课程设计(论文)-基于西门子plc s7-200的自动化电镀生产线控制设计

摘要

文章探讨了如何利用德国西门子PLC S7-200进行自动化电镀生产线控制，在本次设计中，我们从自动控制技术器件在国内的应用前景及电镀生产线生产现场的环境来考虑，以使该生产线真正具备自动生产运行为目的，制定了采用在当前及以后都应用广泛且能适应多种环境的可编程控制器来控制整个整个工作流程的方案。重点分析了系统软硬件设计部分，并给出了系统硬件接线图、PLC控制I/O 端口分配表以及整体程序流程图等，实现了电镀生产自动化，提高了生产效率，降低了劳动强度。电镀行车生产线自动化结合其他行业自动控制技术的应用情况，提出了基于PLC的电镀行车自动生产线的设计，并通过应用机械、可编程序控制器(PLC)等多项专门技术开发的自动生产系统。

关键词：PLC；电镀

目录

第1章绪论 (1)

1.1电镀生产线的控制系统概述与选题背景意义 (1)

1.1.1基于PLC电镀生产线的控制系统的概述 (1)

1.1.2课题的选题背景及意义 (1)

1.2PLC的发展和历史趋势 (2)

1.3PLC的分类 (2)

1.4PLC系统组成及各部分的功能 (3)

1.5PLC的基本工作原理 (3)

第2章课程设计的方案 (5)

第3章硬件设计 (6)

3.1PLC机型选择 (6)

3.2I/O分配表及其端子接线图 (6)

3.3主电路的设计 (8)

第4章软件设计 (10)

4.1软件的组成及作用 (10)

4.1.1PLC内部资源 (10)

4.1.2PLC编程语言 (10)

4.2电镀生产线的工作流程图 (12)

第5章系统测试与分析/实验数据及分析 (18)

第6章课程设计总结.............................. 错误！未定义书签。参考文献.. (21)

第1章绪论

1.1电镀生产线的控制系统概述与选题背景意义

1.1.1基于PLC电镀生产线的控制系统的概述

电镀行车生产线自动化的程度在德国、意大利、美国等国家的发展水平已经较高，而在我国尚处在发展阶段。中国经济的高速发展，工业化进程的不断深化，为自动化行业的迅猛发展提供了广阔的空间。电镀行业是我国重要的加工行业。

工业电镀生产线工位多、生产复杂，同时在电镀中，其氧化、酸洗、碱洗、电镀等许多工艺具有严重的化学污染和腐蚀，对人的身心健康十分不利，而且人工操作随机性大，影响产品质量。传统的方法是使用顺序控制器，由于其电路复杂，接口多，受外界干扰大，工作可靠性差，维护也困难。采用PLC有较完善的诊断和自保护能力，可以增强系统的抗干扰能力，提高系统的可靠性。

1.1.2课题的选题背景及意义

电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。简单的理解，是物理和化学的变化和结合。

随着工业化生产的不断细分，新工艺新材料的不断涌现，在实际产品得到应用的设计效果也日新月异，电镀是我们在设计中经常要涉及到的一种工艺，而电镀效果是我们使用时间较长，工艺也较为成熟的一种效果。对于这种工艺的应用在我们的产品上已经非常多，而通过这种的处理我们通常可以得到一些金属色泽的效果，如高光、亚光等，搭配不同的效果构成产品效果的差异性，通过这样的处理为产品的设计增加一个亮点。电镀工艺的应用我们一般作以下用途：a)防腐蚀b)防护装饰c)抗磨损d)电性能（根据零件工作要求，提供导电或绝缘性能的镀层）e)工艺要求。

一件电镀产品的质量除了要有好的成熟的电镀工艺和品质好的镀液添加剂外，如何保证电镀产品严格按照电镀工艺流程运行和保证产品的电镀时间则是决定电镀产品质量和品质的重要因素。在电镀生产线上采用自动化控制不但可以使电镀产品的质量和品质得到严格的保证，有效的减少废品率，而且还可以提高生产效率和减轻工人的劳动强度，有着非常好的经济效益和社会效益，电镀生产线上对行车的自动控制则是电镀生产线自动化控制的关键。

电镀生产线按照其工艺要求和规模一般设计有两台行车、三台行车和四台行车工作，每台行车都根据已编制好的各自的程序运行；对于行车的自动控制，早

期是采用继电器逻辑电路和顺序控制器，发展至今其控制方式已采用可编程控制器PLC作为核心控制部件，其控制更为安全、可靠、方便、灵活，自动化程度更高。

用PLC辅以变频器对电镀自动生产线行车进行自动控制，具有结构简单、编程方便、操作灵活、使用安全、工作稳定、性能可靠和抗干扰能力强的特点，是一种很有效的自动控制方式，是电镀生产实现高效、低成本、高质量自动化生产的发展方向。

1.2PLC的发展和历史趋势

二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。

在现实生活中相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。

1.3PLC的分类

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类可以根据结构、功能的差异等进行大致分类。

PLC按其I/O点数多少一般可分为以下4类：

1、微型PLC：I/O点数小于64点的PLC为超小型或微型PLC。

2、小型PLC：I/O点数为256点以下，用户程序存储容量小于8KB的为小型PLC。

3、中型PLC：I/O点数在512～2048点之间的为中型PLC。

1.4PLC系统组成及各部分的功能

1、中央处理处单元（CPU）

CPU的主要任务是控制用户程序和数据的接收和储存。

2、存储器

分为系统程序存储器和用户存储器。

系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。

用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。

3、输入/输出单元

(1) 输入单元：

输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。

(2) 输出单元

输出接口工作过程：当内部电路输出数字信号为高电平，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号为低电平，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。

1.5PLC的基本工作原理

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式。

1、每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。

2、输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

3、一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

4、元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

5、扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数

6、由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

第2章课程设计的方案

摘要中所述，电镀的工作流程(如图 2.1)：启动——吊钩上升——上限行程开关闭合——右行至1号槽上方——XK1行程开关闭合——吊钩下降进入1号槽——下限行程开关闭合——电镀延时——吊钩上升……，由2号槽内吊钩上升，然后左行至左限位，吊钩下降至原位，即原位。

按照要求，我们要实现以下工作方式：

1、原位：表示设备处于初始状态，吊钩在下限位置，行车在左限位置。

2、连续工作：当吊钩回到原点后，延时一段时间（装卸零件），自动上升右行，按照工作流程要求不停的循环。

3、单周期工作：设备始于原点，按下启动按钮，设备工作一个周期，然后停于原点，要重复第二个工作周期，必须再按一下启动按钮。

图2.1 系统流程框图

第3章硬件设计

3.1PLC机型选择

根据自动化电镀生产线的控制要求，我们采用了德国西门子PLC S7-200 CPU224型号，此类型PLC无论独立运行，还是联接网络都能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、塑料机械、电梯等行业。S7-200 CPU224通讯功能完善，具有极高的性能价格比是很突出的特点，也是我们采用它的主要原因。PLC 为此系统的控制核心，此系统的输入信号是多种行程开关，这些面板按钮信号和传感器信号作为PLC的输入变量，经过PLC的输入接口输入到内部数据寄存器，然后在PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，以输出变量的形式送到输出接口，从而驱动电机来控制行车的运行和吊钩的升降

3.2I/O分配表及其端子接线图

在本次系统设计中，我们定义的I/O分配表(如表3-1)。将6个输入信号和4个输入信号按各自的功能类型分好，并与PLC的I/O点一一对应。数字量扩展模块的地址分配是从最靠近CPU模块的数字量模块开始，在本机数字量地址的基础上从左到右按字节连续递增，本模块高位实际位数未满8位的，未用位不能分配给I/O链的后续模块，模拟量扩展模块的地址是从最靠近CPU模块的模拟量模块开始，在本机模拟量地址的基础上从左到右按字递增。

我们定义的I/O端子接线图(如图3.1)。由图表可以看出,PLC控制系统的输入信号有6个，均为开关量。PLC控制系统的输出信号有4个。

表3-1 I/O分配表

3.3主电路的设计

电气原理图是根据电气控制系统的工作原理，采用电器元件展开的形式，利用图形符号和项目符号表示电路各电器元件中导电部件和接线端子连接关系的电路图。电气原理图并不按电器元件实际布置来绘制，而是根据它在电路中所起的作用画在不同的部位上。电气原理图具有结构简单、层次分明的特点，适合研究和分析电路工作原理，在设计研发和生产现场等方面得到广泛应用。

电气原理图一般分为主电路和辅助电路两部分，在本次设计中我们着重分析了主电路图。在本设计中，根据电镀生产线的工艺要求，只需用两台电机分别控制吊钩的上升、下降和行车的左行、右行。主电路如图3.2。

L1 L2 L3

图3.2中，接触控制电动机M1的正、反转，实现吊钩的上升和下降，接触器

控制电动机M2的正、反转，实现行车的前进和后退。

图3.2 电镀生产线主电路图

第4章软件设计

4.1软件的组成及作用

4.1.1PLC内部资源

内部根据软元件的功能不同，分成了许多区域，如输入/输出继电器区、定时器区、计数器区、特殊继电器区等。下面分别介绍下。

1、定时器：电气自动控制的大部分领域都需要用定时器进行时间控制，灵活地使用定时器可以编制出复杂动作的控制程序。它是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。

定时器的工作过程与继电-接触器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点。使用时要提前输入时间预设值。当定时器的输入条件满足时开始计时，当前值从0开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预设值时，定时器触点动作。利用定时器的触点就可以得到控制所需的延时时间。

2、计数器：计数器可用来累计输入脉冲的个数，经常用于对产品进行计数或者进行特定功能的编程。使用时要提前输入它的特定植。当输入触发条件满足时，计数器开始累计它的输入端脉冲电位上升延的次数，当计数器计数达到预定的设定值时，其常开触点闭合，常闭触点断开。

3、输入继电器：输入继电器一般都有一个PLC的输入端子与之对应，它用于接受外部的开关信号。当外部的开关信号为闭合时，输入继电器的线圈得电，在程序中常开触点闭合，常闭触点断开。

4、输出继电器：输出继电器一般都有一个PLC上的输出端子与之对应。当通过程序使得输出继电器线圈得电时，PLC上的输出端开关闭合，它可以作为控制外部负载的开关信号。同时在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。

5、内部位存储器：内部位存储器的作用和继电-接触器控制系统中的中间继电器相同，它在PLC中没有输入/输出端与之对应，因此它的触点不能驱动外部负载，这是与输出继电器的主要区别。它主要起逻辑控制作用。

以上几个是我们在本次系统设计的过程中可能需要用到的PLC软元件，另外PLC还有很多其它的软元件。

4.1.2PLC编程语言

PLC是通过运行编写的用户程序实现控制任务的。PLC中的程序由系统程序和用户程序两部分组成，系统程序由PLC生产厂家提供，它支持用户程序的运行；

用户程序是用户为完成特定的控制任务而编写的应用程序。S7-200系列PLC的编程语言非常丰富，有梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图等，用户可以选择一种编程语言，如果需要，也可混合使用几种语言编程。这些编程语言都是面向用户的，它使控制程序的开发、输入、调试和修改工作大大简化。我们在本次设计中选择梯形图编程。以下我们详细介绍下梯形图的概念。

梯形图左边有一条垂直的线称作左母线，右边一条虚线称为右母线。母线之间是触点的逻辑连接和线圈的输出。

PLC梯形图具有以下一些特点：

1、PLC的梯形图是“从上到下”按行绘制的，两侧的竖线类似电气控制图的电源线，通常称做母线（Bus Bar），大部分梯形图只保留左母线；梯形图的每一行是“从左到右”绘制，左侧总是输入接点，最右侧为输出元素，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按纽、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如指示灯、接触器、中间继电器、电磁阀等。对S7-200系列的PLC来说，还有一种输出“盒”（功能框），它代表附加的指令，如定时器、计数器或数学运算等功能指令。

2、电气控制电路左右母线为电源线，中间各支路都加有电压，当支路接通时，有电流流过支路上的触点与线圈。梯形图中的假想电流在图中只能作单方向的流动，即只能从左向右流动。层次改变（接通的顺序）也只能先上后下，与程序编写时的步序号是一致的。

3、梯形图中的输入接点如I1.0、I0.1等，输出线圈Q0.0、Q0.1等不是物理接点和线圈，而是输入、输出存储器中输入、输出点的状态，并不是接线时现场开关的实际状态；输出线圈只对应输出映像区的相应位，该位的状态必须通过I/O 模块上对应的输出单元才能驱动现场执行机构。

4、梯形图中使用的各种PLC内部器件，如辅助继电器、定时器、计数器等，也不是真的电器元件，但具有相应的功能，因此通常按电气控制系统中相应器件的名称称呼它们。梯形图中每个继电器和触点均为PLC存储器中的一位，相应位为“1”，表示继电器线圈通电、常开接点闭合或常闭接点断开；相应位为“0”，表示继电器线圈断电、常开接点断开或常闭接点闭合。

5、梯形图中的继电器触点既可常开，又可常闭，其常开、常闭触点的数目理论上是无穷多个（受存储容量限制），也不会磨损，因此，梯形图设计中，可不考虑触点数量，这给设计者带来很大方便。对于外部输入信号，只要接入一个信号到PLC即可。

6、电气控制电路中各支路是同时加上电压并行工作的，而PLC是采用循环扫描方式工作，梯形图中各元件是按扫描顺序依次执行的，是一种串行处理方式。

由于扫描时间很短（一般不过几十毫秒），所以控制效果同电气控制电路是基本相同的。但在设计梯形图时，对这种并行处理与串行处理的差别有时候应予注意，特别是那些在程序执行阶段还要随时对输入、输出状态存储器进行刷新操作的PLC，不要因为对串行处理这一特点考虑不够而引起偶然的误操作。

4.2电镀生产线的工作流程图

我们根据设计要求绘制了整个系统的工作流程图，以便可以更清楚的认识该生产线的生产全过程，整个系统的工作流程图，如图4.1所示。

行车动作无非就是上下左右受控移动，按照指定的顺序(即动作表)完成一系列的动作。要求有几套动作表可以选择，动作可以静态修改，也可以在运行时由上位机动态修改。在这里，我们把行车的一个动作定义为：“到几号工位上升，再到几号工位下降”，或者是“延时几秒”，每个动作表由若干个动作字组成，放在PLC 的数据寄存器里，动作表由PLC程序初始化，也可以在运行时通过串行通讯由上位机读取和修改，PLC程序在运行时只是不断地解释和执行动作表。

为实现上述工作流程图的工作工艺编写顺序工作梯形图。

启动。

上升至触动上限位开关，停止上升，水平移动。

水平移动至触动I限位开关，开始下降。

进入电镀槽1，进行电镀，T37计时器开始计时。

计时结束。自动上升，直至触动，上限位开关，水平移动

水平移动，触动II限位开关，下降，进行第二次电镀

第二次电镀计时器T38开始计时

第二次电镀结束，自动上升

第5章系统测试与分析/实验数据及分析

系统要求：当工人将欲电镀的工件装入吊蓝后，按下启动按钮，行车自动上升并前进，遇到限位开关后自动下降，遇到槽限位开关后，停止30s,然后自动上升，到第二个镀槽，30秒后回到初始位置，由工人卸下工件。行车在任何位置按下停止按钮都回到初始位置。

为完成以上工作要求，在系统测试时选用S7-200 CPU224PLC为控制核心实际连线如图5.1所示。

图5.1 PLCI/O接口实际接线图