基于PLC 控制的航空电镀生产线自动输送系统的设计

引言

　　随着中国航空事业的快速发展和机型的多样化，以及航空技术和材料地不断更新，对航空器的维修要求也就越来越高。电镀等表面处理技术对提高飞机零部件的耐磨性、耐蚀性具有十分重要的意义。目前，我国用于航空器的电镀生产线生产方式相对比较落后，依然存在工人手工操作的情况，或者借助一些简单设备依靠人工定时取放工件。人手工操作的方式存在着效率低、劳动强度大等缺点，并且容易造成昂贵工件的人为损坏，另外工人长期在强酸强碱氰化物等恶劣环境下工

　　作会对身体造成极大的伤害。随着现代工业技术的不断进步，急需一套自动化生产设备来取代现在的操作方式。针对国内电镀生产线发展现状，设计了一套自动化电镀生产线系统。该系统基于PLC控制，利用带触摸屏的控制面板设置参数和工序进行操作。其融合了机械、电气、计算机、自动控制四大技术精髓，能够实现生产线上电镀时间的设置、任意工序的选择、工件的自动装卸和运输。

　　1 系统的工作流程及主要功能

　　1.1 工作流程

　　由于不同工件所需电镀时间不同，在所需时间较长的工件电镀期间可以进行其他工件的电镀。相应的，本系统工作流程分为放工件和取工件两种操作。放工件依次进行：工件提升臂上升，到位后输送车运行到指定槽位，提升臂下降到位工件开始工作，工作完成后提升臂上升接槽液盘弹出，输送车前进(或后退)到下一槽位进行下一到工序，工艺完成后工件放置在指定槽位进行工作自动输送车回到放工件台准备下一工艺;取工件依次进行：工件提升臂下降，到位后输送车运行到指定槽位取工件后提升臂上升，到位后接槽液盘弹出，输送车前进(或后退)到下一槽位继续工作，工艺完成后自动输送车回到放工件台准备下一工艺。

　　1.2 主要功能

　　本系统自动化程度要求较高，自动控制参数比较多，工作流程也比较复杂。主要功能如下：

　　1)具有自动和手动控制两种功能，并能实现二者的自由切换

　　2)根据电镀工艺要求完成任意槽位顺序的控制

　　3)接槽液盘可以有效防止不同槽液之间的相互污染以及对槽体过槽板的腐蚀

　　4)不同工件可实现同时工作，最大限度的利用电镀槽，大大提高生产效率

　　5)时刻监控工件工作情况，一旦出现异常，可准确定位故障点

　　6)具有紧急停车和复位功能

　　7)系统安全性和可靠性高

　　2 系统硬件设计

　　本自动输送系统，主要由轨道铜排供电滑触线、自动输送车(包括行走机构、工件提升机构、接槽液机构、电控柜、带触摸屏的控制面板)等部件组成，自动输送车沿固定于车间生产线槽边地面的方型轨道作双向直线移动，并配备用以实现工件升降的提升装置和防止槽液污染的接槽液装置，如图1所示。

　　2.1 铜排供电滑触线

　　自动输送车供电采用铜排滑触线三相供电。考虑到表面处理车间的生产特点，为确保用电安全，在生产线旁设置380V 变24V 三相交流变压器。滑触线工作在安全电压24V 的状态下，自行输送车用电由配置于车上的24V变380V三相变压器升压。所有滑触线及其辅件均为阻燃材料制作，从而使设备使用的安全性得到极大保证。

　　导电刷安装于槽边的的不锈钢方型导轨上，从滑触线获得24V电源并送至安装在取电车上的电源插座，自动输送车的行走机构、工件提升机构及接槽液机构的用电，通过电源插座获取。为了保证导电刷和滑触线有足够的过流面积，设计中采用了由铜基石墨压铸而成的双联导电刷，过流能力达100A。一方面能够保证自动小车的导电刷在运行过程中稳定地向电控系统传输信号并可靠地给滑触线供电。另一方面铜基石墨还有润滑功能，能够保证导电刷使用耐磨、寿命长。导电刷支座为铰接式，并通过弹簧连接，保证其与线轨既有一定压力，又能伸缩自如，防止导电刷在退车时由于受力的变化而断裂。

　　2.2 自动输送车

　　自行输送车主要由行走机构、工件提升机构、接槽液机构、电控柜、带触摸屏的控制面板等部分组成。

　　行走机构设置动力离合装置和转向辅助轮，通过涡轮箱、链传动传递到主动轮轴上，以克服主动涡轮蜗杆传动的自锁。工件提升机构中，动力经涡轮蜗杆减速箱带动链条使工件升降，为防止因涡轮箱自锁失效造成工件下坠，调试过程中将电机更换为带机械制动的型号，从而杜绝了工件下坠事故的发生。由于是悬臂提升重物，故在机架下方放置约300 公斤的配重，以确保输送车不因载重而发生倾覆。接槽液机构与工件提升机构相似。电控柜主要负责系统的供电，以及PLC 和限位传感器的控制。带触摸屏的控制面板与PLC连接实现对工艺流程的选择、工艺参数的设置及相关操作。

　　2.3 可编程控制器PLC和触摸屏

　　鉴于PLC的I/O点数限制和避免槽位定位传感器与自动输送车之间布线的繁杂，槽位定位传感器安装在自动输送车上而不是槽位定位位置，这意味着所有槽位给入的限位信号共用一个输入，增加了不同槽位定位的难度，具体实现方式可通过软件编程来实现。

　　PLC 作为本系统的控制中心，负责接受控制面板按钮和各个传感器的输入信号，经过程序处理后，发出输出信号去控制驱动电路来完成相应动作，输出其他一些信息，如检测结果显示、报警等功能。

　　本系统选用西门子公司生产的S7-200 系列PLC·CPU 226，S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200 系列具有极高的性价比。CPU 226 集成24输入/16输出共40个数字量I/O点;可连接7个扩展模块，最大扩展至248 个数字量I/O 点或35 路模拟量I/O点;13K字节程序和数据存储空间;2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。PLC 控制系统逻辑框图如图2 所示。该系统选用西门子触摸屏TP170B，用西门子组态软件WinCC Flexible对其组态，与PLC通过RS485总线进行通信。

　　2.4 硬件设计中的几个问题

　　2.4.1 槽位准确定位

　　自动输送车为了装载大重量的工件，配重将会很大，其在槽间的定位由于惯性的作用很难准确。本系统利用变频器控制电机增加一级缓冲，即在小车的前中后三个位置分别安装限位传感器，当小车前进到位时首先感应到前面的传感器，此时利用变频器使电机减速，当感应到中间的传感器时实现制动。小车后退亦然。

　　2.4.2 槽位限位传感器与PLC的连接

　　鉴于电镀生产线槽位数目较多，而PLC的I/O点数受限，如果扩展PLC的I/O点，势必将增加传感器的数目，使成本大大增加。而本系统将槽位定位传感器安装在自动输送车上，只需三个传感器即可。如果定位传感器安装在槽位定位位置，传感器与自动输送车之间的布线将相当繁杂，意味着小车将托着数十根连接线行进，当然也可以采用无线方式，但其投入必将不菲。这样的设计意味着所有槽位给入的限位信号共用一个输入，从而增加了不同槽位定位的难度，具体实现方式可通过软件编程来实现。

　　3 系统软件设计

　　3.1 系统控制方式

　　该系统有手动和自动两种控制方式。一般情况下，操作面板上手自动旋钮打在自动挡，系统由触摸屏控制，按照前述工作原理进行工作。此外，为了便于调试、维修和应急情况，系统还要求能够手动控制，即通过选择控制面板上不同的按钮，来实现系统相应的动作。

　　3.2 软件设计思路

由于系统有两种工作方式，所以软件的设计有两个分支。对于手动工作方式，主要控制功能是通过不同按钮实现不同操作，这时软件的功能就是把按钮的输入信号直接变成输出信号，驱动相应的机构动作。对于自动工作方式，软件的功能是不断读取相应的输入信号的状态值，同时根据这些状态值结合工艺要求做出下一步的动作判断，并输出相应的信号通过驱动电路驱动机构动作。

　　该控制系统采用顺序控制设计方法进行设计，就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有序地进行操作。使用顺序控制设计法时首先根据系统的工艺流程，画出顺序功能图，再根据顺序功能图画出梯形图。

　　根据航空电镀工艺要求，可以在触摸屏上自行设置所需的任何工艺，这比现有的基于PLC控制的电镀生产线的固定工艺增加了灵活性与通用性，这样大大缩短了系统地设计周期，体现了真正意义上的自动控制。系统主程序流程图如图3 所示。

　　3.3 软件设计中的几个问题

　　3.3.1 动作互锁

　　为了保证工作的顺序性，系统在软件设计上采用了前后动作互锁功能，使前后动作不能错位，并且没有前面的动作后面的动作就不能进行。

　　PLC中的主程序包含每次PLC扫描即按顺序执行一次的指令。对于本系统，需要以逻辑方式将主程序分为一系列操作步骤，以便反映控制进程中的步骤。

　　对于S7-200 系列PLC，以逻辑方式将程序分为多个步骤的一种方法是使用SCR段。通过使用SCR段，可以将程序分为一个连续步骤流，没有前一步骤的完成，即使后一个步骤的条件满足程序也不会执行该步骤。这样有效的实现了动作的互锁，加强的系统的可靠性。

　　3.3.2 槽位定位及任意槽位行进的处理

　　由于所有槽位给PLC的输入信号完全一样，为了区分不同槽位，本软件设置了专门的计数器，每前进一个槽位计数器加1，后退一个槽位减1，相当于给每个槽位编制了号码，计数器的值即槽号。为了实现自动行车在任意槽间行进，需要设置两个变量A、B 分别表示上一个槽位、当前槽位和下一个槽位。工件完成上一个槽的工作后，分别对上述三个变量赋值，当A>B时，小车后退至相应槽位;当A 车前进至相应槽位。以进行工作的槽位依次为a，b，?，c 为例其流程见图4。

　　3.3.3 故障应急处理

　　当遇到电气、机械故障或意外情况时软件按超时进行处理并终止当前进行的动作，然后进入手动方式进行故障处理。例如，小车、提升机构和接槽液机构的超位报警，工件的电镀超时，以及其他意外情况。

　　4 结束语

　　由于PLC具有使用灵活、性能稳定、可靠性高、成本低等优点，在工业、通信等领域的应用非常广泛。该自动输送车系统采用PLC作为系统的控制中心，实现了电镀生产线的自动控制，与之前的人工手动控制方式相比，大大提高了工作效率和可靠性，降低了工人的劳动强度和工作环境危害，并且降低了企业的生产成本。本系统已在国内某航空电镀生产线上成功应用，基于其工作特点它的应用前景也将非常广泛，可以扩展到其它类似的生产线上，例如PCB生产行业、其他表面处理生产线以及汽车制造流水线。了解更多PLC技术、资讯、分析报告文章