PLC轧钢机专业课程设计.docx

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

本设计叙述了PLC在轧钢机系统中应用，介绍了轧钢机PLC控制系统总体设计方案和过程，列出了具体硬件、软件设计，包含梯形图，控制步骤图及仿真，在分析基础上指出了PLC编程方法。此次设计课题是基于PLC自控轧钢机系统，它在钢铁生产过程中很关键，对现在工业发展必不可少。
关键词：PLC 轧钢机

1.PLC概述  2
1.1 PLC历史 3
1.2 PLC基础结构 3
1.3 PLC工作原理 4
1.4 PLC特点 5
1.5 PLC功效 5
2. 轧钢机控制设计 6
2.1轧钢机介绍及发展 6
 2.2 设计任务 7
3．系统硬件设计 8
3.1 总体设计 8
3.2 主电机回路 9
3.3 PLC轧钢机I/O分配表 9
3.4 PLC轧钢机I/O外部接线图 10
4． 系统软件设计 11
4.1 程序设计通常方法 11
4.1.1 经验设计法 11
4.1.2 逻辑设计法 11
4.1.3 次序设计法 11
4.2程序设计 12
4.1.1 梯型图 12
4.4.2控制步骤图 17
5.系统调试 18
6.改善方法 27
6.1电机调速控制 27
6.1.1.变频调速控制 27
6.1.2.张力控制 27
6.2 轧钢机检测警报---温度报警 29
7．系统结论 32
8.参考文件 32

1.PLC概述 
可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）一个数字运算操作电子系统，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一个通用工业自动控制技术。它采取一类可编程存放器，用于其内部存放程序，实施逻辑运算，次序控制，定时，计数和算术操作等面向用户指令，并经过数字或模拟式输入/输出控制多种类型机械或生产过程。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显著缺点，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是从早期继电器逻辑控制系统发展而来。自1836年继电器问世，大家就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，组成用途各异逻辑控制或次序控制。上世纪60年代末，它不停吸收微计算机技术使之功效不停增强，逐步适合复杂控制任务。伴随微电子技术、计算机技术和数据通信技术飞速发展、微处理器出现，和步骤加工行业，如汽车制造业，对生产步骤快速、频繁变更需求，PLC技术出现并快速发展。 
现在，PLC在小型化、大型化、大容量、强功效等方面有了质飞跃，使早期PLC计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调整等功效现代PLC。不过，仍然沿用着次序扫描、程序控制等基础模式及CPU+通信+I/O基础结构。PLC之所以有生命力，在于它愈加适合工业现场和市场要求，高可靠性、强抗多种干扰能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它输入输出端更靠近现场设备，不需添加太多中间部件或需要更多接口，这么节省了用户时间和成本。PLC下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端通常是面向用户微型计算机。PLC很多优点确定了其在工业中广泛应用。
1.2 PLC基础结构
（1）中央处理单元(CPU)：中央处理单元(CPU)是PLC控制关键。它根据PLC系统程序给予功效：a.接收并存放从用户程序和数据；b.检验电源、存放器、I/O和警戒定时器状态，并能诊疗用户程序中语法错误。 
（2）存放器：可编程序控制器存放器分为系统程序存放器和用户程序存放器。存放系统软件（包含监控程序、模块化应用功效子程序、命令解释程序、故障诊疗程序及其多种管理程序）存放器称为系统程序存放器；存放用户程序（用户程序存和数据）存放器称为用户程序存放器，所以又分为用户存放器和数据存放器两部分。 
（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，在我们实际包含到信号当中，开关量最普遍。   
（4）输出接口电路：可编程序控制器输出有：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电源在整个系统中起着十分关键得作用。假如没有一个良好、可靠得电源系统是无法正常工作，所以PLC制造商对电源设计和制造也十分重视。通常交流电压波动在+10%(+15%)范围内，能够不采取其它方法而将PLC直接连接到交流电网上去。如FX1S额定电压AC100V—240V，而电压许可范围在AC85V—264V之间。许可瞬时停电在10ms以下，能继续工作。通常小型PLC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工作电源。
1.3 PLC工作原理
PLC是采取“次序扫描，不停循环”方法进行工作。即在PLC运行时，CPU依据用户按控制要求编制好并存于用户存放器中程序，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次序实施用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号采样和对输出状态刷新等工作。
PLC一个扫描周期必经输入采样、程序实施和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：首先以扫描方法按次序将全部暂存在输入锁存器中输入端子通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序实施阶段。
PLC在程序实施阶段：按用户程序指令存放前后次序扫描实施每条指令，经对应运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中全部内容伴随程序实施而改变。 输出刷新阶段：当全部指令实施完成，输出状态寄存器通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并经过一定方法（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动对应输出设备工作。
1.4 PLC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PLC只有6点，而ABControlLogix系统容量达128000点。
（2）可靠性高。PLCMTBF通常在40000～50000h以上，有在10-20万h，且全部有完善自诊疗功效。
（3）编程方便。控制含有极大灵活性。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业工控设备。它接口轻易，编程语言易于为工程技术人员接收。梯形图语言图形符号和表示方法和继电器电路图相当靠近，只用PLC少许开关量逻辑控制指令就能够方便地实现继电器电路功效。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）功效强大。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小多种规模系列化产品。能够用于多种规模工业控制场所。除了逻辑处理功效以外，现代PLC大多含有完善数据运算能力，可用于多种数字控制领域。多年来PLC功效单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等多种工业控制中。加上PLC通信能力增强及人机界面技术发展，使用PLC组成多种控制系统变得很轻易。 
（5）适应工业环境。适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境和电磁干扰环境。 
（6）安装、维修简单。和DCS相比，价格低。PLC用存放逻辑替换接线逻辑，大大降低了控制设备外部接线，使控制系统设计及建造周期大为缩短，同时维护也变得轻易起来。更关键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、小批量生产场所。 
1.5 PLC功效
（1）控制功效。包含次序控制、逻辑控制、定时、计数等。  
（2）数据采集和输出。 
（3）输入/输出接口调理功效。含有A/D、D/A转换功效，经过I/O模块完成对模拟量控制和调整，含有温度、运动等测量接口。 
（4）数据处理功效。包含基础数学运算、比较、对字节运算、PID运算、滤波等。 
（5）支持人机界面功效。提供操作者以监视机器/过程工作必需信息。许可操作者和PC系统和其应用程序相互作用，方便作决议和调整，实现工业计算机分散和集中操作和监视系统。 
（6）通信、联网功效。现代PLC大多数全部采取了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可相互间联网、通信，外部器件和一台或多台可编程控制器信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊疗。 
（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，听说在14世纪欧洲就有轧机，但记载是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。以后在西班 牙，比利时和英国相继出现轧机。1728年英国设计生产棒材用轧机。 十九世纪中叶，第一台可逆式板材轧机在英国投产。1848年德国发明了万能式轧机，1853年美国开始用三辊式型材轧机（图2 最初三辊式侧视图），并用蒸汽机传动升降台实现机械化。 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愈加完善，并出现了轧制速度高达每秒钟 115 米线材轧机﹑全连续式带材冷轧机﹑ 5500 毫米宽厚板轧机和连续式 H 型钢轧机等一系列优异设备。 伴随生产力和科学技术不停发展，大家日常生活和生产活动大量使用自动化控制，不仅节省了人力资源，而且很大程度提升了生产效率，又深入促进了生产力快速发展，并不停丰富着大家生活。
 2.2 设计任务
某轧钢机模拟控制图1所表示。图中S1为检测传送带上有没有钢板传感器，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正转和反转指示灯；Y1为锻压机。 

图2.1  轧钢机控制
按下开启按钮，M1、M2运行，待加工钢板存放区中钢板自动往传送带上运输。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，如此反复3次，停机1分钟，将已加工好钢板放入加工后钢板存放区。 2.2 设计要求 
（1）PLC型号：西门子企业S7系列，S7-300 
（2）编程环境：SIMATIC Manager /Step7 V5.4或更高版本 
（3）依据控制要求分配PLC I/O地址，画出PLC和控制对象接线图，设计控制步骤，根据模块化方法设计程序，既能够采取LAD编程，也能够采取STL编程，还能够采取组合方法编程。 
（4）编写需要输入PLC，调试经过

3．系统硬件设计
依据控制要求，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抵达加工点。S1有效时，M1、M2工作，M3正转。S2有效时，M3反转，Y1动作。轧钢机需要反复三次，停机一分钟，将加工好钢板放入加工后钢板存放区，所以需要计数器和定时器，而且计数达成预定值后还要复位。
3.1 总体设计

图3.1 PLC控制
3.2 主电机回路
依据要求画出主控制线路图,其中FR热继电器用于电动机过载保护，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运行。关键由管理程序、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使用者编制，用于控制被控装置运行。
PLC工作方法：采取循环扫描方法。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序实施、程序输出，一直循环扫描工作。
4.1 程序设计通常方法
4.1.1 经验设计法
经验设计法也叫凑试法。在掌握部分经典控制步骤和电路设计基础上，依据被控对象对控制系统具体要求，凭经验进行选择、组合。这种方法对于部分简单控制系统设计是比较凑效，能够收到快速、简单效果。经验设计法具体步骤以下：
1．确定输入/输出电器；
2．确定输入和输出点个数、选择PLC 机型、进行I/O 分配；
3．做出系统动作工程步骤图；
4．选择PLC 指令并编写程序；
5．编写其它控制要求程序；
将各个步骤编写程序联络起来，即得到一个满足控制要求程序。
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。而继电器、交流接触器触点全部只有两种状态即：断开和闭合，所以用“0”和“1”两种取值逻辑代数设计电气控制线路是完全能够。该方法是依据数字电子技术中逻辑设计法进行PLC 程序设计，它使用逻辑表示式描述问题。在得出逻辑表示式后，依据逻辑表示式画出梯形图。
4.1.3 次序设计法
对那些按动作前后次序进行控制系统，很适合使用次序控制设计法进行编程。次序控制法规律性很强，即使编程相当长，但程序结构清楚、可读性。在用次序控制设计法编程时，功效图是很关键工具。功效图能够清楚地表现出系统各工作步功效、步和步之间转换次序及其转换条件。
总而言之，本控制系统采取次序设计法设计

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一个语言，它有以下特点
1. 它是一个图形语言，沿用传统控制图中继电器触点、线圈、串联等术语和部分图形符号组成，左右竖线称为左右母线，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 输入点接开关也能够是PLC 内部继电器接点或内部寄存器、计数器等状态。
3. 梯形图中接点能够任意串、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，沿梯形图前后次序实施，在同一扫描周期中结果留在输出状态暂存器中所以输出点值在用户程序中能够看成条件使用。
梯形图编制采取 STEP7¾Micro/WIN32 软件，STEP7¾Micro/WIN32 软件是西门子S7¾200PLC 开发工具，关键用于开发程序，也可用于实时监控用户程序实施状态，该软件含有Windows 应用软件通用界面,易学易用。

(1) 依据系统控制要求按下开启按钮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，如此反复三次。为了实现反复三次操作，在程序中设置减计数器C0，在完成一个周期操作后需停机1分钟。
(5) 为实现此功效，在程序中添加了定时时间为1分钟程序中为5秒）定时器T1。三次锻压后，计数器C0由1变0，造成程序段七接通，置位程序开启，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，造成计数器重新开始计数，还原锻压前情况

网络1：按下开启按钮SD1以后，电动机M1开启运转网络
网络2：按下开启按钮SD1以后，电动机M2开启运转

网络3：传感器S1检测到有信号，开启运转电动机M3正转（Mz灯亮）

网络4：传感器S2检测到有信号，开启运转电动机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，开启对C3复位

网络13：当C3为4时电动机继续正转

4.4.2控制步骤图
开始
Q0.5第一次接通，同时有一个向下压力A亮

检测传送带有没有钢板
电机M1、M2运行

监测传送带有没有钢板
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力，A、B亮

检测传送带有没有钢板

检测传送带有没有钢板

电机M3正转

电动机M3反转

检测钢板是否到位
检测传送带有没有钢板

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）开启电源

（2）开启轧钢机，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开启电机M3正转
传感器S1检测到有信号，开启运转电动机M3正转（MZ灯亮）
传感器S2检测到有信号，开启运转电动机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得电开启电机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）,开启电机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，,开启电机M3正转。
当传感器S1为OFF,传感器S2检测到有钢板时，开启电机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）,开启电机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。对轧钢机系统轧钢自动控制进行了对应叙述。
因为客观条件限制，此次设计，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全部无法完成。不过我们经过试验箱验证了程序和各个输入/输出正确性。假如在条件许可情况下，能够对以上设计进行深入确定和完善。
这次设计总说来花费时间和精力全部较多，部分任务也比较繁琐。在这个设计和学习过程中，经过同学们合作和老师指导我们学到了很多东西，诸如部分设备选择标准，器件安装方法，编译正确程序等等。在这么逐步深入设计过程中我们一点点增加了自己对应知识，对怎样完成一份课程设计也有了部分自己体会和感悟，对所做课题也有了一定程度了解，在以后学习和生活中，我们会把这次经历作为一个借鉴，使自己在进行其它设计时能够做到愈加好

7.谢辞
在徐老师指导和帮助下，在组员们一起努力试验、搜集整理数据、猛烈讨论下，我们最终完成了这次课程设计。这次设计中不管是知识层面还是精神层面，大家全部受益匪浅，在此尤其感谢徐老师，感谢你给我们这次机会学习探索，让我们深刻认识到了PLC轧钢机这方面知识。相信在很久未来，我们大学书本知识全部忘了很多，但仍然会记得相关轧钢机相关内容，因为这是在我们自己主动努力下学习。其次，要感谢我们第六小组两位组长，感谢你们抽课余时间组织大家一起探讨学习，并认真检验每一位组员汇报内容，了解每一位组员对内容熟悉程度。最终，要感谢第六小组大家，没有我们共同努力，这门课程设计就不可能完成。谢谢。

8.参考文件
[1] 王宗才. 机电传动和控制. 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 和电气控制.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.电机和电气控制[M].北京:电子工业出版社,.
[8] 程周.电气控制和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