电镀自动线柔性控制系统设计与应用.doc

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工程硕士学位论文

摘要

近年来，特种工艺表面处理（电镀）技术在工业领域中得到了迅速的发展。

特别是微裂纹镀铬工艺和柔性电镀自动线控制技术，以其高效、灵活、精密等显著特点，成为国内外的研究热点。

本设计提出了微裂纹镀铬电镀自动线柔性控制的具体解决方案。

以PT（可编程终端简称触摸屏）与PLC（可编程控制器）等主要器件组成控制系统，接收并处理电镀设备的传感信号。

同时，PLC将电镀设备的运行状态信息显示在触摸屏上，并等待接收控制指令。

操作人员通过触摸屏输入指令信号，主控制模块根据触摸屏输入的指令和柔性控制算法控制电镀设备的工作状态，从而实现柔性电镀控制。

上位机通过串口与控制系统实现通讯，可以根据具体需要更新控制系统的控制程序，从而使系统更具灵活性，以适应不同的生产需要。

本课题完成了控制系统的软硬件设计，并成功应用于减振器杆微裂纹镀铬电镀自动生产线，取得了良好的效果。

本文首先讨论了柔性电镀自动线相关理论，结合电镀自动线机械设计和工艺设计要求，提出了柔性控制系统的解决方案，并对方案进行了详细的论证。

在此基础上，完成了柔性控制系统硬件设计、柔性控制系统软件开发、PT与PLC现场调试及性能分析。

关键词柔性控制；电镀自动线；PT；PLC

Abstract

Inrecentyears,thetechnologyofspecialprocesssurfacetreatment（electroplating）hasdevelopedrapidlyintheindustrialfield.Especiallymicrofracturechromalizingtechniqueandflexibleelectroplatingautomaticlinecontroltechniquebecamethefocusofdomesticandoverseasresearcherbecauseofitsnoticeablecharacteristicsofhighefficiency,agilityandhighprecision.

Thisdesignintroducesaspecificsolutionofmicrofracturechromalizingautomaticlineflexiblecontrol.WiththeframeworkofPT（programmableterminationcalledtouchscreen）andPLC（programmableLogiccontroller）,webuildthecontrolsystem,whichreceivesandprocessesthesignalfromtheelectroplateequipment.Atthesametime,thePLCviewsthestateinformationonthePT,waitingfortheinputorder.TheoperatorinputsthecontrolorderbyPT,inordertocontrolthestatesofelectroplateequipment.Inthisway,wecanrealizetheflexiblecontrolmethod.ThemaincomputercommunicateswiththecontrolsystembyRS232serialinterface,sowecanrefreshtheprogramofthesystemtomeetdifferentproduceneeds,whichmakesthecontrolsystemmoreconvenientfordifferentusers.Thesoftwareandhardwaredesignwerecarriedoutandappliedtomicrofracturechromalizingautomaticproductionlineofabsorbersticksuccessfully.

Firstly,Thispaperdiscussedthetheoriesconcerningflexibleelectroplatingautomaticline.Secondly,thispaperproposedsolutionofflexiblecontrolsystemaccordingtoconcernedtheoriesandelectroplatingautomaticlinerequirementsofmechanicaldesignandprocessdesign,additionally,thispaperpresenteddetaileddemonstrationaboutabovesolution.Lastly,inthebasisofthissolution,thispapercompletedhardwaredesignofflexiblecontrolsystem,softwaredevelopmentofflexiblecontrolsystem,onsitedebuggingandperformanceanalysisofPTandPLC.

Keywordsflexiblecontrol;electroplating;PT;PLC

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2课题研究的目的及意义 2

1.3电镀自动线柔性控制的发展 3

1.3.1PT、PLC在电镀自动线中的应用 3

1.3.2国内外研究现状及分析 4

1.4本文研究的主要内容 5

第2章电镀自动线柔性控制原理 7

2.1电镀自动线的组成及特点 7

2.1.1电镀自动线的组成结构 7

2.1.2电镀自动线的特点 8

2.2电镀自动线的工艺特征 10

2.2.1电镀自动线的工艺流程 10

2.2.2电镀自动线柔性控制的技术要求 12

2.3本章小结 12

第3章电镀自动线柔性控制系统设计 13

3.1系统方案设计 13

3.1.1系统结构 13

3.1.2方案分析 15

3.2系统的硬件设计 16

3.2.1PT的主要性能 16

3.2.2PLC器件的特点 17

3.2.3芯片型号的选择 19

3.2.4电气控制接线图设计 22

3.3系统的软件设计 27

3.3.1PT窗口界面设计 27

3.3.2PLC编程原理 30

3.3.3用户代码设定 32

3.3.4控制过程程序设计 33

3.4本章小结 38

第4章电镀自动线柔性控制系统的应用及测试 39

4.1电镀自动线柔性控制系统的应用 39

4.2生产线上用户程序编制方法 40

4.2.1行车控制的硬件安装位置 40

4.2.2用户程序编辑 41

4.2.3用户程序数据区（DM）填写 42

4.3系统实际使用流程 44

4.3.1PT、PLC组态及程序调试 44

4.3.2检测系统反馈 45

4.3.3根据反馈修改完善程序 46

4.4系统能力评价 48

4.5本章小结 49

结论 50

参考文献 51

致谢 53

、

-53-

工程硕士学位论文

第1章绪论

1.1课题背景

半个世纪以来，世界机械与电子工业的发展极大的促进了电镀技术的进步，特别是近二十余年来，在电镀过程中引进诸多物理因素如：

磁、声、光、热、电流波形及频率、溶液流速和机械震动等，使镀层质量和电镀效率有了明显提高[1]。

国际上研究工作比较活跃的领域是脉冲电镀、高速电镀和复合镀等，目前在国内已得到成功应用。

工业发展不断的对新材料提出要求，电镀技术也由原来进行防护装饰和功能性镀层加工跨入了新材料制造领域，对电镀设备及其相关的配套装置的性能、质量和品种等提出了新的更加严格的要求[2]。

为了稳定电化学生产过程，保证产品质量一致性，各国电镀行业对生产过程自动化相当重视。

电镀的自动化管理系统得到应用，并已经实现商品化，在汽车制造等行业中开始使用。

对于一些批量很大和连续性生产的电化学加工生产线，电镀自动管理已成为稳定生产的关键问题。

微裂纹镀铬[3]工艺是近几年来飞速发展的一种电镀加工工艺，镀铬在电镀工业中占有极其重要的地位，并列为三大镀种（镀锌、镀铬、镀镍）之一。

在传统镀铬的基础上，相继开发了微裂纹镀铬、稀土镀铬、高效率镀铬等新工艺[4]，使镀铬层的应用进一步扩大。

柔性控制[5]（Softcontrol）由一个控制（PLC）系统联系起来的一些设备,传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备,使工件加工准确、迅速和自动化。

国际生产工程研究协会指出“柔性控制系统是一个自动化的生产制造系统,在最少人的干预下,能够生产任何范围的产品族,系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。

” 

国际上电镀自动线的控制系统，比较有代表性的是德国帕尔公司的自动化控制系统，它融合了德国“西门子”公司生产的电器原件的优良性能，整合各硬件形成了高端高性能的电镀自动线控制产品[6]。

其香港分公司在北京的合资公司北京金朋电镀器材有限公司的控制系统是国内电镀自动线的高端产品，垄断并制约着国内产品的开发和研制。

近年来深圳上材旭光化工机械（深圳）有限公司将部分日本电镀设备控制系统引入国内，其PT控制系统设计有着比较高的性能，二家外国公司的控制系统影响着国内电镀设备制造厂家的控制系统水平。

可编程终端PT（ProgrammableTerminal，PT）又称人机界面（HMI），与PLC（ProgrammableLogicControlle：

PLC）联机通信后，通过键盘或屏幕的触摸键，可向PLC输入数据以及控制命令，进而控制电镀设备工作，具有高度自动化的特点[7]。

同时，这种方式可以与柔性控制技术结合在一起，进而组成电镀自动线柔性控制系统。

目前，国内正在加大这方面的研究，力图缩小与国际上的差距。

基于PT、PLC的电镀自动线柔性控制系统，它的应用有助于提高生产效率和工艺质量，改善工艺水平，提高我国电镀设备产业的国际竞争力。

1.2课题研究的目的及意义

随着我国加入WTO，国内的产品要走向国际市场，而国外的产品要进入国内市场，提高产品质量和降低成本是社会发展的必由之路。

提高设备的自动控制水平和适应性是未来发展的必然结果，提高国内设备制造水平，同国际设备接轨是设备制造厂家的必然选择[8]。

在社会高速发展的今天，充分了解和掌握各专业发展的前沿，熟练运用成熟的控制方案，在国际上节约能源减少污染排放被越来越多地重视。

提高劳动生产率，降低生产成本，提高设备的自动控制水平，合理有效地使用资源，成为技术发展的方向[9]。

特别是电镀行业是污染排放比较严重的行业[10]，高污染低能效的技术，已经被发达国家逐步限制、被其它工艺所代替。

开发“柔性电镀自动线”可以取代进口设备，组建适应于国内厂家要求的生产线，具有很高的现实意义。

在全面了解国际国内电镀工艺发展水平，和高端机械设备结构的基础上，采用PLC、PT等自动化水平较高的控制方案，将柔性控制技术与实际生产相结合。

目前，针对国内各厂家的具体要求，开发更适应用户需求的产品，已经得到越来越多的研发机构的关注。

从柔性控制角度开发和设计电镀自动线控制系统，可以实现节约能源，减少污染物的排放，提高劳动生产率、降低生产成本，使之有同国际市场上的电镀设备产品相竞争的优势[11]。

同时也能提高和促进国内电镀行业设备的控制水平，开发出具有自主知识产权的设备控制系统。

1.3电镀自动线柔性控制的发展

1.3.1PT、PLC在电镀自动线中的应用

可编程终端PT（ProgrammableTerminal，PT）可向可编程控制器PLC（ProgrammableLogicController，PLC）输入数据，显示数据或图形。

在普通PC上使用厂家提供的PT支持软件，可以调用各种控件，如各种按钮、数值、输入、指示灯、数值显示、文字/数值显示、信息显示、条状图、曲线图、XY图，图仪表，动态图、图形元素、静态文字、静态图形等。

用这种方式，可以制作数百幅生动、丰富的监控画面。

用户通过程序开发后，完成程序的编译，由连接PCRS-232C端口与PC的第1个RS-232C端口的通信线缆，将监控画面由PC下载到PT，此后，PT就可以脱离PC而独立工作[12]。

PLC可编程控制器是一种数字运算操作系统，专为工业环境应用而设计。

它采用可编程的存储器结构，可以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入/输出，控制各种机械设备的生产过程[13]。

柔性电镀自动线中的柔性控制的概念，是指在生产线上将要生产的零件按照技术、工艺要求进行有效分类后，能够进行自主生产，在PT、PLC及软件程序的控制下尽量减少人为因素的影响，在整条生产线中间做到无人化生产，实现工厂要求的“混流生产”，满足不同工艺参数的质量要求[14]。

下面主要介绍一下国内应用了PT、PLC技术自动化控制水平比较高的几条电镀生产自动线，厂家，及各自自动控制系统的性能。

国内的典型的生产线有：

吉林长春一汽嘉信热处理电镀科技有限公司使用的滚镀锌自动生产线和高架装饰镀铬线；长春一汽东机工减振器有限公司使用的微裂纹减振器杆镀铬一线和二线；辽宁锦州万得汽车减振器有限公司使用的微裂纹减振器杆镀铬一线和二线。

以上六条生产线自动控制系统各有特点：

北京金朋电镀器材有限公司，是国内首家引进国外电镀生产线自动控制程序及其设计要求的公司，在国内制造了几十条自动控制生产线，在同长春一汽嘉信热处理电镀科技有限公司合作过程中，培训了几名电器控制工程师，在使用过程中还没有应用类似于PT等可视化自动检测技术，因此在设备特别是控制方面出现问题时，及时处理有很多的难度，主要是故障出现的位置不容易判断，程序修改也有很多问题。

但其程序设计的理念比较先进，对开发为柔性控制程序设计提供了很好的理论基础。

上村旭光化工机械深圳有限公司是近几年进入国内市场的电镀设备制造公司，其产品优点是控制性能很好，具有稳定的性能，把PT引进到了控制系统，并对PLC、PT等相关硬件软件的通讯性能进行了较完整的开发，在电镀自动线上有很好的应用。

不足之处在于设备运行过程中是按“步”来进行的，只能按一种程序进行工作，适应性很差，更谈不到柔性控制了。

长春一汽嘉信热处理电镀科技有限公司，是国内制造高端电镀自动线设备控制的企业，是融国内、国际高端设备自动控制于一体的生产设备制造厂家之一。

其产品从实际出发，从工艺、设备、工装、零件、辅助设备入手，吸收了国内外厂家之优点，开发出了具有适应各方面要求的自动线控制系统，在些基础上形成了柔性电镀自动线的控制系统[15]。

1.3.2国内外研究现状及分析

国外电镀自动线制造、生产厂家都采用上位机来控制自动线的各种运行状态[15]，具有设备集成度高、功能性强、专业化程度高、成本较高的特点。

一般国外一套自动线成本均在一千万元以上，且设备维修和管理费用是国内厂家无法承担的。

进口到国内设备的自动控制部件都进行了多层保密设计，有问题后都需要请国外供货商来维修，维修费用高，并且供货商不针对国内厂家的需要进行二次开发，设备具有很强的垄断性。

国外的电镀设备现阶段主要强调的是设备的产能，主要开发的是专一设备，符合外国的大批量，少品种，专业化厂家的需要，在柔性控制方面只是保证用户提出的基本要求。

现阶段，还没有提出向国内厂家要求的一些与工艺紧密相关的控制要求，如行车起吊的柔起、柔停功能，整流器送电的柔起、柔停功能，一条生产线上可以生产多个工艺要求的零件等适合国内电镀厂家电镀设备。

柔性控制在国际上提出主要包含以下几项内容：

机器柔性：

当要求生产一系列不同类型的产品时,机器随产品变化而加工不同零件的难易程度。

工艺柔性：

工艺流程不变时自身适应产品或原材料变化的能力，制造系统内为适应产品或原材料变化而改变相应工艺的难易程度。

　　产品柔性：

产品更新或完全转向后,系统能够非常经济和迅速地生产出新产品的能力，产品更新后,对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。

　　维护柔性：

采用多种方式查询、处理故障,保障生产正常进行的能力。

生产能力柔性：

当生产量改变、系统也能经济地运行的能力。

对于根据订货而组织生产的制造系统,这一点尤为重要。

　　扩展柔性：

当生产需要的时候,可以很容易地扩展系统结构,增加模块,构成一个更大系统的能力。

　　运行柔性：

利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产品,换用不同工序加工的能力[16]。

近年来，为打破国外垄断，我们在研究和开发实用性强、性价比合理的电镀设备。

仅使用PLC来控制设备实现自动控制需要大量的程序设计，一般要求几套至十几套程序，因此采用价格比较低的PT（代替上位机）与PLC联合使用，使部分由程序控制的内容，转化为触摸屏上部分窗口可调来实现，这样解决了造价高及技术要求高的难题。

今后在开发方面主要以实际应用为主，能够实现整条自动线的自我管理，实现更加柔性化。

1.4本文研究的主要内容

为满足不断发展的需要，我们在电镀自动线控制程序引入了PT与PLC自动控制，也提出了“柔性电镀自动线”的概念。

本课题力争运用先进的技术手段和控制理论，解决生产线中的实际问题，提高生产效率和产品的工艺质量。

本课题主要研究通过PT、PLC实现对电镀自动线的联合控制，使设备自动运行、电镀工艺参数自动检测调整、自动给定参数，以实现设备的柔性控制[17]。

先对需要研究的内容和要求作了全面的分析和了解，对采用的硬件的性能和使用方法作了详细研究，并对控制系统中使用的软件程序和通信程序等相关内容作了先期的开发。

利用研究的成果在有关的设备上进行了实际应用，收到了良好的效果。

本文主要研究内容有以下五个方面。

1．从电镀自动线机械设计、工艺设计着手，采用先进的设计方法和工艺布置为控制做好基础；分析电镀自动线设备的特点，工艺流程及设备柔性控制的要求。

2．对PT的基本性能作全面的研究，特别是对二种PT性能的对比实用的研究。

PT质量高低直接影响程序的编制和对柔性控制的影响，本文通过对PT性能的分析和PT窗口页面的设计，经过多次设计和修改之后，使PT设备满足工艺需求，解决了PT在电镀自动线上应用的相关问题。

3．对PLC的基本性能作了全面的探索，特别是对日本OMRON（欧姆龙）公司模块式PLC的性能的作了重点的了解和研究，其PLC质量性能直接影响程序的编制和对柔性控制的解决难度。

通过对PLC性能的分析和PLC程序的设计，结合本次课题所要开发的内容，进行了多次的设计和修改，重点对柔性控制理论在PLC程序设计中正确使用、如何在程序中实现其功能，作了全面分析和产述，通过对“步”自动运行程序的设计和分析，程序设计在读程序、分析程序、执行程序的过程，能够完全满足生产线的全面需要，从而实现程序的柔性化控制。

4．主要从二个方面对电镀自动线柔性控制的硬件及安装图纸进行了选择和设计，所选择的各项零件对以后的使用有着举足轻重的影响，其性能指标是否能够实现柔性控制的重要依据。

在设计过程中充分考虑为PLC中程序设计的需要，特别是DM数据区的使用预留了足够的设计接口。

5．根据锦州万得汽车悬架有限公司的要求,设计年产300万支减振器杆微裂纹镀铬生产线，并以满足“混流生产”为背景，探讨新开发的PT、PLC柔性控制系统，经过具体实施步骤,进行有效的调试工作，特别是在修改程序时的良好性能进一步得到了发挥。

第2章电镀自动线柔性控制原理

2.1电镀自动线的组成及特点

2.1.1电镀自动线的组成结构

电镀自动线主要包括：

起吊行走行车系统、行架系统、槽组系统、通风系统、工装系统、直流电供电系统、溶液循环加热系统、电器控制系统构成[17]。

如图2-1所示。

1号行车2号行车

二套通风系统

行架槽组系统循环加热

图2-1电镀自动线的组成

Fig.2-1structureofautomatismelectroplatingproductline

各系统的主要功能如下：

起吊行走行车系统：

由二台行车组成，用来完成零件各工序间在夹具上的运输。

行架系统：

行架用来支承行车，即为行车配套的部件。

槽组系统：

是组成生产线的主要部件，完成零件的除油、清洗、阳极刻蚀、镀铬、回收、清洗等工序。

主要包括化学除油槽、温水清洗槽、冷水清洗槽、阳极刻蚀槽、镀铬槽、四级回收槽、镀后清洗槽等组成部分。

通风系统：

主要由槽上吸风罩、槽边风箱、风管、风机及排风管等组成，用来排除由除油槽、阳极刻蚀槽、镀铬槽溶液产生的废气，保持室内空气清洁。

工装系统：

主要包括夹具主体导电支撑架、上下屏蔽护套及导电坐等相关配件，用来给要电镀的零件提供足够的电流和均匀的电流分布。

直流电供电系统：

由直流电源（12V2000A）、导电铜排、V型坐等构成，用于给电镀零件提供稳定的直流电能。

溶液循环加热系统：

主要由循环泵、加热器、循环管、温度传感器、温度控制表及电器原件等组成，具有自动加温、保温及显示温度功能，及不用人工调控温度，具有加温快、节电等优点。

电器控制系统：

主要由PC机、变频器、空气开关及各种电器原件组成，是用来完成行车的各项工作的周边电器系统[18]。

2.1.2电镀自动线的特点

电镀自动线具有如下特点：

1、龙门式单驱动增强纤维带提升行车

行车采用钢板弯形大部件组装龙门式框架结构。

外表面刷防锈底漆后外喷涂桔红色防护漆；行车的提升、行走均采用制动电机直插式蜗轮减速器驱动，运行速度分为高、中、低三速变频调整，运行平稳；提升为增强纤维带传动；变频调速；行车的提升、行走及停止均由微机通过无触点开关控制，并配有提升防反转过冲及判断夹具等保险安全装置[19]。

全线由两台行车组成，它的作用是实现零件在各工艺槽之间运输，主要起到三个作用，一是保证零件在生产线上的左右运行，二是实现零件从镀槽中提起和落下，三是携带溶液接液盘，保证溶液不滴入其它溶液槽中。

2、行架结构简单方便

全部结构为小部件组装式，通用紧固件组装成整体行架；结构简单维修方便；对场地无特殊要求，一端进出件的生产线便于生产操作；底部用工字钢垫底提高生产线高度便于操作者操作[20]。

行车的组成及运动方式如图2-2所示。

包括行车和接液盘的左右移动时候电机的左右转，和吊杠的上下移动时候电机的正反转。

电机得到控制系统的控制信号以后，按照用户所需要的方式控制行车、接液盘和吊杠的运动方向。

图2-2行车的组成及运动