基于PLC的电镀生产线控制系统的设计 毕业设计 精品.docx
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基于PLC的电镀生产线控制系统的设计毕业设计精品
基于PLC的电镀生产线控制系统设计
机械电子工程专业学生徐广超
指导教师王秀
摘要：
电镀行业是我国重要的加工行业，随着科学技术的快速发展，电镀生产线越来越趋向自动化、智能化。
该课题的研究是用西门子PLCS7-200辅以变频器对电镀自动生产线进行自动控制，依次自动完成酸洗、电镀和清洗的过程。
重点分析了系统的硬件设计、软件设计，给出了系统硬件接线图、PLC控制I/O端口分配表以及整体程序流程图，并辅以组态王进行监控等。
该基于PLC的电镀生产线控制系统具有结构简单、编程方便、操作灵活、使用安全、工作稳定、性能可靠和靠干扰能力强等特点，实现了电镀生产过程的自动化，提高了生产效率，降低了疲劳强度，能够更好的融入到现在的工业控制领域。
关键词：
电镀；PLC；自动化
DesignofControlSystemforElectroplatingProductionLineBasedonPLC
StudentmajoringinMechatronicsEngineeringXuGuangchao
TutorWangXiu
Abstract:
ElectroplatingindustryisanimportantprocessingindustryinChina,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,electroplatingproductionlinemoreandmoreautomation,intelligent.TheresearchofelectroplatingautomaticproductionlineforautomaticcontrolwithSiemensPLCS7-200combinedwithconverter,followedbyautomaticprocesspickling,electroplatingandcleaning.Focusontheanalysisofthehardwaredesign,systemsoftwaredesign,systemwiringdiagramofthehardware,thePLCcontrolI\/Oportallocationtableandgivestheprogramflowchart,supplementedbyKingviewmonitoring.TheelectroplatingproductionlinebasedonPLCcontrolsystemhasthecharacteristicsofsimplestructure,easyprogramming,flexibleoperation,safeuse,stableoperation,reliableperformanceandstrongabilityagainstinterference,realizestheautomaticelectroplatingproductionprocess,improveproductionefficiency,reducesthefatiguestrength,canbetterintegrateintotheindustrialcontrolfieldnow.
Keywords:
Electroplating;PLC;automation
引言
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（是物理和化学变化的结合）。
电镀产品的质量除了要有成熟的电镀工艺和好品质的镀液添加剂外，严格按照电镀工艺流程运行和保证产品的电镀时间也是决定电镀产品质量和品质的重要因素。
电镀生产线由早期采用继电器逻辑电路和顺序控制器，发展至现在采用可编程控制器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。
在电镀生产线上采用自动化控制和组态王监控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，能够带来丰富的经济效益和社会效益。
用PLC辅以变频器对电镀自动生产线进行自动控制，具有结构简单、编程方便、操作灵活、工作稳定、使用安全、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，是电镀行业实现高效、成本低、高质量自动化生产的发展方向。
1电镀生产线控制系统概述
1.1选题背景及意义
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，而通过这种工艺的处理我们可以得到一些不同色泽的金属产品，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。
防腐蚀、抗耐磨等都是通过电镀工艺所生产的产品的特性。
在目前，我国的电镀生产线控制系统还处在发展阶段。
随着社会的发展，电镀生产线逐渐增多，生产变得复杂。
并且在电镀生产过程中，很多工艺需要人工操作，其氧化、酸洗、电镀等所需原料具有很强的腐蚀性和污染性，对人体有很大的危害。
早期的控制是使用顺序控制器，由于其电路复杂，接口众多，受外界干扰大，所以工作可靠性较差，维护也较困难。
如果电镀生产线实现自动化，工人可以通过在控制室监控，尽可能不去或少去车间，就能减少身体危害，减轻工人劳动强度，保障工人生命安全。
本课题从以PLC为基础实现电镀生产线自动控制的角度进行讨论，在我国电镀生产线自动化还不普及但社会飞速发展的状况下，对电镀生产线自动化的研究具有极其重要的意义，符合社会发展的潮流。
随着社会经济的发展，电镀生产线自动化是大势所趋。
更高效安全的电镀生产线，必将对我国社会经济的发展产生极大的影响。
1.2课题的国内外研究现状
在国外，电镀生产线自动控制的研究已经取得不少成果，在少数几个先进国家已经采取全自动化的电镀生产线，其中有些电镀车间可以实现车间无尘，全部由电脑实现监控，达到了无人操作的程度。
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测定和自动调节，行车的运行完全无人操作，自动化程度比较高。
在国内，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，有些工厂的机械设备还比较陈旧，自动化程度不高。
近些年来，随着我国经济发展的需要，电镀生产线的自动化逐渐在电镀车间应用起来，自动化程度逐渐提高，电镀生产线的自动化得到了发展，逐渐在追赶发达国家。
例如常州营达环保科技有限公司的电镀生产线就比较先进，自动化程度较高，废弃废液处理的也很好。
1.3控制系统的设计要求
设计一个基于PLC全自动电镀生产线控制系统。
电镀生产线采用专用的行车架，行车架上带有可以上升和下降的吊钩，吊钩和行车由电动机拖动，行车的进退和吊钩升降由限位开关控制，限定为三槽位，依次完成酸洗、电镀、清洗过程。
按照要求，依次完成酸洗、电镀、清洗的过程,如图1-1所示：
启动→吊钩上升→上限位行程开关闭合→右行至右限位3号槽上方→XK3行程开关闭合→吊钩下降进入3号槽→下限位开关闭合→酸洗延时（10秒）→吊钩上升→上限位开关闭合→延时15秒→左行至2号槽上方→XK2行程开关闭合→吊钩下降进入2号槽→下限位开关闭合→电镀延时（20秒）→吊钩上升→上限位开关闭合→延时10秒→左行至1号槽上方→XK3行程开关闭合→吊钩下降进入1号槽→下限位开关闭合→清洗延时（10秒）→吊钩上升→上限位开关闭合→延时8秒→左行（1秒）至左限位→上限位开关闭合→吊钩下降至原点
图1-1电镀的工作流程
2可编程序控制器（PLC）简介
2.1PLC的产生和定义
可编程控制器的英文缩写是PLC（ProgrammableLogicController），PLC是一种专门的在工业环境下应用的数字运算操作式的电子装置。
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。
目前，PLC已经基本代替了传统的继电器，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制仪器，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。
1969年美国数字设备公司（DEC）研制开发出世界上第一台可编程控制器，并在GM公司汽车生产线上应用成功。
这是世界上的第一台可编程控制器，型号为PDP-14.人们把他称作可编程序逻辑控制器,简称PLC。
当时开发PLC的主要目的是用来取代以继电器为主的逻辑控制系统，所以最初的PLC功能只局限于计时、计数、执行继电器逻辑等功能。
随着科技进步和电子学的发展，20世纪70年代中期，人们研发出了微处理器和微型计算机。
人们将微机技术结合到PLC中，使其能够更好的发挥计算机的功能，用逻辑编程取代了硬连线逻辑，增加了数据传送、运算和处理等功能，使其真正的成为一种电子计算机工业控制设备。
国外在1980年将其正式命名为可编程序控制器（PC,ProgrammableController）,简称PC。
但由于它和个人计算机（PersonalComputer）的简称容易混淆，所以现在仍把可编程序控制器简称做PLC。
2.2PLC的分类
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。
对PLC的分类可以根据结构、功能的差异等进行大致分类。
2.2.1按I/O点数容量分类
PLC按其I/O点数多少一般可分为以下3类。
1.小型机（含微型机）
I/O点数小于128点的PLC为小型机，以处理开关量逻辑控制为主，现在的小型PLC还具有较强的通信能力和一定量的模拟量处理能力。
2.中型机
I/O点数为128～2048点之间，不仅具有极强的开关量逻辑控制功能，而其他的通信联网功能和模拟量处理功能更强大，适用于复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控制场合。
3.大型机
I/O点数在2048点以上，程序和数据存储容量最高分别可达10MB，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。
2.2.2按结构形式分类
根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。
1.整体式结构
微型和小型的PLC一般为整体式结构。
整体式的特点是将PLC的基本部件紧凑地安装在一个标准机壳内，形成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）。
基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连。
整体式结构的PLC成本低，体积小和安装方便。
2.模块式结构
大、中型PLC多采用模块式结构。
模块式结构的PLC由一些模块单元构成，这些标准模块有CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等。
各模块功能是独立的，外形尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。
2.3PLC的系统组成
PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。
用PLC实施控制，其实质是按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，并应用于工业现场。
PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。
PLC的结构框图如图所示2-1所示。
图2-1PLC结构框图
（1）中央处理单元（CPU）
与一般的计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能控制PLC有条不紊地进行工作。
用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
CPU的主要任务是控制用户程序和数据的接受与存储；用扫描的方式通过I/O接口接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
（2）I／O模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I／O模块，输入单元用来接收来自用户设备的各种控制信号，如行程开关、限位开关、选择开关、操作开关以及其他传感器的信号。
PLC的接口电路把这些接收的信号转换成CPU能识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器中。
CPU运行时读出输入映像寄存器中和其他元器件的最新信息并按照程序执行，把输出的最新结果存入输出映像寄存器。
（3）存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器用来存放由PLC厂家编写完成的系统程序，并固化在ROM内，用户不能更改。
它使PLC具有基本功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。
系统程序的内容主要包括三部分：
系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用管理程序。
（4）编程设备
过去的编程设备一般是编程器，现在PLC生产厂家提供的编程设备是在PC上运行的基于WINDOWS的编程软件。
使用编程软件可以在屏幕上直接生产和编辑梯形图、语句表、功能图和顺序功能图程序，并能实现不同编程语言的相互转换。
程序被编译后下载到PLC，也可以把PLC中的程序导入到计算机中。
可用磁盘或打印的方式来保存程序，使用网络还能进行远程编辑和传送。
2.4PLC的工作方式
PLC工作过程分为三个部分，如图2-2所示。
第一是上电处理。
机器上电后对PLC控制系统进行一次上电初始化，包括初始化硬件，检查I/O模块工作状态，设定的停电保持范围，系统的通信参数等。
第二是扫描过程。
PLC第一阶段完成以后进入扫描处理过程。
首先进行输入扫描，其次完成其他外设的通信处理，然后进行时钟、特殊寄存器的更新处理。
当CPU处在STOP运行方式时，PLC运行自诊断检查。
当CPU处在RUN方式时，PLC要先执行完用户程序和输出处理，然后再运行自诊断检查。
第三是出错处理。
PLC每次进行扫描前，要先执行一次自诊断检查，确定PLC自身的配置运行是否正常，如CPU、电池、程序存储器、I/O接口和通信模块等工作是否正常。
如查出有异常时，PLC上的故障提示LED灯亮，在特殊继电器中会存入出错代码；当有致命错误出现时，CPU被强制为STOP方式，PLC的扫描过程便停止。
概括而言，PLC是按集中输入、集中输出、周期性循环扫描的方式进行工作的。
图2-2PLC运行框图
2.5PLC应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：
（1）制造业自动化
（2）中小型单片机电气控制系统
（3）运动控制
（4）数据处理
（5）流程工业自动化
3系统的硬件设计
3.1电机的选择
本课题选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，运行可靠，维护容易，价格便宜，具有较好动性性能。
下图为电动机的主电路图，其中M1为控制吊钩升降的电动机，M2为控制行车运动的电动机。
图3-1电镀生产线主电路图
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。
3.2PLC机型的选择
S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平。
现在最新版的S7-200系列PLC的主要特点是：
可靠性较高、指令集丰富、内置集成功能丰富、实时特性强和通信能力强大。
其硬件组成如图所示。
图3-2S7-200PLC系统组成
根据电镀生产线自动化的控制要求，本课题采用了德国西门子PLCS7-200CPU226型号，本机集成24输入/16输出，I/O共计40点，程序存储容量大，数据存储容量达到10KB，它有2个通信口，通信能力强，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，适用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。
S7-200CPU226通讯功能完善，具有极高的性能价格比，这是采用它的主要原因。
PLC为此系统的控制核心，此系统的输入信号有两种，一种是原点、连续、单周期等面板控制按钮，另一种是多种行程开关。
这些面信号作为PLC的输入变量，首先经过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，完成电镀的自动化过程。
3.3I/O分配表及其端子接线图
在本次系统设计中，我们定义的端口分配及功能表如表3-1所示。
表3-1端口分配及功能表
序号
PLC地址
（PLC端子）
电气符号
（面板端子）
功能说明
1
I0.0
SD
启动
2
I0.1
ZD
自动
3
I0.2
SQ1
左到位
4
I0.3
SQ2
上到位
5
I0.4
SQ3
下到位
6
I0.5
1号
清洗到位
7
I0.6
2号
电镀到位
8
I0.7
3号
酸洗到位
9
Q0.0
ML
左行
10
Q0.1
MR
右行
11
Q0.2
UP
上升
12
Q0.3
DOWN
下降
13
Q0.4
D1
等待清洗
14
Q0.5
D2
等待电镀
15
Q0.6
D3
等待酸洗
16
Q0.7
SX
酸洗
17
Q1.0
DD
电镀
18
Q1.1
QX
清洗
定义的I/O端子接线图如3-3所示。
图3-3I/O端子接线图
4系统的软件设计
4.1软件的组成及作用
4.1.1PLC内部资源
内部资源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。
2.计数器：
计数器可以用来累计输入的脉冲个数，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需要用到的PLC软元件，另外PLC还有很多其它的软元件。
4.1.2STEP7软件使用简介
S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN4.0编程软件进行编程。
STEP7-Micro/WIN4.0编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。
它具备以下的特点：
（1）DK3964R/RK512等标准协议已经集成到控制器内部，不需要额外驱动。
（2）集成modem支持，内置modem功能，可进行远程编程、诊断或数据传输。
（3）编程不需MPI转换器，直接通过PC上的RS232口。
（4）现场总线通讯功能，控制器功能中已集成了ProfibusDPMaster/Slave,ProfibusFMS和LONWorks。
（5）利用webserver进行监控，储存HTML网页、图片、PDF文件等到控制器里供通用浏览器查看。
（6）扩展操作系统功能。
如保护技术秘密，防止被非法查看或复制。
4.1.3PLC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。
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，通常称作母线，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、按钮、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。
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。
4.1.4电镀生产线的工作流程
根据设计要求绘制整个系统的工作流程图，可以更清楚的认识
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