某企业金属表面处理生产线的电气控制装置设计优化

本节内容可作为在校生课程设计或毕业设计的参考。在作为毕业设计课题时，可将吊篮数增加，如增加到7吊篮、9吊篮等。控制方式可修改为其他品牌的通用变频器、PLC产品和型号。

1.生产线概况

某企业具有多条金属表面处理生产线，生产线采用直线式行车，行车架上有可升降的吊钩。行车和吊钩各由一台电动机带动。在行车的适当位置装有接近开关SQ，行车的平移和吊钩的上下运动均由接近开关SQ定位。生产线的结构与动作流程如图5-9所示。

图5-9 生产线的结构与动作流程示意图

行车中的小车、大车及升降运动由笼型三相异步电动机传动，每台电动机的额定功率1.1kW、额定电压380V、额定电流1.99A、同步转速1410r/min，并采用机械减速。行车机械结构与普通小型行车结构类似，跨度较小，但要求准确停位，以便吊篮能准确进入电镀槽内。工作时，除具有自动控制的大车前/后移动与吊物上/下运动外，还有调整吊篮位置的小车运动（左/右）。

控制装置具有程序预选功能，可按电镀工艺要求确定需要的停留工位，一旦程序选定，除上、下装卸零件，整个电镀工艺应能自动进行。行车中的小车、大车及升降运动要求准确停位。前后、升降及左右运动之间有联锁作用。采用远距离控制，整机电源及各动作需要有相应灯光指示。具有限位保护和电气保护。

（1）生产工艺流程

1）金属件镀锌工艺流程：镀件—去油—碱性清洗—去锈—酸性清洗—镀锌—清洗—钝化—清洗—烘干—成品。

2）金属件镀镍工艺流程：镀件—去油—碱性清洗—去锈—酸性清洗—预镀铜—清洗—镀镍—清洗—干燥—成品

3）金属件镀铬流程：镀件—去油—碱性清洗—去锈—酸性清洗—预镀镍—清洗—镀铜—清洗—镀亮镍—清洗—镀铬—清洗—干燥—成品

（2）生产线工作过程

生产线采用远距离控制，起吊重量在500kg以下，起吊物品是待进行表面处理的各种产品零件。生产线上有5～9个镀槽，30余个工位，镀槽一字排开，工件由装有可升降吊钩的行车带动，升降吊钩在各个镀槽上将吊篮提起、放下、转移，即经过电镀、镀液回收、清洗等工序，完成工件的电镀全过程。在各个槽停留时间预先按工艺设定。如，工作时，工件放入镀槽中电镀，约5min后提起，再停放30s，让镀液从工件上流回镀槽，然后放入回收液槽中浸30s，提起后停15s，接着放入清水槽中清洗30s，最后提起停15s，行车返回原位，一个工件的电镀过程结束。对于不同零件，其镀锌、镀镍、镀铬、镀镍镉及镀层要求和工艺过程是不相同的。因此，设备还要求电气控制系统能针对不同工件的工艺流程，有程序预选和修改性能。主要工位有上料工位、前处理工位、镀槽工位、后处理工位、下料工位等。上、下料工位是行车运行的始末位置。在生产线起始位置，人工将待加工零件装入吊篮，并发出信号，吊钩上升，专用行车便提升并自动逐段前进，按工艺要求在需要停留的槽位停止（由接近开关SQ定位），并自动下降，停留一定时间后自动提升，行车左移，直至下一步工序接近开关SQ检测位置时才停止，吊钩正好在该处理工位上方，吊钩下降，直至下降定位接近开关SQ检测位置时才停止，镀件放入处理槽内，按工艺要求定时处理镀件，定时时间到，吊钩上升提起镀件，直至上升接近开关SQ检测位置时才停止，继续转到下一步工序，如此循环完成电镀工艺规定的每一道工序，直至生产线的末端下料处卸下处理好的镀件，自动返回上料工位（原位），重新装料，发出信号进入下一循环电镀工作。

（3）技术改造要求

为了提高电镀生产线的自动化生产水平，实现对电镀生产的实时监控，提高生产效率，在不影响生产的情况下，拟分期分批进行技术改造，按照工艺要求，将电镀处理槽、行车、电气系统、电源设备、抽风系统、循环过滤系统、温控加热系统、空气搅拌系统、液位控制系统、阴极移动装置等改造为多功能自动控制系统。行车和吊钩电动机改造为通用变频器控制。由可编程序控制器PLC、工控机IPC、触摸屏组成自动化控制系统。

2.原系统电气控制系统概况

（1）主电路

原系统行车电气控制主电路如图5-10所示。

1）行车的左右、前后及上下运动分别由电动机M1、M2、M3拖动，并通过正反转控制实现两个方向的移动。由接触器K1、K2、K3、K4及K5、K6分别控制电动机M1、M2、M3的正、反转。因设备调整需要，进退及升降控制也有点动控制。M2、M3由热继电器FR1、FR2实现过载保护。吊篮的左右移动，由K1、K2控制M1的正、反转实现。M1正转左移，反转右移，采用点动控制，两地操作（控制操作台、现场操作）。M1电动机为点动短时工作，故不设过载保护。由FU1实现短路保护。低压断路器QF为电源开关。

2）进退与升降运动停止时，采用能耗制动定位。平移中，升降电机M3采用电磁抱闸制动定位。由于进退与升降运动由同一型号电动机拖动，相互联锁不会同时工作，所以，停车时采用同一个直流电源实现能耗制动。直流电源为单相桥式整流。能耗制动回路中设有单独的熔断器短路保护FU2、FU4。电磁铁YA与M3并联，当M3得电时，YA工作，松开刹车允许升降运动。M3失电时，YA释放，抱闸刹车，使吊篮稳定停留在空中，能安全地前后平移。

图5-10 行车电气控制主电路

3）位置控制指令信号，由固定在轨道一侧的限位开关发出，并用调节挡铁保证吊篮与镀槽相对位置的准确性。

4）制动时间与各槽停留时间，由延时继电器控制。采用带指示灯控制按钮，以显示设备运动状态。

5）采用串入或短接位置指令信号的方法，实现程序可调。

6）M2、M3为自动控制连续运转，采用热继电器实现过载保护，左右移动为调整运动，短时工作无过载保护。

7）主电路及控制电路采用熔断器实现短路保护。

8）由限位开关实现位置保护。

9）电气控制箱置于操作室内，落地安装。

（2）控制电路

原系统行车控制电路如图5-11所示。电气原理图元件明细见表5-2。

图5-11 控制线路

1）根据电镀工艺要求，行车前进与升降运动为自动控制，其控制过程是：按下SB11，K3及KM1吸合，行车前进，当运行至需要停留的槽位，如第1个槽清洗，由运动挡铁压下固定于导轨一侧的行程开关SQ1，SQ1常闭触头串在M2控制回路中，使K3、KM1失电，M2停止旋转，同时由KM1常闭及SQ1常开触头接通前进制动回路，K7和时间继电器KT1得电，使M2制动，行车准确停在第1槽。制动时间由时间继电器KT1设定，停留时间由时间继电器KT4设定。若工艺要求第1槽无需停留，则可扳动开关SA1，使其常开触头闭合，常闭触头打开，则行车继续前进。在M2制动的同时，由K7常开触头接通K6与KM4，使M3正转，吊篮下降至下限位置时，限位开关SQ11受压，使K6失电。同时SQ11常开触头接通下降制动回路，而使其迅速停车。零件在槽内停留时间由时间继电器KT4自动控制，由时间继电器KT4延时闭合触头接通K5、KM3，使M3反转，吊篮上升到上限位开关SQ10时，使M3停转。同时SQ10常开触头接通上升制动回路，使K8和KT2得电，在制动的同时，由K8常开触头接通行车前进控制回路。如此循环，直至按工艺要求完成零件的电镀过程，行车到达终点，压下SQ8自动停止前进，同时，由SQ8常开触头接通K4、KM2使行车自动回到原位。进退与升降之间，由KM1、KM2及KM3、KM4常闭触头串接于对方控制回路，实现联锁。电动机过载保护由FR1、FR2常闭触头串在M2、M3各自的控制回路中实现。原位是指行车在挂架上方，吊钩下降到最下方。

2）在吊篮进退与升降运动中，不允许左右移动，故串联中间继电器KM1～KM4常闭触头实现联锁。左右限位置保护由固定于左右两端的限位开关SQ6、SQ7实现。

3）控制电压直接采用电网电压，由FU5对控制电路进行短路保护。

4）能耗制动参数计算：

制动电流I_D=1.5I_N=3A

直流电压U_D=I_DR=30V，式中R为定子两相电阻约为10Ω。

整流变压器二次侧交流电流I₂=3A/0.9=3.33A；电压U₂=30V/0.9=33.3V

整流变压器容量S=I₂U₂=100VA，BK-100变压器220V/36V/6.3V，与显示、照明共同。

5）灯光指示电路如图5-12所示。

合上QS、HL0指示灯亮，表示控制系统已通电。生产过程中由灯HL8～HL11显示行车的进退、升降运行状态。并由灯HL1～HL5显示行车的停留位置。

图5-12 灯光指示电路

表5-2 元器件明细表

（续）

（3）原系统电气工艺

原系统电气工艺图包括电气装置总体配置图、总接线图、电器安装板、电器元件布置图、接线图、控制面板电器布置图及接线图。

1）电气箱内部电器安装板上安装的电器元件有低压断路器、熔断器、接触器、中间继电器、热继电器、变压器、整流器等。控制面板上安装的电器元件有电源开关、控制按钮、程序选择开关、指示灯等。电气箱外部，分布于生产线上的电器元件有电动机、制动电磁铁、限位开关等。

2）总接线图。电气设备的总接线图，如图5-13所示。图中已根据电器元件的分布与电气原理图编号，并标明各电气部分的连接线号及连接方式、安装走线方式、导线及安装要求等。

3）电器元件布置图、电器安装板、接线图如图5-14、图5-15、图5-16所示。进出线均采用接线端子排。(www.xing528.com)

4）控制面板、元件布置及接线图等加工图如图5-17、图5-18所示。图中已标明外形尺寸、安装孔及定位尺寸与公差、板的材料与厚度以及加工技术要求。电器安装板选用酚醛绝缘板。控制面板选用有机玻璃板，字体2mm，按要求刻字喷漆着色。

（4）原设计说明书和使用说明书的主要内容

原设计说明书和使用说明书的主要内容包括总体方案的选择说明、电气原理线路设计说明、主要参数计算及主要电器元件选择说明、元件明细表等。附有上述电气原理图及工艺图样。设备说明书包括设备的用途、性能及特点。工作原理简单说明、安装、使用与维护注意事项等。

（5）原设计设计审查的主要内容

图5-13 总接线图

原设计设计审查的主要内容包括总体方案的选择依据及正确性；控制线路满足任务书中提出的各项控制要求，可靠性程度评估；联锁、保护、显示、参数计算及元件选择的正确性；各种图样、说明书及应提供技术资料的完整性和标准化审查等。

3.技术改造

第一批进行技术改造，拟先改造原有的一条半自动生产线，成功后再陆续改造其他生产线。按照工艺要求，行车和吊钩电动机改造为通用变频器控制，由可编程序控制器（PLC）控制，最终采用工业计算机、触摸屏组成网络化自动控制系统。

（1）改造方案

将原生产线改为直线悬臂式行车，保留原行车左右和上下运动电动机，改用通用变频器控制。使行车的行走轮沿镀槽一侧的机架上的主副导轨行走，提升臂改为沿行车架上的导轨滑行，以滚动滑动方式替代直接提升方式。将原控制柜重新设计，改为PLC控制。

图5-14 电器安装板元件排列图

图5-15 电器安装板加工图

（2）通用变频器控制

为了使小车能准确定位，需要对行车的速度进行控制。选用2台三菱高性能通用型变频器A740-1.5K-CHTFR分别控制行车的平移、升降，进行无级变频调速，拆除原来的电磁抱闸。A700系列变频器过载能力强、控制功能多，适合大多数通用场合，具有速度、转矩、位置控制模式及各模式的切换。在0.3Hz的低速下最高可实现200%的输出转矩。转矩模式下，控制范围1∶20；速度响应120rad/s，速度控制范围1∶200。闭环矢量控制下，速度控制范围1∶1500；速度波动率0.01%；速度响应300rad/s；转矩控制范围1∶50，并具零速控制和伺服锁定功能。内置15段预设位置段，并且可与PLC构成通用伺服系统，实现定位操作。内置的PLC编程功能可方便地利用GX-Developer对变频器内的PLC编制程序，进行相关的电气控制，做到一机多用。内置USB通信接口，可方便连接FR-Configurator变频器设置软件。除内置的基本485通信方式外，通过选用总线适配器可链接CC-Link、Profibus-DP、Device-NET、LonWorks、CANo-pen、EtherNET、SSCNETⅢ等现场总线，实现设备网络化控制。

图5-16 电器安装板接线图

通过通用变频器的设定值可控制电动机正反转，即行车左右移动、吊钩上升和下降，并且速度可调。为了防止行车运行时镀件摇晃，行车平移时，先快速，当快接近工位时，再转为慢速，以减小制动力矩，提高定位的准确性。

（3）可编程序控制器控制

由于电镀生产线需要根据不同的工艺要求，完成不同的任务，要求能方便地修改工艺流程和运行参数，同时要求系统安全、可靠、准确、性能稳定。为此选用OMRONCPM2A系列PLC控制。图5-19是电镀生产线的状态流程图。根据行车的控制要求，其输入/输出及控制信号共有22个，其中，输入信号18个，输出信号4个，地址配置见表5-3。图5-20是部分梯形图程序。

图5-17 控制面板加工图

图5-18 控制面板元件布置及接线图

表5-3 I/O配置表

（续）

图5-20所示梯形图程序是从第4槽开始的，数据传送部分图中未示出。

图5-20所示梯形图程序分析如下：

1）原位，限位开关SQ1和SQ2被压下，10011和0022闭合，接通移位寄存器输入通道20000，数据存于DM4000通道中。

2）按起动按钮SB1，10000闭合，K1工作，吊钩提起工件上升，当碰到上限位开关SQ2时，10012闭合，吊钩停止上升，K3工作，00003闭合，行车开始向下一道工序前行。

3）当行车前行至镀锌槽限位开关SQ6时，10016闭合，行车停止前行，Y00004得电，K4工作，吊钩刚好在镀锌槽的上方开始下降。

4）当吊钩下降至下限位开关SQ1时，10011闭合，吊钩下降停止，工件浸入镀液槽中，并开始定时。

5）定时300s后，00003闭合，K3工作，电镀结束，吊钩提起工件，开始上升，当碰到上限位开关SQ2时停止，10012闭合，吊钩停止上升，并在镀槽上方停留30s，让镀液滴回槽中。

图5-19 电镀生产线的状态流程图

6）当行车在镀槽上方停留30s后，K1工作，00001闭合，行车继续向下一道工序前行，直到碰压回收液槽限位开关SQ7时，10017闭合，K4工作，00004闭合，行车停止前行，并且吊钩刚好在回收液槽的上方开始下降。

7）当吊钩下降至下限位开关SQ1时，10011闭合，吊钩下降停止，工件被放置回收液槽中，并开始定时。

图5-20 电镀生产线的梯形图程序

8）定时30s后，K3工作，00003闭合，吊钩又开始上升，当碰到上限位开关SQ2时停止，10017接通，吊钩停止上升，并定时停留15s。

9）当15s定时到后，K1工作，00001闭合，行车继续向下一道工序前行，直到碰压清水槽限位开关SQ8时，10020闭合，行车停止前行，并且在清水槽上方停留15s。

10）定时15s后，K4工作，00004闭合，吊钩开始下降，当吊钩下降至下限位开关SQ1时，10011闭合，吊钩下降停止，工件置于清水槽中，并开始定时清洗30s。

11）定时清洗30s后，K3工作，10003闭合，吊钩提起工件，开始上升，当碰到上限位开关SQ2时停止，10012闭合，吊钩停止上升，并定时停留15s。

12）定时15s后，K2工作，10002闭合，行车开始后退，当后退至原位限位开关SQ10时，10023闭合，K2工作，00002闭合，行车停止后退，吊钩开始下降，当吊钩下降至下限位开关SQ1时，10011闭合，吊钩下降停止，镀好的工件被取下来。

13）按下按钮SB3～SB6，能实现行车的手动控制。

至此，整个电镀生产完成一个工作循环，当再次按下起动按钮SB1时，则开始第二个工作循环。

在自动模式下，行车按照工艺流程所设定的参数自动运行；手动模式下，通过行车上的手操盒人工操作控制行车运动，并可用急停按钮紧急刹车停止任何运动。这两种工作模式可以通过选择开关切换。

工艺参数可以通过上位机修改和设置。在上位机上采用组态软件组态监控画面。现场有触摸屏，可在现场进行工艺参数的修改，若有报警，触摸屏显示报警画面，并且显示报警原因。在排除故障后按下解除按钮方可显示初始画面，恢复正常状态。动作指示灯安装在现场操作台上。