基于PLC及触摸屏的涂装前处理线控制
一、引言
在汽车行业、自行车行业、摩托车行业、电动车行业、家电行业、家具行业等，零部件在被组装前必须经过涂装（一般是喷漆），而将要被涂装的工件由于运输、存放和经历了多道的机械加工等原因，工件表面产生氧化皮、铁锈、油脂及尘土等污物，为了涂装的质量，必须除去工件表面的油圬和锈斑，再进行工件表面磷化处理，使工件表面形成一层磷化膜用以保护基材材料，并增强基材同涂层之间的附着力，此道工序被称为涂装前处理，前处理工序是涂装生产线的必备工序，而完成此道工序的生产流水线称为前处理线。
前处理线的设备型式有喷淋式、浸槽式、浸泳式等多种类型。喷淋式可大批量连续作业 ，处理效果好，但投资大，药水用量大，只适用管件及外型简单的工件；浸槽式结构简单、投资少，适用表面形状复杂及生锈严重工件，处理充分但效率较低；浸泳式适用于形状复杂及有油脂污物的工件，可大批量连续作业，处理效果好并且易于保养，但占地较大，以置于地面为宜，投资较大 。.
不久前我们承接了一个浸槽式前处理线控制装置的设计与制作。在控制装置中用到了PLC及触摸屏和变频器，在此，我主要谈一下PLC和触摸屏在其中的应用。
二、控制要求
前处理线由十五个水槽（分别放有酸溶液、碱溶液、热水和冷水等）和工件输送系统组成，要求：
1、输送系统在前处理线的入口处自动挂上装有工件的吊篮，然后将吊篮按工艺文件规定的次序和停留时间放入相应的水槽进行酸洗、碱洗、钝化、热水洗、冷水漂清等过程。在完成一个过程后，在前处理线的出口处自动卸下装有工件的吊篮，然后再行至前处理线的入口处自动挂上另一装有工件的吊篮进行下一篮工件的清洗。
2、它要求该过程既可自动运行也可手动操作。
3、应在保证工件的处理质量的前提下，尽可能缩短工件在前处理线停留时间，提高生产效率。
4、工件吊篮在每个水槽停留时间在运行时可调,使用水槽只数可在8到15之间任意设定。
5、预先存储如下二个工件的处理程序，最多可存储二十个工件的处理程序。
（1）工件一处理过程：1一道酸洗→2漂洗㈠ →3漂洗 ㈡→4二道酸洗→5漂洗 ㈢ →6漂洗 ㈣→7中和→8漂洗 ㈤ →9钝化→10漂洗 ㈥→11皂化→12清洗 ㈠→13清洗 ㈡→14循环纯水洗→15新鲜纯水喷淋洗（在每个水槽的停留时间0至45秒可调,在选择0秒时直接跳过该槽）
（2）工件二处理过程：1预脱脂→2脱脂→3漂洗㈠ →4漂洗 ㈡ →5超声波(出光)→6漂洗 ㈢ →7漂洗 ㈣→8中和→9漂洗 ㈤→10钝化→11漂洗 ㈥→12皂化→13清洗 ㈠→14清洗 ㈡ →15循环纯水洗→16新鲜纯水喷淋洗（在每个水槽的停留时间0秒至18分可调, 在选择0秒时直接跳过该槽）
6．在工件完成酸洗或其他工序时，可选择做一个工件吊篮上下抖动的动作（在工件完成工序出水后，再一次入水，随后再提升完成下一个工序。
三、分析
考虑到工件在每个水槽停留时间很可能是各不相同的,而且有的环节(如酸洗)对控制停留时间有一定要求, 而用悬挂输送链作工件输送系统时整线的运行速度是一样的, 此时工件在每个水槽停留时间只与悬挂输送链的运行速度和该水槽的长度有关,无法单独调节工件在每个水槽停留时间。
用行车来输送工件时可以满足单独调节工件在每个水槽停留时间的要求，为了提高生产效率，决定使用两部行车，以PLC加变频器实现自动控制，行车一负责在前处理线的入口处自动挂上装有工件的吊篮和在第一至第五槽的工序处理，将装有工件的吊篮卸在第六槽；行车二负责在第六槽自动挂上装有工件的吊篮，完成第七至第十五槽的工序处理，并在前处理线的出口处自动卸下装有工件的吊篮。
笔者以前曾采用PLC外接多个ST3P时间继电器来调节工件在每个水槽中的停留时间, 但控制线路比较复杂, 而且无法存储多个工件的处理程序, 如外接一个触摸屏,则以上问题都可以解决,并且触摸屏可以与控制相关水槽水温的温控仪通信,在触摸屏上可以监控水槽水温。
说明：本文限于篇幅，对前处理线中不通过PLC的较为简单的控制（如水泵、风机、照明等部分的控制,由人工控制其起停,并放在单独的控制柜内）不加叙述说明。控制系统框图见下图1。
四、硬件配置
1、PLC配置
在控制过程中，在前处理线的入口处和出口处以及每个水槽需用一到二个接近开关作定位用，另外，两部行车上升和下降也需用接近开关作定位，此外，在前处理线的入口处和出口处及行车还需用限位开关来防止行车出意外时造成损害。这样一来需二十九个输入点，加上操作面板按钮（自动运行、停止、手动、行车一上升、行车一下降、行车一前进、行车一后退、行车二上升、行车二下降、行车二前进、行车二后退）需占用的十一个点和水温状况及变频故障报警占用的九个输入点，总共需四十九个输入点，而输出仅需二十二个点（控制每台行车的行走变频器和升降变频器的正反转和高低速各占用四个点，两台行车共需十六个点，另六个为报警输出）
富士SPB系列CPU处理速度快,其基本命令为0.44μS;配备了大容量的内藏存储器,具有211种类的丰富命令语,功能丰富,可适合广泛的领域;可直接联接触摸屏;其I/O总数最多可达360点。
我决定PLC采用富士SPB系列的NWOP60R-31（输入点为三十六个和输出点为二十四点）+NW16X（扩展输入十六点），可用输入点为五十二个，输出点为二十四点，能满足要求。输入和输出点的地址分配见下表1。
PLC输入和输出点的地址分配表
输入
输出
地址
说明
地址
说明
(主机)
Y30
行车一行走电机正转
X0
自动运行
Y31
行车一行走电机反转
X1
自动/手动
Y32
行车一行走电机高速
X2
停止
Y33
行车一行走电机低速
X3
行车一上升（手动）
Y34
行车一升降电机正转
X4
行车一下降（手动）
Y35
行车一升降电机反转
X5
行车一前进（手动）
Y36
行车一升降电机高速
X6
行车一后退（手动）
Y37
行车一升降电机低速
X7
行车二上升（手动）
Y38
行车二行走电机正转
X8
行车二下降（手动）
Y39
行车二行走电机反转
X9
行车二前进（手动）
Y3A
行车二行走电机高速
XA
行车二后退（手动）
Y3B
行车二行走电机低速
XB
入口处出位报警
Y3C
行车二升降电机正转
XC
入口处
Y3D
行车二升降电机反转
XD
第一槽
Y3E
行车二升降电机高速
XE
第二槽
Y3F
行车二升降电机低速
XF
第三槽
Y40
行车一出位报警
X10
第四槽
Y41
行车二出位报警
X11
第五槽
Y42
行车一变频故障报警
X12
第六槽行车二限位
Y43
行车二变频故障报警
X13
第六槽
Y44
水温超温报警
X14
第六槽行车一限位
Y45
接近开关故障报警
X15
第七槽
Y46
备用
X16
第八槽
Y47
备用
X17
第九槽
X18
第十槽
X19
第十一槽
X1A
第十二槽
X1B
第十三槽
X1C
第十四槽
X1D
第十五槽
X1E
出口处
X1F
出口处出位报警
X20
行车一上升限位
X21
行车一下降限位
X22
行车一上升出位报警输入
X23
行车一下降出位报警输入
扩展
X50
行车二上升限位
X51
行车二下降限位
X52
行车二上升出位报警输入
X53
行车二下降出位报警输入
X54
行车一行走变频故障报警输入
X15
行车一升降变频故障报警输入
X56
行车二行走变频故障报警输入
X57
行车二升降变频故障报警输入
X58
一槽水温超温报警输入
X59
四槽水温超温报警输入
X5A
六槽水温超温报警输入
X5B
十三槽水温超温报警输入
X5C
十五槽水温超温报警输入
X5D
备用
X5E
备用
X5F
备用
表1 I/O地址分配表
2、触摸屏配置
触摸屏采用富士的UG221H-LR4,它是5.7吋屏幕,2色（8级灰度），320*240像素点，可以编辑1024个画面，并可以加存储卡储存数据,还可与多达31个的温控仪或变频器通信。
3、变频器配置
富士G11系列变频器具有动态转矩矢量控制功能,它的控制系统高速计算电动机驱动负载所需功率、最佳控制电压及电流矢量，最大限度地发挥电动机的输出转矩，能配合负载实现最短时间内平稳地加减速，它的低速性能超群,在0.5Hz时能输出200%高起动转矩；它的过载能力强,最大过载可达200%；它有中文显示面板，便于操作和监控，它还可以通过RS485通信口与触摸屏、PLC通信。因而决定行车行走电机用变频器采用富士的FRN3.7G11S-4CE，行车升降电机用变频器采用富士的FRN2.2G11S-4CE。为了有效地提高行车的运行速度,各个变频器均配置了制动电阻。
4、温控仪配置
在十五个水槽中有第一槽、第四槽、第六槽、第十三槽、第十五槽等5个水槽水温有要求,系统在工作时水温必须在许可范围内。我决定采用温控仪加可控硅调功器控制电热管的方法来调节水温,经比较，温控仪采用富士PXR9-TEY18VM型, 它外形尺寸96×96,为4-20mA电流输出,1点报警,具有PID功能,有一个RS485通信口,能与触摸屏通信,可以有效地控制水温。
5、控制柜的设计
根据控制功能及所用的电器，决定制作两个控制柜，一个为主控制柜（主要为PLC和触摸屏及变频器和控制继电器），另一个为加热控制柜（主要为大容量空气开关和接触器、温控仪和可控硅调功器）。考虑到现场设备很多，干扰很严重,为此，在PLC电源加隔离变压器、PLC的相关输入点前加中间继电器过渡，对控制柜内的主要部件实行单独、可靠地接地,以确保系统工作稳定。
五、软件设计
根据系统的控制要求，结合控制柜的面板设计，在反复论证后，设计出控制系统流程图如图2。
在控制系统流程图中，第一部分为加热控制，第二部分是数据存入和调用，第三部分是报警处理，第四部分是行车控制（在主程序中），含手动控制运行、自动运行及子程序设计。
整个系统工作的第一步是加热，系统自动运行程序必须在一槽、四槽、六槽、十三槽、十五槽这五个水槽均达到60℃时才能启动。
自动运行程序完成了两部行车携带工件在水槽中按控制要求进行工艺处理（程序的梯形图见附件）的全过程，行车一负责在前处理线的入口处自动挂上装有工件的吊篮和在第一至第五槽的工序处理，将装有工件的吊篮卸在第六槽；行车二负责在第六槽自动挂上装有工件的吊篮，完成第七至第十五槽的工序处理，并在前处理线的出口处自动卸下装有工件的吊篮。
在程序中大量用到了步进功能（SC），它使程序变得简单、条理清楚而且不容易出错。此外，在程序中还用了子程序，在控制过程中，有两组动作用得特别多，如挂上工件吊篮、脱钩（放下工件吊蓝），针对此编了两个子程序，用到时只需调用即可。这样一来大大简化了程序。
六、系统实现的功能
1、触摸屏在通电后显示的第一个画面的内容是设备名称和生产厂家信息,下一页是菜单,可按键选择进入调用或存储某一种工件处理工序数据的页面或运行监控页面和报警信息页面，只有知道密码的相关人员才能进入“存储数据”和 “调用数据”这两个页面。
按“存储数据”键进入的下一个画面是二十个可自行定义工件序号和英文代号的键,当按下标有某一工件序号和英文代号的键后，触摸屏进入相应页面，在该页面可设定或修改该工件在十五个水槽的停留时间并存入数据库。
在运行监控页面上,可操作两部行车和监控它们的工作状况及相关水槽的水温。
按“调用数据”键，进入的下一个画面上二十个标有工件序号和英文代号的键，如按下其中之一，则相应数据将被从数据库中输入到程序中，PLC按此数据控制两部行车完成工件的前处理过程。
2、在按实际处理工件从触摸屏中选定相应的工作程序后，当第一槽、第四槽、第六槽、第十三槽、第十五槽等5个水槽水温达到设定温度时，将“自动/手动”旋钮打到自动档,并按下“自动运行”按钮时，系统按如下流程工作：
（1）行车一至入口处→挂上第一工件吊蓝→第一池→第二池→第三池→第四池→第五槽→第六槽→脱钩→行车一至入口处→挂上第二工件吊蓝→第一槽→第二槽→第三槽→第四槽→第五槽→等待(如第六槽中还有工件未被行车二运走或行车二还未离开第六槽)→第六槽→脱钩→行车一至入口处→挂上第三工件吊蓝→→
（2）行车二至第七槽→等待→第六槽→挂上第一工件吊蓝→第七槽→第操八槽→第九槽→第十槽→第十一槽→第十二槽→第十三槽→第十四槽→第十五槽→行车二至出口处→脱钩→行车二至第七槽→等待(如第六槽中没有工件或行车一还未离开第六槽)→第六槽→挂上第二工件吊蓝→第七槽→→
（3）上面以黑体标出的为循环过程，如行车一和行车二将在线的工件处理完毕后即返回入口处和第七槽停机。
（4）当某个水槽停留时间设置为0时，行车将跳过该水槽直接到下一水槽。因此，可以任意设定全部使用十五个水槽或只使用其中的几个。
（5）当自动/手动”旋钮打到“手动”档, 两部行车可手动上升、下降、前进、后退。此操作既可用按钮也可在触摸屏的运行监控页面上完成。
（6）在遇突发停电或故障时系统停车时，在恢复工作后，可在触摸屏上选择继续或重新开始处理过程。
（7）当一部行车发生故障时或有必要时，可在触摸屏上设定由一部行车完成整个过程（只有知道密码的相关人员才能完成此操作）。
（8）可在触摸屏上任意选择工件完成某一工序后先做一个工件吊篮上下抖动的动作，然后再完成下一个工序。
3、报警处理：由于用户选用的接近开关质量及震动的原因，在调试时，系统有时不能正常工作，我们一方面建议用户选用质量较好的接近开关并定期检查接近开关完好状况，另一方面在程序中设置：如一接近开关该通不通，则行车在遇下一个完好的接近开关时停产并报警，这样检修人员可很快找出故障点。行车在入口处和出口处或上升和下降撞限位开关时或四台变频器之一发生故障以及水温超出许可范围报警时，行车停车，系统发出声光报警，触摸屏指示故障原因及处置对策。
七、结束语
前处理线控制装置完全满足了生产控制要求，运行良好，它满足了工艺要求，具有运行稳定、可靠性高、生产效率高、生产质量高、操作方便等特点，为前处理线的长期、高质量的运行起到了很重要的作用，富士 PLC和触摸屏及变频器、温控仪功不可没。
该控制系统有这样一些特点：
1、采用富士UG221H-LR4触摸屏，可与温控仪及变频器通讯，可用于数据给定、运行监控、报警显示，可按键选择进入调用或存储某一种工件处理工序数据的页面。
2、在主程序中巧妙地编制了两个子程序，分别用于两部行车的行车下降、挂上工件吊篮、行车上升和行车下降、脱钩、行车上升这两组动作，这样大大简化了程序。
3、在实际使用中,有加热控制水槽水温的波动一般不超过0.5度,最大不超过1度,有效确保了前处理的质量。
4、在程序由于设置了独特的报警处理功能，当行车因某一个原因停车并报警时，触摸屏指示故障原因及处置对策，检修人员可很快找出故障点并处理之,这可使由于故障造成的无作业时间降至最少。
参考文献：
1. 陈建明 电气控制与PLC应用 北京：电子工业出版社 2006年8月
2. 魏召刚 工业变频器原理及应用 北京：电子工业出版社 2006年9月
3. 富士触摸屏编程指导书（内部资料）
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第三步，用用鼠标点击关于程序Vladder…如下图所示：
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