基于PLC的鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)的設計

1、畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要 本文通過研究鑄坯火焰切割機的系統(tǒng)結(jié)構，將PLC控制技術應用于連鑄火焰切割機，以解決連鑄生產(chǎn)線上鑄坯的定尺精度，切割質(zhì)量等關鍵技術問題。該系統(tǒng)的特點有：定尺測量系統(tǒng)工作可靠，切割機與鑄坯同步運行平穩(wěn)、可靠、無滯后現(xiàn)象，快速返回原點定位誤差小，其應用了可編程控制器為控制單元的新型火焰切割機控制系統(tǒng)。本課題選用的可編程控制器是西門子S7-200，并對軟硬件進行了詳細設計。其中PLC是火焰切割機的控制單元，通過它采集火焰切割機上各類傳感器信號、工作參數(shù)、及工作狀態(tài)等信息來向控制系統(tǒng)發(fā)送操作命令。實踐證明，本文所設計的基于西門子PLC的鑄坯火焰切割系統(tǒng)的軟硬件是成功的，結(jié)

2、構簡單，性能良好，為今后開發(fā)類似系統(tǒng)奠定了良好基礎。關鍵詞 可編程控制器 連鑄火焰切割機 定尺系統(tǒng)畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要Title the Cast Slab Flame Cutting System based on Siemens PLC AbstractThe system structure of cast slab flame cutting machine is briefly introduced in this paper, and PLC control technology is applied to solve the scale accuracy on cont

3、inuous casting production line, besides cutting quality control and other key technologies are analyzed. The features of the system are as follows: reliable measurement system of scale, saving time of billet subsection, steady and unlagged synchronous running between the flame cutting machine a

4、nd casting blank, the accuracy of rapid return to the grass root and application of the programmable logic controller as control unit for a new type of flame cutting machine control system. Siemens S7-200 is chosen as the programmable logic controller in this paper and makes design of hardware and s

5、oftware. PLC is control unit of flame cutting machine, with which the operator send signals to the control system. In addition, it would also collect the signals of flame cutting machines and other types of switches, as well as the work status, etc.The practice has proved that the design of the cast

6、 slab flame cutting system based on Siemens PLC software and hardware flame to be a successful, with simple structure, good performance which lay a solid foundation for the future development of a similar system.Keywords Programmable logic controller Cast slab flame cutting machine Fixed scale syste

7、m 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 頁 共 頁目 錄1 引言11.1 設計的目的、意義、以及應達到的技術要求11.2 國內(nèi)外的發(fā)展狀況及存在的問題21.3 設計時應注意的問題42 系統(tǒng)分析52.1 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)總體結(jié)構分析52.2 電控系統(tǒng)分析73 低壓電氣選擇83.1 磁閥的選型83.2 接觸器的選型93.3 按鈕的選型103.4 轉(zhuǎn)換開關的選型113.3 接近開關的選型114 基于西門子PLC鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)硬件設計134.1 鑄坯火焰切割系統(tǒng)PLC選擇與設計134.2 紅外定尺技術簡介164.3 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)PLC I/O接線圖設計174.4 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)電氣

8、原理圖設計175 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)軟件設計195.1 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)控制要求195.2 所用指令介紹195.3 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)PLC I/O地址分配215.4 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)控制流程圖設計215.5 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)PLC控制程序設計23結(jié)束語32致謝33參考文獻34附錄35附錄1 I/O硬件接線圖35附錄2 西門子PLC CPU226 I/O分配表36 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 39 頁 共 36 頁1 引言1.1 設計的目的、意義、以及應達到的技術要求1.1.1 設計的目的及意義 隨著科學技術的發(fā)展進步，鋼鐵連鑄生產(chǎn)迅猛增長，國內(nèi)大部分鋼廠已實現(xiàn)全連鑄工序。

9、傳統(tǒng)的連鑄坯切割方法通常都是采用機械剪切法。因使用剪切機進行連鑄坯切割一次性設備投資大，使用成本高，設備故障率高給修費用大，而且被切斷的鑄坯斷面易產(chǎn)生變形，所以近年來國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)開始采用火焰切割連鑄坯。新型的火焰切割技術不僅可以降低設備投資、減少使用成本，還可以提高鑄坯斷面質(zhì)量，有利于二次加工。 上世紀60年代之前，邏輯控制電路都是采用計數(shù)器、繼電器等部件，也就是實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全自動控制的設備大多是以繼電器為核心元件的順序控制器。復雜的系統(tǒng)必須采用數(shù)千個不同樣式的繼電器，同時才用數(shù)千根導線按布線邏輯接連起來，完成相應的控制目的，但控制柜價格昂貴、體積巨大。那時這種控制器在生產(chǎn)實際中得到了廣泛

10、的應用。因為采用布線邏輯來實現(xiàn)各種控制，需要使用很多的機械觸點，一旦某個繼電器的任意一個觸點接觸不良便會影響系統(tǒng)正常的工作。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，進行排障、檢查也相當困難。一臺較復雜的控制柜內(nèi)部接線、安裝工作量很大，當工藝規(guī)程改變時，控制柜里的全部接線和元件都需要改變，這就會浪費大量的時間、物力和人力。因而這本身原有的缺點很大地限制了其應用范圍。隨著科學技術的進步和生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，迫切需要取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，能夠使得電氣控制系統(tǒng)工作更加安全可靠、更加容易維修、更加能與常常變動的工藝條件相適應?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）它是一種數(shù)字操作運算電子系統(tǒng)，是為了工業(yè)應用而專門設計的。其應用了可編程序

11、存儲器，以用來在它的內(nèi)部存儲所需要執(zhí)行邏輯運算、定時、順序控制、算術和計數(shù)運算等等操作的指令，同時通過模擬式和數(shù)字式的輸入和輸出方式，從而控制各種類型設備的工作過程?？删幊绦蚩刂破骱屯鈬南嚓P設備，都很容易和工業(yè)系統(tǒng)集成為一個整體，并且是按容易擴充其功能的設計原則進行設計的1。PLC應用于工業(yè)現(xiàn)場，然而工業(yè)生產(chǎn)要求非常高的控制設備可靠性，因為需要努力避免控制設備發(fā)生故障而造成損失和事故。所以，為了適應運用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，PLC需具有以下特點： （1）抗干擾能力較強，可靠性較高。PLC使用了相當多的軟件、硬件抗干擾的措施，提高了它無故障工作的平均時間。硬件措施：對CPU、電源等部件進行屏蔽，對

12、輸入線路和供電系統(tǒng)采用各種形式的濾波，以此來防止外界對其的干擾。在I/O電路和CPU中間使用光電隔離方法，來減少誤動作及故障。軟件措施:故障檢測系統(tǒng)定時檢測外界環(huán)境（強干擾、欠電壓和掉電等），如果發(fā)生故障立刻將狀態(tài)數(shù)據(jù)存入存儲器，等故障消除后恢復其原來的工作狀態(tài)。（2）控制程序可變，具有較好的柔性。在生產(chǎn)線設備更新或者生產(chǎn)工藝流程變化的狀況下，不需要改變PLC的硬件設備，僅僅需要改變程序便可以滿足要求。（3）擴充方便，體積小，功能完備，組合靈活。根據(jù)以上PLC的這些特點，開始時使用PLC取代之前的繼電器控制線路，這樣不但提高了產(chǎn)品的檔次，縮短了研制周期，同時也給調(diào)試和維修帶來了方便2。1.1.

13、2 設計應達到的技術要求連禱方坯火焰切割機是煉鋼行業(yè)方坯連鑄生產(chǎn)線中的配套設備，用它能夠?qū)⑦B續(xù)的熱鑄坯切割為一定尺寸的坯段。因為連鑄火焰切割機要求在高溫下能長時間不停地運行，因而要求其具有良好的可維護性和很高的可靠性。故本次設計中，在消化引進設備和歸納總結(jié)國內(nèi)同類產(chǎn)品的基礎上，結(jié)合一些生產(chǎn)數(shù)控切割機的經(jīng)驗，針對連鑄方坯切割的特點設計連鑄方坯火焰切割機，并實現(xiàn)了如下整體技術指標：（1）先進的工藝：切割中火焰集中，切割速度快；切割斷面光潔，上緣不塌邊，下緣掛渣少，成材率高；可實現(xiàn)自動化，切割與連鑄拉速相匹配，無滯后現(xiàn)象。 （2）快速返回原點定位誤差較小，返回速度較快。 （3）運動平穩(wěn)、切割速度保持

14、不變。 （4）定尺測量系統(tǒng)工作可靠，綜合定尺精度較高。 （5）節(jié)省鋼材，割縫寬度較小，割縫平齊無塌邊現(xiàn)象。 （6）性能安全，切割中自動斷火與點火，不回火、不爆鳴。 （7）不影響生產(chǎn)，切割中可隨時輕松更換割槍，割嘴，確保生產(chǎn)正常進行。1.2 國內(nèi)外的發(fā)展狀況及存在的問題 我國的切割技術長期落后與其他國家，然而近些年來有了快速發(fā)展。相關企業(yè)包括生產(chǎn)切割器械的企業(yè)在內(nèi)，已經(jīng)研制以及開發(fā)了多種半、全自動切割器械。國外的很多著名切割機制造企業(yè)，如美國捷銳、德國伊薩、日本田中和梅塞爾等公司，也在中國投資建廠。各企業(yè)大量運用各種半、自動切割機進行多種直線、曲線和成形切割，收到了較好的效果，將切割技術推向了嶄

15、新的階段3。切割機可分為火焰切割機、激光切割機、等離子切割機、石材切割機、水切割機、相貫線切割機、數(shù)控切割機、海綿切割機等。這其中激光切割機的切割質(zhì)量最好、效率快。等離子切割機切割的速度也非?？?，但切割效果不如激光切割機?；鹧媲懈顧C主要運用于厚度比較大的碳鋼材質(zhì)的切割。相貫線切割機運用于切割鋼管。比較切割機成本：激光切割機的價格最高，同時效率和精度也是最高的一種高科技含量的切割設備，水刀切割機相比稍差，火焰切割機以及等離子切割機相對更差些，但它們成本也是相對較低的。金屬切割機前景：對與切割機目前來看等離子切割機和數(shù)控火焰切割機占有著較大部分的用戶，但就發(fā)展趨勢來說激光切割、水切割很可能會取代前

16、者，成為主要使用的切割機，因為其不僅切割速度快、環(huán)保，切割質(zhì)量也好！然而氣體火焰切割卻是最早、最普遍采用的切割方法。最近幾年，在以乙炔為基礎燃氣中，已經(jīng)開發(fā)出天然氣、煤氣、丙烷氣、液化石油氣以及各種新型燃氣，同時依據(jù)每種氣體的各自特性研制出了專門的切割機，為多樣化的開發(fā)燃氣能源提供了寬闊的前景?；鹧媲懈畛３门c鋼板的粗加工，它的金屬切割厚度從1mm1m，然而當在切割低碳鋼鋼板的厚度小于20mm時，需要運用別的切割方法。利用氧化鐵燃燒過程中產(chǎn)生的高溫來切割碳鋼是火焰切割的原理，設計火焰割炬能夠為燃燒氧化鐵供應充足的氧氣，來保證得到很好的切割效果。 火焰切割設備的價格便宜同時也是切割厚金屬板料最

17、便宜有效的方式，然而在切割薄板方面有缺陷。之前火焰切割自動控制系統(tǒng)都是采用信號傳感器進行控制，具有理論上簡單可行的系統(tǒng)原理，卻因為切割環(huán)境的溫度太高，導致在此系統(tǒng)中起重要作用的信號傳感器故障率非常高，定尺精度較低，直接影響了切割系統(tǒng)的正常工作。系統(tǒng)的主要缺點：故障很容易發(fā)生在信號傳感器的高溫區(qū)，操作維護很不方便；電纜故障率很高，設備維護困難；操作時工人勞動強度很大。另外因為火焰切割的熱影響區(qū)面積很大,熱變形較大，為了保證切割能夠精確有效，操作人員就需要擁有很高的技術才可以在切割過程中第一時間避免金屬板的熱變形。以前鋼坯切割燃氣消耗多、切割斷面粗糙、切割割縫大、氧氣壓力高、噪音大、工廠粉塵多、割

18、炬損壞多、工人勞動強度大、環(huán)境污染嚴重等弊端。因而，為減輕工人的勞動強度，減少機具的損壞，提高系統(tǒng)的可靠性，便需要對此系統(tǒng)進行相應的改造4。1.3 設計時應注意的問題鑄坯火焰切割系統(tǒng)主要由介質(zhì)控制、電氣控制、定尺系統(tǒng)、PLC控制單元等構成。在切割時，通過定尺裝置發(fā)送的信號來控制夾緊氣缸的運動，使的夾鉗夾緊鑄坯，同時使得切割小車和鑄坯一起運行，固定在切割臂上的切割槍沿著鑄坯垂直方向進行既定長度的自動切割，一次切割完成后由液壓缸將切割小車頂回初始位置，準備進行下次切割。根據(jù)火焰切割的工藝流程在設計時應該注意以下問題：（1）確保全部鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)可以反應靈敏，穩(wěn)定工作。（2）此鑄坯火焰自動切割

19、系統(tǒng)需要設置手動和自動兩種操作方式，當自動方式出現(xiàn)故障時，可以通過手動操作來完成未完成的工作。（3）定尺系統(tǒng)是否工作可靠，能否準確定位。（4）割炬電機和其輥道電機需要進行過載保護，避免燒壞電機。（5）鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)安裝運行了一段時間以后，應當控制避免出現(xiàn)不能剪切或者切不斷的現(xiàn)象，設法降低人工操作的工作強度。（6）設計中更應該注重其性能是否安全。2 系統(tǒng)設計2.1 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)總體結(jié)構設計2.1.1 鑄坯火焰切割系統(tǒng)控制方案的選擇在上世紀80年代后期，很多火焰切割機是使用繼電器控制線路來完成工藝流程的監(jiān)控管理?？刂圃O備系統(tǒng)占地大，通常兩把火焰割炬的控制箱內(nèi)有接近50個繼電器，因此帶

20、來接線復雜，調(diào)試和維修困難，故障率很高，假如增加或變換程序，從研發(fā)、調(diào)試到上流水線操作，工作量很大，耗時也長。所以，之后相關專家就開始研用PLC代替之前的繼電器控制線路，這不僅縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，而且優(yōu)化了產(chǎn)品的性能，給調(diào)試和維修工作帶來了便捷。與繼電器控制線路有寫相似之處，PLC同樣由輸入、輸出和邏輯部分組成，通過使用選擇開關、外部按鈕等將控制信息傳達到PLC中，通過邏輯運算，輸出相應的控制命令來完成對電磁閥、指示燈和電機等部件的控制。我此次所設計的切割機是由一臺主機和一組擴展模塊組成的，它的輸入/輸出接口在50點上下。因為小型PLC價格便宜，編程簡單，調(diào)試也很方便，最后的設計達到了比較好的

21、效果。它的工作主要是通過接收選擇開關、外部按鈕、傳感器信號以及其它輔助功能信號的輸入，經(jīng)過相應的邏輯運算，達到對外部執(zhí)行部件的操作和控制要求。PLC程序使用的是模塊化設計，因此，根據(jù)所設置的工作對象的差別，將各個小程序分成小的模塊，故任何一小程序是能夠進行獨自的調(diào)試，在調(diào)試結(jié)束確認無錯誤后，就可以將程序連接起來，按照工藝流程的要求來控制5，6。2.1.2 系統(tǒng)總體目標 本次設計的切割機是鋼鐵領域鑄坯連鑄切割系統(tǒng)的一部分，其主要任務是將剛鑄造出來的鑄坯按照規(guī)定要求切割精度完成切割。但此連鑄火焰切割機要在高溫的環(huán)境作不停地切割，故要求它要有很高的工作穩(wěn)定可靠性。此次完成設計的總體任務為： （1）鑄

22、坯和切割機同步運行，平穩(wěn)，可靠，無滯后現(xiàn)象。 （2）在自動狀態(tài)下，火焰切割設備能夠按定尺標準自動完成對鑄坯的切割。在手動狀態(tài)下，完成對非定尺鑄坯等復雜鑄坯的切割。 （3）系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，提高測長準確度，穩(wěn)定性，提高成材率，并且具有控制功能強，操作方式靈活多樣的優(yōu)點。2.1.3 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)的結(jié)構與組成 該設計選用火焰切割機，在引進產(chǎn)品的基礎上，結(jié)合新的工藝要求設計研制的新一代基于計算機技術，集PLC和自動控制原理為一體的機電一體化產(chǎn)品。主要結(jié)構及工作原理如圖2.1所示：圖2.1 火焰切割系統(tǒng)結(jié)構示意圖 （1）車架：以液壓為動力可橫向移動式結(jié)構，是切割機的主要承載結(jié)構件。 （2）割槍小

23、車：由小車架，割槍小車傳動裝置，平行輥道，割槍夾持器等組成。 （3）切割機配管系統(tǒng)：包括車間氧氣，乙炔燃氣和冷卻水管道供應的上述介質(zhì)經(jīng)切割機大拖鏈上軟管引入切割機。 （4）切割割炬的行程控制裝置：割炬小車原位及割炬切割跟蹤。在切割小車傳動裝置的電機輸出軸上裝有一個光電編碼器，用來對割炬小車的行程跟蹤計數(shù)，在小車的行程的極限位裝有兩個接近開關來確定小車的原位和前進限位。 （5）切割機傳動控制：割炬小車傳動裝置由液壓缸帶動回原位。 （6）能源介質(zhì)控制箱及火焰調(diào)節(jié)：對切割機上除水以外的能源介質(zhì)的壓力，開閉等進行控制。氧氣，燃氣等介質(zhì)由拖鏈上的軟管送入能源介質(zhì)控制箱，經(jīng)過濾，分路，減壓至設定壓力值后，

24、通過電磁閥控制輸送至各使用點7。中大型火焰切割機如圖2.2所示：圖2.2 中大型火焰切割機2.1.4 工藝流程與工藝要求 工藝流程：當鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)獲得定尺信號時，夾緊缸的電磁閥得電，夾緊缸開始動作，夾緊缸夾緊鑄坯，割炬小車在鑄坯的帶動下和鑄坯一塊運動。繼夾緊缸得電后，延時2S，控制乙炔的電磁閥得電，即乙炔管道打開，再延時2S后，控制預熱氧的電磁閥得電，氧氣槍點火開始對鑄坯進行預熱，再延時4S后，切割氧電磁閥得電，與此同時控制割炬電機繼電器得電，割炬電機開始正轉(zhuǎn)，火焰開始切割鑄坯。當切割完信號發(fā)出時，割炬電機停止轉(zhuǎn)動，控制切割氧電磁閥失電，延時2S后，預熱氧電磁閥失電，再延時2S后，預熱

25、乙炔電磁閥失電，火焰熄滅。再延時4S夾緊缸電磁閥失電，夾緊缸松開鑄坯。鑄坯繼續(xù)運動，然后返回缸電磁閥與割炬電機反轉(zhuǎn)繼電器同時得電，割炬小車在液壓缸的帶動下，小車返回，在觸到小車原位的限位開關時，返回缸電磁閥失電，小車回到原位，停止運動。當割炬電機回到割炬原位時，控制割炬電機繼電器失電，電機停止運動。當切割完畢信號發(fā)出時，1、2、3輥道電機開始正轉(zhuǎn)，切斷的那段鑄坯繼續(xù)向后傳輸，當經(jīng)過30S后，1、2輥道電機停止轉(zhuǎn)動，再經(jīng)過4S后3輥道電機停止轉(zhuǎn)動。以上部分便是火焰自動切割整個過程。針對這工藝流程的特點，我們主要研究并設計了控制系統(tǒng)的以下內(nèi)容： （1）火焰切割機的切割工藝在方形鑄坯鋼上的應用，一方

26、面是方形鋼外形路線控制問題，另一方面包括鋼坯的外形尺寸、鋼坯隨溫度的變化而發(fā)生的不同程度膨脹尺寸在程序中的實際設計。（2）利用西門子S7-200軟件的程序模塊，不僅完成了切割和保護等功能，同時又更好的解決了時序控制的問題。 （3）在操作臺外部電氣部件的電路設計和現(xiàn)場布置中，應盡量考慮現(xiàn)場環(huán)境因素，從操作的合理性、功能的完善以及在出現(xiàn)故障的情況的操作都作了相應的設計8。 2.2 電氣控制系統(tǒng)的設計 此次電氣控制系統(tǒng)的設計考慮到的地方有：（1）在系統(tǒng)保護方面，為了能較更好的保護設施，控制系統(tǒng)中所有電源都由操作臺上“電源開”控制得電；在維修或者較很長時間停工的條件下，由“電源關”斷開接觸器。在本次設

27、計安置有一個急停按鈕，確保在出現(xiàn)緊急情況下對設備的立即停止，它是不受PLC控制的，而是一種機械互鎖。（2）若出現(xiàn)超程現(xiàn)象，則設計的系統(tǒng)必須安裝有保護措施。所以考慮到這點，本次設計使用了接近開關，通過限位信號來控制小車的動作。（3）此次的操作中設計了兩種工作方式有：自動和手動方式。正常情況下，選擇自動方式就可以了，而手動方式是在現(xiàn)場出現(xiàn)異常情況下采用的，它具有現(xiàn)場操作的靈活性，時但不執(zhí)行的，對工人操作水平的要求相對較高。3 低壓電氣選擇3.1 電磁閥的選型 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)設計過程中，需要對燃氣管道時刻進行打開與關閉，如預熱乙炔管，預熱氧管及切割氧管的打開與關閉。該系統(tǒng)中采用液壓為動力實行對

28、鑄坯的夾緊與松開，通過液壓缸帶動割炬小車返回原位。這都需要采用電磁換向閥以實現(xiàn)自動控制。 電磁閥的結(jié)構原理：電磁閥的結(jié)構并不復雜，它由兩個基本功能單元組成：一是電磁線圈和磁芯，另一是滑閥，即包含數(shù)個孔的閥體。電磁線圈得電或失電時，磁芯的運動導致工質(zhì)流體通過閥體或被切斷。    上述用來在工藝管道中直接通斷的作為特定執(zhí)行器的電磁閥，電磁線圈得電時，磁芯直接開啟常閉閥的孔或關閉常開閥的孔，閥門能在其最大額定壓力內(nèi)開啟或關閉。而上述用來在氣動、液動執(zhí)行器充當執(zhí)行元件的電磁閥，則要借助動力源（如：壓縮空氣、有壓頭的水或油等液體）來操作電磁閥上的先導孔和旁通孔。電磁線圈得電

29、時，磁芯開啟先導孔，通過閥的出口消除膜片或活塞頂部的壓力，且將其推離主孔，閥門得以開啟。電磁線圈失電時，先導孔關閉，動力源的壓頭通過旁通孔作用于膜片或活塞頂部而產(chǎn)生閥座力，閥門得以關閉。因為受這些執(zhí)行機構控制的工藝閥門一般口徑都較大，要求執(zhí)行機構接受動力源的壓頭也大，則傳遞動力源的電磁閥的尺寸及工質(zhì)流體壓力勢必也要大，只有將電磁線圈做大才足以開啟電磁閥來傳遞執(zhí)行機構所需的動力源。為了解決這一矛盾，保持電磁線圈的小尺寸，就不再使用磁芯直接啟閉閥體孔的直接操作的（直動式）電磁閥，而改用磁芯啟閉先導孔的導向操作的電磁閥。電磁閥的選型：該火焰自動切割系統(tǒng)中屬于小型自動控制設備，氣管一般選用812mm的

30、工業(yè)膠氣管。該電磁閥功能是負責接通與斷開預熱乙炔、預熱氧以及切割氧各個管道，確保各氣體按照命令執(zhí)行。按照本次設計的工藝要求，擬選擇兩位三通的常閉電磁閥，它的線圈電壓等級一般是采用DC24V、AC220V。兩位三通電磁閥又分為常開和常閉兩種類型，常開型：線圈沒電時氣路是斷開的，常閉型：線圈沒電時氣路是接通的。 常閉型兩位三通電磁閥的工作原理：當線圈得電時，氣路斷開；當線圈斷電時，氣路接通，即所謂的“點動”。 常開型兩位三通單電控電磁閥的工作原理：當線圈通電時，氣路接通；當線圈斷電時，氣路斷開，也是所謂的“點動”。 液壓電磁閥在油路系統(tǒng)用來實現(xiàn)對液流方向的改變或液路的通斷，它里面安裝有能夠在線圈磁

31、動力作用下滑動的閥芯，閥芯處在不同的位置，由此通路的工作也就是不同的。閥芯有幾個工作位置，就稱幾位電磁閥，閥體上有幾個接口，就是電磁閥的通路數(shù)，就稱幾通電磁閥。 電磁閥安裝后，一般所有接口都應該是連接好了的，所謂工作位置指的是閥芯的位置。閥芯在線圈不通電時處在甲位置，在線圈通電時處在乙位置，閥芯在不同位置時，對各接口起到或接通或封閉的作用9,10。 綜上所述，各個氣體管道電磁閥所選電磁閥型號為：ZCM，其口徑為：DN15-DN300，壓力范圍為：1.6MPa-6.4MPa，其材質(zhì)為：鑄鐵，鑄鋼，不銹鋼。所用電磁閥如圖3.1所示：圖3.1 氣體管道電磁閥 液壓系統(tǒng)所選液壓電磁閥型號為：ZBSF，

32、其口徑為：DN15-DN300，壓力為：4MPa，材質(zhì)為：不銹鋼。所用電磁閥如圖3.2所示：圖3.2 液壓電磁閥3.2 接觸器的選型 該鑄坯火焰切割系統(tǒng)中，割炬電機的正反轉(zhuǎn)，輥道電機的正轉(zhuǎn)與停止都需要用接觸器以實現(xiàn)自動控制。 接觸器工作原理：接觸器的電磁線圈得電后，能夠產(chǎn)生非常強的磁場，使靜鐵心產(chǎn)生電磁吸力吸引銜鐵，從而使常開觸頭閉合，常閉觸頭斷開，這兩者通常是一起動作的。當線圈斷電后，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，觸頭恢復到原來位置，使得常開觸頭斷開，常閉觸頭閉合。 一般接觸器可分為兩種類型：交流接觸器，主要有電磁機構、觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置等組成。常用的是CJ10、CJ12C、J12B等系列；直

33、流接觸器，一般用于控制直流電器設備，線圈中通以直流電，直流接觸器的動作原理和結(jié)構基本上與交流接觸器是相同的。它不僅可以應用于以電動機為控制對象，也可以控制電熱器和各種電力機組等電力負載，作為遠距離控制裝置傳送遠距離控制命令。 在該控制系統(tǒng)中，其中割炬電機需要頻繁啟動，而輥道電機任務較重，經(jīng)常進行啟動和制動，故所選交流接觸器型號為CJ12。3.3 按鈕的選型 該鑄坯火焰切割系統(tǒng)中，包含一些手動操作與自動操作，必然需要一些按鈕，以實現(xiàn)各電器功能。如系統(tǒng)的啟動與停止，電磁閥的開啟與關閉，接觸器的接通與斷開等。通過選擇不同規(guī)格的按鈕，包括不同的形狀，如方形，矩形，圓形；包括不同種顏色，如綠色，紅色等。

34、 按鈕是一種簡單的電器元件，不直接控制主電路，而在控制主電路時發(fā)出手動控制信號，其結(jié)構原理如圖3.3所示：由按鈕帽、復位彈簧、橋式觸頭和外殼組成。圖3.3 按鈕的結(jié)構原理圖及符號 規(guī)格: 產(chǎn)品前框形狀有圓形（18mm）、方形（18mm×18mm）、矩形（18mm×24mm）三種規(guī)格，包含信號燈、按鈕，其常規(guī)安裝孔徑為16mm。 性能：具有性能穩(wěn)定、接觸電阻小、絕緣性強、耐振動耐沖擊等特點；符合IEC60947-5-1、GB14048.5等標準。所用按鈕如圖3.4，3.5所示，其展示及說明如下： 圖3.4 用于開啟的按鈕 圖3.5 用于停止的按鈕圖3.4為用于所有開啟的按鈕，

35、如自動、手動、夾緊、返回切割車、開預熱乙炔、開預熱氧、開切割炬等。圖3.5按鈕是用于所有停止的按鈕，如松開按鈕、停切割車、關預熱乙炔、關預熱氧、關切割炬等。3.4 轉(zhuǎn)換開關的選型 該火焰自動切割系統(tǒng)既可以實現(xiàn)自動運行也可以手動操作，如何在手動與自動之間進行選擇，需要選用轉(zhuǎn)換開關。本設計中采用斯達森SAT18L系列普通型雙電源自動轉(zhuǎn)換開關，它是一種用于雙路低壓供電的自動轉(zhuǎn)換開關, 該產(chǎn)品集成了手動轉(zhuǎn)換開關、微型電機、精密傳動機構以及電子控制器, 可以電動或手動（帶負荷）切換, 能夠完成自動檢測、投入、恢復、啟停備用發(fā)電機等功能。 斯達森SAT18L系列普通型智能轉(zhuǎn)換開關系列具有如下功能特點：（1

36、）具有三個開關位置：供電I、關斷0、供電II，可靠的機械“0”位置, 確保供電安全。（2）內(nèi)置控制器, 可以實現(xiàn)自動投入、自動恢復功能。（3）可以采用斯達森STC 18A系列雙電源轉(zhuǎn)換控制器來控制，實現(xiàn)自動檢測、投入、恢復、啟停備用發(fā)電機、遠程測控等功能。（4）開關系統(tǒng)自身用電，取自被控的二路供電，只要任意一路有電開關就正常工作。3.5 接近開關的選型 該鑄坯火焰切割系統(tǒng)中，割炬電機切割完畢，割炬電機回原位及切割小車回原位都需要對其進行限位，防止其超出行程而發(fā)生事故。故需要在這些極限位置設置接近開關，以保障正常運行。 一般的接近開關的工作原理：當某物和接近開關接近并達到限定的距離時，此接近開關

37、會發(fā)出控制信號，接近開關相當于一個報警的提示開關，確保整個操作工作穩(wěn)定安全。 就電感式接近開關工作原理來說，其接近開關大致可由三個組成部件，他們是開關電路、振蕩器，還有一個放大輸出電路。振蕩器的作用是產(chǎn)生一個交變磁場，當目標金屬接近磁場附近并達到相應感應的距離后，就會在金屬目標物附近產(chǎn)生渦流，致使振蕩信號衰減，直到振蕩信號停振。當振蕩器振蕩和停振的相應經(jīng)過后級放大電路調(diào)制解調(diào)處理，由此轉(zhuǎn)換成開關信號后，觸發(fā)相應的驅(qū)動控制，從而達到了對非接觸物的檢測。根據(jù)本設計的具體要求，所選接近開關型號為DC3線NPN常閉輸出 BB-M803N-V21P2。其相關技術參數(shù)為：外徑尺寸8mm，放大器內(nèi)藏型，直流

38、三線，檢測距離是普通產(chǎn)品檢測距離的3倍，齊平式安裝檢測距離3mm，非齊平式安裝檢測距離6mm，出線式連接11,12。4 基于西門子PLC鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)硬件設計4.1 鑄坯火焰切割系統(tǒng)PLC選擇與設計4.1.1 PLC的基本結(jié)構PLC主要是由中央處理單元、輸入、輸出接口以及通信接口等主要單元組成，其中中央處理器是PLC的大腦，I/O部件是用于連接CPU與現(xiàn)場外設之間的接口電路，而通信接口則是用來連接與上位機和編程器的。通常情況下，對于整體式PLC，所有部件都統(tǒng)一安置在機殼內(nèi)；而對于模塊式PLC而言，各功能部件是獨立密封裝配的，這樣的被叫做模塊，各個模塊又通過總線連接，安裝在導軌或者機架上1

39、3,14。（1）中央處理單元CPU通過輸入設備讀入外設當前所處的狀態(tài)，經(jīng)過用戶程序去執(zhí)行，執(zhí)行完之后再通過輸出裝置輸出控制信號完成對外設的控制。（2）輸入/輸出接口輸入/輸出單元統(tǒng)一叫做I/O接口。PLC通過I/O接口能夠查出被控制的對象及其生產(chǎn)過程當中的各種實時參數(shù)，通過這些參數(shù)來作為PLC對被控制對象進行各種操作命令的信息依據(jù)。同時PLC又通過I/O接口將處理的結(jié)果送給被控設備或工業(yè)生產(chǎn)過程，以實現(xiàn)控制。（3）存儲器存儲器主要的任務顧名思義就是存放系統(tǒng)程序、用戶程序以及操作中需要保存的一些重要信息。存儲器一般可以分為動態(tài)PROM，EPROM，EEPROM以及靜態(tài)RAM。（4）編程裝置和編程

40、軟件PLC是以順序執(zhí)行存儲器中的程序來完成其控制功能的。（5）電源部件。4.1.2 PLC工作原理PLC的工作原理是建立在計算機工作原理基礎上的，是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。CPU以分時操作方式來處理各項任務，計算機在每一總線周期內(nèi)只能做一件事情，所以程序的執(zhí)行是按照程序順序依次來完成相應各電器的動作，就好像為時間上的順序執(zhí)行一樣。通常來說，PLC的工作方式的特點就是一個不斷實現(xiàn)內(nèi)容上的循環(huán)的順序掃描工作方式，一次掃描所用的時間被稱之為掃描周期。CPU從程序的首條指令開始，便順序逐一地執(zhí)行用戶程序指令直至程序結(jié)束，最后返回首條指令再次重復上一輪的掃描工作。PLC工作的整個過程大致

41、分為三個過程：第一個過程為上電處理。機器完成上電后首先對系統(tǒng)進行一次初始化操作，初始化的操作可分為硬件的初始化，I/O模塊配置的核查，停電保持范圍的設定等等。第二個過程就是掃描過程了。在掃描工作過程中，首先完成的時輸入處理，接著需要完成的就是與其它外部接口部件的通信處理，然后就得進行時鐘和特殊寄存器的刷新。若CPU處在STOP模式下，轉(zhuǎn)而執(zhí)行自診斷審查的操作工作；若CPU處在RUN模式下，需先處理好用戶程序的執(zhí)行和輸出操作，然后去執(zhí)行自診斷審查。最后一個工作過程就是出錯處理。PLC每次的掃描工作，程序都需要執(zhí)行一次自診斷審查工作，從而驗證PLC當前的工作是否正常。如果發(fā)展異常情況，異常繼電器和

42、CPU面板上的小燈自動接通，從而在特殊寄存器中會顯示出出錯代碼。在出現(xiàn)致命錯誤的情況下，CPU被迫改成STOP模式，此時所有的有的掃描工作就停止了15。PLC具體工作過程分為三個階段：輸入采樣階段，程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。4.1.3 PLC的選型隨著PLC系統(tǒng)的發(fā)展與改進，PLC產(chǎn)品的品種越來越多，功能也越來越強大。如今，我國從美國、德國、日本等發(fā)達國家引進的PLC一系列產(chǎn)的品及國內(nèi)自主研發(fā)出的產(chǎn)品品種已有數(shù)十個系列、近百種類型。根據(jù)PLC的不同類型型號，它的價格、指令系統(tǒng)、存儲容量、性能、編程方法、結(jié)構型式也是不一樣的，其適用地方同樣需要具體考慮才做出選擇。對于這個行業(yè)來說，研發(fā)者需要做

43、到PLC的機型能夠匹配，而這個主要需要考慮到以下三方面的問題：其一，各個模塊能夠相互備留以便以后使用，只有這樣，對于備品備件的采購和管理才能更加便捷；其二，使用方法和功能必須相似，只有這樣才能有利于技術人員的培訓和PLC整個行業(yè)水平的普遍提升；其三，外部設備也同樣得通用，只有這樣才能實現(xiàn)資源的共享，方便聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)通信，再配上上位計算機后，就可以形成多級分布式的控制系統(tǒng)。故選用西門子S7系列的PLC。SIMATIC S7 系統(tǒng)包括S7-200，S7-300，S7-400。SIMATIC S7-200屬于微型PLC，SIMATIC S7-300屬于較低性能系列，而SIMATIC S7-400屬于高中

44、能系列。針對于本次設計，該系統(tǒng)屬于小型系統(tǒng)，故選用SIMATIC S7-200系列以實現(xiàn)其功能要求。SIMATIC S7-200有5種CPU模塊，分別為：CPU221，CPU222，CPU224，CPU226和CPU226XM。其中CPU221無擴展功能，適合用做小點數(shù)的微型控制器。CPU222有擴展功能，CPU224有較強的控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM適用于復雜的中小型控制系統(tǒng)，我最終選擇了CPU226 CN AC/DC/繼電器，其技術參數(shù)如表4.1所示： 表4.1 CPU226模塊的主要技術參數(shù) 特性 CPU226 CN AC/DC/繼電器 本機數(shù)字I/O 24入/16

45、出 最大數(shù)字量輸入/輸出 256入/256出 最大模擬量輸入/輸出 32入/32出 擴展模塊 7個 數(shù)字量I/O映像區(qū) 256 模擬量I/O映像區(qū) 32AI/32AO 超級電容數(shù)據(jù)后背典型時間 190h 內(nèi)置高數(shù)計數(shù)器 有 高速脈沖輸出 6個（每個30kHZ） 模擬量調(diào)節(jié)電位器 2個8位分辨率 輸入額定電壓 24V DC 輸出額定電壓 24V DC或230V AC 輸出每點最大額定電流 10A 為了滿足不同的控制要求，節(jié)約投資費用，還可以選用不同的I/O點數(shù)的數(shù)字量擴展模塊。除CPU221外，其他CPU模塊均可配多個擴展模塊，連接CPU模塊放在最左側(cè)。擴展模塊用扁平電纜與左側(cè)模塊相連。 本設計

46、中，鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)有輸入信號31個，輸出信號18個。其中，外部輸入元件包括：檢測元件、按鈕、輸入、輸出，急停、限位開關，熱繼電器等；輸出有三個三相異步電機，一個三相異步電機的正反轉(zhuǎn)，故障報警器和指示燈等。按照上述配置，故所選I/O點不得低于49點。由于均為數(shù)字量輸入，故所選型號應為：SIMATIC S7-200 CPU226 CN AC/DC/繼電器和一個數(shù)字量擴展模塊EM223 24V DC輸入。其中CPU226的數(shù)字量I/O為24入/16出，EM223為8輸入8輸出點的數(shù)字量輸入模塊16。 本設計根據(jù)I/O的信號數(shù)量，類型及控制要求，同時考慮到維護和保養(yǎng)，改造和經(jīng)濟等諸多因素，可編程

47、控制器擬選用SIMATIC S7-200 CPU226和一個數(shù)字量擴展模塊EM223 24V DC 8輸入/8繼電器輸出。數(shù)字量擴展模塊的型號如表4.2所示：表4.2 數(shù)字量擴展模塊4.2 紅外定尺技術簡介 為解決本次的火焰自動切割系統(tǒng)的定尺精度問題中我采用的是紅外攝像定尺技術。所謂的紅外攝像定尺測控系統(tǒng)是利用紅外攝像機作為傳感器，采用了計算機控制和圖像掃描措施，通過這個設計理論不僅能夠提高連鑄坯的定尺精度的測量，而且還較好的控制了切割操作，從而為鋼鐵企業(yè)在連鑄生產(chǎn)向更加節(jié)省鋼材、提高收益的發(fā)展法相提供了一種比較行之有效的技術方法。在這個系統(tǒng)中，包括有軟件和硬件兩個部分。其中硬件部分包括：工業(yè)

48、控制機，專用機柜，紅外攝像機，穩(wěn)壓電源以及屏蔽控制線等設備。而軟件部分包括：紅外攝像連鑄坯定尺測控系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)庫查詢和動態(tài)存儲軟件，WinCC（與PLC或上位機聯(lián)網(wǎng)時需要），XP或Vista操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡處理和通訊傳輸軟件。 紅外攝像機定尺測量的工作原理：紅外攝像定尺系統(tǒng)是通過攝像機作為傳感器，以圖像處理技術為主要依據(jù)進行測量，完成切割控制操作。它的結(jié)構圖如圖4.1所示：圖4.1 紅外攝像定尺系統(tǒng)結(jié)框圖 紅外攝像機是安裝在現(xiàn)場的特定地方，需在現(xiàn)場先標定掃描初始位置，然后根據(jù)相關的工藝要求標定切割長度的最終地方，此切割的長度是由攝像機掃描進入計算機的，通過在紅外攝像定尺測控系統(tǒng)的軟件中標定出來

49、。當鑄坯到達攝像視場內(nèi)時，紅外攝像測控系統(tǒng)由于使用了高分辨率的攝像機以及特定圖像掃描模塊，依據(jù)鑄坯的光譜特性，整個系統(tǒng)使用了基于大腦神經(jīng)網(wǎng)絡識別算法，在掃描的圖像中搜集鑄坯的加工信息，隨著坯頭一起運動。當達到鑄坯運動到切割長度位置時，紅外攝像定尺系統(tǒng)會發(fā)出相應信號通過I/O控制卡命令切割機來控制切割系統(tǒng)動作。當切割完畢后，自動切割系統(tǒng)的火焰切割機會重新自動回到初始位置，等待下一次的切割信號的發(fā)出。紅外攝像機具有固定的視場范圍，它以20幀左右每秒的速度采集視場范圍內(nèi)的圖像信息，將掃描到的圖像傳輸?shù)接嬎銠C中進行相應的處理：首先將掃描到的圖像信息化為768 × 576的點陣圖像，每點相當于

50、一個像素，每一個像素就相當于現(xiàn)場的一塊小空間，具體數(shù)值可通過比例來調(diào)節(jié)。鑄坯頭就是下圖視場中的P點時，在這里，鑄坯有一個設定的切割長度L。所以只要通過準確識別鑄坯的頭和尾，并提取出位置信息像素點和與之相對應的實際位置)，就可以實現(xiàn)鑄坯定尺精度的控制與切割17。圖像采集工作原理如圖4.2所示：圖4.2 圖像采集與數(shù)字化4.3 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)PLC的I/O接線圖設計（見附錄A）4.4 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)電氣原理圖設計 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)電氣元件包括4臺電動機，5個接觸器，5個熔斷器，4個熱繼電器，4個自動空氣斷路器。該電氣系統(tǒng)特點：（1）采用熔斷器，實現(xiàn)了短路保護，防止電動機突然流過短路

51、電流而引起電動機繞組及機械上的嚴重損害；（2）采用自動空氣斷路器，不僅能實現(xiàn)短路保護，還可以實現(xiàn)長期過載保護、失壓保護；（3）采用熱繼電器，對電機進行長期過載保護。 電氣圖中共用了5個接觸器，控制四臺電動機的轉(zhuǎn)動與停止。其中要求割炬電機能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，輥道電機可以正轉(zhuǎn)。圖中由接觸器KM1控制割炬電機的正轉(zhuǎn)與停轉(zhuǎn)，接觸器KM5控制割炬電機的反轉(zhuǎn)與停轉(zhuǎn)；接觸器KM2、KM3、KM4分別控制1、2、3道電機的正轉(zhuǎn)與停轉(zhuǎn)。本設計的電氣原理圖如圖4.3所示：圖4.3 電氣原理圖5 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)軟件設計5.1 鑄坯火焰自動切割系統(tǒng)控制要求5.1.1 系統(tǒng)自動控制要求 按下啟動按鈕，啟動指示燈亮，轉(zhuǎn)換

52、開關打到“自動”位，自動指示燈亮，定尺系統(tǒng)發(fā)出定尺信號，夾緊缸電磁閥得電，夾緊鋼坯，切割車與鋼坯同步向前；延時2S后，預熱乙炔電磁閥得電，開啟預熱乙炔；延時2S后，預熱氧電磁閥得電，開啟預熱氧；延時4S后，切割氧電磁閥得電，切割炬電機正轉(zhuǎn)，切割炬車開啟，開始切割；到達割炬切割完畢限位后，接下來動作其一是：1、2、3輥道電機開始正轉(zhuǎn)，30秒后，1、2輥道電機停止正轉(zhuǎn)，再過4S后，3輥道電機停止轉(zhuǎn)動。其二：切割氧電磁閥失電，關閉切割氧；延時2S，預熱氧電磁閥失電，預熱氧關閉；延時2S，預熱乙炔電磁閥失電，預熱乙炔關閉；延時4S后，夾緊缸電磁閥失電，松開鋼坯；最后分兩步進行：回程缸電磁閥得電，切割車返回，未到達小車原位限位，重復上一步，到達小車原位限位，回程缸電磁閥失電，切割小車停止；切割炬電動機反轉(zhuǎn)，切割炬返回，未到達切割炬原位限位，重復上一步，到達割炬原位限位，切割炬電動機停轉(zhuǎn)，切割炬停止，整個循環(huán)工作結(jié)束。5.1.2 系統(tǒng)手動控制要求 按下啟動按鈕，啟動指示燈亮，轉(zhuǎn)換開關打到“手動”位，手動指示燈亮；按下夾緊缸電磁閥得電按鈕，夾緊缸夾緊，鋼坯與切割小車同步向前；按下預熱乙炔電磁閥得電按鈕，預熱乙炔開啟；按下預熱氧電磁閥得電按鈕，預熱氧開啟；按下切割氧電磁閥得電按鈕，切割氧開啟；按下切割炬電動機正轉(zhuǎn)按鈕，切割炬向前開啟；切割完畢后，接下來操作其一是