李秀忠

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，佛山 528137）

0 引言

電鍍是指在含有欲鍍金屬的鹽類溶液中，以被鍍基體金屬為陰極，通過電解作用，使鍍液中欲鍍金屬的陽(yáng)離子在基體金屬表面沉積出來，形成鍍層的一種表面加工方法。根據(jù)鍍層的功能分為防護(hù)性鍍層，裝飾性鍍層及其它功能性鍍層。電鍍工藝廣泛應(yīng)用在國(guó)民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，如燈飾、鎖具、眼鏡、打火機(jī)、潔具、汽車、摩托車配件、裝飾五金、電器組件的電鍍等，我國(guó)的電鍍加工基地主要集中在廣東的珠江三角洲地區(qū)和浙江的溫州地區(qū)。目前中小電鍍企業(yè)特別多，其電鍍生產(chǎn)線自動(dòng)化水平不高，手工操作的生產(chǎn)線占大多數(shù)，生產(chǎn)環(huán)境惡劣、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大[1,2]，針對(duì)這一情況，本文根據(jù)某一小型電鍍企業(yè)的需求，設(shè)計(jì)一種基于S7-300 PLC和ET200S的電鍍生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)電鍍過程的自動(dòng)化控制，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工人勞動(dòng)環(huán)境。

1 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)某企業(yè)主要進(jìn)行裝飾五金電鍍，電鍍工藝為除油、水洗、酸洗、水洗、電鍍、水洗，共有26個(gè)工作槽兩臺(tái)行車，行車1工作范圍為12個(gè)槽，主要進(jìn)行除油、水洗、酸洗、水洗，行車2工作范圍為16個(gè)槽，主要進(jìn)行電鍍、水洗，整條生產(chǎn)線約40m，其中水洗1和交換1槽為兩臺(tái)行車共同的工作范圍。行車采用單鉤龍門起重機(jī)，工作槽規(guī)格為長(zhǎng)1.5m×寬1.5m×高1.2m，提升重量按300kg設(shè)計(jì)，掛具提升高度2m，行車行走速度0～30m/min，升降速度0～10m/min，行走電機(jī)1.5kW采用變頻調(diào)速，升降電機(jī)3KW采用雙速電機(jī)。設(shè)計(jì)完成的生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。

1.1 行車1工藝流程設(shè)計(jì)

行車1主要進(jìn)行電鍍工件的除油、水洗、酸洗、水洗，其中除油槽6個(gè)，水洗槽2個(gè)，酸洗槽3個(gè)，交換槽1個(gè)，行車1從上料處提取工件掛具分別送至除油槽6～1，除油時(shí)間到分別從除油槽6～1提取工件掛具依次進(jìn)行水洗、3次酸洗、再水洗，接著再分別從上料處提取工件掛具至除油槽6～1，從交換1處取回空掛具回上料處，行車1工藝流程設(shè)計(jì)如下：

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖

工步1：從上料處提料至除油6；→工步2：從上料處提料至除油5；……；→工步6：從上料處提料至除油1；→工步7：除油6時(shí)間到提料依次通過水洗、酸洗、至水洗1；→工步8：從上料處提料至除油6；→工步9：從交換1提取空掛具至上料處；→工步10：除油5時(shí)間到提料依次通過水洗、酸洗、至水洗1；→工步11：從上料處提料至除油5；→工步12：從交換1提取空掛具至上料處；……；→工步22：除油1時(shí)間到提料依次通過水洗、酸洗、至水洗1；→工步23：從上料處提料至除油1；→工步24：從交換1提取空掛具至上料處；如此循環(huán)。

1.2 行車2工藝流程設(shè)計(jì)

行車2主要進(jìn)行電鍍、水洗，其中電鍍槽12個(gè)，水洗槽1個(gè)，交換槽1個(gè)。從水洗1處提取工件掛具分別至電鍍槽12～1處，電鍍時(shí)間到分別從電鍍槽12～1處提取工件掛具至水洗2處，水洗完成后進(jìn)行卸料。

工步1：從水洗1提料至鍍槽12；→工步2：從水洗1提料至鍍槽11；……；→工步12：從水洗1提料至鍍槽1；→工步13：鍍槽12時(shí)間到提料至水洗2；→工步14：從水洗1提料至鍍槽12；→工步15：從交換2提取空掛具至交換1；→工步16：鍍槽11時(shí)間到提料至水洗2；→工步17：從水洗1提料至鍍槽11；→工步18：從交換2提取空掛具至交換1；……；→工步46：鍍槽1時(shí)間到提料至水洗2；→工步47：從水洗1提料至鍍槽1；→工步48：從交換2提取空掛具至交換1；如此循環(huán)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制要求

生產(chǎn)線完成工件除油、水洗、酸洗、電鍍等工藝，具有自動(dòng)和手動(dòng)控制方式，行車行走和升降起動(dòng)、停止平穩(wěn)，?？康轿痪_，能對(duì)除油、電鍍等工序時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，具有故障報(bào)警、行車行走超程報(bào)警和保護(hù)、行車行走防撞報(bào)警和保護(hù)、行車升降超程報(bào)警和保護(hù)，能實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品電鍍工藝。

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線由S7-300 PLC CPU314C-2PN/DP做主控制器，每臺(tái)行車由一個(gè)ET200S遠(yuǎn)程I/O模塊控制，配置IM151-3PN接口模塊1個(gè)和多個(gè)I/O模塊。行車行走電機(jī)由西門子G120 CU240E-2 PN變頻器驅(qū)動(dòng)，升降電機(jī)由ET200S的I/O模塊控制，西門子KTP600 Basic color PN觸摸屏用于電鍍工藝參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行監(jiān)控和報(bào)警顯示[3]。ET200S的I/O模塊接收現(xiàn)場(chǎng)各種開關(guān)信號(hào)，通過接口模塊IM151-3PN傳送給CPU314C-2PN/DP，經(jīng)控制程序處理后PLC輸出通過ET200S的接口模塊和I/O模塊控制行車按規(guī)定的電鍍工藝運(yùn)行。CPU314C-2PN/DP通過PROFINET接口與各臺(tái)行車的ET200S模塊、G120變頻器和KTP600觸摸屏的PROFINET接口相連，進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)通信控制，設(shè)計(jì)完成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)I/O設(shè)計(jì)

1）輸入設(shè)計(jì)

在行車導(dǎo)軌一側(cè)每個(gè)工作槽中心線對(duì)應(yīng)位置處安裝1個(gè)到位接近開關(guān)，用于行車行走定位控制。每臺(tái)行車升降機(jī)構(gòu)上安裝4個(gè)接近開關(guān)，用于行車升降減速和到位控制，安裝2個(gè)行程開關(guān)，用于行車升降機(jī)構(gòu)上下限位控制。每臺(tái)行車上分別安裝1個(gè)防撞行程開關(guān)和1個(gè)行走限位開關(guān)，安裝1個(gè)啟動(dòng)按鈕、1個(gè)停止按鈕和1個(gè)急停按鈕。上料、水洗1、交換1、水洗2、交換2處各安裝1個(gè)行程開關(guān)用于檢測(cè)有無掛具。每臺(tái)行走電機(jī)安裝1個(gè)熱繼電器、升降雙速電機(jī)安裝2個(gè)熱繼電器。

2）輸出設(shè)計(jì)

每臺(tái)行車行走電機(jī)變頻器電源控制輸出點(diǎn)1個(gè)，每臺(tái)行車升降雙速電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制輸出點(diǎn)2個(gè)，高低速控制輸出點(diǎn)2個(gè)，每臺(tái)行車聲光報(bào)警輸出點(diǎn)1個(gè)。

2.4 主控單元設(shè)計(jì)

圖2 電鍍生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主控單元采用S7-300 PLC CPU314C-2PN/DP[4]，集成有1個(gè)MPI/DP接口、1個(gè)PROFINET接口、DI24/DO16和AI5/AO2。觸摸屏采用KTP600 Basic color PN，5.7'' TFT顯示屏、320×240像素、256色、6個(gè)功能鍵、1個(gè)PROFINET接口。主控單元安裝在一個(gè)電氣控制箱中，PLC與觸摸屏、分布式I/O ET200S、G120變頻器通過PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，PLC接收來至觸摸屏的系統(tǒng)啟?？刂?、除油和電鍍時(shí)間及其他參數(shù)設(shè)置等信號(hào)，控制系統(tǒng)啟停和電鍍工藝參數(shù)。PLC接收來至行車分布式I/O的行走定位接近開關(guān)信號(hào)，升降減速和到位接近開關(guān)信號(hào)，行走和升降限位開關(guān)、行走防撞開關(guān)信號(hào)，行車啟停信號(hào)，急停開關(guān)信號(hào)，上料、水洗1、交換1、水洗2、交換2處的掛具檢測(cè)信號(hào)，電機(jī)熱繼電器保護(hù)信號(hào)等，進(jìn)行行車行走定位、升降減速和到位控制，行車行走和升降限位控制和超行程報(bào)警保護(hù)，行車防撞控制和報(bào)警保護(hù)，電機(jī)過熱報(bào)警保護(hù)，行車啟?？刂?，急?？刂?，及掛具有無檢測(cè)等。主控單元安裝有系統(tǒng)自動(dòng)和手動(dòng)轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)控制系統(tǒng)在調(diào)試期間和故障時(shí)，為了不影響生產(chǎn)切換為手動(dòng)操作方式控制行車電鍍作業(yè)。自動(dòng)和手動(dòng)操作模式通過一轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，手動(dòng)操作模式時(shí)切斷PLC電源，系統(tǒng)通過安裝在行車控制箱中的行走、升降繼電接觸器控制電路和操作手柄手動(dòng)方式控制行車行走和升降。

2.5 行車單元設(shè)計(jì)

每臺(tái)行車上安裝一個(gè)控制箱，控制箱內(nèi)安裝分布式I/O ET200S接口模塊IM151-3PN，數(shù)字量輸入輸出模塊，行車手動(dòng)操作繼電接觸器控制電路[5,6]。每臺(tái)行車上安裝一個(gè)啟動(dòng)、停止按鈕，在導(dǎo)軌前后兩端各安裝一個(gè)急停按鈕和一個(gè)聲光報(bào)警器。行車行走定位接近開關(guān)安裝在每個(gè)工作槽中心對(duì)應(yīng)的導(dǎo)軌上。行車升降減速、到位接近開關(guān)和上下限位行程開關(guān)安裝在掛具升降垂直導(dǎo)軌上。在行車行走導(dǎo)軌的前后兩端各安裝一個(gè)行走限位開關(guān)，在兩臺(tái)行車相向的位置方向上每臺(tái)行車各安裝一個(gè)行走防撞開關(guān)。在上料、水洗1、交換1、水洗2、交換2槽頭中心位置處各安裝一個(gè)掛具檢測(cè)開關(guān)。行車行走電機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)，升降電機(jī)采用雙速電機(jī)。安裝在導(dǎo)軌上和行車上的各開關(guān)信號(hào)經(jīng)分布式I/O ET200S模塊通過PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)傳送給主控制器S7-300 PLC。

2.6 行車行走和升降速度控制

行車行走電機(jī)由G120變頻器驅(qū)動(dòng)，由PLC通過PROFINET總線向變頻器發(fā)送控制字來實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停和速度控制。為確保行車行走運(yùn)行平穩(wěn)、晃動(dòng)小，停車定位準(zhǔn)確，本系統(tǒng)采用高、中、低三段速進(jìn)行行車行走速度控制，當(dāng)目標(biāo)位置與當(dāng)前位置相距2個(gè)以上槽時(shí)，行走電機(jī)高速運(yùn)行；當(dāng)目標(biāo)位置與當(dāng)前位置相距2個(gè)槽時(shí)，行走電機(jī)中速運(yùn)行；當(dāng)目標(biāo)位置與當(dāng)前位置相距1個(gè)槽時(shí)，行走電機(jī)低速運(yùn)行至目標(biāo)位置處停車，行走電機(jī)三段速控制曲線如圖3所示。行車升降電機(jī)采用雙速電機(jī)，由ET200S的I/O模塊輸出并通過相應(yīng)的繼電接觸器電路控制電機(jī)速度，當(dāng)升降機(jī)構(gòu)在升降減速接近開關(guān)以前時(shí)采用高速運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行至升降減速接近開關(guān)處時(shí)減速為低速運(yùn)行，至到位接近開關(guān)處停車，升降電機(jī)速度控制曲線如圖4所示。

圖3 行走電機(jī)速度控制曲線

圖4 升降電機(jī)速度控制曲線

3 控制系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)PLC控制程序用TIA Portal V12軟件進(jìn)行編程，首先對(duì)CPU314C-2 PN/DP控制器、行車1的分布式I/O ET200S和變頻器G120、行車2的分布式I/O ET200S和變頻器G120、觸摸屏KTP600進(jìn)行組態(tài)[7]，如圖5所示。在本系統(tǒng)中CPU314C-2 PN/DP的IP地址設(shè)為192.168.0.1，觸摸屏KTP600的IP地址設(shè)為192.168.0.2，行車1分布式I/O ET200S、行車1變頻器G120、行車2分布式I/O ET200S、行車2變頻器G120的IP地址分別設(shè)為192.168.0.3～192.168.0.6。行車1變頻器G120的輸入輸出地址為256～267，行車2變頻器G120的輸入輸出地址為268～279[8]。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)視圖

控制程序主要由主程序、行車1運(yùn)行程序和行車2運(yùn)行程序組成，其中主程序主要進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，行車行走和升降超行程檢測(cè)及報(bào)警保護(hù)，行車防撞檢測(cè)及報(bào)警保護(hù)，電機(jī)過熱檢測(cè)及報(bào)警保護(hù)，急停檢測(cè)及報(bào)警保護(hù)等，調(diào)用行車1運(yùn)行程序和行車2運(yùn)行程序。行車1運(yùn)行程序流程圖如圖6所示，對(duì)行車1運(yùn)行區(qū)間段的設(shè)備進(jìn)行控制，主要完成除油、兩次水洗、3次酸洗工藝。行車2運(yùn)行程序流程圖如圖7所示，對(duì)行車2運(yùn)行區(qū)間段的設(shè)備進(jìn)行控制，主要完成電鍍、水洗工藝。在本系統(tǒng)中上料和卸料由手動(dòng)操作上料和卸料機(jī)完成。行車行走電機(jī)的啟動(dòng)、停止和轉(zhuǎn)速由PLC通過PROFINET總線向變頻器寫入相應(yīng)的控制字來實(shí)現(xiàn)，此時(shí)需對(duì)變頻器的P0700和P1000等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中命令源選擇參數(shù)P0700設(shè)置為6為現(xiàn)場(chǎng)總線，頻率設(shè)定值來源選擇參數(shù)P1000設(shè)置為6為現(xiàn)場(chǎng)總線，變頻器控制字47F、C7F、47E分別送QW256和QW268控制兩臺(tái)行車行走電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，頻率數(shù)據(jù)送QW258和QW270控制兩臺(tái)行車行走電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖6 行車1運(yùn)行程序流程圖

圖7 行車2運(yùn)行程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以S7-300 PLC CPU314C-2PN/DP做主控制器，用2個(gè)分布式I/O ET200S分別對(duì)兩臺(tái)行車運(yùn)行進(jìn)行控制，行車行走電機(jī)由S7-300 PLC通過PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，行車升降雙速電機(jī)由ET200S進(jìn)行控制，用KTP600觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行監(jiān)控，S7-300 PLC通過PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)與分布式I/O ET200S、變頻器G120和觸摸屏KTP600進(jìn)行通訊。采用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)和分布式I/O系統(tǒng)，對(duì)電鍍生產(chǎn)線各分散設(shè)備進(jìn)行集中控制，提高了電鍍生產(chǎn)線自動(dòng)化水平、降低了電鍍工件的次品率、提高了產(chǎn)品質(zhì)量、減少了企業(yè)用工數(shù)量、降低了企業(yè)生產(chǎn)成本、減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度、改善了工人勞動(dòng)環(huán)境、操作維護(hù)方便。

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