飛剪技術(shù)PLC.DOC

1、2015 年全國大學(xué)生西門子杯工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽工程設(shè)計文件運動控制賽項參賽隊伍名稱：XXXXXXXX參賽學(xué)校名稱：XXXXXXXX、方案設(shè)計依據(jù)、范圍及相關(guān)標準 1、設(shè)計依據(jù)：飛剪機是冶金板材行業(yè)最重要的裝備之一，也是我國長期以來一直引進的重 要的冶金設(shè)備，飛剪機是指橫向剪切運動軋件，并滿足用戶定尺要求的一種設(shè) 備。該設(shè)備主要包括：物料夾送輥、傳感器、飛剪、飛剪角度追蹤等。剪刃在水 平位置時為飛剪的初始位置，剪刃在最低點時成為下死點，即剪切位置。2、設(shè)計范圍：（1）熟悉飛剪的種類和剪刃剪切過程，確定整個系統(tǒng)的控制方案；（2）熟習(xí)S7-300 PLC硬件構(gòu)造、工作原理、指令系統(tǒng)和程序設(shè)計方法；（

2、3）基于S7-300 PLC配置外圍硬件，使用AUTOCAD計飛剪機控制系統(tǒng)的電 氣原理圖和安裝圖，元器件主要參數(shù)計算及其選擇；（4）在控制方案下，設(shè)計滿足棒材飛剪機在自動模式和手動模式的控制程序， 以及指示燈顯示程序；（5）用實驗平臺模擬實現(xiàn)棒材飛剪機工作過程，設(shè)計操作界面及相應(yīng)程序， 并利用Win CC記錄數(shù)據(jù)。3、設(shè)計要求、標準：（1）飛剪機的剪刃在剪切軋件時，要同軋件保持相對靜止。剪刃要同時完成對 軋件的剪切和移動，并且在水平方向的分速度應(yīng)與軋件運行速度相等。（2）要求飛剪機根據(jù)不同的軋件厚度和軋件形狀，自動將剪刃間的間隙和重疊 量調(diào)節(jié)到合適的值，從而確保剪切工藝正常，避免發(fā)生堵鋼事件

3、。（3）要求剪切運動機械結(jié)構(gòu)簡單，減小剪切機構(gòu)的運動慣性。當正在剪切時， 速度變化小，還為飛剪機的頻繁起動帶來便利，可以提高飛剪機的剪切效率。（4）自動生產(chǎn)，按照上述控制步驟，自動運行，自動追蹤物料位置，實現(xiàn)物料 的飛剪。（5）在運行過程中，監(jiān)測狀態(tài)參數(shù)以及各種反饋信號等，確保飛剪過程穩(wěn)定運 行。并制定相應(yīng)的安全策。二、系統(tǒng)分析(包括甲方需求分析、對象特性分析、系統(tǒng)安全分析等)1、需求分析：對于我們來說，我們還是主要提供程序，讓PLC機器能夠正常工作，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。對于棒材飛剪機控制系統(tǒng)，我們的程序設(shè)計思路主要是先編寫程序功能塊，然后在主程序里面調(diào)用各功能塊的方式來實現(xiàn)的。軟件的核心問題是要對

4、各種檢測信號進行及時準確地判斷以及對相應(yīng)的設(shè)備進行控制,軟件程序主要由軋線信號及處理、夾送輥操作、飛剪驅(qū)動模塊、頭部剪切操作、尾部剪切操作、單剪切、報警等模塊組成，實現(xiàn)對信號的接收、分析、處理、控制、啟動、制動等一系列操作。2、對象特性分析:飛剪本身的速度反饋由本機架電機編碼器直接接入直流調(diào)速裝置。當飛剪收到剪切信號時,飛剪開始均勻加速運轉(zhuǎn)，在剪切位置或之前剪切速度達到給定值，通過編碼器(或調(diào)速裝置)計算的剪刃位置離開切出角，開始減速最終停到停止位，過程如圖2.1所示。加速剪切等待位置反向動作剪切制動90 =300°制動終止3365°剪切開始圖2.1剪刃周期剪切圖(1)剪刃

5、從180°等待位置(電氣人員可以根據(jù)實際情況，將等待位置定在90°到180。之間任何位置)開始加速到剪切速度。(2)剪刃在336.5 °時切入軋件。(3)在30°位置時，剪刃制動的切削刃，當剪刃到達300°處前必須停止制動，制動角的電氣設(shè)計人員根據(jù)實際情況確定。(4)制動結(jié)束后，要求剪刃回到等待位置。如果剪刃超過等待位置停下就要求電機反轉(zhuǎn)，如果剪刃在等待前面的位置停止剪刃將繼續(xù)向前旋轉(zhuǎn)。2.4系統(tǒng)總體方案確定根據(jù)任務(wù)書的要求和對飛剪機工作原理的了解，設(shè)計自動模式和手動模式對飛剪機進行控制。在手動 模式下，操作人員通過按下正向點動按鈕對飛剪進行正

6、向點動，按下反向點動按鈕對飛剪進行反向點動, 按下單次剪切按鈕對飛剪進行單次剪切的測試。自動方式下，按照操作員設(shè)定的剪切參數(shù)，根據(jù)剪前熱檢 信號自動計算剪切長度實現(xiàn)剪切功能。用指示燈顯示不同的工作信號，以便給操作員進行操作提醒，明確 飛剪機所在的工作狀態(tài)。按照以上的控制思路，可以確定好棒材飛剪機系統(tǒng)的總體設(shè)計思路：使用可編程邏輯控制器，實現(xiàn)飛 剪工作過程的邏輯控制功能；利用變頻器控制直流電機的啟停式飛剪剪切過程，以滿足飛剪的動態(tài)剪切過 程；利用 WinCC組態(tài)軟件的人機界面設(shè)計，實現(xiàn)工作狀態(tài)實時監(jiān)測。三、控制系統(tǒng)設(shè)計（包括控制邏輯、控制回路、控制算法等的選擇，開機、停機等控制邏輯以流程圖表達）

7、3.1系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路對于棒材飛剪機控制系統(tǒng)，我的程序設(shè)計思路主要是先編寫程序功能塊，然后在主程序里面調(diào)用 各功能塊的方式來實現(xiàn)的。根據(jù)任務(wù)書的要求，系統(tǒng)工作模式可分為：自動運行模式和手動運行 模式。本次設(shè)計使用的是西門子 PLC的專門編程軟件SIMATIC Manager，安裝后默認有梯形圖、功能塊和語句表三種編程語言。基于自己在S7-200編程上面的基礎(chǔ)，曾使用梯形圖完成四層電 梯的程序設(shè)計，最終選擇用梯形圖語言編程。 梯形圖編程具有層次感，很好的易讀性，清晰明了。該系統(tǒng)的程序架構(gòu)是：一個主程序，五個功能子程序。3.2程序流程圖確定整個系統(tǒng)軟件設(shè)計思路之后，就開始編寫梯形圖程序。為了編寫

8、程序時清晰的思路，明確下 一步該如何編寫程序，節(jié)省了整個控制程序的編寫時間，因此設(shè)計程序的流程圖就很有必要。程 序流程圖如下：（1）系統(tǒng)主程序流程圖，如圖所示。系統(tǒng)停止系統(tǒng)運行設(shè)定翦切長度手動模式自動模式（2）手動模式程序流程圖，如圖所示。手動模式a11單次雲(yún)切正向點動lOOOr/niniE 速度做為速度 給定給電機lOOOr/miri 負 速度做為速度 給定給電機J Y以上設(shè)定 的速度做為單 切速度(3)自動模式程序流程圖，如圖所示。四、控制系統(tǒng)選型與系統(tǒng)連接控制系統(tǒng)選型4.1直流調(diào)速器選型直流調(diào)速器做為直流電動機調(diào)速設(shè)備，主要有電機、脈寬、可控硅直流調(diào)速器等。一般由不同的模塊組成，直流調(diào)速

9、器有整流電路、觸發(fā)電路、電源電路于一個設(shè)備，器件采用豎直分布和使用高集成的控制元器件，具有集成度高，重量輕的優(yōu)點，調(diào)試方便等特點，并結(jié)合直流電機安裝在一起可以形成完整的直流電 動機，同時擁有了調(diào)速器和直流電機的優(yōu)良特性7。綜合棒材飛剪中各方面的因素以及I311實驗室調(diào)試的工作，本次設(shè)計采用6RA70直流調(diào)速器做為飛剪機控制系統(tǒng)的調(diào)速裝置。4.1.1 6RA70直流調(diào)速器6RA70系列全數(shù)字整流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)緊湊，相比6RA24，在機械設(shè)計和軟件上6RA70的特點都有了很大的進步，使用了與西門子6SE70系列產(chǎn)品一致的控制箱，機械布局更加的緊湊和實用，模塊可以根據(jù)控制需求進行自由選配。輸入電壓為三相

10、交流電，電壓大小同直流調(diào)速器的功率相關(guān)，可向直流電動機的電樞和勵磁 供電，電樞整流橋是三相全控橋，這樣可以使電動機換向更加自然，通過交流側(cè)的電流互感器可得到電樞電流。所有的控制，調(diào)節(jié)，控制和附加功能由微處理器實現(xiàn)，通過 Drive monitor軟件可以對速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要參數(shù)設(shè)定和實際速度的監(jiān)控，并可通過模擬量給定電動機速度和反饋速度。使用Profibus-DP總線網(wǎng)絡(luò)來與PLC通訊，可以把PLC的控制字發(fā)送到調(diào)速器以及將調(diào)速器的狀態(tài)字反饋到PLC上。4.1.26RA70直流調(diào)速器的特點6RA70直流調(diào)速裝置使用了微處理器技術(shù)，其主要特點就是操作非常簡單，運行可靠、靈活。對裝置進行設(shè)置均可通

11、過參數(shù)設(shè)定進行，為了讓調(diào)速器快速運行 起來可通過PC進行參數(shù)設(shè)定，也可通過PMU進行手動參數(shù)設(shè)定操作，但是這樣的操作會相對復(fù)雜。同時還可實現(xiàn)：自動測試和報警顯示，以減少維修時間；可以設(shè) 置的參數(shù)將迅速備份卡具有特殊的價值，簡化了管理；可重復(fù)設(shè)定，減少因操作技巧差異所造成的影響；速度調(diào)節(jié)器、電樞電流和勵磁電流的自動調(diào)整，使整流器能快速、穩(wěn)定地起動，控制面板中存有報警狀態(tài)及診斷信息，能對故障進行快速分析。SIMOREG DC-MASTER在工業(yè)領(lǐng)域有著良好越高的性能要求，并 飛剪機剪切機構(gòu)，的經(jīng)濟性，開環(huán)和閉環(huán)控制被集成到系統(tǒng)中，具有高度的抗干擾。4.1.36RA70直流調(diào)速器的應(yīng)用6RA70直流

12、調(diào)速器的推出，由于其能夠滿足工業(yè)自動化對電氣傳動系統(tǒng)的越來 廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域中。例如加工制造業(yè)以及冶金行業(yè)中的軋機主傳動系統(tǒng),校直機等。6RA70直流調(diào)速器的啟停特性能夠很好的滿足連續(xù)啟停工作制的飛剪機，有效的提高了剪切精度。4.2可編程控制器簡介及選型計數(shù)和算術(shù)運型的機械或生產(chǎn)過程11。結(jié)合實驗室PLC采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、算等操作的指令，并通過數(shù)字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類調(diào)試工作的進行以及對飛剪控制系統(tǒng)設(shè)計的要求，本次設(shè)計選用西門子S7-300PLC。4.2.1 PLC的工作原理執(zhí)行CPU自診斷、通信信PLC采用循環(huán)掃描工作方

13、式，通電后就執(zhí)行系統(tǒng)初始化程序，然后分別息處理、與外部設(shè)備交換信息、執(zhí)行用戶程序、I/O信息處理，連續(xù)不斷的反復(fù)執(zhí)行這樣的過程。這個過程實質(zhì)上是按順序循環(huán)掃描的過程，其工作過程如圖4.1所示。TaC P U自診斷通信信息處理與外部設(shè)備交換信息執(zhí)行用戶程序1/0 信 息 處 理圖4.1 PLC的工作過程STOP方式和 RUN 方式。PLCPLC的工作過程與 CPU的操作方式有關(guān)。CPU有兩種操作方式:在執(zhí)行用戶程序時可分為三個階段,輸入采樣階段、（2）程序執(zhí)行階段、 輸出刷新階段，如圖4.2示。ft& S 存 s10101-TPiQoo lei岀ft像奇V 3P動II hl1輸入刷靳程號

14、抽亍1輸岀劇新11' 輸入刷階段| '1r"1絵;1佃1R盼段圖4.2 PLC用戶程序的工作過程4.2.2 S7-300 PLC的硬件模塊S7-300 PLC由以下部分組成：機IM ）、信號模塊（SM）、功能模塊S7-300是模塊化 PLC體系，可以滿足中等性能控制系統(tǒng)的要求。 架（ RACK ）、電源模塊（PS）、中央處理單元模塊（CPU ）、接口模塊（FM ）和通信處 理器（CP） 11。如圖3.3所示。3CPUShi044.3 S7-300 系列_nvPLCnV硬件組態(tài)模型CPnVMm jma由于S7-300采用的是模塊結(jié)構(gòu), 所以在安裝模塊時必須按順序放置。安

15、裝時， 在機架的最左端總是安裝電源模塊，緊接著是 CPU模塊。如果需要另外加入接口 模塊，則安裝在 CPU模塊的右側(cè)，然后分別就是模擬量和數(shù)字量的信號模塊，最后就是通信處理器。4.2.3S7-300 PLC的性能特點(1)模塊化可編程控制器系統(tǒng)，能滿足中小規(guī)模的性能要求;(2)由不同級別的 CPU、各種功能模塊和I/O模塊可供選擇，可以非常好的滿足和適應(yīng)自動化控制任務(wù);集成功能很多所以它的功能非常強大;(4)當控制任務(wù)增加時，可自由擴展;方便用戶，有建議的無風(fēng)扇設(shè)計;(6)易于操作、編程、維護和服務(wù);(7)擴展溫度范圍從-25 C+70 C;(8)分布式結(jié)構(gòu)簡單、實用、多接口的網(wǎng)絡(luò)容量，所以應(yīng)

16、用非常靈活;(9)低成本的自動化系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)連接圖JI衛(wèi)J3(|事if'rtf IT跆£7(i卜*W 2 'li .'.* 時 .rtTO亠Jd j-H匚1-廠 I-OU'_【、33 _f=S.=pQUCLd匚.3V-»- LNFl307勺TbP3邑爵Hl鏘迪F'fWJ!Pf TTtX旦liiContro】Lnil-l/2廬:匹 !冋譏Z1v>VMXIGBnfr*aa"uiTA ft'宣hZ*E回E轅今 545寸 <J <hK/95JQ1. 0Q1. 1;B/3 5 feJAAk-1'"ir4* h< -，4*Q 冷?Rd仃 9；tt«Ej»*C t?dQ1. 5qmLi «wrrprL1 Q2. 0Q2, 1Qk 2Qk 3QI. 4QI. 5Q.< /-2、' 尸、:/亠. .-二、L+.丿CH 1315Al塊AO模塊DI 0«塊DILI】S AA >3：S；m 2Ari 10M»LU Ug (JTC. IS 1to ?00-3lU. 3IU1QU 11(1 %Q