基于西门子s7-200系列plc结构的自动轧钢机系统论文毕业论文(编辑修改稿)

基于西门子s7-200系列plc结构的自动轧钢机系统论文毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

铝加工设备研制的一个亮点现化工业的发展对材料的精度要求日益提高，产品的高精度就需要设备朝高精度方向发展；出于对产品质量和产量的考虑，以及轧制技术的日渐成熟，轧机的黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 幅面迅速扩大，比如用于包装袋的铝箔的宽度需求已达到 1800mm 以上，对宽幅铝箔的需求量正呈高速增长态势。 生产的机器都已达到甚 至超过国外一些国家的相应产品。 近代一些钢铁工业发达国家的轧钢设备发展动向是大型化、连续化、高速化和自动化。 这是对钢材要求不断提高产品和质量、提高劳动生产率、降低原材料和能源消耗及产品成本的发展结果，这也和轧钢设备制造水平有关的重型机器制造、电机 、计算机和自动控制以及液压系统等科学计算发展技术有密切关系 [4]。 1．大型化方面 增大钢锭或带卷重量。 过去初轧机一般为 1020 吨，现在有加大到 4050 吨。 热轧的最大带卷和坯料重量已由 15 吨增到 45 吨。 冷轧卷重达 60 吨，线材盘重已达 24吨。 2．高速化方面 轧钢设备高速化是机械制造和自动控制技术水平不断提高的结果，另外，轧钢设备结构改进以适应高速化需要液是一个重要方面。 3．连续化方面 全连续式冷轧机实现了无头轧制，最近十年来已在生产上应用。 它能进一步提高冷连轧机产量、改善产品质量、有效地解决板卷的穿带和抛尾问题，并能实现动态变规格和高速飞剪的剪切，这套控制系统使投资约增加 15%20%。 4．自动化方面 目前宽带钢热连轧机的计算机自动控制水平在各类轧机重是最高的，从板坯上料到卷取全部采用电子计算机控制。 在我国轧钢生产的发展中 ， 今后一个时期在适当建设现代化新 企业、新装备的同时，大力进行原有设备的技术改造的和更新挖潜，逐步提高大型化、高速化、连续化和自动化的水平是摆在轧钢工作者的一项重要任务 [5]。 自动轧钢机设计的主要内容与基本思路 本次设计的题目是基于 PLC 的轧钢机控制系统，主要是以 PLC 为主控器来控制整个系统， 其主要功能是对 钢板的移动、轧制等 运动进行控制 ，并对轧辊 转速和钢板位移进行检测 ，保证轧钢机工作过程中稳定、可靠进行。 本设计 简单介绍了相关硬件的知识，如： PLC 的定义、 PLC 的编程语言、 PLC 的硬件组成等。 基本内容： 首先，做好控制系统的初 步设计，做好设计方案。 其次，对低压电气元件进行选型； 对交流电机和变频器进行选型，设计出变频调速电路； 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 对速度、位移等传感器进行选型与应用设计； 对 PLC 进行选型，并设计出 PLC 系统 I/O 扩展模块和功能模块以及系统主程序和功能子程序。 再次，完成总体设计后，对控制系统程序进行模拟调试，检验。 预期达到的目标： (1)控制功能：控制钢板的移动、轧制等运动。 (2)保护功能：电机顺序启动、 可点动可自动 、过载保护。 有电机润滑 和 冷却系统。 (3)检测项目：轧辊速度（测量范围： 03000r/m），钢 板位移（ 0—5 m）；传感器选型和设计合理，输出信号符合 PLC 电气标准。 系统具有显示功能，显示检测数据等；系统易于扩展，便于 I/O 模块和功能模块扩展。 (4)指示、报警功能包括： 电路故障 报警，按故障性质发出停机报警信号等，报警形式有灯光和铃声报警。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 第 2 章 系统总体设计 轧钢机的定义 轧钢机械设备的组成可分为两大类：主要设备和辅助设备。 主要设备：直接使轧件产生塑性变形的设备称为主要设备，也称为主机列。 它包括：工作机座（轧辊、轴承、轧辊调整装置、导卫装置及机架 等），万向或梅花接轴，齿轮机座，减速器，主连轴节，主电机等。 辅助设备：是指主机列以外的各种设备，它用于完成一系列辅助工序。 辅助设备种类繁多，车间机械化程度越高，辅助设备所占整个车间机械设备总重比例也越大。 有时达主要设备重量的 3~4倍 [6]。 本次设计选用 二辊式轧机，其结构简单、用途广泛具有很强的代表性。 它分为可逆式和不可逆式。 前者有初轧机、轨梁轧机、中厚板轧机等。 不可逆式有钢坯连轧机、叠轧薄板轧机、薄板或带钢冷轧机、平整机等。 80年代初最大的二辊轧机的辊径为1500mm，辊身长 3500mm，轧制速度 3~7m/s。 二辊式轧钢机 二辊式轧钢机的用途： 二辊轧机设备为低碳钢、铜银铅铝、有色金属板材、合金粉末冷轧带材实验设备。 二辊轧机组成及结构特点： 本机由主电机、减速器、人字齿轮座、万向接轴、工作机座、电控柜等组成，辊系采用专用轧机轴承。 本次设计选用型号为 φ 350 350（ mm） ,辊长为 350mm,辊径为 350mm，成品尺寸为 1mm，轧制力1250KN，轧制速度为 ,轧制电机功率为 115kW。 轧钢原理 从炼钢厂出来的钢坯还仅仅是半成品，必须到轧钢设备去进行轧制以后，才能成为合格的产品。 从炼钢厂送过来的连铸坯，首先是进入加热炉，然后经过初轧钢设备 反复轧制之后，进入精轧钢机 [7]。 轧钢属于金属压力加工，在热轧生产线上，轧坯加热变软，被辊道送入轧钢设备，最后轧成用户要求的尺寸。 轧钢是连续的不间断的作业，钢带在辊道上运行速度快，轧钢机设备自动化程度高，效率也高。 从平炉出来的钢锭也可以成为钢板，但首先要经过加热和初轧开坯才能送到热轧钢设备上进行轧制，先经过除磷到初轧，经辊道进入精轧轧钢设备，机前装有测速辊和飞剪，切除板面头部。 经过热轧后的钢轨厚度一般在几个毫米 ,如果要求钢板更薄的话，还要经过 冷轧钢设备。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 轧钢机系统工艺流程 穿带结束后，首先安放好上、下工作辊 (穿带时，工作辊已取下 )，然后调准轧制线，关闭轧机封闭门，机前压板压下，出口侧擦拭器压紧钢带，轧机工艺润滑 、 冷却系统启动供液，轧机带钢压下，卷取机转动给钢带前张力，机前测速 传感器 进入轧制线，机组运转开始轧制。 图 轧钢 机设备模拟示意图 轧制过程中，如果发现钢带边部有缺陷将影响到高速轧制，则当缺陷部位经过轧辊时；操作工按一下操作台上的按钮，将其缺陷位置信号输入 PLC 系统。 轧制将结束时轧机减速，当钢带尾部到达机前卷取机 位置时，机组停车，第一道次结束。 测厚仪、测速仪退出轧制线，轧机压下抬起，钢带张力解除，冷却润滑剂停止供给，压板抬起。 轧制速度的确定，应根据设备的能力，在轧机允许使用的速度范围内 ，通过变频器的控制， 尽可能采用高的轧制速度，以提高轧机的生产能力；同时，当轧制速度增加时，轧制压力相应有所减小。 每道次轧制的启动和制动时，分别有一个升速和降速的过程。 在轧制过程中，应尽可能少调速，以保证轧制的稳定性，从而达到厚度偏差的均一性。 系统总体设计 控制系统设计的基本内容 为了实现轧钢机系统的自动化 ，建立行之有效的自动控制系统，本方案基于传统的方式并结合自动化控制原理设计出一套以 PLC 为主控制的系统，此系统由几个部分组成：执行部分、控制部分（光电检测 PLC）、驱动部分（电动机、传动系统）、感知部分（传感器）。 图 自动轧钢机 控制系统原理框图。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 图 自动轧钢机 控制系统原理框图 根据轧钢机的运行特点，基于 PLC 轧钢控制系统采用主要由上机、下位机等组成。 传感器检测轧辊速度和钢板位移， PLC 系统能控制主轧机起、停和传送带的运行方向，同时还能检 测到各个电机的故障现象，减小了传统的继电一接触控制系统的中间环节，MA MA2 启动按钮 润滑、冷却电机启动 变频器 PLC 可 编 程 控 制 器 否 开卷机 结束 MA MA MA5 启动按钮 钢板运输、轧辊电机启动 轧辊轧制 卷取机 传感器 数据传至 PLC 检测 故障报警 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 减少了硬件和控制线路，极大提高了系统的稳定性、可靠性 [8]。 PLC 控制系统是由 PLC 与用户输入、输出设备连接而成的，因此， PLC 控制系统设计的基本内容应包括： 用户输入设备（按钮、操作开关、传感器等）、输出设备（显示屏、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机等）。 PLC 的选择。 PLC 是 PLC 控制系统的核心部件，正确选择 PLC 对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起到重要的作用。 选择 PLC，应包括机型选择、容量的选择 、 I/O 模块的选择、电源模块的选择等。 分配 I/O 点，绘制 I/O 连接图。 设计控制程序。 包括设计梯形图、语句表（即程序清单）和控制系统流程图。 控制系统程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作安全、可靠的关键。 因此，控制程序设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。 必要时还需设计控制台 编制控制系统的技术文件。 控制系统设计原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。 因此，在设计 PLC 控制系统时，应遵循以下基本原则： 最大限度地满足被控对象的控制对象。 设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，并于机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟订电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。 在满足控制系统要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。 保证控制系统的安全、可靠。 考虑到生产的发展和工艺和改进，在选择 PLC 容量时，应适当留有 余 量。 本章小结 本章主要说明了设计的控制要求，并根据其要求提出自动 轧钢 机的工作原理示意图，列出了系统涉及到的主要硬件设备，详细说明了本设计自动 轧钢 机控制系统的工作原理和运行过程。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 第 3 章 控制系统硬件 设计 PLC 定义及发展历程 的定义 美国国际电工委员会（ IEC）在 1987 年对可编程序控制器做出如下定义：可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程 [9]。 可遍程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个 整体，易于扩展其功能的原则而设计。 定义强调了 PLC 应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。 这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。 定义还强调了 PLC 是 “数字运算操作的电子系统 ”，他也是一种计算机，它是 “专为在工业环境下应用而设计的 ”工业计算机。 这种工业计算机采用 “面向用户的指令 ”，因此编程方便。 它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作，它还具有 “ 数字量和模拟量输入和输出 ” 的能力，并且非常容易与 “ 工业控制系统联成一体 ” ，易于 “ 扩充 ”。 PLC 的发展历程 可编程序控制器的英文为 ProgrammableController，在二十实际七十至八十年代一直简称为 PC。 由于到 90 年代，个人计算机发展起来，也简称为 PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国 AB 公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（ PLC， ProgrammableLogicController），为了方便，仍简称 PLC 为可编程序控制器 [19]。 有人把可编程序控制器组成的系统称为 PCS 可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。 1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了 GM 公司装配线的要求。 随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代 PLC 产品了。 在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量 的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的 ——离散量的数据采集监视。 由于这些控制和监视的要求，所以 PLC 发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。 在多年的生产实践中，逐渐形成了 PLC、 DCS 与 IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。 在八十年代至九十年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。 由于 PLC 人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分 DCS的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业 PC（ IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展， IPC 和 FCS。