基于PLC的铸坯火焰自动切割系统的设计

毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要本文通过研究铸坯火焰切割机的系统结构，将 PLC 控制技术应用于连铸火焰切割机，以解决连铸生产线上铸坯的定尺精度，切割质量等关键技术问题。该系统的特点有：定尺测量系统工作可靠，切割机与铸坯同步运行平稳、可靠、无滞后现象，快速返回原点定位误差小，其应用了可编程控制器为控制单元的新型火焰切割机控制系统。本课题选用的可编程控制器是西门子 S7-200，并对软硬件进行了详细设计。其中 PLC 是火焰切割机的控制单元，通过它采集火焰切割机上各类传感器信号、工作参数、及工作状态等信息来向控制系统发送操作命令。实践证明，本文所设计的基于西门子 PLC 的铸坯火焰切割系统的软硬件是成功的，结构简单，性能良好，为今后开发类似系统奠定了良好基础。关键词 可编程控制器 连铸火焰切割机 定尺系统毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 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 continuous 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 and 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 software. 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 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 machineFixed scale system本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页目 录1 引言 .11.1 设计的目的、意义、以及应达到的技术要求 .11.2 国内外的发展状况及存在的问题 .21.3 设计时应注意的问题 .42 系统分析 .52.1 铸坯火焰自动切割系统总体结构分析 .52.2 电控系统分析 .73 低压电气选择 .83.1 磁阀的选型 .83.2 接触器的选型 .93.3 按钮的选型 .103.4 转换开关的选型 .113.3 接近开关的选型 .114 基于西门子 PLC 铸坯火焰自动切割系统硬件设计 .134.1 铸坯火焰切割系统 PLC 选择与设计 .134.2 红外定尺技术简介 .164.3 铸坯火焰自动切割系统 PLC I/O 接线图设计 .174.4 铸坯火焰自动切割系统电气原理图设计 .175 铸坯火焰自动切割系统软件设计 .195.1 铸坯火焰自动切割系统控制要求 .195.2 所用指令介绍 .195.3 铸坯火焰自动切割系统 PLC I/O 地址分配 .215.4 铸坯火焰自动切割系统控制流程图设计 .215.5 铸坯火焰自动切割系统 PLC 控制程序设计 .23结束语 .32致谢 .33参考文献 .34附录 .35附录 1 I/O 硬件接线图 .35附录 2 西门子 PLC CPU226 I/O 分配表 .36本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 36 页1 引言1.1 设计的目的、意义、以及应达到的技术要求1.1.1 设计的目的及意义随着科学技术的发展进步，钢铁连铸生产迅猛增长，国内大部分钢厂已实现全连铸工序。传统的连铸坯切割方法通常都是采用机械剪切法。因使用剪切机进行连铸坯切割一次性设备投资大，使用成本高，设备故障率高给修费用大，而且被切断的铸坯断面易产生变形，所以近年来国内外钢铁企业开始采用火焰切割连铸坯。新型的火焰切割技术不仅可以降低设备投资、减少使用成本，还可以提高铸坯断面质量，有利于二次加工。 上世纪 60 年代之前，逻辑控制电路都是采用计数器、继电器等部件，也就是实现生产过程的全自动控制的设备大多是以继电器为核心元件的顺序控制器。复杂的系统必须采用数千个不同样式的继电器，同时才用数千根导线按布线逻辑接连起来，完成相应的控制目的，但控制柜价格昂贵、体积巨大。那时这种控制器在生产实际中得到了广泛的应用。因为采用布线逻辑来实现各种控制，需要使用很多的机械触点，一旦某个继电器的任意一个触点接触不良便会影响系统正常的工作。如果系统出现故障，进行排障、检查也相当困难。一台较复杂的控制柜内部接线、安装工作量很大，当工艺规程改变时，控制柜里的全部接线和元件都需要改变，这就会浪费大量的时间、物力和人力。因而这本身原有的缺点很大地限制了其应用范围。随着科学技术的进步和生产力的不断发展，迫切需要取代传统的继电器控制系统，能够使得电气控制系统工作更加安全可靠、更加容易维修、更加能与常常变动的工艺条件相适应。可编程序控制器（PLC）它是一种数字操作运算电子系统，是为了工业应用而专门设计的。其应用了可编程序存储器，以用来在它的内部存储所需要执行逻辑运算、定时、顺序控制、算术和计数运算等等操作的指令，同时通过模拟式和数字式的输入和输出方式，从而控制各种类型设备的工作过程。可编程序控制器和外围的相关设备，都很容易和工业系统集成为一个整体，并且是按容易扩充其功能的设计原则进行设计的 1。PLC 应用于工业现场，然而工业生产要求非常高的控制设备可靠性，因为需要努力避免控制设备发生故障而造成损失和事故。所以，为了适应运用于工业现场环本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 36 页境中，PLC 需具有以下特点：（1）抗干扰能力较强，可靠性较高。PLC 使用了相当多的软件、硬件抗干扰的措施，提高了它无故障工作的平均时间。硬件措施：对 CPU、电源等部件进行屏蔽，对输入线路和供电系统采用各种形式的滤波，以此来防止外界对其的干扰。在 I/O 电路和 CPU 中间使用光电隔离方法，来减少误动作及故障。软件措施:故障检测系统定时检测外界环境（强干扰、欠电压和掉电等） ，如果发生故障立刻将状态数据存入存储器，等故障消除后恢复其原来的工作状态。（2）控制程序可变，具有较好的柔性。在生产线设备更新或者生产工艺流程变化的状况下，不需要改变 PLC 的硬件设备，仅仅需要改变程序便可以满足要求。（3）扩充方便，体积小，功能完备，组合灵活。根据以上 PLC 的这些特点，开始时使用 PLC 取代之前的继电器控制线路，这样不但提高了产品的档次，缩短了研制周期，同时也给调试和维修带来了方便 2。1.1.2 设计应达到的技术要求连祷方坯火焰切割机是炼钢行业方坯连铸生产线中的配套设备，用它能够将连续的热铸坯切割为一定尺寸的坯段。因为连铸火焰切割机要求在高温下能长时间不停地运行，因而要求其具有良好的可维护性和很高的可靠性。故本次设计中，在消化引进设备和归纳总结国内同类产品的基础上，结合一些生产数控切割机的经验，针对连铸方坯切割的特点设计连铸方坯火焰切割机，并实现了如下整体技术指标：（1）先进的工艺：切割中火焰集中，切割速度快；切割断面光洁，上缘不塌边，下缘挂渣少，成材率高；可实现自动化，切割与连铸拉速相匹配，无滞后现象。（2）快速返回原点定位误差较小，返回速度较快。（3）运动平稳、切割速度保持不变。（4）定尺测量系统工作可靠，综合定尺精度较高。（5）节省钢材，割缝宽度较小，割缝平齐无塌边现象。（6）性能安全，切割中自动断火与点火，不回火、不爆鸣。（7）不影响生产，切割中可随时轻松更换割枪，割嘴，确保生产正常进行。1.2 国内外的发展状况及存在的问题我国的切割技术长期落后与其他国家，然而近些年来有了快速发展。相关企业包括生产切割器械的企业在内，已经研制以及开发了多种半、全自动切割器械。国本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 36 页外的很多著名切割机制造企业，如美国捷锐、德国伊萨、日本田中和梅塞尔等公司，也在中国投资建厂。各企业大量运用各种半、自动切割机进行多种直线、曲线和成形切割，收到了较好的效果，将切割技术推向了崭新的阶段 3。切 割 机 可 分 为 火 焰 切 割 机 、 激 光 切 割 机 、 等 离 子 切 割 机 、 石 材 切 割 机 、 水 切割 机 、 相 贯 线 切 割 机 、 数 控 切 割 机 、 海 绵 切 割 机 等 。 这 其 中 激 光 切 割 机 的 切 割质 量 最 好 、 效 率 快 。 等 离 子 切 割 机 切 割 的 速 度 也 非 常 快 ， 但 切 割 效 果 不 如 激 光切 割 机 。 火 焰 切 割 机 主 要 运 用 于 厚 度 比 较 大 的 碳 钢 材 质 的 切 割 。 相 贯 线 切 割 机运 用 于 切 割 钢 管 。 比 较 切 割 机 成 本 ： 激 光 切 割 机 的 价 格 最 高 ， 同 时 效 率 和 精 度也 是 最 高 的 一 种 高 科 技 含 量 的 切 割 设 备 ， 水 刀 切 割 机 相 比 稍 差 ， 火 焰 切 割 机 以及 等 离 子 切 割 机 相 对 更 差 些 ， 但 它 们 成 本 也 是 相 对 较 低 的 。 金 属 切 割 机 前 景 ：对 与 切 割 机 目 前 来 看 等 离 子 切 割 机 和 数 控 火 焰 切 割 机 占 有 着 较 大 部 分 的 用 户 ，但 就 发 展 趋 势 来 说 激 光 切 割 、 水 切 割 很 可 能 会 取 代 前 者 ， 成 为 主 要 使 用 的 切 割机 ， 因 为 其 不 仅 切 割 速 度 快 、 环 保 ， 切 割 质 量 也 好 ！ 然而气体火焰切割却是最早、最普遍采用的切割方法。最近几年，在以乙炔为基础燃气中，已经开发出天然气、煤气、丙烷气、液化石油气以及各种新型燃气，同时依据每种气体的各自特性研制出了专门的切割机，为多样化的开发燃气能源提供了宽阔的前景。火 焰 切 割 常 常应 用 与 钢 板 的 粗 加 工 ， 它 的 金 属 切 割 厚 度 从 1mm1m， 然 而 当 在 切 割 低 碳 钢 钢板 的 厚 度 小 于 20mm 时 ， 需 要 运 用 别 的 切 割 方 法 。 利 用 氧 化 铁 燃 烧 过 程 中 产 生的 高 温 来 切 割 碳 钢 是 火 焰 切 割 的 原 理 ， 设 计 火 焰 割 炬 能 够 为 燃 烧 氧 化 铁 供 应 充足 的 氧 气 ， 来 保 证 得 到 很 好 的 切 割 效 果 。火 焰 切 割 设 备 的 价 格 便 宜 同 时 也 是 切 割 厚 金 属 板 料 最 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 动 控 制 系 统 都 是 采 用 信 号 传 感 器 进行 控 制 ， 具 有 理 论 上 简 单 可 行 的 系 统 原 理 ， 却 因 为 切 割 环 境 的 温 度 太 高 ， 导 致在 此 系 统 中 起 重 要 作 用 的 信 号 传 感 器 故 障 率 非 常 高 ， 定 尺 精 度 较 低 ， 直 接 影 响了 切 割 系 统 的 正 常 工 作 。 系 统 的 主 要 缺 点 ： 故 障 很 容 易 发 生 在 信 号 传 感 器 的 高温 区 ， 操 作 维 护 很 不 方 便 ； 电 缆 故 障 率 很 高 ， 设 备 维 护 困 难 ； 操 作 时 工 人 劳 动强 度 很 大 。 另 外 因 为 火 焰 切 割 的 热 影 响 区 面 积 很 大 ,热 变 形 较 大 ， 为 了 保 证 切 割能 够 精 确 有 效 ， 操 作 人 员 就 需 要 拥 有 很 高 的 技 术 才 可 以 在 切 割 过 程 中 第 一 时 间避 免 金 属 板 的 热 变 形 。 以 前 钢坯切割燃气消耗多、切割断面粗糙、切割割缝大、氧气压力高、噪音大、工厂粉尘多、割炬 损坏多、工人劳动强度大、环境污染严重等本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 36 页弊端。因 而 ， 为 减 轻 工 人 的 劳 动 强 度 ， 减 少 机 具 的 损 坏 ， 提 高 系 统 的 可 靠 性 ，便 需 要 对 此 系 统 进 行 相 应 的 改 造 4。1.3 设计时应注意的问题铸坯火焰切割系统主要由介质控制、电气控制、定尺系统、PLC 控制单元等构成。在切割时，通过定尺装置发送的信号来控制夹紧气缸的运动，使的夹钳夹紧铸坯，同时使得切割小车和铸坯一起运行，固定在切割臂上的切割枪沿着铸坯垂直方向进行既定长度的自动切割，一次切割完成后由液压缸将切割小车顶回初始位置，准备进行下次切割。根据火焰切割的工艺流程在设计时应该注意以下问题：（1）确保全部铸坯火焰自动切割系统可以反应灵敏，稳定工作。（2）此铸坯火焰自动切割系统需要设置手动和自动两种操作方式，当自动方式出现故障时，可以通过手动操作来完成未完成的工作。（3）定尺系统是否工作可靠，能否准确定位。（4）割炬电机和其辊道电机需要进行过载保护，避免烧坏电机。（5）铸坯火焰自动切割系统安装运行了一段时间以后，应当控制避免出现不能剪切或者切不断的现象，设法降低人工操作的工作强度。（6）设计中更应该注重其性能是否安全。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 36 页2 系统设计2.1 铸坯火焰自动切割系统总体结构设计2.1.1 铸坯火焰切割系统控制方案的选择在上世纪 80 年代后期，很多火焰切割机是使用继电器控制线路来完成工艺流程的监控管理。控制设备系统占地大，通常两把火焰割炬的控制箱内有接近 50 个继电器，因此带来接线复杂，调试和维修困难，故障率很高，假如增加或变换程序，从研发、调试到上流水线操作，工作量很大，耗时也长。所以，之后相关专家就开始研用 PLC 代替之前的继电器控制线路，这不仅缩短了产品研发周期，而且优化了产品的性能，给调试和维修工作带来了便捷。与继电器控制线路有写相似之处，PLC同样由输入、输出和逻辑部分组成，通过使用选择开关、外部按钮等将控制信息传达到 PLC 中，通过逻辑运算，输出相应的控制命令来完成对电磁阀、指示灯和电机等部件的控制。我此次所设计的切割机是由一台主机和一组扩展模块组成的，它的输入/ 输出接口在 50 点上下。因为小型 PLC 价格便宜，编程简单，调试也很方便，最后的设计达到了比较好的效果。它的工作主要是通过接收选择开关、外部按钮、传感器信号以及其它辅助功能信号的输入，经过相应的逻辑运算，达到对外部执行部件的操作和控制要求。PLC 程序使用的是模块化设计，因此，根据所设置的工作对象的差别，将各个小程序分成小的模块，故任何一小程序是能够进行独自的调试，在调试结束确认无错误后，就可以将程序连接起来，按照工艺流程的要求来控制 5，6 。2.1.2 系统总体目标本次设计的切割机是钢铁领域铸坯连铸切割系统的一部分，其主要任务是将刚铸造出来的铸坯按照规定要求切割精度完成切割。但此连铸火焰切割机要在高温的环境作不停地切割，故要求它要有很高的工作稳定可靠性。此次完成设计的总体任务为：（1）铸坯和切割机同步运行，平稳，可靠，无滞后现象。（2）在自动状态下，火焰切割设备能够按定尺标准自动完成对铸坯的切割。在手动状态下，完成对非定尺铸坯等复杂铸坯的切割。（3）系统运行稳定可靠，提高测长准确度，稳定性，提高成材率，并且具有控制功能强，操作方式灵活多样的优点。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 36 页2.1.3 铸坯火焰自动切割系统的结构与组成该设计选用火焰切割机，在引进产品的基础上，结合新的工艺要求设计研制的新一代基于计算机技术，集 PLC 和自动控制原理为一体的机电一体化产品。主要结构及工作原理如图 2.1 所示：图 2.1 火焰切割系统结构示意图（1）车架：以液压为动力可横向移动式结构，是切割机的主要承载结构件。（2）割枪小车：由小车架，割枪小车传动装置，平行辊道，割枪夹持器等组成。（3）切割机配管系统：包括车间氧气，乙炔燃气和冷却水管道供应的上述介质经切割机大拖链上软管引入切割机。（4）切割割炬的行程控制装置：割炬小车原位及割炬切割跟踪。在切割小车传动装置的电机输出轴上装有一个光电编码器，用来对割炬小车的行程跟踪计数，在小车的行程的极限位装有两个接近开关来确定小车的原位和前进限位。（5）切割机传动控制：割炬小车传动装置由液压缸带动回原位。 （6）能源介质控制箱及火焰调节：对切割机上除水以外的能源介质的压力，开闭等进行控制。氧气，燃气等介质由拖链上的软管送入能源介质控制箱，经过滤，分路，减压至设定压力值后，通过电磁阀控制输送至各使用点 7。中大型火焰切割机如图 2.2 所示：图 2.2 中 大 型 火 焰 切 割 机本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 36