管材矫直机的PLC控制系统设计设计说明书.docx

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管材矫直机的PLC控制系统设计设计说明书

目录

摘要…………………………………………………………4

Abstract……………………………………………………….5

1绪论…………………………………………………………6

2矫直机的发展及应用

2.1管材矫直机原理……………………………………………7

2.2管材矫直机的发展现状……………………………………7

2.3矫直机的应用场合与研究意义……………………………8

3控制系统比较与介绍

3.1矫直机控制系统的比较……………………………………9

3.1.1基于PLC控制系统优点.……………………………9

3.2可编程序控制器的发展历程………………………………11

3.3我国可编程序控制器发展中的问题及对策………………13

3.4欧姆龙PLC…………………………………………………14

4基于PLC控制的管材矫直机的硬件设计

4.1硬件选择……………………………………………………17

4.1.1接触器与继电器的选择……………………………17

4.1.2电机的计算与选择…………………………………18

4.1.3可编程控制器的选择………………………………29

4.2主电路接线图………………………………………………20

4.3控制电路接线图………………………………………21

4.4I/o端口的说明……………………………………………22

5基于PLC控制的管材矫直机的软件设计

5.1软件控制流程图…………………………………………23

5.2PLC梯形图………………………………………………25

5.2.1梯形图大致说明……………………………………27

设计总结………………………………………………………28

致谢……………………………………………………………29

参考文献………………………………………………………30

摘要

本文介绍了利用欧姆龙CPM系列PLC对管材矫直机控制系统总体控制,阐述了控制方案。

实现矫直机控制系统总体控制有多种，可以采用早期的模拟电路、数字电路或模数混合电路。

近年来随着科技的飞速发展，单片机、PLC的应用不断地走向深入，同时带动传统的控制检测技术的不断更新。

本文采用日本欧姆龙公司生产的CPM型PLC作为核心控制器进行全自动矫直机控制系统的设计，并且设计出了系统结构图、软件流程图、梯形图以及输入输出端子的分配方案。

关键字：

PLC矫直机控制系统PLC软件设计

Abstract

ThispaperintroducestheuseofCPMseriesPLCofomrontubestraighteningmachinecontrolsystemoverall,expoundsthecontrolscheme.Realizetheoverallcontrolofavarietyofstraighteningmachinecontrolsystem,canadopttheearlieranalogcircuit,digitalcircuit,orhybridanalog-digitalcircuits.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,microcontroller,PLCapplicationconstantlygoingdeeper,atthesametime,drivetraditionalcontroltesttechnologyconstantlyupdated.ByJapanomroncompany'sCPMtypePLCasthecorecontrollerforfullautomaticstraighteningmachinecontrolsystemdesign,anddesignedthesystemstructure,softwareflowchartandladderdiagramandtheallocationofinputandoutputterminals.

Keywords:

PLCstraighteningmachinecontrolsystemPLCsoftwaredesign

1绪论

矫直机是对金属型材、棒材、管材、线材等进行矫直的设备。

矫直机通过矫直辊对棒材等进行挤压使其改变直线度。

一般有两排矫直辊，数量不等。

也有两辊矫直机，依靠两辊（中间内凹，双曲线辊）的角度变化对不同直径的材料进行矫直。

主要类型有压力矫直机、管材矫直机、辊式矫直机、拉伸矫直机等等。

可编程控制器PLC因其技术指标先进,质量优，环境适应能力强，可靠性好；有完善的输入输出功能模块，系统能灵活处理虚拟量，数字量，和开关量；而且具有完善的软件系统，以实现过程监测，执行，控制，报警以及图形画面显示打印功能。

因此在这台矫直机控制系统中,采用先进的PLC控制,从而达到了良好的控制效果，所以为提高管材的精度，和以后发展的需要所以要选择PLC控制系统，,质量优，环境适应能力强，可靠性好；有完善的输入输出功能模块，系统能灵活处理虚拟量，数字量，和开关量；而且具有完善的软件系统，以实现过程监测，执行，控制，报警以及图形画面显示打印功能。

采用先进的PLC控制,从而达到了良好的控制效果。

2矫直机的发展及应用

2.1管材矫直机原理

辊子的位置与被矫直制品运动方向成某种角度，上面三个大的是主动压力辊，由电动机带动作同方向旋转，另一边的3个辊是从动的压力辊，它们是靠着旋转着的圆棒或管材摩擦力使之旋转的。

为了达到辊子对制品所要求的压缩，这些小辊可以同时或分别向前或向后调整位置，一般辊子的数目越多，矫直后制品精度越高。

制品被辊子咬入之后，不断地作直线和旋转运动，因而使制品承受各方面的压缩、弯曲、压扁等变形，最后达到矫直的目的。

管材矫直机

2.2矫直机的发展现状

矫直是近百年来发展起来的工艺技术，是应用弹塑性理论将弯曲的，断面不规则的型材变直和整形的一种机械加工方法，广泛应用于机械工业和冶金工业中。

矫直机可以单独地用于机械加工车间，对机件或构件坯料进行矫直，如桥梁、船舶、汽车、锅炉等。

工厂的坯料车间等；也可以用于消除机件由于意外的创伤和长期蠕变而产生的塑性变形及变形，进行修复性的矫直，如轴类的矫直，管材的矫直与修复，旧钢丝绳的复原等。

矫直技术多用于金属加工的后部工序，在很大程度上决定着产、成品的质量水平。

矫直技术同其他金属加工技术一样在20世纪取得了长足的进展，相应的矫直理论比取得了很大的进步。

不过理论滞后于实践的现象比较明显。

另外，就矫直理论的总体来看，仍然处于粗糙阶段，首先就是其基本参数的确定还要依靠许多经验算法和经验数据，如辊数、辊距、辊径、压弯量及矫直速度等。

我国在矫直理论和矫直设备方面起步较晚，发展初期主要借鉴苏联在这一方面的理论和经验，主要基于弹塑性力学理论，建立矫直工艺参数、材料特性和较之结果之间的解析式，再进行求解研究，在分析过程中做出大量的简化、假设，影响了结果的准确性。

随着国内矫直理论和矫直设备的逐步发展，我国的工作人员对矫直理论的研究逐步深入，并且取得了喜人的进步，逐渐摆脱了完全依靠国外研究理论的窘境。

改革开放以后，随着我国科技的发展，特别是计算机技术的发展，使的人们在分析复杂问题是有了强大的计算工具，国内在矫直理论方面的研究发展更为迅速，涌现出一大批科研成果。

2.3矫直机的应用场合与研究意义

（1）压力矫直机：

轧件在活动压头和两个固定支点间，利用一次反弯的方法进行矫直。

主要用于大型钢梁，钢轨和大直径钢管的矫直，或作为辊式矫直机的补充矫直。

（2）.辊式矫直机：

轧件受到交错排列的转动的辊子的反复弯曲而得到矫直。

主要用于型钢和板带材的矫直。

（3）管材矫直机：

矫直原理同辊式矫直机。

最大特点是矫直辊与矫中心线有倾角，使管材产生螺旋前进而在各方面得到矫直。

主要用于管材，棒材的矫直。

（4）拉伸矫直机：

对轧件施加超过其材料屈服极限的张力，使轧件产生弹塑性变形，从而将轧件矫直。

主要用于矫直厚度小于0.6mm的薄钢板和有色金属板材。

矫直不同的品种规格的轧材，采用不同结构形式和不同规格的矫直机。

管材的精整是其生财的最后一个阶段，矫直质量的好坏直接决定着棒材的最终质量，科技的发展还是有一定限度的，即使再先进的矫直机还存在入料不准确，影响生产的自动化和控制水平；噪音大，不利于环境保护；咬入条件不好，易发生卡钢和矫断事故等问题。

又由于工人的操作水平的限制，钢管矫直时因调整与操作的不当产生螺旋凹痕，钢管外径过大或过小、矫方、矫不直、滑伤等缺陷。

这些问题对于钢管质量有很大的影响，必须引起注意，采取措施，加以解决。

研究矫直机就是为了尽量避免上

3控制系统的比较与介绍

3.1矫直机控制系统比较

矫直机的控制系统有传统的继电器控制和目前先进的PLC控制系统。

1）传统的继电器控制：

主要是通过继电器来控制矫直机的电气部分，从而实

现矫直机的矫直过程，但是由于采用传统的继电器控制，不仅控制水平低，动

作可靠性差，线路容易老化，而且故障率高,使用寿命短。

而且操作麻烦，需要操作人员高度警惕。

2）PLC控制：

主要通过可编程控制器来控制矫直机的电气部分，可编程控制器PLC因其技术指标先进,质量优，环境适应能力强，可靠性好；有完善的输入输出功能模块，系统能灵活处理虚拟量，数字量，和开关量；而且具有完善的软件系统，以实现过程监测，执行，控制，报警以及图形画面显示打印功能。

因此在这台矫直机控制系统中,采用先进的PLC控制,从而达到了良好的控制效果，所以为提高管材的精度，和以后发展的需要所以要选择PLC控制系统，,质量优，环境适应能力强，可靠性好；有完善的输入输出功能模块，系统能灵活处理虚拟量，数字量，和开关量；而且具有完善的软件系统，以实现过程监测，执行，控制，报警以及图形画面显示打印功能。

采用先进的PLC控制,从而达到了良好的控制效果。

3.1.1基于PLC控制系统优点

1.实时性

1）　由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。

2）　基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全联锁保护。

3）　更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目。

2.高可靠性

1）　所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离。

2）　各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms。

3）　各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。

4）　采用性能优良的开关电源。

5）　对采用的元器件进行严格的筛选。

6）　良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。

7）　大型控制器还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,以及实现电源模块冗余、IO模块冗余，使可靠性更进一步提高。

3.系统配置简单灵活

1）　控制器产品种类繁多，规模可分大、中、小等。

2）　I/O卡件种类丰富，可根据自控工程实现功能要求不同，而进行不同的配置。

3）　满足控制工程需要前提下，I/O卡件可灵活组合。

4.丰富的I/O卡件

控制器针对不同的工业自控工程的现场信号，如：

交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等,有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

5.控制系统采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型控制器以外，绝大多数控制器均采用模块化结构。

控制器的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

6.价格优势

质优价廉，性价比高。

7.安装简单，维修方便

可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

plc控制电路相对于继电器控制电路的优点

1、控制方式上看：

电器控制硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能很是困难；而plc软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。

2、工作方式上看：

电器控制并行工作，而plc串行工作，不受制约。

3、控制速度上看：

电器控制速度慢，触点易抖动；而plc通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而无抖动一说。

4、定时、记数看：

电器控制定时精度不高，容易受环境温度变化影响，且无记数功能；plc时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽；有记数功能。

5、可靠、维护看：

电器控制触点多，会产生机械磨损和电弧烧伤，接线也多，可靠、维护性能差；plc无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。

根据传统继电器和可编程控制器的比较，最终选择可编程控制器。

3.2可编程序控制器的发展历程

可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。

可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。

随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。

可编程序控制器问世于20世纪60年代，当时的可编程序控制器功能都很简单，只有逻辑、定时、计数等功能；硬件方面用于可编程序控制器的集成电路还没有投入大规模工业化生产，CPU以分立元件组成；存储器为磁心存储器，存储容量有限；用户指令一般只有二三十条，还没有成型的编程语言；机型单一，没有形成系列。

一台可编程序控制器最多只能替代200~300个继电器组成的控制系统，在体积方面，与现在的可编程序控制器相比，可以说是庞然大物。

进入70年代，随着中小规模集成电路的工业化生产，可编程序控制器技术得到了较大的发展。

可编程序控制器功能除逻辑运算外，增加了数值运算、计算机接口、模拟量控制等；软件开发有自诊断程序，程序存储开始使用EPROM；可靠性进一步提高，初步形成系列，结构上开始有模块式和整体式的区分，整机功能从专用向通用过渡。

70年代后期和80年代初期，微处理器技术日趋成熟，单片微处理器、半导体存储器进入工业化生产，大规模集成电路开始普遍应用。

可编程序控制器开始向多处理器发展，使可编程序控制器的功能和处理速度大为增强，并具有通信和远程I/O能力，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数、查表、列表等，自诊断和容错技术也迅速发展。

80年代后期到90年代中期，随着计算机和网络技术的普及应用，超大规模集成电路、门阵列以及专用集成电路的迅速发展，可编程序控制器的CPU已发展为由16位或32位微处理器构成，处理速度得到很大提高，高速计数、中断、PID、运动控制等功能引入了可编程序控制器。

使得可编程序控制器能够满足工业生产过程的各个领域，可编程序控制器已完全取代了传统的逻辑控制装置，模拟量仪表控制装置和以小型机为核心的DDC（直接数字控制）控制装置。

由于联网能力增强，既可和上位计算机联网，也可以下挂FLEXI/O或远程I/O，从而组成分布式控制系统（DCS）已无困难。

梯型图语言和语句表语言完全成熟，基本上标准化，SFC（顺序功能图）语言逐步普及，专用的编程器已被个人计算机和相应编程软件所替代，人机界面装置日趋完善，已能进行对整个工厂的监控、管理，并发展了冗余技术，大大加强了可靠性。

进入21世纪，可编程序控制器仍保持旺盛的发展势头，并不断扩大其应用领域，如为用户配置柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）。

目前可编程序控制器主要向两个方向扩展：

一是综合化控制系统，它已经突破了原有的可编程序控制器的概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统密切结合起来，甚至向上为MES和ERP系统准备了技术基础，这种发展趋势会使得举步为艰的ERP系统有了坚实的技术基础，从而会带来工业控制的一场变革，实现真正意义上的电子信息化工厂；二是微型可编程序控制器异军突起，体积如手掌大小，功能可覆盖单体设备及整个车间的控制功能，并具备联网功能，这种微型化的可编程序控制器使得控制系统可将触角延伸到工厂的各个角落。

随着世界经济一体化进程的加快，在技术发展的同时，发达国家更加注重了对可编程序控制器的知识产权的保护，国际大型可编程序控制器制造商纷纷加入了可编程序控制器的国际标准化组织，他们利用许多技术标准建立了符合他们经济利益的技术保护壁垒。

3.3我国可编程序控制器发展中的问题及对策

目前我国的可编程序控制器的发展主要面临着三大问题。

一是技术层面上的，在国际上可编程序控制器迅速发展的形势下，我国还没有具有自主知识产权，能够参与国际竞争的可编程序控制器产品，原因主要在于我国的整个基础工业还有一定差距，如芯片制造、模具加工等方面限制了我们的发展。

二是竞争层面上的，实际上也是一个经济竞争的问题。

现在95%的国内市场由外国的可编程序控制器产品所占领，中、大型可编程序控制器中，几乎全部由国外几大公司垄断，随着我国使用可编程序控制器领域的不断扩大，市场越来越大，然而国外几大公司几乎每年都会针对市场推出新的产品，一旦人们使用了新的产品后，他们就会逐渐的提高产品市场价格，没有我国自己的自主知识产权的产品，在经济竞争中就只能处于被动。

三是市场秩序层面上的，随着我国改革开放的不断深入，特别是加入WTO后，我国巨大的市场份额极大的吸引了国外的大公司，他们开拓市场的方法都是采用大范围建立代理销售渠道，每个公司的分销商、系统集成商都会有数十家，甚至上百家之多，造成了我国的分销商、系统集成商之间的激烈竞争，而这些无序的竞争为国际大公司分而治之、获取稳定的高额利润创造条件。

面对这些问题，我国可编程序控制器的发展应该采取如下对策：

（1）面对如此巨大的市场，我国应该集中资金和技术力量，尽快研制生产出具有自主知识产权的可编程序控制器的系列产品，就像以前的家电行业一样。

其实随着我国整个民族工业的不断发展，特别是近年来芯片工业的迅速发展，推出具有国际竞争力的可编程序控制器产品已成为可能。

（2）继续发挥我国科学技术人员可编程序控制器应用技术的优势，扩大可编程序控制器的应用领域。

特别是我国加入WTO后，中国成为“世界制造工厂”的过程正在加速，我国在努力将可编程序控制器应用在国民经济的各个领域同时，还要凭借技术和劳动力优势，进入可编程序控制器在外商投资企业中的应用，并逐渐进入国际上可编程序控制器的应用市场，让我国的应用技术优势形成真正的增值服务，从而带动我国相关成套设备和软件产业的发展。

（3）在扩大可编程序控制器应用的同时，要在软件集成化上下功夫。

针对不同的工业生产过程，形成具有我国特点的系统集成软件、人机界面软件和系统应用软件，在一些我国领先的工业行业中制造出具有核心技术的系统应用软件。

真正形成具有国际标准的、可进行复制的模块化软件。

采取上述策略后，我国就能在可编程序控制器的应用上率先实现突破，融入全球一体化经济之中，形成具有自主知识产权的软件产业，进而研制、开发、生产出具有自主知识产权，能够参与国际竞争的可编程序控制器产品。

3.4欧姆龙PLC

为了解决继电气控制系统中存在的许多问题，于是PLC逐步在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。

欧姆龙公司作为世界最大PLC生产厂商之一，它的PLC产品在市场享有较高的声誉。

OMRON公司从80年代至今，产品多次更新换代，80年代初期，OMRON的大、中、小型机分别为C系列的C2000、C1000、C500、C120、C20等。

这些型号的PC指令少，而且指令执行时间长，内存也小，内部器件有限，PC体积大。

例如，C20仅20条指令，基本指令执行时间为4us~80us。

上述产品目前已基本被淘汰。

随后小型机换代出现P型机，替代了C20机。

P型机I/O点数最多可达148点。

指令增加到37条，指令执行的速度加快了，基本指令执行时间为4us，体积也明显缩小。

P型机有较高的性能价格比，且易于掌握和使用，因而具有较强的竞争力，在当时的小型机市场上独占鳌头。

80年代后期，OMRON开发出H型机，大、中、小型对应由C2000H/C1000H、C200H、C60H/C40H/C28H/C20H。

大、中型机为模块式结构，小型机为整体式结构。

H型机的指令增加较多，有100多种，特别出现了指令的微分执行，一条指令可顶多条指令使用，为编程提供了方便。

H型机指令的执行速度又加快了，大型H机基本指令执行时间才0.4us，而C200H机也只有0.7us。

H型机的通信功能增强了，甚至小型H机也配有RS232C口，与计算机可以直接通信。

大型机C2000H的CPU可进行热备配置，其一般的I/O单元还可在线插拔。

中型机C200H的特殊功能模块很丰富，结构合理，功能齐全，为当时中型机中较优秀的机型，获得了非常广泛的应用。

C200H曾用于太空实验站，开创业界先例。

另外，OMRON还开发出微型机SP20/SP16/SP10。

这类机型点数少，最少10点，但可自身联网（PLCLink），最多可达80点。

它的体积很小，功能单一，价格较低，特别适合于安装空间小、点数要求不多的继电控制场合。

90年代初期，OMRON推出无底板模块式结构的小型机CQM1。

CQM1控制I/O点数最多可达256点。

CQM1的指令已超过100种，它的速度较快，基本指令执行时间为0.5us，比中型机C200H还要快。

CQM1的DM区增加很多，虽为小型机，但DM区可达6K，比中型机C200H的2K大很多。

CQM1共有7种CPU单元，每种CPU单元都带有16个输入点（称为内置输入点），有输入中断功能，都可接增量式旋转编码器进行高速计数，计数频率单相5kHz、两相2.5kHz。

CQM1还有高速脉冲输出功能，标准脉冲输出可达1kHz。

此外，CPU42带有模拟量设定功能，CPU43有高速脉冲I/O端口，CPU44有绝对式旋转编码器端口，CPU45由A/D、D/A端口。

CQM1虽然是小型机，但采用模块式结构，像中型机一样，也由A/D、D/A、温控等特殊功能单元和各种通信单元。

CQM1的CPU单元除CPU11外都自带RS232C通信口。

在CQM1推出之前，OMRON推出大型机CV系列，其性能比C系列大型H机有显著的提高，它极大地提高了OMRON在大型机方面的竞争实力。

1998年底，OMRON推出了CVM1D双极热备系统，它具有双CPU单元和双电源单元，不仅CPU可热备，而且电源也可热备。

CVM1D继承了CV系列的各种功能，可以使用CV的I/O单元、特殊功能单元和通信单元。

CVM1D的I/O单元可在线插拔.明显加快，特别是后5年，OMRON在中型机和小型机上又有不少技术更新。

中型机从C200H发展到C200HS。

C200HS于1996年进入中国市场，到了1997年全新的中型机C200Hα又来了。

它的性能比C200HS又有显著提高。

除基本性能比