电镀车间专用行车PLC控制系统毕业设计.docx
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电镀车间专用行车PLC控制系统毕业设计
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
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
（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
DC
LXJ6－4/8
4±1mm
≤1
150~
250
10~30
30~200
1A
t≤20
±0.15
<9
<4.5
（7）故障报警器选择
电镀行车生产线虽然经过严密的检测和设计，也难免出现意想不到的故障，发生故障时需要及时地报警，以提醒操作人员故障的发生。
由于电镀车间生产环境复杂，机械运动部件的声音嘈杂，又是采用远距离自动操作，所以报警装置要有足够的功率以达到警铃的目的。
考虑以上因素，选用BJ－2型报警器，这是一种高响亮度报警器，接上电源即可发出声级大于120dB的报警声。
其主要参数如表2所示：
表2BJ－2型报警器主要技术参数
参数
额定电压
（V）
工作电压
（V）
电流
（mA）
声压电平
（1m处）
工作频率
（Hz）
质量
（g）
BJ－2
12
6～15
<<300
>>120dB
800～3500
125
（8）旋转开关的选择
旋转开关主要用于操作程序中手动、自动两种操作方式的选，通过旋转开关每次只选择一种状态，就能够达到手动、自动两种方式每次运行时只能选择其一，而不会同时选通，以造成误操作。
选择开关选型为：
KX03，额定电压DC350V，额定电流0.05A，接触电阻≤0.01Ω，绝缘电阻1000MΩ，耐压AC1050V，寿命10000次。
（9）功能预选开关选择
功能预选开关主要用于预选通行程开关，以实现选通电镀小车停车的槽位的功能。
此开关如果不接通则行程开关处于无效状态，小车通过行程开关时不会产生输入信号。
如果选通开关接通，应有响应的指示灯点亮以于指示。
为了不增加硬件（PLC）的输出端口的使用，简化控制程序，采用本身带有指示装置的开关。
同时此开关也可以应用于PLC的RUN/OFF开关。
查阅相关手册，KCD系列带灯船形开关可以满足这种技术需要，其主要技术参数为：
额定电压DC200V，额定电流KCD1型15A，KCD2型15A，KCD3型3A，KCD4型6A，KCD5型15A，KCD6型20A。
按照前面的计算支路最大电流15A，选择KCD1型的开关。
其电路图如图5所示：
图5带灯船形开关电路
（10）电源开关选择
电源开关主要用于供电气设备中电源的通断使用，电源开关是整个电路系统的安全保障所在，在这里选用KAD4－102型号的电源安全性开关。
其主要技术参数为：
额定电压级及电流220V，6A，接触电阻0.01～0.05，绝缘电阻500～100MΩ，工作压力1～6N，寿命50000次。
（11）电涡流传感器的选择[12]
电涡流传感器是安装在电机的转轴上对电机的转动情况做实时监控的装置，使用它的主要目的是将电动机是否运行的状态送入PLC中对其信号进行处理，以到达电机故障时候能及时报警的目的。
根据电动机的型号以及特性以及转速的分析，我们选择CZF1型号的电涡流传感器。
转速检测的原理如下：
在被测轴上固定一个凸块，靠近轴的表面安装上电涡流传感器，电涡流的探头感受到轴表面位置的变化，传感器激励线圈的电感随之改变。
振荡器的频率变化一次，通过检波器转换成电压的变化从而得到与转速成正比的脉冲信号，来自传感器的脉冲经过整形后就可以变成一组开关的通断信号，从而送入PLC来表征电动机的转动情况。
电涡流式传感器的工作原理[11]如图6所示：
图6涡流传感器工作原
5设计小结
经过两个周的设计，电镀车间专用行车电气控制系统终于设计完成。
其后对程序在实验室进行了模拟调试，用于调试的可编程控制器的机型为F1－60MR，完全复合设计中所选用的机型。
由于此套系统程序功能较强大，输入/输出的端口较多，所以将程序分成了自动程序、手动程序以及报警输出程序三部分分段调试。
错误当然是难免的，三个子程序均存在错误，经过修改，三组程序已经基本可以实现各自的功能。
然后对三组程序连接起来进行了整体的调试，通过修正其中的错误，三组程序的衔接较好，功能相互独立，互不干扰，基本达到了设计的要求。
从整体的工艺和总体表现出的功能中，我们可以看出：
采用PLC控制该生产线后，和以往系统相比有以下突出的特点[4]：
（1）抗干扰能力大为提高，控制精度准确，提高了产品质量；由于采用了子程序的设计方法，可以根据工艺要求可以迅速灵活的改变生产流程，系统扩充方便。
同时该系统维护简单，使用方便，提高了生产效率，降低了工人劳动强度。
（2）采用PLC控制，由于省去了原继电器系统的大量的触点，使得系统故障率降低，可靠性大大的提高，且由原继电器控制产生的火花带来的火灾隐患得到充分的控制，使产品质量、生产都上了一个台阶。
（3）PLC硬件系统接线简单，软件系统程序修改与扩展方便，并能模拟控制现场进行程序的调试，因此能很好地适应现场生产工艺变化的要求。
（4）PLC操作简单，控制精度高，主机故障率很低；一般只在外围电路（输入/输出继电器、执行器、线路等）出现故障，因此，根据I/O显示，可以准确地迅速查找、处理故障，系统维护量很少。
（5）一套PLC系统仅几千元，并不比原继电器系统昂贵，但施工安装费、系统维护费。
元件破损更换等费用大大降低，工人劳动强度也大大降低。
这对于企业重新编制，精简人员，提高经济效益也大有帮助。
因此，广泛地推广使用可编程控制器，特别是对中小型电器控制系统进行改造，能取得明显的技术经济效益
同时，由于本身的知识和能力有限，设计环节难免欠缺考虑，错误肯定是有的，这些地方的欠缺有待于本人能力的提高以及知识的积累和融合而有待于解决。
致谢
在为时两个周的毕业设计中，本组的指导老师刘强老师和董朝阳老师给了我很大的帮助和支持。
她们亲自带领我们去企业参观学习，让我们对实际的生产情况有了亲身的感受和了解。
另外，我要向在这课程设计中对我很多帮助的几位同组的同学，以及同寝室的同学表示感谢。
他们的工作热情激发了我激情，他们的不吝赐教让我的思绪一次次的得到升华，正是在他们的帮助下我才得以顺利完成报告。
附录
1.电镀生产线电器控制系统使用说明书
1.1系统功能简介
电镀车间专用行车电气控制系统是采用可编程控制器控制的电镀自动化控制系统。
与传统的继电器控制的电镀行车控制系统相比，本系统不会出现因触点频繁的转换带来的系统不稳定性以及触点碰撞而产生火花从而造成安全隐患。
此系统采用远距离控制，控制台远离电镀生产现场，有利于保证操作人员的操作安全。
此套系统与通用小型行车结构类似，但是跨度较小，定位准确，电镀吊篮可以准确无误的进入电镀吊槽内。
本系统具有自动/手动两种控制方式，自动操作可以按照工序的要求自动完成电镀大车前行，小车在指定的电镀槽位置停车，按要求进行电镀生产。
电镀工艺完毕后，自动返回工作台。
整个过程除装卸工件需手工操作外，其余的整个环节都可自动完成。
手动操作时，生产线所有的操作完全由手动完成，任何设备不会自动运行。
本系统的电镀工艺具有程序预选能，在自动程序开始之前可以按照生产工艺的要求对电镀槽进行预选，即电镀小车在所选择的电镀槽位置停车进行电镀操作。
在不选通的开关处，小车不会有任何动作。
具有系统参数的修订功能，通过修改软件中的程序即可以修改程序的参数，比如电镀时间，停车时间等；更换熔断器，接触器的型号，即可以适应不同电路的要求。
本系统具有自检报警功能，启动自检开关可以启动自检小车对定位电镀槽用行程开关的故障进行报警。
同时，报警装置可以对电动机的运行情况进行实时监控，一旦机电故障，立即报警停机，确保生产的安全性。
同时报警装置也可以对手动程序进行监控，如果手动操作有误的话，同样会报警。
1.2主要技术参数
工作电压：
交流电路380V三相交流电源，50Hz控制显示AC220V，50Hz。
工作电流：
交流支路电流4A，干路电流10A，控制回路电流<1A。
&nbs,p;环境条件：
工作温度－20℃～200℃，
相对湿度40℃以上时不超过50％，25℃以上不超过90％，
安装海拔高度不超过2000m。
保护面积：
电镀设备安装高度20m以下，保护面积100m2。
控制设备安装高度250mm，面积<35cm2
定位精度：
±0.05m，
安全系数：
0.001
起吊额定重量：
500kg
1.3工作原理
本系统采用F1－60MR型号可编程控制器对整个系统进行控制，其编程特别方便，不但支持通常的逻辑、算术、位等，还直接支持了程序、跳转等指令。
控制范围包括自动运行程序，手动运行程序，自检程序以及故障报警程序。
通过编程器的按键将控制程序写入主机的RAM中去控制PLC内部软件继电器线圈触点的动作，内部触点的通断，经过逻辑组合从而达到智能控制系统工作的目的。
自动程序采用步进指令编程，使得自动生产的工作流程畅通无误，效率较高。
五个行开关是对电镀槽的定位开关，小车运行到此位置时会压动行程开关，产生控制信号，接近开关做限位开关用来控制大小车的行动。
涡流传感器用来实时监控电动机的运转情况，为故障报警做输入信号。
在PLC的输入端5个行程开关的输入前串入开关，便可以达到预选的目的，在后面将5个信号并入X412端口，即可以实现5个电镀动作的重复操作，又可以达到节省输入端口的目的。
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，传统生产线触点不良而产生火花和高温度都是产生火灾苗子的安全隐患。
PLC在电镀车间行车机械系统中的运用，取代继电器控制，可以有效地避免诸多上述问题。
1.4使用说明
系统的控制面板如图12所示：
启动RUN/OFF开关，控制装置开始工作。
XT1/XT2为自动/手动选择开关，打到XT1档，自动指示等HL12亮，反之，手动指示等HL13
亮。
自动运行时，按下SB3～SB7进行功能预选，选通开关本身自所带指示等亮，点动SB14启动自检程序，行程开关若有故障时，与预选开关SB3～SB7相对应的指示灯HL9～HL13闪烁，报警器BJ蜂鸣。
按下SB2停止键即可解除报警，停车检修。
若自检通过则通过信号灯HL17亮，装好工件，点动开始开关SB1可以进行自动操作。
小车、大车和吊篮上、下、左、右、前、后运行时，HL1、HL2、HL3、HL4、HL5、HL6依次点亮指示。
依次运行后，工件复位，再次点动开始开关SB1可以进行下一次操作。
在自动运行的过程中点动SB2停止键，则操作暂停，点动开始开关SB1可工序可以继续，而不必从头再来。
手动运行时，按下SB8～SB13，对应的指示灯，HL1～HL6点亮指示。
当M1～M3电机任意一个电机故障时，报警器蜂鸣，对应指示灯HL14～HL16闪烁，此时点动SB2停止键，解除报警，程序中断，故障修理完毕，点动开始开关SB1继续进行操作。
1.5使用与维护主意事项
（1）系统手动、自动程序独立工作，正在运行时不可强行进行手动/自动的切换，需要按动停止按钮后，方可进行切换。
（2）工作温度不要高于300℃否则传感器可能会失效，影响控制操作。
（3）手动操作完毕后要注意将操作器件及时复位，以便于一次操作。
（4）安装时注意设备的防湿，防潮。
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