工业控制网络课程设计-基于NetLinx网络的张紧辊带钢张力控制系统设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 工业控制网络工业控制网络 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：基于基于NetLinxNetLinx网络的张紧辊带钢张力控制系统设计网络的张紧辊带钢张力控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化071071 学学 号：号： 070302020070302020 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2010.12.29-2011.1.72010.12.29-2011.1.7 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号070302020学生姓名赵 为专业班级自动化071 课程设计 （论文） 题目 基于NetLinx网络的张紧辊带钢张力控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能：课题完成的功能： 带钢张力是在冶金过程中的重要被控对象，张紧辊是实现张力控制的重要设备。以由 4 个辊子组成的 张紧辊为例，进行分布式控制系统的设计。该控制系统应应完成以下功能： 1、完成辊子的启停控制，启动 1#辊子，1 秒后，2#辊子自动启动；再 1 秒后，3#辊子自动启动，再 1 秒后，4#辊子自动启动；停止 4#辊子，1 秒后，3#辊子自动停止，再 1 秒后，2#辊子自动停止，再 1 秒 后，1#辊子自动停止； 2、完成带钢张力的控制程序。3、设计监控画面的功能。 设计任务及要求：设计任务及要求： 1、控制系统采用罗克韦尔公司的NetLinx三层网络； 2、完成 Ethernet, ControlNet, DeviceNet网络结构的配置和规划； 3、完成方案设计和I/O分配表； 4、完成硬件设计和软件编程； 5、离线运行分析；6、撰写课程设 计论文 技术参数：技术参数： 1、张力设定值在 1800-2200N； 2、电动机的额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450rpm。 进度 计划 1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2 天） ；2、设计系统的结构原理图（1 天） ； 3、仪表、控制系统等设备的选型（1 天） ；4、程序开发（4 天） ；5、撰写课设论文（1.5 天） ； 6、设计结果考核（0.5天） ； 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） 摘 要 带钢张力是冶金过程中的重要被控对象，各种带钢连续处理机组(如连续酸 洗、退火、各种镀涂层、精整等机组),对带钢的张力都有严格的要求,同时合适 的带钢张力也是保证带钢高速、稳定运行的基本条件，因此,本文着重介绍了保 障带钢张力的关键设备张紧辊。 张紧辊的设计型式分为二辊式、三辊式和四辊式，根据任务要求本课程设计 采用四辊式控制系统来控制带钢张力。设计的主体思路是：首先在 PC 机中编写 控制程序，将程序下载到 PLC 中，然后用 PLC 控制电动机（包括电动机的正序 启动和逆序停止） ，因为电动机带动和控制着张紧辊，所以实现了对张紧辊的启 停控制。不仅如此，本次课设中还设计完成了 PID 控制系统以及设计张紧辊带钢 张力控制系统的监控画面。 另外本次课设采用的控制网络是 NetLinx 网络中的 DeviceNet(设备网)， DeviceNet 的传输速率是 125Kbps,满足了控制系统的实时性要求。 关键词：带钢张力；张紧辊；PLC；DeviceNet 本科生课程设计（论文） 目 录 第 1 章 绪论.1 第 2 章 课程设计的方案.2 2.1 概述 .2 2.2 系统组成总体结构 .2 第 3 章 硬件设计.4 3.1 硬件选型 .4 3.2 硬件组态 .5 第 4 章 软件设计.10 4.1 软件组态 .10 4.2 PID 控制算法 .11 4.3 监控画面 .11 4.4 程序流程 .12 4.5 梯形图程序 .13 第 5 章 系统测试与分析.14 第 6 章 课程设计总结.17 参考文献.18 附录.19 本科生课程设计（论文） 0 第 1 章 绪论 随着工业技术的发展，微机技术的突飞猛进,先进的设备和技术的开发使得 冶金行业在最近几年得到了突飞猛进的发展，但尽管如此,国内高速的、运行平 稳的机组绝大部分是引进的,而完全国产的这类机组的速度较低,生产带钢品质也 低,有些机组无法稳定运行、甚至影响带钢的板形等等,这种状态的形成与国内目 前缺少对张紧辊等这类设备的理论和实践研究不无关系。因此,针对张紧辊的研 究尤为必要。 在控制网络方面，本文选取了 NetLinx 网络中的 DeviceNet(设备网)作为主体 控制网络。它具有以下特点： DeviceNet 将低层工业设备连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本，直 接互连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是 通过硬接线 I/O 接口很难实现的。同时，DeviceNet 是一种简单的网络解决方案， 它在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化 设备的成本和时间。 DeviceNet 协议最基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交换。 因此，这种通信是基于面向连接的（点对点或多点传送）通讯模型建立的。这样， DeviceNet 既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。 正因如此，利用 DeviceNet 构成的系统除了具有卓越的性能外，更是企业技 术改造和产品更新换代的必要网络系统，本文结合了 DeviceNet、张紧辊控制技 术、PLC 技术等技术对带钢张力的控制作以合理分析。 本科生课程设计（论文） 1 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 在钢的轧制过程中，热轧和冷轧都是型钢或钢板成型的工序，热轧和冷轧的 主要区别是： 1冷轧成型钢允许截面出现局部屈曲，从而可以充分利用杆件屈曲后的承 载力；而热轧型钢不允许截面发生局部屈曲。 2热轧型钢和冷轧型钢残余应力产生的原因不同，所以截面上的分布也有 很大差异。冷弯薄壁型钢截面上的残余应力分布是弯曲型的，而热扎型钢或焊接 型钢截面上残余应力分布是薄膜型。 3热轧型钢的自由扭转刚度比冷轧型钢高，所以热轧型钢的抗扭性能要优 于冷轧型钢。 在冷轧中需要检查和控制带钢张力，而在热轧中不需如此。而控制带钢张力 的设备主要是张紧辊，俗称张力辊，张紧辊组的作用是在带材的连续生产线上实 现张力的分隔和调节。张紧辊工作原理：带钢包绕在张力辊上，在其包绕接触处 （即包角处）产生摩擦力，使出口与入口产生张力差，由此改变张力辊入口或出 口带钢的张力值，对机组实现张力控制。 另外，由于本课程设计是以辽宁工业大学罗克韦尔实验室的设备为实践基础， 所以对罗克韦尔三层控制网络进行详尽了解，罗克韦尔三层网络包括信息网 （EtherNet/IP） 、控制网（ControlNet）和设备网（DeviceNet） 。信息网就是应用 于自动化领域的以太网技术，是连接控制室和集团内部网的桥梁；控制网是一种 开放的现场总线，用于连接底层控制设备和以太网等；设备网是三层网络的最底 层网络，用于控制网络和底层设备的连接。 2.2 系统组成总体结构 综合 2.1 节所述的带钢张力的受控原理和本次课程设计的设计要求，再结合 所学的知识，设计了如下的控制系统： 首先在 PC 机中编制梯形图程序，将调试好的控制程序下载到 PLC 中；然后 利用 PLC 输出控制电动机的启动和停止；电动机控制着张紧辊，所以张紧辊间接 地受控于 PLC。系统组成结构示意图如图 2.1 所示。 本科生课程设计（论文） 2 PC 机编程PLC电动机张紧辊变频器 图 2.1 系统组成结构图 对张紧辊的控制要求是：一定条件下，张紧辊正序启动，逆序停止，即启动 1#辊子，1 秒后，2#辊子自动启动；再 1 秒后，3#辊子自动启动，再 1 秒后，4# 辊子自动启动；停止 4#辊子，1 秒后，3#辊子自动停止，再 1 秒后，2#辊子自动 停止，再 1 秒后，1#辊子自动停止。 另外，本课程设计是基于辽宁工业大学 Rockwell 自动化工业控制网络实验室 中的 DeviceNet（设备网）进行系统的拟建，其中 PLC 为 ControlLogix5561,为系 统的核心部件。 本科生课程设计（论文） 3 第 3 章 硬件设计 3.1 硬件选型 硬件部分，分别对 PLC、电动机、变频器等进行型号选择。 1.PLC 选型：PLC 控制器选用美国罗克韦尔公司的 ControlLogix ControlLogix 具有以下优点： .适合顺序、过程、传动、运动控制的模块化高性能控制平台 每个 Controllogix 控制器可以执行多个控制任务，减少需要的控制器数量， 这样，解决故障更快。可以分别出发几个周期性任务以达到更高的性能水平。 .可以在一个机架上使用多个处理器、通讯模块和输入输出模块 Controllogix 处理器、输入输出模块、通讯模块就像网络上的智能节点。 .通用的编程环境和 Logix 控制引擎。Controllogix 与 CompactLogix、FlexLogix、SoftLogix、DriveLogix 都是基于通用 Logix 平台建 立的，它们具有通用的编程环境和 Logix 控制引擎。 .连接到 NetLinx 开放式网络 从设备到车间再到信息管理层，Controllogix 高度支持三层网络通讯。 2.电动机选型：三相异步电动机选用西安电机场的 Y180L-4X 型电动机，它 的额定功率是 22KW，额定电压为 380V，频率电流 7A,额定转速为 1470r/min,功 率因数 0.86。电动机的实物图如图 3.1 所示。 图 3.1 电动机实物图 本科生课程设计（论文） 4 3.变频器选型：拟建控制系统过程中，选用了美国罗克韦尔公司的 PowerFlex40变频器，它体积小巧，使用方便。对变频器的相关参数设定如下：显 示面板中的d表示查看变频器的参数；p表示编程；A表示高级编程；F表示故障显 示。根据调速要求，必须通过设置p36，p38两个参数为5，即选择变频器为通信 口进行控制；p39和p40设置为5，即加减速时间为5秒。PowerFlex40变频器实物图 如图3.2所示。 图 3.2 PowerFlex40 变频器实物图 4.张力传感器：张力传感器也叫张力检测器，是张力控制过程中，用于测 量卷材张力值大小的仪器。 根据要求选择 蚌埠市胜通电子测控系统有限责任 公司的 SUPB 轴式张力传感器，量程在 500N 至 15000N 之间，满足了设计的需 要。 3.2 硬件组态 1.建立 I/O 点分配表 1756-DNB模块I/O点分配表如表3.1所示 表3.1 1756-DNB模块I/O配置 地址功能 Local:3:O.Data0.0停止 Local:3:O.Data0.1启动 Local:3:O.Data0.3清错 Local:3:O.Data0.16频率设定 1756-IB16D模块I/O分配表如表3.2所示 本科生课程设计（论文） 5 表3.2 1756-IB16D模块I/O配置 地址功能 Local:5:I.Data0.0停止 Local:5:I.Data0.1启动 Local:5:I.Data0.3清错 Local:5:I.Data0.16频率设定 PowerFlex40p-c模块I/O分配表如表3.3所示 表3.3 1756-OB16D模块I/O配置 地址功能 AB:PowerFlex40P_Drive_8Bytes:I:0变频器设定频率 AB:PowerFlex40P_Drive_8Bytes:I:1变频器输出频率 2. 控制模块选择 控制模块如图3.3所示 图3.3 控制模块 在上图中选择了0号模块Logix5561和3号模块1756-DNB和5号模1756-IB16D 以及7号模块1756-OB16D,满足了控制和扩展要求 本文选用了辽宁工业大学RockWell实验室的DeviceNet模块，其实物图如图 3.4所示。 本科生课程设计（论文） 6 图 3.4 DeviceNet 模块实物图 3.配置 I/O 组态 本课程设计用了 1756-DNB 模块、1756-IB16D 模块、1756OB16D 模块和， 需对这几个模块进行配置。 在工程目录列表中选择 I/O Configuration，点击鼠标右键，选择 New Module，弹出 I/O 配置对话框，只勾选 Communication 选项，工程目录图如图 3.5 所示。 图3.5 工程目录图 需要注意的是，在配置 1756-DNB 模块时，其起始槽号是 0，但本实验的 1756-DNB 模块均配置在 3 槽，然后点击 Next 按钮，在出现的对话框中点击 Browse 按钮，载入在 DeviceNet 网络配置步骤中保存的 dnt 文件。 同理配置 1756-IB16D 模块、1756-OB16D 模块等。 4. 组建DeviceNet网络 利用 RSLinx 软件配置驱动程序 RSLinx 是在 Microsoft、WinNT 以及 Win9X 操作系统下建立网络所有通信方 案的工具。启动 RSLinx 后， 添加 TCP 驱动程序,填入 IP 值，将 RSLinX 置于后 台运行，然后可以启动其它软件。添加驱动如图 3.6 所示。 本科生课程设计（论文） 7 图3.6 RSLinx添加驱动图 . 配置 DeviceNet 网络 RSNetWorx For DeviceNet 是 32 位网络组态工具软件，RSNetWorx 提供了一 个图形化的网络视图，并具有在线和离线组态的功能。 首先启动 RSNetWorx For DeviceNet 软件，浏览 DeviceNet 网络设备，查找在 RSLinx 中所配置的驱动设备，点击 OK 按钮确定所选 DeviceNet 网络设备并显示 详细信息，如图 3.7 所示。 图3.7 DeviceNet网络上的设备 由图 3.7 可见，设备网上挂接的设备有 PowerFlex40 变频器和 1756-DNB 模 块，并可知变频器在节点 2 位置。 然后分别双击图 3.7 中的 PowerFlex40 变频器和 1756-DNB 模块的图标，设 置变频器和 1756-DNB 模块的相关参数然后将参数上载到设备中。如图 3.8 所示。 本科生课程设计（论文） 8 图 3.8 上载参数 本科生课程设计（论文） 9 第 4 章 软件设计 4.1 软件组态 1.配置RSLogix5000工程项目 进入 RSLogix5000 软件，打开操作界面，点击新建工程项目，在随后弹出的 对话框(New Controller)中选择处理器型号为 1756-L62 Logix5561,槽号（Slot） 选择 0 槽,其他选项默认即可，点击 OK 确认。如图 4.1 所示。 图 4.1 新建 RSLogix5000 工程项目 2.编制 Controllogix 控制程序 打开图 3.4 所示的 TasksMainTaskMainProgram 前面的+号，在下拉列表 中选择 MainRoutine 双击，在右侧显示梯形图编辑界面，根据要求在梯形图编辑 界面编制控制程序，并将程序下载程序到 PLC 中，如图 4.2 所示。 图 4.2 编制程序 本科生课程设计（论文） 10 3.操作并观察现象 到控制面板上按下启动按钮，观察频率变化和三相异步电机转动情况；按动 停止按钮，观察变频器是否停止工作。 4.2 PID 控制算法 本次设计采用基于速度调节的张力控制算法。 张力控制器采用 PI 算法： dttktktv t lplee )()()( 0 1 1 1 )()()( 1 tFtFt spe )()(tvvtv msp 其中为速度的调节量，为速度设定值，为主速度，和分)(tv)(tvsp m v pl k 1l k 别为张力控制器的比例系数和积分系数，为张力设定值，F(t)为张力实际值。)(tFsp 速度控制器采用 PI 算法： rst r m e i L L pT sm r m r i PT L 1 r R r R L T sm st sm st r s i i P i i T 1 其中为电机电磁力矩，为定转子等效绕组间的互感，为定子电流的分 e T m L st i 量，定子电流的另一个分量，为转子等效绕组的自感，为转子总磁链， sm i r L r 为转子电磁时间常数，为转子电阻，P 为微分算子，p 为极对数，为电机 r T r R s 转差角频率。 4.3 监控画面 监控画面用昆仑公司的组态软件 MCGS 绘制，在监控画面中设置了电动机的 实时转速、带钢张力设定值和实时带钢张力等。监控画面如图 4.3 所示。 本科生课程设计（论文） 11 图 4.3 监控画面 4.4 程序流程 根据设计要求，绘制了梯形图编制流程图，张紧辊（电动机）的启停逻辑流 程如图 4.4 所示。 本科生课程设计（论文） 12 图 4.4 张紧辊启停控制流程图 Y Y Y Y N N Y N Y N 是否启动 1#辊启动 1S？ 2#辊启动 1S？ 3#辊启动 4#辊启动 开 始 1S？ N Y N Y N 是否停止 4#辊停止 1S？ 3#辊停止 1S？ 2#辊停止 1#辊停止 开 始 1S？ N 本科生课程设计（论文） 13 4.5 梯形图程序 根据设计要求编制了梯形图控制程序，经过反复的调试和分析，最终编制了 完整的程序，梯形图程序见附录。 本科生课程设计（论文） 14 第 5 章 系统测试与分析 经过以上拟建控制系统的完成，经过程序离线运行，可知所设计的系统基本 达到设计要求，由于实验设备原因，在现场只模拟出三个张紧辊的启停控制，实 际的效果如图 5.1 至 5.7 所示。 图 5.1 起始状态 图 5.2 1#辊启动模拟 本科生课程设计（论文） 15 图 5.3 2#辊启动模拟 图 5.4 3#辊启动模拟 图 5.5 3#辊停止模拟 本科生课程设计（论文） 16 图 5.6 2#辊停止模拟