（无线电物理专业论文）环抱挤压型纵向电磁搅拌装置控制部分的plc设计.pdf

ab s tr a c t r e c e n t l y o u r c o u n t r y s s te e l o u t p u t i s u n c e a s i n g l y i n c r e a s i n g . t h e i m p o r t a n t r e a s o n i s v i g o r o u s l y d e v e l o p i n g t h e c o n t i n u o u s c a s t i n g . t h e d e v e l o p m e n t a n d c o n s u m m a t i o n o f e l e c tr o m a g n e t i s m c h u rni n g t e c h n o l o g y a r e i m p o r t a n t m e a n s w h i c h i n fl u e n c e t h e s t e e l b i ll e t s q u a l i ty . b u t t h e m o s t e q u i p m e n t w h i c h i n t r o d u c e d i n t o c h i n a a r e l e v e l c ir c u m v o l v in g m a g n e t i c fi e l d . t h e e ff e c t o f i m p r o v i n g t h e s t e e l b i l l e t s q u a l i ty i s n o t e v i d e n c e . i t i s n o t p r o p i t i o u s t o t h e g ro w t h o f f o r e - a n d - a ft c ry s t a l s a x e s , a n d t h e c e n t r a i . s t e e l b i l l e t i s e v e n m o r e l o o s e n a n d r e t r a c t i o n , a n d p a r t i a l a n a l y s e i s r e l a t i v e l y s e v e r i ty , a n d i t i s n o t p r o p i t io u s t o t h e u p - fl o a t o f d r e g s a n d s o o n . t o a i m a t s u c h i n s u ff i c i e n c y w e r e s e a r c h e d a n d ma n u f a c t u r e d a s u i t o f s u r r o u n d - p o r t r a i t - e l e c t r o m a g n e t i s m - c h u rn i n g e q u i p m e n t . w e h a d a p p l i e d p a t e n t . t h e e x p e r i m e n t h a d fi n i s h e d . w e s u c c e s s f u ll y c h u r n e d t h e m e l t i n g p l u m b u m - t u t a n i a w h i c h s d e n s i ty i s s a m e t o t h e s t e e l . n o w t h e l o g i c c o n t rol p a rt i s u s i n g t h e s e p a r a t e e l e c t r o n o r g a n . t h e r e h a v e t w o s h o r t a g e s . o n e i s t h e l o w e r d e p e n d a b i li ty w h i c h c o m p a r e w i t h p l c o r s c m. t h e o t h e r o n e i s n o t m a t c h i n g w i t h a u t o i m m u n i z a t i o n c o n t r o l . f o r t h e d e v e l o p m e n t o f t h i s e q u i p m e n t , w e s h o u l d u s e p l c t o r e p l a c e t h e s e p a r a t e e l e c t r o n o r g a n . k e y w o r d s : e l e c t r o m a g n e t i s m c h u rni n g t e c h n o l o g y -, s t e e l b i l l e t ; s u r r o u n d - p o r t r a i t - e l e c t r o m a g n e t i s m - c h u rni n g ; p l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t ro l l e r ) 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名:王先超 2 0 0 7年 0 5月 2 5日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密， 在年解密后适用本 授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 ( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最长 1 0年，可少于 1 0 年) 机密*2 0 年 ( 最长2 0年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名:王先超 2 0 0 7年 0 5 月 2 5日 第一章研究背景和意义 第一章研究背景和愈义 第一节电磁搅拌技术的发展过程 电 磁 搅拌( e m s ) 是由 瑞典a s e a公司首先 提出 的。1 9 3 2年， d r e y f u s 博 士从法拉第的电磁感应原理中发现，低速移动着的感应磁场能在钢水中产生强 力的搅拌作用，于 1 9 4 8年制造出世界第一台电磁搅拌器用于电弧炉炼钢。到 2 0世纪6 0 年代， 奥 地利k a p f a n b e r g 公司的b e o h l e r 连铸机己 开始使用电 磁搅拌 技术浇注合金钢。 2 0世纪7 0年代， 科学家在磁流动力学方面取得了重大进展， 电 磁搅拌技术逐渐发展和成熟，为铸坯质量的提高，为钢铁冷金生产的全连铸 化打下了重要技术基础。 2 0世纪7 0年代，法国 钢研院( i r s i d ) 首次将线性电 磁搅拌技术在方坯连 铸机上进行了工业性试验， 英国钢公司( b s c ) 也进行了类似的试验。实验表明， 电磁搅拌使铝硅镇静钢的皮下质量得到了改善，在试验中由于采用了低频电磁 场，提高了搅拌效率，并允许使用常规铜材料作结晶器，因而很快在生产实践 中 得到应用。 随后， 圆 坯的旋 转 搅拌研究取得了 突 破性进展。 k a r l 一 h e in z s p i t z e r 等用模型实验和数值模拟的方法研究了圆坯在旋转搅拌作用下钢水内电磁场和 流场。在对各种情况计算结果进行分析的基础上，讨论了搅拌器的内径、长度、 磁感强度、激磁电流的频率、搅拌器沿长度方向的安装位置对流场的影响。 2 0世纪8 0年代初，日本川崎钢铁公司和瑞典a s e a公司共同开发了结晶 器电磁制动， 将这项技术应用于川崎公司的铸机上， 收到良好的冶金效果。 2 0世 纪9 0年代相继开发问世了间歇式高频搅拌器和多频搅拌器， 标志着电磁搅拌技 术的发展和成熟，使搅拌能数的选取具有更大的灵活性。 电磁搅拌技术的发展和完善，使其成为影响铸坯质量的重要手段。目前所 使用的电磁搅拌按搅拌方式可分为旋转型搅拌、直线型搅拌、螺旋搅拌; 按安装 位置分可以分为4类: 中包加热用电磁搅拌( h e m s ) 、 结晶器电磁搅拌( m e ms ) . 冷却段电 磁搅拌( s e m s ) 和凝固 末端电 磁搅拌( f e m s ) 。 随着技术的进步，电磁搅拌技术也在不断地发展，单一的电磁搅拌已不再 能够满足人们对铸坯质量的要求， 人们开发了组合电 磁搅拌， 如( m + s ) e m s等， 组合电磁搅拌在改进铸坯质量、减少中心偏析方面又进了一步。 我国2 0世纪7 0年代末才开始研究电磁搅拌技术，主要经历了3 个阶段。 第一章研究背景和意义 一、 2 0世纪7 0 年代末至8 0年代中期， 我国开始对电磁搅拌进行摸索和探 讨，虽然经过实验及工业运行，但性能不太稳定。2 0世纪 8 0年代中期我国引 进了一批特钢连铸机，都配有进口电磁搅拌装置，这虽然对我国连铸电磁搅拌 技术的发展起了积极的作用，但也说明我国当时还不具备高性能电磁搅拌装置 的制造能力。 二、2 0世纪 8 0年代后期，电磁搅拌得到国家的高度重视。经过十多年的 努力， 我国电 磁搅拌技术终于有了 重大突破和发展。 1 9 9 6年5月， 舞钢首次在 大型厚板坯连铸机上成功使用国内自 行设计研制的 s e ms成套装置，标志我国 结束了完全依靠引进进口电磁搅拌装置的历史。这些装置的制作水平和使用效 果已达到引进装置的水平，因此，促进e ms进口 价格大幅下跌。 三、 1 9 9 7年， 宝钢同其它单位合作， 成功研制了宝钢大板坯连铸s e ms， 价格不足引进的1 / 3 。 宝钢s e ms的研制成功标志着我国已经具有研制高性能电 磁搅拌装置的能力， 且具备了出口 竞争的实力。 我国目 前应用的电磁搅拌器有 1 0 0多台，多为电炉连铸，绝大部分为引进 的，仅有重庆特钢、宝钢等使用了少量的国产电磁搅拌装置。通过引进了一批 不同位置和类型的e m s， 使我国e ms的在线应用有了较大的发展和进步。 但 是， 由于 e ms国内的应用研究还不充分，不少厂家的运用还不尽人意，主要 存在以下4 个问题: 一、工艺试验不充分，未对工艺参数进行充分优化: 二、 功率问 题， 国内引进的e m s多为早期产品， 功率不足， 无法发挥应有 的效用: 三、 水质处理问题，由于e ms功率大，电磁线圈多采用水内冷， 对水质要 求很高，而国内厂家水质处理大多达不到标准，造成线圈及接线处绝缘损坏; 四、 钢种不合适，e ms对高碳钢、不锈钥、厚板等特殊钢种的作用比较明 显，普通钢则效果有限，船板钢和某些低合金钢电磁强搅拌后，易产生白亮带 和负偏析。 从以 上可以 看出， 我国对e ms的研究和应用还比较落后，因而， 我们必须 加大研究力度，使我国e ms技术进一步地发展。 第一章研究背景和意义 第二节电磁搅拌技术的原理 电 磁搅拌( e l e c t r o m a g n e ti c s ti r ri n g ) 的 工作原理十分简单， 如同由 两相或 三 相电流w动的、能产生交变磁场的线性感应马达。电流发生相变时，磁场从一 极到达另一极，当磁场以一定速度切割钢液时，钢液中产生感应电流.载流钢 水与磁场的相互作用一电磁感应产生的电磁推力，将液态钢水向磁场运动的方 向 有规律运动的过程。这样，可以通过电流相位变化来选择方向，也可以通过 电流密度和频率来调整推力大小。 连铸电磁搅拌的实质在于借助电磁力的作用，强化铸坯液相穴中钢水的运 动，从而改善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的 目的。 按感应方式可分为旋转搅拌、直线搅拌、螺旋搅拌。 通常电磁搅拌安放在三个位置上: 一、结晶器铜管四周与结晶器外壳之间，称为m -e ms电磁搅拌器; 二、结晶器出口附近，称为s -e ms电磁搅拌器; 三、凝固末端也就是二冷段后1 / 4 至1 / 3 处，称为f -e ms 搅拌器。 通过历年来的实践，人们根据工艺质量要求分别可将三种电磁搅拌进行几 种组合。 第三节水平旋转磁场式电磁搅拌设备的缺点 近年来，我国钢铁产量不断增长，其重要原因之一就是长期以来贯彻了大 力发展连铸生产。近几年，我国钢铁工业发展到一亿吨的过程中，连铸起了显 著作用。目前，因国际上对钢的质量要求，积极采用连铸钢坯电磁搅拌技术来 改善钢的质量，已成为连铸技术研究的热门话题，但在生产实际中电磁搅拌并 没有得到广泛应用。这是因为:目前绝大多数电磁搅拌设备属外国进口，价格 昂贵;绝大多数电磁搅拌设备为水平旋转磁场式，改善连铸钢坯质量的效果不 甚明显。具体表现在: 当对钢水进行旋转式电磁搅拌时，水平旋转的钢水虽然可以搅乱横向的柱 状晶的形成，但并不有利于纵向的等轴晶的生长: 钢水横向旋转，产生离心力，加剧了钢坯中间的疏松和缩孔，偏析现象也 第一章研究背景和意义 比较严重。 钢水横向旋转并不有利于夹渣的上浮; 产生旋转磁场的定子线圈的六个绕组的体积过大，发热严重，必须浸泡在 软化水中，导致线圈寿命短 ( 一般在一年左右) 。加之水软化设备昂贵，更增加 了连铸设备的成本: 无论是在旋转磁场式电磁搅拌装置还是行波式纵向电磁搅拌装置中，都需 要三相乃更多相超低频交流逆变电源。这类电源的造价高昂 ( 约几十万元人民 币至几百万元人民币) ，而且设备复杂，故障率高，更不易维修。 第四节电磁搅拌装生在我国的应用 作为世界钢铁大国，我国的钢铁行业这几年呈蓬勃发展的趋势。我国的炼 钢设备主要是传统的高炉炼钢，产量很高，特别是从连铸技术引进后，钢产量 大幅跨越。但是高炉与连铸所生产的钢材质量不高，不能冶炼高档优质钢材。 这样就造成了我国钢铁行业存在着的 “ 大量低档产品积压，而大量高档优质钢 材依赖进口”的问题。 尤其是近 2 0年来，我国的钢铁连铸生产发展迅猛。2 0 0 4年，全国连铸坯 产量 2 . 6 5亿t ，正在运行的连铸机近 6 0 0台，连铸机的数量和连铸坯的产量已 居世界第一。全连铸企业己达1 9 8 家，占总数2 1 7家钢铁企业的9 1 . 2 4%。与 我国钢铁工业在世界上的地位一样，我国是一个连铸生产大国，但还不是连铸 技术强国。随着连铸技术的应用和发展，连铸坯的质量越来越受到重视。近年 来，超纯净钢的开发和应用对铸坯的质量、凝固组织和成分均匀化提出了更高 的要求。再加上国际市场竞争的日 益激烈化，因此，连铸过程中提高铸坯的质 量已成为连铸生产中的首要问题。 第五节研究该课题的愈义 我们现在采用一种对连铸坯内部钢水进行纵向电磁搅拌的新方案，具体方 案如图1 . 1 所示。 搅拌感应线圈采用空心铜管制作，铜管内通水冷却，并以螺线管的形式缠 绕在结晶器外围。当交变电流通过线圈时，由愣次定律可以知道，在结晶器内 产生纵向的交变磁场，磁场方向与结晶器的轴向一致，纵向交变磁场在连铸坯 4 第一章研究背景和意义 . 感生电流 2 .电感线圈 3 .结晶器 图1 . 1 螺线管感应器 的钢水中感生出横向环流，在钢水中就有感生电流产生。由左手定则，横向环 行流动的感生电流与纵向交变磁场相互作用会产生指向连铸坯轴心的洛伦兹 力，产生环抱挤压型的力使钢水向里挤，钢水在该力的环抱挤压下流向表面， 到达钢水上表面后，再向下回流，从而形成上行纵向环流。事实上，除了此上 行环流外，钢水中还会形成下行环流。上下行环流都具有增加等轴晶和减少连 铸坯中间组织疏松和缩孔的良好作用。鉴于结晶器 ( 上端开口，左右壁封闭， 下端几乎封闭)的结构上的特点，导致上行环流一般大于下行环流，致使下行 环流去除夹渣的效果不甚明显。由于连铸坯内钢水必经过上行环流后才进入下 行环流，钢水经过上行环流作用，大部分夹渣己被去除，所以不用过多考虑下 行环流的影响。 这种纵向搅拌方式较之传统旋转磁场式搅拌有如下四点显著优点: 一、纵向流动的钢水更有利于纵向等轴晶的生成，增加钢坯强度;钢水受 到始终向心的洛伦兹力的环抱挤压，可明显减小连铸坯中间的疏松和缩孔; 二、上行环流钢水中的夹渣在上行钢水的裹挟下上浮，到达结晶器的上表 第一章研究背景和意义 面。由于夹渣比钢水轻，所以，当钢水向下回流时，因浮力作用，使更多的夹 渣摆脱了钢水的裹挟而浮在结晶器的上表面，促进了夹渣的去除: 三、螺线管感应器的感应线圈只有一个，其体积远比具有六个线圈的旋转 磁场式搅拌感应器小很多。这样一来，感应线圈就可采用通水冷却的空心铜管 绕制，而不必将感应器线圈浸泡在软化水中，大大延长了感应线圈的寿命，同 时也省去了价格昂贵的水软化装置: 四、结构简单，成本低，维修容易。 总之，与传统的旋转磁场式电磁搅拌方式相比，这种环抱挤压型的纵向搅 拌方式不仅提高了 钢坯质量，而且相应设备造价仅为同类设备的四分之一至十 分之一，所以应用前景十分广阔。 第六节 本人所做的工作 这种连铸钢坯的环抱挤压型纵向电磁搅拌方案我们已经申请专利，该方案 的试验己经完成:我们对熔融的铅锡合金 ( 其密度与钢的密度相差不多)进行 搅拌，达到了预期的效果。 目前该方案的逻辑控制部分是用分立的电子元器件在电路板上焊接实现 的， 这就有以下不足之处: 一、在电路板上焊接的分立的电子元器件与单片机控制或者p l c控制相比 其可靠性不高; 一二、与现代工业中微机化，自 动化控制不匹配，不能适应实际生产需要。 为了使该方案能在实际钢铁生产中运行，就要把该方案中逻辑控制部分用 可编程序控制器 ( p r o g r a m m a b l e l o g ic c o n t r o l l e r 简称: p l c ) 来实现. 这就是我 所做的毕业设计。 第二章 环抱挤压型纵向电磁搅拌设备介绍 第二章 环抱挤压型纵向电磁搅拌设备介绍 第一节主电路概述 感应炉由于存在趋肤效应，频率越高趋肤效应越显著。为减小趋肤效应， 使更多的感生电流渗入到钢水之中，应采用低频的交流电。要产生低频的交流 电源，有两种方法: 采用补偿方案。 由f = 1 / 2 7 c 迈 万可 知， 因为电 感l 一定， 只 有设法 增大电 容c ， 但是电 容 c太大 ，经济上和应用上不便实施。 采用非补偿方案。我们采用反并联的三相全控整流桥来产生低频的交流电 源，主电路如图2 - 1 所示。 l . 与 图2 . 1 主电路图 该方案的原理如下: 正整流桥和反整流桥轮流以 零度触发角导通时，流过电感 l的电流方向是 相反的， 这样拼接起来的电流波形就是类似正弦波的交流电， 如图2 .2 所示， 而 且该电流的频率可以通过控制正反整流桥的可控硅的触发频率来控制。 第二章环抱挤压型纵向电磁搅拌设备介绍 图2 . 2 主电路电流波形图 在工作中，两整流桥导通的时刻一定要加以控制，在整流结束时一定要拉 逆变，保证电感上的能量完全回馈给电网，防止出现两整流桥同时导通形成相 间短路的现象。因此正反整流桥导通的顺序必须遵从如图2 . 3所示的过程: 正整流桥反整流桥 整流 ， 逆变 ， 封锁整流 ， 逆变 ， 封锁 图2 .3 主电路工作顺序图 为了实现上述目的，该主回路的控制回路由有以下几部分组成: 一、a脉冲电路和计数电路 二、可控硅触发电路 三、电流负反馈电路 四、逻辑控制电路。 第二章环抱挤压型纵向电磁搅拌设备介绍 第二节控制回路电路原理 一、a脉冲电路和计数电路 ( 一)a脉冲电路 ( 电路图见附录 1 ) 电路的输入信号是与主电路同步的三相交流电经同步变压器降压后的三相 电，三相电的每一相分别经整流桥整流，稳压管削波，集成块 4 0 1 0 6整形和反 相后，变为占空比为1 : 1 的方波脉冲， 三相叠加后就成为频率为3 0 0 h z 的方波 脉冲( 即a脉冲)o a脉冲同主电路的整流输出同步，供计数电路和逻辑控制电路使用。 ( 二)计数电路 ( 电路图见附录 2 ) a脉冲经4 n 3 5 隔离后， 输入到4 0 1 7 的c p 端， 计数电路数a脉冲的个数， 即主电路中三相全控整流后波包的个数，当数够选定的脉冲个数时，计数电路 就输出计数脉冲 ( 即b脉冲)给逻辑控制电路， c脉冲信号作为4 0 1 7的清零 信号，清零后计数电路重新开始计数。该电路的计数范围是 1 - - - 9 9 . 二、可控硅触发电路 ( 电路图见附录3 ) 本方案中采用双窄脉冲触发，正反整流桥均采用一样的电路，下面以正整 流桥为例说明。 u k 和u f 作为 输入控制端，当u k = 1 , k j o 4 1 被封锁，触发脉冲没有输出。 u f 的电压变化范围是4 v -1 5 v , u f 的电压大小决定了可控硅的触发脉冲的触发 角度，也决定了主电路处于整流或者拉逆变状态。 三、电流负反馈电路 ( 电路图见附录4 ) 电流负反馈电路是防止主回路因为电网的波动或者故障而导致电流突然增 大。 当电流增大到超过负反馈电路的限定值时，电流负反馈电路使触发脉冲后 移，触发角度减小，整流输出电流减小，整个主电路电流减小。 四、控制电路 ( 电路图见附录5 ) 控制电路是整个设备工作的核心。 先介绍一下控制电路各输入输出端子: a脉冲:控制板输入信号，是一个频率为3 0 0 h z 的脉冲信号。 b脉冲: 控制板输入信号， 是一个频率可调的脉冲信号， 范围为1 h z - 9 9 h z o 第二章环抱挤压型纵向电磁搅拌设备介绍 c清零: 控制板输出信号， 输出给计数电路， 用做4 0 1 7 计数器的清零信号。 正反桥封锁信号: 控制板 输出 信号，当1 d q = 1 时， 正 桥触发信号被封锁， 当i d q f = 1 ，反桥触发 信号被封锁。 正反桥拉逆变信号: 控制板输出信号， 当2 d q f = l 时， 正桥处于拉逆变状态， 当3 d q f = 1 ，反桥处于拉逆变状态。 控制电路逻辑原理: 正桥开 始整流( 1 d q = o , 1 d q f = 1 , 2 d q f = 0 , 3 d q f = 1 ) ， 霍尔 ( h o l l + ) 采 集到主回路中流过电感的电流信号，整形后送给控制电路。计数电路开始数 a 脉冲个数，即整流出的波包个数，当计数电路数够规定的的波包个数，计数电 路发出b脉冲信号给控制电路， 这时2 d翻转， 2 d q l , 正桥开始拉逆变， ， 当正 桥拉逆变完成时，主回路中流过的电流为零，h o l l + 也为零，控制电路输出 c 脉冲给计数电路清 零， 这时 控制电 路中1 d q = 1 , 1 d q f = o , 3 d q f ， 正 桥封锁， 反桥封锁解除，主回路处于等待时间。当a脉冲到来时，反桥开始整流，同时 计数电路开始计数，当计数电路数够规定的脉冲个数，又输出 b脉冲信号给控 制电 路， 这时3 d翻转， 3 d q f = 1 ，反桥拉逆变，当反 桥拉逆变完成时， 主回路 中流过的电流为零， h o l l . 也为零，输出c脉冲给计数电路清零，这时控制电 路中i d q = o , 1 d q f = 1 , 2 d q f = 0 ，反桥封锁，正桥封锁解除，主回路处于等待 时间。当a脉冲到来时，正桥又开始整流，如此的循环下去( 如图2 .2 所示的过 程) 。 第三章可编程控制器的概述 第三章可编程控制器的概述 第一节可编程序控制器概述 可编程序控制器是以微处理器为核心的工业自 动控制通用装置，其种类繁 多，不同厂家的产品各有特点，且有一定的区别，但作为工业标准设备，可编 程序控制器具有一定的 共性。 它们都是通过输入接口， 接收工业设备或生产过 程的各类输入信号 ( 如从操作按钮、行程开关等送来的开关量或由电位器、传 感器、变送器等提供的模拟量) ，并将其转换成其能够接受和处理的数据，运行 用户控制程序，将产生的结果通过输出接口转换成外设所需要的控制信号，去 驱动控制对象 ( 如接触器、电 磁阀、 调节阀、指示灯、调速装置等) ，进而控制 工业设备或生产过程。 第二节可编程序控制器的产生与发展 3 .2 . 1 可编程序控制器的产生 2 0 世纪2 0 年代出现了将接触器、 各种继电器、 定时器、 其他电器及其触头 按一定逻辑关系连接的继电接触器控制系统，其结构简单、价格便宜、便于掌 握，在一定范围内能满足控制要求，在工业控制中一直占有主导地位。但也存 在着设备体积大、动作速度慢、功能少而固定、可靠性差、难于实现较复杂的 控制的缺点。特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线繁杂，当生产工 艺改变时，原有的接线和控制盘就要更换，缺乏通用性和灵活性。 2 0 世纪6 0 年代，由于小型计算机的出 现和大规模生产及多机群控的需要， 人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入、输出 电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。 2 0 世纪6 0 年代末期， 美国汽车制造业竞争激烈， 各生产厂家的汽车型号不 断更新，它必然要求加工的生产线随之改变，整个控制系统需重新配置。为了 适应生产工艺不断更新的需要，寻求一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应 速度更快的新型工业控制器势在必行。 1 9 6 9 年， 美国数字设备公司研制出了第一台可编程序控制器p d p - 1 4 ， 并在 第三章可编程控制器的概述 g m公司汽车生产线上试用成功， 并取得了 满意的效果， 可编程序控制器由 此诞 生。所以 可编程序控制器是生产力发展的必然产物。 3 . 2 . 2 可编程序控制器的发展 可编程序控制器自问世以来， 发展极其迅速。 1 9 7 1 年，日 本开始生产可编 程序控制器， 1 9 7 3 年，欧洲开始生产可编程序控制器。到现在， 世界各国的一 些著名电器厂家几乎都在生产可编程序控制器，可编程序控制器已作为一个独 立的工业设备进行生产，己成为当代电控装置的主导。 早期的可编程序控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，指令系 统简单，一般只具 有逻辑运算的功能。人们把他称之为可编程序逻辑控制器 ( p r o gr a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r ) 缩写为p l c . 现在， p l c不仅能进行逻辑控制，在模拟量闭环控制、数字量的智能控制、 数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛的应用。如 今大、中型， 甚至小型 p l c都配有a/ d . d/ a转换及算术运算功能， 有的还 具有p i d功能。这些功能使p l c在模拟量闭环控制、运动控制、速度控制等方 面具有了硬件基础;许多p l c具有输出和接收高速脉冲的功能，配合相应的传 感器及伺服设备， p l c可实现数字量的智能控制; p l c配合可编程序终端设备， 可实时显示采集到的现场数据及分析结果，为系统分析、研究工作提供依据， 利用p l c的自检信号可以实现系统监控;p l c具有较强有力的通信功能，可以 与计算机或其它智能装置进行通信及联网，从而能方便地实现集散控制。功能 完备的p l c不仅能满足控制要求，还能满足现代化大生产管理的需要。因此美 国电气制造协会 ( n e m a)于 1 9 8 0年正式将其命名为可编程序控制器 ( p r o gr a m m a b l e c o n t ro l l e r )， 简称p c 。 但是 近年来p c又通常被认为是个人计 算机 ( p e r s o n a l c o m p u t e r ) 的简 称， 为了 有所区别， 现在仍把可编程控制器简称 为 p l c . 近年来，可编程序控制器发展更为迅速，更新换代周期缩短为 3年左右。 展望未来，可编程序控制器在规模上和功能上将向两大方向发展: 一是大型可编程序控制器向高速、大容 量和高性能方向发展。 二是发展简易、 经济和超小型可编程控制器，以适应单机控制和小型设备 自动化的需要。 另外，不断增强p l c工业过程控制的功能，研制采用工业标准总线，使同 第三章可编程控制器的概述 一工业控制系统中能连接不同的控制设备，增强可编程序控制器的联网通信功 能，便于分散控制与集中控制的实现，大力开发智能1 / o模块，增强可编程序 控制器的功能等都是其发展方向。 第三节可编程序控制器的用途与特点 3 . 3 . 1 可编程序控制器的用途 p l c的初期由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。但近几 年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降，使 p l c成本下降，同时又由 于p l c的功能大大增强，使p l c的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、 石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。p l c 的应用通常可分为五种类型:顺序控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、 通信和联网。 3 . 3 .2 可编程序控制器的特点 一、抗干扰能力强，可靠性高 二、 控制系统结构简单、通用性强、应用灵活 三、编程方便，易于使用 四、功能完善，扩展能力强 五、 p l c控制系统设计、安装、调试方便 六、维修方便， 维修工作量小 七、结构紧凑 体积小、重量轻，易于实现机电一体化。 由于p l c具有上述特点，使得p l c获得极为广泛的应用。 第四章 德国西门子s 7 - 2 0 0 系列p l c介绍 第四章 德国西门子s 7 - 2 0 0 系列p l c介绍 第一节s 7 - 2 0 0 系列p l c概述 德国西门子 ( s i e me n s )公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当 广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子 ( s i e me n s )公司 的p l c产品包括l o g o, s 7 , s 7 - 3 0 0 , 5 7 - 4 0 0 ，工业网络，h mi 人机界面，工 业软件等。 西门子s 7 系列p l c体积小、 速度快、 标准化， 具有网 络通信能力， 功能更 强，可靠性更高。s 7 系列p l c产品可分为微型p l c( 如s 7 - 2 0 0 ) ，小规模性能 要求的p l c( 如s 7 - 3 0 0 )和中、高性能要求的p l c( 如5 7 - 4 0 0 )等。 s 7 - 2 0 0 p l c是超小型化的p l c ，它适用于各行各业， 各种场合中的自 动检 测、监测及控制等。s 7 - 2 0 0系列p l c的强大功能使其无论单机运行，或连成网 络都能实现复杂的控制功能。因此 s 7 - 2 0 0 系列具有极高的性能2 价格比 ， s 7 - 2 0 0 系列出 色表现在以 下几个方面: 一、极高的可靠性。 二、极丰富的指令集。 三、易于掌握。 四、便捷的操作。 五、丰富的内置集成功能。 六、实时特性。 七、强劲的通讯能力。 八、丰富的扩展模块。 s 7 - 2 0 0系列在集散自 动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从 替代继电 器的简单控制到更复杂的自 动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有 与自动检测，自 动化控制相关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力 设施、民用设施、环境保护设备等等。如:冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶 化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 第四章德国西门子 s 7 - 2 0 0 系列p l c介绍 第二节系列p l c的基本硬件组成 s 7 - 2 0 0 系列p l c 可提供4 种不同的基本单元和6 种型号的扩展单元。 其系 统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。 一、基本单元 s 7 - 2 0 0 p l c可提供4 个不同的基本型号与8 种c p u可供选择使用， 其输入 输出点数的分配见表4 - 1 : 表41 s 7 - 2 0 0 系列p l c中c p u 2 2 x的基本单元 型 号输入点输出点可带扩展模块数 s 7 - 2 0 0 cp u2 2 1 64 s 7 - 2 0 0 cp u2 2 2 86 2 个扩展模块 7 8 路数字量v 0点或 1 0 路模拟量v 0 点 s 7 - 2 0 0 cp u2 2 4 1 41 0 7 个扩展模块 1 6 8路数字量 v 0点或 3 5路模拟量 v 0点 s 7 - 2 0 0 cp u2 2 6 2 41 6 2个扩展模块 2 4 8路数字量 v 0点或 3 5路模拟量 1 / 0点 s 7 - 2 0 0 cp u2 2 6 xm 2 41 6 2 个扩展模块 g a s路数字量 v 0点或 3 5路模拟量 i / 0点 二、扩展单元 s 7 - 2 0 0 系列p l c主要有6 种扩展单元， 它本身没有c p u ， 只能与基本单元 相连接使用，用于扩展v 0点数，s 7 - 2 0 0 系列p l c扩展单元型号及输入输出点 数的分配如表42 所示。 第四章德国西门子 s 7 - 2 0 0 系列p l c介绍 表4 2 s 7 - 2 0 0 系列p l c扩展单元型号及输入输出点数 类 型型 号输入点输出点 数字量扩展模块 e m2 2 18无 e m2 2 2无8 e m) ， 飞4 / 8 / 1 64 / 8 / 1 6 模拟量扩展模块 模拟量扩展模块 e m2 3 13无 e m2 3 2无2 e m2 3 531 三、编程器 p l c在正式运行时， 不需要编程器。 编程器主要用来进行用户程序的编制、 存储和管理等，并将用户程序送入p l c中，在调试过程中，进行监控和故障检 测。s 7 - 2 0 0 系列p l c可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。 简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程 及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能 型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接 采用梯形图语言编程， 实现在线监测， 非常直观， 且功能强大， s 7 - 2 0 0 系列p l c 的专用编程软件为s t e p 7 - mi c r o / win. 第三节 s 7 - 2 0 0 系列c p u 2 2 4 型p l c的结构 、一般性能 s 7 - 2 0 0 c p u 2 2 4 的一般性能如表4 - 3 所示。 表43 s 7 - 2 0 0 c p u 2 2 4般性能 电源电压dc 2 4 v, ac 1 0 0 - 2 3 0 v 电源电压波动dc 2 0 . 4 - 2 8 . 8 v, ac 8 42 6 4 v ( 4 7 - 6 3 hz ) 环境温度、湿度水平安装as s 0 c ，垂直安装0 - 4 5 0 c , 5 - 9 5 % 大气压 8 6 0 - - 1 0 8 0 h p a 保护等级i p 2 0 到i e c 5 2 9 输出给传感器的电压 dc 2 4 v ( 2 0 . 4 - 2 8 . 8 v) 输出给传感器的电流2 8 0 m a，电子式短路保护 ( 6 0 0 ma ) 为扩展模块提供的输出 6 6 0 ma 第四章德国西门子 s 7 - 2 0 0 系列p l c介绍 电流 程序存储器8 k字节/ 典型值为2 . 6 k条指令 数据存储器2 . 5 k字 存储器子模块1 个可插入的存储器子模块 数据后备 整个b d 1 在e e p r o m中无需维护 在r a m中当前的d b l 标志位、定时器、计数 器等通过高能电 容或电 池维持， 后备时间1 9 0 h ( 4 0 0 c时1 2 0 h ) ， 插入电池后备2 0 0 天 编程语言l ad, f bd, s t l 程序结构一个主程序块 ( 可以包括子程序) 程序执行自由循环。中断控制，定时控制 ( 1 - 2 5 5 m s ) 子程序级8 级 用户程序保护3 级口 令保护 指令集逻辑运算、应用功能 位操作执行时间 0 . 3 7 u s 扫描时间监控3 0 0 ms( 可重启动) 内部标志位2 5 6 ，可保持:e e p r o m中0 - -1 1 2 计数器0 - -2 5 6 ，可保持:2 5 6 , 6 个高速计数器 定时器 可保持:2 5 6 , 4 个定时器，l m s - 3 0 s 1 6 个定时器，l o m s - 5 m i n 2 3 6个定时器，1 0 0 ms - 5 4 m i n 接 口一个r s 4 8 5 通信接口 可连接的编程器/ p cp g7 4 0 p ii, p g7 6 0 p i l p c ( a t) 本机 u o 数字量输入:1 4 ，其中4个可用作硬件中断， 1 4 个用于高速功能 数字量输出:1 0 ，其中2个可用作本机功能， 模拟电 位器: 2 个 第四章德国西门子s 7 - 2 0 0 系列p l c介绍 可连接的 1/ 0 数字量输入/ 输出: 模拟量输入/ 输出: a s 接口输入/ 输出: 7 个 最多 9 4 / 7 4 最多2 8 / 7( 或 1 4 ) 4 9 6 最多可接扩展模块 二、 输入特性 s 7 - 2 0 0 c p u 2 2 4 的输入特性如表4 -4所示。 表4 . 4 s 7 - 2 0 0 c p u 2 2 4 输入特性 类型源型或汇型 输入电压d c 2 4 v, 1 信号” :1 4 - 3 5 a , 0 信号” : 0 - 5 a , 隔离光祸隔离，6点和 8点 输入电流勺 信号” :最大4 ma 输入延迟 ( 额定输入电 压) 所有标准输入:全部0 . 2 - 1 2 . 8 m s( 可调节) 中断输入:( 1 0 . 0 - 0 . 3 ) 0 . 2 - 1 2 . 8 ms( 可调节) 高速计数器:( 1 0 . 0 - 0 .5 )最大3 0 k h z 三、输出特性 s 7 - 2 0 0 c p u 2 2 4 输出特性如表4 - 5 所示。 表4 - 5 s 7 - 2 0 0 c p u 2 2 4 的输出特性 类型晶体管输出型继电器输出型 额定负载电压 dc 2 4 v ( 2 0 . 4 - 2 8 . 8 v) dc 2 4 v ( 今3 0 v) ac 2 4 - 2 3 0 v ( 2 0 - 2 5 0 v) 输出电压 1 信号” :最小d c 2 0 v l + / l l 隔离 光祸隔离， 5 点继电器隔离，3点和4点 最大输出电流 1 信号 :0 . 7 5 a 1 信号” :2 a 最小输出电流 0 信号 :i o n s a 0信号” :o ma 输出开关容量 阻性负载:0 . 7 5 a 灯负载:5 w 阻性负载:2 a 灯负载: d c 3 0 w, a c 2 0 o w 第五章s t e p 7 编程软件介绍 第五章s t e p 7 编程软件介绍 s t e p 7 - mi c r o / wi n是在 在线仿真软件。 平台上运行的s 7 - 2 0 0 系列p l c的编程、 第一节s 7 - 2 0 0 系列p l c指令系统 5 . 1 . 1 基本指令 s 7 - 2 0 0 系列的基本逻辑指令与f x系列和c p mi a系列基本逻辑指令大体相 似， 编程和梯形图表达方式也相差不多，这里列表表示s 7 - 2 0 0 系列的基本逻辑 指令 ( 见表41 8 ) 0 表41 8 s 7 - 2 0 0 系列的基本逻辑指令 指令名称指令符功能操作数 取 l d b i t 读入逻辑行或电路块的第一 个常开接点 b i t : i , q, m, s m, t, c, v, s 取反 l dn城 读入逻辑行或电路块的第一 个常闭接点 与 a b i t串联一个常开接点 与非 an b i t串联一个常闭接点 或 o b i t 并联一个常开接点 或非 on b i t并联一个常闭接点 电路块与 al d串联一个电路块 无 电路块或 ol d 并联一个电路块 输出 =恤输出逻辑行的运算结果 b i t : q, m, s m, t, c, 置位 s b i t ,n置继电器状态为接通 b i t : q , m, s m, v, s 复位 r b i t , n 使继电器复位为断开 第五章s t e p ? 编程软件介绍 5 . 1 . 2功能指令 一般的逻辑控制系统用软继电器、定时器和计数器及基本指令就可以实现。 利用功能指令可以开发出更复杂的控制系统，以致构成网络控制系统。这些功 能指令实际上是厂商为满足各种客户的特殊需要而开发的通用子程序。功能指 令的丰富程度及其合用的方便程度是衡量p l c性能的一个重要指标。 s 7 - 2 0 0的功能指令很丰富，大致包括这几方面:算术与逻辑运算、传送、 移位与循环移位、 程序流控制、 数据表处理、 p i d指令、 数据格式变换、高速处 理、