劉 光1*，文 樺2，徐啟杰3
1.駐馬店職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，駐馬店 463000；2.黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院，駐馬店 463000；3.黃淮學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，駐馬店 463000
摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的ABS塑料電鍍生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化程度偏低、適用性差、生產(chǎn)成本較高和維護(hù)管理難度大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了以S7-1200PLC和博途TIA Portal為核心的ABS塑料電鍍生產(chǎn)全自動(dòng)控制系統(tǒng)。利用S7-1200PLC設(shè)計(jì)主、從站控制系統(tǒng)，通過(guò)主站監(jiān)控和管理電鍍生產(chǎn)過(guò)程，以及從站輸出控制電鍍?cè)O(shè)備。在博途TIA Portal平臺(tái)上設(shè)計(jì)上位機(jī)操作面板和PLC控制程序，既滿(mǎn)足不同形狀規(guī)格、牌號(hào)和用途的ABS塑料制件的電鍍生產(chǎn)需求，又為工藝人員提供易于操作、維護(hù)和管理的應(yīng)用功能。實(shí)際調(diào)試表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能按照電鍍工藝設(shè)定輸出控制信號(hào)、反饋生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電鍍生產(chǎn)流程和工藝條件的高效監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：ABS塑料；電鍍；PLC；TIA Portal；控制系統(tǒng)
ABS塑料易于加工成型，其制品具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、表面光潔、抗蠕變能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)適當(dāng)?shù)碾婂兲幚砟艽蠓纳艫BS塑料制品的硬度和耐磨性，特別適用于汽車(chē)、儀器儀表、電子電器等領(lǐng)域配件的裝飾性與功能性需求。由于電鍍工業(yè)化特征顯著，以人工操作為主的傳統(tǒng)電鍍生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化程度較低，電鍍產(chǎn)品的質(zhì)量容易受到工藝人員技術(shù)水平等因素影響。針對(duì)特定的工藝條件和生產(chǎn)流程，部分生產(chǎn)線(xiàn)利用成本低、操作簡(jiǎn)單和運(yùn)行可靠的PLC系統(tǒng)對(duì)電鍍生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造，通過(guò)PLC和觸摸屏精確控制鍍液配方與工藝參數(shù)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益［1-4］。然而，對(duì)于ABS塑料電鍍生產(chǎn)，自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用性能不僅與電鍍工藝條件和生產(chǎn)流程有關(guān)，還受電鍍?cè)O(shè)備、輔助機(jī)電設(shè)施和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素影響［5-6］。若電鍍生產(chǎn)線(xiàn)按非標(biāo)設(shè)備定制，成套系統(tǒng)交付周期長(zhǎng)、投入成本高，真正投入電鍍生產(chǎn)前還需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)論證和調(diào)試，企業(yè)承擔(dān)很大的資金回收風(fēng)險(xiǎn)，因此需要設(shè)計(jì)通用性、模塊化、可移植擴(kuò)展能力強(qiáng)的電鍍生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)。
在工業(yè)控制領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)，博途TIA Portal和S7-1200PLC集成了通用的編程語(yǔ)言和網(wǎng)絡(luò)通訊接口，模塊化S7-1200PLC和分布式I/O配置幾乎滿(mǎn)足所有自動(dòng)化控制系統(tǒng)要求，具有成本低、配置靈活可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、安裝和擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，在S7-1200PLC硬件和博途TIA Portal軟件基礎(chǔ)上，聯(lián)合開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足不同ABS塑料制件電鍍生產(chǎn)需求的全自動(dòng)化控制系統(tǒng)。建立S7-1200PLC主、從站系統(tǒng)，由主站監(jiān)控管理電鍍生產(chǎn)過(guò)程，從站輸出控制電鍍?cè)O(shè)備。設(shè)計(jì)易于操作、監(jiān)控、維護(hù)和高效管理的上位機(jī)操作面板與S7-1200PLC自動(dòng)化控制軟件，方便工藝人員根據(jù)ABS塑料制件電鍍需求在線(xiàn)設(shè)置工藝參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電鍍生產(chǎn)過(guò)程和工藝條件的全程自動(dòng)化監(jiān)控和管理。
1 ABS塑料電鍍生產(chǎn)線(xiàn)總體構(gòu)成
不同形狀規(guī)格、牌號(hào)和用途的ABS塑料制件所需的電鍍工藝不同，對(duì)應(yīng)的工藝條件和生產(chǎn)流程差異也較大。通常，ABS塑料電鍍工藝包括塑料表面金屬化前處理和電鍍兩部分，先對(duì)塑料基體進(jìn)行表面除油、粗化等處理，再利用膠體鈀活化使基體表面均勻吸附鈀液，通過(guò)解膠去除表層鈀液吸附的錫（II）離子，然后以鈀核為活化中心，進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，最后再根據(jù)塑料制件的使用要求進(jìn)行裝飾性或功能性電鍍。ABS 塑料電鍍生產(chǎn)線(xiàn)包括超聲波清洗機(jī)、工位槽、行車(chē)、電控、管道、通風(fēng)等設(shè)備，如圖1所示。根據(jù)ABS塑料電鍍的自動(dòng)控制要求，工位槽按生產(chǎn)流程進(jìn)行雙排布置，工藝分為 S1~S20、Y1（清洗）等模塊控制位，各工位槽間塑料制件輸送和?？繒r(shí)間控制由行車(chē)S20負(fù)責(zé)，工位槽自動(dòng)加液、槽內(nèi)工件位置檢測(cè)、溫度、pH和電流密度等調(diào)節(jié)則由對(duì)應(yīng)的控制位S1~S19實(shí)現(xiàn)。
圖1 ABS塑料電鍍生產(chǎn)線(xiàn)總體構(gòu)成
行車(chē)S20采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要用于塑料制件的橫移行走（x 和 y 向，M3電機(jī)）、升降（z 向，M2電機(jī)）和回轉(zhuǎn)（M1電機(jī)）控制，如圖2所示。行車(chē)吊鉤具有防脫落觸突結(jié)構(gòu)，避免掛具在生產(chǎn)過(guò)程中脫落；吊鉤能隨橫梁在M1電機(jī)作用下回轉(zhuǎn)，以適應(yīng)雙排工位槽的電鍍生產(chǎn)要求；吊鉤下方配備接水盤(pán)，避免塑料制件帶出的電鍍液對(duì)車(chē)間地面腐蝕和污染；各工位槽電鍍?？繒r(shí)間由M2電機(jī)控制吊鉤升降實(shí)現(xiàn)。行車(chē)S20起始位為上掛具點(diǎn)（圖1），先沿y向橫移完成殘余應(yīng)力消除，然后按正x向橫移實(shí)現(xiàn)塑料表面金屬化前處理，再通過(guò)橫梁回轉(zhuǎn)，沿負(fù)x向橫移實(shí)現(xiàn)光亮鎳、鍍鉻等電鍍加工，最后經(jīng)清洗、吹干后完成對(duì)塑料制件的自動(dòng)化電鍍控制。
圖2 電鍍行車(chē)基本結(jié)構(gòu)
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制位S1~S20、Y1分別對(duì)應(yīng)于ABS塑料電鍍生產(chǎn)線(xiàn)不同的工藝環(huán)節(jié)：首先根據(jù)I/O數(shù)量以及工位槽對(duì)加液、槽內(nèi)工件位置檢測(cè)、溫度、pH和陰極電流密度等不同控制要求，將S1~S20、Y1各工藝環(huán)節(jié)分屬于不同的PLC分布式I/O從站，再通過(guò)高性能的以太網(wǎng)通訊將控制信號(hào)上傳到PLC主站和上位機(jī)，然后根據(jù)ABS塑料制件的形狀規(guī)格、牌號(hào)和用途，設(shè)置各控制位的工藝參數(shù)，再由PLC主站執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)ABS塑料電鍍生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化控制。
主、從站S7-1200PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，PLC以CP-U1214C為核心開(kāi)發(fā)，利用集成的Profinet工業(yè)以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)Profibus、RS232/RS485等通訊服務(wù)，兼容電鍍生產(chǎn)線(xiàn)超聲波清洗、工位槽溫度控制、行車(chē)、鉻霧通風(fēng)回收、電鍍（半光鎳、全光鎳和鍍鉻）電源等機(jī)電設(shè)備的在線(xiàn)監(jiān)控接口。主站S7-1200PLC板載14/10點(diǎn)數(shù)字量輸入/輸出、2點(diǎn)模擬量輸入，本地?cái)U(kuò)展16/16點(diǎn)SM1223數(shù)字量輸入/ 輸出，用于本地操作臺(tái)上電、急停、復(fù)位、自動(dòng)/手動(dòng)控制、S1~S20各控制位調(diào)試按鈕等數(shù)字信號(hào)輸入，故障和運(yùn)行狀態(tài)指示燈等數(shù)字信號(hào)輸出。
圖3 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
主站S7-1200PLC通過(guò)2臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)CSM1277與上位機(jī)、KTP900觸摸屏、S7-1200PLC#1和#2從站、分布式I/O單元ET-200SP、行車(chē)控制變頻器MM420等設(shè)備建立工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，接受上位機(jī)或觸摸屏對(duì)各控制位電鍍工藝參數(shù)的在線(xiàn)設(shè)置，通過(guò)主站S7-1200PLC調(diào)度從站PLC、分布式I/O和變頻器等機(jī)電設(shè)備，從而滿(mǎn)足不同ABS塑料制件的電鍍生產(chǎn)和工藝條件需求。
2.2 工位槽控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
與其他設(shè)備相比，工位槽直接面向不同的電鍍過(guò)程，對(duì)其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更能體現(xiàn)S7-1200PLC的通用性、模塊化和可移植擴(kuò)展能力。對(duì)于圖1所示的ABS塑料電鍍生產(chǎn)線(xiàn)，各工位槽控制參數(shù)主要包括：①控制臺(tái)S1~S20調(diào)試開(kāi)關(guān)SB，工位槽和儲(chǔ)液槽液位上限H、下限L位置開(kāi)關(guān)SQ等數(shù)字量輸入。②加液、過(guò)濾和水洗噴淋等泵組繼電器KM，超聲波、通風(fēng)機(jī)、溫度和電源控制等設(shè)備繼電器KM，正常運(yùn)行和異常報(bào)警指示燈HL等數(shù)字量輸出。③電鍍液溫度和pH，焦銅、光亮鎳和鍍鉻等過(guò)程電壓和電流，加液泵流量等模擬量輸入。
以焦銅S10工位槽為例，PLC硬件系統(tǒng)的接線(xiàn)原理如圖4所示。分別在#2從站S7-1200PLC基礎(chǔ)上擴(kuò)展1塊SM1222數(shù)字量輸出和SM1231模擬量輸入模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焦銅S10工位槽的數(shù)字（開(kāi)關(guān)SB和液位SQ 等）和模擬（溫度、pH、電鍍電源等IWI）信號(hào)，由#2從站按工藝條件在線(xiàn)處理監(jiān)測(cè)信號(hào)，自動(dòng)控制設(shè)備或泵組繼電器KM、指示燈HL等狀態(tài)。
圖4 PLC端子接線(xiàn)（焦銅S10工位槽）
2.3 行車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為避免掛具或工件掉落，在各工位槽間高效、平穩(wěn)轉(zhuǎn)移ABS塑料制件，電鍍行車(chē)M1回轉(zhuǎn)、M2升降和M3橫移行走采用一臺(tái)MM420變頻器進(jìn)行控制，如圖5所示。
圖5 電鍍行車(chē)控制電路
當(dāng)行車(chē)上掛后，本地操作臺(tái)或操作面板選擇自動(dòng)運(yùn)行 ，MM420變頻器和調(diào)速繼電器組KM71~KM73控制行車(chē)動(dòng)作，根據(jù)限位開(kāi)關(guān)的位置輸入，利用開(kāi)環(huán)直接控制ABS塑料制件在工位槽的位置和?？繒r(shí)間。同時(shí)，#1、#2 從站也對(duì)槽內(nèi)有無(wú)工件進(jìn)行檢測(cè)，利用閉環(huán)反饋間接驗(yàn)證行車(chē)位置和ABS塑料制件?？繒r(shí)間是否滿(mǎn)足工藝條件和生產(chǎn)流程的參數(shù)設(shè)定。當(dāng)選擇手動(dòng)運(yùn)行，按工藝條件和生產(chǎn)流程控制正速繼電器組KM61~KM63，分別實(shí)現(xiàn)行車(chē)的M1回轉(zhuǎn)、M2升降和M3橫移行走控制。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 上位機(jī)操作面板
由于S7-1200PLC主、從站系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，而超聲波清洗、鉻霧通風(fēng)回收和電鍍電源等設(shè)備采用串口通信（RS232/RS485），為了能在同一控制平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)ABS塑料電鍍生產(chǎn)線(xiàn)的集中監(jiān)控和高效管理，縮短開(kāi)發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)成本，電鍍線(xiàn)操作面板和自動(dòng)化控制軟件分別在博途TIA Portal集成平臺(tái)上利用WinCC和STEP7編程軟件開(kāi)發(fā)。
對(duì)于上位機(jī)操作面板，一方面需要提供直觀(guān)、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的電鍍工藝參數(shù)與故障信息，另一方面具有良好的可操作性，方便工藝人員在線(xiàn)設(shè)置工藝參數(shù)和高效管理電鍍生產(chǎn)流程?？紤]ABS塑料電鍍生產(chǎn)的實(shí)際需求，上位機(jī)操作面板如圖6所示，操作菜單包含主界面、電鍍工藝進(jìn)程、I/O狀態(tài)、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警記錄、工藝選擇和系統(tǒng)設(shè)置等選項(xiàng)。
圖6 上位機(jī)操作面板
主界面可通過(guò)WinCC直接創(chuàng)建，利用內(nèi)部多種功能控件和定義的關(guān)聯(lián)變量提供現(xiàn)場(chǎng)電鍍?cè)O(shè)備直觀(guān)的電鍍工藝流程和控制位信息，實(shí)時(shí)顯示各工位槽、行車(chē)和控制閥組等設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。電鍍工藝進(jìn)程用于在線(xiàn)記錄S7-1200PLC主、從站設(shè)備的I/O狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)視生產(chǎn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)故障，為定量和定性分析工藝條件和生產(chǎn)流程對(duì)電鍍質(zhì)量的影響提供數(shù)據(jù)支持。工藝選擇可用于在線(xiàn)設(shè)置和存儲(chǔ)不同形狀規(guī)格、牌號(hào)和用途的ABS塑料制件電鍍參數(shù)，并允許工藝人員選用已存儲(chǔ)的工藝數(shù)據(jù)，從而避免遺漏或誤設(shè)置電鍍參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)置主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電鍍生產(chǎn)數(shù)據(jù)的后續(xù)管理與應(yīng)用，支持生產(chǎn)數(shù)據(jù)的在線(xiàn)查詢(xún)、編輯、導(dǎo)出和打印等。
3.2 電鍍線(xiàn)自動(dòng)控制軟件
ABS塑料電鍍線(xiàn)S1~S20、Y1等控制位具有典型的時(shí)間序列特性，所需的梯形圖程序由STEP7開(kāi)發(fā)，在主程序OB1中循環(huán)調(diào)用各控制位子程序，由中斷負(fù)責(zé)子程序的調(diào)用時(shí)序，以滿(mǎn)足不同形狀規(guī)格、牌號(hào)和用途的ABS塑料制件電鍍所需的工藝流程，如圖7所示。
圖7 ABS塑料電鍍線(xiàn)自動(dòng)控制流程
系統(tǒng)上電后，工藝人員通過(guò)上位機(jī)（或觸摸屏）操作面板設(shè)置或選擇電鍍工藝參數(shù)。由于WinCC在開(kāi)發(fā)操作面板時(shí)已經(jīng)將電鍍線(xiàn)控制軟件的內(nèi)部變量與操作面板變量相關(guān)聯(lián)，設(shè)置或選擇的工藝參數(shù)將自動(dòng)寫(xiě)入梯形圖程序的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊DB1。選擇運(yùn)行后，主程序OB1啟動(dòng)將調(diào)用電鍍線(xiàn)S1~S20、Y1等控制位子程序，實(shí)時(shí)采樣、顯示和處理電鍍線(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。為確保OB1內(nèi)對(duì)子程序的調(diào)用滿(mǎn)足不同工藝條件和電鍍流程需求，根據(jù)設(shè)置的電鍍時(shí)間等參數(shù)，中斷程序按工藝流程循環(huán)控制子程序的調(diào)用順序，在線(xiàn)響應(yīng)DB1數(shù)據(jù)塊中設(shè)置的工藝參數(shù)。
同樣，圖8給出了焦銅S10工位槽的梯形圖程序：通過(guò)上位機(jī)操作面板設(shè)定焦銅S10控制位的時(shí)間PV為120s，輸出的變頻器MM420控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DB1.DBW110中 ，若程序掃描電參數(shù)等于DB1.DBW110，則行車(chē)M2電機(jī)動(dòng)作，提升工件進(jìn)入下一電鍍過(guò)程。
圖8 梯形圖程序（焦銅S10工位槽）
4 結(jié)語(yǔ)
在博途TIA Portal和S7-1200PLC控制平臺(tái)基礎(chǔ)上搭建適于不同形狀規(guī)格、牌號(hào)和用途的ABS塑料制件電鍍生產(chǎn)的全自動(dòng)控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)不同，所開(kāi)發(fā)電鍍控制系統(tǒng)具有良好的通用性、模塊化、可移植擴(kuò)展能力，兼容不同通信端口的電鍍?cè)O(shè)備，并支持在統(tǒng)一的編程平臺(tái)TIA Portal上靈活設(shè)計(jì)電鍍生產(chǎn)需要的工藝流程和應(yīng)用功能。由于工位槽、行車(chē)和控制閥組等設(shè)備可由電鍍企業(yè)自行配置，整套系統(tǒng)的投入主要集中在PLC系統(tǒng)硬件、上位機(jī)操作面板和自動(dòng)控制程序等部分，與非標(biāo)定制相比，系統(tǒng)交付周期短（≤ 2月）、投入成本最大可節(jié)省70%。此外，對(duì)部分工位槽和上位機(jī)操作面板的調(diào)試表明，所開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低，能根據(jù)工藝設(shè)定實(shí)現(xiàn)電鍍生產(chǎn)流程和工藝條件的在線(xiàn)監(jiān)控與高效管理。
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