1、基于PLC的电镀生产线控制系统设计设计基于PLC的电镀生产线控制系统设计摘 要本文讨论了如何利用德国西门子PLC S7-200进行自动化电镀生产线控制，在本次设计中，我们从自动控制技术器件在国内的应用前景及电镀生产线生产现场的环境来考虑，以使该生产线真正具备自动生产运行为目的，从而采用在当前及以后都应用广泛且能适应多种环境的可编程控制器来控制整个工作流程的方案。重点分析了系统软硬件设计部分，并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等，实现了电镀生产自动化，提高了生产效率，降低了劳动强度，大大提高了工作人员的工作环境质量。为适应现代传统的工业控制系统，还采用了基于组态
2、王软件的系统作为上位机，配合下位机PLC完成了该系统的实时监控系统功能，更好的使该自动生产系统融入到现代工业控制领域中。关键词：PLC，电镀，组态王Design of Galvanization Production Line ControlSystem Based on PLCABSTRACTThis article discussed how carried on the automated galvanization production line control using German Siemens PLC S7-200. In this design, we take consi
3、der of the automatic control technology component in the domestic application prospect and the environment of the galvanization production line, and this makes this production line truly to have the automatic production movement as the goal. We formulate a plan that uses a programmable controller wh
4、ich can adapt many kinds of environment in current and later to control the entire work. We analyzed the system software and hardware design with emphasis, and provide the system hardware wiring diagram, PLC I/O port distribution list and the overall program flow diagram and so on. This design reali
5、zed the galvanization production automation, enhanced the product efficiency, and reduced the labor intensity. In order to adapt the modern tradition industry control system, we also used the King View software system which had taken on as the position machine. And coordinate PLC as lower position m
6、achine. All this has made this system had the function of current time monitoring. That caused this automatic production system integrate to the modern industry control system better. KEY WORDS: PLC, Galvanization, King View目录前言本设计的工作过程是这样的：在电镀生产线左侧，工人将零件装入行车的吊篮并发出自动启动信号，行车提升吊篮并自动前进。按工艺要求在需要停留的槽位停止，
7、并自动下降。在按要求达到定时时间后自动上升，如此完成工艺规定的每一道工序直至生产线末端，行车便自动返回原始位置，并由工人装卸零件。电镀生产线按照其工艺要求和规模一般设计有两台行车、三台行车和四台行车工作，每台行车都根据已编制好的各自的程序运行；对于行车的自动控制，早期是采用继电器逻辑电路和顺序控制器，发展至今其控制方式已采用可编程控制器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。一件电镀产品的质量除了要有好的成熟的电镀工艺和品质好的镀液添加剂外，如何保证电镀产品严格按照电镀工艺流程运行和保证产品的电镀时间则是决定电镀产品质量和品质的重要因素。在电镀生产线上采用自动
8、化控制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，有着非常好的经济效益和社会效益，电镀生产线上对行车的自动控制则是电镀生产线自动化控制的关键。用PLC辅以变频器对电镀自动生产线行车进行自动控制，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，是电镀生产实现高效、低成本、高质量自动化生产的发展的主流方向。 第1章 绪论1.1 控制系统概述与选题背景意义1.1.1 控制系统的概述一件电镀产品的质量除了要有好的成熟的电镀工艺和品质好的镀液添加剂外，如何保证电镀产品严格按照电
9、镀工艺流程运行和保证产品的电镀时间则是决定电镀产品质量和品质的重要因素4。在电镀生产线上采用自动化控制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，有着非常好的经济效益和社会效益，电镀生产线上对行车的自动控制则是电镀生产线自动化控制的关键15。电镀生产线按照其工艺要求和规模一般设计有两台行车、三台行车和四台行车工作，每台行车都根据已编制好的各自的程序运行8；对于行车的自动控制，早期是采用继电器逻辑电路和顺序控制器，发展至今其控制方式已采用可编程控制器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7。1.1.
10、2 课题的选题背景及意义中国经济高速发展，工业化进程的不断深化，为自动化行业的迅猛发展提供了广阔的空间。电镀行业是我国重要的加工行业，但是大多数中小企业仍在使用许多过时的技术和设备，大量的生产线为半机械化和半自动化控制，一些甚至为手工操作。工业电镀生产线工位多、生产复杂，同时在电镀中，其氧化、酸洗、碱洗、电镀等许多工艺具有严重的化学污染和腐蚀，对人的身心健康十分不利，而且人工操作随机性大，影响产品质量。传统的方法是使用顺序控制器，由于其电路复杂，接口多，受外界干扰大，工作可靠性差，维护也困难。采用PLC有较完善的诊断和自保护能力，可以增强系统的抗干扰能力，提高系统的可靠性。用PLC辅以变频器对
11、电镀自动生产线行车进行自动控制，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，是电镀生产实现高效、低成本、高质量自动化生产的发展方向。1.2 控制对象的设计要求如摘要中所述，电镀的工作流程如图1-1：启动吊钩上升上限行程开关闭合右行至1号槽上方XK1行程开关闭合吊钩下降进入1号槽下限行程开关闭合电镀延时吊钩上升由3号槽内吊钩上升，继续右行，碰到右限位，然后左行至左限位，吊钩下降至下限位，即原位。按照要求，我们要实现以下工作方式：连续工作，当吊钩回到原点后，延时一段时间（装卸零件），自动上升右行，按照工作流程要求不停的循环；单周期
12、工作，设备始于原点，按下启动按钮，设备工作一个周期，然后停于原点，要重复第二个工作周期，必须再按一下启动按钮；步进工作，设备始于原点，当按下启动按钮时，设备只会运行一步，然后停止；再按下启动按钮时，设备会再向前运行一步，然后停止；按照此过程一直工作下去，直至一个工作周期完成。图1-1电镀生产线的工作流程1.3 PLC系统组成PLC分为箱式和模块式两种，但他们的组成是相同，基本上都是由CPU，存储器，输入/输出接口电路，电源模块等几部分组成的5。下面分别对几种单元进行介绍。1.3.1 CPU CPU是整个PLC的核心，起神经中枢的作用。它按照PLC的系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，用
13、扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中。同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的信号，去指挥有关的控制电路。 1.3.2 存储器 存储器是具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。1.3.3 输入/输出接口电路1
14、. 输入接口输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。2. 输出接口输出接口工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或者不动作。 1.4 PLC的基本工作原理PLC采用“顺序扫描，不
15、断循环”的工作方式，主要有以下几个特点：一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。每次扫描过程，集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入14。元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度；指令本身占有的时间；指令条数。 由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。1.5 小结就目前的工业发展情况和学校的教育实际而言，选择基于PLC的电镀生产线自动控制系统设计作为本科阶
16、段的毕业设计，既能与当前的生产实际相结合，能够在一定程度上解决当前工业生产的问题，又能与大学本科教育的具体实际相吻合，将大学阶段所学的理论知识运用到实际中，具有很好的效果。第2章 系统的硬件设计2.1 主电路设计电气原理图是根据电气控制系统的工作原理，采用电器元件展开的形式，利用图形符号和项目符号表示电路各电器元件中导电部件和接线端子连接关系的电路图。电气原理图具有结构简单、层次分明的特点，适合研究和分析电路工作原理，在设计研发和生产现场等方面得到广泛应用10。在本设计中，根据电镀生产线的工艺要求，只需用两台电机分别控制吊钩的上升、下降和行车的左行、右行。主电路如图2-1。图2-1中，接触器K
17、M1，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。图2-1 电镀生产线主电路图2.2 PLC机型选择各种PLC的品种很多，它们的结构形式，性能，价格也都各不相同，适合的场合也各有侧重。合理选择PLC型号，对于提高PLC控制系统技术经济性指标具有重要意义3。S7-200系列PLC可提供5种不同的基本单元和多种规格的扩展单元等。目前提供的S7-200CPU有：CPU 221、CPU 222、CPU 224、CPU 224XP、CPU 226和CPU 226XM，不同型号的PLC性能差别也比较大。所以在实际设计中，要在满足
18、功能的要求下，选择能够保证系统可靠工作，维护使用方便以及价格适中的型号。根据自动化电镀生产线的控制要求，我们采用了德国西门子PLC S7-200 CPU226型号，此类型PLC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。其应用领域包括各种机床、纺织机械、塑料机械、电梯等行业。S7-200 CPU226通讯功能完善，具有极高的性能价格比是很突出的特点，也是我们采用它的主要原因。 PLC为此系统的控制核心，此系统的输入信号有两部分，一部分是原点、单周期、连续等面板控制按钮，另一部分是多种行程开关，这些面板按钮信号和传感器信号作为PLC
19、的输入变量，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。2.3 I/O分配表及其端子接线图2.3.1 I/O地址分配在本次系统设计中，我们定义的I/O分配表如表2-2所示。在本设计中，我将12个输入信号和4个输入信号按各自的功能类型分好，选定与之功能相对应的元器件，然后再与PLC的I/O点一一对应，编排地址如表2-1所示。数字量扩展模块的地址分配是从最靠近CPU模块的数字量模块开始，模拟量扩展模块的地址是从最靠近CPU模块的模拟量模块开始，在本机模拟量地址的基础上从左到右按字递增。
20、在整个系统的设计中，我选定I0.0I0.7和I1.0I1.4作为输入信号，Q0.0QO.3作为输出信号。具体分配见表2-1所示。表2-1 I/O分配表序号输 入序号输 出1I0.0上限位SQ113Q0.0上升KM12I0.1下限位SQ214Q0.1下降KM23I0.2左限位SQ315Q0.2右行KM34I0.3右限位SQ416Q0.3左行KM45I0.4XK1行程开关SQ56I0.5XK2行程开关SQ67I0.6XK3行程开关SQ78I1.0启动Q19I1.1停止Q210I1.2步进Q311I1.3单周期SB112I1.4连续SB2 2.3.2 PLC外部接线图在本设计中定义的I/O端子接线图
21、如图2-2所示。由图表可以看出,PLC控制系统的输入信号有12个，均为开关量。其中单操作按钮开关2个，行程开关3个，限位开关4个，选择工作方式开关3个。PLC控制系统的输出信号有4个，其中2个用于驱动吊钩电机正反转接触器KM1、KM2，2个用于驱动行车电机正反转接触器KM3、KM4。图2-2 I/O端子接线图2.4 小结在本章中，主要介绍了系统的硬件设计，选择了西门子S7200作为本设计的PLC机型，既能够充分发挥S7200系列PLC的性能特点，又能够满足本系统的设计要求。在后续的章节中重点介绍了系统的硬件设计。在硬件设计中确定了采用2台电机组成系统工作的主要传动机构的基本思路，从而在此基础上
22、完成了系统的I/O端口分配以及外部端子接线。第3章 系统的软件设计3.1 软件的组成及作用3.1.1 PLC内部资源内部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19。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。当定时器的输入条件满足时开始计时，当前值从0开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预
23、设值时，定时器触点动作。利用定时器的触点就可以得到控制所需的延时时间。2. 计数器：计数器可用来累计输入脉冲的个数，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，
24、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可能需要用到的PLC软元件，另外PLC还有很多其它的软元件。3.1.2 PLC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
25、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。以下我们详细介绍下梯形图的概念。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，通常称做母线（Bus Bar），大部分梯形图只保留左母线；梯形图的每一行是“从左到右”
26、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
27、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，从而完成其动作。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
28、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。由于扫描时间很短（一般不过几十毫秒），所以控制效果同电气控制电路是基本相同的。但在设计梯形图时，对这种并行处理与串行处理的差别有时候应予注意，特别是那些在程序执行阶段还要随时对输入、输出状态存储器进行刷新操作的PLC，不要因为对串行处理这一特点考虑不够而引起偶然的误操作。3.2 程序流程图设计
29、我们根据设计要求绘制了整个系统连续工作和单周期工作的流程图，以便可以更清楚的认识该生产线的生产全过程，工作流程图如图3-1所示。在PLC运行时，先对程序进行初始化，然后程序将会对输入进行判断，查看系统是工作在连续工作状态还是单周期工作状态。当系统工作在连续状态时，程序会按照设计不进行计数，从而可以一直循环下去，达到连续工作的设计要求。当系统工作在单周期状态时，按照设计程序会进行计数，在系统完成一个周期的运行后会检验计数结果，从而结束整个系统的运行，即达到单周期运行的控制要求。由于步进程序的编写过程和工作原理是基于以上两种工作方式的基础上，通过并行添加程序代码实现步进工作所需逻辑状态来实现的，故
30、步进工作方式程序流程图就不再画出。图3-1 电镀生产线连续工作和步进工作程序流程图3.3 程序梯形图设计 本系统软件设计采取先简单，后复杂的处理方法。编程过程中先解决连续工作和单周期工作的软件编写，然后解决步进工作方式的软件编写，最终完成整个系统的程序。在连续工作和单周期工作程序的软件编写中采取主程序相同，利用一个计数程序实现两种工作方式。在连续工作时程序不计数，在单周期工作时程序会计数一次，通过这种方式使两种工作方式在一个程序中实现，从而完成两种工作方式的设计。在步进工作方式的软件编写中，同样采取与以上两种工作方式相同的主程序，只在原来两种工作方式的软件程序中并行添加实现步进的各种逻辑条件即
31、可，使步进程序的执行是在以上两种程序的基础上通过附加条件实现，最终完成整个软件程序的编写。图3-2 程序梯形图3.4 指令表指令编程是另一种PLC编程方法，指令表也可以很容易从梯形图得到，本设计具体指令表如下。Network 1 LD I1.1O M0.3AN I1.0= M0.3Network 2 LD I1.3O I1.4O M0.1= M0.1Network 3 LD I1.3O M0.0AN I1.4= M0.0Network 4 LD M0.1A I1.0O M0.2AN Q0.0AN I0.0AN I0.1AN I0.2AN I0.3AN I0.4AN I0.5AN I0.6= M0.2Network 5 LD M0.0A I0.2LD I1.0CTU C48, 1Network 6 LDN I1.2A M0.2O Q0.0LDN I1.2A T37AN C48OLDLD I1.2A I1.0A M0.2OLDLDN C48A I1.0A I1.2OLDAN M0.3
