劉 光1*，文 樺2，徐啟杰3
1.駐馬店職業(yè)技術學院機電工程系，駐馬店 463000；2.黃淮學院信息工程學院，駐馬店 463000；3.黃淮學院 化學工程學院，駐馬店 463000
摘要：針對傳統(tǒng)的ABS塑料電鍍生產(chǎn)線自動化程度偏低、適用性差、生產(chǎn)成本較高和維護管理難度大等問題，設計開發(fā)了以S7-1200PLC和博途TIA Portal為核心的ABS塑料電鍍生產(chǎn)全自動控制系統(tǒng)。利用S7-1200PLC設計主、從站控制系統(tǒng)，通過主站監(jiān)控和管理電鍍生產(chǎn)過程，以及從站輸出控制電鍍設備。在博途TIA Portal平臺上設計上位機操作面板和PLC控制程序，既滿足不同形狀規(guī)格、牌號和用途的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、維護和管理的應用功能。實際調試表明，所設計的系統(tǒng)能按照電鍍工藝設定輸出控制信號、反饋生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對電鍍生產(chǎn)流程和工藝條件的高效監(jiān)控。
關鍵詞：ABS塑料；電鍍；PLC；TIA Portal；控制系統(tǒng)
ABS塑料易于加工成型，其制品具有質量輕、強度高、表面光潔、抗蠕變能力強等諸多優(yōu)點，經(jīng)適當?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、儀器儀表、電子電器等領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)線自動化程度較低，電鍍產(chǎn)品的質量容易受到工藝人員技術水平等因素影響。針對特定的工藝條件和生產(chǎn)流程，部分生產(chǎn)線利用成本低、操作簡單和運行可靠的PLC系統(tǒng)對電鍍生產(chǎn)過程進行自動化升級改造，通過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)品質量和經(jīng)濟效益［1-4］。然而，對于ABS塑料電鍍生產(chǎn)，自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及其應用性能不僅與電鍍工藝條件和生產(chǎn)流程有關，還受電鍍設備、輔助機電設施和現(xiàn)場環(huán)境等因素影響［5-6］。若電鍍生產(chǎn)線按非標設備定制，成套系統(tǒng)交付周期長、投入成本高，真正投入電鍍生產(chǎn)前還需要經(jīng)過長時間反復論證和調試，企業(yè)承擔很大的資金回收風險，因此需要設計通用性、模塊化、可移植擴展能力強的電鍍生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)。
在工業(yè)控制領域，相對于傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)，博途TIA Portal和S7-1200PLC集成了通用的編程語言和網(wǎng)絡通訊接口，模塊化S7-1200PLC和分布式I/O配置幾乎滿足所有自動化控制系統(tǒng)要求，具有成本低、配置靈活可靠、維護簡單、安裝和擴展方便等優(yōu)點。因此，在S7-1200PLC硬件和博途TIA Portal軟件基礎上，聯(lián)合開發(fā)滿足不同ABS塑料制件電鍍生產(chǎn)需求的全自動化控制系統(tǒng)。建立S7-1200PLC主、從站系統(tǒng)，由主站監(jiān)控管理電鍍生產(chǎn)過程，從站輸出控制電鍍設備。設計易于操作、監(jiān)控、維護和高效管理的上位機操作面板與S7-1200PLC自動化控制軟件，方便工藝人員根據(jù)ABS塑料制件電鍍需求在線設置工藝參數(shù)，并實現(xiàn)對電鍍生產(chǎn)過程和工藝條件的全程自動化監(jiān)控和管理。
1 ABS塑料電鍍生產(chǎn)線總體構成
不同形狀規(guī)格、牌號和用途的ABS塑料制件所需的電鍍工藝不同，對應的工藝條件和生產(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，先對塑料基體進行表面除油、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，進行化學鍍鎳，最后再根據(jù)塑料制件的使用要求進行裝飾性或功能性電鍍。ABS 塑料電鍍生產(chǎn)線包括超聲波清洗機、工位槽、行車、電控、管道、通風等設備，如圖1所示。根據(jù)ABS塑料電鍍的自動控制要求，工位槽按生產(chǎn)流程進行雙排布置，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停靠時間控制由行車S20負責，工位槽自動加液、槽內(nèi)工件位置檢測、溫度、pH和電流密度等調節(jié)則由對應的控制位S1~S19實現(xiàn)。
圖1 ABS塑料電鍍生產(chǎn)線總體構成
行車S20采用模塊化結構設計，主要用于塑料制件的橫移行走（x 和 y 向，M3電機）、升降（z 向，M2電機）和回轉（M1電機）控制，如圖2所示。行車吊鉤具有防脫落觸突結構，避免掛具在生產(chǎn)過程中脫落；吊鉤能隨橫梁在M1電機作用下回轉，以適應雙排工位槽的電鍍生產(chǎn)要求；吊鉤下方配備接水盤，避免塑料制件帶出的電鍍液對車間地面腐蝕和污染；各工位槽電鍍?？繒r間由M2電機控制吊鉤升降實現(xiàn)。行車S20起始位為上掛具點（圖1），先沿y向橫移完成殘余應力消除，然后按正x向橫移實現(xiàn)塑料表面金屬化前處理，再通過橫梁回轉，沿負x向橫移實現(xiàn)光亮鎳、鍍鉻等電鍍加工，最后經(jīng)清洗、吹干后完成對塑料制件的自動化電鍍控制。
圖2 電鍍行車基本結構
2 硬件設計
2.1 PLC系統(tǒng)設計
控制位S1~S20、Y1分別對應于ABS塑料電鍍生產(chǎn)線不同的工藝環(huán)節(jié)：首先根據(jù)I/O數(shù)量以及工位槽對加液、槽內(nèi)工件位置檢測、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，再通過高性能的以太網(wǎng)通訊將控制信號上傳到PLC主站和上位機，然后根據(jù)ABS塑料制件的形狀規(guī)格、牌號和用途，設置各控制位的工藝參數(shù)，再由PLC主站執(zhí)行，實現(xiàn)ABS塑料電鍍生產(chǎn)線的自動化控制。
主、從站S7-1200PLC控制系統(tǒng)結構如圖3所示，PLC以CP-U1214C為核心開發(fā)，利用集成的Profinet工業(yè)以太網(wǎng)接口實現(xiàn)Profibus、RS232/RS485等通訊服務，兼容電鍍生產(chǎn)線超聲波清洗、工位槽溫度控制、行車、鉻霧通風回收、電鍍（半光鎳、全光鎳和鍍鉻）電源等機電設備的在線監(jiān)控接口。主站S7-1200PLC板載14/10點數(shù)字量輸入/輸出、2點模擬量輸入，本地擴展16/16點SM1223數(shù)字量輸入/ 輸出，用于本地操作臺上電、急停、復位、自動/手動控制、S1~S20各控制位調試按鈕等數(shù)字信號輸入，故障和運行狀態(tài)指示燈等數(shù)字信號輸出。
圖3 控制系統(tǒng)總體結構
主站S7-1200PLC通過2臺以太網(wǎng)交換機CSM1277與上位機、KTP900觸摸屏、S7-1200PLC#1和#2從站、分布式I/O單元ET-200SP、行車控制變頻器MM420等設備建立工業(yè)控制網(wǎng)絡，接受上位機或觸摸屏對各控制位電鍍工藝參數(shù)的在線設置，通過主站S7-1200PLC調度從站PLC、分布式I/O和變頻器等機電設備，從而滿足不同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)設計
與其他設備相比，工位槽直接面向不同的電鍍過程，對其控制系統(tǒng)設計更能體現(xiàn)S7-1200PLC的通用性、模塊化和可移植擴展能力。對于圖1所示的ABS塑料電鍍生產(chǎn)線，各工位槽控制參數(shù)主要包括：①控制臺S1~S20調試開關SB，工位槽和儲液槽液位上限H、下限L位置開關SQ等數(shù)字量輸入。②加液、過濾和水洗噴淋等泵組繼電器KM，超聲波、通風機、溫度和電源控制等設備繼電器KM，正常運行和異常報警指示燈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)的接線原理如圖4所示。分別在#2從站S7-1200PLC基礎上擴展1塊SM1222數(shù)字量輸出和SM1231模擬量輸入模塊，實時監(jiān)測焦銅S10工位槽的數(shù)字（開關SB和液位SQ 等）和模擬（溫度、pH、電鍍電源等IWI）信號，由#2從站按工藝條件在線處理監(jiān)測信號，自動控制設備或泵組繼電器KM、指示燈HL等狀態(tài)。
圖4 PLC端子接線（焦銅S10工位槽）
2.3 行車控制系統(tǒng)設計
為避免掛具或工件掉落，在各工位槽間高效、平穩(wěn)轉移ABS塑料制件，電鍍行車M1回轉、M2升降和M3橫移行走采用一臺MM420變頻器進行控制，如圖5所示。
圖5 電鍍行車控制電路
當行車上掛后，本地操作臺或操作面板選擇自動運行 ，MM420變頻器和調速繼電器組KM71~KM73控制行車動作，根據(jù)限位開關的位置輸入，利用開環(huán)直接控制ABS塑料制件在工位槽的位置和停靠時間。同時，#1、#2 從站也對槽內(nèi)有無工件進行檢測，利用閉環(huán)反饋間接驗證行車位置和ABS塑料制件?？繒r間是否滿足工藝條件和生產(chǎn)流程的參數(shù)設定。當選擇手動運行，按工藝條件和生產(chǎn)流程控制正速繼電器組KM61~KM63，分別實現(xiàn)行車的M1回轉、M2升降和M3橫移行走控制。
3 軟件設計
3.1 上位機操作面板
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、鉻霧通風回收和電鍍電源等設備采用串口通信（RS232/RS485），為了能在同一控制平臺上實現(xiàn)ABS塑料電鍍生產(chǎn)線的集中監(jiān)控和高效管理，縮短開發(fā)周期、降低設計成本，電鍍線操作面板和自動化控制軟件分別在博途TIA Portal集成平臺上利用WinCC和STEP7編程軟件開發(fā)。
對于上位機操作面板，一方面需要提供直觀、準確和實時的電鍍工藝參數(shù)與故障信息，另一方面具有良好的可操作性，方便工藝人員在線設置工藝參數(shù)和高效管理電鍍生產(chǎn)流程?？紤]ABS塑料電鍍生產(chǎn)的實際需求，上位機操作面板如圖6所示，操作菜單包含主界面、電鍍工藝進程、I/O狀態(tài)、數(shù)據(jù)記錄、報警記錄、工藝選擇和系統(tǒng)設置等選項。
圖6 上位機操作面板
主界面可通過WinCC直接創(chuàng)建，利用內(nèi)部多種功能控件和定義的關聯(lián)變量提供現(xiàn)場電鍍設備直觀的電鍍工藝流程和控制位信息，實時顯示各工位槽、行車和控制閥組等設備的狀態(tài)參數(shù)。電鍍工藝進程用于在線記錄S7-1200PLC主、從站設備的I/O狀態(tài)，實時監(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)流程對電鍍質量的影響提供數(shù)據(jù)支持。工藝選擇可用于在線設置和存儲不同形狀規(guī)格、牌號和用途的ABS塑料制件電鍍參數(shù)，并允許工藝人員選用已存儲的工藝數(shù)據(jù)，從而避免遺漏或誤設置電鍍參數(shù)。系統(tǒng)設置主要實現(xiàn)對電鍍生產(chǎn)數(shù)據(jù)的后續(xù)管理與應用，支持生產(chǎn)數(shù)據(jù)的在線查詢、編輯、導出和打印等。
3.2 電鍍線自動控制軟件
ABS塑料電鍍線S1~S20、Y1等控制位具有典型的時間序列特性，所需的梯形圖程序由STEP7開發(fā)，在主程序OB1中循環(huán)調用各控制位子程序，由中斷負責子程序的調用時序，以滿足不同形狀規(guī)格、牌號和用途的ABS塑料制件電鍍所需的工藝流程，如圖7所示。
圖7 ABS塑料電鍍線自動控制流程
系統(tǒng)上電后，工藝人員通過上位機（或觸摸屏）操作面板設置或選擇電鍍工藝參數(shù)。由于WinCC在開發(fā)操作面板時已經(jīng)將電鍍線控制軟件的內(nèi)部變量與操作面板變量相關聯(lián)，設置或選擇的工藝參數(shù)將自動寫入梯形圖程序的全局數(shù)據(jù)塊DB1。選擇運行后，主程序OB1啟動將調用電鍍線S1~S20、Y1等控制位子程序，實時采樣、顯示和處理電鍍線生產(chǎn)數(shù)據(jù)。為確保OB1內(nèi)對子程序的調用滿足不同工藝條件和電鍍流程需求，根據(jù)設置的電鍍時間等參數(shù)，中斷程序按工藝流程循環(huán)控制子程序的調用順序，在線響應DB1數(shù)據(jù)塊中設置的工藝參數(shù)。
同樣，圖8給出了焦銅S10工位槽的梯形圖程序：通過上位機操作面板設定焦銅S10控制位的時間PV為120s，輸出的變頻器MM420控制數(shù)據(jù)存儲到DB1.DBW110中 ，若程序掃描電參數(shù)等于DB1.DBW110，則行車M2電機動作，提升工件進入下一電鍍過程。
圖8 梯形圖程序（焦銅S10工位槽）
4 結語
在博途TIA Portal和S7-1200PLC控制平臺基礎上搭建適于不同形狀規(guī)格、牌號和用途的ABS塑料制件電鍍生產(chǎn)的全自動控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)不同，所開發(fā)電鍍控制系統(tǒng)具有良好的通用性、模塊化、可移植擴展能力，兼容不同通信端口的電鍍設備，并支持在統(tǒng)一的編程平臺TIA Portal上靈活設計電鍍生產(chǎn)需要的工藝流程和應用功能。由于工位槽、行車和控制閥組等設備可由電鍍企業(yè)自行配置，整套系統(tǒng)的投入主要集中在PLC系統(tǒng)硬件、上位機操作面板和自動控制程序等部分，與非標定制相比，系統(tǒng)交付周期短（≤ 2月）、投入成本最大可節(jié)省70%。此外，對部分工位槽和上位機操作面板的調試表明，所開發(fā)控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、故障率低，能根據(jù)工藝設定實現(xiàn)電鍍生產(chǎn)流程和工藝條件的在線監(jiān)控與高效管理。
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