高速线材连续式飞剪控制系统.docx
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高速线材连续式飞剪控制系统
第1章线材生产线设备情况及简要工艺过程
1.1线材连续式飞剪控制系统的设备组成
高速线材连续式飞剪控制系统通常由热轧机、辊道、热轧线材、飞剪、离合器、
电动机、绝对值编码器、全数字直流调速装置6RA24可编程逻辑控制器PLC热金属
检测器、参数设定单元组成。
图1.1所示为高速线材连续式飞剪控制系统的框图。
Fig.1.1Typeoftheflyingshearhigh-speedwirecontinuouscontrolsystemprinciplediagram
1.2简要工艺要求
本次毕业设计要求飞剪剪切线材的长度为54m或45m,并可以剪切8种不同直径
规格的线材，分别为12mm14mm16mm18mm20mm22mm25mm28mm飞剪的圆周半径为780mm工艺要求热轧线材在辊道上的运行速度最大不超过12m/s，剪切时要
求飞剪的线速度要比线材的速度快5%，以便可以顺利剪切。
整个剪切过程中线材都
在高速运行，因此容易造成误差，软件的设计就成为至关重要的环节。
所以此次毕业设计的主要任务是利用S7-200PLC编程软件编程测出热轧线材在线运行的精确速度，准确控制剪切时间，从而达到工艺要求。
本次毕业设计采用离合器式飞剪进行在线定尺剪切。
它是电动机与剪刀经离合器连接，离合器可以是液压、气动、电磁式。
电动机长期运转，剪刀不剪切时制动，处于停止状态。
当热金属检测器C检测到热轧线材信息后，立即将信息传递给PLC可编
程逻辑控制器，发出信号使整个系统进入工作状态。
此时所有继电器、寄存器清零，完成内部数据区初始化。
检测剪刀的当前位置是利用与剪刀同轴连接的绝对值编码器计算出剪刀的当前位置，作为弧长L0。
因测量线材的在线运行速度是一关键的步骤，
需要精确测量热轧线材在热金属检测器A、B两点的运行时间，A与B的长度是固定的
（10米），就可以求出线材的精确运行速度。
PLC再根据这个速度求出延时启动飞剪的
时间，然后把剪切信号传递给6RA24,再由6RA24传递给电动机，使离合器吸合，电
动机带动剪刀旋转进行剪切。
剪切后离合器立即分离，剪刀制动，这一过程均在剪刀旋转一周内完成，剪刀又处于停止状态，等待下一次剪切。
整个飞剪控制系统采用自动和手动两部分控制，自动和手动可以自由转换装置，以便在设备维修及单机调试时使用。
1.3设计思路及方案选择
为了能够更好的完成本次毕业设计的工艺要求，精确测量线材在线运行速度，决定采用已知固定长度，利用PLC软件精确测量线材运行时间，从而求得速度。
因此,在线材辊道生产线的三个不同位置分别放置热金属检测器A、B、C.其中热金属检测器
c放置在飞剪的右侧，与飞剪中心轴线距离是6m它的作用是检测线材是否已经到达，如果线材到达则发出信号，通知飞剪控制机构，同时PLC进入工作状态。
热金属检测器B放在飞剪的左边，与飞剪中心轴线的距离是8m热金属检测器A
放置在B的左边，距离B的长度为10m检测器A、B的作用是及时发出检测信号给定时器，以便准确测量线材在A、B两点的运行时间。
这段时间的获取是通过两个定时器、根据振荡电路原理来获取时钟脉冲周期，在对周期数进行累加计数，并且为减小误差最后令程序对该累加计数值进行修正。
最后得到精确时间，用A、B两点的长度值除以
所得时间就可求出线材的在线运行速度。
完成设计最重要的部分后，还要考虑飞剪剪刀从停止为到剪切位所经历的弧长L0
的计算，实现该环节的方案是：
使一个绝对值编码器与飞剪同轴相连，用编码器来检测飞剪剪刀停止位所对应的脉冲数，经过计算求出弧长L。
。
然后用弧长除以飞剪的旋
转线速度，求出飞剪的剪切时间。
最后，根据工艺上要剪切线材的长度、线材的运行速度、飞剪的剪切时间。
计算出延时启动离合器的时间，启动离合器吸合飞剪迅速剪切，完成剪切任务，达到工艺要求。
1.4飞剪技术简介
目前工业用飞剪技术有三种结构形式:
电机起停式、离合器式、摆槽式，下面分别加以介绍。
1.电机起停式飞剪
此结构形式飞剪电动机和飞剪固定连接,不剪切时电动机处于停止状态。
当需要剪
切时,电动机立即快速启动,并在剪刀旋转大半周的区间内,使剪刀的线速度达到与工件速度同步（实际上剪刀速度比工件速度快3%-5%）,并进行剪切,而且必须使剪刀在剪切后由电机快速制动,在剪刀旋转的半周内停车,并返回原点准备下一次剪切。
该形式的优点是可以保证达到较高的剪切精度,能适应较高的轧线速度,例如:
16-20m/s。
其最大缺点是设备要求的瞬时功率大,例如:
200-400KW（由剪切工件直径
温度和线速度决定）,设备抗冲击强度要高。
2.离合器式飞剪此结构形式飞剪电动机与剪刀经离合器连接。
离合器可以使用液压、气动、电磁
使电动机长期运转,剪刀不剪切时制动于停止状态。
当需要剪切时,离合器吸合,电机带动剪刀旋转进行剪切。
剪切停止后,离合器立即分离,剪刀制动。
这一过程均在剪刀旋转的一周内完成,剪刀又处于静止状态,等待下一次剪切。
该形式的优点是要求电动机功率比较小，一般几十KW缺点是离合器及制动部件
冲击大,易损坏,维修工作量大。
3.摆槽式飞剪
此结构形式飞剪电动机长期运转,剪切瞬间由摆槽把工件摆入轨道（摆动距离约
80mm剪切,剪切后立即退出。
该形式的优点是不需要瞬时启动加速飞剪的动能。
因此所需的电动机功率更小机械设备也简单,造价很低,几乎不需要维修。
缺点是摆动造成工件轨迹变化,在工件高速行进中容易跑钢,用于高速轧线比较困难。
本系统设计飞剪的选择根据三种形式的特点和工艺要求，选用离合器式飞剪。
第2章SIMATICS7-200PLC软硬件功能简介
2.1
可编程逻辑控制器的简要介绍
编程控制器简称PC（英文全称：
ProgrammableController
它经历了可编程序矩阵控制器PMC可编程序顺序控制器PSC可编程序逻辑控
制器PLC（英文全称：
ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC
几个不同时期。
为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。
1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的
PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计
2.2S7-200PLC系列概述
S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。
在2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PLC,日本的小型PLC占据了中国的大部分市场份额。
在S7-200PLC推出后，这种情况得到了明显的改变，最近几年来的小型PLC市场上S7-200PLC成为了主流产品。
西门子最早的小型PLC产品是在上世纪末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但很快就被CPU22*系列的产品所取代了。
由于它具有多功能模块和人机界面（HMI）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。
同时它具有多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简单，几乎在完成任何功能的控制任务。
现在最新版的S7-200系列PLC时在2004年推出的。
221S7-200可编程逻辑控制器的主要特点
S7-200是SIEMENS公司推出的一种小型PLC,S7-200系列产品具有高性能的中央处理器，因其模块化的灵活设计而具有广泛的适用范围，同时具有极高的性价比。
S7-200无论单机运行，还是互相或者与其他设备组成网络，都具有优异的表现。
S7-200的主要特点有：
快速的中央处理能力
极丰富的编程指令集
响应快速的数字量和模拟量输入/输出通道
操作便捷，易于掌握
强大的通讯能力
丰富的扩展模块
2.2.2S7-200PLC的结构形式
I/O点集成在一个紧凑的封
S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量
装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC,在下载了程序之后，S7-200将保留所需
I/OLED
瓷（BUW5TOP■
减执电惟雅
扩展喘口1A.^ffiKPU）
iCFUCFU^4XF
和CPU22壮可撕播）
的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。
3已
■SF.UWQ■
RUN宙苛）
图2.1S7-200CPU结构图
S712F吓止
Fig2.1S7-200CPUstructure
1I/O接线端子排；
2输出LED指示；
3前盖：
模式选择开关（RUN/STOP;模拟电位器；扩展端口（适用大部分CPU
4状态LED:
系统错误/诊断（SF/DIAG）；RUN（运行）；STOP（停止）
5可选卡插槽：
存储卡；时钟卡；电池卡
6通讯口
7输入LED指示
8扩展电缆
9用于装上标准（DIN）导轨的夹片
223S7-200PLC的功能
PLC在社会生产中应用广泛，其技术也在不断的进步，并且在各个领域所涉及到
的内容都存在着很大的空间，作为PLC国际级的生产商，西门子公司S7-200系列PLC
的主要主要技术性能如何？
下面以S7-200CPU224为例说明S7系列PLC的主要技术性能。
1.一般性能
S7-200CPU224的一般性能如表2.1所示。
表2.1S7-200CPU224一般性能
Table2.1S7-200CPU224generalperformanee
电源电压
DC24V，AC100~230V
电源电压波动
DC20.4-28.8V，AC84-264V（47-63Hz）
环境温度、湿度
水平安装0~55°C,垂直安装0~45°C,5~95%
大气压
860~1080hPa
保护等级
IP20到IEC529
输出给传感器的电压
DC24V（20.4-28.8V）
输出给传感器的电流
280mA电子式短路保护（600mA
为扩展模块提供的输出电流
660mA
程序存储器
8K字节/典型值为2.6K条指令
数据存储器
2.5K字
存储器子模块
1个可插入的存储器子模块
数据后备
整个BD1在EEPROM中无需维护
在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过咼能电容或电池维持，后备时间190h
（400C时120h），插入电池后备200天
编程语言
LAD,FBD,STL
程序结构
一个主程序块（可以包括子程序）
程序执行
自由循环。
中断控制，定时控制（1~255ms）
子程序级
8级
用户程序保护
3级口令保护
指令集
逻辑运算、应用功能
位操作执行时间
0.37卩s
扫描时间监控
300ms（可重启动）
内部标志位
256,可保持：
EEPRO中0~112
计数器
0~256，可保持：
256,6个高速计数器
定时器
可保持：
256,
4个定时器，1ms~30s
16个定时器，10ms~5min
236个定时器，100ms~54min
接口
一个RS485通信接口
可连接的编程器/PC
PG740P=2\*ROMANI,PG760P=2\*ROMAN
II,PC（AT）
本机I/O
数字量输入：
14,其中4个可用作硬件中断，
14个用于高速功能
数字量输出：
10,其中2个可用作本机功能，
模拟电位器：
2个
可连接的I/O
数字量输入/输出：
最多94/74模拟量输入/输出：
最多28/7（或14）
AS接口输入/输出：
496
最多可接扩展模块
7个
2•输入特性
S7-200CPU224的输入特性如表2.2所示
表2.2S7-200CPU224输入特性
Table2.2S7-200CPU224inputcharacteristics
类型源型或汇型
DC24V,“1信号”：
14-35A，“0信号”：
输入电压
0-5A,
隔离
光耦隔离，6点和8点
输入电流
“1信号”：
最大4mA
输入延迟（额定输入电压）
所有标准输入：
全部0.2-12.8ms（可调节）
中断输入：
（I0.0-0.3）0.2-12.8ms（可调
节）
高速计数器：
（I0.0-0.5）最大30kHz
3•输出特性
S7-200CPU224输出特性如表2.3所示。
表2.3S7-200CPU224的输出特性
Table2.3S7-200CPU224outputcharacteristics
类型
晶体管输出型
继电器输出型
额定负载电压
DC24V（20.4-28.8V）
DC24V（4-30V）
AC24-230V（20-250V）
输出电压
“1信号”：
最小DC20V
L+/L-
隔离
光耦隔离，5点
继电器隔离，3点和4点
最大输出电流
“1信号”：
0.75A
“1信号”：
2A
最小输出电流
“0信号”：
10卩sA
“0信号”：
0mA
输出开关容量
阻性负载：
0.75A灯负载：
5W
阻性负载：
2A
灯负载：
DC30V，AC200W
4•扩展单元的主要技术特性
S7-200系列PLC是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。
目前S7-200主要有三大类扩展模块。
（1）输入/输出扩展模块S7-200CPU上已经集成了一定数量的数字量I/O点,但如用户需要多于CPU单元I/O点时，必须对系统做必要的扩展。
CPU221无I/O扩展能力，CPU222最多可连接2个扩展模块（数字量或模拟量），而CPU224和CPU226
最多可连接7个扩展模块。
S7-200PLC系列目前总共提供共5大类扩展模块：
数字量输入扩展板EM221（8
路扩展输入）；数字量输出扩展板EM222（8路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩
展板EM223（81/0,161/0,41/0）;模拟量输入扩展板EM231,每个EM231可扩展3路模拟量输入通道，A/D转换时间为25卩s,12位；模拟量输入和输出混合扩展模板
EM235每个EM235可同时扩展3路模拟输入和1路模拟量输出通道，其中A/D转换时
间为25卩s,D/A转换时间］100卩s，位数均为12位。
基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单元左侧的扩展接口相连接。
扩展单元正常工作需要+5VDC工作电源，此电源由基本单元通过总
线连接器提供，扩展单元的24VDC输入点和输出点电源，可由基本单元的24VDC电源
供电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。
（2）热电偶/热电阻扩展模块热电偶、热电阻模块（EM231）是为CPU222CPU224CPU226&计的，S7-200与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。
用户通过模块上的DIP开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障
的方向。
（3）通讯扩展模块除了CPU集成通讯口外，S7-200还可以通过通讯扩展模块
连接成更大的网络。
S7-200系列目前有两种通讯扩展模块：
PROFIBUS-DPT展从站模
块（EM277和AS-I接口扩展模块（CP243-2）。
S7-200系列PLC输入/输出扩展模块的主要技术性能如表2.4所示。
表2.4S7-200系列PLC输入/输出扩展模块的主要技术性能
Table2.4seriesS7-200PLCinput/outputexpansionmodule,themaintechnicalperformances
类型
数字量扩展模块
模拟量扩展模块
型号
EM221
EM222
EM223
EM231
EM232
EM235
输入点
8
无
4/8/16
3
无
3
输出点
无
8
4/8/16
无
2
1
隔离组点数
8
2
4
无
无
无
输入电压
DC24V
DC24V
输出电压
DC24V或
AC24-230V
DC24V或
AC24-230V
A/D转换时
间
<250卩s
<250卩s
分辨率
12bit
A/D转换
电压：
12bit
12bit
A/D转换
电流:
libit
2.3PLC的基本组成
用
—
-D-
g机
吃耳机
爭承耳布仅一
鬥申HI
vor隔电氏
PLC基本组成包括中央处理器（CPU、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块组成，见图2.2。
PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。
图2.2PLC的基本组成
Fig2.2PLCbasiccomposition
1.中央处理器
中央处理器（CPU由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。
CPU通
过数据总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。
小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类
芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96
系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。
CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。
2.存储器
PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。
（1）系统程序存储器PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制
造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和
功能程序与系统程序调用等部分。
系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。
系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROMROM是只
读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开
后仍能保存已存储的内容。
EPERO为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内
容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROMFLASH等。
（2）用户程序存储器用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初
期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的
随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。
通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以
用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。
（3）数据存储器PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入/输出元件
的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、
设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储
器RAM
RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断
电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。
3.接口
输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。
PLC
的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。
晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。
现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开
关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。
输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场
需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。
（1）输入接口输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、
转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。
（2）输出接口输出接口电路
向被控对象的各种执行元件输出控制信号。
常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀
（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。
输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。
微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。
⑶其它接口若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩
展单元（不带CPU相接进行扩充。
PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通
过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。
4.编程器
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检
查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系
统的参数等。
编程器有简易编程器和图形编程器两种。
简易编程器体积小，携带
方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。
图形编程
器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。
目前PLC
制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支
持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC
之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。
5.电
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