（机械设计及理论专业论文）铸铁水平连铸同步切割机自动控制的设计与研究.pdf

摘要 论文题目：铸铁水平连铸同步切割机自论文题目：铸铁水平连铸同步切割机自 动控制的设计与研究动控制的设计与研究 学科名称：机械设计及理论学科名称：机械设计及理论 论文作者：任论文作者：任 亚亚 宏宏 签名：签名： 指导教师：薛指导教师：薛 隆隆 泉泉 教授教授 签名：签名： 答辩时间：答辩时间：2004 年年 3 月月 摘摘 要要 铸铁水平连铸是一种先进的毛坯生产工艺， 由于铸铁水平连铸型材具有组织 致密、石墨细小、综合机械加工性能好，在工业发达国家得到广泛的应用。 本文主要对 zsl02 型铸铁水平连铸系统的同步切割机的操作过程进行了 自动控制的设计与研究。首先分析切割机过程的主要动作步骤，根据实际生产的 需要，确定出控制方案，选择可编程控制器作为控制设备。其次确定出需要控制 的部件及其相互之间的动作顺序，根据控制的要求确定出输入输出点数，由此选 择可编程控制器的型号。 然后设计了控制系统的组成方案， 制定出控制系统的软、 硬件设计方案。最后根据设计出的控制程序流程图确定工作方式，并开发出控制 程序。 触摸屏是最新推出的接口设备，是为 plc 的应用而设计的小型工作站，它 采用全封闭式面板，非常适合铸造行业这种粉尘多、环境恶劣的场合。 本文在完成自动控制的基础上, 用组态王软件设计出触摸屏菜单，并将牵引 机和切割机控制系统的菜单设计在同一个触摸屏内。操作人员通过触摸屏菜单， 将工艺参数输入后并传送给可编程控制器， 可编程控制器将这些信息处理后控制 生产工艺，完成生产过程。 关键词关键词：铸铁水平连铸，同步切割机，可编程控制器，触摸屏，组态王 abstract design and research of automatic control on synchronization cutting mechanism of cast iron horizontal continuous caster candidate：ren yahong signature： supervisor：xue longquan signature： abstract abstract cast iron horizontal continuous caster is a advanced rough cast production technology. the products produced by cast iron horizontal continuous caster has the feature of compact structure , fine graphite .so it has a good performance of machining property ,and it has been used widely in developed country . this paper mainly designs and deals with the automatic control over the cutting mechanism of the cast iron horizontal continuous caster of zsl-02 . firstly, the main operation consequence of the cutting mechanism is analysed , the project of controlling system which is plc, can be determined based on the actual requirement. secondly, the parts and their action sequences can be given , and the input point and output point could be determined ,so the type of plc can be selected. thirdly, the composition of controlling system are designed , the hardware and software then can be developed .finally the working ways and the controlling program can be implemented based on the flow chart. touch panel is a latest interface equipment and a minitype workstation for the appliance of plc . it makes panel completely occluded and suits the environment of cast iron industry .in addition ,the paper designs the menu of touch panel which is designed using the kingview. the menu which controls drawing mechanism and cutting mechanism can be arranged into the same touch panel. operator can transmit the crafts parameter to plc which can control the production process . key words ：cast iron horizontal continuous caster, synchronization cutting mechanism, programmable controller , touch panel , kingview 第一章 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 水平连铸系统简介水平连铸系统简介 铸铁型材水平连铸已有近 50 年的历史，这种材料具有致密性高， 尺寸精度高、热稳定性好、耐磨等十分优良的综合机械性能，是砂型 铸造无法比拟的。其中，用球铁型材加工的零部件经热处理后可获得 各种工程要求的机械性能。由于连铸生产条件下的型材冷速是普通砂 型铸造的 30 倍，在高碳当量情况下获得无石墨漂浮、高球化级别、球 径细小的石墨组织，因此十分有利于获得室温下组织和性能都稳定的 “奥贝”组织 【1】 。 铸铁型材的推广应用对提高机械工业整体水平，特别是提高基础件的质量， 无疑具有十分重要的意义。在欧美等发达国家，铸铁型材的应用已经相当广泛， 在我国目前仍处于起步和推广阶段。 国外众多工业发达国家在各个领域已广泛应 用铸铁型材，主要应用在机床、液压、气动、纺织及印刷等通用机械、模具、汽 车及动力、制冷等行业，并且，这些国家在使用铸铁型材代替砂型铸铁、钢、铜 基合金等材料的过程中已经取得了良好的效果 【2】 。 20 世纪 70 年代末， 一些国家开发了水平连铸机 （hcc） 。 根据 1992 年统计，世界上共有水平连铸机约 60 台。铸铁水平连铸机铸造技术最 早起源于 50 年代末的瑞士， 1958 年瑞士的 wertli 公司设计并制造首台 短结晶密封式水平连铸机，次后美国、日本、前苏联等国家相继引进 了此项技术。 19581962 年期间瑞士的 wertli 公司先后向 20 多个国家 出口了 130 多台水平连铸机。目前，美、日等发达国家铸铁型材的年 产量约达 45 万吨。型材的截面尺寸，由较小到较大的都可以生产。 材质品种也由当初的普通铸铁，发展到球墨铸铁、合金铸铁、白口铸 铁等，截面形状也由原来的圆形、矩形向异型发展。 水平连铸机是由钢包架（或钢包回转台） 、中间包车、中间包、结 晶器、拉坯机、切割机、引锭杆、铸胚辊道、翻钢机（或拉缸机） 、冷 西安理工大学硕士学位论文 2 床和拉缸机组成。 水平连铸机的主要优点如下： 水平连铸机从结晶器到拉坯机，切割机都设在一条水平线上， 可以减低厂房高度，工程建设费用低。 中间包可采用较大的水口内径，以消除水口结瘤。 无需控制结晶器内液面高度，并不需加保炉渣，操作简单，节 省人力。 中间包与结晶器通过水口和分离环紧密连接， 铁水无二次氧化， 可提高铸胚的纯洁度。 由于铸胚不受弯曲和矫直变形影响，适合浇铸圆胚和敏感性的 钢种。 结晶器无振动结构，无弯曲矫直设备，一般无二次喷水冷却系 统，结构简单，维修方便。 水平连铸机采用钢性引锭杆，不仅结构简单，而且振动小 【3】 。 1.2 目前的发展概况目前的发展概况 铸铁水平连铸始创于六、七十年代，作为一种新的毛坯生产工艺， 以其优良的特性而在国际上得到了广泛的应用。我国从 1985 年组织攻 关，1987 年研制出 zsl01 型连铸生产线，该机型年产量 1000t，可 生产 40150mm 的圆截面灰铁和球铁。 在此基础上西安理工大学于 1992 年再次研制了 zsl02 型连铸生产线， 该机实现了全线半自动化， 年产量为 2000t，可生产 40250mm 圆性及非圆形等截面的铸铁型 材。至今，国内已推广至 7 家企业安装了该机型生产线。 zsl02 型铸铁型材生产线主要由保温炉、牵引机、同步切割机、 压断机、出线机和液、电控制系统组成。水平连铸的主要工艺过程如 下所述：经冲天炉融炼的铁水用电炉升温并调整成分，经过炉前处理 和检验后浇入保温炉中，铁水在自身静压力下流入水冷结晶器，通过 调节结晶器中的水流量，以调节铁水流经结晶器内的进出口水温差， 第一章 绪论 3 从而使铁水在结晶器内以合理的温度梯度冷凝固，形成外形同结晶器 内孔相同并且有一定凝固层厚度的型材。最先形成的型材于事先放置 在结晶器中的引锭头熔铸在一起。引锭头与引锭杆连接，在牵引机的 牵引下，以一定的拉制工艺（拉拔周期，拉停比，步长，拉拔速度） 将型材拉出结晶器。型材初出结晶器时，心部尚未凝固，在随后的空 冷过程中心部才凝固，凝固潜热的释放使已凝固的型材表面温度回升。 因此，型材在结晶器出口的温度并非最高，而是距结晶器出口一定距 离处达到最高温度，通常将此处的温度称为出口温度。型材通过牵引 机前，经二次冷却至小于 500 摄氏度，后经同步切割机按预定长度切 口，通过压断机压断后落到出线机上。通过监测保温炉内铁水的液面 高度，间断补充铁水便形成连续生产。 该生产线主要由保温炉、牵引机、同步切割机、压断机、出线机 和液、电控制系统组成。如图 11 所示： 图 1-1 铸铁水平连铸型材生产示意图 1.保温炉 2.结晶器 3.支撑辊 4.二次冷却 5.牵引机 6.同步切割机 7.型材 8.压断机 9.出线机 1.2.1 保温炉保温炉 保温炉由炉体、水冷结晶器及炉后加热系统三部分组成。其作用 是保持炉内铁水温度和铁水高度，并可保证铁渣分离。保温炉炉壁由 多层保温材料拼砌和打结而成，由表至里依次为：硅酸铝纤维，硅藻 土砖，轻质氧化硅砖和红砖石粉。根据拉制型材的需要，保温炉可密 西安理工大学硕士学位论文 4 封和气体保护。为保证各主机在同一直线上，保温炉在三维方向上可 调整。结晶器由石墨和水冷套组成，型和套之间的配合直接关系到产 品质量和生产率。实验表明，常温下根据水冷套内孔直径的不同，石 墨型适宜的过盈量一般在 0.040.13 毫米之间。水冷套外部的石墨段 称为伸出段，伸出段的结构尺寸以及与保温炉的结合是型材生产的技 术关键。炉后的加热系统可对炉内铁水进行加热，这不仅减缓了铁水 的温降，而且可通过燃烧减少炉内氧的有效含量，减少液态金属的氧 化，这点对球铁生产尤为重要。 1.2.2 牵引机牵引机 牵引机主要由相互平行的前后两对辊子组成。直流电机通过减速 器、分动箱经双向连轴器将动力传给牵引辊子。其中两个下牵引辊的 支撑相对固定，两个上牵引辊在压紧油缸带动下可沿垂直导轨上下运 动。油缸的压力为 2mpa8mpa，牵引机的最大牵引值为 25kn，牵引 速度为 080mm/s，拉拔周期为 130s，拉停比为 0100。牵引机 的参数由中央控制室控制。 1.2.3 同步切割机同步切割机 由于国产砂轮片厚度一般小于 4 毫米，刚度较小，因此同步切割 机采用了水平进刀切割方式。它由夹紧机构、同步小车、砂轮切割机 进给系统、切深补偿调节和回车系统组成。 夹紧机构由一对 v 型铁在油缸带动下通过杠杆机构实现加紧。砂 轮切割机及进给系统固定在可前后移动的立柱上，在进给油缸驱动下 在水平导轨上实现慢进切割和快退复位的双向动作。切割机进给速度 由液压系统保证。砂轮片在切深调节电机带动下沿立导轨作上下运动， 实现砂轮相对型材的切深及砂轮磨损补偿。同步前进是靠夹紧型材后， 借助牵引机的牵引力来实现的，并在同步运动中完成切割。切割完成 后，小车将借助于安装在小车下面的回车系统返回起始工作位。 第一章 绪论 5 1.2.4 压断机压断机 因生产节拍的限制，同步切割机不能也不必在短时间将型材按设 定长度切断，只需要在设定长度处切出一定深度的切口，利用压断机 将其压断。压断机由限位机构、支撑机构及压断油缸组成。当型材上 切口到达支撑点时，压断油缸动作，使型材沿切口处断裂。压断油缸 的最大压断力为 329kn。经压断后的型材落到接料油缸上，然后经出 线装置运出生产线。 1.2.5 液压系统液压系统 液压系统由两台泵站和相应的液电控制柜组成。一号泵站供牵引 机压紧油缸，切割机夹紧和进给油缸，接料油缸、出线机推出油缸的 动作。工作过程中，供油压力大于 8mpa。二号泵站提供压断动力，工 作压力大于 16mpa。 1.2.6 电控系统电控系统 电气控制系统由牵引机调速系统、拉停控制系统及参量检测与显 示电路组成。 牵引机调速系统由主电路和控制电路组成。主电路为晶闸管供电 的直流调速系统，电机的正反转由接触器控制电枢极性来实现。 牵引机拉停控制系统可分别实现手动和自动操作。通过设定牵引 周期、拉停比及拉拔速度可实现不同的工艺。 参量检测与显示是通过传感器与配套的数字显示仪表组成。检测 参数包括型材出口温度、结晶器冷却水流量及进出口水温、炉内温度 及炉内铁水高度和型材的运动速度等 【4】 。 1.3 选题的背景及意义选题的背景及意义 本文主要是对铸铁水平连铸生产线的主要安装设备保温炉、牵引 机、切割机、压断机的生产实现自动化。由于生产工艺中保温炉有参 西安理工大学硕士学位论文 6 量检测与显示，通过传感器与配套的数字显示仪表来检测进出口水温、 炉内温度及炉内铁水运动速度；牵引机的自动控制已经实现；压断机 生产过程简单，不需作进一步的改进；而切割机作为生产的一个主要 环节，其工艺过程经常变化，工作条件差，却还是停留在手动操作的 阶段。为了实现整个工艺过程的自动化、提高生产效率、节省劳动力、 改善劳动条件，有必要实现切割机的自动控制。本文的重点就是研究 水平连铸同步切割机的操作过程，完成它的改进工作并实现自动控制， 从而为早日实现全线的自动控制做好准备。另外，本文在实现切割机 和牵引机自动控制的基础上设计出人机界面式的触摸屏菜单，使牵引 机和切割机的自动控制操作都能在一个触摸屏内实现，将 plc 的控制 和触摸屏操作结合起来，更有利于操作员的操作与监控。 1.3.1 同步切割机的控制同步切割机的控制 切割机整个操作过程基本都是手动的，型材由保温炉经牵引机拉 出到切割机时的温度仍然很高，最高时达到 500 度，由于热辐射，使 得周围的环境温度也很高，且切割时出现的粉尘，噪音，使得工作环 境很差。由于型材的直径大小、前进速度变化，进给的长度不定，砂 轮来回切割次数及深度都是变化的，等一系列不利因素，为了提高工 作效率，改善工作条件，就必须采用自动控制。 首先分析切割机的功能及动作循环过程，比较一些用于工业控制 的常用方案后，决定采用 plc 作为最佳控制方案。再做出部件的电气 原理图，分析需要控制的部件，根据需要控制的部件具体分析控制的 相关部位，并确定出控制所需的输入输出点数，由输入输出点数选择 plc 的型号，确定出机型；机型确定后分配输入输出通道，再设计系 统的控制方式，由系统的控制方案设计出控制流程图，最后完成程序 设计的硬件连接和软件设计。 控制方案中选择的可编程控制器能完成单机控制和规模比较小的 自动化控制。机型选择的是 omron 的 c200h 型，它以较好的性能价 第一章 绪论 7 格比在我国市场上占有较大的份额，且编程简单，编程语言是梯形图 和语句并重，使用的编程软件为 cxp。 1.3.2 人机界面人机界面plc 与触摸屏之间的通信与触摸屏之间的通信 触摸屏是专为 plc 的应用而设计的小型工作站，是一个是多媒体 信息或控制改头换面的设备，一般为嵌入式结构，集主机、输入输出 设备于一体，体积较小，可直接与 plc 经 rs232 或 rs485 口相连接。 该部分主要是设计触摸屏的一些菜单，创建画面和信息，通过这些画 面和信息作为监控，可以显示控制设备的状态、故障、过程变量、文 字、曲线、图形，完全可以取代传统的控制面板。这种触摸屏采用全 集成化封闭式面板，非常适合铸造行业这种粉尘多、环境恶劣的场所 使用。 1.4 本文完成的内容与成果本文完成的内容与成果 切割机是铸铁水平连铸生产线中主要的设备之一，其劳动强度大， 条件恶劣又是其中一个环节，因此本文的主要工作内容是： 针对该生产线特点和切割机工作情况，对同步切割机实现了自 动控制，由此改善劳动条件。用 plc 作为控制设备，设计出控制所需 的软、硬件方案，和控制操作面板，并编写出控制过程的程序，通过 随时改变程序中的一些条件或参数来完成不同工艺流程的要求。 由于牵引机已经实现了自动控制，也是用 plc 实现的控制，所 以本文在完成切割机自动控制的基础上，将这两者的控制结合起来， 根据触摸屏的特点，用组态软件中的组态王设计出牵引机和切割机的 触摸屏画面菜单。用触摸屏作为人机界面，实现对牵引机和切割机的 监控，使牵引机和切割机的自动操作都能在同一个触摸屏内实现，并 将触摸屏和 plc 链接起来，在触摸屏的菜单内设定各种工艺参数来控 制 plc 的运行，从而方便操作。 本文主要成果是：生产线中的牵引机早已经实现了自动控制，而 西安理工大学硕士学位论文 8 在本文中对同步切割机也确定了控制系统方案并设计了控制程序，实 现了自动化控制，由此改善了工作条件，并为该生产线早日实现全线 自动化做好了准备。 第二章 同步切割机的部件分析及总体方案 9 2 同步切割机的部件分析及总体方案同步切割机的部件分析及总体方案 2.1 同步切割机的主要部件同步切割机的主要部件 由于国产砂轮片厚度一般小于 4mm，刚度小，因此同步切割机采用 了水平进刀切割的方式。它由夹紧机构、同步小车、砂轮切割机及进 给系统、砂轮切深补偿调节和回车系统组成，如图 2-1 所示。 图 2-1 同步切割机 1.同步小车 2.进给油缸 3.型材 4.夹紧油缸 5.砂轮片 6.平导轨 7.立导轨 型材由牵引机的两对相互平行的辊按一定的拉停周期从保温炉中 拉出，到同步切割机，当达到给定长度时，切割机的夹紧机构首先夹 住型材，进行对刀，达不到对刀口时再松开重新夹紧。确定好夹紧位 置后，小车随着型材一块前进，进行同步切割。然后砂轮电机启动， 实行缓慢的水平切割进给动作，切割到位时，砂轮快退复位，回到原 位。如果切口达不到规定要求深度，再重复切割的动作，直到达到要 西安理工大学硕士学位论文 10 求的切口深度，砂轮电机停止，夹紧机构松开，切割机将借助安装在 切割小车下面的回车系统返回起始工作位。 2.1.1 夹紧机构夹紧机构 夹紧机构由夹紧油缸、一对 v 型铁和杠杆机构组成的。一对 v 型 铁在油缸带动下通过杠杆机构实现夹紧。当泵站供给液压系统液压油 时，夹紧油缸通过夹紧立柱带动上 v 型铁向下运动，而夹紧立柱通过 短滑柱、长滑柱和连杆构成的杠杆机构带动下 v 型铁向上运动，完成 夹紧棒料的动作，如图 2-2 和 2-3 所示。 图 2-2 夹紧机构装配图 1.顶板 2.上 v 型铁 3.夹紧立柱 4.短滑柱 5.连杆 6.侧板 7.下 v 型铁 8.长滑柱 第二章 同步切割机的部件分析及总体方案 11 夹紧油缸是由液压系统保证的，电机 带动液压泵旋转后，从油箱中吸油，油液 进入液压泵，当它从泵中输出进入液压管 后，通过液流阀、单向阀、节流阀、换向 阀进入液压缸左腔，推动活塞和工作台向 右运动，实现油缸带动 v 型铁运动的动 作。 夹紧的速度通过调节节流阀开口大 小来改变，工程中对夹紧油缸的速度没有 严格要求。测定夹紧机构是否完全夹紧由 压力继电器来测定。如图 2-4 所示。 图 2-3 夹紧机构示意图 1.夹紧油缸 2.v 型铁 3.杠杆机构 2.1.2 切割系统切割系统 切割系统是整个切割机的主体，夹紧机构完全夹紧型材后，砂轮 电机启动开始切割，直到切割规定的切口深度为止。切割系统由切割 机进给系统、升降电机、砂轮电机和吸尘电机组成。切割机进给系统 由液压系统控制，升降电机、砂轮电机和吸尘电机由交流电机带动。 同步前进是靠夹紧机构夹紧型材后，借助牵引机的牵引力来实现的， 并在同步运动中完成切割。砂轮片在切深调节电机带动下沿立导轨作 上下运动，实现砂轮相对型材的切深及砂轮磨损补偿；砂轮片及进给 系统固定在可前后移动的立柱上，在进给油缸驱动下在水平导轨上实 现慢进切割和快退复位的双向动作，进给系统如图 2-1 和 2-4 所示。 2.1.3 进给系统进给系统 切割机切割进给速度由液压系统保证，当电机带动液压泵旋转后， 西安理工大学硕士学位论文 12 从油箱中吸油，油液进入液压泵，当它从泵中输出进入液压管后，通 过液流阀、单向阀、节流阀、换向阀进入液压缸左腔，推动活塞和工 作台向右运动，完成切割机切割进给的动作，液压油压力的大小由压 力表来显示，而液压缸油腔的油经换向阀和回油管排回油箱。如将换 向阀转换方向，活塞和工作台向左移动，完成切割机切割快退回位的 动作。改变节流阀开口大小就可控制工作台的移动速度，从而改变切 割进给和切割快退的速度。如图 2-4 所示。 图 2-4 切割机进给系统原理图 第二章 同步切割机的部件分析及总体方案 13 在切割进给过程中实行缓慢的水平切割进给动作，而在切割快退 中不进行深度切割，速度较快。 2.1.4 回车系统回车系统 回车系统由小车电机带动的，小车电机启动后，通过减速器，在 链条的链接下，离合器的回转带动车轮运动。离合器的线圈通以 24v 的直流电后形成磁路，产生电磁力，吸动衔铁而将内、外摩擦片压紧， 靠摩擦片间的摩擦力使离合器连接成一体回转；当切断电流时，磁力 线消失，衔铁释放，摩擦力消失，车轮停止运转。如图 2-5 所示。 图 2-5 回车系统简图 1.电机 2.链条 3.离合器 4.车轮 5.减速器 2.1.5 液压系统液压系统 液压系统由两台泵站和相应的液电控制柜组成。一号泵站供牵引 机压紧油缸、切割机夹紧油缸和进给油缸、压断机接料油缸和出线机 推出油缸的动作，如图 2-4 所示。夹紧油缸主要实现对型材的夹紧，进 给油缸是来实现砂轮片切割时的切割进给动作和切割快退动作的。 西安理工大学硕士学位论文 14 2.2 实现自动控制的必要性实现自动控制的必要性 zsl02 型连铸生产线实现了全线的半自动化。电器控制系统由 牵引机调速系统、拉停控制系统及参量检测与显示电路组成，而切割 机全线基本是手动操作的，型材由保温炉经牵引机到切割机时的温度 仍然很高，最高时达到 500 度，由于热辐射，周围的环境温度很高， 且切割时出现的粉尘，噪音，使得工业现场环境恶劣。由于型材的直 径大小、前进速度变化，进给的长度不定，砂轮来回切割次数及深度 都是变化的等一系列条件，为了提高工作效率，改善工作条件，早日 实现生产线的自动化就必须采用自动控制技术。 2.3 控制方案的确定控制方案的确定 在实际生产中，这是以开关量控制为主的中小型程序控制，生产 工艺及流程经常变化，需灵活地改变控制程序，以使机械设备或生产 过程按预定的条件和顺序自动的运行或执行。这是一个顺序过程，能 实现这种工业控制方案的装置很多，有可编程控制器（plc） ，继电器 控制系统，单片机，微型计算机，集散系统等。在控制系统方案中， plc 成为当今增长速度最快的工业控制设备，它具备了许多独特的优 点，能较好的解决工业控制领域普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、 经济等问题。 2.3.1 plc 的特点的特点 可靠性高，抗干扰能力强，适用于工业现场 高可靠性是 plc 最突出的特点之一，它的平均无故障时间可达几 十万小时。由于工业生产过程常昼夜连续，工业现场环境恶劣，各种 干扰特别严重。针对这些情况，plc 采取了一系列措施，其主要方法 是对所有输入/输出接口均采用光电隔离，有效的抑制了外部干扰对 plc 的影响。 编程简单易学 第二章 同步切割机的部件分析及总体方案 15 plc 编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图。对于企业中 一般的电器技术人员和技术工人，这种面向生产、面向用户的编程方 式，与常用的微机语言相比更容易接受，故梯形图被称为面向“蓝领 的编程语言” 。尽管现代的 plc 也可用高级语言编制复杂的程序，但梯 形图仍被广泛的使用。 设计、安装容易，调试周期短，维护简单 plc 已实现了产品的系列化、标准化、通用化，设计者可在规格 繁多、品种齐全的 plc 产品中选用高性价比的产品。plc 用软件功能 取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、记数继电 器等器件从而使控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。用户程序 的大部分时间可以在实验室模拟进行，调试好后再将 plc 控制系统放 到生产现场联机调试，这样即快速又安全方便，从而大大缩短了设计 和调试周期。在用户维修方面，由于 plc 本身的故障状态指示灯，便 于用户了解运行情况和查找故障。又由于许多 plc 采用模块式结构， 因此一旦发生故障，用户通过更换模块的办法，使系统迅速恢复运行。 模块品种丰富、通用性好、功能强大 除了单元式小型 plc 外， 多数 plc 均采用模块式结构， 并形成大、 中、小系列产品。常见的模块有各种电源、cpu、直流 i/o、交流 i/o、 温度、数字量混合、模拟量混合、网络、接口、定位、pid、空模块、 高速记数、鼓序列发生器模块等。 体积小、能耗低 由于大多数 plc 体积小，重量轻，很容易装入机械设备内部，是 实现机电一体化的理想控制设备 【8】 【9】 【10】 。 2.3.2 plc 与其他工业控制设备的比较与其他工业控制设备的比较 aplc 与继电器控制系统的比较与继电器控制系统的比较 控制方式 西安理工大学硕士学位论文 16 继电器的控制方式是采用硬接线实现的，它是利用继电器机械触 点的串联或并联以及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，它 只能实现既定的逻辑控制。且其连线多而复杂，体积大，能耗大，一 旦系统设计制造完成后，再想改变或增加功能将十分困难。此外继电 器触点数目有限，其灵活性和扩展性也很差；而 plc 采用存储逻辑， 要改变控制逻辑，只需改变程序即可，且其连线少，体积小，灵活性 和扩展性极佳。 控制速度 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，其工作频率低， 触点的开合动作一般在几十毫秒，此外机械触电还会出现抖动现象； 而 plc 是由控制指令控制半导体电路来实现控制，速度极快，一般一 条用户指令的执行时间在微秒数量级。 延时控制 继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时 间继电器定时精度不高，易受环境温度和湿度的影响；plc 是半导体 集成电路做定时器，时基脉冲由晶体震荡器产生，精度高。 设计与施工 用继电器实现一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行， 周期长，且修改困难；而 plc 设计与施工可同时进行，周期短，调试 和修改都较方便。 可靠性和维护性 继电器控制系统使用了大量的机械触电，寿命短， 可靠性和维护 性都差；plc 采用微电子技术，大量的开关动作由无触电的半导体来 完成，寿命长，可靠性高。 b. plc 与微型计算机的比较与微型计算机的比较 应用范围 微机除了用于控制领域外，其主要用于科学计算、数据处理、计 第二章 同步切割机的部件分析及总体方案 17 算机通讯等方面；而 plc 主要用于工业控制。 使用环境 微机对环境的要求高，一般要在干扰小，具有一定的湿度和温度 的机房内使用；而 plc 适应于工业环境。 输入和输出 微机系统的 i/o 设备与主机之间采用微电联系，一般不需电器隔 离；plc 一般可控制强电设备。 程序设计 微机具有丰富的程序设计语言，要求使用者具有一定的计算机软 硬件知识；而 plc 的程序采用梯形图即可，程序编制比较容易。 系统功能 微机系统一般配有较强的系统软件，并具有丰富的应用软件；而 plc 的软件则相对简单。 运算速度和存储容量 微机运算速度快，其存储容量很大；plc 因接口的速度慢影响数 据处理速度，内存容量小，因而适用于中小规模的过程控制。 c. plc 与工业控制机与工业控制机 这两种机器都是适合于工业生产应用的。工业控制机是由通用微 机推广应用发展起来的，硬件结构方面总线标准化高；可编程控制器 是由电气控制厂家研制生产的，从开始就是针对工业顺序并扩大应用 而发展起来的。 工业控制机由于直接由通用微机而来，故软件资源丰富，特别是 有实时操作系统的支持，故要求快速、实时性强、模拟复杂性高的领 域占有优势；可编程控制器的运行方式不同于工业微机，它对逻辑顺 序控制很适应，它编程中的梯形图很受不熟悉计算机而熟悉电器的工 人的欢迎。 d. plc 与集散系统与集散系统 西安理工大学硕士学位论文 18 plc 是由继电器逻辑控制发展而来得，集散系统是由回路仪表 控制发展而来。 早期的 plc 在开关量控制、顺序控制方面有一定优势，而集散 系统在回路调节、模拟量控制方面有一定的优势 【9】 【11】 【13】 【17】 。 2.3.3 总结总结 鉴于 plc 的特点及与其它工业控制装置的比较，决定对同步切割 机的动作循环过程采用 plc 作为控制方案，完成一个完整周期动作循 环过程的自动控制。以棒料直径的大小及棒料前进速度作为原始参数， 分析从夹紧到小车回位的一整套切割机操作过程，完成系统的自动控 制，最后实现 plc 控制程序与触摸屏控制相链接构成人机交互界面， 从而实现信息的交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控 制系统。操作员可以通过监控命令有关部分的运行状态，可以根据不 同直径的大小及棒料前进速度，调整定时、定数等设定值。 2.4 小结 小结 本章介绍了同步切割机在整个铸铁水平连铸生产线的主要功能， 并分别介绍了切割机系统的各个部件，给出了相应的简图，分析了它 的动作过程，通过比较各种控制系统对控制设备的优劣及适用场合， 确定出了控制方案，得出了结论认为 plc 是众多控制方案中的较为理 想的选择方案。 第三章 同步切割机控制系统设计的基本内容 19 3 同步切割机控制系统设计的基本同步切割机控制系统设计的基本 内容 内容 3.1 可编程控制器简介可编程控制器简介 60 年代中期，美国通用汽车公司（gm）根据生产工艺不断更新的 需要，提出了一种设想：把计算机的功能完善、通用灵活等优点和继 电控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成 一种通用控制装置，把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化， 采用面向控制过程、面向问题的语言编程，使不熟悉计算机的人也能 方便的使用。美国数字设备公司（dec）根据这一设想，于 1969 年研 制成功了第一台可编程控制器 pdp-14，并在汽车自动装配线上试用获 得成功。 这项新技术的成功使用，在工业界产生了巨大影响。从此，可编 程控制器在世界各地迅速发展起来。1971 年，日本从美国引进了这项 新技术， 并很快研制成功了日本第一台可编程控制器 dcs-8。 1973-1974 年原西德和法国也研制出了他们的可编程控制器。我国从 1974 年开始 研制， 1977 年研制成功了以一位微处理器 mc14500 为核心的可编程控 制器，并开始工业应用。 可编程控制器（programmable controller）简称 plc，是近年来迅 速发展并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置。早期的可编程 控制器在功能上只能实现逻辑控制，随着技术的进步，微处理器获得 了广泛的应用，一些 plc 生产厂家开始采用微处理器作为 plc 的中央 处理单元，大大加强了 plc 的功能，它不仅具有逻辑控制功能，而且 具有算术运算功能和对模拟量的控制功能。因此，美国电气制造协会 于 1980 年将它正式命名为可编程控制器，简称 plc。 美国电气制造协会和国际电工委员会分别于 1980 年和 1985 年给 可编程控制器下了定义，国际电工委员会还在 1982 年和 1985 年颁发 西安理工大学硕士学位论文 20 了可编程控制器标准草案。国际电工委员会在 1985 年颁发的标准中， 对可编程控制器定义为：可编程控制器是一种专为在工业环境下应用 而设计的数字运算操作的电子系统。它采用了可编程序的存贮器，用 来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等 操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种生产机 械或过程 【11】 【19】 。 可编程序控制器及其有关设备都应按易于与工业控制系统连成一 个整体，易于扩充其功能的原则设计。由于工业生产对自动控制需求 的多样性，plc 的发展方向有两个： 一是朝着小型、简单、价格低廉方向发展。近年来，单片机的出 现，促进了 plc 向紧凑型发展，体积减小，价格降低，可靠性不断提 高。这种 plc 可以广泛取代继电器控制系统，应用于单机控制和规模 比较小的自动线控制，如日本立石公司的 c20p、c40p、c60p、c20h、 c40h 等。 二是朝着大型、高速、多功能方向发展。大型 plc 一般为多处理 器系统，由字处理器、位处理器和浮点处理器等组成，有较大的存储 能力和功能很强的输入输出接口。通过丰富的智能外围接口，可以独 立的完成位置控制、闭环调节等特殊功能；通过网络接口，可级联不 同类型的 plc 和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络，适用于 大型自动化控制系统 【14】 。 从 plc 的发展趋势看，plc 控制技术将成为今后工业自动化的主 要手段。在未来的工业生产中，plc 技术、机器人技术和 cad/cam 技术将成为实现工业生产自动化的三大支柱。 3.2 切割机的液电控制切割机的液电控制 切割机是水平连铸系统非常重要的组成部分。目前的切割机构依 然采用的是砂轮切割，它部分采用继电器控制，其自动化程度不高， 运行起来噪声大、故障多、维护工作量大。现根据已有的继电接触器 第三章 同步切割机控制系统设计的基本内容 21 控制系统，设计出切割机液电控制图如图 3-1 所示。它是由继电器、接 触器、按钮、开关等常用控制电器组成。 切割机的液电控制系统主要由四部分组成： 输入环节 控制指令和控制信号是由输入环节输入，它主要由主令元件（如 按钮、主令控制器等）和反应控制信号物理量变化的检测元件（如行 程开关、电压继电器、电流继电器、温度继电器、压力继电器）组成。 控制环节 按生产工艺要求，对各信号及动作的记忆和联锁，控制信号和被 控对象的联系和联锁，各被控对象之间的相互联锁和制约，各工作程 序之间的联系与转换等均由控制环节实现其逻辑运算和控制。所以它 是控制系统的主要部分，也是线路设计的重点，所用的元件主要是中 间继电器。 执行环节 执行环节是直接控制被控制对象的动作和工作的部分，它的主要 元件是接触器和电磁阀等。 被控对象 它是带动生产机械运动的部分，如电机、液压缸、电磁铁、指示 灯等设备 【10】 【16】 。 这四部分与机械的工艺要求紧密相连，它们是有机结合起来完成 一定控制要求。采用可编程控制器来完成对传统电气设备的改造，缩 小设备体积，提高系统性能，用 plc 控制的系统只要修改用户程序或 参数，就可以很容易的改变其控制方式和参数，能取得很好的效益。 下面是设计出的切割机液电控制图，通过分析切割机的液电控制 图来完成 plc 控制系统设计的内容。如图 3-1 和图 3-2 所示。 西安理工大学硕士学位论文 22 图 3-1 切割机液电控制图 第三章 同步切割机控制系统设计的基本内容 23 图 3-2 离合器的电气控制线路 1.zj2-12-4 中间继电器； 2.qd2-1qd2-8 启动按钮；3.tz2-1tz2-6 停止按钮； 4.k2-1 空气开关； 5.k2-2 电源开关； 6.1xk2xk 切割回位（进给）限位开关； 7.yj 压力继电器； 8.zc2-4 接触器； 9.bx2-1bx2-3 保险座； 10.9dt11dt 换向阀电磁铁 11.zs2-1zs2-11 指示灯； 12.b2-1 变压器； 13.dzl 电磁离合器； 14. d1 二极管； 15.zl 整流桥；16.r1 电阻； 17.r2r3 绕线电阻； 18.c1c2 电解电容； 19.bx2-5 保险座； 20.bx3 保险座； 21.r0 滤波电阻； 22.jc1jc3 接触器。 3.3 输入输出点数的确定 输入输出点数的确定 3.3.1 参与控制的器件参与控制的器件 根据已有的切割机液电控制图 （图 3-2） 及切割机工艺的动作分析， 确定出需要控制的器件有：带动夹紧机构的夹紧油缸，带动砂轮启动 的砂轮电机 m2 和连接在一起同时启动的吸尘电机 m4， 带动砂轮片切割 进给和快退的进给油缸，砂轮片切深补偿调节的升降电机 m1，回车系 统包括小车电机、离合器、减速器（减速器不参与控制） 。总的来说参 与控制的有两个油缸的电磁阀、四个电机和一个离合器。 图 3-3 为需要控制的部件， 图中圆所标出的为需要控制器件的控制 部位，离合器控制电磁铁。离合器主要由电磁铁部分和摩擦片部分组 西安理工大学硕士学位论文 24 成，电磁铁部分包括安装在小车轴上的磁轭铁芯以及能在轴上作轴向 滑动的衔铁，衔铁本身和轴一起转动。它的线圈通 24v 直流电，而实 际采用的电源大多是用交流电（220v、380v） ，所以需要通过变压器降 压后经整流器变为所需要的直流电。如图 3-1 所示。 图 3-3 控制器件及控制部位 3.3.2 输入输出点的确定输入输出点的确定 一个 plc 控制系统由信号输入元件(如按钮、限位开关、传感器 等)、输出执行器件(如电磁阀、接触器、电铃等)、显示器件和 plc 构 第三章 同步切割机控制系统设计的基本内容 25 成。输入输出接口电路又分为开关量、模拟量和数字量。因此，plc 控制系统的设计，就包括这些器件的选取和连接等。选取信号包括输 入器件、输出执行器件、显示器件等。一个输入信号，进入 plc 后在 plc 内部可以多次重复使用，而且还可以获得其常开、常闭、延时等 各种形式的触点。因此，信号输入器件只要有一个触点即可。输出器 件应尽量选取相同电源电压的器件，并可能选取工作电流较小的器件。 输入信号 按钮开关：启动、停止、急停、复位，需 4 个输入点； 手动操作时：夹紧、松开、砂轮启动、砂轮停止、切割、快退、 砂轮上升、停止、砂轮下降、小车电机启动、小车电机停止、联锁、 解除联锁，共 13 个按钮，需 13 个输入点。 工作方式选择开关：手动、单周期、连续，需 3 个输入点。 限位开关：切割进给限位、切割快退限位，小车回位限位，需 3 个输入点。 检测信号：切割深度检测元件、切割长度检测元件、夹紧压力继 电器，需 3 个输入点。 共需 26 个输入点。 输出信号 电磁阀：夹紧、进给、快退、上升、下降、小车电机运转、砂轮 制动，需 7 个输出点。 直流输出信号：小车回位（控制部件为电磁离合器的电磁阀） ，需 1 个输出点。 开关：报警开关，需 1 个输出点。 共需 9 个输出点。 3.4 plc 型号的选择型号的选择 该系统共有 26 个输入点、9 个输出点，逻辑关系较为清楚，且输 入输出信号全为开关量，应选用 plc 中的小型机。 西安理工大学硕士学位论文 26 日本的 omron 在小型机领域颇具盛名，一般大型机才能实现的 控制，用该型的小型机就可以解决问题，在开发较复杂的控制系统方 面的应用较为广泛。omron 的 plc 具有以下几个特点：指令系统功 能强大，处理复杂控制的功能强；编程语言是梯形图和语句并重，编 程简单；特殊功能模块和智能模块品种多，使用方便；plc 的网络配 置简单、使用造价低。 日本的 omron 公司的 c 系列可编程控制器有许多机型，以其较 好的性能价格比而有广泛的应用，在我国市场上占有较大的份额。 omron 的 c 系列 plc 可分为微型、小型、中型、大型四大类，十几 种型号 【17】 。 根据所需的 i/o 点数， 并考虑留有一定的余量，选用 omron 的 c 系列的 c200h 型 plc ，这种机型为模块式结构，由基板及模板组成， 具有 4 种基板、80 余种模板可供选择， 3.5 小结 小结 在本章中主要根据液电控制图、电气控制图，确定了切割机需要 控制的器件，及各器件需要控制的部位，并由此确定了输入输出信号。 考虑各方面的因素后选择出了 plc 的型号为 omron 的 c200h，这是 控制方案中的第一步。 第四章 控制方案的硬件设计 27 4 控制方案的硬件设计控制方案的硬件设计 4.1 plc 的基本组成的基本组成 4.1.1 plc 的硬件组成 的硬件组成 plc 的硬件一般由主机、i/o