《电镀行车课程设计》word版.docx
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《电镀行车课程设计》word版
电镀车间专用行车电气控制系统设计
一、设计说明书
1.1设计目的
通过这次课程设计我巩固了书本上的理论知识，也对大学里学的知识有了一个很好的总结和概括，特别是在低压电气，自动控制方面的理论知识有了个很好整理和应用。
同时要把这些大学学的理论应用今后的工作中去又是一个漫长的过程，通过这次课程设计也希望能为今后的学习和工作打下良好的基础，另外也希望自己的探索研究能力，查找和收集资料的能力得到相应的锻炼和提高。
1.2设计任务
1.设计出继电接触控制或PLC电气原理图、选择电器元件、编制元件目录表。
2.在上述控制原理图的基础上，设计出PLC控制的梯形图和PLCI/O口接线图，选择合适的PLC控制器。
3.绘制总接线图、电器元件板布置图与安装接线图、控制面板布置图与接线图。
4.编制设计使用说明书、设计小结、列出设计参考资料目录。
1.3设计内容与要求
1.3.1系统设计要求
a）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示意图如图1-1所示。
图1-1 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1-2所示。
图1-2电镀专用行车电气系统控制框图
b）拖动系统
专用行车的小车、大车及升降运动均采用三轴交流电动机（JY2-12-4型号0.8kw、1.99A、1410r/min、380V）分散拖动，并采用一级机械减速。
c）系统设计要求
1.控制装置具有程序预选功能（由工艺编定需要停留工位）一旦程序选定，除上、下装卸零件，整个电镀工艺应能自动进行。
可实现自动循环、单周期运行、前进操作、手动操作四种方式。
2.前/后运动，升/降运动要求准确停位，各运动之间应有必要的联锁作用。
3.采用远距离控制，整机电源及各动作要有相应指示。
4.行车运行采用行程开关控制，并要求有过极限位置保护。
主电路应有短路和过载保护
5.行车升降，进退采用能耗制动，升降电动机制动时间为2S，进退运动电动机制动时间为1S，1#~5#槽位的停留时间依次为10S、12S、14S、16S、18S，原位装卸时间为10S。
1.3.2系统总体设计方案
a）主电路的设计
系统主电路设计见附录所示，控制系统采用3台三相交流异步电动机（型号JYZ-12-4，P=0.8kw，I=2A,n=1410r/min，V=380V），M1用于驱动行车的前进后退，M2用于控制上升下降，M3用于点动调整行车左右位置，并由接触器KM1KM2KM3KM4KM5KM6分别控制其正反转。
隔离开关QS作为电源控制,由熔断器FU1实现短路保护，由热继电器FR1、FR2、FR3实现过载保护。
取U、W两相电流，经整流滤波后产生36V直流电，为能耗制动提供直流电源。
b）交流控制电路的设计
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。
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。
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。
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。
交流控制电路设计如图1-3所示。
图1-3电镀车间专用行车控制系统交流控制电路
1.4设计计算说明与元器件选择计算及参考
1.4.1动力设备的设计和选择
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
，横行速度设定为
，走行的速度设定为
，横行小车的全重设为200kg，桥重5t，横行的阻力系数设为
，走行的阻力系数为
，机械的传动效率η设为0.75。
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；故由机械设计公式可得计算式如（1-1）、（1-2）、（1-3）所示。
起升机构：
（1-1）
横行机构：
（1-2）
走行机构：
（1-3）
1.4.2主要参数计算及元器件选择
a）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0.8kw，一台额定功率0.016kw，故0.8kw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。
0.8kw电机的额定电流INE＝1.99A
（1-4）
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。
b）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如式（1-5）所示。
（1-5）
IQF－熔体额定电流；IS－电机的启动电流。
对于JY2-12-4型号电机，其额定电流IN＝1.99A，启动电流IS＝6.5×1.99＝12.93A，熔体额定电流IFU如式（1-6）所示。
（1-6）
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如式（1-7）得。
（1-7）
故干路熔断器的类型为：
RC1A～15，熔丝额定电流15A。
c）接触器的选择
对于JY2-12-4型号的电机，额定的功率PMN＝0.81kw，三相电源的相电压UMN＝380V，功率因数
，电机效率h＝75%，则控制回路的接触器的选择可以按下式（1-8）计算选择。
（1-8）
查阅手册可以确定接触器选用CJ10－5/3－380V型号。
d）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。
e）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。
f）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1-1所示。
表1-1LXJ6－4/8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
g）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1-2所示。
表1-2 BJ－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
h）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。
i）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1-4所示。
图1-4带灯船形开关电路
j）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。
k）电涡流传感器的选择
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如图1-5所示。
图1-5涡流传感器工作原
1.5控制电路设计
PLC电路的设计是电镀车间行车控制系统的核心部分，由硬件电路和软件电路一起实现自动和手动的控制程序，对这部分电路的设计分成硬件电路和软件电路两部分。
1.5.1PLC硬件电路的设计
根据以上硬件选型的设计要求，选用三菱FX2N-64MC型PLC，输入输出各32点。
如图1-7，将20个输入信号、17个输出信号按各自的功能类型分好。
下料点指示灯设为HL1，下料点声音指示设为HL2，一槽位指示灯设为HL3，二槽位指示灯设为HL4，三槽位指示灯设为HL5，四槽位指示灯设为HL6，五槽位指示灯设为HL7，原点指示灯设为HL8，运行指示灯设为HL9。
电机前进线圈设为KM1，电机后退线圈设为KM2，电机上行线圈设为KM3，电机下行线圈设为KM4，电机左调整线圈设为KM5，电机右调整线圈设为KM6，电机上下行后抱闸制动线圈设为KM7，电机左右平移能耗制动线圈设为KM8。
启动按钮设为SB1，前限指示接近开关设为SQ1，原点行程开关设为SQ2，下料点指示行程开关设为SQ3，后限保护接近开关设为SQ4，停止按钮设为SB2，一槽选择开关设为SA1，一槽接近开关设为SQ5，一槽上限开关设为SQ6，一槽下限开关设为SQ7，二槽选择开关设为SA2，二槽接近开关设为SQ8，二槽上限开关设为SQ9，二槽下限开关设为SQ10，三槽选择开关设为SA3，三槽接近开关设为SQ11，三槽上限开关设为SQ12，槽下限开关设为SQ13，左右调整点动按钮设为SB3，上下调整点动按钮设为SB4。
各输出端的负载一侧并联接入220V交流电。
绘制PLC接线图如附录所示。
将外接元件与PLC的I/O点一一对应，编排地址。
表1-3是外部信号与PLC的I/O接点地址编号对照表。
表1-3外部信号与PLC的I/O接点地址编号对照表
输入信号
名称
功能
I/O编号
SB1
启动按钮
X000
SQ1
前限指示接近开关
X001
SQ2
原点行程开关
X002
SQ3
下料点指示行程开关
X003
SQ4
后限保护接近开关
X004
SB2
停止按钮
X005
SA1
一槽选择开关
X006
SQ5
一槽接近开关
X007
SQ6
一槽上限开关
X010
SQ7
一槽下限开关
X011
SA2
二槽选择开关
X012
SQ8
二槽接近开关
X013
SQ9
二槽上限开关
X014
SQ10
二槽下限开关
X015
SA3
三槽选择开关
X016
SQ11
三槽接近开关
X017
SQ12
三槽上限开关
X020
SQ13
槽下限开关
X021
SB3
左右调整点动按钮
X032
SB4
上下调整点动按钮
X033
输出信号
名称
功能
I/O编号
HL8
原点指示灯
Y000
HL9
运行指示灯
Y001
KM1
电机前进线圈
Y002
KM2
电机后退线圈
Y003
KM3
电机上行线圈
Y004
KM4
电机下行线圈
Y005
HL1
下料点指示灯
Y006
HL2
下料点声指示
Y007
HL3
一槽位指示灯
Y010
HL4
二槽位指示灯
Y011
HL5
三槽位指示灯
Y012
HL6
四槽位指示灯
Y013
HL7
五槽位指示灯
Y014
KM5
电机左调整
Y015
KM6
电机右调整
Y016
KM7
电机上下行后抱闸制动
Y017
KM8
电机左右平移能耗制动
Y020
1.5.2PLC控制系统软件程序的设计
PLC系统的软件程序主要应该能够完成三个方面的功能：
自动程序的运行、停止；手动程序；系统的故障报警。
a）自动程序分析说明
1.行车过程分析
大车原始状态为行车道末端，吊篮下放，小车的原始状态在大车的左端。
当操作工放好待加工工件，按下开关，吊篮上升，大车前行。
到达镀槽所在位置，停留几秒中，小车启动，在各槽前停留预定的时间。
吊槽下降，电镀完毕后，吊槽上升，继续前进，重复上一步操作，经过5个槽后，小车停止右行，大车回行。
返回后端后，小车右行，吊篮下放，整个工艺结束。
2.控制系统方案及方案软件设计
从控制系统功能考虑。
为了便于控制系统的调试和维护，本设计加有手动功能和显示功能。
当自动/手动转换开关打到手动位置时，可进行相应的手动操作，同时“手动”状态指示灯亮。
当吊篮处于原点状态时，将手动/自动开关转换到“自动”位置时，“自动”状态指示灯亮，进入自动控制状态，手动按钮无效。
方案的软件设计的详细思路如下：
大车在原位，吊篮在下端，将自动/手动打到“自动”，预选入需要使用的行程开关，当自检信号通过后，点动自启动开关，程序自动运行。
此时，定时器启动，达到吊篮上升的规定时间25s。
从安全的角度考虑，工件完成上升动作后应该有短暂的停留时间以消除惯性作用，设暂停时间3s。
3s后，启动大车前进电机，。
触及到前限位开关，延时3s后，小车左行电机启动。
触及槽1前的定位开关，同时有效行程开关信号接通，，同时小车停止。
延时3s后，吊篮下降电机启动，同样定时25s的下降时间后，吊篮停止下降。
设电镀时间为10s，则定时器定时10s后，吊篮上升，同样上升25s后停止上升，经过3s延时后，小车继续左行。
如果左行同样压触到行车开关时，在预选通的行程开关处继续重复刚才的电镀工艺操作；如果电镀小车经过了所有的行程开关后碰到左限位的接近开关后，小车停止左行，延时3s后，大车回行。
触及后限位开关时，大车停车3s，然后小车右行。
小车右行触及右限位开关时，小车停车3s，吊篮下降，下降25s后停止。
整个自动生产过程停止，点动开始按钮，可重复同样的操作进入下一个电镀环节。
b）手动程序的分析说明
在自动工作或是工件在原位时，若将自动/手动开关打到“手动”档，则X512ON，输出端子均复位，自动工作停止。
这时按动相应的手动开关，可以实现手动上升、下降、左移、右移、前移、后移的动作。
利用手动操作使机械回到原点后，将手动/自动开关打到“自动”位置，即可再进入自动工作环节。
并且在手动运行时，在软件中设计了电机六个状态（上下、左右、前后）的互锁，一次只能完成一个动作，从而保证了操作工序的安全性。
c）自检程序及报警程序分析说明
对于本系统，我们考虑的故障状态主要包括两个内容：
即行程开关的故障和电机的故障。
行程开关是控制电镀工艺顺利进行的关键元器件，由于行程开关是无源机械开关，当设备组装完毕后长期的反复性的压动可能会造成开关的失效，即电镀小车压动开关时不会有有用信号输入PLC。
而程序要求具有预选功能，即只检测已经选通的行程开关，不选通的开关可以不用检测，报警装置只对选通开关的故障进行报警，所以程序在每次启动之前可以用检测程序对选通的行程开关进行检测，如果选通的行程开关故障则程序会自动报警，自动程序将无法启动。
相反，如果自检通过，则自检信号灯点亮，可以进行自动程序的操作。
而手动程序完全是人工操作，不需要行程开关输入传感信号，所以进行手动操作时可以不用进行行程开关的自检。
对于电动机的故障检测，由于驱动程序在PLC内部，只要程序无误，驱动继电器的状态不会错误，然而电动机却会因为一些意想不到的情况不按照继电器的输出运行。
譬如说正转继电器动作，而电机的转轴由于机械故障卡死不动，这时控制程序需要立即报警，对电机进行停机检修。
此外，报警装置还可以起到对手动程序的实时监控。
为了达到完全手动操作的目的，手动程序的开关将设置为不具有自保的特性。
即，压动开关时电机启动运行，松手时电机立即停止运行。
此套报警装置应该达到这样的目的：
当操作员疏忽大意，电机已经运行到极限位置而停转（比如当起吊电机已经将吊篮提升至顶端吊索放完，而操作人员却没有意识到）时要能够及时的报警，提醒操作人员操作有误。
d）控制系统动作流程框图
为实现设计要求，拟用三台电动机分别控制行车前进后退到达不同的电镀槽位，上行下行实现电镀过程，以及必要时做左右调整。
通过选择不同的旋动开关实现功能选择，以使行车在不同的槽位停止完成电镀的动作。
图1-6为实现这些动作的流程框图，也是程序运行的主要流程。
图1-6控制系统动作流程框图
e）系统控制流程图
通过调用子程序这种方法，可以实现选择不同的开关完成不同的动作。
给这种程序设计思想具有较强的功能拓展性，可根据不同的要求对子程序赋予不同的值，实现程序预选功能。
图1-7为子程序调用流程框图。
图1-7子程序调用流程框图
1.6设计工艺图
按照设计的要求可以清楚的绘制出电气装置总体配置图，总接线图、电气板电器元件平面图，控制面板电器平面及接线图。
a）在本设计中，除电控箱以外，在电镀车间现场设计安排的电器元件和动力设备有：
行程开关、电动机、电涡流传感器等。
在电控箱内电器板上设计安装的电器元件有：
熔断器、隔离变压器、可编程控制器、中间继电器、接触器及热继电器，端子板等。
在控制面板上设计安装的电器元件有：
控制按钮、旋转按钮开关、钮子开关、各色指示灯以及报警蜂鸣器等。
b）根据所用电气设备，电气元件在现场的分布情况对照原理图，可以绘制出电气控制设备的安装图，如附录所示。
c）根据用户要求满足操作方便、显示明了、美观大方、布局均匀对称的设计原则，同时根据人机工程学中有关“操作－显示的编码和编排的相合性”，操作显示装置要满足减少信息加工的复杂性，以提高工作效率，所以应使操作器的编码尽可能与显示器的编码相
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