基于西门子S7200系列PLC结构的自动轧钢机系统.docx
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基于西门子S7200系列PLC结构的自动轧钢机系统
基于西门子S7200系列PLC结构的自动轧钢机系统
摘要
本论文是基于西门子S7-200系列PLC结构的自动轧钢机系统，本文阐述了自动轧钢机的来源与发展，以及它在国内为发展的现状，对自动轧钢机的方案进行了论证，介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，对基于西门子S7-200系列PLC构成的自动轧钢机系统整体设计过程进行较为细致的论述。
文中详尽地介绍了自动轧钢机的各硬件组成，并完成了PLC外部接线图。
在PLC梯形图的编写时，文中采用的是西门子PLC梯形图专业编译软件STEP7来进行编写。
介绍了自动轧钢机的基本原理以及工作流程。
具体说明了可编程序控制器在自动轧钢机中的作用。
程序涉及到了自动轧钢机工作的绝大部分过程。
利用PLC控制的自动轧钢机提高了系统的稳定性，保证自动轧钢机能够长期稳定运行。
关键词：
可编程控制器；自动轧钢机；梯形图；变频器；控制系统
ABSTRACT
ThispaperisbasedonthedesignofSiemenss7-200PLCstructureofthevendingmachinesystem,thispaperexpoundsthevendingmachine,anditssourceanddevelopmentforthepresentsituationofthedevelopmentofthedomesticofvendingmachines,discussedtheplan,thispaperintroducesthebasiccomposition,characteristicsofPLCbasedonandworkingprinciple,Siemenss7-200PLCvendingmachinesystemcomposedofoveralldesignprocessformoredetaileddiscussion.
Thispaperintroducedindetailthevendingmachines,hardwarecomposition,andcompletedPLCexternalhookup.WriteinPLCladderdiagram,thepaperUSESiswhenSiemensPLCladder-diagramprofessionalcompiledSTEP7towritesoftware.Introducesthebasicprincipleofvendingmachineandtheworkingprocess.Specifyingtheprogrammablecontrollerinthevendingmachineintherole.Programinvolvesavendingmachineworkmostoftheprocess.UseofPLCcontrolledvendingmachines,improvethestabilityofthesystem,ensurethevendingmachinecanhavealong-termandstableoperation.
Keywords:
ProgrammableController;VendingMachine;LadderDiagram;SteppingMotor
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第1章引言
1.1自动轧钢机的目的及实义际意
轧钢就是用轧机对钢坯进行压力加工，获得需要的形状规格和性能的过程。
轧机主要由几组轧辊构成，轧辊是一对转动方向相反的辊子，两个辊子之间形成一定形状的缝或孔，钢坯通过轧辊就成为一定形状的钢材。
轧钢机是实现钢铁轧制过程的设备，近代一些发达国家的对于轧钢的发展，使轧钢机也在向大型化，连续化，高速化和自动化方向发展[1]。
这是对钢材要求不断提高产品和质量，提高劳动生产率，降低原材料及能源消耗及产品成本的发展结果。
本次设计就是使轧钢机实现在PLC基础上的控制，通过指示灯和纽扣开关来使轧钢工作，节俭了大量的人力资源和物力资源，降低人们的劳动强度，提高了产品的质量。
通过PLC的控制，使轧钢机实现自动化，连续化和高速化。
1.2自动轧钢机的背景
轧钢机是实现钢铁轧制过程的设备。
泛指完成轧材生产全过程的装备，包括有主要设备、辅助设备、起重运输设备和附属设备等。
但一般所说的轧机往往仅指主要设备。
工作机座——由轧辊、轧辊轴承、机架、轨座、轧辊调整装置、上轧辊平衡装置和换辊装置等组成。
1590年英国开始用水轮机拖动轧辊，直到1790年还有用水轮机配以石制飞轮拖动四辊式钢板轧机的[2]。
1798年英国开始用蒸汽机拖动轧机。
现代的轧机均为直流或交流电动机拖动，有单机拖动，也有通过齿轮成组拖动。
我国大钢厂从70年代已用先进的连轧轧机，连轧机采用了一整套先进的自动化控制系统，全线生产过程和操作监控均由计算机控制实施，轧件在几架轧机上同时轧制，大大提高了生产效率和质量。
国内轧钢行业要真正做大做强，必须不断对钢坯质量、加热、辊型控制、卷取能力、酸洗等系列环节加强。
另外，做重型机械的一重、二重、上重、太重等必须奋起，探索高精轧钢设备。
国内宝钢、鞍钢、武钢、首钢设计院，东大、北科大等院校轧钢研究机构亦要多加强与钢铁集团的联合开发。
随着我国轧制加工业的迅猛发展，我国轧制加工设备也经历了一个自主开发－引进－学习借鉴－国产化的往复循环过程。
经过近20年的探索和创新，截至目前，我国自行设计和制造的轧机在低速、窄规格方面已经接近或达到国际先进水平，高速轧制设备、宽幅轧机、单机架双卷取铝带热轧机、热连轧机方面的开发研制也呈现良好的态势。
伴随着市场需求的不断增长和变化，近年来，我国轧制加工设备市场出现了多样化的要求，正在逐步向高精化、宽幅化、高速化以及高技术和连续轧制的方向。
随着我国轧制工业近年来的加速发展,轧制机的需求已越来越多，轧制领域发展前景广阔。
改革开放三十年来轧制工业在我国工业建设方面做出了突出的贡献，这同时也加速了轧制机的快速发展.冷连轧技术是国际钢铁行业公认的技术密集、难度极大的生产工艺，是中国钢铁企业在引进全套生产线时花费最多的环节形。
1.3自动轧钢机的历史与发展现况
据说于14世纪欧洲就有轧机，但有记载的是1480年意大利人达•芬奇（LeonardodaVinci）设计出轧机的草图。
1553年法国人布律列尔（Brulier）轧制出金和银板材，用以制造钱币。
此后在西班牙﹑比利时和英国相继出现轧机。
1728年英国设计出生产圆棒材用的轧机。
英国于1766年又设计出了串行式小型轧机，19世纪中叶，第一台可逆式板材轧机在英国投产，并轧出了船用铁板。
1848年德国发明了万能式轧机，1853年美国开始使用三辊式的型材轧机，并采用蒸汽机传动的升降台从而实现了机械化生产。
接着美国出现了劳特式轧机。
并于1859年建造了第一台连轧机。
万能式型材轧机是在1872年出现的，20世纪初制成半连续式带钢轧机，它由两架三辊粗轧机和五架四辊精轧机组成形[3]。
轧机发展到21世纪的今天，已采用了一整套先进的自动化生产控制系统，全线生产过程和操作监控均由计算机控制个主要特点：
（1）网络化快速通讯；
（2）系统响应速度快；
（3）传动设备动态、静态精度高；
（4）软件编制可靠性高等。
目前，我国自主设计和研制的加工设备，从整体上看与国际先进水平相比还有很大的差距，但某些技术正在追赶世界先进水平。
洛阳有色金属加工设计研究院正在开发的2400mm（1+1）式铝带热轧机、2500mm六辊冷轧机、2000mm铝箔轧机、高速铝箔轧机以及铜带精轧机等一批具有世界先进水平的轧机正在设计和制造之中。
这批轧机的设计特点和当今世界轧机的发展趋势相一致，已经成为我国铜铝加工设备研制的一个亮点现化工业的发展对材料的精度要求日益提高，产品的高精度就需要设备朝高精度方向发展；出于对产品质量和产量的考虑，以及轧制技术的日渐成熟，轧机的幅面迅速扩大，比如用于包装袋的铝箔的宽度需求已达到1800mm以上，对宽幅铝箔的需求量正呈高速增长态势。
生产的机器都已达到甚至超过国外一些国家的相应产品。
近代一些钢铁工业发达国家的轧钢设备发展动向是大型化、连续化、高速化和自动化。
这是对钢材要求不断提高产品和质量、提高劳动生产率、降低原材料和能源消耗及产品成本的发展结果，这也和轧钢设备制造水平有关的重型机器制造、电机、计算机和自动控制以及液压系统等科学计算发展技术有密切关系[4]。
1．大型化方面
增大钢锭或带卷重量。
过去初轧机一般为10-20吨，现在有加大到40-50吨。
热轧的最大带卷和坯料重量已由15吨增到45吨。
冷轧卷重达60吨，线材盘重已达2-4吨。
2．高速化方面
轧钢设备高速化是机械制造和自动控制技术水平不断提高的结果，另外，轧钢设备结构改进以适应高速化需要液是一个重要方面。
3．连续化方面
全连续式冷轧机实现了无头轧制，最近十年来已在生产上应用。
它能进一步提高冷连轧机产量、改善产品质量、有效地解决板卷的穿带和抛尾问题，并能实现动态变规格和高速飞剪的剪切，这套控制系统使投资约增加15%-20%。
4．自动化方面
目前宽带钢热连轧机的计算机自动控制水平在各类轧机重是最高的，从板坯上料到卷取全部采用电子计算机控制。
在我国轧钢生产的发展中，今后一个时期在适当建设现代化新企业、新装备的同时，大力进行原有设备的技术改造的和更新挖潜，逐步提高大型化、高速化、连续化和自动化的水平是摆在轧钢工作者的一项重要任务[5]。
1.4自动轧钢机设计的主要内容与基本思路
本次设计的题目是基于PLC的轧钢机控制系统，主要是以PLC为主控器来控制整个系统，其主要功能是对钢板的移动、轧制等运动进行控制，并对轧辊转速和钢板位移进行检测，保证轧钢机工作过程中稳定、可靠进行。
本设计简单介绍了相关硬件的知识，如：
PLC的定义、PLC的编程语言、PLC的硬件组成等。
1、基本内容：
首先，做好控制系统的初步设计，做好设计方案。
其次，对低压电气元件进行选型；
对交流电机和变频器进行选型，设计出变频调速电路；
对速度、位移等传感器进行选型与应用设计；
对PLC进行选型，并设计出PLC系统I/O扩展模块和功能模块以及系统主程序和功能子程序。
再次，完成总体设计后，对控制系统程序进行模拟调试，检验。
2、预期达到的目标：
（1）控制功能：
控制钢板的移动、轧制等运动。
（2）保护功能：
电机顺序启动、可点动可自动、过载保护。
有电机润滑和冷却系统。
（3）检测项目：
轧辊速度（测量范围：
0--3000r/m），钢板位移（0—5m）；传感器选型和设计合理，输出信号符合PLC电气标准。
系统具有显示功能，显示检测数据等；系统易于扩展，便于I/O模块和功能模块扩展。
（4）指示、报警功能包括：
电路故障报警，按故障性质发出停机报警信号等，报警形式有灯光和铃声报警。
第2章系统总体设计
2.1轧钢机的定义
轧钢机械设备的组成可分为两大类：
主要设备和辅助设备。
主要设备：
直接使轧件产生塑性变形的设备称为主要设备，也称为主机列。
它包括：
工作机座（轧辊、轴承、轧辊调整装置、导卫装置及机架等），万向或梅花接轴，齿轮机座，减速器，主连轴节，主电机等。
辅助设备：
是指主机列以外的各种设备，它用于完成一系列辅助工序。
辅助设备种类繁多，车间机械化程度越高，辅助设备所占整个车间机械设备总重比例也越大。
有时达主要设备重量的3~4倍[6]。
本次设计选用二辊式轧机，其结构简单、用途广泛具有很强的代表性。
它分为可逆式和不可逆式。
前者有初轧机、轨梁轧机、中厚板轧机等。
不可逆式有钢坯连轧机、叠轧薄板轧机、薄板或带钢冷轧机、平整机等。
80年代初最大的二辊轧机的辊径为1500mm，辊身长3500mm，轧制速度3~7m/s。
2.1.1二辊式轧钢机
二辊式轧钢机的用途：
二辊轧机设备为低碳钢、铜银铅铝、有色金属板材、合金粉末冷轧带材实验设备。
二辊轧机组成及结构特点：
本机由主电机、减速器、人字齿轮座、万向接轴、工作机座、电控柜等组成，辊系采用专用轧机轴承。
本次设计选用型号为φ350×350（mm）,辊长为350mm,辊径为350mm，成品尺寸为1mm，轧制力1250KN，轧制速度为0.49m/s,轧制电机功率为115kW。
2.2轧钢原理
从炼钢厂出来的钢坯还仅仅是半成品，必须到轧钢设备去进行轧制以后，才能成为合格的产品。
从炼钢厂送过来的连铸坯，首先是进入加热炉，然后经过初轧钢设备 反复轧制之后，进入精轧钢机[7]。
轧钢属于金属压力加工，在热轧生产线上，轧坯加热变软，被辊道送入轧钢设备，最后轧成用户要求的尺寸。
轧钢是连续的不间断的作业，钢带在辊道上运行速度快，轧钢机设备自动化程度高，效率也高。
从平炉出来的钢锭也可以成为钢板，但首先要经过加热和初轧开坯才能送到热轧钢设备上进行轧制，先经过除磷到初轧，经辊道进入精轧轧钢设备，机前装有测速辊和飞剪，切除板面头部。
经过热轧后的钢轨厚度一般在几个毫米,如果要求钢板更薄的话，还要经过冷轧钢设备。
2.3轧钢机系统工艺流程
穿带结束后，首先安放好上、下工作辊（穿带时，工作辊已取下），然后调准轧制线，关闭轧机封闭门，机前压板压下，出口侧擦拭器压紧钢带，轧机工艺润滑、冷却系统启动供液，轧机带钢压下，卷取机转动给钢带前张力，机前测速传感器进入轧制线，机组运转开始轧制。
图2.1轧钢机设备模拟示意图
轧制过程中，如果发现钢带边部有缺陷将影响到高速轧制，则当缺陷部位经过轧辊时；操作工按一下操作台上的按钮，将其缺陷位置信号输入PLC系统。
轧制将结束时轧机减速，当钢带尾部到达机前卷取机位置时，机组停车，第一道次结束。
测厚仪、测速仪退出轧制线，轧机压下抬起，钢带张力解除，冷却润滑剂停止供给，压板抬起。
轧制速度的确定，应根据设备的能力，在轧机允许使用的速度范围内，通过变频器的控制，尽可能采用高的轧制速度，以提高轧机的生产能力；同时，当轧制速度增加时，轧制压力相应有所减小。
每道次轧制的启动和制动时，分别有一个升速和降速的过程。
在轧制过程中，应尽可能少调速，以保证轧制的稳定性，从而达到厚度偏差的均一性。
2.4系统总体设计
2.4.1控制系统设计的基本内容
为了实现轧钢机系统的自动化，建立行之有效的自动控制系统，本方案基于传统的方式并结合自动化控制原理设计出一套以PLC为主控制的系统，此系统由几个部分组成：
执行部分、控制部分（光电检测PLC）、驱动部分（电动机、传动系统）、感知部分（传感器）。
图2.2自动轧钢机控制系统原理框图。
MA1、MA2启动按钮
润滑、冷却电机启动
变频器
PLC可编程控制器
否
开卷机
结束
MA3、MA4、MA5启动按钮
钢板运输、轧辊电机启动
轧辊轧制
卷取机
传感器
数据传至PLC检测
故障报警
图2.2自动轧钢机控制系统原理框图
根据轧钢机的运行特点，基于PLC轧钢控制系统采用主要由上机、下位机等组成。
传感器检测轧辊速度和钢板位移，PLC系统能控制主轧机起、停和传送带的运行方向，同时还能检测到各个电机的故障现象，减小了传统的继电一接触控制系统的中间环节，减少了硬件和控制线路，极大提高了系统的稳定性、可靠性[8]。
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的，因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括：
1、用户输入设备（按钮、操作开关、传感器等）、输出设备（显示屏、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机等）。
2、PLC的选择。
PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起到重要的作用。
选择PLC，应包括机型选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。
3、分配I/O点，绘制I/O连接图。
4、设计控制程序。
包括设计梯形图、语句表（即程序清单）和控制系统流程图。
控制系统程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作安全、可靠的关键。
因此，控制程序设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。
5、必要时还需设计控制台
6、编制控制系统的技术文件。
2.4.2控制系统设计原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
1、最大限度地满足被控对象的控制对象。
设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，并于机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟订电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
2、在满足控制系统要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。
3、保证控制系统的安全、可靠。
4、考虑到生产的发展和工艺和改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。
2.5本章小结
本章主要说明了设计的控制要求，并根据其要求提出自动轧钢机的工作原理示意图，列出了系统涉及到的主要硬件设备，详细说明了本设计自动轧钢机控制系统的工作原理和运行过程。
第3章控制系统硬件设计
3.1PLC定义及发展历程
3.1.1PLC的定义
美国国际电工委员会（IEC）在1987年对可编程序控制器做出如下定义：
可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程[9]。
可遍程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
定义强调了PLC应直接应用与工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。
这也是区别与一般微机控制系统的一个重要特征。
定义还强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，他也是一种计算机，它是“专为在工业环境下应用而设计的”工业计算机。
这种工业计算机采用“面向用户的指令”，因此编程方便。
它能完成逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等操作，它还具有“数字量和模拟量输入和输出”的能力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体”，易于“扩充”。
3.1.2PLC的发展历程
可编程序控制器的英文为ProgrammableController，在二十实际七十至八十年代一直简称为PC。
由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，ProgrammableLogicController），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器[19]。
有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。
在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的——离散量的数据采集监视。
由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。
在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。
在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。
目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业[10]。
国内PLC生产厂约三十家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制造产业。
作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的。
在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。
但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。
我国市场上流行的有如下几家PLC产品：
施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等产品；西门子公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品；GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。
PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有
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