450mm四棍冷轧机可逆高压站控制系统PLC设计.doc

摘要随着生产力和科学技术的不断发展，人们的日常生活和生产活动大量使自动化控制，不仅节约了人力资源，而且提高了生产效率又进一步促进了生力发展，丰富了人们的生活。工业控制领域中常用的电气自动控制系统是继电接触器控制系统，该系统是以继电器、接触器、按钮、开关等作为主要控制元件。由于控制元件均为独立元件，它决定了该系统逻辑控制功能和顺序控制功能的实现只能通过各种硬连接来实现，而当生产工艺流程变化，必须更改其硬件部分，甚至重新设计、重新安装，造成了时间和资金的严重浪费。在控制方式上，该系统采用“接触点控制”形式，而继电器的缺点是线圈工作频率低，工作电流大，长时间使用容易损坏触点或发生接触不良。同时随着网络、通信技术发展，该系统难以适应各个控制领域。应运而生的是可编程逻辑控制器。本设计是基于可编程逻辑控制器PLC的冷轧机高压站控制系统，用一台主泵电机、一台辅泵电机提供高压站动力，高压站油热器加热、油冷机组压缩机电机制冷、两个电磁溢流阀分别控制高压站主辅泵卸荷与工作。用液位控制器接点检测油缸内液位，在液位超高、超低时，做出相应的报警和指示并急停电机。用电接点温度计检测高压站油箱内油温，当油温超低时做出报警和指示，并启动高压站油液加热机，进行加热；当油温超高时做出报警和指示，并启动高压站油冷机组压缩机电机进行制冷。为了方便，还设计了自动和手动两种加热形式。为保证系统正常运行，设计了滤油器压差发讯器，分别对回油滤油器主泵出口滤油器和辅泵出口滤油器进行压差检测，在堵塞时给出报警和指示。关键词：可编程逻辑控制器 冷轧机 高压站控制目录摘要1第1章 基本介绍31.1PLC介绍31.1.1可编程序控制器PLC的发展过程：31.1.2可编程逻辑控制器定义31.1.3PLC与继电器线路相比的十大优点31.2冷轧的介绍51.2.1冷轧的发展历史51.2.2我国冷轧机的发展历史51.2.3冷轧机的发展61.2.4轧制技术的发展趋势7第2章 系统功能82.1系统设计介绍82.2参数计算及选型8第3章 总梯形图9第4章 控制电路的分步设计124.1电动机的启动与停止124.2系统保护144.2.1油箱的液位144.2.2油液的温度144.3压差发讯器164.4声报警16第5章 I/O接口表17第6章 流程图196.1电机启动停止主流程图196.2油箱液位控制子程序流程图206.3油液的温度控制子流程图21总结22致谢23参考文献24第1章 基本介绍1.1PLC介绍1.1.1可编程序控制器PLC的发展过程： 1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程序控制器。在20世纪70年代初期、中期，可编程序控制器可以完成顺序控制，有逻辑运算、定时、计数等控制功能。并且将可编程序控制器称为PLC （Programmable Logical Controller）。 20世纪70年代未至80年代初，可编程序控制器的处理速度大大提高，不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。美国电器制造协会（NEMA）将可编程序控制器命名为PC（Programmable Controller）。 20世纪80年代以来，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信等功能。 1.1.2可编程逻辑控制器定义 可编程逻辑控制器系统，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时，计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。1.1.3PLC与继电器线路相比的十大优点1、功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器，继电器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。3、可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。4、系统的设计、安装、调试工作量少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、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。5、编程方法简单梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。6、维修工作量少，维修方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的实时梯形图的状态迅速的查明故障的原因，用修改程序或更换模块的方法可以迅速地排除故障。7、体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。8、与时俱变，能实现网络通讯 PLC可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现分散控制，集中管理。并能实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程，对生产管理和现场维修带来极大的方便。9、提升产品技术含量，增加产品形象！ 对于复杂的机械设备，如果还使用传统的继电器控制，则不单加大的控制电箱的配制难度，还让产品的最终客户觉得产品不够先进，使用信心不足，因为现在主流机械设备都用上PLC，有PLC的机械品质或许更有保证，同时使用PLC加大了同行的仿制难度！10、对未来机械升级很方便对于复杂的机械设备，如果随着时间的推移而不能满足使用的话，就必须要进行机械设备升级改造，如果是用传统继电器控制的，则会很麻烦，基本上要把以前的控制电箱宣布报废，但是用PLC控制的电箱的话就很方面，只要扩展一个相关的I/O点，修改一下相关的控制程序就可以了！1.2冷轧的介绍1.2.1冷轧的发展历史 二辊式可逆冷轧机于20世纪20年代首先用于德国（早在1917年在专利文献中已有所披露），而四辊可逆式则用于1932年。第一台冷卷取机大约在1893年由施米茨公司（AugustSchmitz）建于德国。大约1920年，苏必利尔钢公司和威斯汀豪斯电气公司联合发展的单独电力驱动的卷取机，是通过控制电流来维持恒张力的。 带钢连续冷轧的首次记录要追遡到大约1904年，当时，韦斯特利奇伯格（WestLeechburg）钢公司安装并开动了一台四机架二辊连轧机，每个机架单独用速度可调的直流电机驱动。具有机架间张力和张力卷取机的真正的连轧机操作，大约于1915年在匹兹堡的莫里斯贝利（Morris&Bailey）钢公司和苏必利尔（Superior）钢公司安装的轧机上才得到发展。第一台四机架四辊冷轧机由美国轧机公司于1926年在巴特勒工厂投入生产。1941年五机架连轧机安装于欧文工厂。1960年开始引用六机架镀锡板轧机，装备了更大的功率及稍大的工作轧辊（直径一般为533毫米）采用双电动机驱动，并且部分地在计算机控制下操作。1969年日新钢铁公司在日本南阳的周南厂建立的一套为轧制宽至1270毫米的不锈钢薄板而特殊设计的独一无二的连轧机设备投入生产。1971年五连续式冷轧机在日本钢管公司的福山厂投入生产。 从过程自动化的发展看，大致可分为三个阶段：第一阶段大约在20世纪4050年代，为单机自动化阶段；第二阶段在20世纪60年代，为计算机和单机自动控制系统共存阶段；第三阶段为1970年直至现在，为全部采用计算机进行直接数字控制阶段。1.2.2我国冷轧机的发展历史 我国冷轧带卷的生产起步晚，第一个宽带卷冷轧生产车间是50年代苏联设计、60年代初建成投产的鞍钢冷轧厂。鞍钢冷轧厂的建成填补了我国冷轧带卷生产的空白，起了重要的历史作用。 60年代中期，太原钢铁公司引进了8辊和20辊冷轧机。70年代武钢从德国引进的1700mm冷轧车间全套设备及技术，产品包括电镀锡板和冷轧热度锌板，对我国冷轧生产技术的发展起了非常重要的作用，具有深远的影响。80年代初宝钢冷轧厂从美国引进2030mm冷连轧设计生产能力达2100000t,包括有热镀锌、电镀锌板以及有机涂层带卷等，装备达到当代国际先进水平。 60年代初，国内开始研制有机涂层板，首先在上钢三厂建成了试验机组，80年代初，鞍钢重新着手一度中断的聚氯乙烯塑料溶液涂层板生产的研究工作。1985年，鞍钢从美国EPIC金属公司引进二手涂层机组部分这边，由国内配套，建起彩色涂层工业试验机组；武钢冷轧厂从英国戴维公司引进1套涂层机组广州第三轧钢厂引进美国PM公司的涂层生产机组；上海宝钢冷轧厂由美国维恩尤纳特公司引进1套高速涂层板生产机组；北京门窗公司引进日本外炉公司的涂层板生产机组。从此我国引进了几个国家不同的涂层技术，具有一定的涂层生产能力和技术力量。1.2.3冷轧机的发展 冷轧机是冷轧生产的主体设备，为了满足冷轧带钢生产的品牌规格，质量及不同生产规模的要求，冷轧带钢生产工艺经历了从单张到成卷生产的变革，由可逆式连轧到全连续以及联合组的发展中形成了各种形式不同特色的冷轧机，现代冷轧机的装备水平也有了很大的提高，并趋向高效率，高质量，连续化和自动化。冷轧机成为现代钢铁工业中高效率生产设备之一，是钢铁工业技术发展和装备水平提高的一个重要标志。从轧辊，辊系看，二辊式冷轧机是早期出现的结构形式最简单的冷轧机，二辊式轧机辊径大，咬入性能好，轧制过程稳定但是轧机度小，轧制产品厚度大，精度差，难以保证高质量的轧制，随着轧制带钢厚度的减薄宽度的增加，产生了四辊式冷轧机，四辊式冷轧机一般多采用工作辊传动，其工作辊和支持辊直径之比为1:3，机架具有较大的刚度，可逆轧制厚度为0.53.5mm，宽度最大为2080mm的低冷轧机带钢镀锡，镀锌及涂层基带，也可轧制不锈钢，硅钢合金带钢，由辊式冷轧机里一种多用途的典型冷轧机。为了进一步满足工艺要求又生产了多辊轧机，早期是六辊式和十二辊式，20世纪末普通使用的排列顺序为1.2.3.4的森吉米尔型二十辊轧机即每个工作辊里由2个第一中间辊，3个第二中间辊和4个外支持棍支承。最后组装到整体机架中可以轧制0.0020.2mm的极薄带钢和变形困难的硅钢，不锈钢，以及高张度的镍合金材料。 从机架布置形式看，冷轧机的早期形成都是单机架形式，生产工艺由单张生产发展为成卷可逆式生产。可逆轧制是带钢在机架上往复地进行多道次的轧制，这样每个道次都要起动，加减速停车和换向，由此可逆轧制限制了速度和生产能力的提高，且在带钢头尾部的加减速段厚度超差也是不可避免的，导致了产品质量性能提高，半列式布置的连轧机适应了生产能力和产品质量不断提高的需要是一种高效率生产的冷轧机因此在20世纪60年代，世界上经济发达国家都新建成一大批冷轧机，冷轧机的装备形成经历了3次变化。 最早是只有一台开卷机和卷取机的常规式冷轧机，以后发展为两台开卷机和卷取机的改进式冷轧机，同时采用了液压下快速换辊，辊和自动控制新技术。使轧制速度提高（3541.6m/s），卷重增加（4560t），且产量提高25%30%以上。但它们都是采但卷轧制工艺，第三代可连续冷轧机则使冷轧工艺实现了无轧制。目前在世界范围内，可连续形式也有了3种连续形式，即70年代期间的只有冷轧工序本身连续的冷轧机，80年代出现的由冷轧连续的联合机组（CDCM）和冷轧连续退火的全过程连续的联合工艺线（FIPL）。1.2.4轧制技术的发展趋势 改进计算机控制系统的配置形式。在进一步提高计算机系统的可靠性和稳定性的同时，必须进一步赶紧其配置形式。在广泛发展过程控制计算机系统的同时，大力发展管理机系统，使管理机和控制机有机地结合起来，组成了分级集成控制系统，并代替传统的硬件和逻辑接口，以实现对生产设备的分散型控制，可以使自动控制的灵活性和可靠性得到进一步的提高，这是当今计算机在轧制过程中的一个重要趋势。进一步提高和完善控制仪表和控制系统的性能和功能。在轧制速度越来越高，产品范围越来越大，质量要求越来越严格的情况下，检测仪表的性能以及控制系统轧条件，实现最优化生产的保证，但是对一个大型的生产系统来说，由于它们的算法比较复杂，往往限制了它们的应用。后应加强现代控制理论在大型生产系统中应用的研究，简化计算，便于应用，以便实现最优化生产，为了进一步提高产品质量和生产效率，应不断地开发和应用新的轧制技术，如高精度轧制技术，连续轧制和无头轧制技术，自由程序轧制技术，智能化轧制技术，薄烧轧制技术，组织性能轧制技术等。第2章 系统功能2.1系统设计介绍本设计是基于PLC的冷轧机高压站控制系统，用一台主泵电机、一台辅泵电机提供高压站动力，高压站油热器加热、油冷机组压缩机电机制冷、两个电磁溢流阀分别控制高压站主辅泵卸荷与工作。用液位控制器接点检测油缸内液位，在液位超高、超低时，做出相应的报警和指示并急停电机。用电接点温度计检测高压站油箱内油温，当油温超低时做出报警和指示，并启动高压站油液加热机，进行加热；当油温超高时做出报警和指示，并启动高压站油冷机组压缩机电机进行制冷。为了方便，还设计了自动和手动两种加热形式。为保证系统正常运行，设计了滤油器压差发讯器，分别对回油滤油器主泵出口滤油器和辅泵出口滤油器进行压差检测，在堵塞时给出报警和指示。2.2参数计算及选型1、电动机和加热机明细序号型号功率数量备注1Y108L1-4-B522KW1高压站辅泵电机2180L-6-B3555KW1高压站主泵电机3JDB-JRQ-220/24KW1高压站油液加热4GR70C4KW1油冷机组压缩机电机5DZ47-400AC2585KW3断路器6370RSM30Z55KW1 主电机熔断器7RT14-6330KW1其余电机熔断器8JR20-164热继电器2、断路器QF脱扣电流。 断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。冷轧机高压控制系统有一台55KW主泵电动机，一台22KW辅泵电动机，一台4KW加热器，一台11KW油冷机。故选型为DZ47-400AC25.3、 熔断器FU熔体额定电流Ifu1=55*2*1.5=165A Ifu1=（22+4+4）*2*1.5=90A 主电机熔断器选型为370RSM30Z。其余电机熔断器选型为RT14-63.4、PLC选型：输入点20个 输出点26个 所以选择FX2N-64MR5、主电动机减压启动延时：T=15S 辅泵电机串电阻减压启动延时：T=10S第3章 总梯形图图3-1 总梯形图第4章 控制电路的分步设计4.1电动机的启动与停止1、电机的启动要求：先启动辅泵电机，后启动主泵电机。启动条件：液位条件： 低液位为2Y“-” 高液位为1Y“-” 液温条件： 低温为3Y“-” 联锁条件： 按下辅泵启动按钮相应的电机启动，1DT“+”，3秒后1DT“-” 按下主泵启动按钮相应的电机启动，2DT“+”，3秒后2DT“-” 启动顺序不能颠倒，否则高压站不能工作2、电动机停止正常停止（先停主电机，在停辅电机） 按下主泵停止按钮，2DT“+”，3秒后方可停止相应的电机 按下辅泵停止按钮，1DT“+” ，3秒后方可停止相应的电机紧急停止 按下急停按钮1-2DT“+” 所有电机同时停图4-1 电动机的启动与停止设计介绍： 按下辅泵启动按钮和主泵启动按钮，若满足条件则启动辅泵电机，然后启动主泵电机进入工作状态。 正常停止电机时，按下主泵停止按钮和辅泵停止按钮，主泵停止后辅泵电机停止。当液位不正常时，自动进入正常停止电动机状态，相当于按下主辅电动机停止按钮，自动进入正常停止电动机状态。紧急停车同时停止主辅电动机。 主辅电机均采用串电阻减压的方式启动。 停车后系统能回到最初状态。先启动辅泵电机，后启动主泵电机，当按下主泵启动按钮时电机不被起动。4.2系统保护4.2.1油箱的液位高液位2Y“+”时操作台上的油箱液位超高指示灯亮，声报警。所有电机（按正常停止操作）低液位1Y“+”时操作台上的油箱液位超低指示灯亮，声报警。 所有电机（按正常停止操作）图4-2 油箱的液位设计介绍： 液位不正常时会给出报警灯指示，同时声报警。报警指示灯是为了指出故障原因方便维修，声报警是为了向相关人员发出报警信号。4.2.2油液的温度1、自动控制低温报警3Y“+”（低于25）时 操作台上的油温超低指示灯亮，声报警 启动电加热器工作同时加热器指示灯亮 当加热到限4Y“+”为正时（30）停止加热器工作，同时加热器指示灯灭 报警器解除在低温报警3Y“-”时高温报警5Y“+”（不小于50）时 操作台上的油温超高指示灯亮，声报警。 油冷机组工作同时油冷机组工作指示灯亮 当冷却到限6Y“+”（43）时油冷机组停止工作，油冷机组工作指示灯灭 报警器解除条件超高温为5Y“-”2、手动控制低温报警3Y“+”（低于25）时，油温超低指示灯亮，并报警1 按下加热器工作按钮加热器开始工作同时加热器指示灯亮2 按下加热器停止按钮加热器停止工作同时加热器指示灯灭高温报警5Y“+”（不小于50）时，油温超高指示灯亮，并报警 按下油冷机组工作按钮，油冷机组开始工作，同时操作台上油冷机组工作指示灯亮 按下油冷机组停止按钮，油冷机组停止工作，同时操作台上油冷机组工作指示灯灭图4-3 油液的温度设计介绍： 无论自动手动液位超低都会点亮超低温报警； 无论自动手动液位超高都会点亮超高温报警；自动控制状态无论超低温还是超高温都会启动声报警，手动控制状态则不需要声报警（通过在液位输入量后串入常闭的手动控制状态开关即可实现）；自动控制状态，温度超低会自动启动加热器和加热器工作指示绿灯，否则会启动加热器不工作指示红灯，温度超高会自动启动冷却机组和冷却机组工作指示绿灯，否则会启动冷却机组不工作指示红灯；手动控制状态，可以根据报警灯给出的报警信号得到是超高温还是超低温，然后可以分别启动相应电机解决故障。4.3压差发讯器图4-4 压差发讯器设计介绍： 为了保护电机防止滤油口堵塞，在各滤油口安装了压差发讯器，如果压差过大则表示滤油口被堵塞，就会给出报警信号通知相关人员予以清理维护。4.4声报警图4-5 声报警设计介绍： 声报警就是为了发出声音告知相关维护人员该系统中有故障或不合理之处。第5章 I/O接口表表5-1 工作显示序号名称指示内容指示灯数指示颜色输出口1主泵工作1绿Y006停止1红Y0072辅泵工作1绿Y004停止1红Y0053油冷机组工作1绿Y031停止1红Y0204加热器工作1绿Y015停止1红Y0165油液温度控制自动1绿Y011手动1红Y012表5-2 各电机输出口分布输出口主泵辅泵冷却加热串电阻Y025Y024Y030Y014全压Y001Y002表5-3 油温超限报警序号件号名称指示内容灯数灯色输入口输出口14.1电接点温度计油温超低启动加热器1红X011Y014加热到限停止加热器X01224.2电接点温度计油温超高启动制冷1红X013Y030制冷到限停止制冷X014表5-4 液位超限报警序号件号名称指示内容灯数灯色输入口输出口13液位控制器液位超低1红X005Y0272液位超高1红X006Y026表5-5 按钮和切换开关序号按下的作用按钮数按钮颜色输入口备注1启动辅泵工作1绿X001SB12停止辅泵工作1红X002SB23启动主泵工作1绿X004SB44停止主泵工作1红X003SB35启动加热器工作1绿X011SB56停止加热器工作1红X012SB67启动油冷机组工作1绿X013SB78停止油冷机组工作1红X014SB89急停压下站工作1红X000SB010声报解除1红X022SB911油温自动控制或手动控制12个状态X023SA1表5-6 系统输出压力超限报警序号名称指示内容灯数灯色输入口输出口1压差发讯器回油滤油器堵塞1红X015Y0212压差发讯器主泵出口滤油器堵塞1红X016Y0223压差发讯器辅泵出口滤油器堵塞1红X017Y023表5-7 电磁铁明细序号名称输出点数输出代号备注1电磁溢流阀11DT+高压站辅泵卸荷-高压站辅泵工作2电磁溢流阀12DT+高压站主泵卸荷-高压站主泵工作第6章 流程图6.1电机启动停止主流程图开始按下辅泵启动按钮液位正常温度正常？ 不正常 正常 辅泵电机卸荷 3s后辅泵电机工作 按下主泵启动按钮主泵电机卸荷荷 3S后主泵电机工作工作过程液位正常？ 否 是工作过程 启动主泵停止按钮主泵电机卸荷 3S后主泵电机停止工作 启动辅泵停止按钮辅泵电机卸荷 3S后辅泵电机停止工作结束图6-1 电机启动停止主流程图6.2油箱液位控制子程序流程图开始液位超高？ 否液位超低？ 否 是油温超高报警灯亮 是油温超低报警灯亮 声报警停主辅泵电机结束图6-2 油箱液位控制子程序流程图6.3油液的温度控制子流程图开始油温检测超低温？ 否加热器红灯 是冷却红灯超高温？ 否 声报警 是声报警加热绿灯冷却绿灯超低温指示灯超高温指示