PLC轧钢机课程设计Word格式文档下载.docx

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摘要

本设计阐述了PLC在轧钢机系统中的应用，介绍了轧钢机的PLC控制系统的总体设计方案和过程，列出了具体的硬件、软件设计，包括梯形图，控制流程图及仿真，在分析的基础上指出了PLC的编程方法。

本次设计课题是基于PLC的自控轧钢机系统，它在钢铁生产过程中非常重要，对现在的工业发展必不可少。

关键词：

PLC轧钢机

1.PLC概述 

可编程逻辑控制器PLC（Programmable 

Logic 

Controller）一种数字运算操作的电子系统，是以微机处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制技术。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并经过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现代工业控制的三大支柱之一。

1.1PLC历史

在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制站主导地位。

继电器控制系统有着十分明显的缺点，体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差等，而PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。

自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。

上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。

随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业，如汽车制造业，对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。

当前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。

可是，依然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。

PLC之因此有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求，高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。

它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。

PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。

PLC的诸多优点确定了其在工业中的广泛应用。

1.2PLC基本结构

（1）中央处理单元（CPU）：

中央处理单元（CPU）是PLC的控制核心。

它按照PLC系统程序赋予的功能：

a.接收并存储从用户程序和数据；

b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

（2）存储器：

可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。

存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；

存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，因此又分为用户存储器和数据存储器两部分。

（3）输入接口电路：

输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实际涉及到的信号当中，开关量最普遍。

（4）输出接口电路：

可编程序控制器的输出有：

继电器输出（M）、晶体管输出（T）、晶闸管输出（SSR）三种输出形式。

（5）电源：

PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。

如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，能够不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

如FX1S额定电压AC100V—240V，而电压允许范围在AC85V—264V之间。

允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。

一般小型PLC的电源输出分为两部分：

一部分供PLC内部电路工作；

一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。

1.3PLC的工作原理

PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。

即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。

然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。

在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

PLC在输入采样阶段：

首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。

随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段：

按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

输出刷新阶段：

当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并经过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

1.4PLC的特点

（1）结构形式多样，模块化组合灵活。

有固定式适于小型系统或机床，组合式适于集控制系统。

最少的PLC只有6点，而AB的ControlLogix系统的容量达128000点。

（2）可靠性高。

PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，有的在10-20万h，且均有完善的自诊断功能。

（3）编程方便。

控制具有极大灵活性。

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表示方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就能够方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

（4）功能强大。

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。

能够用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

（5）适应工业环境。

适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。

（6）安装、维修简单。

与DCS相比，价格低。

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

1.5PLC的功能

（1）控制功能。

包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。

（2）数据采集与输出。

（3）输入/输出接口调理功能。

具有A/D、D/A转换功能，经过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。

（4）数据处理功能。

包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。

（5）支持人机界面功能。

提供操作者以监视机器/过程工作必须的信息。

允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。

（6）通信、联网功能。

现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 

PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。

（7）编程、调试等，而且大部分支持在线编程。

2.轧钢机控制设计

2.1轧钢机介绍及发展

轧钢机，据说在14世纪欧洲就有轧机，但记载的是1480年意大利人达’芬h型连轧钢机。

1553年法国人不律列尔（Brulier）轧制出金和银板材，用以制造金币。

此后在西班牙，比利时和英国相继出现轧机。

1728年英国设计的生产棒材用的轧机。

十九世纪中叶，第一台可逆式板材轧机在英国投产。

1848年德国创造了万能式轧机，1853年美国开始用三辊式的型材轧机（图2最初的三辊式侧视图），并用蒸汽机传动的升降台实现机械化。

1859年制造了第一台连轧机。

中国于1871年在福州船政局所属拉铁厂（轧钢厂）开始用轧钢机。

现代轧机发展的趋向是连续化、自动化﹑专业化﹐产品质量高﹐消耗低。

60年代以来轧机在设计﹑研究和制造方面取得了很大的进展﹐使带材冷热轧机﹑厚板轧机﹑高速线材轧机﹑H型材轧机和连轧管机组等性能更加完善，并出现了轧制速度高达每秒钟115米的线材轧机﹑全连续式带材冷轧机﹑5500毫米宽厚板轧机和连续式H型钢轧机等一系列先进设备。

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的使用自动化控制，不但节约了人力资源，而且很大程度的提高了生产效率，又进一步的促进了生产力快速发展，并不断的丰富着人们的生活。

2.2设计任务

某轧钢机的模拟控制如图1所示。

图中S1为检测传送带上有无钢板传感器，S2为检测传送带上钢板是否到位传感器。

M1、M2为传送带电动机；

M3F和M3R为传送带电动机M3的正转和反转指示灯；

Y1为锻压机。

图2.1 

轧钢机控制

按下启动按钮，M1、M2运行，待加工钢板存储区中的钢板自动往传送带上运送。

若S1检测到有钢板在传送带上时，M3电动机正转，指示灯M3F亮。

当传送带上的钢板已过S1检测信号且S2检测到钢板到位时，电磁阀YV动作，M3电动机反转，指示灯M3R亮。

Y1锻压机向钢板冲压一次，S2信号消失。

当S1再次检测到有信号时，M3电动机正转，如此重复3次，停机1分钟，将已加工好的钢板放入加工后钢板存储区。

2.2 

设计要求 

（1）PLC型号：

西门子公司S7系列，S7-300 

（2）编程环境：

SIMATIC 

Manager 

/Step7 

V5.4或更高版本 

（3）根据控制要求分配PLC 

I/O地址，画出PLC与控制对象的接线图，设计控制流程，按照模块化的方式设计程序，既能够采用LAD编程，也能够采用STL编程，还能够采用组合方式编程。

（4）编写的需要输入PLC，调试经过

3．系统硬件设计

根据控制要求，本设计有2个检测信号，S1用于检测待加工钢板是否已在传输带上，S2用于检测待加工钢板是否到达加工点。

S1有效时，M1、M2工作，M3正转。

S2有效时，M3反转，Y1动作。

轧钢机需要重复三次，停机一分钟，将加工好的钢板放入加工后钢板存储区，因此需要计数器和定时器，而且计数达到预定值后还要复位。

3.1总体设计

图3.1PLC控制

3.2主电机回路

根据要求画出的主控制线路图,其中FR热继电器用于电动机的过载保护，断相及电流不平衡运行保护。

FU熔断器起电机主回路短路保护作用。

图3.2电机主回路

3.3PLC轧钢机I/O分配表

表3.1I/O地址分配表

3.4PLC轧钢机I/O外部接线图

图3.3I/O口外部接线图

4．系统软件设计

在可编程序控制中，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。

2.用户程序：

它是由可编程序控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。

PLC的工作方式：

采用循环扫描方式。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。