PLC的轧钢机控制系统设计.docx
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PLC的轧钢机控制系统设计
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
江西理工大学
本科毕业设计（论文）
题目：
基于PLC的轧钢机控制系统设计
专题题目：
PLC软件设计
学院：
电气工程与自动化学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
班
学号：
学生：
指导教师：
职称：
时间：
年月日
江西理工大学
本科毕业设计（论文）任务书
电气工程与自动化学院电气专业级（届）班学号学生
题目：
基于PLC的轧钢机控制系统设计
专题题目（若无专题则不填）：
PLC软件设计
原始依据（包括设计（论文）的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等）：
工作基础：
目前，我国基于PLC轧钢机系统已经不同程度得到了推广应用。
PLC轧钢机控制技术的发展主要经历了三个阶段：
继电器控制阶段，微机控制阶段，现场总线控制阶段。
现阶段轧钢机控制系统设计使用可编程控制器（PLC），其功能特点是变化灵活，编程简单，故障少，噪音低，维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强。
除此之外PLC还有其他强大功能，它可以进行逻辑控制、运动控制、通信等操作；并具有稳定性高、可移植性强等优点，因此受到广大电气工程控制技术人员的青睐。
研究条件及应用环境:
本课题是基于PLC的控制系统的研究课题。
工业自动化是国家经济发展的基础，用于实现自动化控制设备主要集中为单片机和PLC。
单片机由于控制能力有限、编程复杂等缺点，现在正逐步退出控制舞台。
PLC则因为其功能强大、编程简单等优点，得到迅速发展及运用。
PLC的功能强大，可以进行逻辑控制、运动控制、通信等操作；并具有稳定性高、可移植性强等优点，因此，PLC是工业控制领域中不可或缺的一部分。
工作目的：
轧钢机如控制和使用得当，不仅能提高效率，节约成本，还可大大延长使用寿命。
对轧钢机控制系统的性能和要求进行分析研究设计了一套低成本高性能的控制方案，可最大限度发挥轧钢机加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对提高机械设备的自动化程度，缩短与国际同类产品的差距，都有着重要的意义。
主要内容和要求：
（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求）：
1）当整个机器系统的电源打开时，电机M1和M2旋转，以待传送工件。
2）工件通过轨道从右边输送进入轧制系统。
3）感应器S1感应到有工件输送来时，输出高电位，驱动上轧辊按预定下压一定的距离，实现轧制厚度的调节，同时电机M3开始逆时针旋转，并带动复位挡板也逆时针转动，感应器S1复位。
4）随着轧制的进行，工件不断地向左移动。
当感应器S2感应到有工件移动过来时，说明工件的要求轧制长度已经完成，此时感应器S2输出高电位，驱动控制电机M3的电磁阀作用，使电机M3顺时针转动。
5）在电机M3顺时针转动下，挡板顺时针转动，推动工进向右移动。
当工件移动到感应器S1感应到时，S1有输出高电位，使电机M3逆时针转动，同时驱动上轧辊调节好第二个下压量，进入第二次压制的过程。
6）再次重复上述的工作，直到上轧辊完成3次下压量的作用，工件才加工完毕。
7）系统延时等待加工完毕的工件退出轨道，此时即可进入下一个工件的加工过程。
日程安排：
11年3月21日至3月25日老师给出课题及课题要求
11年3月26日至3月31日查找相关文献资料，撰写开题报告
11年4月1日至4月5日总体方案设计
11年4月6日至4月10日熟悉PLC编程软件
11年4月11日至4月15日系统主程序程序设计与调试
11年4月16日至4月20日温度监控系统程序设计与调试
11年4月21日至4月25日压力监控系统程序设计与调试
11年4月26日至5月5日熟悉组态软件及变频器的调速
11年4月26日至5月5日熟悉PROFIBUS-DP通信
11年5月6日至5月10日开始构思论文框架并撰写论文初稿
11年5月11日至5月20日修改并完善论文后交给老师审定
11年5月21日至6月3日进一步修改完善，准备答辩
主要参考文献和书目：
[1]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京：
机械工业出版社.2007
[2]陈章平.PLC控制系统设计与应用[M].北京：
清华大学出版社.2009
[3]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：
机械工业出版社.2008
[4]夏彤.大型轧钢机交交变频同步电动机调速系统研究[D].重庆大学工程硕
士学位论文.2006:
3～6
[5]汪志锋.可编程序控制器原理与应用[M].西安：
西安电子科技大学出版
社.2004
[6]马宁孔红.S7-300PLC和MM440变频器的原理与应用[M].机械工业出版
社.2008
[7]郑萍.现代电气控制技术[M].重庆：
重庆大学出版社.2009
指导教师（签字）：
20年月日
注：
本表可自主延伸，各专业根据需要调整。
江西理工大学
本科毕业设计（论文）开题报告
电气工程与自动化学院电气专业级（届）班学号学生
题目：
基于PLC的轧钢机控制系统设计
专题题目（若无专题则不填）：
PLC软件设计
本课题来源及研究现状：
近年来PLC发展很快，新产品、新技术不读涌现，特别是西门子公司退出了S7-300系列PLC，由于功能强、性价比高，而深受国内用户的欢迎。
PLC控制系统是依托于PLC来实现对现场设备进行控制的要求。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器并不针对某一具体工业应用。
在实际应用时，其硬件应根据具体需要进行选配，软件则根据实际的控制要求或生产工艺流程进行设计。
具有编程简单、使用方便、通用性强、可靠性高、体积小、易于维护等优点，在自动控制领域应用得十分广泛。
目前已从小规模的单机顺序控制发展到过程控制、运动控制等诸多领域。
而且它可靠性高，能够适应工业现场的恶劣环境。
具有进行各种算术运算、PID调节、过程监视、网络通信、远程I/O和高速数据处理能力，PLC除了具有CPU和存储器以外，还有丰富的I/O接口模块。
对于工业现场的不同信号，PLC都有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。
PLC系统与其他系统相比无论从软件方面还是从实际投入的硬件设备讲，投入都较少，质优价廉，性价比高。
因此，无论是老设备的技术改造还是新系统的开发，大多数设计人员都倾向于采用它来进行设计。
课题研究目标、内容、方法和手段：
研究目标：
本课题是基于PLC的轧钢机控制系统设计。
该课题研究的目的是通过设计来达到最终控制要求并实现最佳的控制效果。
设计前要熟悉S7-300软件的基本功能、设计语言、仿真环境。
对控制过程进行顺序功能图的设计，根据顺序功能图编写梯形图，在S7-PLCSIM仿真环境中进行仿真。
研究内容：
1.普通轧钢机的结构和工作原理
2.各路检测信号到PLC的输入，包括传感器的的原理，信号的种类，引入到PLC中的编址
3.轧钢机的种类和工作原理图，I/O分配
4.以可编程控制器为基础，利用PLCSIM软件对其所应用的程序进行模拟仿真。
5.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。
6.CPU和变频器参数的设置
设计（论文）提纲及进度安排：
论文提纲：
第一章绪论
1.1课题研究背景
1.2课题研究的来源
1.3课题研究的意义
第二章硬件系统设计
2.1控制系统总体方案设计
2.2控制系统I/O地址分配
2.3电气系统控制原理图
第三章软件系统设计
3.1主程序设计
3.2监控程序设计
第四章软件调试
第五章PROFIBUS-DP通讯
进度安排：
11年3月21日至3月25日老师给出课题及课题要求
11年3月26日至3月31日查找相关文献资料，撰写开题报告
11年4月1日至4月5日总体方案设计
11年4月6日至4月10日熟悉PLC编程软件
11年4月11日至4月15日系统主程序程序设计与调试
11年4月16日至4月20日温度监控系统程序设计与调试
11年4月21日至4月25日压力监控系统程序设计与调试
11年4月26日至5月5日熟悉组态软件及变频器的调速
11年4月26日至5月5日熟悉PROFIBUS-DP通信
11年5月6日至5月10日开始构思论文框架并撰写论文初稿
11年5月11日至5月20日修改并完善论文后交给老师审定
11年5月21日至6月3日进一步修改完善，准备答辩
主要参考文献和书目：
[1]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京：
机械工业出版社.2007
[2]陈章平.PLC控制系统设计与应用[M].北京：
清华大学出版社.2009
[3]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：
机械工业出版社.2008
[4]夏彤.大型轧钢机交交变频同步电动机调速系统研究[D].重庆大学工程硕
士学位论文.2006:
3～6
[5]汪志锋.可编程序控制器原理与应用[M].西安：
西安电子科技大学出版
社.2004
[6]马宁孔红.S7-300PLC和MM440变频器的原理与应用[M].机械工业出版
社.2008
[7]郑萍.现代电气控制技术[M].重庆：
重庆大学出版社.2009
指导教师审核意见：
指导教师（签字）：
年月日
注：
本表可自主延伸
摘要
对轧钢机采用计算机控制，不仅能提高其效率，节约成本，还可大大延长其使用寿命。
本文阐述了可编程控制器（PLC）在轧钢机控制系统中的应用，介绍了轧钢机的结构和工作原理，提出了轧钢机的PLC控制系统的总体设计方案及设计过程，给出了系统的I/O分配，并利用PLCSIM软件对编写的程序进行模拟仿真。
同时用PLC程序开发实现了设计、调试等功能。
根据轧钢机控制系统的控制要求和特点,对PLC硬件进行了组态。
编写了轧钢机系统的主程序，温度监控程序以及压力监控程序等程序。
在系统设计完成后，对其进行了简单的调试，最后的模拟调试结果表明，基于PLC的轧钢机控制系统运行效率高，系统安全可靠性强，并且系统构造简单易于实现，满足了对轧钢机控制系统系统期望的要求。
关键词：
轧钢机；PLC；组态；PLC编程；I/O分配
Abstract
Therollingmachinewhichiscontrolledbycomputernotonlycanimproveitsefficiencyand saveits cost,butalsogreatlyextenditslife.
PaperdescribesaprogrammablecontrollerPLCcontrolledsystemusedinrollingmillapplications,introducesthestructureandworkingprincipleofRollingmills,proposestheplanandprocessofPLCcontrolsystemofrollingmill,elaboratestheI/Oallocationofthesystem,anduseofthePLCSIMsoftwaretosimulatetheprogramappliedinit.AtthesametimethedevelopmentofPLCprogram,thedesign,debuggingandotherfunctionshavebeenachieved.AccordingtothecontrolrequirementsandcharacteristicsofRollingmillcontrolsystem,thePLChardwareisconfiguratted.Inthedesignofthissystem,thereisthemainprogramofrollingmillsystems,temperaturemonitoringprogramandpressuremonitoringprogram.
Whenthesystemdesigniscompleted,itsasimpledebugging.ThefinalresultofthesimulationshowsthattherollingmillbasedonPLCcontrolsystemhashighefficiency,systemsecurityandreliability,simplestructure,easytoimplementandthesystemhasmeettherequirementsofrollingmillforthedesiredcontrolsystemrequirements.
Keywords：
Rollingmill。
PLC。
Configuration。
PLCProgramming。
I/Oallocation
第一章绪论
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1课题研究的背景
工业自动化是国家经济发展的基础，用于实现自动化控制的设备主要集中为单片机和PLC。
单片机由于控制能力有限、编程复杂等缺点，现在正逐步退出控制舞台。
PLC则因为其功能强大、编程简单等优点，得到迅速发展及运用。
PLC的功能强大，可以进行逻辑控制、运动控制、通信等操作；并具有稳定性高、可移植性强等优点，因此受到广大电气工程控制技术人员的青睐。
PLC是工业控制领域中不可或缺的一部分。
近年来PLC发展很快，新产品、新技术不读涌现，特别是西门子公司推出了S7-300系列PLC，由于功能强、性价比高，而深受国内用户的欢迎。
PLC控制系统是依托于PLC来实现对现场设备进行控制的要求。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器并不针对某一具体工业应用。
在实际应用时，其硬件应根据具体需要进行选配，软件则根据实际的控制要求或生产工艺流程进行设计。
目前PLC已从小规模的单机顺序控制发展到过程控制、运动控制等诸多领域。
而且它可靠性高，能够适应工业现场的恶劣环境。
具有进行各种算术运算、PID调节、过程监视、网络通信、远程I/O和高速数据处理能力，PLC除了具有CPU和存储器以外，还有丰富的I/O接口模块。
对于工业现场的不同信号，PLC都有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。
PLC系统与其他系统相比无论从软件方面还是从实际投入的硬件设备讲，投入都较少，质优价廉，性价比高。
因此，无论是老设备的技术改造还是新系统的开发，大多数设计人员都倾向于采用它来进行设计。
1.1.2课题研究来源
本课题来自于江西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。
1.1.3课题研究的意义
轧钢机如控制和使用得当，不仅能提高效率，节约成本，还可大大延长使用寿命。
对轧钢机控制系统的性能和要求进行分析研究设计了一套低成本高性能的控制方案，可最大限度发挥轧钢机加工潜力，提高可靠性，降低运行成本，对提高机械设备的自动化程度，缩短与国际同类产品的差距，都有着重要的意义。
1.2课题主要研究的内容
1.普通轧钢机的结构和工作原理
2．各路检测信号到PLC的输入，包括传感器的的原理，信号的种类，引入到PLC中的编址
3.轧钢机的种类和工作原理图，I/O分配
4.以可编程控制器为基础，利用S7-PLCSIM软件对其所应用的程序进行模拟仿真
5.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
6.CPU和变频器参数的设置
第二章系统总体方案设计
一个系统顺利、稳定、高效的按照我们在软件中编制的方案完成既定的任务是我们每个设计人员最强烈的希望，但是，要达成这个希望首先便需要良好的系统总体方案的支持，一个良好的系统总体方案给以后的软件与硬件设计工作会带来很多方便。
在本部分内容中主要介绍了系统总体方案设计中的过程。
首先我对系统控制要求和工艺流程进行了分析和研究，设计好系统总体方案，然后针对分析和研究的结果对系统的I/O点进行了统计，最后对PLC的CPU的型号、PLC的扩展模块的型号以及压力温度等传感器型号进行了选择。
对于其他诸如电源、导线、继电器、电动机机等设备由于文章篇幅所致，没有一一进行说明。
2.1系统控制要求
以下给出系统控制要求和轧钢机系统模拟图如图2-1所示
1）当整个机器系统的电源打开时，电机M1和M2旋转，以待传送工件。
2）工件通过轨道从右边输送进入轧制系统。
3）感应器S1感应到有工件输送来时，输出高电位，驱动上轧辊按预定下压一定的距离，实现轧制厚度的调节，同时电机M3开始逆时针旋转，并带动复位挡板也逆时针转动，感应器S1复位。
4）随着轧制的进行，工件不断地向左移动。
当感应器S2感应到有工件移动过来时，说明工件的要求轧制长度已经完成，此时感应器S2输出高电位，驱动控制电机M3的电磁阀作用，使电机M3顺时针转动。
5）在电机M3顺时针转动下，挡板顺时针转动，推动工进向右移动。
当工件移动到感应器S1感应到时，S1有输出高电位，使电机M3逆时针转动，同时驱动上轧辊调节好第二个下压量，进入第二次压制的过程。
6）再次重复上述的工作，直到上轧辊完成3次下压量的作用，工件才加工完毕。
7）系统延时等待加工完毕的工件退出轨道，此时即可进入下一个工件的加工过程。
图2-1模拟图
2.2系统总体方案设计图
根据以上控制系统和生产工艺要求，系统总体方案设计图如图2-2所示
图2-2系统总体方案设计图
2.3控制系统I/O地址分配
在本课题硬件设计中我们首先要解决的问题就是，计算好整个系统中对各类I/O点的需求（地址标识符I表示输入，O表示输出）。
因为I/O在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。
对软件设计来说，I/O地址分配以后才可以进行编程；对控制柜及PLC外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，才可以根据线路图和安装图安装控制柜。
再者只有明确了I/O分配，才能把系统设计的高效，合理，性价比较高。
因此根据控制系统的要求，这里共有6个输入，8个输出。
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1所示。
从表格我们可以看出每一个开关要一个数字量输入，电机正转、反转、报警灯七个数字量输出，每个传感器有一个模拟量输入这样计算下来系统需要数字量输入4点，数字量输出7点，模拟量输入2点因此我们需要选择合适的模块来包容这些输入/输出点。
I/O地址分配表如表1所示
表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SB1
1
Q0.0
电机M1运转（KM1）
2
I0.1
右限位开关S1
2
Q0.1
电机M2运转（KM2）
3
I0.2
左限位开关S2
3
Q0.2
电机M3正转（KM3）
4
I0.3
停止开关SB2
4
Q0.3
电机M3反转（KM4）
5
模拟通道1
温度传感器
5
Q0.4
压力给定
6
模拟通道2
压力传感器
6
Q0.5
温度报警灯
7
7
Q0.6
压力报警灯
8
8
Q0.7
钢板压制完成指示灯
根据以上分析和I/O地址分配表，我选用的是西门子的PLC系统，为了能达到在可靠够用的前提下尽量实现经济高效，我选用了SM323模块（16DI/16DO）SM334模块（4AI/2AO），CPU选用315-2DP。
S7-300模块图如图2-3所示
图2-3S7-300PLC
PLC外围硬件接线图，如图2-4所示
图2-4PLC的外部接线图
2.4电气控制系统原理图
根据以上总体设计方案图PLC的外部接线图画出系统电气控制电路图如图2-5所示,共有三台电机,其中主轧电动机两台,传送电动机一台。
图2-5电气控制电路图
2.5硬件组态与参数设置
2.5.1硬件组态的步骤
1）生成站，如图2-6，双击“硬件”图标，进入硬件组态窗口；
图2-6硬件组态窗口
2）生成机架，从硬件目录窗口中选择一个机架，S7-300应选择硬件目录窗口文件夹\SIMATIC300\RACK-300中的导轨（Rail）。
如图2-7所示
图2-7S7-300的硬件组态窗口
3）在硬件目录中选择需要的模块，将它们安排在机架中指定的槽位上。
中央机架的电源模块占用1号槽，CPU模块占用2号槽，3号槽用于接口模块（或不用），4~11号槽用于其他模块。
首先选中1号槽，然后在硬件目录窗口中选择文件夹\SIMATIC300\PS300,目录窗口下面会出现选中的电源模块的订货号和详细的信息。
用鼠标双击目录窗口中的“PS3075A”，该电源窗口中指定的行，然后放开鼠标左键，该模块就被配置到指定的槽了。
同样的方法，在文件夹SIMATIC300\CPU-300中选择CPU315-2DP模块，并将后者配置在倒2号槽了。
因为没有接口模块，3号槽空置。
在4号槽中配置16点DC24V数字量数输入/输出模块（DI/DO），在5号槽配置4点模拟量输入/输出模块（AI/AO）模块。
图2-8左上部的窗口是一个组态见表，他下面的窗口列出了个模块详细的信息；例如订货号、MPI地址和I/O地址等。
右边是硬件目录窗口，可以利用命令“View”→“Catalog”打开或关闭它。
左下角的窗口中向左和向右的箭头来切换机架。
图2-8S7-300的硬件组态窗口
4）双击模块，在打开的对话框中设置模块的参数，包括模块的属性和
DP主站和从站的参数；
5）保存硬件设置，并将它下载到PLC中去。
图2-8左上部的窗口是一个组态见表，他下面的窗口列出了个模块详细的信息；例如订货号、MPI地址和I/O地址等。
右边是硬件目录窗口，可以利用命令“View”→“Catalog”打开或关闭它。
左下角的窗口中向左和向右的箭头来切换机架。
2.5.2CPU及模拟量模块参数设置
1）CPU参数设置
在硬件配置中选定CPU模块后，系统会自动对CPU模块的一些参数属
性进行设置；双击机架上的CPU进入CPU属性设置选项卡窗口，如图2-9所示
图2-9CPU属性设置选项卡
点击CPU属性设置选项卡中的各个选项分别对“时刻中断”“周期性中断”“诊断/时钟”“常规”“启动”等选项卡进行设置。
2）模拟量输入模块参数设置
在机架上选中需要设置的I/O模块，双击该模块，进入I/O模块的属性设置窗口。
如图2-10模拟量模块属性设置窗口。
图2-10模拟量模块属性设置窗口
第三章变频器参数设置
本次设计用到的变频器的型号为6SE70，下面为变频器参数设置的步骤：
首先用USS专用通讯线将计算机的串口1和变频器面板上的通讯口连接，打开控制屏上的钥匙开关，此时停止的“红灯”亮，按下启动按钮，“红灯”灭，“绿灯”亮，变频器
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