PLC軋鋼機課程設計

1、課程設計說明書 課 程 名 稱:電氣控制設備課程設計 課 程 代 碼: 9127028 題 目: 學 生 姓 名: 學 號: 年級/專業(yè)/班: 學院(直屬系) : 應用技術學院 指 導 教 師: 徐 全 摘要本設計闡述了PLC在軋鋼機系統(tǒng)中的應用，介紹了軋鋼機的PLC控制系統(tǒng)的總體設計方案和過程，列出了具體的硬件、軟件設計，包括梯形圖，控制流程圖及仿真，在分析的基礎上指出了PLC的編程方法。本次設計課題是基于PLC的自控軋鋼機系統(tǒng)，它在鋼鐵生產過程中非常重要，對現(xiàn)在的工業(yè)發(fā)展必不可少。關鍵詞：PLC 軋鋼機 1.PLC概述21.1 PLC歷史31.2 PLC基本結構31.3 PLC的工作原理4

2、1.4 PLC的特點51.5 PLC的功能52. 軋鋼機控制設計62.1軋鋼機介紹及發(fā)展62.2 設計任務73系統(tǒng)硬件設計83.1 總體設計83.2 主電機回路93.3 PLC軋鋼機I/O分配表93.4 PLC軋鋼機I/O外部接線圖104 系統(tǒng)軟件設計114.1 程序設計的一般方法114.1.1 經(jīng)驗設計法114.1.2 邏輯設計法114.1.3 順序設計法114.2程序設計124.1.1 梯型圖124.4.2控制流程圖175.系統(tǒng)調試186.改進措施276.1電機調速控制276.1.1.變頻調速控制276.1.2.張力控制276.2 軋鋼機檢測警報-溫度報警297系統(tǒng)結論328.參考文獻32

3、1.PLC概述可編程邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicController）一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是以微機處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體集成技術、自動控制技術、數(shù)字技術和通信網(wǎng)絡技術發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制技術。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。它面向控制過程、面向用戶、適應工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一。1.1 PLC歷史在PLC問世之前，工業(yè)控制領域中是繼電器控制站主導地位。繼電器控制系統(tǒng)有著

4、十分明顯的缺點，體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運行速度慢、適應性差等，而PLC是從早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的。自1836年繼電器問世，人們就開始用導線將它同開關器件巧妙地連接，構成用途各異的邏輯控制或順序控制。上世紀60年代末，它不斷吸收微計算機技術使之功能不斷增強，逐漸適合復雜的控制任務。隨著微電子技術、計算機技術和數(shù)據(jù)通信技術的飛速發(fā)展、微處理器的出現(xiàn)，以及流程加工行業(yè)，如汽車制造業(yè)，對生產流程迅速、頻繁變更的需求，PLC技術出現(xiàn)并快速發(fā)展。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、強功能等方面有了質的飛躍，使早期的PLC計數(shù)、記憶和算術運算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信及PID回路調節(jié)等功

5、能的現(xiàn)代PLC。但是，仍然沿用著順序掃描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本結構。PLC之所以有生命力，在于它更加適合工業(yè)現(xiàn)場和市場的要求，高可靠性、強抗各種干擾的能力、編程安裝使用簡便、低價格長壽命。它的輸入輸出端更接近現(xiàn)場設備，不需添加太多的中間部件或需要更多的接口，這樣節(jié)省了用戶時間和成本。PLC的下端(輸入端)為繼電器、晶體管和晶閘管等控制部件，而上端一般是面向用戶的微型計算機。PLC的諸多優(yōu)點確定了其在工業(yè)中的廣泛應用。1.2 PLC基本結構（1）中央處理單元(CPU)：中央處理單元(CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能：a.接收并存儲從用戶程序和數(shù)

6、據(jù)；b.檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。（2）存儲器：可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。存放系統(tǒng)軟件（包括監(jiān)控程序、模塊化應用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放用戶程序（用戶程序存和數(shù)據(jù)）的存儲器稱為用戶程序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分。（3）輸入接口電路：輸入輸出信號有開關量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實際涉及到的信號當中，開關量最普遍。（4）輸出接口電路：可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出(M)、晶體管輸出(T)、晶閘管輸出(SSR)三種輸出形式。（5

7、）電源：PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。如FX1S額定電壓AC100V240V，而電壓允許范圍在AC85V264V之間。允許瞬時停電在10ms以下，能繼續(xù)工作。一般小型PLC的電源輸出分為兩部分：一部分供PLC內部電路工作；一部分向外提供給現(xiàn)場傳感器等的工作電源。1.3 PLC的工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并

8、存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。 PLC的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。 PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序將所有暫存在輸入鎖存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。 PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應的運算和處理后，其結果再寫

9、入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內容隨著程序的執(zhí)行而改變。 輸出刷新階段：當所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅動相應輸出設備工作。1.4 PLC的特點（1）結構形式多樣，模塊化組合靈活。有固定式適于小型系統(tǒng)或機床，組合式適于集控制系統(tǒng)。最少的PLC只有6點，而AB的ControlLogix系統(tǒng)的容量達128000點。 （2）可靠性高。PLC的MTBF一般在4000050000h以上，有的在10-20萬h，且均有完善的自診斷功能。 （3）編程方便?？刂凭哂袠O大靈活性。PLC作為通用工業(yè)控制計算機，

10、是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 （4）功能強大。PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術

11、的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。（5）適應工業(yè)環(huán)境。適應高溫、振動、沖擊和粉塵等惡劣環(huán)境以及電磁干擾環(huán)境。（6）安裝、維修簡單。與DCS相比，價格低。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。1.5 PLC的功能（1）控制功能。包括順序控制、邏輯控制、定時、計數(shù)等。（2）數(shù)據(jù)采集與輸出。（3）輸入/輸出接口調理功能。具有A/D、D/A轉換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調節(jié)，具有溫度、運動等測量接口。（4）

12、數(shù)據(jù)處理功能。包括基本數(shù)學運算、比較、對字節(jié)的運算、PID運算、濾波等。（5）支持人機界面功能。提供操作者以監(jiān)視機器/過程工作必需的信息。允許操作者和PC系統(tǒng)與其應用程序相互作用，以便作決策和調整，實現(xiàn)工業(yè)計算機的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。（6）通信、聯(lián)網(wǎng)功能?，F(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡技術，有RS232或RS485接口，可進行遠程I/O控制，多臺PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉移、數(shù)據(jù)文檔轉移、監(jiān)視和診斷。（7）編程、調試等，并且大部分支持在線編程。2. 軋鋼機控制設計2.1軋鋼機介紹及發(fā)展軋鋼機，據(jù)說在14世

13、紀歐洲就有軋機，但記載的是1480年意大利人達芬h型連軋鋼機。1553年法國人不律列爾（Brulier）軋制出金和銀板材，用以制造金幣。此后在西班 牙，比利時和英國相繼出現(xiàn)軋機。1728年英國設計的生產棒材用的軋機。 十九世紀中葉，第一臺可逆式板材軋機在英國投產。1848年德國發(fā)明了萬能式軋機，1853年美國開始用三輥式的型材軋機（圖2 最初的三輥式側視圖），并用蒸汽機傳動的升降臺實現(xiàn)機械化。 1859年制造了第一臺連軋機。中國于1871年在福州船政局所屬拉鐵廠（軋鋼廠）開始用軋鋼機。 現(xiàn)代軋機發(fā)展的趨向是連續(xù)化、自動化專業(yè)化產品質量高消耗低。 60 年代以來軋機在設計研究和制造方面取得了很大

14、的進展使帶材冷熱軋機厚板軋機高速線材軋機 H 型材軋機和連軋管機組等性能更加完善，并出現(xiàn)了軋制速度高達每秒鐘 115 米的線材軋機全連續(xù)式帶材冷軋機 5500 毫米寬厚板軋機和連續(xù)式 H 型鋼軋機等一系列先進設備。 隨著生產力和科學技術的不斷發(fā)展，人們的日常生活和生產活動大量的使用自動化控制，不僅節(jié)約了人力資源，而且很大程度的提高了生產效率，又進一步的促進了生產力快速發(fā)展，并不斷的豐富著人們的生活。2.2 設計任務某軋鋼機的模擬控制如圖1所示。圖中S1為檢測傳送帶上有無鋼板傳感器，S2為檢測傳送帶上鋼板是否到位傳感器。M1、M2為傳送帶電動機；M3F和M3R為傳送帶電動機M3的正轉和反轉指示燈

15、；Y1為鍛壓機。圖2.1軋鋼機控制按下啟動按鈕，M1、M2運行，待加工鋼板存儲區(qū)中的鋼板自動往傳送帶上運送。若S1檢測到有鋼板在傳送帶上時，M3電動機正轉，指示燈M3F亮。當傳送帶上的鋼板已過S1檢測信號且S2檢測到鋼板到位時，電磁閥YV動作，M3電動機反轉，指示燈M3R亮。Y1鍛壓機向鋼板沖壓一次，S2信號消失。當S1再次檢測到有信號時，M3電動機正轉，如此重復3次，停機1分鐘，將已加工好的鋼板放入加工后鋼板存儲區(qū)。2.2設計要求（1）PLC型號：西門子公司S7系列，S7-300（2）編程環(huán)境：SIMATICManager/Step7V5.4或更高版本（3）根據(jù)控制要求分配PLCI/O地址，

16、畫出PLC與控制對象的接線圖，設計控制流程，按照模塊化的方式設計程序，既可以采用LAD編程，也可以采用STL編程，還可以采用組合方式編程。（4）編寫的需要輸入PLC，調試通過3系統(tǒng)硬件設計根據(jù)控制要求，本設計有2個檢測信號，S1用于檢測待加工鋼板是否已在傳輸帶上，S2用于檢測待加工鋼板是否到達加工點。S1有效時，M1、M2工作，M3正轉。S2有效時，M3反轉，Y1動作。軋鋼機需要重復三次，停機一分鐘，將加工好的鋼板放入加工后鋼板存儲區(qū)，因此需要計數(shù)器和定時器，并且計數(shù)達到預定值后還要復位。3.1 總體設計圖3.1 PLC控制3.2 主電機回路 根據(jù)要求畫出的主控制線路圖,其中FR熱繼電器用于電

17、動機的過載保護，斷相及電流不平衡運行保護。FU熔斷器起電機主回路短路保護作用。圖3.2 電機主回路3.3 PLC軋鋼機I/O分配表 表3.1 I/O地址分配表3.4 PLC軋鋼機I/O外部接線圖 圖3.3 I/O口外部接線圖4 系統(tǒng)軟件設計在可編程序控制中，PLC的軟件分為兩大部分：1. 系統(tǒng)監(jiān)控程序：用于控制可編程控制器本身的運行。主要由管理程序、用戶指令解釋程序和標準程序模塊。2. 用戶程序：它是由可編程序控制器的使用者編制的，用于控制被控裝置的運行。PLC的工作方式：采用循環(huán)掃描方式。在PLC處于運行狀態(tài)時，從內部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。4.1 程

18、序設計的一般方法4.1.1 經(jīng)驗設計法經(jīng)驗設計法也叫湊試法。在掌握一些典型控制環(huán)節(jié)和電路設計的基礎上，根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗進行選擇、組合。這種方法對于一些簡單的控制系統(tǒng)的設計是比較湊效的，可以收到快速、簡單的效果。經(jīng)驗設計法的具體步驟如下：1確定輸入/輸出電器；2確定輸入和輸出點的個數(shù)、選擇PLC 機型、進行I/O 分配；3做出系統(tǒng)動作工程流程圖；4選擇PLC 指令并編寫程序；5編寫其它控制要求的程序；將各個環(huán)節(jié)編寫的程序聯(lián)系起來，即得到一個滿足控制要求的程序。4.1.2 邏輯設計法工業(yè)電氣控制線路中，有很多是通過繼電器等電器元件來實現(xiàn)的。而繼電器、交流接觸器的觸點都只有兩

19、種狀態(tài)即：斷開和閉合，因此用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數(shù)設計電氣控制線路是完全可以的。該方法是根據(jù)數(shù)字電子技術中的邏輯設計法進行PLC 程序的設計，它使用邏輯表達式描述問題。在得出邏輯表達式后，根據(jù)邏輯表達式畫出梯形圖。4.1.3 順序設計法對那些按動作的先后順序進行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設計法進行編程。順序控制法規(guī)律性很強，雖然編程相當長，但程序結構清晰、可讀性。在用順序控制設計法編程時，功能圖是很重要的工具。功能圖能夠清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉換順序及其轉換條件。綜上所述，本控制系統(tǒng)采用順序設計法設計4.2程序設計4.1.1 梯型圖標準語言梯形圖語言也是我

20、們最常用的一種語言，它有以下特點1. 它是一種圖形語言，沿用傳統(tǒng)控制圖中的繼電器觸點、線圈、串聯(lián)等術語和一些圖形符號構成，左右的豎線稱為左右母線，左邊畫輸入、右邊畫輸出。2. 梯形圖中接點（觸點）只有常開和常閉，接點可以是PLC 輸入點接的開關也可以是PLC 內部繼電器的接點或內部寄存器、計數(shù)器等的狀態(tài)。3. 梯形圖中的接點可以任意串、并聯(lián)，但線圈只能并聯(lián)不能串聯(lián)。4. 內部繼電器、計數(shù)器、寄存器等均不能直接控制外部負載，只能做中間結果供CPU 內部使用。5. PLC 是按循環(huán)掃描事件，沿梯形圖先后順序執(zhí)行，在同一掃描周期中的結果留在輸出狀態(tài)暫存器中所以輸出點的值在用戶程序中可以當作條件使用。

21、梯形圖的編制采用 STEP7Micro/WIN32 軟件，STEP7Micro/WIN32 軟件是西門子S7200PLC 的開發(fā)工具，主要用于開發(fā)程序，也可用于實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)，該軟件具有Windows 應用軟件的通用界面,易學易用。(1) 根據(jù)系統(tǒng)控制要求按下啟動按鈕I0.0后，電機M1和M2轉動,即Q1.0和Q1.1響應。(2) 檢測傳送帶上是否有鋼板的傳感器I0.2開始檢測,有鋼板到，則電動機M1，M2停止轉動，Q1.0,Q1.1復原，M3正轉，Q1.3響應。(3) 檢測是否到位的傳感器I0.3開始檢測，若到位，則電動機M3反轉，Q1.4響應，且鍛壓Y1下壓一次，Q1.2響應。

22、(4) 在開啟I0.2檢測，如此重復三次。為了實現(xiàn)重復三次的操作，在程序中設置減計數(shù)器C0，在完成一個周期的操作后需停機1分鐘。(5) 為實現(xiàn)此功能，在程序中添加了定時時間為1分鐘（程序中為5秒）的定時器T1。三次鍛壓后，計數(shù)器C0由1變0，導致程序段七接通，置位程序啟動，設備停機，接通延時計時器開始工作。(6) 5秒后接通，然后程序段2激活，QI.O和QI.1重新響應，導致計數(shù)器重新開始計數(shù)，還原鍛壓前狀況網(wǎng)絡1：按下啟動按鈕SD1之后，電動機M1啟動運轉網(wǎng)絡網(wǎng)絡2：按下啟動按鈕SD1之后，電動機M2啟動運轉網(wǎng)絡3：傳感器S1檢測到有信號，啟動運轉電動機M3正轉（Mz燈亮）網(wǎng)絡4：傳感器S2

23、檢測到有信號，啟動運轉電動機M3反轉（MF燈亮）。電磁閥動作（YU1燈亮）網(wǎng)絡5：當S1傳感器信號消失，傳感器S2檢測到有信號，C0計數(shù)器開始計數(shù)，C3/M0.3計數(shù)到復位網(wǎng)絡6：當計數(shù)器到1時壓力A的燈亮:網(wǎng)絡7：當S1傳感器信號消失，傳感器S2檢測到有信號，C1計數(shù)器開始計數(shù)，C3/M0.3計數(shù)到復位網(wǎng)絡8：當計數(shù)記到2時壓力B的燈亮網(wǎng)絡9：當S1傳感器信號消失，傳感器S2檢測到有信號，C2計數(shù)器開始計數(shù)，C3/MO.3計數(shù)到復位網(wǎng)絡10：當計數(shù)器記到3時壓力C的燈亮網(wǎng)絡11：當需要停止/緊急停止時，按下I0.5、I0.6、I0.7、I1.0、I1.1分別為電動機和電磁閥的熱繼電器網(wǎng)絡12

24、：當S1傳感器消失，傳感器S2檢測到有信號，C3計數(shù)器開始計數(shù)，啟動對C3復位網(wǎng)絡13：當C3為4時電動機繼續(xù)正轉4.4.2控制流程圖開始Q0.5第一次接通，同時有一個向下壓力A亮檢測傳送帶有無鋼板電機M1、M2運行監(jiān)測傳送帶有無鋼板電動機M3正轉檢測鋼板是否到位電機M3正轉電機M3反轉檢測鋼材到位否電機M3反轉Q0.6第一次接通同時有兩個向下的力，A、B亮檢測傳送帶有無鋼板檢測傳送帶有無鋼板電機M3正轉電動機M3反轉檢測鋼板是否到位檢測傳送帶有無鋼板電機M3正轉送出鋼板電動機M3反轉Q0.7第一次接通同時又三個向下力A、B、C 結束5.系統(tǒng)調試（1）啟動電源（2）啟動軋鋼機，電機M2正轉（3

25、）S1第一次檢測到鋼板M1正轉（4）當傳感器S1檢測到有鋼板時（即S1為ON）,Q0.2為ON啟動電機M3正轉傳感器S1檢測到有信號，啟動運轉電動機M3正轉（MZ燈亮）傳感器S2檢測到有信號，啟動運轉電動機M3反轉（MF燈亮），電磁閥動作（YU1燈亮）。（5）當傳感器S1為OFF,傳感器S2檢測到有鋼板時（即S2為ON），發(fā)光管C亮，表示有一個向下壓下量。（6）傳感器S2檢測到有鋼板時,Q0.3得電啟動電機M3反轉（7）當傳感器S1為OFF,傳感器S2檢測到有鋼板時（即S2為ON）,啟動電機M3反轉，發(fā)光管A、B亮，表示有兩個向下壓下量（8）當傳感器S2為OFF，傳感器S1檢測到有鋼板時，,啟

26、動電機M3正轉。當傳感器S1為OFF,傳感器S2檢測到有鋼板時，啟動電機M3反轉，發(fā)光管A、B、C亮，表示有三個向下壓下量。（9）當傳感器S2為OFF，傳感器S1檢測到有鋼板時（即S1為ON）,啟動電機M3正轉。當傳感器S2第二次為ON時，電機M3繼續(xù)正轉送出加工好的成品鋼板。當需要停止/緊急停止時，按下I0.5，I0.6，I0.7，I1.0,I1.1分別為電動機和電磁閥的熱繼電器。6系統(tǒng)結論本設計使用了西門子S7-200型號PLC（CPU224）設計控制程序，系統(tǒng)結構簡單明了，運行實施穩(wěn)定可靠。對軋鋼機系統(tǒng)的軋鋼自動控制進行了相應的闡述。由于客觀條件的限制，本次設計，我們沒有對硬件系統(tǒng)進行安裝、對整個系統(tǒng)進行現(xiàn)場調試和安裝運行都無法完成。但是我們通過實驗箱驗證了程序和各個輸入/輸出的