表面处理电镀生产线控制系统设计实现

李 虹 郭 旭 陈加良

（中航工业沈阳黎明航发集团有限责任公司 沈阳）

一、引言

公司热表处理厂原电镀生产线自动化程度低、设备老化破损、故障率高，已不能满足新机研制需求等原因，2011年提出对防渗镀铜、镀铜及镀镉生产线进行全面设计，要求控制方式具有手动和自动控制，每条生产线采用触摸屏操作控制，操作简捷直观；控制系统采用PLC控制，系统保持性能稳定、易扩展；保护系统具有自动保护，自动报警功能，保证电镀生产线运行安全可靠满足生产安全管理要求；数据采集系统对关键参数具备在线监控功能，实现数据管理，通过用户权限调用、查询、增减、修改工艺库参数，建立友好的人机界面；行车系统采用变频控制，具备手动和自动控制功能，进退/升降平稳、定位准确，设有限位保护功能。

从国内外研究现状来看，表面处理生产自动化主要研究方向是将自动控制技术，电源控制技术，实现1台计算机可远程控制多台电源、行车、温度控制、电流控制、时间控制等设备。表面处理生产自动化设备集成了计算机系统、控制系统（电源控制、PLC控制和数据采集系统）、行车机构、工位槽体、数据管理系统和传感器执行机构等，成为表面处理生产自动化发展的必然趋势。

结合现场实际情况，通过龙门直线吊车实现电镀生产过程控制，应用PLC控制技术、虚拟技术、变频控制技术、传感器检测技术提高电镀生产线的自动化水平，这对未来实现表面处理生产线生产技术管理，建立生产管理局域网，并通过工作站与公司内网连接，提高技术管理水平、质量保障能力、实现资源共享奠定基础。电镀生产自动化不但可以使电镀产品的质量和品质得到严格的保证，有效减少废品率，而且还可以提高生产效率和减轻工人劳动强度。

二、叶片电镀工艺流程简介

叶片电镀的目的是在叶片上镀上金属镀层，改变叶片表面性质，从而提高耐腐蚀性、抗高温氧化性、提高硬度、提高耐磨性，同时使叶片表面光泽美观。电镀生产线是指按电镀生产工艺要求，将有关的电镀工位槽、龙门直线行车、电源设备、检测系统、加热系统、喷淋系统、空气搅拌系统、通风及污染处理系统等构成1条生产流水线，由电气控制系统控制完成电镀过程。电镀时，镀层金属做阳极，被氧化成阳离子进入电镀液，待镀的金属制品做阴极，镀层金属的阳离子在表面被还原形成镀层。为排除其他阳离子的干扰且使镀层均匀牢固，需用含镀层金属阳离子溶液做电解液，以保持镀层金属阳离子的浓度稳定。结构示意图如图1所示。

图1 电镀生产线结构示意图

三、控制系统总体结构概述

电镀工艺规程对生产过程要求非常严格，槽液温度、电流密度、电镀时间都是保证产品质量的关键参数。所以为了保证产品质量和人身安全，控制系统必须具备系统控制精度高、性能稳定、运行安全可靠等特点，同时满足过程连续控制的特性，使得每条线执行机构动作协调一致。针对防渗镀铜、镀铜及镀镉等3条电镀生产线控制系统开展设计，根据电镀生产线特点及设计要求，控制系统主要由数据管理、PLC及触摸屏、执行机构3部分组成系统总结构（图2）。

1.数据管理

数据管理系统由OMRON控制器、数据采集卡、计算机、打印机及应用软件组成了中控室。计算机通过串口与控制器连接，建立共享数据库。数据管理主要通过人机操作界面实现工艺管理、数据库管理、生产监控，主界面如图3所示。作为数据管理工作站的计算机分为2个工作区。在管理系统中设定管理权限，权限分为高低2个级别，工艺员享有高级别，通过身份认证后方可进入，进行电镀生产工艺规程编制、工艺参数设定、修改；操作员享有低级别，通过身份认证后方可进入，进行选择工艺路线生产工作。

图2 控制系统结构

图3 数据管理主界面

2.PLC控制系统

控制系统由OMRON CPU CJ2M-CPU15、数字输入卡、数字输出卡、模拟输入卡、通信模块、1个主机架、2个扩展机架等组成。3条生产线防渗镀铜、镀铜、镀镉各对应1个机架。通过PLC程序实现3种功能：控制功能、报警保护功能和位置检测功能。控制功能包括：变频控制、行车控制、自动喷淋、槽盖自动开/关、温度控制、时间控制、位置控制及电流控制等。报警保护功能：变频故障报警、行车故障报警、槽盖行程超限报警、温度报警、液位报警、电流报警。位置检测功能：每个工位位置检测、行车进/退升/降左/右检测、槽盖位置检测、温度检测、液位检测等。

3.执行机构

执行机构主要由各种传感器和电磁阀组成，将现场的温度信号、液位信号、位置信号及电流信号等采集后，经过变送器解调为标准信号输送给PLC控制器，同时接受控制器下达各种控制指令。

四、控制系统各系统设计方案

根据防渗镀铜、镀铜及镀镉等3条电镀生产线控制系统的要求和工艺规程分析，OMRON PLC作为主控系统，每条生产线的始端侧面嵌入密封安装触摸屏NS12-TX01B-V2，触摸屏通过RS323串口与PLC控制系统通讯，利用PLC，触摸屏作为每条线的上位机进行监控。由于这3条线的工艺要求和控制要求都相似，所以控制系统归纳由4部分组成。分别为行车控制系统，温度控制系统，辅助设备控制系统以及触摸屏，系统方框图如图4所示。

1.行车控制系统

图4 控制系统方框图

行车系统在电镀自动线上起着核心的作用，电镀的顺序和行车行走的每一步都是按工艺规程进行的，所以生产线上电镀的工件是通过行车按工艺顺序完成电镀过程的。行车控制系统具有自动和手动控制功能，自动控制采用PLC程序控制连续运行，手动控制是采用手动操作按钮控制单步行走。行车运行速度采用变频控制，行车速度分段控制，水平运行速度可在0～30 m/min范围内调整，升降速度在0～9 m/min范围内调整，保证水平行走平稳，上下升降无抖动。行车的时间/运送图如图5所示，横轴表示时间，纵轴表示槽位，实线表示运送，虚线表示空运送。行车上设有声光报警装置、限位保护装置、电机过流保护等多重保护功能，控制程序自动识别，一旦发现故障，系统能迅速停止行车动作并发出声光报警信号。

2.温度控制系统

图5 时间/运送图

在电镀生产线上，有两种工艺加工需要温度控制，一是电镀槽和热水洗槽。加热系统采用电加热的工作方式，温度传感器选用Pt100为反馈元件输入PLC进行分析判断，控制加热装置的起动和停止，在程序中设置超温报警保护功能。系统具备温度监控功能，将温度传感器反馈的信号通过PLC程序实时监控，温度监控程序流程如图6所示。电镀溶液温度将直接影响电镀过程是否能顺利进行、所镀工件是否能达到工艺要求。因为电镀反应需要槽液温度达到一定温度范围时才能正常进行，这样可以保证镀件的镀层厚度均匀，确保镀件表面镀层性质达到工艺要求。所以温度控制在电镀过程中的起着非常重要的作用，而辅助设备控制系统相对简单，此处不再赘述。

3.触摸屏

触摸屏是每条生产线的监控系统，主要功能：通过主操作界面，可以根据零件材料进行工艺选择、参数设置、参数修改、行车控制、数据监控、工艺查询以及报警记录等功能。

五、结束语

基于PLC的电镀生产线控制系统，采用PLC与触摸屏联合控制，不仅提高了自动化程度，而且通过触摸屏可操作性强。通过研究探索该系统操作简捷，运行性能稳定，可靠性高。综上所述，自动化控制的表面处理生产线能提高产品质量和生产效率，降低成本，同时可减轻工人劳动强度和专业性要求，优化操作，方便监测控制。减少环境污染，具有很好的经济效益和社会效益。

图6 温度监控程序流程图