基于plc的钢坯修磨机系统设计研究硕士论文.pdf

分类号 密 级 学 号 2007g063 单位代码 10407 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目 基于基于 plcplc 的钢坯修磨机系统设计研究的钢坯修磨机系统设计研究 研 究 方 向 生产过程自动化生产过程自动化 专 业 名 称 控控 制制 工工 程程 研 究 生 姓 名 马马 凌凌 燕燕 导师姓名 职称 王祖麟王祖麟 教授教授 企方导师 姓 名 孙营芳高工孙营芳高工 二零一零年二零一零年 十十二二月月二二十五十五 日日 江西 赣州江西 赣州 i 摘摘 要要 在钢铁工业轧钢生产中 为了保证轧制钢材成品的质量和提高轧制的成材 率 钢坯在进行轧制前 对表面氧化皮及缺陷要进行全面修磨和局部修磨 提供 优质产品来满足客户要求 降低其下游工序的生产成本 从而获得市场上更大的 竞争力 课题 论文 以钢坯修磨机为研究对象 以实现其工艺要求为目标 对修磨 机的机理和控制方式进行相关研究 提升修磨机的自动化水平 通过设备分析 选择德国西门子公司的 s7 300 可编程控制器和 6se70 变频 器为主要控制设备 研究了 profibus dp 通信协议的基本功能和网络配置方式 实现钢坯修磨机分布式通信网络的电气控制系统 完成了整个控制系统的硬件设 计和软件编程 文中介绍了修磨机自动化控制方案的设计 硬件选型 软件开发和调试工作 实现钢坯修磨的顺序控制 修磨区域计算 压力控制等生产过程控制 关键词 关键词 钢坯修磨机 plc 变频器 profibus dp网络配置 ii abstract in the steel rolling production of the iron and steel industry before the bullets are rolled the oxide surfaces and defects are to be grinded totally and partly to ensure the quality and yield of rolled steels this can meet customers requirements of high quality products from previous process production cost reduction of the later processes and being more competitive in the market with billets as the research objects this article has tries to have some research about the mechanisms and control modes of grinding machines to realize the technological requirements and improve the grinding automation through equipment analysis taking the siemens s7 300 plc and 6se70 inverter as main control equipments this article studied the basic functions and the network configuration of the profibus dp communication protocol the electric control system has been used for billet grinding distributed communications network and the hardware design and software programming of the whole control system have also been completed the author has accomplished the design of the grinding automation control scheme hardware selection software development and debugging with the realization of process sequence control and grinding area calculation pressure control and other production process control keywords steel grinding machine plc inverter network configuration of the profibus dp iii 目目 录录 摘 要 i abstract ii 目 录 iii 前 言 1 第一章 绪论 2 1 1 修磨机生产过程简介 2 1 2 国内外钢坯修磨机的发展概况和发展方向 2 1 2 1 国内外钢坯修磨机的发展概况 2 1 2 2 钢坯修磨机的发展方向 3 1 3 选题背景 3 1 4 课题研究的主要内容 4 第二章 修磨机及控制系统的组成 5 2 1 修磨机的主要设备 5 2 2 修磨生产工艺过程与设备 5 2 2 1 台车上料 5 2 2 2 磨头运行 7 2 2 3 修磨时台车的动作 9 2 2 4 卸料 10 2 3 修磨机控制的关键技术及难点 10 第三章 修磨机控制系统的硬件设计 11 3 1 现场总线技术 11 3 1 1 现场总线的特点 11 3 1 2 现场总线技术发展趋势 12 3 2 profibus 过程现场总线 13 3 2 1 profibus 的组成 13 3 2 2 profibus 的传输技术 13 3 2 3 profibus 总线存取方式 14 3 2 4 profibus dp 设备的分类 14 3 2 5 profibus dp 网络配置方案 14 3 3 plc 系统 14 3 3 1 plc 系统 14 3 4 修磨机控制系统设计与选型 15 3 5 s7 300 系列 plc 简介 15 3 5 1 s7 300 的概况 15 3 5 2 s7 300 的组成部件 15 3 6 修磨机控制系统的通信网络配置 16 3 7 修磨机 plc 控制系统的硬件配置 16 3 8 修磨机的变频传动系统 21 3 8 1 变频器的工作原理 21 3 8 2 变频器电路的基本功能 21 iv 3 8 3 逆变电路的基本工作原理 21 3 8 4 变频器的种类 21 3 8 5 中小容量通用型变频器的主电路 21 3 8 6 变频器容量的选择 22 3 9 网络系统 23 3 10 修磨机控制系统硬件设计 24 第四章 修磨机控制系统的软件设计 32 4 1 软件设计综述 32 4 2 磨机自动化主要控制功能 32 4 3 软件设计功能 35 4 3 1 砂轮旋转动作控制 35 4 3 2 横移台架动作控制 38 4 3 3 台车动作控制 39 4 3 4 磨头运动控制 42 4 3 5 成品台架动作控制 46 4 3 6 台车可修磨区域检测计算 48 4 3 7 台车速度控制 48 4 3 8 砂轮半径检测计算 52 4 3 9 磨头砂轮转速计算 54 4 3 10 磨头压力的模糊 pid 控制 57 4 4 plc 与变频器的数据传输 60 第五章 修磨机的电气安装与调试 63 5 1 plc 安装要求 63 5 2 程序调试 63 第六章 结论与展望 64 参考文献 65 致谢 66 附录 a 修磨机电气系统安装图 67 1 前前 言言 随着全球经济一体化的进程 各个钢铁企业都在不断寻找如何通过技术进 步 在激烈的市场竞争中生存下去并得到发展的方法 对钢材产品的内部性能 表面质量等方面提出了越来越严格的要求 轧钢生产过程的轧制工序中使用的钢坯品种有轧坯 连铸坯和锻坯 其中坯 料外形尺寸 钢种化学成分 钢坯的表面和内部质量等方面出现任何问题 就不 能满足下游客户的要求 造成经济损失 通常钢坯表面都存在某些缺陷 如裂纹 折叠 结疤 耳子 夹杂和拉裂等 在轧制过程中 这些缺陷会不断延伸扩展 造成堆钢 断裂 表面划伤 而且经过轧制后 有些缺陷在钢材表面的扩散范围 会变大 最后成为废品 因此 在轧制前处理掉这些缺陷 对保证产品品质及成 材率的提高有很大的作用 钢坯表面清理的主要方法有 火焰清理 风铲清理 砂轮清理 车刨铣加工 清理及电弧清理等 目前在钢铁企业中使用清理方式主要为砂轮清理 这种方式 具有劳动条件好 生产效率高 安全性能高 对钢种的适应性强等优点 可将钢 坯表面缺陷沿纵向加工清除 从而达到轧制工艺要求 杭钢高速线材公司为提高成品质量 投入修磨线来检查与修理钢坯 修磨线设备主要包括运输线 抛丸机 人工检查台 磁粉探伤仪 修磨机和 除尘系统等 抛丸机将丸粒加速到一定速度从抛头抛出清除钢坯表面吸附的杂质 和氧化铁皮 人工检查台人工检查钢坯表面上是否有针孔缺陷等 磁粉探伤仪用 于检测钢坯表面上的裂缝 修磨机是为了修磨掉钢坯表面上的缺陷 运输线将钢 坯传送到各个设备 除尘系统收集抛丸和修磨产生的粉尘 满足抛丸机重力风选 的需要 钢坯修磨工艺的应用已有数十年的时间 但有关修磨机的机理及其控制方式 的研究尚有待深入 本文作者对修磨机的机理和控制方式进行研究 通过设计 plc 程序 建立 profibus dp 网络 实现修磨机的自动控制 2 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 1 修磨机生产过程修磨机生产过程简介简介 修磨机的台车在原始位接收钢坯 横移台架的推杆将钢坯向前推送到卸料 臂 台车上的翻转装置的转折器为水平位置时 卸料臂下降将钢坯放到翻转装置 上 夹紧器将钢坯压到位并夹紧 磨机开始第一面的修磨 坯料放在台车上移动到修磨位时 磨会头自动下降前移到接触到坯料表面 在接触到坯料前 磨头砂轮经过一对光电管来检测砂轮直径并给台车一个80m s 的速度 一旦砂轮与坯料接触到 第一次修磨到钢坯尾部 在这里磨头完成一次 进刀量 修磨第二回 以此类推 完成一个面的修磨 磨头抬起 台车夹紧器打 开 翻转装置转折器下降 坯料转60度到支撑位 转折器提升钢坯到水平位置 这样又翻转30度 夹紧器夹紧 修磨第二面 若转折器保持下到位 夹紧装置夹 紧 可以开始角磨 修磨完成后 台车行驶到原始位 成品台架的上料臂下降到 位 转折器提升坯料将钢坯翻到上料臂上 上料臂上升到位 转折器回到水平位 置等待下支钢坯 1 2 1 2 国内外钢坯修磨机的发展概况和发展方向国内外钢坯修磨机的发展概况和发展方向 1 2 1 国内外钢坯修磨机的发展概况 钢坯修磨的传统工艺采用火焰清理 风铲清理 砂轮清理 车刨铣加工清理 及电弧清理等方法 去除钢坯表面缺陷 各个企业越来越重视钢坯的修磨技术 希望借此提高生产效率 降低劳动强度和生产成本 1952 年 瑞典 centro maskin 公司研制出方 扁钢坯修磨机 英 美 原苏 联 日 德 法等国也先后成立了公司进行研究和生产修磨机 随着钢材品种的 不断丰富 质量要求的不断提高 钢坯修磨技术也发展得很快 向着高速 重负 荷 大型化和自动化方面发展 通过采用计算机控制技术对修磨过程进行自动控 制 使得修磨装置和修磨技术得到不断的改进 显著地提高了修磨效率 提高了 钢坯成材率 降低了修磨成本 1 13 瑞典 cm 公司 80 年代开始发展重负荷修磨单元 最大压力达到 35kn 驱 动功率达到 600kw 法国生产的超重型钢坯修磨机 可磨板坯的多用途修磨机 功率可达 368 552kw 修磨压力可达 30kn 我国钢坯修磨技术起步较晚 但发展快 进步大 80 年代由冶金部组织东 3 北工学院 苏州冶金机械厂等单位开发了 ylm 1 形双面立式半自动修磨生产线 80 年代末 90 年代初太原恒山机械厂与太原钢铁公司开发制造了 mg h 型方圆 板坯修磨机 修磨压力可达 25 50kn 功率为 100kw 国内一直有很多机构 和人员对修磨机进行液压 机械 控制等方面的研究 但是在加载系统的研究上 与国际先进水平还存在一定的距离 希望通过不断的努力能达到甚至超过国外生 产水平 1 2 2 钢坯修磨机的发展方向 1 加载系统的研究 2 3 钢坯表面一般是起伏不平的 必须进行修磨 为了提高修磨效果 要求在修 磨过程中保持恒定的修磨压力 但是随着钢坯表面的起伏 磨头会跟随起伏 因 此加载系统动态性能的好坏尤为重要 目前国产的修磨机远远不能满足跟随性的要求 就需要对修磨钢坯修磨机磨 头 砂轮 的加载系统进行研究 通过对不同的加载系统的研究及进行加载机构 受力分析 推导建立钢坯修磨机磨头压下力的数学模型 从而改善加载系统跟随 性能 2 热修磨 不锈钢 耐热钢等高合金钢在常温下硬度高 修磨金属切除率较低 由于加 工硬化作用 修磨后钢坯表面易产生裂纹 导致修磨成品的表面质量不好 生产 率也较低 实验研究表明 把钢坯加热至 200 500oc 或对温度高达 700 900oc 的钢坯进行热修磨 具有金属切除率高 修磨成本低 节能降耗 修磨表面质量 好等优点 热修磨对设备和工艺的要求变得更为严苛 因此热修磨设备也在研发 生产中 3 修磨生产过程的综合自动化系统 生产过程中引入钢坯缺陷自动检测技术 跟踪检验进入修磨线的每块钢坯 在生产过程中自动记录生产数据 建立二级管理系统 将车间生产管理 质量自 动评价 历史数据浏览 表面缺陷记录等数据采集到管理系统内 修磨机的自动 化程度将得到进一步提高 控制技术与生产管理的融合 基于计算机与网络技术 的修磨生产过程综合自动化系统代表了钢坯修磨机发展的一个重要方向 1 31 3 选题背景选题背景 在钢材生产中 钢坯表面的氧化皮 脱碳层和一些缺陷 如裂纹 折叠 结 疤 耳子 夹杂和拉裂等 如果不去除 在后面的轧制工艺中处理失当 缺陷会 4 扩大 严重影响钢材质量 降低钢材成材率 造成很大的经济损失 因此 去除 钢坯表面缺陷在钢材生产过程中具有重要意义 而钢坯修磨机是去除钢坯表面缺 陷的专用设备 可提高产品品质和成材率 修磨机的性能很大程度上取决于自动控制系统的设计 为了让修磨机具有更 好的修磨质量 可操作性 可靠性 安全性 那就要求对修磨机的控制流程 控 制方式进行深入研究 磨头是钢坯修磨机的核心组件 其控制性能的好坏将直接 影响钢坯修磨的表面质量 为彻底清除钢坯表面的氧化皮 减少浪费 要求磨头 能适应钢坯表面起伏不定的变化 即要求磨头加载系统具有良好的跟随特性 实 现等厚修磨 而修磨深度与修磨压力成正比 因此 研究钢坯修磨机磨头控制技 术有可观的经济效益 1 4 1 4 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 基于对国内钢坯修磨机自动化控制技术的分析研究 结合本单位对钢坯修磨 机的实际要求 本课题对钢坯的上料卸料动作 台车的动作 磨头的动作等顺序 控制 台车的位置和速度控制 磨头砂轮速度的控制 磨头水平和垂直位置的控 制 磨头压力控制等作为主要的研究内容 充分考虑系统的可靠性 安全性 完善性 可扩展性 建立合理的网络结构 控制系统与传动系统和现场检测元件通过 profibus dp 进行数据的交换 具有响 应速度快 可靠性高 维护成本低等优点 14 15 5 第二章第二章 修磨机及控制系统的修磨机及控制系统的组组成成 2 12 1 修磨机的修磨机的主要设备主要设备 修磨机的主要设备包括 1 横移台架 2 成品台架 3 台车 4 磨头 5 台车液压站 6 液压站 7 润滑站 其主要设备布置如图 2 1 所示 图 2 1 主要设备布置图 2 2 2 2 修磨生产修磨生产工艺工艺过程与设备过程与设备 2 2 1 台车上料 横移台架的推杆将钢坯前移至卸料臂 台车运行至原始位置 左终点接近开 关检测到信号 编码器位置约255mm 台车上的翻转装置的转折器为水平位置时 卸料臂下降将坯料放到翻转装置 台车 上 夹紧器将钢坯压到位并夹紧 6 1 横移台架推杆前进 后退 横移台架共 6 只推杆 由 6 只液压缸动作完成 6 只液压缸采用 1 块比例放 大板 vt1 u21 和 1 个比例阀控制 通过流量分配器分为 6 路使 6 只液压缸同步 工作 比例放大板通过 plc 给出的信号来控制推杆前进后退的速度和方向的转换 后退时快速 前进时慢速 每只推杆均设有 2 个接近开关用于前进后退到位 检测 tt b21 b25 b31 b35 b41 b45 为后退到位 tt b23 b27 b33 b37 b43 b47 为前进到位 接近开关型号 ia5082 pnp 10 30v ifm 2 横移台架卸料臂上升 下降 卸料臂由 2 只液压缸执行动作 1 个双向阀控制 通过流量分配器分为 2 路 作用于 2 只液压缸使之共同完成上升 下降动作 其中 1 只液压缸设有上升 下 降到位检测的接近开关 tt b51 b53 卸料臂上升到位位置有光电管检测上料臂上是否有钢坯 tt b63 光电管型号 wl36 b330 sick 3 台车的移动 台车移动采用 4 台变频电机 td m11 td m13 td m15 td m17 共同驱 动 4 台电机由 1 台变频器供电 以保证 4 台传动电机的电气同步 每台电机 安装有 1 只抱闸 其中有 1 只电机后轴有一只测速电机 td g47 来检测台车 的运行速度 台车移动的最大速度为 80m min 台车的 1 只主动轮上装有检测台车位置的绝对值编码器 td b51 通过台 车上的预设接近开关 td b53 来给定编码器的初始值和数据校准 台车上有 左 右终点位接近开关 td b55 b57 其档块安装在台车可行使的相对应的 位置 2 个左 右极限限位 td s43 s45 用于保护台车不超过其可行使范围 当限位动作时 电源切断 一旦限位动作而紧停就必须使用操作台上钥匙开关 p1 s102 和主钥匙开关 p1 s111 操作来进行释放 变频电机 7 5kw 4 台 测速电机型号 re 0444r1cb002ca radio energ1e 台车位置检测绝对值编码器 dp 接口 型号 cev65m 02419 electronic gmbh 4 台车上翻转装置的动作 台车上有一液压站为翻转装置提供动力 液压泵电机功率为 15kw th m11 热电偶 pt100 th a21 检测油温温度 低于 25 oc 开始加热 高于 30oc 停止加热 高于 45 oc 开始冷却 低于 40oc 停止冷却 高于 63oc 报警 高于 65oc 液压泵停止 7 工作 液位开关 th s25 检测油箱液位 翻转装置的转折器和夹紧器各由 1 只电磁阀控制液压缸动作完成 转折器水平位置由 2 只接近开关检测 th b55 b57 上升到位和下降到位分别由 1 只接近开关 th b51 b53 检测 2 只压 力开关 th b31 b33 检测压力来判断夹紧器处于打开还是夹紧 5 工艺要求 横移台架卸料臂上升到位 推杆后退到位 将台架上的钢坯向前推 推杆前 进到位 再后退往返直到将钢坯推到卸料臂上 光电管检测到卸料臂上有料 台 车移动到原始位置 转折器为水平位 夹紧器打开 卸料臂下降到位 台车夹紧 器压到位并夹紧 卸料臂上升到位 台车上料完成等待修磨 2 2 2 磨头运行 磨头砂轮高速旋转 与钢坯接触时对其表面缺陷进行清除 1 砂轮旋转 砂轮旋转由 1 台变频电动机驱动 电机齿轮箱速比为 18 36 1 电动机由 变频器供电 保证砂轮正常运行时线速度保持在 80m s 左右 砂轮直径随着修磨 逐渐变小 610mm 380mm 故电机转速随之变化 2500rpm 4000rpm 齿轮箱 由单独的润滑站提供润滑油 带走齿轮箱热量 润滑油由油分配器向箱内篷油雾 分配器上的接近开关 ms1 b44 来检测是否有流量 齿轮箱内有两个热电偶 mk1 r26 mk1 r28 pt100 检测箱内齿轮和轴承的温度 电机型号 m2ba315mla4 b3 abb 200kw 2 磨头移动 磨头前进 后退由水平油缸驱动 油缸内有一只线性传感器 ms b41 来检测其移动位置 接近开关 ms b46 检测水平缸是否到达原始位置 水平油缸由 2 只单向双通电磁阀分别控制磨头前进和后退的快速 慢速 磨头的上升 下降由垂直缸油缸驱动 油缸内有一只线性传感器 ms b37 来检测其移动位置 接近开关 ms b31 检测垂直缸其是否到达原 始位置 垂直油缸由 1 只伺服阀来控制磨头的垂直移动 水平线性传感器型号 gh m 0650 f05 1a0 垂直线性传感器型号 gh m 0300 f05 1a0 3 液压站工作 磨头的移动由液压站提供动力 液压站主要由压力泵和循环泵组成 压力泵电机功率为 15kw hy m11 循环泵电机功率为 2 2kw hy m16 热电偶 pt100 hy a21 检测油温温度 低于 30 oc 开始加热 高于 35oc 停止加热 高于 55 oc 开始冷却 低于 50oc 停止冷却 高于 63oc 报警 高于 68oc 液压泵停止工作 8 液位开关 hy s25 检测油箱液位 压力开关 hy b35 检测油压 磨头的工作 油压为大于 100bar 主泵电机型号 m2ba160l4 abb 15kw 循环泵电机型号 m2ba100la abb 2 2kw 4 润滑站工作 齿轮箱润滑站主要由压力泵 循环泵和回油泵组成 热电偶 pt100 ol r25 检测油温 低于 40 oc 开始加热 高于 45oc 停止加热 高于 55oc 开 始冷却 低于 50 oc 停止冷却 高于 70oc 报警 高于 80oc 润滑站停止工作 液位 开关 ol e23 检测油箱油位 5 砂轮直径检测 磨头处于原始位的砂轮下方有一对对射光电管 ms b51 b53 光电 管与垂直缸原始位的距离恒定 当砂轮下降光电管由高电平变为低电平 时 根据垂直线性传感器检测到的垂直缸的位移变化可以计算出砂轮的直 径 6 磨头压力的检测 磨头垂直缸下方压力销传感器 ms b33 连接垂直缸与磨头 同时检 测磨头压力 压力销传感器型号 lb214 p n 122 214 000 111 020 7 工艺要求 磨头处于原始位时 砂轮允许启动 砂轮启动后 齿轮箱内温度低于 30oc 砂轮按 400rpm 低速旋转直至温度达到 30oc 若齿轮箱油分配器无 流量通过 砂轮自动停止旋转 砂轮正常旋转后 磨头可在自动和手动模 式下前进 后退 下降和上升 在下降过程中得到砂轮直径值调整电机转 速 砂轮接触到钢坯后按设定的压力值给出压力 压力销得到实际压力值 予以反馈 9 图 2 2 磨头主要元器件布置图 2 2 3 修磨时台车的动作 1 台车移动 台车上料完成后向砂轮位置移动 在入口处有一对对射光电管 ms b61 b63 与台车上的编码器配合可检测台车上钢坯的长度 光电管安装位置与磨 机砂轮中心位置的距离给定不变 经过计算得到台车修磨时往返的位置 2 钢坯翻转 钢坯在台车上由翻转装置动作进行翻转 3 工艺要求 带着钢坯的台车向砂轮位移动过程中检测出钢坯长度及台车在修磨时往返 的位置 磨头前进并下降直到接触到钢坯表面 全磨 自动模式下 台车根据设定速度运行 在接近钢坯头尾时自动减速至 0 同时磨头根据设定值水平移动 1 个进刀量并返回 在台车移动过程中可用操 作杆干预台车的往返位置和进刀量 手动模式下 台车左右移动和进刀量由操作 杆控制 但不能超过修磨范围 10 点磨 自动模式下 磨头抬起未接触到钢坯时 台车移动到需要点磨位置的 起点 在操作杆上按下 点磨点选择 继续移动到点磨位置终点时将磨头下降 接触到钢坯 台车就会在选定的范围内往返 表面修磨 钢坯一面修磨完成后 夹紧装置打开 翻转装置转折器下降 钢 坯转 60 度到支撑位 转折器提升钢坯到水平位置 这样又翻转了 30 度 夹紧器 夹紧 第二面可以开始修磨 角磨 夹紧装置打开 转折器下到位 钢坯转 60 度到支撑位 转折器保持 下到位 夹紧装置夹紧 可以开始角磨 2 2 4 卸料 1 成品台架上料臂的上升 下降 上料臂由 2 只液压缸执行动作 1 个双向阀控制 通过流量分配器分为 2 路 作用于 2 只液压缸使之共同完成上升 下降动作 其中 1 只液压缸设有上升 下 降到位检测的接近开关 fb b11 b13 上料臂在下降到位位置有一光电管检测 臂上是否有钢坯 2 工艺流程 台车上的钢坯完成修磨后 选择 卸料 台车可移动到原始位置 约 255mm 进行卸料 成品台架的上料臂下降到位 转折器提升坯料将坯料翻到上料臂 上 料臂上升到位 转折器回到水平位置等待下支坯料 2 3 2 3 修磨机控制的关键技术及难点修磨机控制的关键技术及难点 1 台车位置的检测 2 钢坯的测长 控制台车在修磨范围内移动 3 磨头水平位置移动的控制 4 磨头垂直位置移动的控制 5 磨头砂轮旋转的控制 6 磨头压力的控制 11 第三章第三章 修磨机控制系统的硬件设计修磨机控制系统的硬件设计 3 1 3 1 现场总线现场总线技术技术 现场总线是现场智能设备相互联络通讯的工业控制总线 是开放的 分布式 控制系统结构 现场总线实现在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控 制装置之间的数字式 串行 多点通信 现场设备或仪表装置 如传感器 变送 器 执行器和现场智能 i o 等 它们不是简单现场仪表 而是具有补偿 诊断 控制等综合功能的智能仪表 9 现场总线控制系统 fcs fieldbus control system 是在气动控制系统 电动 模拟控制系统 计算机集中控制系统 集散控制系统 dcs distributed control system 之后 基于网络技术发展起来的第五代控制系统 现场总线控制系统以 智能仪表和数据通信网络为基本组成 技术基础是控制技术 智能仪表技术 计 算机网络技术以及数字通信技术 在工业自动化领域已成为广为关注的热点 获 得了广泛的应用 通常的 fcs 系统中 由基于现场总线协议的现场智能仪表组成控制回路 现场智能仪表可承担控制站的部分控制功能 使控制站专职于执行复杂的高层次 的控制算法 减轻其负担 对简单的控制应用甚至可取消控制站 直接以现场总 线 网桥和集线器连接操作站与现场仪表连接 构成分布式控制系统 fcs 是新型的过程自动化系统 位于整个生产控制系统和网络结构的底层 为底层控制网络 infranet 承担生产运行现场的测量控制任务 它还可与互联 网 intenet 企业内部网 intranet 相连 fcs 作为现场总线控制系统 具有 统一开放的通信协议 3 1 1 现场总线的特点 分布式的fcs系统较之传统dcs系统实现了 信息集中 控制分散 具有 以下特点 1 现场通信网络 在基于现场总线的fcs控制系统中 通过现场总线相连各现场设备 现场设 备可以实现相互 互通 解决了dcs存在信息孤岛的技术缺陷 2 一对n的结构 现场总线可连接n台现场仪表 现场设备 设备间双向传输 相对dcs采 取的一对一的信号传送而言 现场总线具有布线简单 安装费用低 维护方便等 12 优点 3 分散控制功能 现场总线的智能仪表可承担传统控制站的部分控制功能 实现分散控制 系 统更为灵活和自治 4 完全开放式系统 具有良好的兼容性与互操作性 现场总线的技术和标准是公开的 是开放式互联系统 不仅可与同层之间的 网络互连 还可实现不同层之间的网络互连 遵守现场总线协议的不同厂家的现 场仪表设备产品可安装在同一现场总线系统中互联互通 具有完全的兼容性和互 操作性 5 可靠性与稳定性更高 现场总线采用数字化处理和通讯技术 现场仪表的测控精度高 信号传输的 抗干扰能力强 从而提高了控制系统的可靠性和稳定性 6 优越的远程监控功能 通过现场总线可在控制室远程监视系统的各种运行信息 远程控制现场的设 备 可在控制室对现场设备进行配置与参数设置 使用网络组态工具软件 可方 便地组建与配置网络参数 7 便于实现企业信息化系统 企业信息集成系统分为三层 infranet控制网 fcs 企业内部网intranet和 全球互联网internet fcs通过网桥将现场测控设备相互连接 实现不同网段 不 同现场通信设备之间的信息共享 通过网关连接到上层管理网上 把工业现场的 数据传到生产管理网络 实现生产过程的综合自动化 由于现场总线的优点 使fcs控制系统从设计 安装 投运到正常生产运行 及检修维护等各方面都体现出优越性 成为过程控制技术的发展方向 3 1 2 现场总线技术发展趋势 现场总线技术从出现到不断发展 必然对自动化领域的发展发生重大的影 响 目前同时存在着各种不同的总线标准 国际上主要的制造商除了力推自己的 总线产品外 也开发总线兼容技术 使之可与其它总线连接 向着开放统一的方 向发展 实现网络结构的简单化 形成统一的国际标准 是现场总线技术的发展 方向 同时 以太网技术的发展也影响着现场总线技术的发展 通过两者结合 可以降低现场总线的成本 引入工业以太网技术也是现场总线技术发展的一个趋 势 13 3 2 profibus3 2 profibus 过程现场总线 过程现场总线 profibus作为目前国际上通用的现场总线标准之一 被纳入现场总线的国 际标准iec 61158和欧洲标准en 50170 我国的国家标准jb t10308 3 2001 作为用于车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术 profibus是实现现场监控的分布式数字控制和通信网络 工厂综合自动化和现 场设备智能化的解决方案 profibus开放的现场总线 具有相同接口的各种的 自动化设备均可在网络中相互交换信息 9 21 3 2 1 profibus 的组成 profibus 由 3 部分组成 即 profibus dp decentralized periphery 分布 式 外 围 设 备 profibus pa process automation 过 程 自 动 化 和 profibus fms fieldbus message specification 现场总线报文规范 profibus fms 定义了主站与主站之间的通信模型 用于车间级通用性任 务 提供访问变量 程序传递 事件控制等服务 通过提供周期性传输主 从站 之间的数据和非周期性功能 进行组态 诊断 报警处理 fms 主要用于系统 级与车间级系统间的数据传输 处理单元级的多主站数据通信 实现复杂的通信 任务 profibus dp 用于单元级控制设备与分布式 i o 之间的通信 可以取代 4 20ma 的模拟信号传输 传输速率可以达到 12mbps 因此可快速简单地完成 数据的实时传输 一般构成单主站系统和多主站系统 profibus pa 是专为过程自动化设计的 主要用于现场传感器和执行器之 间的低速数据传输 由于传输技术采用了 iec1158 2 标准 可确保本质安全并通 过总线实现对现场设备供电 使用分段耦合器可以将 profibus pa 设备集成到 profibus dp 网络中 3 2 2 profibus 的传输技术 现场总线控制技术的应用不仅要考虑传输距离和传输速率 还要经济可靠 为了满足工业应用的要求 profibus提供了rs 485传输 光纤传输 pa的 iec1158 2传输等技术 用于dp和fms 14 3 2 3 profibus 总线存取方式 三种 profibus dp fms pa 都使用一致的总线存取控制 数据安全性 传输协议和报文的处理协议 3 2 4 profibus dp 设备的分类 profibus dp 设备可分为以下三种不同类型的设备 1 1 类 dp 主站 dpm1 是系统的中央控制器 它在预定的周期内与分 布式的站 如 dp 从站 循环地交换信息 并对总线通信进行管理和控制 2 2 类 dp 主站 dpm2 是 dp 网络中的编程 诊断和管理设备 3 分布式 i o 是输入和输出信息采集和发送的外围设备 它只与组态它 的 dp 主站交换用户数据 3 2 5 profibus dp 网络配置方案 1 plc 做 1 类主站 不设监控站 配置一台调试编程设备 由 plc 实 现总线的通信管理 从站数据的读写 从站远程参数的设置等功能 2 plc 做 1 类主站 plc 与监控站通过串口一对一连接 监控站所需从 站数据通过串口从 plc 中读取 3 用 plc 或其他控制器 做 1 类主站 监控站连接在 profibus 总线 上 完成远程编程 组态以及在线监控等功能 4 pc 机 配有 profibus 网卡 做 1 类主站 监控站与 1 类主站一体 化 pc 机应选用具有高可靠性的工业级 pc 通信厂商通常只提供模块的驱动程 序 总线和从站控制程序 监控程序都需要用户开发设计 3 3 plc3 3 plc 系统系统 3 3 1 plc 系统 可编程逻辑控制器简称plc 随着微电子技术 计算机技术和通信技术的发 展 而工业自动化控制需求也越来越高 plc在功能 速度 智能化模块以及联 网通信等方面都有了大的提高 plc不仅仅能实现开关量控制 还具备了模拟量控制 过程控制以及远程通 信等强大功能 plc就是以嵌入式cpu为核心 配以输入 输出及通讯等模块的 15 工业控制装置 plc具有可靠性高 编程简单和使用方便等优点 被广泛应用于现代工业生 产中 使整个控制系统在功能的可靠性 配置的灵活性等方面较之过去大为提高 9 10 11 plc控制系统有三种类型 控制单一机器的单台plc构成的单机控制系统 控制多台机器或生产流水线的单台plc构成的集中控制系统 控制多个被控对象的由多个具有通信功能的plc构成的分布式控制系统 3 43 4 修磨机控制系统设计与选型修磨机控制系统设计与选型 目前各类生产线上主要运用的plc品牌有西门子 施耐德 abb ge等 修磨机电气控制系统主要包括磨头控制 台车控制 台架控制 液压站控制 因此希望选择能满足中等控制要求的plc来完成系统的构建 通过比较技术 性能 性价比等 选用西门子simatic s7 300 3 5 s73 5 s7 300300 系列系列 plcplc 简介简介 3 5 1 s7 300 的概况 s7 300是模块化的中小型plc 适用于中等性能的控制要求 信号模块和功 能模块能满足各种领域的自动控制任务 用户可根据具体情况选择合适的模块 当系统规模扩大时可增加模块 扩展plc系统 22 26 3 5 2 s7 300 的组成部件 s7 300 plc是模块式的plc 它由以下几部分组成 中央处理单元 cpu 负载电源模块 ps 信号模块 sm 信号模块主要是数字量输入 输出模块和模拟量输入 输出模块 数字量输入 输出模块有sm321 sm322 模拟量输入 输出模块有sm331 sm332 模拟量还有热电偶 热电阻 dc4 20ma和dc0 10v等多种不同类型输入模块 功能模块 fm 16 功能模块用于对实时性和存储容量要求高的控制任务 例如计数模块 电子 凸轮模块 步进电动机定位模块等 通信处理器 cp 通信处理器用于plc之间 plc与计算机和其他智能设备之间的通信 可以 将plc接入profibus dp as i和工业以太网 或用于实现点对点通信等 通 信处理器可以减轻cpu处理通信的负担 并减少用户对通信的编程工作 接口模块 im 接口模块用于多机架配置时连接主机架 cr 和扩展机架 er s7 300通过分布式的主机架和3个扩展机架 最多可以配置32个信号模块 功能模块和通信处理器 plc系统设主站和远程i o站 主站内配置cpu模块 通讯模块和i o接口模 块 远程站内配置有通讯接口模块 远程i o接口模块 主站和远程i o站之间采 用profibus dp总线通讯 3 63 6 修磨机控制系统的通信网络配置修磨机控制系统的通信网络配置 修磨机的通信网络采用了 profibus dp 协议 传输速率可达 12mbps 选用 s7 300 的 cpu316 2dp 作为 dp 主站 负责修磨机的整体协调控制 磨头和台车 精确位置和速度控制 cpu316 2dp 与从站循环地交换信息 并对总线通信进行控 制和管理 是系统的中央控制器 通过集成的 profibus dp 接口可直接连接到 profibus dp 现场总线 dp 从站有 et 200 变频器 编码器 操作面板等 et200 是多通道模块化分布式 i o 最多可扩展 8 个模块 连接 256 个 i o 通道 适用 于大点数 高性能的应用 24 22 24 使用 step7 作为设备的编程软件 3 73 7 修磨机修磨机 plcplc 控制系统的硬件配置控制系统的硬件配置 表 3 1 plc 系统主要硬件表 名称 订货号 主要技术参数 数量 dp 地址 电源模块 6es7 307 1ea00 0aa0 220vac 24vdc 5a 1 0 cpu 模块 6es7 316 2ag00 0ab0 内 置 工 作 存 储 器 程序 1 4mb 数据 1 4mb 1 0 存储卡 6es7 951 1kk00 0aa0 容量 1mb 1 0 接口模块 6es7 365 0ba01 0aa0 用于中央控制器 和一个带最多 8 个 模 块 扩 展 机 1 0 1 17 架 距离 1 m 数字量输入 模块 6es7 321 1bl00 0aa0 24vdc 32 点 3 0 6es7 131 0bl00 0xb0 24vdc 32 点 2 5 10 6es7 131 0bl10 0xb0 24vdc 32 点 1 6 数字量输出 模快 6es7 322 1bl00 0aa0 24vdc 32 点 2 0 6es7 132 0bh1 0xb0 24vdc 16 点 2 7 8 6es7 132 0bl0 oxb0 24vdc 32 点 1 11 数字量 输入 输出模块 6es7 133 0bl00 0xb0 24vdc 16 16 1 9 模拟量 输入模块 6es7 331 7kf01 0ab0 24vdc 8 点 输入信号 电压 电流 热电阻 热电偶 4 1 模拟量 输出模板 6es7 332 5hd01 0ab0 24vdc 4 点 输出信号 电压 电流 负载阻抗 电压 1000 欧姆 电流 500 欧姆 2 1 操作屏 pcs095 1 4 编码器 ce65m 1 12 变频器 6es7033 2eg60 z 1 14 变频器 6es7026 0ed61 z 1 15 表 3 2 i o 点数汇总表 信号类型 设计点数 实际使用点数 剩余点数 模拟量输入 32 点 24 点 8 点 模拟量输出 8 点 6 点 2 点 开关量输入 208 点 143 点 65 点 开关量输出 160 点 89 点 71 点 表 3 3 ai 信号表 ai1 面磨压力设定值 ai10 液压站油温 ai2 角磨压力设定值 ai11 磨头电机速度反馈值 ai3 压力衰减设定值 ai13 磨头水平位置反馈值 ai4 台车速度设定值 ai17 磨头电机轴承测温点 a ai5 磨头垂直位置反馈值 ai18 磨头电机轴承测温点 b ai6 电机功率反馈值 ai19 磨头齿轮箱测温点 a ai7 磨头压力反馈值 ai20 磨头齿轮箱测温点 b ai8 台车速度反馈值 ai21 润滑站油温 ai9 台车液压站油温值 表 3 4 ao 信号表 ao1 压力实际值显示 ao3 功率实际值显示 18 ao2 压力设定值显示 ao4 台车速度显示 a05 垂直缸压力给出 表 3 5 di 信号表 e0 0 紧停 e9 6 三号推杆后退到位 e0 1 紧停释放 e9 7 三号推杆前进到位 e0 2 钥匙开关 e10 0 四号推杆后退到位 e0 3 e10 1 四号推杆前进到位 e0 4 设备停 e10 2 五号推杆后退到位 e0 5 自动模式 e10 3 五号推杆前进到位 e0 6 手动模式 e10 4 六号推杆后退到位 e0 7 试灯复位 e10 5 六号推杆前进到位 e1 0 液压开 e10 6 卸料臂上升到位 e1 1 液压关 e10 7 卸料臂下降到位 e1 2 除尘开 e11 2 卸料臂上有料 e1 3 除尘关 e11 4 tt 三号档块上升到位 e1 4 磨头电机开 e11 5 tt 三号档块下降到位 e1 5 磨头电机关 e11 6 tt 四号档块上升到位 e1 6 换砂轮位置 e11 7 tt 四号档块下降到位 e1 7 换砂轮钥匙 e12 0 磨头阀台紧停 e2 0 磨头后退 e12 1 润滑站滤芯正常 e2 1 磨头前进 e12 2 润滑站油位正常 e2 2 磨头步进向前 e12 3 润滑站流量开关正常 e2 3 磨头步进后退 e12 4 润滑站油压正常 e2 4 磨头快速 e12 5 磨头阀台压力正常 e2 5 磨头下降 e16 0 台车电机空开合闸 e2 6 磨头抬起 e16 1 台车电机温度正常 e2 7 台车向左 e16 2 台车编码器置位接近开关 e3 0 台车向右 e16 3 台车向前停止接近开关 e3 1 点磨位置选择 e16 4 台车向后停止接近开关 e3 2 横移台架推杆后退 e16 5 台车液压站油位报警 e3 3 横移台架推杆向前 e16 6 台车液压站油位低低 e3 4 横移台架卸料臂上升 e16 7 台车液压站油位正常 e3 5 横移台架卸料臂下降 e17 1 台车液压站循环管路滤芯正常 e3 6 完成台架上料臂上升 e17 2 台车液压站回油管滤芯正常 e3 7 完成台架上料臂下降 e17 3 转折器上升到位 e4 0 台车上料 e17 4 转折器下降到位 e4 1 台车卸料 e17 5 转折器水平 从上 e4 2 一号安全门关闭 e17 6 转折器水平 从下 e4 3 二号安全门关闭 e17 7 夹紧器夹紧 e4 4 夹紧器夹紧 e18 0 夹紧器打开 e4 5 夹紧器打开 e18 1 台车向后停止紧停限位 19 e4 6 钢坯翻转 e20 0 控制柜温度 e4 7 转折器上升 e20 1 24v 控制电源跳闸 e5 0 夹紧器夹紧 e20 2 24v 控制电源跳闸 e5 1 钢坯翻转 45 90 度 e20 3 230v 电源跳闸 e5 2 面磨 e20 4 24v 延时紧停 e5 3 点磨 e20 5 24v 紧停 e5 4 压力控制 e21 0 润滑站加热器空开合闸 e5 6 表面 e21 1 润滑站循环泵空开合闸 e5 7 角 e21 2 润滑站压力泵空开合闸 e6 0 挡板上升 e21 3 润滑站回油泵空开合闸 e6 1 挡板下降 e21 4 24v 液压站延时紧停 e6 2 行车上料 e21 5 24v 液压站紧停 e6 3 tt 上料臂上升 e22 0 台车制动电阻工作 e6 4 tt 上料臂下降 e22 1 台车抱闸空开合闸 e7 0 垂直缸到原始位 e22 2 台车液压站加热器空开合闸 e7 1