基于PLC的自控轧钢机监控系统设计石成玉.docx
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基于PLC的自控轧钢机监控系统设计石成玉
基于PLC的自控轧钢机监控系统设计
摘要
文章阐述了可编程控制器PLC在自控轧钢机监控系统中的应用，介绍了轧钢机的PLC控制系统的总体设计方案及设计过程，列出了具体的主要硬件电路，电梯的控制梯形图，在分析处理随机信号逻辑关系的基础上，指出了PLC的编程方法。
本次所做的设计课题是基于PLC的自控轧钢机监控系统，它在钢铁生产过程中十分重要，主要采用S7-200系列机型进行程序设计，利用组态王软件对自动轧钢机进行画面组态，基于PLC自控轧钢机监控系统这个课题对现在的工业发展必不可少，不仅提高效率，而且能加快现在工业的快速发展。
关键词：
轧钢机，PLC，组态
DesignOFControlledrollingmillcontrolsystemBasedonplc
Abstract
PaperdescribesaprogrammablecontrollerPLCcontrolledrollingmillinthecontrolsystem,introducedrollingmillofthePLCcontrolsystemdesignplananddesignprocess,listspecificmajorhardware,elevatorcontrolladder,inrandomsignalanalysisandprocessinglogic,basedonthatofthePLC'sprogramming.ThesubjectismadetothedesignofcontrolledrollingmillbasedonPLCcontrolsystem,itisveryimportantinthesteelproductionprocess,mainlyforS7-200seriesaircraftprogramdesign,useConfigurationsoftwareforautomaticrollingmachineframegroupstate,basedonPLCcontrolledrollingmillcontrolsystemthesubjectofthepresentindustrialdevelopmentisessential,notonlyefficiencybutalsocanspeedupthecurrentrapiddevelopmentofindustry.
Keywords:
Rollingmill,PLC,Configuration
目 录
前 言
监控系统应用比较广泛，它可以是煤矿为防止瓦斯爆炸而建立的瓦斯报警监控系统；也可以是库房、重要建筑物为防止火灾而建立的火灾报警监控系统；也可以是工厂生产过程中的监控系统等等。
各种监控系统所用的传感器、传输方式或许不同，但它们的工作原理是相似的：
一般都是信息采集，信息传输，信息处理，信息反馈等几大功能。
在现代工业领域中PLC得到广泛应用，本次所做的设计课题是基于PLC的自控轧钢机监控系统，它在钢铁生产过程中十分重要，主要采用S7-200系列机型进行程序设计，利用组态王软件对自动轧钢机进行画面组态，课题设计控制要求（按启动开关，电机M1.M2运行，Y1给出向下的轧压量。
当传送带上面有钢板时，S1传感器为ON。
则电机M3正转，钢板轧过后，S1信号消失为OFF，检测传送带上面钢板到位的传感器S2有信号为ON,表示钢板到位，电磁阀2动作，电机M3反转，将钢板推回，Y1第二次给出比Y1第一次给出更大的轧压量，S2信号消失，S1有信号电机M3正转。
当S1的信号消失，仍重复上述动作，完成二次轧压。
当第三次轧压完成后，S2有信号，则停机。
可以重新启动）。
组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
第1章绪论
1.1课题研究的背景及意义
课题研究的背景
轧钢机的正常运行是安全生产追求的重要目标，所以监控设备的设计调试技术的高低是保证轧钢系统正常运转的主要因素。
因此，保证监控系统设备设计调试质量对轧钢系统运转正常减少故障的发生率具有非常重要的意义根据我国现阶段的实际情况对轧钢系统的运行安全又提出了更高的要求。
另外，面对信息技术特别是计算机网络技术的飞速发张，我国监控系统正在由站控向线控和面控式的调度集中控制方式转型。
因此，如何适应新发展的新形势，利用现代新技术，建立以预防为主的保障轧钢系统设备安全的计算机辅助设计调试及故障诊断系统是研究解决的重大课题。
为了保持轧钢系统处于良好的工作状态，我国及外国许多的企事业实施了多种维护制度。
主要包括年修、大修、厂修、假修等定期维修，以及不定期维修和日常维修等。
这些制度的严格执行，为轧钢系统的安全奠定了基础。
但是，总体而言，这些维修制度均具有超前或事后维修的特点，缺乏基于设备状态维修的预测性和设备维修的经济性。
因此，面对液压设备对安全要求越来越高的形势，由超前或事后维修向基于状态维修，已经成为维修制度改革的方向。
状态修的重要手段是采用先进的设计调试及检测诊断设备和方法，建立安装调试及故障检测计算机支持系统[1]。
目前，我国基于PLC轧钢机监控系统已经不同程度得到了推广应用，设计调试及故障诊断计算机支持系统还处于研究开发阶段。
由于轧钢系统本身结构的复杂性，尤其是控制系统的复杂性，以及受设备使用和环境等因素的影响，实际造成设计调试的出现故障的原因是很复杂的，具有明显的随机性、不确定性、和模糊性。
现场分析、判断和现场处理故障，往往需要依赖维修人员对设备安装调试及故障的机理的把握程度和经验。
这就难免由于经验不足而导致失误，造成设备调试过程中经常出现各种问题。
延误安装调试和维修时间。
因此，研究安装调试及故障诊断专家系统具有实际意义的。
课题研究来源
本课题来自于洛阳理工学院电气工程与自动化07级毕业设计，通过设计使我们大学时期所学专业课程得到充分融合，以使我们用所学知识应用到实际工作中去，为步入社会做好最后的准备。
课题研究的意义
监控系统是整个轧钢设备的动力源，监控系统的设计调试的优劣直接导致系统运行的稳定性，严重的会造成重大事故；为了降低事故率保证生产安全，研究科学的设计调试及故障诊断技术是符合实际生产需要的。
对于监控系统由于其自身的复杂程度，需要技术人员不但有良好的关于PLC及组态王方面的深厚学习而且要求具有丰富的经验，这样才有解决好故障的条件，然而实际情况并非如此。
因此安装调试及故障诊断专家系统从技术角度和经济角度讲具有一定创新性和经济效益。
1.2课题主要研究的内容
1．以可编程控制器为基础，利用组态王软件对其所应用的程序进行模拟画面显示。
2．软件实现方法的研究。
用PLC程序开发实现了设计、调试、等功能。
第2章PLC的基本结构及原理
可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机[3]。
2.1PLC的基本结构
PLC的硬件结构
微处理器（CPU）——控制器的核心
存储器（RAM、ROM）
输入、输出部件（I/O部件）——连接现场设备与CPU之间的接口电路
电源部件——为PLC内部电路提供能源
整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内
模块式结构的PLC——各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成
I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合（扩展机）
另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内
图2-1PLC的硬件结构
1.中央控制处理单元（CPU）
可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。
通用微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096等；位片式微处理器的AM2900、AM2903等。
FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。
2.存储器
可编程控制器配有两种存储器：
系统存储器和用户存储器。
系统存储器：
存放系统管理程序，用只读存储器实现。
用户存储器：
存放用户编制的控制程序，一般用RAM实现或固化到只读存储器中。
3.输入输出接口
作用：
连接用户输入输出设备和PLC控制器，将各输入信号转换成PLC标准电平供PLC处理，再将处理好的输出信号转换成用户设备所要求的信号驱动外部负载。
对输入输出接口的要求：
良好的抗干扰能力；对各类输入输出信号（开关量、模拟量、直流量、交流量）的匹配能力。
PLC输入输出接口的类型：
模拟量输入输出接口、开关量输入输出接口（直流、交流及交直流）。
用户应根据输入输出信号的类型选择合适的输入输出接口。
1开关量输入接口电路
各种输入接口均采取了抗干扰措施。
如带有光耦合器隔离使PLC与外部输入信号进行隔离；并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。
通常有三种类型：
直流（12∽24）V输入、交流（100∽120）V输入与交流（200∽240）V输入和交直流（12∽24）V输入。
直流输入模块的电源一般由机内24v电源提供，输入信号接通时输入电流一般小于10mA；交流输入模块的电源一般由用户提供[3]。
如图2-1PLC的硬件结构。
如图2-2直流输入接口。
图2-2直流输入接口
②开关量输出接口电路
有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。
开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A。
开关量输出端的负载电源一般由用户提供，输出电流一般不超过2A，如图2-3交直流输出接口。
图2-3交直流输出接口（继电器输出型）
输出端子的两种接法：
●隔离式
输出各自独立，无公共点：
各输出端子各自形成独立回路。
●汇点式
全部输入点（输出点）共用一个公共点。
或者将输入点（输出点）分成几组，组内各点共用一个公共点。
各组的公共点之间相互隔离。
组内的各点必须使用同一电压类型和同一电压等级，各组可使用不同电压类型和等级的负载[4]。
4.电源
PLC的供电电源一般是市电，也有用直流24V电源供电的。
5.外围设备：
编程器、打印机、演示板等
利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。
6.用户输入输出设备:
用户输入器件有控制开关和检测元件，即各种开关、按钮、传感器等；用户输出设备主要有接触器、电磁阀、指示灯等。
PLC的软件结构
在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分：
1.系统监控程序：
用于控制可编程控制器本身的运行。
主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用。
2.用户程序：
它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。
2.2工作原理
1.基本工作模式：
PLC有运行模式和停止模式[17]。
运行模式：
分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。
停止模式：
当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。
2.PLC工作过程：
1）内部处理阶段
在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。
2）通信服务阶段
在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。
3）输入处理阶段
输入处理也叫输入采样。
在此阶段顺序读取所有输入端子的通断状态，并将所读取的信息存到输入映象寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。
4）程序处理阶段
按先上后下，先左后右的步序，对梯形图程序进行逐句扫描并根据采样到输入映像寄存器中的结果进行逻辑运算，运算结果再存入有关映像寄存器中。
但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
5）输出刷新阶段
程序处理完毕后，将所有输出映象寄存器中各点的状态，转存到输出锁存器中，再通过输出端驱动外部负载。
在运行模式下，PLC按上述五个阶段进行周而复始的循环工作，称为循环扫描工作方式。
3.PLC工作方式与特点
1）扫描周期：
PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。
每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。
PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度有关，与I/O点的情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。
通常用PLC执行1K指令所需时间来说明其扫描速度[15]。
2）输出滞后：
指从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。
一般为几十—100ms。
引起输出滞后的因素：
输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的滞后。
3）由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。
4）由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关。
这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。
避免了触点的临界竞争，减少繁琐的联锁电路[9]。
2.3西门子S7-200系列PLC
西门子S7-200是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。
同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加方便简单，几乎可以完成任何功能的任务，同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承和发挥了它在大型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性价比高，所以在大规模不大的领域是较为理想的控制设备[7]。
2.3.1S7-200PLC特性
S7-200系列PLC功能强、速度快、扩展灵活，具有模块化、紧凑的结构。
使用范围可从替代继电器的简单控制到复杂的自动化控制。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括电力设施、民用设施、机械、机床等领域。
S7-200系列具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作方便快捷、内置丰富的集成功能、实时特性，强劲得通讯能力、丰富的扩展模块。
S7-200系列的强大功能使其无论是在独立运行中，或相连成网络都能实现复杂控制功能。
所以它具有极高的性价比。
S7-200系列可以根据对象的不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块。
并可以将这些模块安装在同一机架上。
2.3.2S7-200主要功能模块介绍
1．CPU模块
S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
CPU负责执行程序，输入从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载，从CPU模块的功能来看，CPU模块为CPU22*.其中CPU226有24点输入/16点输出，I/O共计40点，可用于点数较多，要求较高的中、小型系统[13]。
2．I\O扩展模块
当CPU的I/O点数不够或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O扩展，I/O扩展包括I/O的扩展和功能模块的扩展。
典型的数字量I/O扩展模块有：
输入扩展模块EM221有两种：
8点DC输入/AC输入；
输出扩展模块EM222有三中：
8点DC晶体管输出/AC输出/继电器输出；
输入/输出混合扩展模块EM223有六种：
分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出、4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。
3．功能扩展模块
当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主机可以扩展特殊功能模块。
典型的模拟量I/O扩展模块有：
模拟量输入扩展模块EM231有三种：
4路模拟量输入，2路热电阻输入和4路热电偶输入。
模拟量输入扩展模块EM232具有2路模拟量输出。
模拟量输入/输出扩展模块EM235有4路模拟量输入/1路模拟量输出。
2.3.3S7-200PLC工作原理
各种PLC都采用扫描工作方式，具体工作过程大同小异。
西门子S7-200PLC的工作过程：
PLC上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。
一次循环过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、I/O刷新和外设端口服务五个工作阶段。
一次循环所用的时间称为一个工作周期，其长短与用户程序的长短以及PLC机体本身性能有关，其数量级为ms级，典型值为几十ms[12]。
各阶段完成的任务如下：
1）公共处理：
复位监视定时器，进行硬件检查、用户内存检查等。
检查正常后，方可进行下面的操作。
如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。
2）程序执行：
在程序执行阶段，CPU按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行，CPU从输入映像寄存器一个输入映像寄存器，和元件映像寄存器读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入元件映像寄存器中。
3）扫描周期计算处理：
若设定扫描周期为固定值，则进入等待循环，直到该固定值到,再往下进行。
若设定扫描周期为不定的（即决定于用户程序的长短等，为不定值），则进行扫描周期的计算。
4）I/O刷新：
在此阶段，进行I/O刷新。
输入刷新时，CPU从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映像寄存器中；输出刷新时，将输出继电器的元件映像寄存器的状态（I/O）传送到输出锁定电路，再经输出电路隔离和功率放大，驱动外部负载。
5）外设端口服务：
完成与外设端口连接的外围设备部编辑器或通信适配器的通信处理。
CPU从输入电路的输出端读出个电路状态，并将其写入输入映像寄存器；在程序执行阶段，CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中；在紧接着的下一个I/O刷新阶段，将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递到输出端子，从而控制外接器件动作。
第3章系统设计
3.1硬件设计
3.1.1控制系统I/O地址分配
根据控制系统的要求，控制系统应具备的输入/输出点数、名称、代码及地址编号如表3-1所示。
表3-1I/O地址分配表
序号
输入点
输入地址
序号
输出点
输出地址
1
I0.0
启动开关SB0
1
Q0.0
电机M1正转（KM1）
2
I0.1
停止开关SB1
2
Q0.1
电机M1反转（KM5）
3
I0.2
检测开关S1
3
Q0.2
电机M2正转（KM2）
4
I0.3
检测开关S2
4
Q0.3
电机M2反转（KM6）
5
Q0.4
电机M3正转（KM3）
6
Q0.5
电机M3反转（KM4）
7
Q0.6
A灯亮
8
Q0.7
B灯亮
9
Q1.0
C灯亮
3.1.2电气控制系统原理图
这里只给出主电路和PLC外围接线图。
1.主电路图
如图3-1所示电控系统主电路图,共有三台电机,其中主轧电动机两台,传送电动机一台。
图3-1主电路图
PLC外围硬件接线图，如图3-2所示。
图3-2外围硬件接线图
3.2软件设计
在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号（按钮、继电器）的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等部件，以完成相应的控制任务。
轧钢机梯形图如图3-3。
图3-3轧钢机梯形图
语句表为：
//NetworkComment
LDI0.0
OQ0.1
OQ1.4
ANI0.1
ANI0.3
=Q0.1
=Q0.2
Network2
LDI0.0
OQ1.1
ANI0.1
ANT37
=Q1.1
Network3
LDQ1.1
TONT37,+30
Network4
LDI0.0
OQ0.6
ANI0.1
=Q0.6
Network5
LDI0.2
OQ0.4
ANQ0.5
ANI0.3
AQ0.1
=Q0.4
Network6
LDI0.3
OQ1.2
ANC52
LPS
ANT38
=Q1.2
LPP
ANQ1.2
AT38
=Q1.3
Network7
LDQ0.7
TONT38,+88
Network8
LDI0.3
OQ0.0
ANQ0.1
ANC52
AQ0.5
=Q0.3
=Q0.0
Network9
LDI0.3
OQ0.5
ANQ0.4
ANC52
ANI0.1
ANQ1.4
=Q0.5
Network10
LDQ1.2
OQ0.7
ANI0.1
AQ0.6
=Q0.7
Network11
LDQ1.3
OQ1.0
AQ0.6
AQ0.7
ANI0.1
=Q1.0
Network12
LDI0.2
AQ0.7
ANC52
=Q1.4
Network13
LDI0.3
LDI0.0
CTDC52,
I0.0接启动开关，只有先接通启动开关是电路才能运行。
I0.2和I0.3分别是由两个传感器分别控制的开关，I0.2是由S1传感器上有钢板时I0.2就有信号，I0.3是在传感器S2有钢板时有信号。
然后进行下一步成序。
Q0.0、Q0.1，Q0.2、Q0.3，Q0.4、Q0.5分别接电机M1，M2，M3的正转和反转。
应为控制要求不同，I/O接口控制也不同。
Q0.6，Q0.7，Q1.0分别接A灯B灯C灯。
当Q1.1接通时A灯亮表示Y1第一次压轧量，I0.3有信号时A灯B灯亮，表示有比第一次更大的轧压量。
I0.3第二次有信号是ABC灯都亮。
这次轧压量更大。
当I0.3再有信号时就停机。
。
第4章监控系统设计
4.1画面的开发方法
监控画面的开发方法
实时监控系统上机应用软件的开发建立在组态软件的基础之上，是工业控制系统软件开发的一个方向。
当计算机硬件有了飞速发展之后，各种应用领域对软件提出了更高的要求。
所谓组态软件，即一组功能强大的软件包，它有一个友好的界面，开发时操作简易灵活，开发的产品直观生动，显示画面丰富，工业控制中的各种显示仪表盘，回路调节图，历史曲线图，实时曲线都可以通过它来实现[10]。
组态软件
组态王软件是
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