毕业设计（论文）-基于PLC的矫正剪板机系统设计.doc

江 西 理 工 大 学本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：基于plc的矫正剪板机控制系统设计学 院：电气工程与自动化学院专 业：电气工程及其自动化专业班 级：电气081班学 号：40号学 生： 指导教师： 职称：副教授指导教师： 职称：电气工程师时间：2012年5月摘 要矫正剪板机是目前制造类企业中广泛使用的设备，适用于家用电器、汽车、集装箱、造船等金属板料加工行业。本生产线选用西门子s7-200系列plc作为控制器，使用micromaster440变频器驱动矫正机来矫正板料，使用td400c文本显示器进行生产过程监控。系统设计时，从硬件、软件上采取各种安全措施，充分保证人机安全。控制系统自投入使用以来运行平稳，实践证明，该系统操作简便，性能可靠，准确性高，完全满足生产工艺的要求，提高了生产效率和经济效益。关键词语：plc；变频器；剪板机；文本显示器；液压系统abstractat present,longitudinal and lateral shear automatic production line is widely used in manufacturing enterprises,it applies to household appliances,automobiles，container,shipbuilding and other metal processing industries .the production line uses siemense series plc as a controller，uses the siemense inverter micromaster440 drive leveling machine to leveling materials, uses text display as the monitor the production process. the system security could be guaranteed efficiently by using multi-layered security measure, ensure the operators and machines security.everything has gone well after the production line has put into operation.practice proves that the control system is running stably,function is reliable,it meets the needs of production process，and improves the production efficiency and the economic efficiency.keyword: plc; inverter; shears; digital-analog conversion; hydraulic system目 录第一章 绪论11.1研究的背景和意义11.2国内外研究现状11.3本课题研究内容3第二章 矫正剪板机生产线42.1 总体结构42.2开卷矫正机构62.3剪切机构62.3.1行程开关72.3.2直线位移传感器92.4液压机构92.4.1剪板机液压系统的工作原理92.4.2溢流阀92.4.3三位四通换向阀112.5生产操作过程12第三章 控制系统的硬件设计143.1控制系统组成143.2 逻辑控制框图143.3可编程控制器163.3.1可编程控制器基本概念163.3.2可编程控制器选型163.3.3可编程控制器地址分配173.3.4 em235模块193.4主操作台203.5矫正机系统控制223.5.1矫正辊压下电机电气控制原理223.5.2矫正机控制变频调速23第四章 系统的软件设计274.1step7-microwin32编程软件介绍274.2 plc程序设计284.2.1 plc控制液压泵284.2.2 plc控制矫正机304.2.3 plc控制同步限幅314.2.4矫正机速度314.2.5矫正机工作辊位移324.3文本显示器参数的设定33第五章 系统调试355.1硬件调试355.2软件调试355.3系统试运行35附 录37参考文献44致 谢45江西理工大学2012届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1研究的背景和意义工业技术的进步，使生产制造业的发展呈现出三种明显的趋势。首先，自动化水平越来越高。生产设备从手工到机械，直到自动化。生产率大大提高，生产节奏加快。其次，柔性化水平也越来越高。随着市场竞争的需要，多品种、小批量产品生产日益增多。再次，生产规模不断扩大，专业分工越来越细，生产过程中控制系统的高度自动化要求、产品的质量精度要求都越来越高。在生产制造业中的金属板材制造业，都需要根据尺寸要求对板材进行切断加工，所以剪板机就成为各金属板材制造业使用最为广泛的板料剪断设备。其主要工作任务是对轧线上运动的轧件进行切头、切尾和定尺剪切。在相同的硬件配置条件下，自动化控制水平越高的剪切电气系统，在生产过程中就越能获得更好的效果，更合理的利用能源资源，其获得的经济效益就越大，相反，剪切电气系统设计上的失误，会给生产带来巨大的损失，带来生产成本的增加。因此金属板材制造业对剪板机的各种先进技术便有了以综合应用方式谋求生产过程实现智能化、高自动化、高效能化的高标准要求，这也反映了生产的高科技水平的发展方向。本课题的目的在于设计一套专门针对铜料板材剪切的具有自动化水平的矫正剪板生产控制系统，使其能够更好的满足板料加工的需求，提高生产效率，降低生产成本，增强企业的国际竞争力。1.2国内外研究现状矫正剪板自动生产线是对金属卷料进行开卷、矫正、定尺、剪切的组合加工设备。自60年代以来，剪板机已有较大的发展，其每分钟最大行程次数已从几百次发展到3千次左右，其吨位已从十吨发展到上百吨。目前剪板机主要用在电子、仪器仪表、轻工、汽车等行业中进行特大批量的冲压生产。特别是近年来，汽车、家电等行业的飞速发展，需要大量的薄板材料，而这些材料大都是卷材，这就对剪板生产线产生了很大的需求。 早期的开卷剪切设备多用于单台的普通剪板机，定位误差大、劳动强度大，会带来材料的巨大浪费。开卷自动剪切生产线的主要优点是具有高的生产效率、高的材料利用率、高的自动化程度以及好的产品质量等。目前我国的大部分自动剪切生产线虽然实现了自动化，但仍有部分生产线工艺落后，经常发生一些故障，灵活性差，不利于产品多样化的需求，生产效率和精度不高，且维修困难、设备老化，已经严重影响了经济效益和生产效益，而国外的剪切控制系统价格昂贵，为了在激烈的市场竞争中占据有利地位获得较好的竞争力和经济效益，研制出具有更高自动化程度的剪切生产线对于提高我国自动化水平，改变生产的落后局面具有重要的现实意义，同时提高金属冷轧的精度和效率，也可以提高生产能力，扩大生产规模，降低工人劳动强度，提高产品质量，适应产品在国外市场竞争的需要。 在产品的生产中，实现生产自动化程度对于提高生产率和保证操作安全具有重要意义，同时对于企业的发展也有很重要的作用。通过调研发现，目前流行以下剪切生产线： s-t44系列生产线：主要由开卷机、矫正机、中间输送架、剪板机、落料台等几大部分组成。它能自动地完成金属卷板的开卷、矫正、剪切、落料的全过程。 bs-t44-41800系列自动型生产线：该系列生产线由开卷机、矫正机、中间输送架、剪板机、落料台等部分组成。它能有效地控制板料的跑偏，定长尺寸准确，料头进入矫正后，能自动地完成金属卷板的开卷、矫正、剪切、落料的全过程。除此之外，还可根据用户的要求改变矫正和送料的速度。 国内自动剪切生产线厂家较多，济南二机床集团有限公司、沈阳机床集团、广西机床厂等。国外比较典型的自动生产线是isi的pathfinder 系列和 abb 的dopping 系列，基于6轴的 robot 的柔性自动化系统开始进入市场。伴随着电子技术的发展、联机连线、联网等技术都得到了充分的应用，包括远程诊断、分布式控制技术、总线技术以及计算机控制技术都在自动生产线上得到了一定的应用。近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。在现代工业社会中许多机械由于工艺需要，要求对电动机进行调速。随着大功率电力晶体管和计算机控制技术的发展，变频器被广泛应用于三相交流异步电动机的调速、节能改造、改善生产工艺等。异步电动机调速的基本途径有：改变电动机的极对数 p（即变极调速）、改变电动机的转差率 s（即变转差率调速）和改变电动机的电源频率 f1（即变频调速）,而变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。在我国，北京先行新机电技术有限公司率先研制成功hvf高压大功率直接变换变频调速系统，单机容量已达1015kw，正逐步用于石油化工、冶金钢铁、管理运输等方面。在国外，意大利的罗克韦尔自动化公司生产的a-b变频器已达8500kw，德国西门子公司simovert pgto pwm变频调速设备单机容量为100-900kva等。但是单用变频器实现对电动机的无级调速，可能会由于所需控制开关较多，或者由于需要开关的不同组合而进一步降低实际控制精度，而适时地采用plc控制变频器来完成控制过程，无疑将大大提高控制效率，从而更好地满足系统对于自动控制的要求。在国内外工业自动化控制系统中，有多种多样的plc控制变频器的方式，比如可以利用plc的模拟量输出模块控制变频器，也可以利用plc的开关量输入/输出模块控制变频器。1.3本课题研究内容本课题深入研究了基于plc控制的矫正剪板机电气系统的实现技术，综合运用多方面的自动控制专业知识，同时还结合了计算机、网络数据通讯，数学基础等多方面的知识，对电气传动系统设计、plc系统仿真、干扰与抗干扰设计方面的理论作为深入地研究，并将它们联系起来综合运用。具体研究工作如下：（1）根据对工艺的要求，对比剪板机的传动方式，并进行了详细的原理分析，选择了机械传动和液压传动中的液压传动方式。（2）设计具体操作流程，并进行plc的程序设计。（3）进行整体设备的电气连接。（4）进行系统调试及试验。第二章 矫正剪板机生产线2.1 总体结构整条生产线主要有储料台、上料小车、开卷机（含液压压辊）、矫正机入口夹紧辊（被动）、矫正机入口导位、矫正机、矫正机出口夹紧辊（被动）、活套、液压剪入口夹送辊、液压剪入口导位、液压剪（上动式）、收料平台（含人工定尺）、液压站、电控，如图2-1所示。它们由集中控制的液压系统和电气系统完成各自的动作。图2-1 板材矫正剪切机组工艺简图主要技术参数及技术要求：（1）来料种类：黄铜（软态、半硬态、硬态）（2）材料屈服极限：600mpa.（3）材料抗拉极限：700mpa.（4）来料尺寸规格：最小厚度0.5 mm ，最大厚度2.5mm ；其中正常矫正厚度0.81.5mm（占80%），大于1.5mm的采用降速矫正措施。最小宽度80mm ，最宽度307mm.（5）来料料卷尺寸：内径250300mm，最小外径450mm，最大外径700mm.（6）拉料料卷重量：最小卷重150kg，最大卷重500kg.（7）剪切成品长度：最小长度500mm，最大长度2000mm.（8）机组最大速度：13m/min.（9）矫正速度范围：013m/min.（10）剪切频次范围：2.5mm以下20 次/min，2.5mm以上10次/min.（11）成品剪切毛刺：硬料5%； 软料10%.（12）矫正效果：材料屈服极限600mpa时，25%原板不平度；材料屈服极限200mpa时，17%原板不平度。（13）开卷机：主动开卷；卷筒液压涨缩；压辊液压升降、表面包覆高分子材料（聚氨酯）。上料小车为地下式，液压驱动和垂直升降。储料台为固定式。（14）矫正机入口被动夹紧辊：手动抬升，直径100400mm，表面包覆高分子材料（聚氨酯），弹簧压紧。（15）矫正机参数：辊数17根，四重辊布置；辊径50mm；材质12crmnv；辊身长度400mm；工作辊圆柱度0.01mm。辊缝调整方式为整体摆动式。辊系压下精度0.05mm；辊系水平度0.02mm/m；辊子平行度0.01mm/m。辊子清洁采用人工清洁。出口处安装出口被动夹紧辊，手动抬升，直径100400mm，表面包覆高分子材料（聚氨酯），弹簧压紧。（16）液压剪入口夹送辊：液压升降，液压马达驱动；直径100400mm；表面包覆高分子材料（聚氨酯），弹簧压紧。剪切时，夹送辊停转。剪刃升起后，夹送辊以快于矫正速度将带坯送入剪切机，此速度由操作者手动调整，以消除活套内储料为准。（17）液压剪切机：剪切厚度：0.56mm；剪刃宽度675mm；板材剪切宽度：80360mm；剪切长度2000mm。由主体焊接机构、剪切机构、液压系统、液压站、电控控制系统及人工定尺等部分组成。主体框架采用钢结构焊接，确保整体刚度。剪切机构下刀片为固定式、采用多个螺栓固定于主体框架上，确保牢固剪切时不能移动；上刀片为活动式，由液压杆推动或拉动上下运动，实现往复剪切；上、下刀片侧间隙可调，上刀片活动导轨为滑块式，内侧衬有铜滑块，间隙采用单个螺栓分别调整。刀片进料口处安装弹簧压料装置，压料装置材料为钢材与铜带接触部位衬软质材料，以防划伤带材表面，保证上、下刀片剪切前压住坯料，剪切回程时及时返回。液压油缸易于拆卸维修，完成上、下往复运动。机台上安装控制按钮，配备脚踏控制开关，采用人工控制。（18）收料平台：人工定尺安装于剪板机出口收料平台上。所有与铜材接触部位均有防划伤措施。2.2开卷矫正机构在生产线中，开卷矫正机构用来对金属板料进行开卷和矫正，通过变频器对矫正机进行变频调速来矫正板料，从而保证所剪切的板料的平整性。开卷机是金属板材矫正的专用设备，由液压缸进行驱动，可实现中心位置控制。用于矫正线钢板、不平整板可根据相关配置组成开卷、矫正、剪切生产线和其它板材制品生产线。适用于机械、车辆、金属制品家用电器、钢构、装饰等行业。在本控制系统中，开卷机作为上料的初始端，在设备结构上采用悬臂式的开卷机，其具有刚性好，开卷张力大等优点。矫正机是用来矫正卷材和板材缺陷的精密机械。卷料的内表面相对于未卷制材料的外表面产生一个纵向延伸。此纵向延伸会引起材料横向收缩，从而产生横向翘曲，为了去除材料中的应力，要对板材进行矫正。轧辊矫正的基本原理是使材料各部份有选择性的延伸。在材料屈服点以下，使板材“纤维” 较短的部分按比例伸长，以获得一致的“纤维”长度。它的实现是使材料在通过矫正机床时以较小的曲率半径作循环往复的上下弯曲，使较短的材料“纤维”拉长。当板料朝矫正机床出口方向运动时，上下弯曲的幅度逐渐减小，以消除在机床矫正入口处因剧烈的弯曲所引起的材料变形。因本生产线剪切的板料偏厚且对各种板材厚度要求不一，故该生产线采用相对简单且经济实用的辊轮可调整的平行式矫正机，选用17辊的矫正机，辊轮为上8下9布置。辊轮可调整平行式矫正机的上下两排是互相平行的两列工作辊，上排工作辊可以上下移动，此种矫正机主要用于中厚型板料的矫正。开卷矫正机构的总体结构如图2-2所示，全线自动运行时，开卷机是一个被动机构，靠矫正机的动力来带动开卷机的卷动，将卷料打开。2.3剪切机构目前剪切系统中的剪切主要分为纵向剪切和横向剪切两种类型。纵向剪切是从纵向对板料进行剪切，即将板料分条。横向剪切是从横向对板料进行剪切，将板料剪成一定的长度。根据刀片形状的不同，剪切机可分为平行式剪切机、圆盘式剪切机和飞剪机等几种类型。平行式剪切机主要用于对板料进行横向剪切，圆盘式剪切机的刀片被加工成圆盘状，用于纵向剪切运动着的板料将板料纵向分条。本设计系统采用连续送料，往复式同步动态剪切方式。往复式送料方式的刀具做直线往复运动，采用连续送料，剪切方式为同步动态剪切。旋转式送料方式的刀具做圆周式旋转，采用连续送料，剪切方式为同步动态剪切。往复式和旋转式都是连续送料类型，在剪切板料时的瞬间，刀具与材料是同步运行的。因此是动态剪切，也称“飞剪机”。图2-2 开卷矫正机构的总体结构 飞剪机用于横向剪切运动着的板料，在剪切过程中，刀具随着板料的运动同时将板料定长剪断，一般用来将板料剪切成一定的长度。2.3.1行程开关行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。行程开关按其结构可分为直动式、单轮旋转式和双轮式等，如图2-3所示。 a)-直动式 b)-滚动式 c)-组合式图2-3 行程开关的分类本设计选用单轮旋转式行程开关。单轮旋转式行程开关结构见图2-4 ，当运动机械的挡铁撞到行程开关的滚轮1时，行程开关的杠杆2连同转轴3、凸轮4一起转动，凸轮将撞块5压下，当撞块被压至一定位置时便推动微动开关7动作，使常闭触头断开，常开触头闭合；当滚轮上的挡铁移走后，复位弹簧8就使行程开关各部件恢复到原始位置。1-滚轮2-杠杆3-转轴4-凸轮5-撞块6-调节螺钉7-微动开关8-复位弹簧 图2-4 单轮旋转式行程开关结构图2.3.2直线位移传感器直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。将传感器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求，因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。根据本系统矫正机出入口的运动范围，选择了测量长度为150mm，标准电信号为4-20ma的lwf拉杆式位移传感器。2.4液压机构2.4.1剪板机液压系统的工作原理剪板机按传动方式不同，分为机械传动式和液压传动式。机械剪板机是一种很难实现自动化控制的机器，由于它的工作噪音大对环境的污染也比较的大，它的刀间间隙很难调整，但是价格比较低。液压式剪扳机是一种可以实现自动化控制的机器，由于它是液压油控，它的噪音小工作环境好，它的刀间间隙可以实现自动控制，机械性能好加工精度高，但是价格相对较高。随着工业的不断发展，对机器的工作精度要求越来越高，所以在未来的机械行业中液压式剪板机的上产总值会越来越大，对液压技术的要求越高。而且液压系统是一种可以在市场上直接买到得产品，不需要我们自己设计，这就个我们带来了很大的方便。在设计任务相同的情况液压式剪板机要比机械式剪板机简单很多。因此本系统选用液压系统的剪板机。剪板机液压传动系统原理图如图2-5所示，其原理：按下剪切按钮控制换向阀6推向左位（即左位接入系统），此时活塞在压力油的作用下向下运动，对板料进行剪切加工，当加工完成后，剪刀触碰下位行程开关将阀6手柄推向右位（即右位接入系统），活塞向上运动，即刀片上抬，到了一定位置，剪刀触碰上位行程开关将阀6手柄推入中位，这样活塞就停留在此位置不动。然后剪切第二次时，重复上述操作。2.4.2溢流阀一种液压压力控制阀。在液压设备中主要起定压溢流作用、稳压、系统卸荷和安全保护作用。定压溢流作用：在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的是恒定流量。当系统压力增大时，会使流量需求减小。此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启）。1-油箱 2-粗过滤器 3-液压泵 4-溢流阀5-调速阀 6-三位四通换向阀 7-液压缸 8-剪刀 9-行程开关图2-5 剪板机液压传动系统原理图稳压作用：溢流阀串联在回油路上，溢流阀产生背压运动部件平稳性增加。系统卸荷作用：在溢流阀的遥控口串接溢小流量的电磁阀，当电磁铁通电时，溢流阀的遥控口通油箱，此时液压泵卸荷。安全保护作用：系统正常工作时，阀门关闭。只有负载超过规定的极限（系统压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加（通常使溢流阀的调定压力比系统最高工作压力高10%20%）。溢流阀一般有两种结构：1、直动型溢流阀。2、先导型溢流阀。本设计选用先导型溢流阀，图2-6为先导型溢流阀。压力油自阀体4中部的进油口p进入，并通过主阀芯6上的阻尼孔5进入主阀芯上腔，在油阀盖3上的通道a和锥阀座2上的小孔作用与锥阀1上。当进油口的压力p1小于先导阀调压弹簧9的调定值时，先导阀关闭，而且由于主阀芯上、下两侧有效面积比（a1/a2）为1.051.03，上侧稍大，作用与主阀芯上的压力差和主阀弹簧力均使主阀口闭紧，不溢流。当进油压力超过先导阀的调定压力时，先导阀被打开，造成进油口p井主阀芯阻尼孔5、先导阀口、主阀芯中心孔至阀体4下部出油口（溢流口）t的流动。阻尼孔处的流动损失使主阀芯上、下腔中的油液产生一个随先导阀流量增加而增加的压力差，当它在主阀芯上、下作用面上产生的总压力差足以克服主阀弹簧力、主阀自重g和摩擦力ff时，主阀芯开启。此时进油口p与出油口（溢流口）t直接相通，造成溢流以保持系统压力。1-锥阀（先导阀）2-锥阀座 3-阀盖 4-阀体 5-阻尼孔 6-主阀芯7-主阀座 8-主阀弹簧 9-调压弹簧 10-调节螺钉 11-调节手轮图2-6 先导型溢流阀内部结构图2.4.3三位四通换向阀阀体上有四个主油口，分别是p、t、a、b。其中，p接液压泵，t接油箱，a和b分别接执行元件的两个主油道。主阀芯三个位置，分别是正向，反向和中位，不同的系统对中位有不同的要求。阀芯靠弹簧回位。在阀体的两端分别有两个先导控制接口，可以实现对主阀的远程控制。中位时p、t、a、b互不想通。如图2-7所示。图2-7 三位四通换向阀中位结构图当k2给出先导压力信号时，主阀芯向左运动，p和b接通，同时a和t接通回油。如图2-8所示。图2-8 k2给出先导压力的阀内流通图当k1给出先导压力信号时，主阀芯向右运动，p和a接通，同时b和t接通回油。如图2-9所示。图2-9 k1给出先导压力的阀内流通图2.5生产操作过程矫正剪板机设备布局如图2-10所示。（1）打开电控柜上的电源总开关，接通主操作台上的电源开关，启动液压系统的油泵，此时主操作台上的工作状态为非联动工作方式。（2）抬起开卷机的液压压辊。（3）使用上料小车把板料装载进卷筒上。（4）涨紧开卷机卷筒，以至板料固定在卷筒上为止。（5）压下液压压辊，剪断捆扎带。（6）确定板料剪切长度，调节定位挡板。（7）在文本显示器上根据板料的厚度调节十七辊矫正机上下辊之间的距离等参数。（8）按下矫正自动按钮，生产线进入连续运行状态。在自动运行时，应注意适当调节矫正机速度和送料速度。（9）板料穿过过料平台的活套托辊，准备剪切。（10）板料穿过剪板机入口，抵住定位挡板，这时按下剪切按钮，剪板机刀刃向下剪切。1-开卷机 2-十七辊矫正机 3-过料台 4-剪切机5-剪后平台 6-电控系统 7-液压系统图2-10 矫正剪板机设备布局图第三章 控制系统的硬件设计3.1控制系统组成根据剪板机生产线的要求，控制系统主要由一下几部分组成：（1）可编程控制器（plc）一台。plc获取外部各种信号。（2）文本显示器一台。文本显示器用来将设备的动作信息反映给用户。通过文本显示器，用户可以方便地看到控制系统当前的工作状态，如当前的送料速度、报警信号等，从而对各种事件做出相关的动作，使系统更好地协调运行。（3）变频器一台。在变频器上设置相应的参数，接收从plc送来的信号，根据控制要求控制交流异步电机的转速，从而实现对卷料的矫正，是矫正机的核心机构。（4）行程开关、位移传感器、电机等设备。控制系统的结构如图3-1所示。控制面板文本显示plc剪切机液压及电磁阀开卷机变频器异步电动机图3-1 控制系统结构图3.2 逻辑控制框图逻辑控制框图主要是设备初始上电后，设备的运行情况判断，当设备处于故障报警状态时，需要人工检查设备，或者设备没有具备自动运行的命令，人工进行干预的条件。开始设备ok？no设备运行方式？报警指示设备选中？设备运行？设备运行？手动运行指令自动运行指令急停？急停？设备运行设备停车结束设备停车yesnonononoyesyesyesnoyesyes手动自动 图3-2为逻辑控制框图，当系统处于报警或者为准备好时，系统给出报警信息，如果系统处于准备好状态，操作人员可对设备进行相应的工艺流程的操作。图3-2 逻辑控制框图3.3可编程控制器3.3.1可编程控制器基本概念 可编程逻辑控制器（programmable logic controller，plc），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，并通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。 可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源、中央处理单元(cpu)、存储器、输入输出接口电路、功能模块和通信模块。可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。（1）系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的pid回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如ddc和dcs等，实现生产过程的综合自动化。（2）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。（3）能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。3.3.2可编程控制器选型可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按cpu字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型可编程逻辑控制器的i/o点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型可编程逻辑控制器提供多种i/o卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的i/o点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。本设计系统属于小型控制系统，需要21个输入点和13个输出点，西门子s7-200系列plc适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。s7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此s7-200系列具有极高的性能/价格比。cpu 226集成24输入/16输出共40个数字量i/o 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量i/o 点或35路模拟量i/o 点。13k字节程序和数据存储空间。i/o端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。综合cpu 226 cn的特点和比较本系统的输入输出点要求，选用cpu 226 cn具有很高的性价比。3.3.3可编程控制器地址分配本设计系统共有21个输入和13个输出，输入输出地址分配参照表3-1和表3-2，模拟量地址分配参照表3-3。plc总体电气接线如图3-3所示。表3-1 输入点地址分配序号输入点地址分配1i0.2液压泵启停2i0.3矫正启停3i0.4矫正入口微调升4i0.5矫正入口微调降5i0.6矫正出口微调升6i0.7矫正入口微调降7i1.0矫正快升8i1.1矫正快降9i1.2手动10i1.3自动11i1.4矫正正点12i1.5矫正反点13i1.6矫正加速14i1.7矫正减速15i2.0计数清零16i2.1剪切17i2.2故障复位18i2.3急停19i2.4变频故障20i2.5剪切上限位21i2.6剪切下限位22i2.7备用表3-2 输出点地址分配序号输出点地址分配1q0.0溢流阀2q0.1液压剪刀剪切3q0.2液压剪刀打开4q0.3液压泵启停及指示5q0.4入口压下升6q0.5入口压下降7q0.6出口压下升8q0.7出口压下降9q1.0故障指示10q1.1矫正变频使能+指示11q1.2矫正正点12q1.3矫正反点13q1.4故障复位表3-3 模拟量地址分配序号模拟量地址分配1aiw0入口位移2aiw2出口位移3aqw0控制变频器速度信号图3-3 plc总体电气接线图3.3.4 em235模块em235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的输入量程和分辨率。em235的常用技术参数如表3-4所示。表3-4 em235的常用技术参数模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010v 05v 01v 0500mv 0100mv 050mv 电压（双极性）10v 5v 2.5v 1v 500mv 250mv 100mv 50mv 25mv电流020ma数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位a/d转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 10v 电流输出020ma数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位dip开关sw6决定模拟量输入的单双极性，当sw6为on时，模拟量输入为单极性输入，sw6为off时，模拟量输入为双极性输入。sw4和sw5决定输入模拟量的增益选择，而sw1，sw2，sw3共同决定了模拟量的衰减选择。本设计em235模块的dip开关设置为100001，即sw1和sw6为on，sw2、sw3、sw4和sw5为off，量程为0到20ma，分辨率为5a。em235线路连接和dip开关设置如图3-4所示。图3-4 em235线路连接和dip开关设置3.4主操作台主操作台负责全线操作的运行。在文本显示器上可设定和显示参数以及故障信息等。操作台电气配电线路原理如图3-5所示。主操作台上的操作面板如图3-6所示。图3-5 操作台电气配电线路原理图图3-6 主操作台上的操作面板各按钮详细功能如下：（1） 卷筒 涨/缩：控制开卷机卷筒的涨缩。（2） 压辊 压/抬：控制开卷机上方的压辊正转和反转。（3） 马达 正/反：控制开卷机卷筒的正转和反转。（4） 对中 退/进：控制开卷机横向进退，调节板料入口位置。（5） 矫正 手动/自动：手动可实现设备单独运转，自动可实现整机联动。（6） 矫正机启停：启动/关闭矫正机。（7） 矫正机 正/反：控制矫正辊正反转。（8） 机组速度 加速/减速：控制矫正辊转动速度。（9） 入口左微调/右微调：调节入口的上下距离。（10） 出口左微调/右微调：调节出口的上下距离。（11） 快速升/降：整体调节上排矫正辊的位置。（12） 故障复位：对控制系统进行复位。（13） 液压泵启/停：控制液压泵的启停。（14） 急停：切断控制回路，禁止输出。（15） 计数清零：清零剪板数量的计数。（16） 剪切：控制剪切机刀具的剪切。3.5矫正机系统控制3.5.1矫正辊压下电机电气控制原理本系统的矫正机由两台0.75kw的三相异步电动机分别控制矫正工作辊的出口和入口距离。由图3-7可知，km5控制入口矫正辊上升，即控制矫正辊压下电机1的正转，1km5控制入口矫正下降，km6和1km6分别控制出口矫正上升和出口矫正下降。图3-7 矫正辊压下电机电气控制原理3.5.2矫正机控制变频调速本系统采用micromaster440变频器，驱动矫正机来矫正变频器功能参数设置与操作。（1）micromaster440系列变频器micromaster440是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，额定功率范围从120200kw（恒定转矩（ct）控制方式），或者可达250kw（可变转矩（vt）控制方式）供用户选用。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（igbt）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护micromaster440 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于 micromaster440具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后它也可用于更高级的电动机控制系统。 micromaster 440 既可用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统中。（2）利用基本操作面（bop）进行操作利用基本操作面（bop）可以改变变频器的各个参数。为了利用bop设定参数，必须首先拆下状态显示屏(sdp)，并装上（bop）。bop具有7段显示的五位数字，可以显示参数的序号和数值，报警和故障信息，以及设定值和实际值。参数的信息不能用bop存储。表3-5 表示采用基本操作面板（bop）操作时变频器的工厂缺省设置。表3-5 用bop操作时缺省设置参数说明缺省值，欧洲（或北美）地区p0100运行方式，欧洲/北美50hz,kw(60hz,hp)p0307功率（电动机额定值）kw(hp)p0310电动机的额定功率50hz(60hz)p0311电动机的额定速度1395(1680)rpm决定变量p1082最大电动机频率50hz(60hz)在缺省设置时，用bop控制电动机的功能是被禁止的。如果要用bop进行控制，参数p0700应设置为1，参数p1000也应设置为1。变频器加上电源时，也可以把bop装到变频器上，或从变频器上将bop拆卸下来。如果bop已经设置为i/o（p0700=1）在拆卸bop时变频器驱动装置将自动停车。基本操作面板上的按键及其功能说明如表3-6所示。表3-6 操作面板上的按键说明显示/按钮功能功能的说明状态显示lcd显示变频器当前的设定值。起动变频器按此键起动变频器。缺省值运行时此键是被封锁的。为了使此键的操作有效，应设定p0700 = 1。停止变频器off1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车.缺省值运行时此键被封锁；为了允许此键操作，应设定 p0700 = 1。off2：按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车。改变电动机的转动方向按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号(表示或用闪烁的小数点表示。缺省值运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定p0700 = 1。功能此键用于浏览辅助信息。变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动 2秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中，从任何一个参数开始）：1. 直流回路电压（用 d 表示 单位：v）2. 输出电流（a）3. 输出频率（hz）4. 输出电压（用 o 表示 单位：v）。5. 由 p0005 选定的数值（如果 p0005 选择显示上述参数中的任何一个（3，4，或 5），这里将不再显示）。连续多次按下此键，将轮流显示以上参数。跳转功能在显示任何一个参数（rxxxx 或pxxxx）时短时间按下此键，将立即跳转到r0000,如果需要的话，您可以接着修改其它的参数。跳转到 r0000后，按此键将返回原来的显示点。访问参数按此键即可访问参数。显示/按钮功能功能的说明增加数值按此键即可增加面板上显示的参数数值。减少数值按此键即可减少面板上显示的参数数值改变电动机的转动方向按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号（）表示或用闪烁的小数点表示。缺省值运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定p0700 = 1。用bop可以修改和设定系统参数。是变频器具有希望的特性。选择的参数号和设定的参数值在五位数字的led上显示。其中：rxxx表示只读参数；pxxx表示设定的参数。p100表示启动快速调试（被访问后必须设0）。如果p3900大于0，这一功能是自动完成的。p004的功能是过滤参数。变频器有四个访问级：标准访问级、扩展级；专家访问级和维修级。通常只用前两个。现以改变参数p0307的数值为例，说明修改参数的步骤如表3-7 所示。本设计的变频电机参数如表3-8所示。表3-7 修改参数电机额定功率p0307的步骤操作步骤显示结果按访问参数r0000按直到显示出p0307p0307按进入参数数值访问级0按或达到所需要的值18.5按确认并存储参数的数值p004表3-8 变频电机参数设置参数号出厂值设置值说明p000311设用户访问级为标准级p001001快速调试 p010000工作地区：功率以kw表示，频率为50hzp0304230380电动机的额定电压（v）参数号出厂值设置值说明p03053.2534电动机的额定电流（a） p03070.7518.5电动机的额定功率（kw）p030800电动机额定功率因数（由变频器内部计算电机的功率因数） p03105050电动机额定频率（hz） p031101450电动机的额定1450r/min(3)变频器电气控制mm440变频器有两个模拟量输入an1+、an1-和an2+、an2-，有六个个数字量输入dn1到dn6，另外还有两个模拟量输出。在本系统只需要一个速度给定信号的模拟量输入，由em235模块的模拟输出给定；和正向启动停止、故障复位、正点和反点四个数字量输入；和电机电流反馈与电机速度反馈两个模拟量输出，作为em235模块的模拟量输入。本系统所用的变频电机的额定功率为18.5kw，额定电流为34a，在制动电阻的选型上，根据公式3-1可计算出制动电阻。 r=u/i （ 3-1）u一般为710v-750v（制动单元动作电压），各个厂家不太一样，这里选取735v考虑。通过计算得出制动电阻选用27，电气接线如图3-8所示。图3-8 变频器电路接线图第四章 系统的软件设计4.1step7-microwin32编程软件介绍step7-microwin32编程软件可在个人计算机上提供西门子s7-200系列plc的编程环境。有梯形图(lad)、语句表(stl)、和功能块图(fbd)三种程序编辑器供用户选择，可以实现程序的输入、编辑、检索功能，也可以在线作系统监控及故障检测。可方便地实现程序的上载及下载。图4-1是step7-microwin32的编程界面。图4-1 step7- microwin32的编程界面界面一般可以分成以下几个区：标题栏、菜单条（包