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PLC轧钢机课程设计352020年4月19日文档仅供参考课程设计说明书 课 程 名 称:电气控制设备课程设计 课 程 代 码: 9127028 题 目: 学 生 姓 名: 学 号: 年级/专业/班: 学院(直属系) : 应用技术学院 指 导 教 师: 徐 全 摘要本设计阐述了PLC在轧钢机系统中的应用，介绍了轧钢机的PLC控制系统的总体设计方案和过程，列出了具体的硬件、软件设计，包括梯形图，控制流程图及仿真，在分析的基础上指出了PLC的编程方法。本次设计课题是基于PLC的自控轧钢机系统，它在钢铁生产过程中非常重要，对现在的工业发展必不可少。关键词：PLC 轧钢机 1.PLC概述21.1 PLC历史31.2 PLC基本结构31.3 PLC的工作原理41.4 PLC的特点51.5 PLC的功能52. 轧钢机控制设计62.1轧钢机介绍及发展62.2 设计任务73系统硬件设计83.1 总体设计83.2 主电机回路93.3 PLC轧钢机I/O分配表93.4 PLC轧钢机I/O外部接线图104 系统软件设计114.1 程序设计的一般方法114.1.1 经验设计法114.1.2 逻辑设计法114.1.3 顺序设计法114.2程序设计124.1.1 梯型图124.4.2控制流程图175.系统调试186.改进措施276.1电机调速控制276.1.1.变频调速控制276.1.2.张力控制276.2 轧钢机检测警报-温度报警297系统结论328.参考文献321.PLC概述可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）一种数字运算操作的电子系统，是以微机处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制技术。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并经过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱之一。1.1 PLC历史在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制站主导地位。继电器控制系统有着十分明显的缺点，体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差等，而PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业，如汽车制造业，对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。当前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。可是，依然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。PLC之因此有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求，高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。PLC的诸多优点确定了其在工业中的广泛应用。1.2 PLC基本结构（1）中央处理单元(CPU)：中央处理单元(CPU)是PLC的控制核心。它按照PLC系统程序赋予的功能：a.接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。（2）存储器：可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，因此又分为用户存储器和数据存储器两部分。（3）输入接口电路：输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实际涉及到的信号当中，开关量最普遍。（4）输出接口电路：可编程序控制器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)三种输出形式。（5）电源：PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，能够不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。如FX1S额定电压AC100V240V，而电压允许范围在AC85V264V之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。一般小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。1.3 PLC的工作原理PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。 PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。 PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。 输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并经过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。1.4 PLC的特点（1）结构形式多样，模块化组合灵活。有固定式适于小型系统或机床，组合式适于集控制系统。最少的PLC只有6点，而AB的ControlLogix系统的容量达128000点。 （2）可靠性高。PLC的MTBF一般在4000050000h以上，有的在10-20万h，且均有完善的自诊断功能。 （3）编程方便。控制具有极大灵活性。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表示方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就能够方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 （4）功能强大。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。能够用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（5）适应工业环境。适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。（6）安装、维修简单。与DCS相比，价格低。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。1.5 PLC的功能（1）控制功能。包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。（2）数据采集与输出。（3）输入/输出接口调理功能。具有A/D、D/A转换功能，经过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。（4）数据处理功能。包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。（5）支持人机界面功能。提供操作者以监视机器/过程工作必须的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。（6）通信、联网功能。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。（7）编程、调试等，而且大部分支持在线编程。2. 轧钢机控制设计2.1轧钢机介绍及发展轧钢机，据说在14世纪欧洲就有轧机，但记载的是1480年意大利人达芬h型连轧钢机。1553年法国人不律列尔（Brulier）轧制出金和银板材，用以制造金币。此后在西班 牙，比利时和英国相继出现轧机。1728年英国设计的生产棒材用的轧机。 十九世纪中叶，第一台可逆式板材轧机在英国投产。1848年德国创造了万能式轧机，1853年美国开始用三辊式的型材轧机（图2 最初的三辊式侧视图），并用蒸汽机传动的升降台实现机械化。 1859年制造了第一台连轧机。中国于1871年在福州船政局所属拉铁厂（轧钢厂）开始用轧钢机。 现代轧机发展的趋向是连续化、自动化专业化产品质量高消耗低。 60 年代以来轧机在设计研究和制造方面取得了很大的进展使带材冷热轧机厚板轧机高速线材轧机 H 型材轧机和连轧管机组等性能更加完善，并出现了轧制速度高达每秒钟 115 米的线材轧机全连续式带材冷轧机 5500 毫米宽厚板轧机和连续式 H 型钢轧机等一系列先进设备。 随着生产力和科学技术的不断发展，人们的日常生活和生产活动大量的使用自动化控制，不但节约了人力资源，而且很大程度的提高了生产效率，又进一步的促进了生产力快速发展，并不断的丰富着人们的生活。2.2 设计任务某轧钢机的模拟控制如图1所示。图中S1为检测传送带上有无钢板传感器，S2为检测传送带上钢板是否到位传感器。M1、M2为传送带电动机；M3F和M3R为传送带电动机M3的正转和反转指示灯；Y1为锻压机。图2.1轧钢机控制按下启动按钮，M1、M2运行，待加工钢板存储区中的钢板自动往传送带上运送。若S1检测到有钢板在传送带上时，M3电动机正转，指示灯M3F亮。当传送带上的钢板已过S1检测信号且S2检测到钢板到位时，电磁阀YV动作，M3电动机反转，指示灯M3R亮。Y1锻压机向钢板冲压一次，S2信号消失。当S1再次检测到有信号时，M3电动机正转，如此重复3次，停机1分钟，将已加工好的钢板放入加工后钢板存储区。2.2设计要求（1）PLC型号：西门子公司S7系列，S7-300（2）编程环境：SIMATICManager/Step7V5.4或更高版本（3）根据控制要求分配PLCI/O地址，画出PLC与控制对象的接线图，设计控制流程，按照模块化的方式设计程序，既能够采用LAD编程，也能够采用STL编程，还能够采用组合方式编程。（4）编写的需要输入PLC，调试经过3系统硬件设计根据控制要求，本设计有2个检测信号，S1用于检测待加工钢板是否已在传输带上，S2用于检测待加工钢板是否到达加工点。S1有效时，M1、M2工作，M3正转。S2有效时，M3反转，Y1动作。轧钢机需要重复三次，停机一分钟，将加工好的钢板放入加工后钢板存储区，因此需要计数器和定时器，而且计数达到预定值后还要复位。3.1 总体设计图3.1 PLC控制3.2 主电机回路 根据要求画出的主控制线路图,其中FR热继电器用于电动机的过载保护，断相及电流不平衡运行保护。FU熔断器起电机主回路短路保护作用。图3.2 电机主回路3.3 PLC轧钢机I/O分配表 表3.1 I/O地址分配表3.4 PLC轧钢机I/O外部接线图 图3.3 I/O口外部接线图4 系统软件设计在可编程序控制中，PLC的软件分为两大部分：1. 系统监控程序：用于控制可编程控制器本身的运行。主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块。2. 用户程序：它是由可编程序控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。PLC的工作方式：采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。4.1 程序设计的一般方法4.1.1 经验设计法经验设计法也叫凑试法。在掌握一些典型控制环节和电路设计的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于一些简单的控制系统的设计是比较凑效的，能够收到快速、简单的效果。经验设计法的具体步骤如下：1确定输入/输出电器；2确定输入和输出点的个数、选择PLC 机型、进行I/O 分配；3做出系统动作工程流程图；4选择PLC 指令并编写程序；5编写其它控制要求的程序；将各个环节编写的程序联系起来，即得到一个满足控制要求的程序。4.1.2 逻辑设计法工业电气控制线路中，有很多是经过继电器等电器元件来实现的。而继电器、交流接触器的触点都只有两种状态即：断开和闭合，因此用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电气控制线路是完全能够的。该方法是根据数字电子技术中的逻辑设计法进行PLC 程序的设计，它使用逻辑表示式描述问题。在得出逻辑表示式后，根据逻辑表示式画出梯形图。4.1.3 顺序设计法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法进行编程。顺序控制法规律性很强，虽然编程相当长，但程序结构清晰、可读性。在用顺序控制设计法编程时，功能图是很重要的工具。功能图能够清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。综上所述，本控制系统采用顺序设计法设计4.2程序设计4.1.1 梯型图标准语言梯形图语言也是我们最常见的一种语言，它有以下特点1. 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线，左边画输入、右边画输出。2. 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点能够是PLC 输入点接的开关也能够是PLC 内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。3. 梯形图中的接点能够任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。4. 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU 内部使用。5. PLC 是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中因此输出点的值在用户程序中能够当作条件使用。梯形图的编制采用 STEP7Micro/WIN32 软件，STEP7Micro/WIN32 软件是西门子S7200PLC 的开发工具，主要用于开发程序，也可用于实时监控用户程序的执行状态，该软件具有Windows 应用软件的通用界面,易学易用。(1) 根据系统控制要求按下启动按钮I0.0后，电机M1和M2转动,即Q1.0和Q1.1响应。(2) 检测传送带上是否有钢板的传感器I0.2开始检测,有钢板到，则电动机M1，M2停止转动，Q1.0,Q1.1复原，M3正转，Q1.3响应。(3) 检测是否到位的传感器I0.3开始检测，若到位，则电动机M3反转，Q1.4响应，且锻压Y1下压一次，Q1.2响应。(4) 在开启I0.2检测，如此重复三次。为了实现重复三次的操作，在程序中设置减计数器C0，在完成一个周期的操作后需停机1分钟。(5) 为实现此功能，在程序中添加了定时时间为1分钟（程序中为5秒）的定时器T1。三次锻压后，计数器C0由1变0，导致程序段七接通，置位程序启动，设备停机，接通延时计时器开始工作。(6) 5秒后接通，然后程序段2激活，QI.O和QI.1重新响应，导致计数器重新开始计数，还原锻压前状况网络1：按下启动按钮SD1之后，电动机M1启动运转网络网络2：按下启动按钮SD1之后，电动机M2启动运转网络3：传感器S1检测到有信号，启动运转电动机M3正转（Mz灯亮）网络4：传感器S2检测到有信号，启动运转电动机M3反转（MF灯亮）。电磁阀动作（YU1灯亮）网络5：当S1传感器信号消失，传感器S2检测到有信号，C0计数器开始计数，C3/M0.3计数到复位网络6：当计数器到1时压力A的灯亮:网络7：当S1传感器信号消失，传感器S2检测到有信号，C1计数器开始计数，C3/M0.3计数到复位网络8：当计数记到2时压力B的灯亮网络9：当S1传感器信号消失，传感器S2检测到有信号，C2计数器开始计数，C3/MO.3计数到复位网络10：当计数器记到3时压力C的灯亮网络11：当需要停止/紧急停止时，按下I0.5、I0.6、I0.7、I1.0、I1.1分别为电动机和电磁阀的热继电器网络12：当S1传感器消失，传感器S2检测到有信号，C3计数器开始计数，启动对C3复位网络13：当C3为4时电动机继续正转4.4.2控制流程图开始Q0.5第一次接通，同时有一个向下压力A亮检测传送带有无钢板电机M1、M2运行监测传送带有无钢板电动机M3正转检测钢板是否到位电机M3正转电机M3反转检测钢材到位否电机M3反转Q0.6第一次接通同时有两个向下的力，A、B亮检测传送带有无钢板检测传送带有无钢板电机M3正转电动机M3反转检测钢板是否到位检测传送带有无钢板电机M3正转送出钢板电动机M3反转Q0.7第一次接通同时又三个向下力A、B、C 结束5.系统调试（1）启动电源（2）启动轧钢机，电机M2正转（3）S1第一次检测到钢板M1正转（4）当传感器S1检测到有钢板时（即S1为ON）,Q0.2为ON启动电机M3正转传感器S1检测到有信号，启动运转电动机M3正转（MZ灯亮）传感器S2检测到有信号，启动运转电动机M3反转（MF灯亮），电磁阀动作（YU1灯亮）。（5）当传感器S1为OFF,传感器S2检测到有钢板时（即S2为ON），发光管C亮，表示有一个向下压下量。（6）传感器S2检测到有钢板时,Q0.3得电启动电机M3反转（7）当传感器S1为OFF,传感器S2检测到有钢板时（即S2为ON）,启动电机M3反转，发光管A、B亮，表示有两个向下压下量（8）当传感器S2为OFF，传感器S1检测到有钢板时，,启动电机M3正转。当传感器S1为OFF,传感器S2检测到有钢板时，启动电机M3反转，发光管A、B、C亮，表示有三个向下压下量。（9）当传感器S2为OFF，传感器S1检测到有钢板时（即S1为ON）,启动电机M3正转。当传感器S2第二次为ON时，电机M3继续正转送出加工好的成品钢板。当需要停止/紧急停止时，按下I0.5，I0.6，I0.7，I1.0,I1.1分别为电动机和电磁阀的热继电器。6系统结论本设计使用了西门子S7-200型号PLC（CPU224）设计控制程序，系统结构简单明了，运行实施稳定可靠。对轧钢机系统的轧钢自动控制进行了相应的阐述。由于客观条件的限制，本次设计，我们没有对硬件系统进行安装、对整个系统进行现场调试和安装运行都无法完成。可是我们经过实验箱验证了程序和各个输入/输出的正确性。如果在条件允许的情况下，能够对以上设计进行进一步确认和完善。这次设计总的说来耗费的时间和精力都较多，一些任务也比较繁琐。在这个设计和学习的过程中，经过同学们的合作和老师的指导我们学到了很多东西，诸如一些设备的选用标准，器件的安装方式，编译正确的程序等等。在这样逐步深入设计的过程中我们一点点的增长了自己相应的知识，对如何完成一份课程设计也有了一些自己的体会和感悟，对所做的课题也有了一定程度的了解，在以后的学习和生活中，我们会把这次的经历作为一种借鉴，使自己在进行其它设计时能够做到更好7.谢辞在徐老师的指导和帮助下，在组员们一起努力实验、搜集整理数据、激烈讨论下，我们终于完成了这次课程设计。这次设计中无论是知识层面还是精神层面，大家都受益匪浅，在此特别感谢徐老师，感谢你给我们这次机会学习探索，让我们深刻认识到了PLC轧钢机这方面的知识。相信在很久的将来，我们大学的书本知识都忘了许多，但依然会记得关于轧钢机的相关内容，因为这是在我们自己的主动努力下学习的。其次，要感谢我们第六小组的两位组长，感谢你们抽课余时间组织大家一起探讨学习，并认真检查每一位组员的报告内容，了解每一位组员对内容的熟悉程度。最后，要感谢第六小组的大家，没有我们的共同努力，这门课程设计就不可能完成。谢谢。8.参考文献1 王宗才. 机电传动与控制. 北京: 电子工业出版社. .2 于庆广.可编程控制器原理及系统设计.北京:清华大学出版社. .3 胡学林. 电气控制及PLC. 北京：冶金工业出版社, 1997.4 廖常初. PLC 编程及应用. 北京：机械出版社， .5 罗伟.邓木生.PLC 与电气控制.北京：中国电力出版社， .6 孙振强.可编程控制器原理及应用教程.北京：清华大学出版社. .7 刘子林.电机与电气控制M.北京:电子工业出版社, .8 程周.电气控制与PLC 原理及应用M.北京:电子工业出版社, .9王永华.现代电气控制及PLC应用技术（第三版）北京：北京航空航天大学出版社， .8