电镀生产线的PLC控制系统设计 2.docx
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电镀生产线的PLC控制系统设计 2.docx
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电镀生产线的PLC控制系统设计2
电镀生产线的PLC控制系统设计
[摘要]随着现代工业和技术的发展,电镀在机械、电子、仪器仪表、轻工、地质、交通运输和国防工业等生产部门的应用日益广泛,与人们的日常生活也有十分密切的关系。
现代市场竞争日趋激烈,企业迫切需要提高生产效率和产品质量,于是如何提高电镀生产线的自动控制性能,减少成本具有重要的意义。
本文以镀锌电镀自动生产线控制系统设计为目标,对其电镀的工艺要求和控制要求进行了分析,结合企业的实际情况,开发了一套基于触摸屏与PLC的电镀生产线的自动控制系统,提出了设计方案,然后对该生产线控制系统的硬件部分进行了设计。
在对电镀控制系统的设计中,针对于电镀生产线上行车运行不平稳,定位不精确等问题提出了解决的方法。
本次设计以三槽电镀生产线为例,在设计中运用到了可编程控制器PLC基础知识、自动控制、电动机、电气控制以及电力电子等多门技术,并且对这些技术进行综合应用。
[关键词]可编程控制器触摸屏电镀控制系统变频器
DesignofElectroplateProductionLineControlSystemBasedonPLC
[Abstract]Withthedevelopmentofmodernindustryandtechnology,electroplatinghasbeenwidelyusedinmachinery,electronic,instrument,lightindustry,geology,transpo-tation,andnationaldefenseindustryanditisalsoveryclosetothecommonlifeofpeop-
le.
Duetotheacutecompetitionofthemarket,theproductionefficiencyandproductqualitymustbeenhanced.So,itissignificanttoenhancethecontrolperformanceofelectroplatingproductionlineandreduceproductioncost.
Thispaperanalyzestechnologicalandcontrolrequirementscombinedwithpracticalsituationonthebasisofdesignofzincplatingautomaticproductionline.ThecontrolsystemofautomaticproductionlinewasalsodesignedbasedontouchscreenandPLC.Thedesignschemewasalsoproposedindetail.Then,thehardwarepartofproductionlinecontrolsystemwasdesignedespeciallyfocusedontheunstableslidingofdrivingandimprecisionoflocation.
Thisdesigntakethreeslotselectroplateproductionlineasanexample,whichmakesuseoftheautomaticcontrol,electricmotor,theelectricitycontrol,programmablecontrollerPLCandtheelectricpowerelectronics,andapplythesetechniques.Comprehensively.
[Keywords]ElectroplatingPLCTouchscreenControlthesystemInverter
第1章绪论
1.1国内外电镀自动线现状及发展水平
电镀工业是我国重要的加工行业,至今已有100多年历史,近代科学技术的发展为它增添了许多新的内容,因而电镀在机械、地质、电子、仪器仪表、轻工、交通运输和国防工业等生产部门的应用日益广泛,与人们的日常生活也密切相关。
电镀是一种电化学过程,也是一种氧化还原反应,是获得金属保护层的有效方法。
在这个过程中金属离子获得电子被还原成金属原子,金属原子按一定的规律排列形成晶体成为镀层。
电镀技术又称为电沉积,其基本原理就是在直流电场的作用下,在电解质溶液(镀液)中由阳极和阴极构成回路,使溶液中的金属离子沉积到阴极镀件表面上,以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。
电镀的目的是在基材上镀上金属镀层,改变基材表面性质或尺寸,从而提高耐腐蚀性、抗高温氧化性、良好的导电性、高的硬度、高的耐磨性和减摩性、微细加工的均匀性以及其他某些特殊的物理、化学特性,同时又赋予金属光泽美观。
电镀生产线是指按一定的电镀生产工艺要求,将有关的各种电镀处理槽、电镀行车运动装置、电源设备、循环过滤装置、检测仪器、加热装置、空气搅拌装置、排水排水及污染处理装置等组合,是一个由电气控制系统协调控制的完整系统。
目前,国外很多企业使用大容量、功能多,高质量的工业控制计算机,如单片机,微计算机,PLC等,组成控制系统,集中控制行车动作、镀槽液温度值、电流密度、电镀时间、添加剂含量等工艺参数,调整生产过程中各参数的动态平衡,自动实现优化生产。
可以看出,现代电镀自动线已形成自动化程度高,机械系统结构合理,运行可靠的特点。
镀液用热交换器进行槽外循环,自动调温。
用高效、耐蚀,使用温度高的连续过滤装置使镀液达到合适的过滤精度。
用空气搅拌强化电镀过程和清洗过程。
配有喷淋清洗装置和逆流漂洗闭路循环系统,安装了工艺参数自动控制系统。
采用了稳压、稳流、稳定电流密度的可控硅整流器等一系列先进的配套设备。
随着电镀辅助设备的发展,促进了电镀生产自动线向完善发展,日本电镀企业4500家中有30%实现了计算机控制的全自动化,其余的均采用非连续式半自动化电镀生产线。
虽然国产电镀自动线及其配套设备与世界工业发达国家先进水平相比还存在差异,但近些年来国内电镀自动线种类、使用面上有了很大突破。
电镀厂车间专业化程度越来越高。
对大批量镀件,凡工艺成熟的,通常采用能处于满负载状态下连续生产的环形电镀自动线。
对需要改变工艺条件的生产线则采用适应性强、机械结构简单的,间歇生产的直线式电镀自动线。
从效率、产量角度考虑,前者具有一定的优势。
直线式电镀自动线行车及其传动机构较先进,加工精度高。
行车由于采用了电机无级变速系统,起步、制动、运行平衡,各工序可选择合适的速度行车加工精度高、自重轻、运行时惯性小用微机控制,接近开关检测行车工位信号以及一些其他技术,保证行车系统高可靠性,停位准、晃动小、镀件不飘落,但是在速度控制中仍存在问题,电机的速度的精度不高,实际的转速与所给定的速度误差太大。
在电气控制上,电镀线的发展经历了由手工、半手工生产线,再到自动化生产线的发展过程。
目前,电镀自动线大都采用了先进的控制方式、变频技术、DCS,达到了很高的自动化水平,大大提高了电镀质量,极大限度的提高了生产效率。
1.2电镀生产线实现自动控制的意义
落后的操作方式会引起很多人为的问题,也会增加成本,质量也没有保障。
采用自动化控制系统后,会有很大的改善:
(1)降低物量消耗量。
在电解电镀过程中,除了电源装置的能量的损耗,电镀过程中的能耗也占绝大部分。
而电流和电压是影响电镀过程能耗的因素,实现自动化控制后,实时监控电解液浓度、温度、电极距离等参数,就可以对电源的电流、电压输出进行调整和合理的配置,使电镀生产过程完全符合其工艺要求,进而减少人为因素的干扰,使电镀生产处于最佳运行状态,资源利用充分合理,提高产品质量同时节能。
(2)减轻工人劳动强度,保障工人生命安全。
原本的电镀生产线上的行车都是有人去操作的,而且必须有人巡视监测,计算时间,以防出差错和发生事故,在不增加人员的前提下,个人的工作强度必然加大。
在实现生产控制自动化后,因为自动生产线具有自动报警及自动保护功能,只需一人在控制室操作、监视,既能节省劳动力,又能减轻工人的劳动强度。
电镀工艺是电化学生产工艺,在电镀手工生产过程中,职工接触一些硝酸、重金属盐、氰化物等一些有毒有害物质是不可避免的,对他们的安全健康受到了很大的影响,实现电镀生产线自动化后,职工可以在控制室通过监控,尽可能不去或少去车间,减少身体危害。
(3)提高镀件质量。
电镀工艺的参数如温度,时间,电流等能否被有效的控制是影响电镀产品质量的重要因素。
实现生产线自动化后,就能严格的并且很好的控制电镀工艺的主要参数。
而且对行车行程控制可在编制程序时设置多种可变功能,如跳位、延时、停留时间更改、预动作选择等,能适应工艺变化的需要。
(4)有利于环境保护。
自动化控制系统能严格监督各种废气、废水处理设备的运行情况,使生产环境和生态环境切实得到进一步改善。
(5)监控管理简便。
在自动化控制生产线上,电镀的电流值、电压值、当前温度值和每个槽的电镀时间等参数都能通过友好的控制界面显示给用户,并能动态的显示各条生产线的运行状态。
用户可以直接通过界面修改电镀参数或者调用各种工艺方案,从而满足不同的生产。
而且整个电镀过程的生产纪录可以保留,还可以打印出来,以备将来查询和参考。
综上所述,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。
1.3国内电镀行车控制问题
行车的运行是整个电镀生产线的关键,直接影响着生产效率和产品质量,现在国内很多企业对速度控制不是特别重视,速度控制不合理,虽然现在电镀行车使用了电机无级调速,使速度连续稳定运行,但是现在很多公司都是使用的开环控制,由人工直接调节变频器的频率改变电机速度。
调节行车速度非常麻烦,通过视觉观察,如果电机快了,则频率调低;如果慢了,频率调高,而且速度的跟踪效果很不好,误差很大,运行效率不高。
为了减少生产时间,也有一些公司采用了单闭环对速度进行实时监测,但是效果始终不理想,因此加入PID,模糊控制等先进控制算法对速度进行调整。
另外电镀行业中温度控制是影响产品质量的重要因素之一,电镀温度控制的精度会直接影响到电镀产品的颜色和质量。
在科学研究和生产实践的诸多领域中,温度控制理论发展很快,包括近年来快速发展的PID温控、模糊控制以及神经网络和遗传算法在温控系统中的应用,其中PID控制器是工业过程控制中最常见的一种控制器,而且它已经广泛应用于工业过程控制之中。
PID控制由于其结构简单、原理透明、鲁邦性较好,不需在线辨识数学模型等优点,一直为广大的控制技术人员所青睐,但是国内大部分公司采用的是简单的比例控制,这样温度控制差相当大,有的公司采用了具有传统的PID控制的仪表,但这又增大了设备成本。
电镀行业中的温度控制是一种具有时滞和非线性的时变过程,采用常规PID控制虽然比简单的比例控制好,但控制效果也并不理想。
长期以来,电镀行业的电镀过程的温度控制问题都没有得到很好的解决。
因此,需要研究开发出一种控制性能良好的智能型控制器来改变这种状态。
专家控制的实质是将受控对象的特性和控制规律的有关专家知识融入到控制器中。
其中,利用专家控制经验来在线整定PID参数也就构成了一种专家PID控制器,本文对这种专家控制器进行了研究和开发,并对电镀过程的温度进行了控制实验。
1.4本课题的研究内容和文章结构
1.4.1本课题研究内容
国内电镀生产线的落后,控制系统的自动化程度不够,如果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,因此实现自动控制是迫切需要的。
本课题根据某企业的镀锌生产线控制系统的不足,对其电镀工艺要求和控制要求进行了分析,开发了一套基于触摸屏与PLC结合的电镀生产线自动控制系统,对控制系统的硬件和软件进行了优化设计,既节省项目投资,又提高电镀质量、提高经济效益从社会效益上讲,既实现电镀工艺自动线高效可靠的运行,又可提高电镀自动线的自动化水平。
对于一个具体的工艺要求,电镀生产过程往往是固定的,企业为了提高生产率,减少行车运行的时间是一个有效的途径,我们通过各个因素的分析可以发现行车的速度控制是一个关键因素。
由于行车运行效率低,为了减少生产时间,提高行车运行的效率,为此对速度的控制进采用了闭环控制方法取代了原本的开环控制,引入了先进控制算法对其进行研究应用。
首先,建立变频器与电动机的传递函数。
其次,将闭环控制方法取代开环控制方法,并引入先进的控制算法,构建了一个速度控制器,实现了对电机速度跟踪性能的优化,最后MATLAB仿真验证了所提方法的可行性与优越性。
1.4.2论文结构
本文电镀生产线的自动控制系统进行了设计,全文分为四章。
第1章,首先介绍了本课题的背景,其次介绍了国内外电镀控制技术的发展和国内的存在的问题,就针对解决问题。
第2章,对镀锌的工艺和控制要求进行了分析,提出了设计方案,并对控制系统进行了硬件设计。
第3章,阐述了对电镀生产线控制程序的优化设计和触摸屏设计。
第4章,总结工作内容,并提出对电镀生产线优化的新的方案和思路。
第二章电镀生产线控制系统的总体设计
本章以某企业的镀锌自动生产线为背景,对镀锌工艺进行了分析,并根据该公司对镀锌控制要求提出了设计方案,对控制系统进行了硬件设计。
2.1镀锌生产线工艺分析
2.1.1镀锌工艺分析
镀锌自动生产线生产环节大体分成三个基本阶段:
镀前处理阶段、电镀过程阶段和镀后处理阶段。
镀前处理是电镀的关键环节,为了使电镀生产得以优质、高效、简洁地顺利进行,在电镀施工前将工件的表面处理准备工作,该阶段要根据表面状况、工件材料的性质和表面处理的要求,进行仔细的表面准备工作,要除去工件表面的氧化层或去油,改善工件表面状况,以保证电镀层的品质。
在此生产线中的镀前处理工艺主要经过初电解,水洗,酸脱脂,酸电解,终电解,活化。
电镀过程就是把工件放入镀槽里进行电镀,在电镀控制过程中要控制好镀液工作温度、镀液配方、电流密度和电镀时间,电镀过程主要经过镀锌。
镀后处理主要是为了装饰或加强防腐能力而进行的一系列操作,主要经过:
超声波水洗,出光,钝化,热纯水洗,侵水溶剂等。
经过电镀的器件可以提高其使用寿命,具有可靠性高和抗干扰能力强等特点,所镀工件在各行各业得到了广泛应用。
该镀锌中初电解,终电解,镀锌,热纯水洗四个工艺需要温度控制。
而其中初电解,终电解,镀锌三个工艺还需电流作用,因此还要整流控制。
镀锌自动化生产线各工段的工艺流程参见图2.1。
图2.1镀锌工艺流程图
本设计为了减少篇幅故把流程缩短,如图2.2:
图2.2本设计流程图
2.1.2镀锌设备的结构
本课题中金属镀锌电镀线采用已经在电镀行业得到广泛应用的直线式生产线结构,如图2.3。
直线式自动生产线结构简单(由各种槽子,多个行车、轨道及程控系统组成),按各镀件工艺的要求,将各工艺槽安好顺序布置成一条直线,自动控制行车安装在槽体的上方,根据工艺要求来传送有工件的飞巴或滚筒以完成全过程。
在直线的一端在飞巴上装未处理的工件,另一端则是从飞巴上卸下已处理的工件,也有仅在一端装卸工件。
该生产线为了有一个充分的上料时间和下挂时间,采用了两个上挂位和两个下挂位,在行车运行第一个周期内只使用一个上挂位1和一个下挂位1,而上挂位2跟下挂位2可有充分时间去装卸工件。
到行车运行到下一个周期,即第二个周期时,则使用上挂位2和下挂位2,而上挂位1和下挂位1则被用于装卸工件。
直线式自动生产线对于大、中、小型零件均能适用,并且规模不限,而且它的机械装置简洁,制造方便,在同一条生产线上可根据不同的工艺要求通过控制系统执行不同的工艺流程,但它的电气控制、调试、维修较复杂,目前大量用于镀锌、铜、镍,铬等工艺。
图2.3镀锌生产线
2.2镀锌自动线控制系统的设计要求
(1)操作简单,能实现对行车的手动和自动控制
(2)控制系统性能稳定,运行可靠,方便维护,能满足功能的扩展
(3)具有自动保护,自动报警,能满足电镀厂车间运行管理和安全处理的要求
(4)对此电镀生产线工艺要求的镀液的温度参数和一些辅助设备的开关通过人机界面进行实时监控
(5)行车行驶要平稳,定位要精确,动作停止时工件尽量无抖动现象
(6)能通过人机界面实现速度控制,使速度得到最大的提高。
2.3电镀控制系统设计方案
根据镀锌自动线控制系统的要求和工艺的分析,采用集散控制方法,利用PLC作为控制核心,触摸屏作为上位机进行监控。
为了使设计清晰,将整个控制系统可分为三个部分,分别为:
行车控制系统,辅助设备控制系统,监控系统。
然而监控系统可集中控制其余两个个部分,监控系统主要通过人机界面来实现。
系统控制要求框架如图2.4所示。
图2.4系统控制要求框架
2.3.1辅助设备系统
在辅助设备控制里,主要是对喷淋,风机和整流器这些重要辅助设备进行控制。
在电镀过程中,金属需要在相应的电解液和特定的工艺条件下,由于外加电流的作用,通过槽液中离子的运动,在金属制品阳极上形成一层氧化膜的过程,该过程也称为阳极氧化。
其关键技术就是保证电镀时所需的电流密度,它将影响该电镀过程的发生及效果。
整流器的作用就是把工业用的交流电变为直流,以便在电镀里使用.应为电镀加工是要直流电流来进行加工的。
整流器选用江阴天马的可控硅整流器其规格为KDF2000A/12V,输出精度在5%以内,通过RS-485与PLC通讯。
喷淋作用是对工件表面进行清洗,以保证工件表面的清洁。
阴极移动的作用就是带动工件在镀液里上下浮动,以保证镀层均匀
风机主要起排气的作用,由于镀液会挥发,如弥漫在车间内,对工作人员的身体有害,因此要不断排除有害气体,净化工作环境。
由于整流器,风机,喷淋现场控制的不方便,为此使用了触摸屏对其设备的开关进行控制。
2.3.2行车控制系统
在电镀自动线上,行车的控制系统是电镀的自动控制的核心部分。
电镀步骤的进行是一步一步按顺序进行,这就要求电镀线上的工件要通过行车按工艺顺序完成电镀过程。
行车的控制,对电镀效果产生重要影响。
对行车的基本要求就是运动平稳,且按步骤完成工艺要求,并能提高生产效率。
行车动作流程的设计
行车的行走路径控制,主要分为离线式行车派遣规则和即时式行车派遣控制。
离线式行车派遣规则因为所规定的行车运动为固定周期式的运动,就是行车按照工程师事先安排好的动作进行反复运动,所以又称为周期式行车派遣规划,也称为固定流程规则。
这种方法就是因为容易直接将行车行程输入可编程控制器中来对行车进行控制,而且其生产效率是比较好的,所以广泛运用于一般自动化电镀线的设计。
但离线式行车派遣规划无法处理不同的生产状况,如复杂的大型混合电镀生产线,而且往往一个新的规则需要数日或甚至数周的时间来设计与测试,严重影响新产品开发及生产效率。
另外就即时性行车派遣而言,它的好处是可以随时因生产的状况,即时对行车的派遣作出调整,但是因为在生产效率比固定周期的行车规则差,且一般即时控制的行车派遣无法确定工作的处理时限能够在制程的容许范围之内,故一般实际生产甚少使用。
本文所涉及的镀锌生产线,由于只有镀锌纯粹一种工艺,并不像镀铜-镀镍等混合型电镀工艺,可多种新品在其中不同的槽液里处理,该镀锌生产线无需处理不同的生产状况。
因此为了提高镀锌生产线有效的生产效率。
根据以上几点特性,采用离线式行车派遣规则,即固定流程控制。
行车行走流程的设计时要考虑四种问题特性:
(1)时间限制:
工件在每一个处理步骤中的时间,即镀槽中的时间,受到一定的限制(最短与最长的处理时间限制),不管在处理时间方面是低于最短时间还是高于最长时间,都会造成工件不合格。
(2)容量限制:
无论是镀槽还是行车的容量均受到限制,行车一次只能处理一批次工件,即一个飞巴,镀槽只能处理一个飞巴,而且槽与槽之间无暂存区。
(3)一个轨道的限制:
整条自动电镀生产线只有一根轨道允许行车往返,因此,严禁在轨道上的行车碰撞或穿越。
(4)移动时间限制:
在槽与槽间运行的行车,在搬运或空车移动的时间受到槽间距离、行车本身移动速度的限制,任何处理步骤间的移动必须将行车移动的时间考虑进去,而且不同镀槽间的距离不同,移动时间必须受到不同距离的限制。
行车动作设计
电镀自动线的基本功能就是代替人工操作将带有工件的飞巴通过行车送入镀槽,执行电镀过程。
电镀控制系统的工作方式分为自动和手动两种,正常生产时使用自动循环的工作方式以保证电镀工件时的位置和生产节拍,批量生产产品。
进行安装和故障调试时为了检查各部分动作情况而需要使用手动的工作方式。
在正常生产中,电镀的典型的自动循环工作流程如下,程序如图2.5所示:
(1)当工件到达系统中输入暂存区(上料区)后,由工作人员将工件装载于飞巴
(2)按下自动启动按钮后,行车依照内部所设定的程序,将工件依序运往每个处理槽加以处理
(3)工件通过所有制程步骤后即完成工件部分的作业,可送往输出暂存区等待工作人员将其从挂架上卸下。
(4)卸下工件后,挂架继续进行后续的人工化学处理(擦干,除去电镀沉积物)
(5)挂架完成化学作业后,送至输入暂存区等待工作人员重新装卸下一批工件
电镀自动生产线要求能够反复进行以上的工作循环,并保证生产节拍。
在安装调试或系统出现故障时,应能对系统各部分分开进行调试,只针对某一动作做到手动,按钮按下系统进行指定的单一运动。
这样能够很容易的排查出系统中异常的部分,并在调整后反复试验此单一动作的正确性,而不必让系统作自动循环,可以节约时间,降低风险。
图2.5程序控制流程图
2.4电镀控制系统硬件部分设计
控制系统的硬件部分是整个系统的运行的平台,是与机械部分的直接接口并与前者共同构成整个电镀自动工作的基础。
系统硬件部分必须在确定了控制对象、控制范围和控制要求之后,开展整体架构、硬件选型、具体搭建等各方面工作。
在满足控制要求和考虑到现场条件的前提下,精心研究己确定的框架内的各部分硬件原理和功能,并仔细进行选型,可以使控制系统的功能、可靠性、经济性等有一个很好的结合。
基于电镀自动系统的控制要求,考虑到公司和现场情况,拟定了如图2.6所示的控制系统整体框架。
电控核心分别处理行车的升降、水平运动,速度的调控,,风机,喷淋,阴极移动等辅助设备的开关,获取运动探测到的反馈信号,并在自动循环工作状态下将各部分运动按照一定的顺序触发和合成。
普通工业计算机难以在电镀这样高温高腐的现场条件下正常工作,而作为通用工业控制单元的PLC正符合以上的要求。
图2.6控制系统硬件整体设计
在满足功能要求的情况下,结合经济性选择合适的PLC作为控制核心,并加入触摸屏、指示灯、安全光栅等部件以增加系统人机界面的友好性和工作操作的安全性。
2.4.1电镀自动生产线与可编程控制器
可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的,主要用来代替继电器实现逻辑控制。
PLC的使用己经成了现代化设备的象征,成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备之一。
在未来的工业生产中,技术、机器人和计算机辅助设计、制造(CAD/CAM)将成为实现工业自动化的三大支柱。
本文所选用的为日本欧姆龙公司生产的CPM2*系列中高性能
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