辽宁石油化工大学PLC课程设计(电镀车间专用行车PLC控制系统设计)

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电镀车间专用行车PLC控制系统设计

学 院： 信息与控制工程学院

姓 名：

班 级：

学 号：

完成时间： 2012-12-21

《电气控制及PLC技术》

课程设计任务书

起止时间：2012.12.17-2012.12.21

一 设计题目

电镀车间专用行车PLC控制系统设计

二 设计目的

（1）通过电镀车间专用行车控制系统的设计实践，了解PLC控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。

（2）独立完成设计任务的同时，培养学生综合运用所学的基础理论知识、基本技能和专业知识进行分析和解决实际工程技术问题的能力。

（3）通过课程设计，培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力。

（4）培养工程绘图能力、编写技术报告和编制技术资料的能力。

三 设计要求

（1）控制装置具有程序预选功能。

（2）前后运动升降运动要求准确定位。前后、升降及左右之间有联锁作用。

（3）采用远距离控制，整机电源及各动作要有相应指示。

（4）应有极限位置保护和其他必要的电气保护措施。

（5）进退与升降运动由同一型号电动机拖动，且不会同时工作。停车时采用能耗制动。行车升降电动机采用电磁抱闸制动。

（6）进退电动机能耗制动时间为2秒。1#-5#槽位的停留时间依次为11秒、12秒、13秒、14秒、15秒，原位装卸时间为10秒。

（7）对于不同的镀件工艺不同，要求对电镀槽有槽位选择的功能。

（8）用信号灯显示电镀吊篮所在的槽位及上下限位置。

四 设计依据

详见教材：方承远,张振国.《工厂电气控制技术》第3版P363页设计举例10-1。张振国,方承远.《工厂电气与PLC控制技术》第4版P397页课程设计课题二。

五 设计任务

（1）根据控制要求选择PLC型号，分配I/O端口。

（2）设计I/O电路，选择电器元件，并绘制I/O接线电气原理图。

（3）绘制梯形图，编制用户程序并进行模拟调试。

（4）绘制主电路图及操作面板图。

（5）编写设计说明书、设计小结及参考资料目录。

六 设计时间进度安排

（1）收集设计相关资料，熟悉设计控制要求 —— 1天

（2）根据控制要求选择PLC型号，分配I/O端口—— 1天

（3）选择电器元件，绘制I/O接线电气原理图—— 1天

（4）编制用户程序并进行模拟调试(指导教师检查提问)—— 1天

（5）绘制主电路图及操作面板图,整理和完成设计报告 —— 1天

总设计时间一周。

七 课程设计报告格式要求

（1）课程设计报告由学院统一印制，文档用B5纸、画图用2号图纸。

（2）课程设计报告编排结构：

1）封面；

2）目录；

3）任务书；

4）正文部分；

5）结束语；

6）参考资料（书写格式）；

作者1，作者2. 书名.（版次）. 出版地：出版社，出版年份.

7）附录(如元件名细表等).

8）附图。

（3）书写要求工整，图表要求规范。

八 课程设计参考书目

[1] 方承远，张振国.工厂电气控制技术(第3版)[M].北京：机械工业出版社.2006.7

[2] 张振国，方承远.工厂电气与PLC控制技术（第4版）[M].北京：机械工业出版社.2011.8

[3] 王阿根.电气可编程控制原理与应用[M].北京：清华大学出版社.2007.4

[4] 吴晓君，同志学.电气控制课程设计指导[M].北京：中国建材工业出版社.2007.8

除上述参考资料之外，可通过上网，进入学校图书资源，如：CNKI中文期刊及硕博论文数据库；书生之家数字图书馆；维普中文科技期刊全文数据库；德国施普林格数据库等等，还可以登陆中国PLC网，PLC技术网等网站，查阅与设计内容有关的电子文献资料。

1 绪 论

1.1 电镀生产线简介

随着我国国民经济的迅速发展，电镀与精饰的新技术，新工艺不断涌现。电镀生产线实现的是一个复杂的工艺生产过程，需要控制电镀时间，电镀电流，电压，溶液浓度，温度，相关的周边设备控制及生产过程自动化。电动行车是现代化工厂中用于物料输送的重要设备，传统的控制方式下，大都采用人工操纵的半自动控制方式。在许多场合，为了提高工作效率、促进生产自动化和减轻劳动效率，往往需要实现电动行车的自动化控制。实现自动化控制，可以使行车能够按照预定顺序和控制要求，自动完成一系列的工作。

1.2 电镀车间行车专用PLC控制系统设计内容

1.2.1设备基本情况

该电镀自动线是某厂电镀车间为提高工效、促进生产自动化和减轻劳动强度而提出制造的一台专用半自动起吊设备。采用远距离控制，起吊重量在500千克以下，起吊物品是待进行电镀及表面处理的各种产品零件。其结构及工艺流程如图1所示。

图1 电镀自动线示意图

电镀自动线机械结构与普通小型行车结构类似，由小车、大车和吊物提升机构组成。工作时，除具有自动控制的大车移动（前/后）与小车（提升吊物用）上/下运动外，还有调整吊篮位置的小车左右运动。其工作过程为：在电镀自动线的一侧，工人将待加工零件装入吊篮，并发出信号，提升机构便提升并自动逐段前进，按工艺要求在需要停留的槽位停止，并自动下降，停留一定时间后自动提升，如此完成电镀工艺规定的每一道工序，直至自动线的末端自动返回原位，卸下处理好的零件，重新发出信号进入下一加工循环。

对于不同零件，其镀层要求和工艺过程是不相同的，则自动线上镀槽的数量也不相同，该控制系统能对不同工艺过程（如镀锌、镀铬、镀镍镉）有程序预选和修改能力。该自动线有5个电镀槽，各槽停留时间由用户根据工艺要求进行整定。

1.2.2 拖动系统

专用行车的小车、大车和升降运动均采用三相交流异步电动机（Y802-4，0.75kW、2A、1390r/min、380V）分别拖动，并采用一级机械减速。

1.3 电镀车间行车专用PLC控制系统设计要求

（1）控制装置具有程序预选功能（按电镀工艺确定需要停留工位），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。

（2）前后运动和升降运动要求准确停位，前后、左右、升降运动之间有联锁作用。

（3）采用远距离控制，整机电源及各种动作要有相应指示。

（4）应有极限位置保护和其它必要的电气保护措施。

1.4 可编程控制器简述

PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，它采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学。用可编程序控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现，应用于工业现场。它具有可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，适用性强，易学易用，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低等特。

2 控制系统总体方案及系统硬件设计

2.1 电镀车间专用行车PLC控制系统方案选择

2.1.1

为实现不同的槽位的精准位置停车，设计采用自带刹车的电机。这既节省了左右制动接触器，也减少了能耗制动的能量，使用接近开关代替行程开关，以获得更多的反应时间，然后在程序中使用一定的延时，保证行车的精准位置停车，并且使挂件不会因为运动的惯性，出现撞击事故。在平移过程中上下行的电机采用抱闸制动（失电保持型），以防止吊篮因为自重下滑导致事故。

2.1.2

在启动电机以前要通过旋动开关选择不同的槽位，因设计的行车是上料点和下料点分开，故不需考虑行车在中途返回。通过程序的设计就可以实现行车在不同的槽位上停车并进行电镀的设计要求。

2.1.3

在每一个槽位之前设置接近开关，相对行程开关能使停车更精准，在左右平移上限位置也设置接近开关，给行车充分的反应时间实现前后限位保护。每个槽位电镀都做了上下限的行程开关，方便控制电镀过程的电机动作。由于上下动作的速度较慢，为了减少输入点和开关数量以及成本，没有添加上下限保护开关。

2.1.4

在不同的槽位前面设置到位提示，在原点和下料点处、及电机前进运行时设置指示灯，以保证控制人员通过指示灯清晰了解行车的运行状况。

2.2 电镀车间专用行车PLC控制系统主电路

如图2，控制系统采用3台三相交流异步电动机（Y802-4，0.75kW、2A、1390r/min、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 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6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。

图2 电镀车间专用行车PLC控制系统主电路

2.3 保护方案选择

如图2，在主电路以及整流滤波电路中装设熔断器保护，并给每一台电动机装设热继电器，防止电机过载过热。

2.4 抗电源干扰措施

(1)可以使用隔离变压器来抑制电网中的干扰信号，为了改善隔离变压器的抗干扰效果，应注意两点：第一，屏蔽层要良好接地；第二，次级连接线应用双绞线，以减少电源线间干扰。

(2)滤波器有较好的抗电网干扰的作用，但是要选择好滤波器的频率范围常常是困难的,为此，常的方法是既使用滤波器，同时也使用隔离变压器。

2.5 控制系统的接地设计

良好的接地可以有效地防止干扰引起的误动作，控制系统的接地一般有图3所示的3种方法。

图3 控制系统的接地方法

其中图3（a）为控制器和其他设备分别接地方式，这种接地方式最好。一般不能使用图3（c）所示的共通接地方法。在设计接地时，还需注意以下两点：第一，采用共通接地方式，接地电阻应小于100Ω；第二，接地线应尽量粗，一般用大于2mm平方的接地线

3 控制系统软件设计

3.1 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4为实现这些动作的流程框图，也是程序运行的主要流程。

开始

开始

原 点

选择不同槽位

不同的槽位的电镀动作

下料点

原点指示

启动

下料声光提示

电镀槽位指示

图4控制系统动作流程框图

3.2 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5为子程序调用流程框图。

行车前进调用条件满足选择槽的子程序子程序返回下一

行车前进

调用条件满足

选择槽的子程序

子程序返回

下

一

个

条

件

满

足

行车前进

3.3 PLC选型

FX系列PLC由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元组成。本控制系统选用FX2N-64MR-001，此型号名称体系形式如图6所示。

图6 FX2N-64MR-001名称体系形式

这些参数的编号分为两部分，第一部分用一个字母代表功能，如输入继电器用“X”表示，输出继电器用“Y”表示，第二部分用数字表示该软组件的序号，输入输出继电器的序号为八进制，其余软组件为十进制。下表所列为FX2N系列可编程器的总体性能。

表1 FX2N系列可编程器的总体性能

环境温度

0～55摄氏度

环境湿度

35%～89%RH（不结露）

抗噪声干扰

用噪声仿真器产生电压为1000V、噪声脉冲宽度为1微秒、周期为30～100Hz的噪声，在此噪声干扰下PLC工作正常

耐压

AC1500V 1min

各端子与接地端之间

绝缘电阻

5MΩ以上

接地

第3种接地。不能接地时，亦可浮空

使用环境

禁止腐蚀性气体，严禁尘埃

根据该专用行车的控制要求，其输进/输出及控制信号共有32个，其输入信号20个，输出信号17个，实际使用时，系统的输入输出都为开关控制量，加上10%－15%的余量，并无其他特殊控制模块的需要，拟采用三菱公司的FX2N-64MR型PLC，如果需要增加一些槽位的时候可以再配用F系列的拓展单元，以满足需要的更多的输入输出点。

3.4 I/O点分配

选用三菱FX2N-64MC型PLC，输入输出各32点。如图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。

图7 PLC接线图

将外接元件与PLC的I/O点一一对应，编排地址。表2是外部I/O信号与PLC的I/O接点地址编号对照表。

表2 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

4 测试调试

调试步骤一： 图8为调用子程序时的状态模拟，当行车到达有预置的槽位一的时候调用子程序P1。执行完子程序实现的电镀过程的模拟过程后，返回到第20步程序，准备到达下一个预置槽位，调用相对应的子程序。预置旋动开关X6闭合，并且接近开关X7闭合，既是行车到达了1槽位。调用相对应的子程序，既执行电镀过程。

图8 调试步骤一

调试步骤二：如图9所示，离开第一个预置槽位，到达第二个槽位，自动调用P2子程序，实现自动运行的要求。

图9 调试步骤二

调试步骤三：如图10所示，为电镀过程中子程序实现的电镀模拟过程。X7接近开关到达，执行电机下降，并且制动。当到达下限X11的时候停止制动并且启动电镀定时器，定时器时间到，电机上行，到达上限停止，电磁抱闸制动防止吊篮因为重力而自动掉下。

图10 调试步骤三

5 参考文献

[1] 方承远.工厂电气控制技术. 机械工业出版社，2003

[2] 史国生.电气控制与可编程控制器技术.化学工业出版社，2005.4

[3] 廖常初.PLC编程及应用.机械工程出版社，2002.9

[4] 钟肇新,范建东.可编程控制器原理及应用.华南理工大学出版社，2003.5

[5] 丁伟. 可编程控制器在工业控制中的应用. 化学工业出版社，2004.7

[6] 魏璇,陆波.PLC和变频调速器在GRC轻型隔墙板生产线上的应用.天津：机械电子出版社,1999（2）

[7] 赵明.工厂电气控制设备.北京：机械工业出版社，1994

[8] 田瑞庭.可编程序控制器应用技术.北京：机械工业出版社，1994

[9] 李景学,紧矿业.可编程控制器应用系统设计方法.北京：电子工业出版社，1995

[10]胡学林.可编程控制器教程.北京:电子工业出版社，2004

致 谢

本次的课程设计题目是电镀车间专用行车PLC控制系统设计，在指导老师的悉心指导下，在本组成员的齐心的努力下,设计终于较好完成了。

通过这次课程设计，我巩固了书本上的理论知识，为以后的学习打下了基础；并且将理论与实践相结合，设计出了一套能够提高生产效率、减轻工人的劳动强度的电镀生产线控制系统；另外也锻炼了自己的探索研究能力，查找和收集资料的能力。

实际生产过程往往复杂，而设计过程中缺少必要的条件和数据，因此本设计不可避免存在一些设计缺陷，希望您批评指正。