基于 plc 的電鍍行車控制系統1基于 PLC 的電鍍行車控制系統自動化專業學生 指導教師 摘要：利用可編程序控制器對某電鍍行車的工作過程進行控制的方法，簡化了控制系統的接線，克服了電磁繼電器動作時間長、觸點抖動的缺點，提高了系統的可靠性和靈活性。利用 PLC 實現對電鍍生產線的系統控制，使系統具有很強的適應能力，可方便完成自動，手動拉制和相互之間的切換；整個程序采用結構化的設計方法，具有調試方便，維護簡單，移植性好的優點。關鍵詞：PLC，電鍍行車，可編程控制器，控制Electroplating Driving Control System Based on PLCStudent majoring in automation Tutor Abstract: This paper presents a controlling system which controls the special traveling crane forelectroplating. This system really helps improve the reliability and laity of the controlling system. And this paper introduces the application of Rockwell PLC in the plating product line. The system can achieve auto-control and manual-control, and be switched flexibly between the two methods. Modularization is the fundamental aspect of the programming designs. Advantages of this method include convenience for debugging, simplicity for maintenance and good transplantation.Keywords: PLC, Special Traveling Crane for Electroplating, Programmable Controller, Control菏澤學院本科生課程設計（論文）21 前言1.1 電鍍行車控制系統的種類1.1.1 繼電接觸器控制系統繼電器問世以來，一直是電氣控制的主流，目前國內仍有不少廠家應用繼電接觸器控制系統。其中輸人單元為按鈕開關等主令電器、邏輯單元是支配控制系統的“程序” ，它是由各種繼電器的觸點通過導線連接，并具有一定的邏輯功能的控制線路。輸出單元包括各種閥門的控制線圈、各類接觸器控制線圈及信號指示等執行元件。這種控制系統的特點是：價格便宜、性能價格比低。由于存在繼電器抖動、打弧、吸合不良等現象，因此控制系統壽命短，可靠性差。因為它的自動控制功能是靠繼電器的輔助觸點動作來實現，而觸點動作一次需要幾十毫秒，所以控制速度慢；由于需要改變控制邏輯就要改變各觸點間的連線，故技改難度大，同時體積大，耗能高。因此繼電接觸器控制方案，適用控制邏輯比較簡單，所需繼電器數量較少，程序固定的場合。1.1.2 單片機控制系統 用單片機可以構成各種工業控制系統。有不少控制系統是利用通用PC單片機或通用計算機。大部分都可以用單片機系統或單片機加通用機系統來代替計算機系統，特別是較大型的工業測控系統。單片機的控制邏輯由軟件組成，同時軟件的編寫和修改方便，設計安裝接線工作量相對較少，設計周期較短，其適應性較強。但其缺點是對工作環境條件要求較高，抗干擾能力不強，它適應于工作環境條件比較好的各種控制領域，如機械、冶金、紡織、國防、民用等。除通用外設（如打印機、硬盤、磁盤等）外，還有許多外部通信、采集、多路分配管理、驅動控制等接口，而這些外設與接口完全由主機進行管理，必然造成主機負擔過重，因而出現了新的控制手段，即可編程序控制器。1.1.3 可編程序控制器控制系統可編程序控制器的特點（1）可靠性高，抗干擾能力強；（2）適應性強，應用靈活；（3）編程方便，易于使用；（4）功能強，擴展能力強； （5）PLC控制系統設計、安裝、調試方便；（6）維修方便，維修工作量少；（7）PLC體積小，重量輕，易于實現機電一體化。可編程序控制器的應用領域,隨著微電子技術的快速發展，PLC的制造成本不斷下降，而功能卻大大加強。目前，在先進工業國家中PLC已成為工業控制的標準設備，應用的領域已覆蓋了所有的工業企業。概括起來主要應用在以下幾個方面：（1） 順序控制；基于 plc 的電鍍行車控制系統3（2）運動控制；（3）閉環過程控制；（4）數據處理；（5）通信和聯網。1.2 電鍍行車控制系統的發展與現狀在工業控制的各個領域里，小到一個簡單的機電一體化設備、大到整個生產線，以及大型的工程領域里，都存在PLC控制系統的技術存在。PLC已不在是局限在邏輯上，應該理解成過程控制器，如西門子全集成自動化TIA的概念。在整個自動化領域，PLC和傳動是組成自動控制的兩個非常重要的部分。在主流PLC往大型化、集成化、多功能化、網絡化發展的同時，還有很多分支在并列發展。我們還有很多單體化、一體化的設備，現在越來越微型化離散的控制也在同步進行。比如西門子S7-200功能強大，1000多塊一個，原來是不能想象的。為滿足自動控制領域各層面的不同要求，微型機、小型機的發展勢頭也很猛。現在，PLC不僅能進行邏輯控制，在模擬量的閉環控制、數字量的智能控制、數據采集、監控、通信聯網及集散控制方面都得到廣泛的應用。如今大、中型、甚至小型PLC都配有A/D、D/A轉換及算術運算功能，有的還具有PID功能。這些功能使PLC應用于模擬量的閉環控制、運動控制、速度控制等具有了硬件基礎；PLC具有輸出和接收高速脈沖的功能，配合相應的傳感器及伺服裝置，PLC可以實現數字量的智能控制；PLC配合可編程終端設備（如觸摸屏） ，可以實時顯示采集到的現場數據及分析結果，為分析、研究系統提供依據；利用PLC的自檢信號可實現系統監控；PLC具有較強的通信功能，可與計算機或其他智能裝置進行通信和聯網，從而能方便地實現集散控制。功能完備的PLC不僅能滿足控制的要求，還能滿足現代化大生產管理的需要。總之為了進一步擴大PLC在工業自動化領域的應用范圍，適應大、中、小型企業擴印不同需要，PLC產品大致向以下幾方面發展：（1）向小型化方向發展；（2）向高速度、大容量和智能化方向發展；（3）PLC編程工具與編程語言的多樣化、高級化、標準化；（4） 向網絡化方向發展；（5）發展容錯技術和故障診斷。2 電鍍行車控制系統的總體方案2.1 電鍍行車概述2.1.1 電鍍行車的用途本電鍍行車是某企業電鍍車間為了提高工作效率，促進生產自動化和減輕勞動強度而制造的一臺起吊設備。該設備采用遠距離控制，起吊物品是有待進行電鍍或表面處理菏澤學院本科生課程設計（論文）4的各種產品零件。另外，本電鍍行車擁有手動、單周和連續3種工作方式，用戶可根據實際需要選擇其中工作方式進行電鍍產品零件，這樣就大大增加了對電鍍行車操作的靈活性。2.1.2 電鍍行車的基本組成結構本電鍍行車機械部分由傳送帶A、傳送帶B、行車和電鍍槽等4部分組成，而行車又由大車、小車和吊鉤等部分組成，如圖2.1所示。傳送帶A、傳送帶B、大車、小車和吊鉤分別由電動機M1M5拖動。其中，大車、小車和吊鉤在電動機的拖動下可分別作前后、左右、上下運動，行車的起吊重量在500kg以下，起吊物品是待進行電鍍和表面處理的各種產品零件。用來進行電鍍和表面處理的容器是15號槽，每個槽內從左到右都有5個位置依次稱為1號位、2號位5號位，每個位置都可以放置一個吊籃，因此，每個槽內共可以放置5個吊藍。15號槽內依次裝有酸液、清水、鋅液、鉻液、鎳鎘液，可分別用來對產品零件進行除銹、清洗、鍍鋅、鍍鉻和鍍鎳鎘等處理（但在同一時間內，只需對產品零件進行鍍鋅或鍍鉻或鍍鎳鎘處理） 。完成對產品零件的除銹、清洗、鍍鋅、鍍鉻和鍍鎳鎘處理所需的時間分別為5分鐘、2分鐘、10分鐘、15分鐘、20分鐘。圖2.1 電鍍車間平面示意圖2.1.3 電鍍行車的主要技術參數根據工廠生產實際情況可得：（1）電鍍行車傳送帶A和傳送帶B最大載重為 Mmax=2500kg，其傳送帶摩擦系數 =0.2，傳送帶速度要求為 v =15m/min。 （2）電鍍行車大車最大載重為 Mmax =5000kg，其大車與導軌的摩擦系數 =0.15，大車的速度要求為 v =30m/min。（3）電鍍行車小車最大載重為 Mmax =1500kg，其小車與大車的摩擦系數 =0.1，小車的速度要求為 v =15m/min。12345123451234512345123451 2 3 4 5AB 1234512345 . 12345123451234512345123451 2 3 4 5AB 1234512345 . 基于 plc 的電鍍行車控制系統5（4）電鍍行車吊鉤最大負重為 Mmax =500kg，其吊繩的摩擦系數可忽略不計，吊鉤上升與下降的速度要求為 v =15m/min。2.1.4 電鍍行車的工作原理要求本電鍍行車對產品零件的傳送過程如下：（1）將吊籃從傳送帶A送到1號槽，以對產品零件進行除銹處理。在電鍍行車啟動前的初始狀態下，吊鉤在大車和小車的拖動下處于傳送帶A的1號位的上方。當按下啟動按鈕后，傳送帶A向前，將裝滿待電鍍和表面處理的產品零件的吊籃送到15號位。傳送到位后，吊鉤下降。下降到位后，小車向右一小段距離，以使吊鉤鉤住吊籃。鉤住吊籃后，吊鉤上升。吊鉤將吊籃提升到位后，大車向前(小車不動)，將吊籃送到1號槽的1號位的上方。將吊籃送到位后，吊鉤下降，將吊籃送到1號槽中的1號位，以對產品零件進行除銹處理。吊鉤下降到位后，小車向左一小段距離，以使吊鉤脫離吊籃。吊鉤脫離吊籃后，吊鉤上升。上升到位后，大車向后，小車向左，拖動吊鉤到傳送帶A的2號位的上方。吊鉤到達傳送帶A的2號位的上方后，吊鉤下降。以后重復上述過程，依次將各吊籃從傳送帶A的25號位送到1號槽的25號位。當行車將第5個吊藍送到1號槽的5號位后，重復上述第（7） 、 （8）步的過程，使吊鉤脫離吊籃并上升。上升到位后，大車不動，小車向左，拖動吊鉤回到1號槽的1號位的上方。等待下一步傳送工作的進行。（2）將吊籃從1號槽送到2號槽，以對產品零件進行清洗。當1號槽1號位的吊籃中的產品零件經酸液進行了5分鐘的除銹處理后，重復類似于上述（1）（13）步的過程，依次將各吊籃從1號槽中的15號位送到2號槽的15號位，以對產品零件進行清洗。將各吊籃送到位后，應使吊鉤回到2號槽的1號位的上方。等待下一步傳送工作的進行。（3）將吊籃從2號槽送到3號槽，以對產品零件進行鍍鋅處理。當2號槽1號位的吊籃中的產品零件經清水進行了2分鐘的清洗后，若需對產品零件進行鍍鋅處理，則應重復類似于上述（1）（13）步的過程，依次將各吊籃從2號槽中的15號位送到3號槽的15號位，以對產品零件進行鍍鋅處理。將各吊籃送到位后，應使吊鉤回到3號槽的1號位的上方。等待下一步傳送工作的進行。（4）將吊籃從2號槽送到4號槽，以對產品零件進行鍍鉻處理。當2號槽1號位的吊籃中的產品零件經清水進行了2分鐘的清洗后，若需對產品零件進行鍍鉻處理，則應重復類似于上述（1）（13）步的過程，依次將各吊籃從2號槽中的15號位送到4號槽的15號位，以對產品零件進行鍍鉻處理。將各吊籃送到位后，應使吊鉤回到4號槽的1號位的上方。等待下一步傳送工作的進行。（5）將吊籃從2號槽送到5號槽，對產品零件進行鍍鎳鎘處理。當2號槽1號位的吊籃中的產品零件經清水進行了2分鐘的清洗后，若需對產品零件進行鍍鎳鎘處理，則應重復類似于上述（1）（13）步的過程，依次將各吊籃從2號槽中菏澤學院本科生課程設計（論文）6的15號位送到5號槽的15號位，以對產品零件進行鍍鎳鎘處理。將各吊籃送到位后，應使吊鉤回到5號槽的1號位的上方。等待下一步傳送工作的進行。（6）將吊籃從3或4、5號槽送到傳送帶B，以將經鍍鋅或鍍鉻、鍍鎳鎘處理過的產品零件運走。當3或4、5號槽的1號位的吊籃中的產品零件經過了10或15、20分鐘的鍍鋅或鍍鉻、鍍鎳鎘處理后，重復類似于上述（1）（13）步的過程，依次將各吊籃從3或4、5號槽中的15號位送到傳送帶B的15號位，以將經鍍鋅或鍍鉻、鍍鎳鎘處理過的產品零件運走。將各吊籃送到傳送帶B后，應使吊鉤回到傳送帶A的1號位的上方。等待下一個循環的傳送工作的進行。2.2 對電鍍行車控制系統的設計要求2.2.1 對工作方式的設計要求（1）為了適應電鍍行車控制系統的調試、檢查和操作方便的需要，應使電鍍行車控制系統具備手動、單周和連續三種工作方式。（2）應具有對上述三種工作方式的自由選擇功能。（3）為了避免程序混亂，應能避免在同一時間內電鍍行車按兩種或兩種以上的工作方式運行。2.2.2 對單機控制的設計要求在電鍍產品零件的過程中，要求能按下某一步就運行某一步，即當遇到電鍍特殊工藝要求時能實現人工單步操作。2.2.3 對全機控制的設計要求（1）在單周和連續工作方式下，當下述初始條件中的任何一個不具備時，應避免電鍍行車啟動運行： 行車大車在初始位置； 行車小車在初始位置； 吊鉤在初始位置。（2）在單周和連續工作方式下，應能使電鍍行車按照預先規定的工藝流程運行。（3）在電鍍產品零件的過程中，如遇到任何一步不能正常完成，應能使電鍍行車立即自動停車。（4）在連續工作方式下，應能對電鍍行車工作循環次數和一個循環完成時間進行累計，具備計數和計時功能。（5）應能保證操作人員隨時都能使電鍍行車緊急停車。2.2.4 對控制系統保護的要求為了能夠保障電鍍行車及其控制系統的安全，應使控制系統具備以下保護功能：（1）短路保護；（2）過載保護；（3）失壓保護；（4）吊鉤緊急制動。2.2.5 對信號顯示和故障報警的設計要求基于 plc 的電鍍行車控制系統7（1）在任何工作方式下，信號顯示系統都能顯示電鍍行車及其傳送帶運行的全過程。（2）信號顯示系統應能顯示控制系統的電源的工作狀態，電動機的工作狀態，控制系統的工作方式。（3）當任何一臺電動機的過載保護動作時，信號顯示系統應能顯示發生過載故障電動機，故障報警系統應能發出音響故障信號。3 控制系統硬件設計3.1 電氣控制線路的設計本自動線中的電動機控制線路，采用交流380/220V電源供電，電源開關采用刀開關與自動開關串連的組合形式，其中刀開關起隔離電源、安全檢修的作用，自動開關起短路保護作用。電動機控制線路中各電機主電路接于380V電源，控制電路接于220V電源。各電機主電路采用接觸器控制，并采用熱繼電器作過載保護，其中大車電機、小車電機和吊鉤電機采用電磁抱閘制動。因實際需要，吊鉤電機采用轉子串電阻起動。因此，電鍍行車電動機的主電路、局部照明電路、向PLC負載供電的直流穩壓電源如附錄A中的圖A.1所示。在附圖A.1所示主電路中，根據前面所確定的控制方案，各主軸電機的接觸器KM1KM10的線圈由PLC控制。因此，在該圖中不再給出這些接觸器的線圈控制回路。信號和故障顯示采用DC24V發光二極管，因此，電路中配備了一臺AC220V/DC24V變壓器向該二極管電路提供24V直流電源。在附圖A.1的自動開關QF2作為穩壓電源和PLC及其負載的短路保護，接觸器KM作為PLC及其負載的電源控制電器。3.2 PLC控制系統硬件部分的設計3.2.1 PLC輸入/輸出元件確定(1)所需PLC輸入元件及輸入點的統計預開按鈕SB11、啟動按鈕SB12和預停按鈕SB13，占用PLC的3個輸入點。工作方式選擇開關SA2用來選擇手動、單周、連續三種工作方式的一種，占用PLC的3個輸入點。電鍍種類選擇開關SA3用來選擇鍍鋅、鍍鉻、鍍鎳鎘三種電鍍中的一種，占用PLC的3個輸入點。電鍍行車及傳送帶的手動操作按鈕SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10均為一個常開觸點，它們共占用PLC的10個輸入點。用于檢測傳送帶吊籃位置的光電開關為SP1、SP2、SP3，它們共占用PLC的3個輸入點。用于吊鉤拖動電機串電阻起動的欠電流繼電器為KI1、KI2、KI3，它們共占用PLC的3個輸入點。用于檢測電鍍行車大車運行位置的行程開關為SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6、SQ7、SQ8、SQ9，它們共占用PLC的9個輸入點。用于檢菏澤學院本科生課程設計（論文）8測電鍍行車小車運行位置的行程開關SQ10、SQ11、SQ12、SQ13、SQ14、SQ15、SQ16、SQ17，它們共占用PLC的8個輸入點。用于檢測吊鉤升降位置的行程開關SQ18，占用PLC的一個輸入點。用于電鍍行車各電動機過載保護的熱繼電器為FR1、FR2、FR3、FR4、FR5，它們均為一個常開觸點，共占用PLC的5個輸入點。綜上所述，共需PLC輸入觸點48個。(2)所需PLC輸出元件及輸出點的統計控制電鍍行車各個電機運行的接觸器線圈為KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8、KM9、 KM10，它們共占用PLC的10個輸出點。在吊鉤拖動電機轉子回路中，用于接入和切除三段附加電阻的接觸器為KM11、KM12、KM13，用于防止三臺接觸器同時通電動作的中間繼電器為KA，KM11、KM12、KM13和KA的線圈與PLC輸出點的連接關系如圖3.1所示，由該圖可知，KM11、KM12、KM13和KA的線圈共占用PLC的2個輸出點。圖3.1 電流繼電器控制電路圖用于大車電機、小車電機、吊鉤電機制動抱閘的電磁鐵的線圈為YB1、YB2、YB3，它們共占用PLC的3個輸出點。預開預告電鈴BE 1個，占用PLC的1個輸出點。故障報警蜂鳴器BU 1個，占用PLC的1個輸出點。電鍍行車各電機運行過程指示燈為HL1、HL2、HL3、HL4、HL5、HL6、HL7、HL8、HL9、HL10，它們共占用PLC的10個輸出點。其中傳送帶A向前指示燈為HL1；傳送帶A向后指示燈為HL2；傳送帶B向前指示燈為HL3；傳送帶B向后指示燈為HL4；大車前進指示燈為HL5；大車后退指示燈為HL6；小車右行指示燈為HL7；小車左行指示燈為HL8；吊鉤上升指示燈為HL9；吊鉤下降指示燈為HL10。用于指示電鍍行車各電機過載故障的指示燈為HL10、HL11、HL12、HL13、HL14，它們共占用PLC的5個輸出點。綜上所述，共需PLC輸出觸點32個。3.2.2 PLC型號的確定基于 plc 的電鍍行車控制系統9查閱我國各大企業使用較多的PLC生產廠家生產的PLC的技術手冊，確認日本三菱公司生產的FX2N-128MR型基本單元完全能過滿足上述要求，因此本課題控制系統的PLC選用FX2N-128MR型基本單元1臺。其主要技術性能指標如下：該型PLC為整體式結構，具有本電鍍行車所需的所有指令功能，其輸入點數為64點，輸出點數為64點，用戶存儲器容量8KB，輸入模塊電壓為DC24V，輸出模塊為繼電器型。3.2.3 PLC I/O元件分配表PLC輸入元件分配表可將PLC電鍍行車控制系統中PLC的所有輸入元件分配到PLC的各個輸入點上，如表3. 1所示。表3.1輸入元件分配表輸入元件 輸入點 輸入元件 輸入點 輸入元件 輸入點SB11 X0 SP1 X23 SQ10 X42SB12 X1 SP2 X24 SQ11 X43SB13 X2 SP3 X25 SQ12 X44SA2 X3-X5 KI1 X26 SQ13 X45SA3 X6-X10 KI2 X27 SQ14 X46SB1 X11 KI3 X30 SQ15 X47SB2 X12 SQ1 X31 SQ16 X50SB3 X13 SQ2 X32 SQ17 X51SB4 X14 SQ3 X33 SQ18 X52SB5