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矫正机矫正机第第1章章绪论绪论1.1设计背景设计背景矫正机是用来校正钢板在轧制过程中产生的各种弯曲和瓢曲，通过校正可以消除钢板弯曲应力，并提高钢板的平直度，达到用户的要求。

矫正技术属于金属加工学科的一个分支，已经广泛应用于日用金属加工业，仪器仪表制造业，汽车、船舶和飞机制造业，石油化工业，冶金工业，建筑材料业，机械装备制造业，以及精密加工制造业。

当前对中厚板质量的要求越来越高，特别是板材的平直度。

而对于不同的厚度，轧制时需要的变形曲率和轧制力也有较大差异。

工艺需要轧制时保证有正确的上工作辊压下量和合理的工作辊开口度来满足矫正矫直板所需的变形曲率。

矫正技术在广度和深度方面的巨大发展迫切要求矫正理论能进一步解决一些疑难问题，推动开发新技术和研制新设备。

尤其在党的十六大之后，要求用信息化带动工业化，矫正技术也要跟上时代。

首先要在矫正机设计、制造、矫正过程分析、矫正参数设定及矫正质量预测等方面搞好软件开发；其次要进行数字化矫正设备的研制，使矫正技术走上现代化的道路，不断丰富金属矫正学的内容。

本设计采用西门子S7-300系列控制器，是一种小规模性能要求的模块化下型PLC系统具有模块化，无排风扇结构，易于实现分布，用户便利等条件。

本系统使用CPU是CPU315-2DP，CPU315-2DP的特点是用于编程范围大的复杂任务和包含有分布式外围设备的场合。

设计主要包含两个部分，矫正机的硬件设计及其软件设计。

硬件设计中采用了三个逆变器挂在同一个整流回馈单元母线上的方式，同时带动三台电机，包括一台主传动电机和两台压下电机。

主传动电机主要带动十一个辊转动，两台压下电机通过四台离合器分别控制压下辊的四角压下。

其中还包括PLC的输入输出点的设计，使用了两块输入模块和两块输出模块。

并且在使用西门子CPU315-2DP的过程中还选用了两块特殊模块SM-338，它是西门子的一款特殊传感器检测模块，用来检测压下工作的位移。

第第2章章矫正机结构和功能矫正机结构和功能2.1机械部分的介绍以及设计要求机械部分的介绍以及设计要求2.1.1矫正机的三视图矫正机的三视图图1-1为矫正机机械装置的三视图，本设计将就矫正机中的主传动部分和压下部分展开设计。

（a）正视图（b）侧视图（c）俯视图图1-1矫正机结构三视图2.1.2矫正机工艺参数矫正机工艺参数矫正板厚h=4.550mm矫正板宽b=10002800mm矫正板长l=600028000mm矫正速度v=0.51.5m/s电源频率AC,50Hz低压380V/220V被校正板材钢种：

普碳板、低合金板、锅炉板、压力容器板、汽车大梁板、船板、管线钢等2.2矫正机结构以及功能矫正机结构以及功能2.2.1矫正机结构矫正机结构主传动部分由主电机、联合减速机及万向接轴等组成。

传动系统由一台交流变频电机通过联轴器联合减速机万向接轴工作辊装置组成，电机为YTSP355M2-6200KW1000r/pm395A。

主电机传动是由西门子的6SE70系列逆变器进行控制，以确保电机可以独立进行传动。

压下机构传动部分是由2台变频电机（YTSP132M-47.5KW）和4台压下离合器组成，压下电机传动是由西门子的6SE70系列逆变器进行速度控制，位置控制是由西门子S7300系列控制器和位移传感器来实现，这样就满足了工艺要求的上工作辊可以四个角分别压下、入口侧整体压下、出口侧整体压下、上工作辊整体一起压下。

压下还设有限位开关作极限位置保护。

2.2.2矫正机的功能矫正机的功能工作方式：

可逆式压下方式：

整体上下调整，同时也可沿进出料方向可倾斜调整传动校正辊数：

十一辊（上六下五，上面六个辊为工作辊，下面五个辊为支撑辊）上辊西的倾动：

上辊系能够向入口和出口方向倾斜调整校正辊传动方式：

集中传动，满足可逆校正第第3章章系统方案选择和控制部分的设计系统方案选择和控制部分的设计3.1系统方案的选择系统方案的选择3.1.1PLC和继电器的比较和继电器的比较继电器比以往的产品有更高的可靠性，但是这也随之带来一些问题，如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。

而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。

再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。

在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。

并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如有简单的改动，也需要花费大量的时间、人力和物力去改制安装和调试。

可编程控制器以体积小功能强大所著称，它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。

由于它还具有编程设计灵活、速度快、可靠性高、成本低、便于维护等优点，所以在实现单机控制、多机群控制、生产流程控制中可以完全取代传统的继电器接触器控制系统。

3.1.2PLC和单片机的比较和单片机的比较PLC在编程方式上支持以语句表和梯形图为主的编程语言，符合电气工程师的习惯。

单片机主要采用汇编语言或者C语言之类的高级语言，不过现在部分PLC也支持高级语言编程。

在功能上PLC比较丰富，涉及面广，能在各种不同的控制场合使用，而专用的控制器只具有使用中需要的那些功能。

从市场综合统计来看PLC的可靠性要高很多。

同时,PLC可以用于各种控制场合，专用控制器却只能用在特定的场合。

PLC精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。

编程方法简单易学，即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制系统。

抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。

有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。

单片机价格便宜功能强大。

既可以用于价格低廉的民用产品也可用于昂贵复杂的特殊应用系统。

自带完善的外围接口，可直接连接各种外设，有强大的模拟量和数据处理能力。

体积小，功耗低可用于电池供电的便携式产品。

有高级语言支持，编程效率高，可移植性好。

但是编程方法复杂，不容易上手。

抗干扰能力差。

3.2PLC的型号选择的型号选择3.2.1几种型号的几种型号的PLC的比较的比较OMRONPLC程序的代号相对繁琐（如:

输入端子1的代号是0.01,输出端子1是100.01,而内部的继电器却有40.00之类的）。

编程器结构太大（带24V变压）,没有松下,KEYENCE的小巧;另外数据线因针孔相插的原因,容易损坏.OMRONPLC相对比较贵,除了一些重要的设备上使用外,其他地方要少用.故OMRON一般只能使用在重型机械的控制及要求稳点性能高的设备上.KEYENCEPLC的程序代号相对于除OMRON外的PLC来说也是有点繁琐（如输入点1的代号是0001,输出点1的代号是501,内部继电器代号有1000等）,这种PLC相对而言较为小巧,但不自带24V变压.KEYENCEPLC较为容易烧点（主要是输出点）.相对而言价格比较贵.三菱PLC有自带24V变压和外置24V变压两种.外置变压的结构与KEYENCE的较为相似.内置变压的比较高.三菱PLC性能比较稳定,烧点的现象没有KEYENCE那么严重（但也有发生）。

三菱PLC程序代号较为简单（如:

输入点1用X1,输出点1用Y1,内部断电器有M1等）成本方面较OMRON，KEYENCE便宜.松下PLC体积很小,输入输出的点都是积中在一起与OMRON的扩展口有点相似.新型号的在模仿KEYENCE及三菱等PLC的输入输出用一个一个的接线点表示.松下PLC可以说优缺并存,优点在于体积小,价格低.缺点在于,容易烧点。

西门子s7体积很小，结构灵活。

操作要比松下相对复杂些，但可以应用到一些高端项目中。

具有模块化、无排风扇机构和易于用户掌握等特点，使得成为各种从小规模到中大规模应用的首选产品。

3.2.2PLC的选择的选择方法方法西门子s7系列有S7-200、S7-300、S7-400，它们各有各的特点。

S7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。

S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。

S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。

S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。

各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。

与S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。

SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。

S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：

超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。

具备强大的通信功能，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。

S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。

S7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。

S7-400PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。

当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。

本系统采用西门子S7-300系列控制器，是一种小规模性能要求的模块化下型PLC系统具有模块化，无排风扇结构，易于实现分布，用户便利等条件。

本系统使用CPU是CPU315-2DP，CPU315-2DP的特点是用于编程范围大的复杂任务和包含有分布式外围设备的场合。

3.2.3PLC的特点从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。

常用的I/O分类如下：

开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

编程设备：

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

人机界面：

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

输入输出设备：

用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

第第4章章矫正机的矫正机的PLC电气控制系统硬件设计电气控制系统硬件设计4.1传动压下部分电气设计传动压下部分电气设计4.1.1整流回馈单元部分的设计整流回馈单元部分的设计整流单元使用的功率元件为晶闸管，进线的交流电压通过整流向连接逆变器的直流电压母线提供电动状态能量并构成多电机传动系统。

图4-1为整流回馈单元的电气原理图。

图-1.整流回馈单元电气原理图系统传动系统采用西门子的6SE70系列整流/回馈单元加逆变器，整个矫正机采用一台整流/回馈单元，主传动逆变器、压下逆变器都挂在整流/回馈单元的直流母线上。

整流回馈单元的功能是把交流电变为固定的或可调的直流电。

整流回馈单元上的K1是启停控制键。

PLC通过控制中间继电器来实现对整流回馈单元的启动停止控制。

整流/回馈单元是一种具有自换向的的高水平传动方案，它具有以下优点：

1）在电动和发电状态工作时，从电网索取正旋波电流；2）在电网跌落或故障时，有防止传动系统颠覆功能；3）能进行无功功率补偿；4）不再需要使用制动单元和制动电阻，而是实现了能量的再生。

4.1.2主传动部分主传动部分主传动部分的任务是带动工作辊转动。

主传动部分主要由一台逆变器和一台电机两部分组成。

逆变器可以把固定直流电变成固定或者可调的交流电。

控制主传动电机的逆变器采用西门子的6SE70全数字逆变器系列6SE7036-0TJ60，挂在整流/回馈单元上直流母线上。

主传动电机采用采用交流变频调速电机YTSP355M2-6（配带光电编码器）。

图4-2为主传动部分电气原理图。

图4-2主传动电气原理图逆变器通过一个震荡芯片，或者特定的电路，控制着震荡信号输出，比如输出50HZ信号，然后这个信号通过放大，推动MOS管（场效应管或晶体闸管）不断开关，这样直流电输入之后，经过这个MOS管的开关动作，就形成一定的交流特性，经过修正电路修正，就可以得到类似电网上的那种正弦波交流，然后送入一个变压器，这个变压器就是工频变压器，他是220Vto24V的变压器，即输入220V的话输出就是24V，输入24V输出则为220V，其实就是一般的24V变压器。

然后变压器输出，输出后再送到稳压电路，保护电路，送给负载使用光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向。

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。

根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

PLC通过控制中间继电器K11、K12、K13、K14、K15来实现对主传动部分的控制。

4.1.3压下电机部分压下电机部分压下部分负责压下动作的传动。

它将通过四个离合器控制压下部分四角的各角压下。

压下部分采用两台西门子的6SE70系列逆变器，和主传动电机挂在同一台整流/回馈单元上直流母线上。

同时使用两台交流变频电机（YTSP132M-4），也配戴两台光电编码器。

压下工作是可逆式的，同时可以整体上下调整，也可以沿进出料方向倾斜调整。

两台电机可以通过四台离合器来分别调整四角辊缝的高度。

压下部分设有限位装置保护，进料口上下限位、出料口上下限位。

当操作者发生误操作湿或矫正过程发生卡钢现象，系统都会做出反应，起到保护设备的作用。

图4-3为压下部分电气原理图。

图4-3压下电机电气原理图4.2压下部分四个角离合控制部分压下部分四个角离合控制部分4.2.1离合器电气部分离合器电气部分四角压下和调整由离合器来执行。

四台离合器分成两组分装在两台压下电机的两侧。

平常状态合给电时离，也就是实现离合器和电机的分离需要对离合器给电。

通过控制离合器的离合来操作实现校正机复杂的压下动作控制。

离合器使用的是交流220V电源，图4-4是交流220V电源设计图。

其间包含了整流回馈单元电源硬件控制部分。

图4-5为离合器部分电气原理图。

图4-4220V电源原理图图4-5离合器电气原理图4.3离合器电气控制以及离合器电气控制以及PLC模块排列部分模块排列部分4.3.1离合器电气控制部分和离合器电气控制部分和PLC电源电源图4-6为离合器控制部分及PLC电源电气原理图图4-6离合器控制及电源电气原理图图中220V交流电通PLC电源模块变为PLC的24V直流电源。

PLC通过控制中间继电器K2、K3、K4、K5来实现对离合器部分的控制。

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

另外需要说明的一点是其实PLC输入输出的电源不同。

PLC的输出部分接的电源不像输入一样将电源放在PLC内部，因为输入的阻抗很大，要求电源功率很小，也就是有个电压信号而已，因而可以在PLC内部设计一组电源来为输入提供所需要的电压，但是输出却不同，因为输出所带的负载的功率相对来说都较大，如果把这么大的一个电源做在PLC内部的话，一是增加体积，二是增加热量散发，使PLC工作稳定性变差，还有就是使PLC的故障率增加，无法确定需要多大功率输出。

4.3.2PLC模块排列模块排列图4-7PLC模块排列图本系统PLC采用的CPU是CPU315-2DP，CPU315模块上不带集成的I/O端口。

一块CPU315-2DP可以扩展8个模块，系统采用的6个模块共用一块CPU。

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

4.4传感器以及传感器以及SM-338特殊模块部分特殊模块部分4.4.1热金属检测器部分热金属检测器部分在钢板从原料位开始到矫正机中将设有三个热金属检测器，第一次检测确定有料，第二次检测实现一个较高传动速度到中速度的转变，速度降低以便进料准确。

第三次在到料位检测，进一步降速以实现板材在辊缝中充分矫正。

热金属检测器属于光电检测装置，用于识别热金属运动的前沿及方向。

热金属检测器包括光电转换线路，电子开关比较输出线路和电子补偿线路。

其工作原理：

透镜将被测物体发出的红外线热辐射传送到光电转换线路转换成电信号并放大后送至电子开关比较线路，当辐射量达到触发点时（可自行设置不同温度触发点，调节最佳温度影响），电子开关输出线路就被触发。

同时特别设计的电子补偿线路能补偿高温环境和器件老化带来的变化，无需人工调节，可在恶劣环境下连续工作稳定、可靠。

热金属检测器设计特点：

一般由环氧树脂完全密封在不锈钢套中的红外开关，结实耐用。

设计时就必须考虑其不受蒸汽，水，灰尘，冲击，震动以及油污的这些重工业环境影响。

它的温度补偿系统可以应付极端多变的温度环境。

同时具备内部测试电路，可在正式检测之前做预检查。

可以设计成整体化的器件，也可以带远程光纤透镜系统。

加上水冷或风冷套后，还可在高温环境下工作。

另外还可以通过旋转支架来使检测器在多个不同轴向上做自由旋转。

.位移传感器位移传感器在压下部分四个角的梁柱内装有四个位移传感器，本设计采用的是磁阻式位移传感器，它主要由半导体磁阻元件、永久磁铁、固定器、外壳等几个部分组成，结构是将一对磁阻元件安装在一个永磁体的刺激上，元件的输入输出端子接到固定器上，然后安装在金属盒中，再用工程塑料密封，形成密闭结构。

它的工作原理是基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。

衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。

这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。

当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。

电感式传感器的特点是：

无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。

电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。

常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。

在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。

4.4.SM-338特殊模块特殊模块SM-338特殊模块是用来接收来自上工作辊压下位移传感器的位移信号，它可以将控制过程的位置信号转化为S7-300编程软件所能直接处理的的数字值，这样在移动系统中就可以直接响应于位移值，从而可以实现对时间要求很高的应用。

这样通过对SM-338模块编制程序，只要在上位机中设置合理压下位移量，上工作辊就会自动快速的完成压下工作任务。

图4-8为SM338模块电气原理图。

图4-8SM338模块电气原理图（来自SM338快速入门）应用SM-338特殊模块的