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PLC在电镀生产线控制系统中的应用

时间:2016-08-03 17:00来源:未知 作者:admin 点击:
主要有:自动循环、单周期、单步操作、手动操作,这四种操作方式。采用PLC对专用行车的工作过程进行控制的方法,简化了控制系统的接线,提高了系统的可靠性和灵活性,在实际生产中减少了劳动力,提高了工作效率。

 

 

PLC在电镀生产线控制系统中的应用


  要:

利用三菱FX2N系列可编程序控制器来控制电镀自动生产线。在上料时采用PLC控制机械手自动上料,电镀过程用PLC控制行车来进行电镀,行车在前后运行及停车时采用能耗制动,以保证准确定位,并且行车在每个槽位停留的时间由定时器控制,可根据工艺需要由外部设定。机械手与行车有多种操作方式,便于实际生产的需要,主要有:自动循环、单周期、单步操作、手动操作,这四种操作方式。采用PLC专用行车的工作过程进行控制的方法,简化了控制系统的接线,提高了系统的可靠性和灵活性,在实际生产中减少了劳动力,提高了工作效率。

关键词

三菱FX2N系列;机械手;行车;操作方式


1             

可编程序控制器(Programmable Logic Con-troller)  简称PLC,是将自动化技术,计算机技术,通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。由于它具有通用性好;可靠性高;环境适应性好;抗干扰能力强;功能强;接线简单;编程容易;使用方便;体积小;量重轻;功耗低等突出优点。是实现机电一体化的理想控制装置,我尝试将PLC用于在生产线上。根据电镀的工艺要求,组成PLC控制的自动电镀生产,以达到提高产品质量,提高生产效率和节能的目的。本PLC控制行车是电镀车间起吊待电镀及表面处理的产品零件的自动电镀设备。该系统能够实现灵活改变生产线的工艺选择,实现电镀工艺的变工序控制。利用可编程序控制器,设计了一套自动控制系统,对该电镀专用行车实现多种控制方式,有手动﹑自动﹑单周及单步操作,实现电镀的多种工艺的需要,各槽位有限位开关,保证行车的准确停位。电镀行车采用两台三相异步电动机分别控制行车的升降和进退,采用机械减速装置。在上料部分,采用了PLC控制的机械手自动上料,其也具有多种操作方式,机械手可节省部分劳动力,采用自动控制,停位准确。

1.1      可编程序控制器(PC

可编程序控制器,简称PCPLC。它是20世纪70年代以来,在集成电路﹑计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强﹑可靠性高﹑配置灵活﹑使用方便以及体积小﹑重量轻等优点,国外已广泛运用于自动化控制的各个领域,并成为实现工业生产自动化的支柱产品。近年来,国内在PC技术与产品开发应用方面的发展也很快,除许多从国外引进的设备﹑自动化生产线外,国产的机床设备已越来越快地采用PC控制系统取代传统的继电接触控制系统。国产化的小型PC性能也基本达到国外同类产品的技术指标。

1.1.1 PC的定义

19872月,国际电工委员会(IEC)颁布了可编程序控制器标准草案第三稿。该草案中对可编程序控制器的定义是:可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计,它采用了可编程序的,存储器用来在其内部存储执行逻辑运算顺序控制定时计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备,都按易于与工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。

定义强调了可编程序控制器应直接应用于工业环境,它必须具有很强的抗干扰能力,广泛的适应能力和使用范围,是区别于一般微机控制系统的一个重要特征。

1.1.2    PC的性能指标及特点

PC的性能指标

PC的技术性能指标有很多,主要有以下几项指标:

a)输入/输出点数(I/O点数) I/O点数是指可编程序控制器外部输入输出端子数的总和。它标志着可以接多少个开关按钮和可以控制多少个负载。

b)存储容量  存储容量是指可编程序控制器内部用于存放用户程序的存储器容量,一般以步为单位,二进制16位即一个字为一步。

c)扫描速度  一般以执行1000步指令所需时间来衡量,单位为ms/k步,也有以执行一步指令所需时间来计算的。

d)功能扩展能力  可编程控制器除了主模块之外,通常都可配置几种可扩展模块,以适应各种特殊应用的需要,如A/D模块D/A模块位置控制模块等。

e)指令系统  指令系统是指一台可编程控制器指令的总和,它是衡量可编程控制器功能强弱的主要指标。

1.2         PLC的特点

PLC的主要特点为:

1.2.1    软件简单易行

    PLC的最大特点之一,就是采用易懂的梯形图语言,它是计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型,形成一套独具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。梯形图符号和定义与常规继电器展开图安全一致,电气操作人员使用起来得心应手,不存在计算机技术和传统电气控制技术之间的专业鸿沟。在了解PLC简要工作原理和它的编程技术之后,就可结合实际需要进行应用设计。

1.2.2  使用和维护方便

a)硬件配置方便  PLC的硬件都是生产厂家按一定标准和规格生产的,硬件可按实际需要来配置,十分方便。

b)安装方便  PLC是用程序来实现控制功能的,与继电器-接触器控制系统相比较,大大减少了电器的安装和接线工作。

c)使用方便  PLC能提供许多内部继电器供用户编程使用,而且其触点的数量和使用次数均不受限制,给用户带来很大方便。用户在选用PLC时主要考虑I/O点数,可选择不同型号和各种功能模块的配置来达到需求数。

d)维护方便  PLC配备有许多监控提示信号,能检查出自身的故障,并随时显示给操作者,并且能够动态地监视控制程序的执行情况,为现场的调试和维护提供了方便。

1.2.3  抗干扰能力强,工作稳定可靠

因为PLC是专为工业控制而设计的,所以设计者采用了各种措施来提高抗干扰能力和工作可靠性,主要措施有:

a)输入 输出均采用光电隔离,提高了抗干扰能力。

b)主机的输入电源和输出电源可相互独立,减少了电源间干扰。

c)采用循环扫描工作方式,提高了抗干扰能力。

d)内部采用监视器电路,以保证CPU可靠地工作。

e)采用密封防尘抗震的外壳封装及内部结构,可使用恶劣环境。

1.2.2.4 设计施工周期短

    使用PLC完成一项控制工程,在系统设计完成以后,现场施工和PLC程序设计可以同时进行,周期短,可进行在线修改,柔性好。

由于具有如此多优点,PLC受到广泛欢迎,应用日益普及。

1.3      PLC的发展及国内市场概况

PLC从诞生至今,其发展大体经历了三个阶段:从20世纪70年代至80年代中期,以单机为主发展硬件技术,为取代传统的继电器-接触器控制系统而设计了各种PLC的基本型号。到80年代末期,为适应柔性制造系统(FMS)的发展,在提高单机功能的同时,加强软件的开发,提高通讯能力。90年代以来,为适应计算机集成制造系统(CIMS)的发展,采用多CPUPLC系统,不断提高运算速度和数据处理能力;通讯能力进一步提高,网络就是计算机这一观点已渗透到PLC领域,强大的网络通讯能更使PLC如虎添翼,随着各种功能模块应用软件的开发,加速了PLC向连续控制过程控制领域的发展。PLC的发展过程表明,它事实上以改变了当初单纯作为继电器接触器的替代物用作开关量控制的初衷,而发展成为一种新型的工业控制的基础控制设备。

今后,PLC的发展将会朝以下几个方向进行:

a)方便灵活和小型化

近来,为了满足工业生产的不同需要,小型机功能不断增加,例如数值运算模拟量处理与上位计算机联网通讯CRT编程器等功能。在结构上,有些小型机也采用了框架式,用户可根据需要选择I/O接口内存容量以及其他功能模块,可以更加方便灵活地构成自己使用的控制系统。

b)大容量和高功能化

大容量PLC输入输出点数在1024点以上,甚至有的达到500010000点,这类产品可以满足钢铁工业化学工业等大型企业的生产过程自动控制需要。这类产品大部分采用有高速运算能力的片位式微处理器或高功能的1632位微处理器,而且常常采用多CPU结构,用不同的CPU分别处理不同的控制任务以提高整机处理速度和增加各种功能。

大型PLC一般具有较强的科学计算数据处理能力和数据通讯及联网能力,有很高的运行速度,并且有大量不同功能的智能模块供选用,能方便与计算机及别的控制器连成控制管理网络。在总体上,PLC功能正在向通用计算机靠近。

c)机电一体化

可编程序控制器在机械行业得到了广泛应用,开发大量机电技术相结合的产品和设备,PLC发展的重要方向。

机电一体化技术是机械、电子、信息技术的融合,它的产品通常由机械本体、微电子装置、传感器、执行机构等组成。机械本体和微电子装置是机电一体化的基本构成要素。

为了适应机电一体化产品的需要,PLC应该增强功能,增大存储容量和加快处理速度,并且进一步缩小体积,加强坚固性和密封性,进一步提高可靠性及易维护性。

d)通讯和网络标准化

随着生产技术的发展,必然会使PLC从单机自动化向全厂生产自动化过度。这就要求各个PLC之间以及PLC与计算机或其他控制设备之间能迅速、准确、及时地互通信息,以便可以进行一致地控制和管理。

1.3.1    PLC的编程语言

PLC的编程语言有梯形图语言、助记符语言、顺序功能图语言等。其中前两种语言用的比较多,顺序功能图语言也在许多场合被使用。

下面简单介绍一下梯形图语言:

a)梯形图从上至下编写,每一行从左至右顺序编写。PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。

b)图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。每一逻辑行必须以起始母线开始画起,终止母线可以省略。

c)梯形图中的触头有两种,即常开触头和常闭触头。这些触头可以是PLC的输入触头或内部继电器触头,也可以是内部继电器、定时器/计数器的状态。

与传统的继电器控制图一样,每一触头都有自己的特殊标记,以示区别。因每一触头的状态存入PLC内的存储单元中,可以反复读写,所以同一标记的触头可以反复使用,次数不限。

d)梯形图的最右侧必须连接输出元素。

e)梯形图中的触头可以任意串、并联,而输出线圈只能并联,不能串联。

2          电镀自动生产线PLC控制设计

本设计包括两个部分:上料装置机械手控制设计及电镀装置吊篮行车控制设计。

其工艺流程为:有5个电镀槽,每个槽中装有不用的镀液(实际生产中电镀槽的数量由电镀工艺要求决定,电镀的种类越多,槽的数量越多)。本设计以5个槽为例。电镀专用行车的加工过程在电镀生产线一侧,用PLC控制的机械手将待加工的零件装人吊篮,发出信号,行车自动上升并逐段前进,根据工艺要求在需要停留的槽位停止,然后自动下降,停留一定的时间(各槽停留的时间根据工艺要求预先设定),再自动上升并继续前进。如此完成电镀工艺规定的各道工序,直至生产线的末端再自动返回原位,再由机械手卸下处理好的零件,完成一次循环。可见,电镀专用行车加工过程的控制是顺序控制,由吊篮前进、下降、延时停留、上升、后退等工序组成。

另外,该行车控制系统中,行车的前后和升降运动要求准确停位,且两者之间应有电气联锁。

设计中所选用的可编程控制器为三菱的FX2N系列。

I/O点数的确定:

根据输入设备(按钮、操作开关、传感器等)及输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件),以及输出设备所驱动的控制对象如电动机等,可估算其I/O点数。

以下是关于与本设计有关的FX2N系列的各功能的概述。

2.1     FX2N系列PLC的内部资源

    各种不同型号和档次的PLC具有不同数量和功能的内部资源,但构成PLC基本特征的内部软元件是类似的。现以FX2N系列小型PLC为例,介绍其内部资源。

2.1.1     输入触点X

FX2N是基本单元中的输入点按照X000X007X010X017,这样的八进制格式进行编号;扩展单元的输入点则接着基本单元的输入点顺序进行编写。来自现场设备的外部输入信号与硬件上的输入点一一对应,被PLC扫描读入后,存入输入映象寄存器,表现为程序可多次调用的输入触点状态。输入触点X的基本功能是可以读取外部输入信号的状态。

2.1.2    输出继电器Y

FX2N的基本单元中的输出点按照Y000Y007X010X017,这样的八进制格式进行编号;扩展单元的输出点也接着基本单元的输出点顺序进行编号。PLC运行时,要接受各路X的输入状态、运行控制程序,然后将运行结果传送至输出继电器Y进行输出。因此,所有输出继电器都对应一个硬件上的输出信号,用来驱动PLC的各路负载。输出继电器Y的基本功能是可以在用户程序的控制下改变负载的状态。

2.1.3        内部继电器

    在可编程控制器内部可多次使用,但不能输出的继电器叫做内部继电器或辅助继电器。内部继电器与输出继电器的不同点是它只在程序中使用,既不能直接读取外部输入状态,也不能直接驱动外部负载。内部继电器M在程序中的作用相当与继电器控制系统中的中间继电器,其功能是在程序中用于中间状态暂存、移位、辅助运算或赋予特别用途。PLC的内部继电器分普通型、掉电保持型和赋予特殊用途型三类。

a)普通型  普通型继电器在断电或停止运行时线圈将失电,机内不记忆停电瞬间的状态,再来电时从失电状态开始执行程序。FX2N系列PLC中普通型内部继电器按十进制编号,从M0M499500个。

b)掉电保持型  掉电保持型继电器在断电或停止运行时机内记忆停电瞬间的状态,再来电时恢复停电瞬间的状态,从此时状态开始执行程序。FX2N系列PLC中掉电保持型内部继电器按十进制编号,从M500M1023524个。

c)赋予特殊用途型  赋予特殊用途的内部继电器有两大类,第一类信号由PLC的系统程序自身产生,用户编程时可调用其触点,如特殊继电器M8000的功能是在程序RUN时保持ON状态;M8002的功能是在程序RUN的第一个周期产生一个脉冲宽度为一个扫描周期的脉冲输出,供用户初始化使用;M8011M8014的功能是为提供10ms100ms1s1min的周期性脉冲输出。第二类信号由PLC的用户程序驱动,用户编程时可置位其线圈,如程序置位M8033,则程序停止运行时输出会保持,如程序置位M8034,则PLC输出全被禁止。

2.1.4        状态寄存器S

状态寄存器是用于步进顺序控制时表达工序号的继电器。FX2N系列PLC中状态寄存器S按十进制编号,从S0S9991000点,其中S0S9供初始状态使用;S10S19供返回原点使用;S20S499为普通型;S500S899为断电保护型;S900S999供报警使用。状态寄存器不做工序号使用时,可作为内部继电器使用。

2.1.5        定时器T

定时器是将可编程控制器内的1ms10ms100ms等时钟脉冲进行加法计数,当它达到规定的设定值时,其输出点就工作。定时器利用内部时钟脉冲的可测量范围为0.0013276.7sFX2N系列PLC中定时器按十进制编号,从T0T255256个,其中T0T199100ms普通定时器,当定时线圈的驱动输入变为OFF时,当前值不保持,线圈再得电时计数从零开始,这些定时器中,只有T192T199可以用在子程序和中断子程序中;T200T24510ms普通定时器;T246T24910ms累计定时器,其当前值为累计数,所以,当定时线圈的驱动输入为OFF时,当前值被保持,作为累计操作使用;T250T255100ms累计定时器。

2.1.6        计数器C

计数器的计数方式为向上计数向下计数,向上计数是在线圈得电时从零开始对被计脉冲计数,计到预置值时触头动作;向下计数则是在线圈得电时从预置值开始计数,计到零时触头动作。FX2N系列PLC中的计数器按十进制编号,从C0C255256个,其中C0C9916位向上计数的普通计数器,当计数线圈的驱动输入变为OFF时,当前值不保持,线圈再得电时计数从头开始。C100C19916位向上计数的断电保持型计数器,当计数线圈的驱动输入为OFF时,当前值将被保持,线圈再得电时计数从原计数值开始,16位向上计数的范围为13276732C200C21932位可逆计数的普通计数器;C220C23432位可逆计数的断电保持型计数器,32位可逆计数的范围位-2147483648+2147483648。这些计数器是可编程控制器的内部信号用的,其应答速度通常为数10Hz以下。其余的C235C255计数器均为高速计数器,这些计数器直接对来自外部的高速脉冲进行32位可逆计数,其输入脉冲可以由输入点X000X007输入,计数值不受可编程控制器的运算控制,最高计数频率为60kHz

2.1.7        数据寄存器DVZ

数据寄存器是存储数值数据的元件。FX2N系列PLC中的数据寄存器全是16位的(最高位为正负位),用两个寄存器组合就可以处理32位(最高位为正负位)数值。数值范围可参考其相关说明。D寄存器按十进制编号,从D0D81958196个,其中D0D199是通用数据寄存器;D200D511是断电保持的数据寄存器;D512D7999是断电保持的专用数据寄存器;D8000D8195是已被系统程序赋予了特殊用途的数据寄存器。

数据寄存器之中还有称为寻址用的VZ寄存器,范围从V0V7Z0Z7,共16点。

2.2         指令的基本编程法及指令说明

2.2.1   基本器件编程方法

1)      输入触点X

工业控制系统输入电路中的选择开关、按钮、限位开关等在梯形图中以输入触点表示,在编程时输入触点X可常开和常闭两种指令来编程。

2)      输出继电器Y、内部继电器M

2-1 输出继电器和普通内部继电器的简单程序

继电器具有逻辑线圈及可以多次调用的常开触点、常闭触点。图2-1为应用输出继电器和普通内部继电器的简单程序。

该程序的功能是:

a)PC进入RUN方式时,输出线圈Y0通电,0#输出信号灯亮。

b)当接通输入触点X10后,内部继电器线圈M100通电,M100的常闭触点断开,常开触点导通,因此输出端Y0失电,0#灯熄灯;Y1得电,1#灯亮。

3)       定时器T

现以100ms普通定时器为例,分析下面图2-2所示的T0定时器简单程序。

2-2 定时器简单程序

初始状态为线圈Y0T0均不通电,0#输出信号灯灭。X0闭合时,定时器T0的线圈通电,并开始计时。K123表示计数值常为123,定时时间为100ms*123=12.3s,当T0线圈通电够12.3s后,定时器动作,其常开触头T0闭合,使Y0输出灯亮。从启动定时器开始到定时器触头动作,其间延迟时间由程序确定。

定时器在计时过程中,如果线圈失电后再通电时,定时器相当于自动复位,重新从置值开始计时。

FX2N系列PLC的定时器属于通电延时型,若利用它的常闭触点,可以完成断电延时的控制效果。

2.2.2  基本指令用法说明

1)      逻辑取与输出线圈驱动指令LDLDIOUT

LD:取指令,用于常开触点与母线连接。

LDI:取反指令,用于常闭触点与母线连接。

OUT:线圈驱动指令,用于将逻辑运算的结果驱动一个指定线圈。OUT指令可以连续使用若干次,相当于多个输出线圈并联。

2)       单个触头串联指令ANDANI

AND:与指令。用于单个触点的串联,完成逻辑运算。

ANI:与反指令。用于常闭触点的串联,完成逻辑与非运算。

其指令用法说明:

a)ANDANI指令均用于单个触点的串联,串联触点数目没有限制。该指令可以重复多次使用,指令的目标元件为XYMTCS

b)OUT指令后,通过触点对其他线圈使用OUT指令称为纵接输出,如OUT M101指令后,再通过T1触点去驱动Y4。这种纵接输出,在顺序正确的前提下,可以多次使用。

3)      触点并联指令ORORI

OR:或指令。用于单个常开触点的并联。

ORI:或反指令。用于单个常闭触点的并联。

其指令用法说明:

a)ORORI指令用于一个触点的并联连接指令。若将两个以上的触点串联连接而电路块并联连接时,要用ORB指令。

b)ORORI指令并联触点时,是从指令的当前步开始,对前面的LDLDI指令并联连接。该指令并联连接的次数不限。

4)       串联电路块的并联指令ORB和并联电路块的串联指令ANB

ORB指令是当一个梯形图的控制线路由若干个先串联、后并联的触头组成时,可将每组串联的触点看作一个块。与左母线相连的最上面的块按照触点串联的方式编写语句,然后用ORB将串联块相并联。

ANB指令是当一个梯形图的控制线路由若干个先并联、后串联的触点组成时,可将每组并联看成一个块。与左母线相连的块按照触点并联的方式编写语句,其后依次相连的块称子块。子块语句编写完后,加一条ANB指令,表示各并联电路块的串联。
    ORB
ANB指令均为不跟操作元件号的独立指令。

5)      多重输出电路指令MPSMRDMPP

MPS:进栈指令。

MRD:读栈指令。

MPP:出栈指令。

这组指令可将连接点先存储,因此可用于连接后面的电路。PLC中,有11个存储运算中间结果的存储器,使用一次MPS指令,该时刻的运算结果就推入栈的第一段。再次使用MPS指令时,当时的运算结果推入栈的第一段,先推入的数据依次向栈的下一段推移。使用MPP指令,各数据依次向上段压移,最上段的数据在读出后就从栈内消失,MRD是最上段所存的最新数据的读出专用指令,栈内的数据不发生下压或上托。

6)      置位与复位指令SETRST

SETRST指令用于对逻辑线圈M、输出继电器Y、状态S的置位、复位。

RST指令对数据寄存器D和变址寄存器VZ的清零和对定时器T和计数器C逻辑线圈的复位,使它们的当前计时值和计数值清零。使用SETRST指令,可以方便地在用户程序的任何地方对某个状态或事件设置标志和清零标志。同时也可以对同一元件多次使用,且具有自保持功能。

7)       脉冲输出指令PLSPLF

PLS:上升沿脉冲输出,用于检出输入信号的上升沿,输出给后面的编程元件,获得一个扫描周期的脉冲输出。

PLF:下降沿脉冲输出,用于检出输入信号的下降沿,输出给后面的编程元件,获得一个扫描周期的脉冲输出。

指令使用说明:

a)使用PLS指令,元件YM仅在驱动输入接通后的下个扫描周期内动作。

PLF指令,元件YM仅在驱动输入断开后的一个扫描周期内动作。

b)特殊继电器不能用作PLSPLF的操作元件。

8)      空操作指令NOP和程序结束指令END

NOP是一条空操作指令,用于程序的修改。NOP指令在程序中占一个步序,没有元件编号。在使用时,为修改或增减指令方便,预先在程序中插入NOP指令。

END指令用于程序的结束,是无元件编号的独立指令。在程序调试过程中,可分段插入END指令,再逐段调试;在该段程序调试好后,删去END指令,然后进行下段程序的调试,直到全部程序调试完为止。

9)       取反指令

INV指令用来取前面信号的反逻辑,不能与母线直接相连,也不能单独使用。

2.2.3  相关程序控制功能指令说明

1)       CJ条件跳转指令

CJCJ(P)为条件跳转指令。该指令用于跳过程序中的某一部分,从指针标号处执行。操作码后加P,表示当其控制线路由断开闭合时才执行该指令。操作元件为指针P0P63,其中P63END,无需再标号。CJ指令可以向前跳转,也可以向后跳转,但程序执行时间不能超过软件监视定时器的设定时间,否则PLC会处于错误状态。

2)      传送指令MOV

MOV是数据传送指令。该指令源作数选用范围为KHKnXKnYKnMKnSTCDVZ。如果源操作数[S]内的数据是十进制的常数,则CPU自动地将其转换成二进制数,然后再传送到目的操作数[D]中去。

3)      步进指令STLRET

a)STL称为步进开始指令,其操作元件是状态器S。在梯形图中,STL触点与母线相连,使用STL指令后,母线移至右侧,其后可用LDLDIOUT等指令,直至状态转移母线恢复原位。

b)RET称为步进结束指令,无操作目标元件,在一系列STL指令后必须使用RET指令,以表示步进指令功能结束,母线恢复至原位。

其他功能指令:区间复位指令ZRSTZRST是同类元件的成批复位指令,又称为区间复位指令,其目标操作元件[D1*][D2*]必须是同类元件,并且[D1*]元件号应小于[D2*]元件号;置1位总数统计指令SUM,其是用于统计指定源元件中置1位的总数,并将结果存入指定目标寄存器[D*]中。

机械手自动操作PLC控制设计

机械手在自动生产线上应用广泛,主要用于搬运和装卸零件的重复动作,以实现生产自动化。本设计中的机械手用PLC自动控制,起装卸镀料的作用。

2.3      控制要求

机械手自动操作完成将工件由A点移向B点的动作,如图3-1所示:

3-1 机械手示意图

机械手每个工作臂上都有上、下限位和左、右限位开关,而其夹持装置不带限位开关。一旦夹持开始,定时器起动,定时结束,夹持动作随即完成。机械手达到B点后,将工件松开的时间也是由定时器控制的,定时结束时,表示工件松开。

2.4       控制方案

采用FX2NPLC控制,有关I/O分配见附录2所示。

机械手动作过程:

当按下起动按钮X0时,机械手从原点X10开始下降,下降到底时,碰到下限位开关X1,下降停止。同时接通定时器T0,机械手开始夹紧X15工件,定时T0结束,夹紧完成。机械手上升,上升到顶时,碰到上限位开关X2,上升停止。机械手右移X13,至碰到右限位开关X3时,右移停止。机械手下降,下降到底时,碰到下限位开关X1下降停止。同时接通定时器T1,机械手放松X16工件,定时T1结束,工件已松开。机械手上升,上升到顶碰到上限位开关X2时,上升停止。机械手左移X14,左移到原点碰到左限位开关X4时,左移停止。于是机械手动作的一个周期结束。

2.4.1    控制原理分析

机械手的操作方式有四种:手动、自动、单步及单周。下面对照总设计梯形图(附录3)对其操作分别进行分析。

2.4.2    手动操作

手动操作程序如下图3-2所示。

X7=1时,由跳转指令CJ P1可知,程序直接跳转到P1处,即手动程序部分,当X11常开触头闭合时,使Y1线圈得电,机械手下降,下降到下限位开关X1限位停止,此时X15置位,机械手抓紧延时T0;当X12常开触头闭合时,Y2线圈得电,机械手上升,上升到上限位X2限位停止;当X13常开触头闭合时,又因X2=1,使Y3线圈得电,机械手右移,右移到右限位X3停止;再次X11常开触头闭合时,使Y1线圈得电,机械手下降,下降到下限位开关X1限位停止,此时X16置位,机械手松开延时T1;然后X12常开触头闭合时,Y2线圈得电,机械手上升,上升到上限位X2限位停止;当X13常开触头闭合时,又因当X14常开触头闭合时,X2=1Y4线圈得电,机械手左移,左移至左限位X4停止。这样完成了一次循环,最后回到原位。

3-2 手动操作程序

若在手动操作前,机械手未回原位,则可以闭合X10指令直接跳转至P2对应的程序段(回原位程序),使机械手复位。此段程序为公共程序。

P3所对应的程序为停止程序,即X17常开触头闭合时,整个程序停止运行,此程序也为公共程序。其程序如图3-3所示。

3-3 回原位及停止程序

2.4.3        自动操作

X5=1时,按起动X0M20线圈得电,运行自动程序。M8000是当PC运行时就为1SUM是统计整个自动程序置1的总数,并把它存入D0中,SFTL为向左移位。

自动程序运行时,M0先得电,线圈Y1就得电,机械手下降;下降到下限位X1时,X1=1SFTL执行向左移位,M1得电,机械手抓紧延时T0=2ST0得电,线圈Y2得电,机械手上升;上升到上限位X2X2=1,执行向左移位,M2得电,线圈Y3得电,机械手右移;右移至右限位X3X3=1,执行向左移位,M3得电,线圈Y1再次得电,机械手下降;下降到下限位X1,执行左移,M4得电,机械手复位即松开延时T1=1ST1得电,线圈Y2再次得电,机械手上升;上升到上限位X2,执行左移,M5得电,线圈Y4得电,机械手左移;回到左限位X4,执行左移,M6得电,使M0M6都复位,重新再次开始循环。

自动操作的总体流程图如下图3-4所示。

1)      单步操作

单步操作是通过控制常闭触头X6来执行的,其原理与自动程序一样,不同点就是使机械手进行一步一步的操作。

2)      单周操作

单周操作就是自动程序执行了一次循环,X5=0;输入端接线是悬空的。

2.4.4   程序调试及模拟运行

PLC完成了程序设计后,可以在实验室里进行模拟和调试,其具体情况如下:

a)程序检验 

首先把程序输入三菱FX2N系列编程器,经过程序检验,改正程序中的一些编程的语法错误和数据错误,再逐条程序搜索与设计程序核对,并且没有错误后再传入CPU模块RAM存储器中。

3-4 自动操作流程图

b)信号的模拟

用开关来模拟输入信号,每个开关模拟一个输入信号,开关的一端接入相应的输入端点,另一端作为公共端,接在PLC输入信号电源的负端(当要求输入信号公共端为正电源时)

搬动开关,接通或断开输入信号,来模拟机械手动作使检测元件状态发生变化,并通过输入、输出端的指示灯来观察输入、输出的状态变化。例如,当机械手输入端的X11动作时,相对应的输出端Y1的指示灯将亮;当X12动作时,输出端Y2的指示灯就要亮。运用这样的原理来模拟信号的输入输出的正确性。

c)进行模拟运行

首先把机械手回到原位,从初始状态开始进行模拟。按照I/O接线图(见附录2),正确的接线,接通外接电源,仔细检查无误后,再进行下一步实验。

把设计程序读入可编程控制器的RAM中,然后运行PLC,并且开启程序监控,程序运行后,将按照程序工步,一个一个执行下去,如果其运行是与程序一致的,则说明PLC设计程序是正确的,实现了控制要求。

现对机械手进行程序的运行,当执行自动程序时,X5接通,按X0起动,PLC的输入输出将按照自动程序一步一步的执行,在实验台上应看到机械手先下降,当达到下降位将夹紧并延时T0,然后上升,到达上限位停止,执行右移,到达右限位停止,再次下降,到下限位停止并松开延时T1,再上升,到上限位停止,左移回到左限位,即回到原位,完成一次循环,若不按X17停止或不关电源,机械手将重复进行上述循环。当执行单周操作时,其接线可直接悬空,单周运行就是自动运行时的一个循环,进行上述实验后,可知道自动程序是正确的,是符合设计要求的,在此过程中,限位开关起到了准确停位的功能,而其抓紧和松开采用了定时制动,更好的满足了工艺的要求。

在手动程序的检验中,X7先接通,然后进入程序的检验,当按X11时,Y1输出指示灯亮,机械手下降,到达下限位停止,Y0保持,即Y0定时T0夹紧;按X12Y2输出指示灯亮,机械手上升,到上限位停止;按X13时,机械手右移,到右限位停止;再按X11,机械手下降,到达下限位停止,Y0复位,即机械手定时T1松开;再按X12,机械手上升,到上限位;按X14,机械手左移,到左限位停止(其中机械手到限位时,相对应的输入端的指示灯将亮),完成了一次手动循环。

根据以上模拟运行,该设计程序满足设计要求,基本实现了机械手的PLC自动控制。

3          电镀PLC自动控制设计 

PLC控制一条五镀槽电镀自动生产线,要求用手动、回原位、自动三种操作方式,在自动操作方式下有单步、单循环、自动循环三种操作方式,待加工工件在原位装入吊蓝,选择某种操作方式,控制吊篮由15号镀槽按设定的时间进行依次加工,电镀时间可根据工艺要求进行外部设定。

3.1      控制要求

由于每个槽位之间的跨度较小,行车在前后运行停车时要有能耗制动,以保证准确停位。电镀行车采用两台三相异步电动机分别控制行车的升降和进退,采用机械减速装置。电动机数据:(J02-12-4,P=0.81kw,I=2A,n=1410r/min,V=380V)

其控制要求:

a)电镀工艺应能实现四种操作方式:自动循环;单周期;步进操作;手动操作。

b)前后运行和升降运行应能准确停位前、后升降运行之间有互锁作用。

c)该装置采用远距离操作台控制行车运行要求有暂停控制功能。

d)行车运行采用行程开关控制并要求有过限位保护。

e)行车升降进退都采用能耗制动,升降电动机和进退运动电动机的制动时间都为2S15号槽位的停留时间依次为2.5S2.6S2.7S2.8S3S

f)在原位的装料由机械手来完成,机械手的操作方式和电镀自动生产线相同。

利用现有的PLC及电气控制实验台进行接线调试,以满足设计要求。

3.2      控制方案

    在电镀生产线一侧(原位)将待加工零件装入吊篮并发出信号专用行车便提升前进到规定槽位自动下降并停留一段时间(各槽停留时间预先按工艺设定)后自动提升行至下一个电镀槽完成电镀工艺规定的每道工序后自动返回原位卸下电镀好的工件重新用机械手自动装料进入下一个电镀循环。

3.3      控制原理分析

一般电镀自动生产线的行车对应于相对固定的工艺组成其行走规律相对固,工序变化比较少在程序设计时可以对每种工艺进行编程实际运行时通过选择开关或其他方式选用不同的工艺。但是这样的设计方式程序的灵活性小对于一些工艺变化大经常需要更改工艺的生产线来说这样的程序组成就显示出它的局限性。因此程序必须能够根据实际的情况灵活地改变工艺根据工艺组成行车可以很好地完成工艺规定。

采用三菱FX2N系列PLC来控制行车进行自动电镀,此PLC提供了丰富的功能指令可方便地实现各种程序要求,该系统能够实现灵活改变生产线的工艺选择实现电镀工艺的变工序控制。

PLC电镀设计有四种操作方式:手动,自动操作,单周,单步。根据总梯形图(附录6)对其控制程序进行分析。

3.4      硬件设计

行车的前/后及上/下运动分别由三相交流电动机M1M2拖动通过正/反转控制实现相反方向的移动。其中M1KM1KM2控制M2KM3KM4控制为保证准确停位采取了两方面的措施一是在行车前进与上升/下降运动停止时进行能耗制动由接触器KM5控制;二是在行车进退的轨道一侧对应各镀槽位设置行程开关SQ1SQ5,保证吊篮与镀槽相对位置的准确性。在行车平移中设置电磁铁抱闸制动控制。当升降电机M2失电时抱闸刹车使吊篮稳定停在空中能安全地前后平移。为了便于操作和维修调整吊篮的左右移动采用点动控制两地操作。行车的进退运动均设置了自动和点动控制按钮。各槽位的停留时间由PLC内部定时器的预置值决定。

本设备采用日本三菱公司生产的FX2NPLC控制。其中输入点用了17输出点用了17I/O分配如附录5所示。行车的工作状态分别由指示灯HL0HL7指示。

4          PLC程序设计

先绘制出整个控制程序的结构图,见图4-1所示。

当操作方式选择开关置于手动时,输入点X10接通,其输入继电器常闭接点断开,执行手动操作程序。

当操作选择开关置于单步单周期自动时,其对应的输入点X11X12接通,其输入继电器的常闭接点断开,执行自动操作程序。

在执行自动操作程序时,如操作选择置于自动时,起动后,X12常开触点闭合,程序自动循环。操作选择开关置于单步时,X12也闭合,程序也可循环,但必须是每按一次起动按钮执行一步。如果操作选择开关置于单周期,则程序执行完一个周期(即行车回到原点)时,自动停止。

由于手动和自动程序采用了跳转执行指令,故这两个程序可采用同一套输出继电器。

4-1 总控制程序框图

    a)手动操作程序见图4-2所示。

在手动方式下各种动作都用按钮操作来实现。

为了安全,行车前后移动,只有在吊篮处于上限位置时才能进行。故要在前后移动电路中设置上限位保护。

当运动选择开关置于/时,吊篮处于上限位置,按X14按钮,线圈Y10得电,行车前进,前进到5号槽X5断开行车停止;按X15按钮,线圈Y11得电,行车后退,后退到原位X0断开行车停止。

当运动选择开关置于/时,按X17按钮,吊篮下降,下降到下限位X7常闭触点断开,Y13线圈失电停止;按X16按钮,吊篮上升,上升到上限位X6常闭触点断开,Y12线圈失电停止。

4-2 行车PLC控制手动程序

当吊篮上升或下降到上限位X6或下限位X7时,线圈Y14得电并延时T8,实现制动过程。

b)自动操作程序(见附录6)

本系统是按顺序动作的步数进行控制。用状态器S来实现,其总状态转移图如图4-3所示。

在转入自动操作程序后,当行车处于原位时,Y0闭合,置位初始状态位S0,按起动按钮X16,则置位第一个程序步S20,线圈Y12得电,吊篮上升,上升到上限位X6Y14得电定时T0制动;T0=1,则置位第二个程序步S21,线圈Y10得电,行车前进,前进到1号槽X1限位,行车停止,此时产生脉冲M0得电,置位第三个程序步S23,线圈Y13得电吊篮下降,下降到下限位X7停止,线圈Y14得电延时制动T1T1=1,则置位第四个程序步S24X1=1,在1槽位定时T3,然后线圈S20得电,重新回到第一个程序步S20,依次循环到5槽位,此时X5=1,置位第五个程序步S22,线圈Y11得电,行车后退到原位X0X0=1,置位第三个程序步S23,再次开始自动循环。

X13是暂停按钮,M8000那段程序是当行车或吊篮到位时使位置信号灯亮。这部分是整个程序的公共程序。

    c)单周操作

在单周操作方式下,其程序运行过程与自动操作一样,只是当状态转换到最后一步,行车完成最后一个动作后自动停在原点,只进行一次循环。

在自动方式下,X12=1,当行车完成最后一个动作,状态由最后一个动作转移到第一个程序步S20,行车又开始第二周期的循环。

在运行中,如按停止按钮X13则所有状态程序步全部复位,行车动作停止。重新起动时,先用手动操作将行车移回到原点,再按起动按钮又重新自动运行。

由于全部步进状态都具有停电保持功能,停电后状态由电池保持,为防止复电

4-3 行车单周、自动、单步控制状态转移图

时系统自起动,要对状态进行初始复位。

d)单步操作 

单步操作是用X11来实现的。在单步操作方式下,X11接通,不按起动按钮时,输入继电器X16断开,其常闭触点闭合,M8040接通,状态转移被禁止。当完成一步动作后,按下起动按钮X16,输入继电器X16接通,其常闭触点将M8040断开,状态转移到下一步,即完成单步操作。

5          程序调试及实验验证

完成以上程序设计后,需对其程序和设计的正确性和可行性进行校验。

PLC实验台上可完成对本行车设计的模拟实验,具体如下:

a)程序检验

把程序输入PLC中,经过程序检验,改正编程中的语法错误及数据错误,然后逐条程序与设计程序相核对,无误后把程序传入CPU模块RAM存储器中。

b)信号模拟

用开关来模拟输入信号,每个开关模拟一个输入信号,开关的一端接入相应的输入端点,另一端作为公共端,接在PLC输入信号电源的负端(当要求输入信号公共端为正电源时)

搬动开关,接通或断开输入信号,来模拟机械手动作使检测元件状态发生变化,并通过输入、输出端的指示灯来观察输入、输出的状态变化。例如,当输入端的X14动作时,相对应的输出端Y10的指示灯将亮;当X16动作时,输出端Y12的指示灯就要亮。运用这样的原理来模拟信号的输入输出的正确性。

c)程序模拟运行

首先把行车设置在原位,就是让行车从初始状态开始进行模拟。按照行车的I/O接线图,正确的接线,接通外接电源,仔细检查无误后,再进行下一步实验。

把设计程序读入可编程控制器的RAM中,然后运行PLC,并且开启程序监控,程序运行后,将按照程序工步,一个一个执行下去,如果其运行是与程序一致的,则说明PLC设计程序是正确的,实现了控制要求。

现在PLC实验台上对行车进行程序的模拟运行,实验所需的仪器主要有:三菱FX2N系列编程器,编程软件,计算机,行车模拟装置,电源及若干接线,当实验条件满足后,根据行车I/O输入输出接线分配图(见附录图5),正确接线,接电源。准备完毕后,把设计程序读入CPURAM中,运行PLC,开始电脑监控,若程序正确则应该输入与输出的执行动作相一致,满足设计的控制要求。但若在模拟运行时发现某个输出点的显示与执行元件动作的要求不相符时,说明不能满足控制要求,则需要对程序进行检查和修改,其具体步骤如下:

a)首先检查各输入信号状态与该工步输出状态的执行元件的标明是否一致,如果不一致,则要逐个改正。

b)检查逻辑设计是否正确,检查出错的输出点的逻辑函数是否正确,标准就是其取值为1的区间是否与要求一致,如果不一致,则要修改逻辑设计以及与其对应的PLC程序编制,重新输入程序。

c)检查PLC程序编制是否正确。若在上一步中没有发现逻辑设计错误,则应检查PLC语句表程序或梯形图程序是否与逻辑设计相一致。如果不一致,则修改PLC程序使之与逻辑函数式一致,然后修改程序。

d)检查PLC程序输入操作是否正确。在上述步骤中若没有错误,则需检查在程序输入PLC时是否发生操作错误,是实际内存中程序与设计程序不一致。

进行上面的步骤检查和修改,直到输入与输出状态达到设计要求,则程序才正确,调试过程完成。

现对行车控制进行实验验证,在执行自动程序时,按起动按钮X16,状态器S20得电,Y12线圈得电指示灯亮,吊篮上升,到上限位X6指示灯亮,吊篮停止,此时Y14指示灯亮,延时T0制动,T0=1,状态器S21得电,Y10指示灯亮行车前进,到1号槽限位停止X1指示灯亮,状态器S23得电,Y13指示灯亮,吊篮下降,到下限位X7指示灯亮,Y14指示灯亮,延时T1制动,T1=1,状态S24得电,在1槽位停留T3,吊篮再次上升执行上述过程,直到5槽位,状态器S22得电,行车后退回到原位,重新开始循环。

在单周操作下其运行情况与自动一样不同的是它只执行一次循环最后直接回到初始状态S0

在手动操作时,X10接通当行车在上限位即X6指示灯亮时X14行车前进Y10指示灯亮X15行车后退Y11指示灯亮X16Y12得电指示灯亮吊篮上升到达上限位X6指示灯亮Y14指示灯亮上升制动T8X17吊篮下降Y13得电指示灯亮到达下限位X7指示灯亮Y14得电下降制动T8

经过上述实验及模拟运行,该设计程序能满足控制要求,能很好的完成行车的基本操作与运行,证明此设计是符合要求的,是可行的。

PLC控制设计的面板图及程序清单详见附录1,附录4,附录7

6          结束语

本设计采用三菱FX2N系列可编程控制器对机械手及电镀专用行车进行控制,简化了电气控制系统的接线,减小了体积。用PLC控制生产线后,该系统有以下突出特点:抗干扰性能大为提高,控制精度准确,提高了产品质量;根据工艺要求灵活改变生产流程,扩充系统方便;用一套系统可实现多种控制操作,电路接线简单,调试方便。

经过模拟实验,调整了设计中的一些基本错误及不足之处,完善了设计程序,增强了设计的可行性,也保证了设计的正确性。

 

 

 

 

7          参考文献

[1] 田瑞庭.可编程序控制器应用技术[M].北京:机械工业出版社,1994.7

[2] 陈金华.可编程序控制器(PC)应用技术[M].北京:电子工业出版社,1995.3

[3] 周万珍,高鸿斌.PLC分析与设计应用[M].北京:电子工业出版社,1997.4

[4] 汪晓平.PLC可编程控制器系统开发实例导航[M].北京:人民邮电出版社,2000.7

[5]付家才.电气控制工程实践技术[M].化学工作出版社,2004.6

[6]潘再平,徐裕硕.电气控制技术基础[M].浙江大学出版社,2004

[7]许琴,王淑英.电气控制及PLC应用[M].北京:机械工业出版社,2005

[8]张凤珊.电气控制及可编程控制器[M].中国轻工业出版社,1999.4

[9]方承远.工厂电气控制技术[M].北京:机械工业出版社,2003.8.第二版

[10]王也仿.可编程控制器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2001.9

[11]杨长能,张兴毅.可编程序控制器 PC 基础及应用[M].重庆:重庆大学出版社,1992.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8             

首先我最要感谢的是我的指导老师,本次设计从一开始提出到最后完稿,都倾注了您的大量心血。每个环节您都给与了宝贵的参考意见,设计中您花费了大量的时间和精力来认真的指导我,并提出了很多宝贵意见。您的不断的支持和鼓励,对我论文的圆满完成起了很大的作用,在此向您表示诚挚的谢意!

另外,我要感谢我的同组同学们,在设计中的意见使我在考虑一些关键问题的时候得到启发,给了我很多建设性的意见。

最后,感谢我的父母和亲朋好友多年来对我物资和精神上的支持和鼓励,使我顺利完成学业。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9             

9.1     附录1 PLC控制I/O接线图

9.2    附录2 PLC控制总梯形图

 

9.3    附录3 程序指令清单

0 LD  X13

1 ALTP  M8034

4 LD  X11

5 ANI  X16

6 OUT  M8040

8 LD  M8000

9 MOV  K2X0  K2Y0

10 LDI  X10

11 CJ  P0

14 LD  X14

15 ANI  X15

16 AND  X6

17 ANI  X5

18 OUT  Y10

19 LD  X15

20 ANI  X14

21 AND  X6

22 ANI  X0

23 OUT  Y11

24 LD  X16

25 ANI  X17

26 ANI  X6

27 OUT  Y12

28 LD  X17

29 ANI  X16

30 ANI  X7

31 OUT  Y013

32 LDF  Y12

34 ORF  Y13

36 OR  Y14

37 ANI  T8

38 OUT  Y14

39 OUT  T8  K20

42 P0

43 LD  X10

44 CJ  P1

51 LD  Y0

52 SET  S0

 

 

 

 

 

 

 

54 STL  S0

55 LD  X16

56 SET  S20

58 STL  S20

59 LDI  X6

60 OUT  Y12

61 LD  X6

62 OUT  Y14

63 OUT  T0  K20

66 LDI  X5

67 AND  T0

68 SET  S21

70 LD  X5

71 AND  T0

72 SET  S22

74 STL  S21

75 OUT  Y10

76 LD  X1

77 OR  X2

78 OR  X3

79 OR  X4

80 OR  X5

81 PLS  M0

83 LDP  Y10

85 INV

86 AND  M0

87 SET  S23

89 STL  S22

90 OUT  Y11

91 LD  X0

92 SET  S23

94 STL  S23

95 LDI  X7

96 OUT  Y13

97 LD  X7

98 OUT  Y14

99 OUT  T1  K20

102 LD  T1

 

 

 

 

 

 

103 SET  S24

105 STL  S24

106 LD  X0

107 OUT  T2  K20

110 LD  X1

111 OUT  T3  K25

114 LD  X2

115 OUT  T4  K26

118 LD  X3

119 OUT  T5  K27

122 LD  X4

123 OUT  T6  K28

126 LD  X5

127 OUT  T7  K30

130 LD  X0

131 ANI  X12

132 OUT  S0

134 LD  X0

135 ABD  X12

136 OR  X1

137 OR  X2

138 OR  X3

139 OR  X4

140 OR  X5

141 OUT  S20

143 RET

144 P1

145 END

                                                      

 

 

 


(责任编辑:admin)
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