一共有四台电动机，三台额定功率0.75kw，一台额定功率0.016kw，故0.75kw的电机启动电流较大，容量较大，故其自动开关QF脱扣值按此电机计算如下：
0.75kw电机的额定电流INE＝2A
IQF＝1.7INE＝1.7×
2＝3.4A
故应选用IQF＝4A的自动开关
我们选择开启式负荷开关，开关型号为HK2－4/3，级数3，额定电流4A。
（2）保护电机用熔断器FU的选择：
熔断器主要是用于电机的热保护，控制电动机的电流，以防电流过大烧坏电动机引起危险，当电机过热时熔断器自动切断，从方便安装和修理的角度考虑，我们选择插入式熔断器。
本设计电动机采用的是单台电机轻载启动，熔断器电流计算的方法为：
IFU＝IS/（2.5~3）
IQF－熔体额定电流；
IS－电机的启动电流
对于Y802－4型号电机，其额定电流IN＝2A，
启动电流IS＝6.5×
2＝13A，熔体额定电流
IFU＝IS/（2.5~3）＝4.3～5.2（A），
故选择熔断器类型为：
RC1A－10，熔丝的额定电流6A；
干路熔断器电流为支路电流之和，故干路熔断器额定电流计算为：
IFU＝3×
（4.3~5.2）＝12.9～15.6（A），
故干路熔断器的类型为：
RC1A～15，熔丝额定电流15A。
（3）接触器的选择[13]：
对于Y802～4型号的电机，额定的功率PMN＝0.75kw，三相电源的相电压UMN＝380V，功率因数cosf＝0.87，电机效率h＝75％，则控制回路的接触器的选择可以按下式计算选择：
查阅手册可以确定接触器选用CJ10－5/3－380V型号。
（4）热继电器的选择
热继电器主要用于电动机的过载、断相及三相不平衡的保护及电动设备的发热状态控制。
由于支路总电流≤10A，故可选用JR20－10/3－1型热继电器，额定电压10A，带断相保护。
（5）行程开关的选择
电镀车间专用行车用行程开关是主导电镀工艺是否成功的关键元件，要用于小车在电镀槽位置的精确定位。
考虑生产实际情况，初步选择LX19系列的行程开关。
LX19系列行程开关适用于交流50HZ或60HZ，电压至380V，直流电压至220V的控制电路，将机械信号转换成电信号，作为控制运动机构行程和变换运动方向或速度用。
LX19系列开关采用双断点瞬时结构，安装在金属外壳内构成防护式。
在外壳上配有各种方式的机械部件，组成单轮，双轮转动及无轮直线移动等形式的行程开关。
工作环境－25～120℃，适用于电镀车间的高温环境。
最终选择行程开关型号LX19－111（B），额定发热电流5A，触头接触时间0.04s。
此开关的性能完全可以满足精确定位以及高温工作环境。
（6）接近开关的选择
接近开关主要用于控制大车的前后运动的限位和电镀小车电镀左右动作的限位，同样要求定位准确，耐使用性、耐高温性好。
根据生产的实际情况，初步选定LXJ16系列的接近开关。
LXJ16系列的接近开关适用于交流50Hz或60Hz，额定工作电压100～250V的线路中，作为自动线定位或检测信号的使用，当运动的金属体靠近接近开关并达到动作的距离之内的时候，接近开关无接触、无压力发出检测信号，供驱动小容量的接触器或中间继电器以及控制程序开关使用，该系列的开关调整方便，具有防振、防潮性，外壳采用增强性尼龙材料，安全可靠。
根据需要最终选择LXJ6－4/8型号的接近开关，其工作环境－5～120℃，其主要参数如表1所示：
表1LXJ6－4/8型接近开关主要技术参数
型号
动作距离
/mm
复位行程
差/mm
额定电压/V
输出能力
复位
精度/mm
开关电压/v
AC
DC
长期m/A
瞬时
AC
LXJ6－4/8
4±
1mm
≤1
150~
250
1
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