基于PLC的电镀专用行车实验系统设计

郑高安，方贵盛，胡云催

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

电镀专用行车是电镀工厂专门用于提高工效、保证工艺精度和提高生产自动化的一种专用起吊设备.传统的电镀专用行车主要采用继电器来设计控制系统，硬件线路繁杂，控制系统体积大，控制方式呆板[1-4].若涉及功能或工艺流程更改，则需重新铺设电路.为此，当前有部分工程师利用现有主流的工业自运化控制器PLC对传统的电镀车间专用行车控制系统进行改造.天津工业大学冯盛隆，南通职业大学王伟以及南京师范大学的吴薛红[5-6]等人利用三菱公司的FX2N-80MR及F-40M型PLC对传统的电镀行车控制系统进行了改造，使系统线路简化，抗干扰能力增强，可靠性得到提高.中国矿业大学刘永拓，四川职业技术学院满海波[7-8]等人在采用西门子PLC技术的基础上将变频器和Profibus-DP现场总线技术相结合，对传统继电器控制系统进行改造，使系统的自动化水平和生产效率都得到了大幅提高.前两者的改造成功，主要归功于可编程逻辑控制器PLC的使用.但，当前的改造主要还是针对控制系统的执行上，关于控制系统的智能化和柔性化改造还有待进一步发掘.另外，电镀专用行车控制系统主要涉及PLC、继电器、变频器和现场总线等机电类相关专业知识，是用PLC改造继电器电路的一个典型案例，已被国内部分教材所引用[9-10].

本文针对电镀专用行车控制系统的智能化和柔性化等方面开展研究，将西门子S7-200PLC、步进电机及驱动器和触摸屏技术相结合，设计了一套自动化程度高，可控性强，柔性度大的新型电镀专用行车实验系统.该系统不仅为开发智能化电镀专用行车提供研究平台，还可作为高等院校自动化专业的实验教学设备.

1 电镀专用行车简介

传统电镀车间主要根据现有电镀工艺和使用率按电镀生产线设置电度槽位，行车生产工艺(见图1).行车架设在电镀槽位上方，并横跨单条生产线所有槽位.行车的运动方式主要分为上下升降吊篮运动和沿生产线前进后退走工艺运动.一般电镀专用行车工作流程为：工件装载，行车提篮，行车走工艺，加工完成，工件卸载，回原点.其中，行车走工艺即为行车根据预先设定的工艺要求，在每一个需要加工的槽位上停留并降下吊篮，使工件处于对应槽位的电镀液中，过规定工艺时间后提篮再到下一槽位，直至工艺要求的所有槽位加工完成.

图1 电镀车间专用行车生产工艺示意图

现有电镀专用行车控制系统主要采用继电器和PLC两种控制方式.继电器控制线路繁杂，更改难度大，PLC控制虽能弥补继电器控制上的不足，但缺乏人机交互界面，远程监控较为困难，系统柔性化和可控性程度不高.在传动方式上，电镀专用行车以变频器驱动电机为主.这种传动方式虽较为成熟，但在精准控制上却较难实现.考虑到工业水平的不断提升，零件工艺要求不断提高，智能化和柔性化的电镀生产线将是未来的发展趋势.为此，面向智能化和柔性化开发电镀专用行车实验系统显得十分必要.

2 电镀专用行车实验系统开发与设计

电镀专用行车实验系统以开发智能化和柔性化的电镀生产线为目的.在系统的搭建上主要采用西门子S7-200PLC、步进电机及驱动器和触摸屏等自动化程度高，可控性强的设备.系统结构布局(见图2).触摸屏作为上位机与计算机一起被置于主控区内.它通过串口与S7-200PLC连接，并向PLC发送命令，同时接收PLC信号，进而监视整个系统的工作情况，实现人机交互，提升系统的可控性.S7-200PLC作为下位机被置于控制箱内，其与步进电机的驱动器、行程开关以及各种直接参与控制的输入输出设备相连接，以实现系统的运行控制.步进电机与驱动器作为执行机构，被配套安装在行车上，用于驱动行车和实现行车的上下升降运动.选择步进电机作为传动方式出于本系统属于实验系统，以探索智能化和精准化控制而考虑.利用步进电机，PLC可根据工艺要求向驱动器发送脉冲指令，以实现行车精准定位.

图2 电镀专用行车实验系统结构图

2.1 电镀专用行车实验系统的PLC控制设计

根据电镀专用行车的控制要求及电镀生产工艺，系统控制程序需要设置两种模式，分别是手动和自动控制，相关的PLC程序控制流程(见图3).手动控制模式下，可进行功能预选，如行车速度，行车加速方式等.预选完成后再由操作者根据工艺流程进行电镀行车的前进与后退，上升与下降来完成电镀工艺.在此模式下，触摸屏无法对行车进行监控，只提供系统操作等功能.自动控制模式下，首先要回参考点，以便PLC能准确执行预设的工艺流程，回参考点后，进行工艺预选，即选择需要加工的电镀工艺，然后PLC根据选择的工艺执行相应的流程.在自动控制模式下，触摸屏对电镀行车在整个工艺流程上进行监控.

此外，程序设计过程中考虑到触摸屏的运用，故需在PLC程序的输入输出点上增加变量，并与触摸屏界面设定的变量匹配，以便触摸屏与PLC进行通信.

图3 PLC程序控制流程图

2.2 电镀专用行车实验系统主要部件及选型

电镀专用行车实验系统主要部件包括控制器，人机交互设备和执行机构等三大部分，零部件的选型以实现系统智能化和柔性化为中心，具体选型如下：

系统控制器选用可编程逻辑控制器PLC.电镀专用行车实验系统在功能上与现场相类似，但以满足实验要求为主，故使用规模不大，选用西门子S7-200系列PLC，CPU为226CN，24点输入，16点输出，即可满足要求.此外，S7-200PLC可扩展性高，实时性强，开放式通信，与触摸屏匹配有效的提升了系统的柔性化程度.

人机交互设备选用西门子Smart700 IE触摸屏.该设备具有高分辨率，64K真彩宽屏显示，7寸大小，1个以太网接口可同时连接3台控制器，1个串口可连接西门子S7-200PLC，具有良好的扩展性与兼容性.

执行机构采用步进电机加驱动器.步进电机选用三相混合式57BYGH350C步进电机，电流5.8A，输出扭矩1.5 N.M，体积适中，带负载能力满足实验系统需求.驱动器选用与步进电机配套的型号，如雷赛3ND583系列，脉冲响应频率达400kHz，8种细分，完全满足实验系统对行车速度与停留精准度的控制.

2.3 系统接线

2.3.1 PLC接线

电镀专用行车实验系统的PLC接线(见图4).Q0.0～Q0.3为PLC输出部分，与驱动器上的相应端子连接，控制步进电机.I0.0～I0.7为PLC的输入部分，与开关、限位传感器等相连，为行车控制提供信号.西门子226PLC支持两路PTO脉冲输出，分别是Q0.0和Q0.1.PTO是输出占空比为50%的脉冲串，通过控制脉冲的周期和个数来实现行车左右与上下动作的精准控制.PLC上的COM0和COM1为两个串行通信口，分别与计算机和触摸屏进行通信.

图4 PLC接线图(部分)

2.3.2 步进电机及驱动器接线

系统中两个步进电机均可以按照驱动器壳上的标示文字接线，行车左右运动的步进电机驱动线路接线情况(见图5)，上下升降电机的驱动线路与之相似.

“DIR+”和“PLS+”端与PLC输出端相连，“PLS-”、“DIR-”和“GND”端接24V负极，“V+”接24V正极，驱动器上的“X”、“Y”、“Z”与步进电机上的“U”、“V”、“W”端相连接.需要注意的是，一般驱动器“PLS+”和“DIR+”端的额定输入电流为6～20mA，电源为5V，与PLC输出为24V不匹配，故在这两个端口需要接降压电阻，以免损坏驱动器.

图5 步进电机及驱动器接线图

3 结 语

基于PLC的电镀专用行车实验系统不仅整合了PLC在控制上的优势，还因触摸屏与步进电机的联合运用，使其在自动化程度和生产线柔性度上得到了很大的提高.具体如下：

(1)采用PLC控制，简化了传统继电器控制电路，提高了系统的可靠性，也为系统提高自动化和柔性化奠定基础.

(2)触摸屏技术的融合，实现了系统的远程监控，为人机交流提供了有效的途径.

(3)步进电机及驱动器的应用，实现了电镀专用行车的精准控制，为电镀专用行车的智能化控制提供实验依据.

另外，实验系统所涉及的知识均是当前高等院校自动化专业所学内容，因此本系统可作为相关专业练习PLC编程，硬件接线和生产线调试，提升实践能力的教学实验设备.

实践证明，基于PLC的电镀专用行车实验系统不仅为开发智能化电镀专用行车提供研究平台，还是一台良好的自动化专业教学实验设备.

参考文献：

[1] 李方园.自动化综合实践[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2] 吴锦传.基于PLC的电镀生产线控制系统设计[J].电气时代，2011(5)：110-111.

[3] 郑高安，方贵盛，金明生.气囊抛光工具与工件接触区压力及应力的分布规律研究[J].浙江水利水电专科学校学报，2013，25(2)：64-67.

[4] 余 剑.基于PLC的电镀生产线控制系统的设计[J].黑龙江科技信息，2010(30)：47.

[5] 冯盛隆.基于PLC的电镀行车控制系统的设计[J].无线互联科技，2013(2)：115.

[6] 王 伟，吴薛红.电镀专用行车的PLC控制[J].南通职业大学学报，2003，17(1)：62-64.

[7] 刘永拓，董 闯，姚 乐.基于PLC的电镀行车控制系统设计[J].中国机械，2014(15)：72.

[8] 满海波.S7-300PLC、MM440变频器在电镀专用行车中的应用[J].电工技术，2009(5)：19-21.

[9] 袁任光.可编程序控制器选用与系统设计实例[M].北京：机械工业出版社，2010.

[10] 梅丽凤.电气控制与PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2012.