彩钢瓦成型设备控制系统设计.docx
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彩钢瓦成型设备控制系统设计
彩钢瓦成型设备控制系统设计
摘要
彩钢瓦常用建筑工地和民用的仓库等临时建筑。
彩钢瓦是通过彩钢压瓦机轧制。
本文设计了一种基于可编程控制器S7-200的彩钢压瓦机的控制系统。
当彩钢板输送过来时，采用的光电编码器检测系统就会对彩钢板的运动位移进行自动计数，当记录的数与设定值相同时就会启动液压剪切系统来剪切彩钢板；在料架和压辊之间安装光电开关来检测有无料，有料正常工作，无料则报警停机；传动电机由变频器进行变频调速。
本设计主要包括系统总体设计、控制系统设计、系统软件设计，具体介绍了彩钢压瓦机控制系统的结构组成，确定相关的电路参数，选择各个元器件的型号，绘出系统的硬件接线图，软件的流程图以与程序的清单。
本设计的彩钢瓦成型设备控制系统，其剪切精度比较高，控制系统简单，操作方便，程序的运行也比较稳定，能够提高生产效率，具有一定的应用价值和经济价值。
关键词：
可编程控制器，光电编码器，变频调速，自动控制，液压剪切
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目 录
前 言1
第1章绪论2
1.1彩钢压瓦机发展历程和发展趋势2
1.2设计的背景3
1.3设计的主要内容3
1.4本章小结4
第2章彩钢压瓦机控制系统总体设计5
2.1彩钢压瓦机系统的结构与工作原理5
2.2控制系统的功能要求6
2.3方案论证6
2.4本章小结7
第3章彩钢瓦成型设备控制系统设计8
3.1彩钢瓦成型设备控制系统设计的内容8
3.2有无料检测8
3.2.1光电开关的工作原理8
3.2.2光电开关的选型和使用9
3.3彩钢瓦剪切控制10
3.3.1行程开关工作原理10
3.3.2行程开关的选型和使用10
3.4彩钢瓦的长度检测12
3.4.1光电编码器工作原理12
3.4.2光电编码器的选择和安装13
3.5电机控制15
3.5.1变频器工作原理15
3.5.2变频器的选型和使用15
3.6控制17
3.6.1的选择17
3.6.2端口的分配17
3.7电机控制电路设计18
3.8电源分配电路设计19
3.9本章小结20
第4章系统软件设计21
4.1控制系统主流程21
4.2控制系统功能模块22
4.2.1控制系统功能模块框图22
4.2.2参数设置程序23
4.2.3自动控制程序23
4.2.4手动控制流程图与程序25
4.2.5液压系统程序26
4.3编程软件的选择27
4.4本章小结27
结 论28
谢辞29
参考文献30
附 录31
外文资料翻译38
38
138
240
变频技术44
1变频技术的普与前景44
2变频调速控制方式45
前 言
彩钢瓦常用建筑工地和民用的仓库等临时建筑。
随着彩钢瓦的普遍应用，现在有许多的大型工矿的厂房、钢结构屋架、仓库和大设备，都使用了彩钢瓦，有的还使用了琉璃式的彩钢设备，使得我们的生活的建筑的外观更加的整洁、漂亮，更加的丰富多彩。
彩钢瓦是通过彩钢压瓦机轧制。
彩钢压瓦机的结构合理，操作方便，功能齐全，钢料经过送料、压型、切断而成彩钢瓦。
彩钢瓦机采用变频调速、电脑控制，所以计量准确。
使用自动化控制软件，实现了生产的信息化管理。
机组整体的控制系统采用高集成的网络，使得其自动化系统的性能更加优越。
设备可以单独安装和使用，但是需要人工进行装料。
如果能够安装自动化的装料和卸料等装置，来组成彩钢瓦设备生产流水线，则可以自动生产，完全不需要进行人工操作。
本文根据彩钢压瓦机的发展趋势和市场需求，设计了一个基于S7-200的自动控制系统，该系统具有结构简单、安装方便、操作简捷、控制精度高等优点，具有一定的经济和使用价值。
本文共分四章介绍了对彩钢压瓦机控制系统的设计。
第一章为绪论，主要介绍了设计的背景和设计的目的意义，以与设计的现状和彩钢压瓦机的发展趋势，并对设计的主要内容进行了介绍；第二章为系统的总体设计，包括对控制系统的功能要求、系统的结构组成与工作原理，对两种方案进行了论证和取舍；第三章为彩钢瓦成型设备控制系统设计，其中有彩钢瓦长度检测控制、有无料检测、电机控制和彩钢瓦截断控制，还对电机的控制电路、电源的分配电路进行了设计；第四章是系统的软件设计，介绍了整个控制系统的控制流程，并对控制系统的各功能模块进行了介绍和编程。
本文在编写的过程中参考了大量的文献资料，并得到了指导老师的认真指导，但由于自己的水平有限，内容难免会有错误和不当之处，恳请大家的批评指正。
第1章绪论
1.1彩钢压瓦机发展历程和发展趋势
我国压瓦机的发展历程既是一波三折的又是漫长的。
在我国的国民经济复苏与第一个五年计划期间里，我国砖瓦机械制造业经历了从无到有，并且在最后得到了迅猛的发展。
刚开始国家计划对外引进的设备进行仿造改制，并安排在矿山机械厂和建筑机械厂进行生产。
后来，一些彩钢瓦厂在自己的车间和设备的基础上，也开始了对彩钢瓦设备和配件进行生产。
当时生产的彩钢瓦设备种类较少，而且技术比较落后，主要生产的有琉璃瓦设备普通型彩钢机、单板机、小型辊压机等。
在这期间，因为前苏联引进的砖瓦机设备和轮窑焙烧技术，县级以上的砖瓦企业开始了半机械化生产模式，我国的砖瓦机械制造技术和水平得到了很大的提高。
在1965年到1985年的期间里，国家成立了专门的砖瓦研究所，而且在1966年吉林市砖瓦厂研制并成功生产出了粉煤灰产配比达到了百分之五十的烧结砖。
在这个基础上，1968年又在徐州吉祥的荣山砖厂和四川的砖瓦厂研制并成功生产出了煤矸石全内燃烧结砖；在天津的长征砖瓦厂研究出隧道窑一次码烧生产工艺；在北京市南湖渠砖厂研究出小断面一次码烧工艺。
而且在国家的投资下，又在南京的新宁砖瓦厂、西安的实验砖瓦厂、常熟的砖瓦厂成功建造了普通型多孔砖的生产线与空心砖的生产线。
在无锡市的利农砖瓦厂建造了空心砖制品的生产线。
同时，在国家相关部门的组织下，在相关科研和设计单位的紧密配合下，建设了一大批生产砖瓦机械的企业，并且都成为了主干，生产出了年产量达到五六千万的真空挤砖机等产品。
在这期间，我国砖瓦工业装备的技术水平由30年代的一无所有达到了60年代的国际水平。
在1985年至今的期间里，由于国家的改革开放，使得我国的国民经济和城乡的基本建设开始了高速的发展。
有了国家强有力的政策支撑，我国的砖瓦行业自身也在努力的在土地资源与能源的节约、环境保护和资源的综合利用上大力发展，以黏土、煤矸石、页岩和粉煤灰为原料的烧结空心制品整套设备和生产技术也完全发展成熟。
在这个时期内，我国的工艺技术水平大幅度的提高，其中全内燃焙技术也达到了上世纪80到90年代的世界水平。
现如今我国在彩钢瓦设备的需求点主要是集中在中大型、重型的高端产品上。
我国在金加和金切的进口数量和金额上虽然都出现了下降，不过加工中心的增速依然是正的，这就显示出我国对于高端机床的需求依旧是很大的。
由于市场的需求，我国的机床企业在研发上努力提高，产品的机构也进一步的优化，彩钢瓦设备的市场竞争力也得到了很高的提升。
彩钢瓦压型设备的行业是随着砖瓦行业的发展而得到发展的，从无到有，从小至大，彩钢行业实现了自主的升级以与技术的更新换代，也开发出了很多的拥有自主知识产权的技术，整个行业正朝着更好更高的目标向前进着。
所以，未来在我国机床替代进口的空间依然很大。
1.2设计的背景
彩钢瓦压型设备由放料、压型、剪切组成。
其组成部分包括：
整机、控制系统、自动剪切系统和液压泵站系统。
该设备采用高水平的自动控制系统，能够实现生产的信息化管理。
整机的自动化控制系统运用了高集成的网络，使得自动化系统的性能更加优越。
能够生产出强度高、平整美观、结实耐用的产品，广泛应用在民用和工业所用的建筑，包括厂房、车库、仓库、影院、体育馆和展览馆等。
随着彩钢瓦成型设备在我国的发展和普与，现在有许多的工矿的厂房、钢结构的屋架、仓库和大型的设备都使用了彩钢瓦，甚至有的也使用了琉璃式彩钢设备，使得我们的生活建筑更加美观和丰富多彩。
基于此，本文旨在设计一款操作简单，精准度高，经济实用的彩钢压瓦机全自动控制系统。
1.3设计的主要内容
课题要求设计一个彩钢瓦成型设备控制系统，设计内容主要包括以下几个方面：
首先进行的是系统的总体设计，在总体设计中提出本设计对控制系统的功能要求，以此来作为设计的依据，接着进行方案的分析，并对采用的方案二的彩钢瓦成型控制系统的结构组成和基本的工作原理进行介绍；然后进行的为彩钢瓦成型设备控制系统设计，其中有彩钢瓦长度检测控制、有无料检测、电机控制和彩钢瓦截断控制，还对电机的控制电路、电源的分配电路进行了设计；最后进行的是系统软件设计，介绍了整个控制系统的控制流程，并对控制系统的各个功能模块进行了介绍和编程。
1.4本章小结
本章主要提出了课题背景和目的意义，并介绍了国内压瓦机行业的发展历程、发展现状和发展前景，最后对后面的设计内容作了概括性的合理规划。
第2章彩钢压瓦机控制系统总体设计
2.1彩钢压瓦机系统的结构与工作原理
本设计彩钢瓦成型设备控制系统的设备组成如图2-1所示：
1、开卷机；2、光电开关；3、矫直辊；4、成型辊
5、动力辊；6、测量辊；7、电机；8、光电编码器
9、刀具；10，11、限位开关
图2-1彩钢瓦成型设备结构组成
在图2-1中，完成开卷机、矫正辊和成型辊的同步传送，料机有无料检测，彩钢板位移检测，切刀控制，主电机的变频调速等工作。
本控制系统的基本工作原理是这样的：
刚开始的时候是手动控制，人工运料到料机，并将薄钢板穿入矫直辊,然后手动控制电机正转和反转将料送到刀口。
然后启动自动控制按钮，光电编码器和计数器复位。
此时光电开关2检测到有料，系统进入自动控制状态。
通过变频器的调速，来控制夹辊的转速从而控制薄钢板的运送速度。
光电编码器8通过检测测量辊6转动的圈数来计算彩钢板运动位移，当测量的位移达到设定值时，系统启动液压剪切系统，控制刀具下行剪切钢板。
当料机上的钢料用完时，光电开关2检测后发送信号给控制系统，然后报警停机。
2.2控制系统的功能要求
本设计的彩钢瓦成型设备控制系统需要满足以下的控制要求：
⑴控制系统分手动挡和自动挡。
手动档时，用点动的方式，人工完成钢板穿带，零位校准。
自动档时，系统自动完成钢板的成型、剪切工作。
⑵自动检测料机上有无料。
若有料，设备正常运行；若无料，报警停机。
⑶电机通过变频器调速，实现对生产速度的控制。
⑷能够对彩钢瓦进行定长剪切，通过触摸屏设置剪切尺寸参数和数量参数，可根据不同需求改变其参数。
⑸剪切精度要求在一定范围内，误差不超过0.1。
本设计的彩钢瓦成型设备控制系统可以简单的分为控制部分、输入模块和输出模块，其结构组成和工作原理可以由下图2-2的框图表示:
图2-2系统方框图
2.3方案论证
在进行系统设计的时候，设计了两种方法对彩钢板的位移进行检测，下面对这两种方法进行介绍并取舍：
方案一:
彩钢瓦机对薄钢板的剪切是定长剪切，在彩钢瓦机的刀具后面安装一个接近开关，当薄钢板经过辊并通过刀口到达之前预定的位置时，接近开关就会检测到并发送信号给，然后又发送信号使机床停止，并启动液压剪切系统将彩钢剪切。
如果薄钢板超过了预定的位置，系统就会控制电机反转，直到与预定值一致。
改变接近开关与刀具的距离就能够改变设定剪切板的尺寸。
但是，不足之处就是，彩钢必须只有到达预定位置和没有到达预定位置这两种粗略的状态，控制系统不能够实时监测实际的尺寸和预先设定参数的差距值，因此使控制电机的运转不好把握，容易造成较大的误差。
方案二：
用旋转光电编码器来测量钢板实际的尺寸，光电编码器的安装与辊同轴，根据辊的周长和旋转周数就能够准确方便的计算出钢板所经过的位移，再将检测到的数据以脉冲的形式发送给进行储存和处理。
当检测到的数据和预设值一致时，就会启动液压剪切系统进行剪切。
通过触摸屏改变设定的参数，就可以改变所剪港版的尺寸。
本方案的优点：
在不掉电的情况下，继电器可以准确的记录钢板的尺寸参数，控制的精度比方案一要高。
相对于方案一，方案二使用旋转编码器代替了接近开关，成本有所增加，编程也相对复杂，但是其控制精度要高很多，而且增加的成本也在可承受的范围之内，性价比很高，总体上方案二比方案一要好。
综上，本设计采用方案二。
2.4本章小结
本章主要介绍了彩钢瓦成型设备控制系统的控制要求，对两种设计方案进行了介绍和取舍，并根据要求设计出彩钢瓦成型设备的结构示意图，标出了此系统所涉与到的主要硬件设备，详细介绍说明了彩钢瓦成型设备控制系统的工作原理与运行过程。
第3章彩钢瓦成型设备控制系统设计
3.1彩钢瓦成型设备控制系统设计的内容
在本彩钢瓦成型设备控制系统设计中，我们需要设计的内容有以下的几个方面：
有无料的检测，彩钢瓦长度的检测，彩钢瓦剪切控制，电机的控制，控制，电机控制电路的设计，电源分配电路的设计。
3.2有无料检测
在本设计的彩钢瓦成型设备控制系统中，需要对设备上的料（彩钢板）进行实时的检测，当检测到设备上有料，则系统正常工作；如果检测到无料，则会报警停机。
在这里，我们选择光电开关来实现此控制要求。
3.2.1光电开关的工作原理
光电开关是工业生产中常用的传感器，光电开关又叫光电传感器，是光电接近开关的简称，原理是利用被检测物对光束的反射和遮挡，由同步的回路来选通电路，从而检测被测物体的有无。
光电开关将输入的电流转换成光信号在发射器上射出，然后接收器根据接收到的光线的有无或强弱对被检测物体进行检测。
其原理图如下图3-1所示：
图3-1光电开关原理图
3.2.2光电开关的选型和使用
本设计选用24V的对射型光电开关，选型欧姆龙E35M1。
其由发射器和接收器组成，结构上是两者互相分离的，如果光束被中断，则会产生一个开关信号的变化。
其参数如下表3-1所示：
表3-1光电开关E35M1参数
检测方式
对射型
连接方式
导线引出式
检测距离
5M
输出
继电器
输出状态
入光时
遮光时
行程开关在与连接时，它的0V按钮与的输入端连接，其输出端和的输入端连接。
当光电开关的输出为高电平的时候就表示有东西挡住了发射器发出的光线，其接收器就接受不到光线，说明光电开关之间有物体存在。
系统运行过程中，光电开关会一直检测辊上的彩钢板，如果检测到没有钢板，就会发送信号给，控制系统就会发出指令，使设备停机。
光电开关工作示意图如下图3-2所示：
图3-2光电开关工作示意图
光电开关接收器与的连接图如下图3-3所示：
图3-3光电开关与连接
3.3彩钢瓦剪切控制
在本设计的彩钢瓦成型设备控制系统中，需要对液压剪切系统的刀具进行限位，确定刀具下切和上行的位置。
如果不进行限位的话，刀具就会下切过头，或者上行过头，直至撞击停止，不仅会使刀具撞坏，还会对液压剪切系统造成损坏，造成剪切的不准确。
在这里，我们使用行程开关来实现此控制要求。
3.3.1行程开关工作原理
行程开关是位置开关的一种，常被生产工厂用来控制机械运动部位的行程以与对运动部位的限位保护。
当生产机械的运动部位碰撞到行程开关的触头时，触头就会发生动作将控制电路接通或断开，从而达到生产所需要的控制目的。
此类开关还可以用来使机械在运动的过程中按一定的要求进行停止、变速、反向运动等。
3.3.2行程开关的选型和使用
本设计选用19系列中的1-311，在彩钢瓦成型设备控制系统中要用到的有两个行程开关，分别用来检测液压剪切系统中刀具的上限位置和下限位置。
其参数如下表3-2所示：
表3-2行程开关1-311的参数
动作力
≤20N
超作行程
≥2㎜
动作行程
1～3㎜
触头换接时间
≤4
额定电压
380，220
额定电流
2A
结构形式
直动防护式
其安装与液压系统示意图如下图3-4所示：
1、油箱，2、滤油器，3、液压泵，4、8、单向阀，5、压力表，6、溢流阀，
7、换向阀，9、单向节流阀，10、液压缸，11、12、行程开关2、3
图3-4液压系统与行程开关安装图
刀具上限位置开关将刀具目前的位置信息发送给，告诉控制系统刀具是在原位还是已经下行，如果是已经下行，则是否下行到位。
如果刀具下行已经到位，则3就会给发送信息，表明钢板已经被剪切，然后刀具进行复位，这时，2就会发送复位位置的信号，如果复位没有成功，系统则继续停止不会开车。
行程开关在与连接时，行程开关的0V与的端连接，输出端与的输入端连接，其与的连接图如下图3-5所示：
图3-5行程开关与连接
3.4彩钢瓦的长度检测
在生产中，我们需要根据用户的不同需求生产不同长度的彩钢瓦。
所以在本设计的彩钢瓦成型设备控制系统中，需要对彩钢瓦能够进行定长剪切，而要实现彩钢瓦的定长剪切就需要在生产的过程中对彩钢板进行实时的监测，检测其运动的位移。
在这里，我们使用光电编码器和高速计数器的配合来实现此控制要求。
3.4.1光电编码器工作原理
所谓的光电编码器指的是一种能够通过光电转换将输出轴上机械的几何位移量转换成脉冲信号或者数字量的传感器。
光电编码器安装在辊上，与辊同轴，电动机转动时，它会跟着辊一起转动，并通过光电检测装置检测输出脉冲信号，脉冲的个数和位移量有一定的比例关系，通过对脉冲的计数就可以计算出相应的位移，其公式为：
（n1为脉冲个数，D为辊径，n2为每周脉冲数）。
电机既正转也反转，正转时计数器加计数，反转时计数器减计数。
对于电机的转向，我们可以增加一对发光和接收装置并将这两对发光的接受装置错开光栅节距的1/4，脉冲序列A和脉冲序列B的相位差为90度，正转时A在B前面，反转则A在B后面。
其示图如下图3-6所示：
（a）正转（b）反转
图3-6区分旋转方向的A、B两组脉冲序列
3.4.2光电编码器的选择和安装
光电编码器的选择能够对系统的整体性能起到至关重要的作用，因此需要谨慎的选择。
在本设计中我们选用欧姆龙型号为E6B26C2000的光电旋转编码器。
其参数如下表3-3所示：
表3-3E6B26C2000的参数
外径
Ф40
电源电压
5V～24V
输出形式
型开路输出
响应最高频率
100
A、B相相差度数
90度
读出方式
接触式
脉冲数
4000/周
旋转编码器安装在辊上，在安装的时候要与辊同轴，其安装示意图如下图3-7所示：
图3-7光电编码器安装示意图
其与连接方式方式如下图3-8所示：
图3-8旋转编码器与连接
光电编码器在安装时要注意的问题有：
旋转编码器在安装的过程中要轻轻的推入被套轴，不能够用锤子等物件敲击，从而避免使编码器受到损坏；安装时应该使用板弹簧，从而避免与旋转编码器的刚性连接；如果长期使用后，需要检查板弹簧相对于编码器是否松动以与固定编码器的螺钉是否松动，如果松动，需要进行加紧。
旋转编码器在电气连接时要注意的问题:
为了防止输出电路的损坏，编码器在接线时，它的输出线之间不能有搭接现象；编码器的接地线要尽量的粗点，一般直径要大于3毫米；编码器在配线时，它的电缆的选用应该选用屏蔽电缆；为了保护编码器，与其接在一起的各种设备不能有静电，接地要良好；编码器在使用时要避免在强电磁波环境中使用。
3.5电机控制
在本设计的彩钢瓦成型设备控制系统中，在生产过程的手动操作阶段时，需要通过控制主电机的正转和反转来把料送至刀口，而且在生产的过程中也需要对辊的转速和转幅进行控制。
在这里，我们使用变频器来实现此控制要求。
3.5.1变频器工作原理
变频器是一种通过微电子技术和变频技术来改变电动机的工作电源的频率从而控制电动机转动状态的电力控制设备。
变频器通过对电力半导体器件的通断来把电压和频率固定不变的交流电变成电压和频率都可以调动的交流电源。
现在一般用的变频器基本上运用的是交-直-交方式，它是先通过整流器把交流电源转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率和电压可以控制的交流电源后提供给电动机。
3.5.2变频器的选型和使用
本彩钢瓦成型设备控制系统设计采用的是西门子的变频器，其型号为：
440。
其参数如下表3-4所示：
表3-4西门子变频器440参数
电源电压
380～480V
输出频率
0～650
继电器输出
3个30V5A,可编程
模拟输入
0～10V,0～20
输入频率
47～63
模拟输出
2个0～20
变频器与电机和三相电的连接电路如下图3-9所示：
图3-9变频器电路图
电机传动示意图如图3-10所示：
图3-10电机传动示意图
3.6控制
3.6.1的选择
西门子公司所生产的S7-200系列是一种小型的，它使用的是叠装式的结构，既拥有非常丰富的指令又有很强大的功能，而且它的结构也很紧凑，可靠性很高，扩展起来也比较方便，因此，这种型号的性价比比较高。
通过对S7-200系列的了解，再根据本设计的需求，我们选择S7-200226。
其参数如下表3-5所示：
表3-5S7-200226相关参数
输入数
24输入
输出数
16输出
高速计数器
6个
内部存储器
256位
计数器总数
256计数器
电源电压
20.4～28.8V
输入电流
150/1050，24V
3.6.2端口的分配
本设计的彩钢瓦成型设备控制系统的的点地址分配如下表3-6所示。
本设计所选用的型号为226，它的电源接入既有直流电源又有交流电源，信号输出也是既有直流电源又有交流电源，而且这些电源的等级也各不一样，因此，我们在选择各个电源的时候要独立分开，不能够相互干扰。
本设计的控制系统所使用到的按钮有两种，一种是点动式的按钮，作用是对电动机进行手动的控制；还有一种是可以锁存状态的按钮，即手动/自动按钮。
在本设计中有一点需要注意：
因为需要对光电旋转编码器发射的的脉冲进行计数，所以就要用到中的一个高速计数器。
表3-6口的地址分配
3.7电机控制电路设计
彩钢瓦成型设备控制系统的主电路设计主要包括两方面，一方面是变频器和电机的连接，一方面是刀具执行机构的电气连接，其电机的控制电路如下图3-11所示。
在图3-11的电机电路中，使用的电源为三相市电输入，为了对变频器和电动机进行保护，就需要串联两个断路器1和2。
电动机M1控制辊的转动，电动机M2负责给液压系统提供动力。
在一般的情况之下，1和2是闭合的。
断路器1、1的额定电流应大于电机的额定电流。
主电机M1选用的是Y1326，额定功率3，额定电流6.8A；液压泵电机选用的是Y132S2-2，额定功率7.5，额定电流15A。
所以选择的断路器前者为C65101P,额定电流为10A；后者为220C，额定电流为20A。
图3-11主电路
3.8电源分配电路设计
在整个控制系统中，所有的设备和元器件使用的不会是相同的电源，比如，液压泵电机使用的是三相市电，输入的是220V的交流电。
所以，对这些元器件所使用的电源进行合理的分配。
电源分配电路如下图3-12所示：
图3-12电源分配电路
3.9本章小结
本章主要进行了控制系统的硬件设计，并介绍了外围设备的型号、工作原理、安装的方法和使用使用的方法，例如变频器、光电编码器、行程开关和光电开关。
同时，也对电机和配电的电路进行了设计。
本章还对使用的的进行了选型和介绍，并进行了输入和输出口地
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