开槽机控制系统设计.doc

河南科技大学毕业设计（论文）开槽机控制系统设计摘 要近年来我国铝工业得到迅猛发展,2005年我国原铝产量已经达到780万吨,在新增加的铝产量中,几乎全部采用大型预焙阳极电解槽生产。我国铝电解的设备装备水平已经接近或达到世界先进水平,但在某些技术水平上与世界先进水平还有一定的差距,如在阳极电流密度、电解槽寿命等方面还存在很大差距。本文就是依据电解铝行业的发展对阳极碳块提出的开槽要求而研制的自动化生产线，该生产线自动控制系统选用工控机+西门子S7-200系列PLC作为控制器,根据控制系统的任务配置硬件模块，文中讨论了该控制系统的功能和特点,给出了部分控制系统的硬件组成及程序设计、系统功能和控制框图,该控制系统的功能基本能满足生产工艺对生产线的要求。关键词：阳极开槽， PLC，控制系统 ，开槽机Slotting machine control system designABSTRACTToday the aluminum industry developes rapidly in our country, the product of original aluminum already amounted to 7,800,000 tons in 2005, most of the products were produced using large-scale prebaked anode electrolyzer.The equipment of the aluminum electrolysis has been close to the developed areas in the world. However, there are some disparities in certain technical level, such as the density of anodic current, the life of the electrolyzer and so on.This thesis proposes a solution to anode carbon block in order to improve the performance of the anode carbon block slotting production line. The control system has one PC and one Simens PLC S7-200 which is the ontroller for the motor. The hardware modules were configured according to the assignment of the control. In this thesis, the design of the hardwares of control system were proposed. The features of the control system, the control software and the construction of the control system were described . The performance of control system can meet the requirements of the production line.KEY WORDS: Anode Slot, PLC, Control System, Slotting Machine 目 录摘 要错误！未定义书签。AbstractII前 言1第一章 概述21.1 设计背景及意义21.2 阳极开槽机控制系统简介31.3 阳极开槽机控制系统要求31.4 章节安排4第二章 阳极开槽技术简介52.1 阳极的开槽方式52.2开槽阳极对铝电解的影响6第三章 西门子PLC及其软件开发环境83.1可编程控制器的概述及发展状况83.2 S7-200PLC的软件简介103.3 PLC软件设计一般过程123.3.1 PLC编程语言123.3.2 软件设计过程14第四章 系统设计174.1系统总体设计174.1.1 开槽机系统结构174.1.2 开槽机工作流程图184.2控制方案选择204.2.1 控制系统功能分析204.3开槽机具体控制硬件系统设计214.3.1 电流采集系统214.3.2 开槽机上料电机变频控制设计224.3.3 开槽主电机控制设计234.3.4 PLC输入输出点分配244.4 开槽机具体控制软件设计264.4.1系统上位机软件设计264.4.2 PLC程序的分析与设计274.4.3电流采集模块284.4.4 上料电机控制模块：314.4.5 锯片电机故障处理模块324.4.6 碳块计数模块34第五章 结论36参考文献:37致 谢39附录A4047前 言近年来我国铝工业得到迅猛发展,2005年我国原铝产量已经达到780万吨,在新增加的铝产量中,几乎全部采用大型预焙阳极电解槽生产。我国铝电解的设备装备水平已经接近或达到世界先进水平,但在某些技术水平上与世界先进水平还有一定的差距,如在阳极电流密度、电解槽寿命等方面还存在很大差距。阳极是电解槽的心脏,通过提高阳极质量,改进阳极的物理、化学性能指标,改进阳极的使用方法,可以降低铝电解生产成本、稳定铝电解生产操作和提高电解生产效率。阳极开槽技术就是比较新的技术之一。阳极开槽就是在阳极底部开两道供阳极气体排出的槽沟,可以改善电解槽的运行状态,提高运行指标。极开槽对铝电解槽的平稳运行具有重要的实际意义。阳极开槽机是就是依据电解铝行业的发展对阳极碳块提出开槽要求而研制的碳阳极开槽自动生产线，该生产线集机械、电子、自控、及计算机技术，实时监控工作状态，具有自动检测、集中指示、手/自动控制功能，实现阳极炭块连续开槽。该生产线自动化程度高，操作简便，运行稳定可靠 。能很好的满足对阳极碳块提出开槽要求。第一章 概述1.1 设计背景及意义近年来我国铝工业得到迅猛发展,2005年我国原铝产量已经达到780万吨,在新增加的铝产量中,几乎全部采用大型预焙阳极电解槽生产。现代铝工业生产基本采用冰晶石氧化铝融盐电解法,该方法以熔融冰晶石为溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950970下，在电解槽内的两极上进行电化学反应（电解）。阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，其中含有一定量的氟化氢等有害气体和固体粉尘，为保护环境和人类健康需对阳极气体进行净化处理；阴极产物是铝液，铝液通过真空抬包从槽内抽出，送往铸造车间，在保温炉内经净化澄清后，浇铸成铝锭或直接加工成线坯.型材等。我国铝电解的设备装备水平已经接近或达到世界先进水平,但在某些技术水平上与世界先进水平还有一定的差距,如在阳极电流密度、电解槽寿命等方面还存在很大差距。1990年由美国Shekhar等人对底部开槽的惰性阳极进行了水模型试验,结果表明阳极底部开槽有利于减少阳极底部气泡覆盖率和促进极间氧化铝的传质1。1989年Johansen对气液两相流进行了计算。1990年Kevin J Fraser等人对电解质流场二维模型进行了计算3。1993年Purdie等人采用流场计算软件FLUENT对半个阳极周围的电解质流场进行了三维仿真4。李劼等人对75 kA预焙槽阳极底部开通沟或非通沟时电解质流场进行了计算和对比分析。气泡在阳极底部停留时间的减少和电解质流场的改进有利于降低阳极效应系数5。文献67详细研究了不同阳极气泡模式和气泡电阻对槽电压、波形的影响。文献8以氢气泡的水模型模拟研究了气泡运动的变化特征。文献9对分子比2.1、氟化钙5%、氧化铝4%的电解质,研究了气泡随着电流密度和阳极浸入电解质深度的变化关系。阳极开槽可以有效地降低槽电阻,不增加槽噪声,AL2BRAS铝厂进行阳极横向开槽收到了预期效果,但也出现了残极裂缝、阳极长包等现象1011。阳极是电解槽的心脏,通过提高阳极质量,可改进阳极的物理、化学性能指标。改进阳极的使用方法,可以降低铝电解生产成本、稳定铝电解生产操作和提高电解生产效率。阳极开槽技术就是比较新的技术之一。阳极开槽就是在阳极底部开两道供阳极气体排出的槽沟,可以改善电解槽的运行状态,提高运行指标，其具体优点如下:降低阳极过电压,节省电能；可以降低阳极的实际电流密度,减少阳极效应的发生；改善电解质流动场,有利于电解槽炉帮的形成；改善氧化铝的溶解,减少沉淀；可以减少二次反应发生,提高电流效率。由此可见,阳极开槽对铝电解槽的平稳运行具有重要的实际意义。1.2 阳极开槽机控制系统简介阳极开槽机控制系统由控制单元和现场电气设备等组成，其中控制单元由配电控制柜、PLC控制柜及操作台组成；现场电气设备由上料电机，下料电机，左、右锯片电机，输送电机，推进汽缸，上料炭块检测开关，电流互感器等部分组成。配电控制柜主要由主电源开关、变频器、配电开关、接触器、热继电器、风机软启动器组成。配电控制柜为阳极开槽机电气设备提供电源。PLC控制柜主要由手动控制按钮、隔离模块、中间继电器、24V开关电源、配电开关、西门子S7-200控制器及其输入、输出模块组成。PLC控制柜是阳极开槽机的控制核心，现场信号传至PLC控制柜，经PLC运算判断后，输出相应执行命令，控制各个设备工作。操作台由控制按钮、监控计算机及显示器组成，其中监控计算机提供操作员与各个设备联系的接口，通过显示画面，可以及时掌握阳极开槽机的工作状态，同时，操作员可以通过显示画面控制生产线的运行。1.3 阳极开槽机控制系统要求1.运行稳定可靠 2.具备手动自动两种工作方式3.对整个生产过程可以实施进行监控4.生产速度可调1.4 章节安排第一章概述主要概述了阳极开槽机设计的背景以及内容和要求；第二章阳极开槽技术简介主要介绍了阳极开槽的方式及开槽阳极对铝电解的影响；第三章 西门子PLC及其软件开发环境介绍了西门子PLC及其软件开发工具STEP7的知识；第四章系统设计设计了开槽机自动控制系统的软硬件部分，首先对整个系统进行了分析，然后针对控制对象的参数和要求设计出相应的硬件系统、分配I/O口，最后设计了PLC的软件部分。第二章 阳极开槽技术简介2.1 阳极的开槽方式常用的阳极开槽方式有两种，一是在生阳极成型过程中成槽，另一种是在生块焙烧后加工成槽。1生阳极成型过程中成槽生阳极成型过程中成槽是在生阳极块成型模台上配有扁条状突起物，使成型后的生阳极块上带有横沟。这种方式的主要优点是：开槽无需额外设备，不像在机械加工时对生成的碳粉进行收集、运送和循环。但该方式有四个缺点：1）是槽的方向受阳极块取出方向的控制；2）是壁的摩擦和阳极块位移造成密度梯度，且降低了槽周围的应力；3）是成槽后的生阳极在搬运过程中易受到损坏，增加了废品率；4）是在焙烧过程中，填充料常填满成型的槽并与表面粘连，且清理槽沟很麻烦，需要专用的设备。如果将清理不彻底的阳极块用于电解生产中，则会增加碳渣量，从而增加了电解质电阻和降低电流效率。同时成型的槽往往比加工出来的槽宽，这样减少了焙烧阳极的总重，进而缩短了使用天数。其主要设备和成型阳极如图2-1所示。图2-1 生阳极成型过程中成槽2.在焙烧后的阳极块上开槽在焙烧后的阳极块上开槽是在阳极块上用机械加工的方法开槽通常是在清理填充料之后，所使用的设备有装在心轴上的单片圆锯或装在同一心轴上的多片圆锯，锯片有齿轮电机驱动。 机械加工的优点：1）是开槽方向灵活，开槽位置和尺寸可以根据电解槽的要求进行安排；2）是阳极底部的质量均一，也就是说，开槽区域不存在密度梯度和应力下降情况；3）是在机械性能方面，开槽的焙烧块优于成槽的生块，在搬运过程中，不太容易受损，降低了废品率；4）是不存在焙烧时填充料粘连问题；5）是机械加工开槽的宽度小于成型槽，焙烧块的总重减去的也少，对阳极在电解槽中的使用天数影响较小。但是，这种方法也有缺点：1）是由于多一道工序，要安装开槽机；2）是开槽时不能使用冷却水，必须捕集生成的碳尘；3）是根据阳极块的大小和开槽数量及尺寸不同，每块阳极会生成多达25千克的碳粒。如果要循环使用这部分物料，则要建碳尘的运输和循环设备；4）是与未开槽的阳极块相比，焙烧碎大致增加0.2%。其开槽设备如图2-2所示。图2-2 开槽设备2.2开槽阳极对铝电解的影响1.开槽阳极对铝电解槽温度场的影响。1）是开槽阳极通过改善电解质的流动场，来改善电解槽的温度场，使电解槽中间更热，边部更冷，有利于边部结壳；2）是改善氧化铝的溶解，减少沉淀阳极开槽后，高温高热的电解质流到了电解槽的中部，与中部下料的冷氧化铝结合后，改善了中缝部氧化铝溶解区域的温度场，提高了氧化铝的溶解速度。此外，由于阳极气体大部分从中缝排出，上升的气流与下沉的氧化铝相遇，对下沉的氧化铝起到了上托作用，延长了氧化铝的溶解时间，减少了氧化铝的沉淀。 3）是改善阳极底部的散热状态，有利于电解槽的热平衡由于阳极底部气体的排出速度加快，带动阳极底部的高温电解质从中缝排出，加快了阳极底部的散热，使电解槽的热平衡更加平稳。2.开槽阳极对阳极过程的影响。1）降低阳极过电压，节省电能。由于阳极底部的气体排出顺畅，可以降低阳极的过电压，从而可以起到节电的作用。2）可以降低阳极的实际电流密度，减少阳极效应的发生。由于阳极底部有很大一部分面积被气体覆盖，所以阳极底部的实际电流密度要大于阳极的表观电流密度，阳极开槽后，气体的顺利排出，可以增加电解质与阳极的接触面积，降低实际阳极电流密度，减少阳极效应的发生。3）可以减少二次反应发生，提高电流效率。阳极气体从沟槽顺利排出，可以减少阳极底部电解质的含气程度，还可减缓电解质的湍流程度，从而减少铝被CO2气体氧化的二次反应的发生，提高电流效率。4）开槽阳极对阳极过程和电解生产过程的影响都是有利的，它可以抵消强化电流对阳极过程的负面影响，因此开槽阳级技术与强化电流技术同时使用，可以保持电解槽的平衡运行。第三章 西门子PLC及其软件开发环境3.1可编程控制器的概述及发展状况可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称PC或PLC，是一种存储程序控制器，支配控制系统工作的程序存放在存储器中，利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。在可编程序控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程序控制器的程序存储器中。系统运行时，PLC依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容解释并加以执行。根据输入设备的状态或其它条件，PLC将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。PLC是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高。PLC是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司(DEC)为美国通用公司研制开发并应用汽车生产线上，取得了极佳的效果，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也不断朝着智能化方向发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代PLC已经成为真正的工业控制设备。最初，PLC主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子(SIEMENS)公司、BBC公司就开始研制PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。70年代初，日本的欧姆龙（OMRON）也推出了他们的PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型PLC。由于PLC是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降；加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能；并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型PLC开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。据国外资料介绍:1982年美国PLC用户中，有48%来自自动程序操作部门(如汽车、拖拉机工业、机械工业等)、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门。近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的PLC已通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。如宝钢工程应用了数百台PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的PLC。西门子公司的S7-200系列PLC特别适用于大规模控制场合，数据传输可靠性极高(有专用的通讯模块)，指令系统丰富，编程简便，典型的梯形图程序设计，特别为过程控制和适应恶劣的现场环境而设计。从原理上讲PLC实际上又是一种工业控制用计算机，其组成与微计算机基本相同。其硬件一般由主机、I/O扩展部分及外设组成。其简化框图如图3-1所示。1.主机(CPU模块)在其内部由微处理器通过数据总线、地址总线、控制总线以及辅助电路连接存储器及I/O接口，诊断PLC的硬件状态;读取、解释并执行用户程序;按规定的时序接收输入状态;刷新输出状态;与外设交换信息等。2.电源西门子公司PLC的电源交流输入端接有尖峰脉冲吸收电路，可提高抗干扰能力。另外其交流输入电压范围较宽，可以在 ACI60V-26OV范围内正常工作。电源模块上还提供+24V电源，若在负载允许的条件下，可提供+24V电源给需要的I/O模块使用。图3-1 PLC硬件组成3.输入/输出模块(I/O扩展模块)PLC通过输入模块将现场或生产过程的状态或信息读入CPU，通过运算与逻辑判断，把结果通过输出模块输出给执行机构。输入模块用于对输入信号进行滤波隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC的内部。S7-200系列PLC是西门子公司生产的最小型的PLC，除了其出色的硬件特点，在性能、体积、重量、指令系统、运行速度等方面，较过去的PLC有了全面的提高和充实。指令系统几乎包括了一般计算机所具有的各种基本操作指令，同时执行的速度也相当快，布尔量运算的执行时间为0.22S，可以方便、快速地进行逻辑判断、数据传输、比较、运算、子程序调用及中断等。除此之外，作为工业控制产品，它还具有友好的用户功能，如:高速计数、脉宽调制输出(PWM)、频率可控的脉冲输出(PTO)及PID调节等，所有这些指令和功能在实际工业控制中都有助于增强控制能力、简化编程工作。3.2 S7-200PLC的软件简介S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。加上汉化后的程序，可在全汉化的界面下进行操作。 S7-200PLC的软件特点主要体现在以下几个方面:1.数据存放的方式PLC指令大多是对数据进行操作，为了增强处理能力，数据是以多种方式存放的，所以对于数据存储的方式必须预先约定，S7-200系列PLC采用与计算机相同的存储方式，即用位、字节、字、双字来存储数据。随着计算机技术的普及，该方式己经被广大工程技术人员所熟悉、掌握，显得容易理解、很直接。2.寻址方式寻址方式的多少是反应指令系统强弱的一个重要指标。由S7-200数据存储方式可知，所有数据都可以按位、字节、字、双字寻址，使其寻址方式方便、多样。另外，不同的数据分不同的区域存储，针对不同的存储区又有不同的寻址方式，它们是:立即寻址、直接寻址和间接寻址。这样S7系列PLC的指令就具有计算机指令灵活的特点，与一般的小型PLC有很大的区别。其中，间接寻址也称为指针寻址，西门子把指针的概念引入PLC，并作为S7系列PI无的基本寻址方式之一，这是很有特色的。有了指针寻址方式，指令的变化更加灵活多样，使用也更加灵活，在同样的指令数目下，编程的方式与程序的质量都可大大提高。由于指针的引入，特别是和指针的结合使用，使许多指令的变化很大，有时还会出现意想不到的效果。例如编码指令，一般都认为这是一条特殊指令，只有在特殊应用中才可能用到，但结合指针指令用活了，就会出现特殊的效果，变成了常用指令。例如，在工业控制中，随着自动化水平的提高，要求控制器PLC对设备具有自我诊断的能力，把故障或者报警信息充分细化，并要求PLC根据故障作出不同反应，这些信息的处理，如采用传统的PLC指令编程就有一定的困难，但采用编码指令就很方便，可采用预先在PLC内部建立信息表的方法，不同故障从某一字节的最高位开始，连续建立标志，通过对标志字节的编码，不同故障就产生不同的结果，用编码结果作为指针对某个固定地址的偏移去查表，就可以对不同故障进行不同处理，而且同时产生的故障还可以区分优先级，以方便以后的分级处理，大大增强了PLC在实际工业控制中的能力。3.程序设计质量好的程序应该是占用存储空间少，执行时间短，编制、调试时间短以及清晰易读和易于移植的，故应采用结构化的设计方法。S7-200系列PLC的指令系统中，包含了结构化程序设计的一些基本指令，如比较指令、跳转指令、子程序调用指令、标记段的指令等。实际使用时，如比较指令结合跳转指令就很容易实现程序的分支结构，对于特殊的功能(运算处理、通讯功能、脉宽调制输出等)可以通过编制子程序，在主程序中调用的方式来处理，甚至在子程序中还可以通过标记段的方法，再对不同情况作不同处理，使程序的结构清晰，易于读写，可靠性高。4.数据处理与运算S7-200系列PLC的应用已经不再仅仅局限于逻辑控制和顺序控制，由于其计算能力很强，可用于需要一定量计算的场合。S7-200系列PLC通过指令可很方便地进行码制转换，整数运算，浮点运算等，除了CPU221这一最低端的CPU外，其他都能直接使用PID指令。在实际控制系统中，利用PLC的运算能力，我们已成功地满足了许多复杂的控制要求，如:PLC控制多台变频器比例同步，对模拟量编程实现PID调节等。5.通信功能通信功能强大是S7-200PLC的一个特点，直接通信XMT指令可以直接对RS485通讯口编程，不受任何协议限制，用于实现PLC与其它厂家设备的通讯联系、与上位机的数据交换以及实现PLC的远程控制等。同时为配合使用PPI网络，ST7-200系列PLC中特有两条网络指令:NETR和NETW，运用这两条指令可以很方便地在即PPI网络上实现PLC间的数据读写，而不必了解数据通讯的具体协议6.特殊功能西门子S7-200系列PLC内部有许多特殊功能。如:表处理指令，直接操作功能等。例如表处理指令ATT用于建立数据表格，并可以按照后进先出或先进后出的顺序取出数据，以及用数据检索指令FND在表中按照搜索条件(=、)搜索合适的数据等。该功能用于处理模拟量输入，如在用温度传感器检测温度时，读入模拟量输入后转换为数字量温度的过程，可采用在PLC中建立电压与温度的表格，然后通过查表的方法实现等，这样，除了利用S7-200系列PLC的浮点运算能力，通过建立电压与温度的函数，直接计算实现模拟量转换外，又提供了另一种转换方式，在实际应用中可根据系统的配置情况与控制对象，选择使用。另外，中断程序的引入使PLC对特定的内部和外部事件快速反应得以实现。S7对PLC内部集成的高速输入和高速输出功能，内部都提供专用指令，并分配专用中断事件，以确保PLC对外部事件快速反应。3.3 PLC软件设计一般过程根据PLC系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明的基础上，用相应的编程指令，编制实际应用程序，并形成程序说明书的过程就是程序设计。3.3.1 PLC编程语言PLC是通过运行编写的用户程序实现控制任务的。程序的编制就是用一定的编程语言对一个控制任务进行描述。PLC中的程序由系统程序和用户程序两部分组成，系统程序由PLC生产厂家提供，它支持用户程序的运行；用户程序是用户为完成特定的控制任务而编写的应用程序。要开发应用程序，首先要掌握PLC的编程语言。S7-200系列PLC的编程语言非常丰富，有梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图等，用户可以选择一种编程语言，如果需要，也可混合使用几种语言编程。这些编程语言都是面向用户的，它使控制程序的开发、输入、调试和修改工作大大简化。我们在本次设计中选择梯形图编程。以下我们详细介绍下梯形图的概念。梯形图（LAD）编程语言是在继电-接触器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电-接触器控制系统的梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有区别。梯形图左边有一条垂直的线称作左母线，右边一条虚线称为右母线。母线之间是触点的逻辑连接和线圈的输出。梯形图的一个观念概念是“能流”（Power Flow）。把左母线假想成电源“相线”，而把右母线（虚线）假想为电源“零线”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励；如果没有“能流”，则线圈未被激励。“能流”可以通过被激励（ON）的常开接点和未被激励（OFF）的常闭接点自左向右流动。“能流”在任何时候都不会通过接点自右向左流。PLC梯形图具有以下一些特点：1）PLC的梯形图是“从上到下”按行绘制的，两侧的竖线类似电气控制图的电源线，通常称做母线（Bus Bar），大部分梯形图只保留左母线；梯形图的每一行是“从左到右”绘制，左侧总是输入接点，最右侧为输出元素，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按纽、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如指示灯、接触器、中间继电器、电磁阀等。对S7-200系列的PLC来说，还有一种输出“盒”（功能框），它代表附加的指令，如定时器、计数器或数学运算等功能指令。在本次设计中，我们就多次使用了中间继电器。2）电气控制电路左右母线为电源线，中间各支路都加有电压，当支路接通时，有电流流过支路上的触点与线圈。而梯形图的左右母线是一种界限线，并未加电压，梯形图中的支路（逻辑行）接通时，并没有电流流动，有时称有“电流”流过，只是一种假想电流，只为了分析方便。梯形图中的假想电流在图中只能作单方向的流动，即只能从左向右流动。层次改变（接通的顺序）也只能先上后下，与程序编写时的步序号是一致的。3）梯形图中的输入接点如I1.0、I0.1等，输出线圈Q0.0、Q0.1等不是物理接点和线圈，而是输入、输出存储器中输入、输出点的状态，并不是接线时现场开关的实际状态；输出线圈只对应输出映像区的相应位，该位的状态必须通过I/O模块上对应的输出单元才能驱动现场执行机构。4）梯形图中使用的各种PLC内部器件，如辅助继电器、定时器、计数器等，也不是真的电器元件，但具有相应的功能，因此通常按电气控制系统中相应器件的名称称呼它们。梯形图中每个继电器和触点均为PLC存储器中的一位，相应位为“1”，表示继电器线圈通电、常开接点闭合或常闭接点断开；相应位为“0”，表示继电器线圈断电、常开接点断开或常闭接点闭合。5）梯形图中的继电器触点既可常开，又可常闭，其常开、常闭触点的数目理论上是无穷多个（受存储容量限制），也不会磨损，因此，梯形图设计中，可不考虑触点数量，这给设计者带来很大方便。对于外部输入信号，只要接入一个信号到PLC即可。6）电气控制电路中各支路是同时加上电压并行工作的，而PLC是采用循环扫描方式工作，梯形图中各元件是按扫描顺序依次执行的，是一种串行处理方式。由于扫描时间很短（一般不过几十毫秒），所以控制效果同电气控制电路是基本相同的。但在设计梯形图时，对这种并行处理与串行处理的差别有时候应予注意，特别是那些在程序执行阶段还要随时对输入、输出状态存储器进行刷新操作的PLC，不要因为对串行处理这一特点考虑不够而引起偶然的误操作。3.3.2 软件设计过程1、PLC程序设计一般分为以下几个步骤：1)程序设计前的准备工作2)程序框图设计3)编写设计4)程序测试5)程序调试6)编写程序说明书2、程序设计前的准备工作1)了解系统概况，形成整体概念这一步的工作主要是通过系统设计方案了解控制系统的全部功能、控制规模、控制方式、输入/输出信号种类和数量、是否有特殊功能接口、与其它设备的关系、通信内容与方式等。2)熟悉被控对象、编制出高质量的程序这一步的工作是通过熟悉生产工艺来进行。可把控制对象和控制功能分类，按相应要求、信号用途或控制区域划分，确定检测设备和控制设备，深入细致地了解每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模，以及其间的关系和预见以后可能出现的问题，使得程序在应用过程中有备无患。3)选择合适的工具充分利用手中的硬件工具和软件工具等，一般我们利用计算机编程，这样可以大大提高编程的效率和质量。3、程序框图设计 程序框图设计的主要工作是根据控制系统具体情况，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，然后再根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。有的系统应用软件已经模块化，那就要对相应程序模块进行定义，规定其功能，确定各模块之间连接关系，然后绘制出各模块内部的详细框图。框图是编程的主要依据，要尽可能详细。这步完成以后，就会对全部控制程序的功能实现有一个整体概念。4、编写程序编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写语句，这是整个程序设计的核心部分。梯形图语言是最常用的编程语言，但是在编写程序的过程中要及时地对编出的程序进行注释，以免忘记其间的相互关系。注释要包括程序的功能、逻辑关系说明、设计思想、信号的来源和去向，以便阅读和调试。5、程序的测试程序的测试也是程序设计工作中非常重要的内容，它可以初步检测程序的实际效果，也可以在测试过程中优化程序。程序测试和程序编写是分不开的，通过测试使得程序的许多功能得到改进和完善。测试时先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输出信号的变化情况。各功能单元测试完成后，再贯通全部程序，测试各部分的接口情况，直到满意为止。程序测试可以在实验室进行，也可以在现场进行。如果是在现场进行程序测试，那就要将可编程控制器系统与现场信号隔离，可以使用暂停输入/输出服务指令，也可以切断输入/输出模块的外部电源，以免引起不必要的，甚至可能会造成事故的机械设备动作。6、程序调试程序调试与程序测试不同，它是在成功地进行了程序测试之后才开始的工作。软件测试的目的是尽可能多地发现软件中的错误，软件调试的任务是进一步诊断和改正软件中的错误。第四章 系统设计4.1系统总体设计4.1.1 开槽机系统结构开槽机现场电气设备由上料电机、下料电机、左、右锯片电机、输送1电机、输送2电机、推进汽缸各1台等组成，其中左、右锯片电机组成系统的主机部分，上料电机根据主机工作情况为主机提供原料，待主机切割完成后，下料电机将碳块运出，然后汽缸把碳块从下料托辊上推到输送1电机上，最后经输送2电机运出生产线。系统主机设备如图4-1所示，系统输送部分如图4-2所示。图4-1开槽主机 图4-2 上料、下料输送部分4.1.2 开槽机工作流程图开槽机自动生产线工作流程图如下图4-3所示图4-3 开槽机自动生产线工作流程图4.2控制方案选择由于开槽机组成结构比较复杂，采集和处理数据量大，因此在本文中开槽机的控制系统设计采用PLC+工控机的设计方案，其中工控机采用组态软件设计开发监控、管理软件；PLC选用西门子的S7-200系列PLC。其总控制系统图如图4.-4所示 图4-4 总控制系统图4.2.1 控制系统功能分析1.工控机工控机采用组态软件编写上下料电机电流、开槽主机电流、生产产量等的监控界面，并完成以下功能：1） 实现电机电流、产量、工作状态等参数的显示2） 具备生产参数设置等功能监控界面可以完成对生产线生产速度及上料电机频率的设定。3）实现试验数据的记录，历史记录显示等数据库功能。2. PLC控制单元主要完成以下功能：1）根据控制需要完成对上下料电机、开槽电机、油泵及输送电机的开关控制。2）根据生产速度设定及现场采集电流控制生产的速度。4.3开槽机具体控制硬件系统设计由于本设计比较复杂，现场采集数据较多，因此本文仅对开槽机上料电机、开槽电机及电流采集设计部分进行分析研究。4.3.1 电流采集系统根据开槽机控制系统的控制需要，需要对上下料电机，主机锯片电机及油泵电机进行电流采集。在本设计中电流的采集采用电流互感器设计方案，通过安装在现场的四个电流互感器把电机的工作电流转换成0-5A的电流信号输出，其电器原理图如下图4-5所示图4-5电流采集系统电气原理图电流互感器的电流输出信号经过一个电流电压变换模块GM01-04将电流信号转化成电压信号，其电气原理图及PLC接线图如图4-6所示。图4-6电流采集系统PLC接线图4.3.2 开槽机上料电机变频控制设计 由于上料电机为主机提供开槽原料，所以上料电机的工作状态直接影响着整个生产线的生产效率，在本设计中上料部分中采用安川V7系列小型矢量控制变频器，通过改变电机的频率来调节上料的速度从而控制产量，调节生产效率，在本系统中采用安川CIMR-V7AT45小型矢量控制变频器，通过现场电流互感器采集上料电机的电流数据送入PLC，PLC将上料电机的电流数据与锯片电机电流数据对比处理后通过一个隔离模块GM05将PLC输出的电压信号变成4-20mA控制信号，从而控制变频器的输出频率，其电气原理图如图4-7所示：图4-7上料电机变频控制电气原理图4.3.3 开槽主电机控制设计当上料电机把碳块送入主机后，PLC根据现场传感器采集的信息，控制主机内的两个锯片开始对碳块进行开槽处理，控制开槽速度为150-350mm/Min，开槽电机采用两个15KW的三相交流电动机，PLC通过控制中间继电器KAx（KA02锯片电机1启停，KA03锯片电机2启停）的状态来控制锯片电动机的启停，PLC根据现场急停开关的信号对中间继电器KAy（KA26：锯片电机1，KA27：锯片电机2）进行控制，达到保护生产设备和人身安全的作用，当电机正常工作时KM线圈吸和并送运行信号给PLC处理，当电动机运行过热时热继电器工作跳停并送信号给PLC处理，并根据电流互感器采集的信号，监测的电机运行状态，使生产顺利进行，其工作原理图如图4-8所示，由于图4-8 开槽主电机控制原理图4.3.4 PLC输入输出点分配PLC的输入/输出系统是过程状态与参数输入到PLC以及PLC实现控制时控制信号输出的通道。通过PLC提供的I/O输出模块，实现被控过程与PLC接口之间的电平转换、电气隔离、串/并转换、A/D与D/A转换等功能。根据系统设计所需要实现的功能，如上下料电机控制、油泵控制、工作方式选择、故障处理、以及信号采集的控制等来确定输入输出口的分配。在分配之前确定每一个功能所要控制的内容，根据被控对象和要输出的信号来确定I/O的数量，同时也要考虑一些在调试中可能临时需要的输入输出点，经统计所需的I/O点数的总数约为140160之间。表4-1给出了主要开关量的I/O分配，这些开关量对系统的控制设计起着非常重要的作用。表4-1主要开关量的I/O分配输入端子内容输出端子内容I0.0油泵起动Q0.0油泵I0.1油泵停止Q0.1锯片1I0.2锯片1起动Q0.2锯片2I0.3锯片1停止Q0.3上料正转I0.4锯片2起动Q0.4上料反转I0.5锯片2停止Q0.5下料I0.6上料正转Q0.6输送I0.7上料反转Q0.7吹风I1.0上料停止Q1.0螺旋I1.1下料启动Q1.1备用I1.2下料停止Q1.2油缸前进I1.3输送启动Q1.3油缸后退I1.4输送停止Q1.4上料报警I1.5吹风启动Q1.5下料报警I1.6吹风停止Q1.6响铃I1.7螺旋启动Q1.7故障报警I2.0螺旋停止Q2.0手/自动指示I2.1油缸前进Q2.1辅助设备故障指示I2.2油缸后退Q2.2生产线设备故障指示I2.3油缸停止Q2.3急停故障指示I3.0手/自动转换（自动=1）Q2.4备用1I3.1自动启动Q2.5备用1I3.2自动停止Q2.6备用1I3.4故障消音AIW0油泵电机电流I3.5响铃AIW2锯片1电机电流I3.6操作台急停AIW4锯片2电机电流I3.7现场急停AIW6上料电机电流I4.0油泵运行信号AQW0上料电机频率I4.1油泵故障信号I4.2锯片1运行信号I4.4锯片2运行信号I4.6上料运行信号I5.0-5.3故障信号I6.0-6.2上料接近开关I6.3上料位置开关I6.4-6.6下料开关I6.7油缸前位置开关I7.0油缸后位置开关I7.1-7.7输送开关4.4 开槽机具体控制软件设计本部分主要内容是根据PLC软件设计的规则，把整个控制系统划分成若干子模块，分模块设计，最终实现实现整个控制系统的功能。4.4.1系统上位机软件设计由于系统监控点数多,画面复杂,自行设计监控软件周期较长、难度较大,所以上位机监控软件采用国内先进的组态软件组态王KingView6.51进行编写。组态王是运行于Windows98/NT的全中文界面的组态软件,采用了多线程、COM组件等新技术,充分利用了Windows的图形编辑功能,能方便地构成监控画面,具有丰富的设备驱动程序、灵活的组态方式和数据链接功能,用其构造监控系统能大大缩短开发时间,并能保证系统的质量。其监控画面如下图4-9所示。在上位机的监控画面中，实现了对碳块加工过程的监视、控制方式的选择、上料电机的频率的设定生产产量的记录、锯片电流的监视记录及故障查询等功能。图4-9上位机监控画面4.4.2 PLC程序的分析与设计对于本系统，要进行程序设计首先应对碳块的加工工艺进行分析，可以得出本系统加工时的工作步骤：1、动力开启2、锯片电机启动3、碳块吊装4、上料电机启动5、下料电机启动6、油泵工作7、输送电机工作8、加工完成根据本系统设备操作要求和工艺，本系统中设置了自动手动两种工作方式，自动化的生产方式是用来实现机加工对象的自动化生产，碳块的加工除上下料以外全部由系统自动完成。因此它可以大大提高加工效率，提高产品质量，减轻工人劳动量，降低成本。手动档主要是为了现场调试及工艺技术改进方便而设置的。 根据本系统加工时的详细步骤和系统总体功能，按照结构化、模块化编程方法，将PLC程序分为多个功能模块，其功能模块如图4-10所示图4-10 PLC程序功能模块图 本文仅对电流采集模块、上料电机控制模块、锯片电机故障处理模块、碳块计数模块进行设计，研究。4.4.3电流采集模块电流采集模块包括电流的采集和电流的变换两部分，其中电流的采集包括油泵电流采集、开槽锯片电机电流采集，上料电机电流采集，电流的变换是由于西门子S7-200采集的模拟量的范围为6400-32000，于是本模块需要对数据进行下处理，根据需要编写成SBR-3子程序，其计算公式为根据公式编写程序为油泵电流采集，锯片电流采集，上料电机采集程序为：4.4.4 上料电机控制模块：在上料电机控制模块中包含对上料电机的正反转控制和对上料电机的速度控制两个模块，正反转模块就是根据需要将电机工作状态切换为正转或反转，而对上料电机的控制主要是根据上位机及现场实际情况对变频器的控制，以实现生产的提高，其正反转控制及速度控制程序如下所示 上料电机速度控制程序：4.4.5 锯片电机故障处理模块锯片电机的故障主要有热故障与过流故障两种，其中热故障是因为电机长时间工作发热导致继电器跳停引起的，处理起来比较简单，只需要把电机重新启动复位就好了，过流故障处理的流程图如下图 4-11 图4-11锯片电机过流故障处理流程图锯片电机过流处理程序：锯片电机热故障处理程序：4.4.6 碳块计数模块 为了对生产管理的方便，在程序设计中需要对碳块数量进行统计，在本系统中总共需要对三组数据进行记录，累计产量，班组产量，总产量，并能实现对班组产量及总产量的清零设计。其流程图如下图4-12所示图4-12 碳块计数程序流程图碳块计数程序：碳块计数清零程序：第五章 结论本文针对阳极开槽机的工艺流程进行的研究，利用西门子PLC设计了阳极开槽机的电气控制系统，达到了开槽机了控制系统的要求，该系统具有以下特点：1. 采用PLC控制，适应能力比较强由于开槽机一般都是在条件比较恶劣的环境下运行，对装置的要求比较高，传统的装置都是用继电器等一些器件组成，这些装置不仅线路复杂，而且在恶劣的环境下稳定性很差，这些线路很容易出现故障，致使生产效率大大降低，而此次运用PLC编程控制，解决了系统的稳定问题，经过生产厂家多年的实际运行，它的稳定性是不容置疑的。因此和传统的系统相比较，此次的装置具有更强的适应性和稳定性，使生产效率不因环境而改变。2. 控制系统加入了对电动机电流的检测，能及时对电机状态进行监测：在开