自动控制系统课程设计

自动控制系统课程设计项目名称： 1200钢板横剪生产线电气控制系统分析与设计作者：秦利国（20071701143）同组者：徐涛、吕玉凤指导教师：曾毅一、 项目背景 二、 项目意义三、 工艺流程从设计任务书中可知，工艺流程如下：当成卷的钢带装上开卷机后，钢带经过如下过程变成钢板。（如图1）带材 拆头 三辊粗校 齐头剪 （活套1） 对中辊 圆盘剪 23辊校平机 活套2 对中辊 伺服定尺机 剪板机 皮带输送机 涂油机 摆动皮带 成品皮带输送 码垛机图 1 1200钢板横剪生产线工艺流程图由于此系统对成品钢板的厚度、长度以及宽度要求较高，因此，有一些精密设备来保证钢板质量。其中对中辊、圆盘剪来保证钢板的宽度，三辊粗校、23辊校平机来保证钢板的厚度，伺服定尺机、剪板机保证钢板的长度。带材、拆头确保上料稳定，活套2给钢板提供弯曲空间，涂油机给钢板涂油防止生锈，皮带输送机、成品皮带输送来运输钢板，码垛机堆垛钢板并打包，摆动皮带用来剔除不合格的钢板。此系统为运动控制系统，被控量主要有位移、速度、力矩。执行机构主要为电动机。四、 机组设备1 调速电机的数量及功率No电动机名称种类数量功率（KW）型号备注1上料小车电机普通交流异步电动机1台3用户自选变频专用2开卷机电机普通交流异步电动机1台55用户自选变频专用3开头电机普通交流异步电动机1台7.5用户自选变频专用4对中辊电机普通交流异步电动机1台1.5用户自选变频专用5圆盘剪电机普通交流异步电动机1台22用户自选变频专用6废边卷取电机普通交流异步电动机1台15用户自选力矩专用7送料辊电机普通交流异步电动机1台22用户自选变频专用823辊校平电机普通交流异步电动机1台75用户自选变频专用9活套电机普通交流异步电动机1台2.2用户自选变频专用10伺服定尺电机交流伺服电动机1台11用户自选变频专用11拉料辊电机普通交流异步电动机1台22用户自选变频专用12剪板机电机普通交流异步电动机1台22用户自选变频专用13皮带输送机电机普通交流异步电动机1台4用户自选变频专用14摆动皮带电机普通交流异步电动机1台4用户自选变频专用15次品码板机电机普通交流异步电动机1台4用户自选变频专用16成品码板机电机普通交流异步电动机1台7.5用户自选变频专用17运输辊道电机普通交流异步电动机1台7.5用户自选变频专用18称重辊道电机普通交流异步电动机1台7.5用户自选变频专用19打包辊道电机普通交流异步电动机1台7.5用户自选变频专用合计电动机数量与功率19台296.7表 1 调速电机的数量及功率表由于各个部分的功能不同，因此采用的电机也不太一样。伺服定尺机对于钢板的长度精度要求较高，因此采用精度较高的伺服电动机和伺服驱动器。伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的： 以小功率指令信号去控制大功率负载。 在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。 使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。 在此伺服控制系统中，使用S7-400 PLC控制安川伺服驱动器，实现控制11KW的伺服电机的精确机械位移输出，按给定的开料长度准确送料，使加工成品钢板达到设计要求的定尺精度（0.8mm）。废边卷取要求恒转矩，因此我们采用力矩驱动器来控制。其他电机我们采用普通交流异步电机，由于大部分需要调速，因此采用逆变器来控制。2非调速电机及加热器件的数量及功率No电动机名称种类数量功率（KW）型号备注1自动码垛鼓风机普通交流异步电动机1台11用户自选2液压站1#泵电机普通交流异步电动机1台22用户自选3液压站2#泵电机普通交流异步电动机1台22用户自选4液压站3#泵电机普通交流异步电动机1台22用户自选备用5液压站加热器电阻母丝式1套6用户自选每个2KW623辊矫直机稀油润滑电机专用交流电动机1台1.1Y90S-4随机供货723辊矫直机压下调整双速电机专用交流电动机1台3YD100L2-4/2P=2.4/3KW823辊矫直机摆动调整电机专用交流电动机1台1.1Y90S-4-B5.V1923辊矫直机引料辊电机专用交流电动机1台0.75Y802-4随机供货1023辊矫直机1号支撑调整电机专用交流电动机1台0.55Y801-4-B5.V3随机供货1123辊矫直机2号支撑调整电机专用交流电动机1台0.55Y801-4-B5.V3随机供货1223辊矫直机3号支撑调整电机专用交流电动机1台0.55Y801-4-B5.V3随机供货合计电动机与加热器件的数量与功率1290.6表 2 非调速电机及加热器件的数量及功率五、 控制器选择1控制系统规模此电气控制系统比较复杂，经统计此电气控制系统使用了62个接触器，59个继电器，19个刀熔开关，66个空气开关。这些器件的明细表和选型参考下列表格：接触器明细表控制柜接触器（及其功率要求）接触器数目1#(d06)KM1(上卷小车3KW)KM2(220V-24V整流)KM3(上卷小车电机冷却风机)KM4(开头机电机冷却风机) KM5(上卷小车抱闸)KM6(开头机电机7.5KW)KM7(对中装置电机1.5KW）32#(d07)KM1(开卷电机55KW)KM2(220-24V整流)KM3(开卷电机冷却风机)KM8(开卷电机制动器)43#(d08)KM1(切边圆盘剪电机22KW)KM2(220-24V整流)KM3(切边圆盘剪电机冷却风机) KM4(废边卷取电机冷却风机)，KM5()KM8(废边卷取制动器)64#(d09）KM1(送料辊电机22KW)KM2(220V-24V整流)KM3(送料辊电机冷却风机)KM4(活套1电机冷却风机) KM5(活套2电机冷却风机)KM6(活套1电机2.2KW)KM7(活套2电机2.2KW)KM8(送料辊制动)85#(d10)KM1(23辊矫直机75KW)KM2（220-22V整流）KM3(23辊矫直电机冷却风机)37#（d12）KM1（剪板电机22KW)KM2(220-24V整流)KM3(剪板机冷却风机)KM4(皮带机冷却)KM5(皮带电机4KW)58#（d13）KM1(摆动皮带电机4KW)KM2(220-24整流)KM3(摆动皮带电机冷却)KM4(次品垛料电机冷却) KM5(次品垛料电机4KW)59#（d14）KM1(成品垛料电机7.5KW)KM2(220-24整流)KM3(成品垛料电机冷却)KM4(运输辊道电机冷却) KM5(运输辊道电机7.5KW)510#（d15）KM1(称重辊道电机7.5KW)KM2(220-24整流)KM3(称重辊道电机冷却)KM4(打包辊道电机冷却) KM5(打包辊道电机7.5KW)5PLC柜(d03)交流柜（d01)KM1(自动码垛鼓风电机11KW)1矫直机辅传动控制箱（d17）KM32,KM39,KM41(稀油润滑电机控制)KM45(压下调整)KM461(压下调整快升) KM462(压下调整快降)KM471(摆动调整上升)KM481(摆动调整下降)KM491(引料辊调整上升) KM492(引料辊调整下降)KM511(1号下支撑辊上升)KM512(1号下支撑辊下降) KM521(2号下支撑辊上升)KM522(2号下支撑辊下降)KM541(3号下支撑辊上升) KM542(3号下支撑辊下降)KM55(自整角机电源)17开卷操作台（D18)0交流逆变辅助交流配电柜（d02）0整流柜0矫直机操作台（D19）0总计62接触器选型型号应用场合数量特性3RT10151AP01上卷小车3KW，开卷电机冷却风机，切边圆盘剪电机冷却风机，送料辊电机冷却风机，6S00 3KW AC230V23辊矫直电机冷却风机剪板机冷却风机，（3KW左右电机及22KW电机的风机）3RT10251AP00开头机电机7.5KW，皮带电机4KW，摆动皮带电机4KW，次品垛料电机4KW，成品垛料电机7.5KW，8S0 7.5KW AC230V运输辊道电机7.5KW，称重辊道电机7.5KW，打包辊道电机7.5KW3RT10261AP00自动码垛鼓风电机11KW1S0 11KW AC230V3RT10361AP00 切边圆盘剪电机22KW，送料辊电机22KW，剪板电机22KW3S2 22KW AC230V3RT10541AP36开卷电机55KW1 S6 55KW AC230V3RT10552AP36 23辊矫直机75KW1S6 75KW AC230V3TB4017剩余的接触器422KW AC230表 3 接触器明细表及选型继电器明细表控制柜继电器（及其要求）继电器数目1#(d06)K1、K2,K3,K4,K5,K6(直流24V)62#(d07)K1,K2(直流24V)23#(d08)K1,K2(直流24V)24#(d09）K1、K2,K3,K4,K5,K6(直流24V)65#(d10)K1,K2(直流24V)27#（d12）K1、K2,K3,K4(直流24V)48#（d13）K1、K2,K3,K4(直流24V)49#（d14）K1、K2,K3,K4(直流24V)410#（d15）K1、K2,K3,K4(直流24V)4PLC柜(d03)K1、K2,K3,K4，K5(直流24V)5交流柜（d01)矫直机辅传动控制箱（d17）K42,K43(直流)2开卷操作台（D18)K30,K31,K32,K33(直流)2交流逆变辅助交流配电柜（d02）整流柜K1(交流)K2(直流)2矫直机操作台（D19）Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6(交流) K60,K61,K62,K63,K64,K65,K66,K67(直流)14总计59继电器选型型号特性数量应用场合3TH428059全部的继电器表 4 继电器明细表及选型刀熔开关明细表控制柜带熔断器开关数目1#(d06)QS1(3KW),QS2(7.5KW),QS3(1.5KW)32#(d07)QS（55KW）13#(d08)QS1（22KW）14#(d09）QS1(22KW),QS2(2.2KW),QS3(2.2KW)35#(d10)QS（75KW）17#（d12）QS1(22KW)，QS2(4KW)28#（d13）QS1(4KW)，QS2(4KW)29#（d14）QS1(7.5KW)，QS2(7.5KW)210#（d15）QS1(7.5KW)，QS2(7.5KW)2PLC柜(d03)交流柜（d01)QK（总）1矫直机辅传动控制箱（d17）开卷操作台（D18)交流逆变辅助交流配电柜（d02）QS(Q1-Q11总)1整流柜矫直机操作台（D19）总计19西门子刀熔开关选型型号特性数目应用3KL70 18-3BA.050A，11KW，3极12QS1(3KW),QS2(7.5KW),QS3(1.5KW),QS2(2.2KW)QS3(2.2KW) QS2(4KW),QS1(4KW)，QS2(4KW),QS1(7.5KW)，S2(7.5KW)QS1(7.5KW)，QS2(7.5KW)3KL70 33-5AA 0125A，27.5KW,3极3QS1（22KW）QS1(22KW)QS1(22KW)3KL70 42-5AA 0250A,55KW，4极1QS（55KW）3KL70 48-5AA 0400A,88KW,4极1QS（75KW）3KE45 30-0EA1000A,220KW,4极2QK(总)，QS(Q1-Q11总)表 5 刀熔开关明细表及选型自动断路器明细表控制柜自动断路器数目1#(d06)Q1（总）,Q2（220V-24V整流）,Q3(上卷小车电机冷却风机), Q4(开头机电机冷却风机),Q5(上卷小车抱闸)52#(d07)Q1（总）,Q2（220V-24V整流）,Q3（电机冷却风机）,Q6（制动器）43#(d08)Q1(总),Q2（220V-24V整流）,Q3（切边圆盘剪电机冷却风机） Q4(切边卷取机电机冷却风机)，Q6(制动器)54#(d09）Q1（总）,Q2(220V-24V整流),Q3（送料辊电机及冷却） Q4（活套1电机冷却）,Q5（活套1电机冷却），Q6（送料辊电机制动）65#(d10)Q1(总)Q2(220V-24V整流)Q3(电机冷却)37#（d12）Q1(总)Q2(220V-24V整流)，Q3(剪板机冷却),Q4(皮带运输机冷却)48#（d13）Q1(总)Q2(220V-24V整流)，Q3(摆动皮带电机冷却),Q4(次品垛料电机冷却)9#（d14）Q1(总)Q2(220V-24V整流)，Q3(成品垛料电机冷却),Q4(运输辊道电机冷却)410#（d15）Q1(总)Q2(220V-24V整流)，Q3(称重辊道电机冷却),Q4(打包辊道电机冷却)4PLC柜(d03)Q0(总)Q1(S7-400)Q2(220-24V)Q3(ET200M)Q4(ET200M)Q5(ET200M)6交流柜（d01)Q1(自动码垛鼓风电机11KW)Q2(液压控制箱电源) Q3(23辊矫直机辅机控制柜电源)Q4(涂油辊控制柜电源)Q5(备用) Q6(PLC供电)Q7(备用)Q8(备用)8矫直机辅传动控制箱（d17）Q31(总)1开卷操作台（D18)Q1(总)1交流逆变辅助交流配电柜（d02）Q0(整流柜总电源)Q1(1#逆变柜控制电源)Q2(2#逆变柜控制电源) Q3(3#逆变柜控制电源)Q4(4#逆变柜控制电源)Q5(5#逆变柜控制电源) Q6(6#逆变柜控制电源)Q7(7#逆变柜控制电源)Q8(8#逆变柜控制电源) Q9(9#逆变柜控制电源)Q10(整流柜控制电源)Q11(备用)12整流柜Q0(冷却风机)Q1(220V-24V整流)2矫直机操作台（D19）Q2(ET200M+220V-24V整流）1总计66施耐德断路器明选型型号特征数目应用MTE20N4D5022000A,4极，固定式，220V,3段保护12各线路一级开关MTE04N3D502400A,3极，固定式，220V,3段保护58各线路二级家二级以下开关表 6 自动断路器明细表及选型另外，此系统的输入输出点数，各种模块的使用情况统计如下表：点数明细表I使用点数I备用点O使用点数O备用点I+O使用点数备用点数开关量输入模块开关量输出模块模拟量输入模块模拟量输出模块高速计数模块矫直机操作台（D19)5014239732321000开卷操作台（D18)1025822101246851002液压操作台20124123613512000接近开关与电磁阀60006000000测长旋转编码器1600016000001伺服单元20002000000力矩驱动器30003000000总数19984864228512684003表 7 点数明细表2控制器系统构造从系统的输入输出点数看，此系统为中型系统，同时考虑到系统以后的兼容性和扩展性，以及系统的通信能力和实时性，因此，选择西门子的S7-400PLC作为整个系统的控制器。考虑到输入输出点数较多，系统采用主从站结构，使用用西门子分布式I/OET200M构成从站，并用Profibus网络通讯。实现减少硬件成份、节省安装费用和工程费用、提高设备的可靠性和整个控制系统的自动化程度。六、 电源系统1电源系统配置此系统的电源系统图如下：电网电压经过配电室（三相变压器）出来后有5路。第一路是到交流电源配电柜（D01），交流电源配电柜主要给码垛鼓风机、液压控制箱、23辊矫直机辅助控制柜、涂油滚控制柜、PLC柜供电以及作为备用电源使用。第二路是逆变器辅助交流电源配电柜（D02），逆变器辅助交流电源配电柜主要给1#至8#控制柜、整流柜控制回路供电以及作为备用电源。第三路是活套电机配电柜（D09），给活套电机供电。第四路是伺服电机配电柜（D11），给伺服电机和伺服供电。第第五路是整流柜（D04），作为整流后的电源给各个逆变器供电。其中如下图的第二层柜的关系是处于同一交流共母线上。第三层柜的关系处于同一直流共母线上。此处多个逆变器采用直流共母线的优点是：a. 共用直流母线可以大大减少制动单元的重复配置，结构简单合理，降低输入级系统成本 （减少交流输入线路、交流输入熔断器和接触器等部件），经济可靠，减少机柜尺寸。b. 共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大；c. 各电动机工作在不同状态下，从再生发电负载回收能量，能量回馈互补，提高效率，避免一般变频器常见直流过压失速保护现象的出现，优化了系统的动态特性，实现优异的控制效果。d.停电时系统将控制变频器断电。 但是直流共母线也有一些缺点，经过查阅资料可知缺点如下： a. 需要更多的设计工作，直流电能分配/保护要比三相交流复杂。 b. 如此高电压等级的低压电器元件难以寻找，直流熔断器比较昂贵。 c. 需要更大的公共直流电容器。 d. 变频器不易和系统隔离。图 2 供电系统概略图 2系统总功率 根据1200钢板横减线电气控制系统设计任务书中的机组设备执行元件的种类及功率总统计（296.7KW+90.6KW），根据设计裕量，可得使用400KW时可以满足实际要求。七、 人机界面此系统一共有16个人机界面，下面介绍各画面的主要功能。1 启动画面（如图3）。此画面主要用来进入控制系统。点击“点击进入”按钮，即可进入控制系统界面。2 控制系统结构再现画面（如图4）。此画面分四部分，最上面为标题