高速线材连续式飞剪控制系统.docx

1、高速线材连续式飞剪控制系统第1章线材生产线设备情况及简要工艺过程1.1线材连续式飞剪控制系统的设备组成高速线材连续式飞剪控制系统通常由热轧机、辊道、热轧线材、飞剪、离合器、电动机、绝对值编码器、全数字直流调速装置 6RA24可编程逻辑控制器 PLC热金属检测器、参数设定单元组成。图 1.1所示为高速线材连续式飞剪控制系统的框图。Fig. 1.1 Type of the flying shear high-speed wire continuous control system principle diagram1.2 简要工艺要求本次毕业设计要求飞剪剪切线材的长度为 54m或45m,并可以剪切

2、 8种不同直径规格的线材，分别为 12mm 14mm 16mm 18mm 20mm 22mm 25mm 28mm 飞剪的圆 周半径为780mm工艺要求热轧线材在辊道上的运行速度最大不超过 12m/s，剪切时要求飞剪的线速度要比线材的速度快 5%，以便可以顺利剪切。整个剪切过程中线材都在高速运行，因此容易造成误差，软件的设计就成为至关重要的环节。所以此次毕业 设计的主要任务是利用 S7-200 PLC 编程软件编程测出热轧线材在线运行的精确速度， 准确控制剪切时间，从而达到工艺要求。本次毕业设计采用离合器式飞剪进行在线定尺剪切。它是电动机与剪刀经离合器 连接，离合器可以是液压、气动、电磁式。电动

3、机长期运转，剪刀不剪切时制动，处 于停止状态。当热金属检测器 C检测到热轧线材信息后，立即将信息传递给 PLC可编程逻辑控制器，发出信号使整个系统进入工作状态。此时所有继电器、寄存器清零， 完成内部数据区初始化。检测剪刀的当前位置是利用与剪刀同轴连接的绝对值编码器 计算出剪刀的当前位置，作为弧长 L0。因测量线材的在线运行速度是一关键的步骤，需要精确测量热轧线材在热金属检测器 A、B两点的运行时间，A与B的长度是固定的（10米），就可以求出线材的精确运行速度。 PLC再根据这个速度求出延时启动飞剪的时间，然后把剪切信号传递给 6RA24,再由6RA24传递给电动机，使离合器吸合，电动机带动剪刀

4、旋转进行剪切。剪切后离合器立即分离，剪刀制动，这一过程均在剪刀 旋转一周内完成，剪刀又处于停止状态，等待下一次剪切。整个飞剪控制系统采用自动和手动两部分控制，自动和手动可以自由转换装置， 以便在设备维修及单机调试时使用。1.3 设计思路及方案选择为了能够更好的完成本次毕业设计的工艺要求，精确测量线材在线运行速度，决 定采用已知固定长度，利用 PLC 软件精确测量线材运行时间，从而求得速度。因此 , 在线材辊道生产线的三个不同位置分别放置热金属检测器 A、 B、 C. 其中热金属检测器c放置在飞剪的右侧， 与飞剪中心轴线距离是 6m它的作用是检测线材是否已经到达， 如果线材到达则发出信号，通知飞

5、剪控制机构，同时 PLC进入工作状态。热金属检测器 B放在飞剪的左边，与飞剪中心轴线的距离是 8m热金属检测器 A放置在B的左边，距离B的长度为10m检测器A、B的作用是及时发出检测信号给定 时器，以便准确测量线材在 A、 B 两点的运行时间。 这段时间的获取是通过两个定时器、 根据振荡电路原理来获取时钟脉冲周期，在对周期数进行累加计数，并且为减小误差 最后令程序对该累加计数值进行修正。最后得到精确时间，用 A、B两点的长度值除以所得时间就可求出线材的在线运行速度。 完成设计最重要的部分后，还要考虑飞剪剪刀从停止为到剪切位所经历的弧长 L0的计算，实现该环节的方案是：使一个绝对值编码器与飞剪同

6、轴相连，用编码器来检 测飞剪剪刀停止位所对应的脉冲数，经过计算求出弧长 L。然后用弧长除以飞剪的旋转线速度，求出飞剪的剪切时间。最后，根据工艺上要剪切线材的长度、线材的运行速度、飞剪的剪切时间。计算 出延时启动离合器的时间，启动离合器吸合飞剪迅速剪切，完成剪切任务，达到工艺 要求。1.4 飞剪技术简介目前工业用飞剪技术有三种结构形式 : 电机起停式、离合器式、摆槽式，下面分别 加以介绍。1. 电机起停式飞剪此结构形式飞剪电动机和飞剪固定连接 , 不剪切时电动机处于停止状态。 当需要剪切时 , 电动机立即快速启动 , 并在剪刀旋转大半周的区间内 , 使剪刀的线速度达到与工 件速度同步 （实际上剪

7、刀速度比工件速度快 3%-5%）,并进行剪切 , 而且必须使剪刀在剪 切后由电机快速制动 , 在剪刀旋转的半周内停车 , 并返回原点准备下一次剪切。该形式的优点是可以保证达到较高的剪切精度,能适应较高的轧线速度,例 如:16-20m/s 。其最大缺点是设备要求的瞬时功率大 ,例如:200-400KW（由剪切工件直径温度和线速度决定 ）, 设备抗冲击强度要高。2. 离合器式飞剪 此结构形式飞剪电动机与剪刀经离合器连接。离合器可以使用液压、气动、电磁使电动机长期运转 , 剪刀不剪切时制动于停止状态。 当需要剪切时 , 离合器吸合 , 电机带 动剪刀旋转进行剪切。剪切停止后 , 离合器立即分离 ,

8、剪刀制动。这一过程均在剪刀旋 转的一周内完成 , 剪刀又处于静止状态 , 等待下一次剪切。该形式的优点是要求电动机功率比较小 ，一般几十KW缺点是离合器及制动部件冲击大 , 易损坏 , 维修工作量大。3. 摆槽式飞剪此结构形式飞剪电动机长期运转 , 剪切瞬间由摆槽把工件摆入轨道 ( 摆动距离约80mm剪切,剪切后立即退出。该形式的优点是不需要瞬时启动加速飞剪的动能。因此所需的电动机功率更小 机械设备也简单 , 造价很低 , 几乎不需要维修。 缺点是摆动造成工件轨迹变化 , 在工件高 速行进中容易跑钢 , 用于高速轧线比较困难。本系统设计飞剪的选择根据三种形式的特点和工艺要求，选用离合器式飞剪。

9、第 2 章 SIMATIC S7-200 PLC 软硬件功能简介2.1 可编程逻辑控制器的简要介绍编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller它经历了可编程序矩阵控制器PMC可编程序顺序控制器PSC 可编程序逻辑控制器PLC （英文全称：Programmable Logic Controller ）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器 这个老名字。1987 年国际电工委员会（In ternatio nal Electrical Committee ）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专

10、门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计 时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控 制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控 制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计2.2 S7-200 PLC 系列概述S7-200 PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中 型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此，它一经推出，即受到了广泛 的关注。在2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PLC,日本 的小型PLC

11、占据了中国的大 部分市场份额。在S7-200 PLC推出后，这种情况得 到了明显的改变，最近几年来的小型PLC市场上S7-200 PLC成为了主流产品。西门子最早的小型PLC产品是在上世纪末推出的S7-200 CPU21*系列的PLC， 但很快就被CPU22*系列的产品所取代了。由于它具有多功能模块和人机界面 （HMI ）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。 同时它具有多功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计 时更加简单，几乎在完成任何功能的控制任务。现在最新版的S7-200系列PLC 时在2004年推出的。221 S7-200 可编程逻辑控制

12、器的主要特点S7-200是SIEMENS公司推出的一种小型 PLC, S7-200系列产品具有高性能的中 央处理器，因其模块化的灵活设计而具有广泛的适用范围，同时具有极高的性价 比。S7-200无论单机运行，还是互相或者与其他设备组成网络，都具有优异的表 现。S7-200的主要特点有：快速的中央处理能力极丰富的编程指令集响应快速的数字量和模拟量输入 /输出通道操作便捷，易于掌握强大的通讯能力丰富的扩展模块2.2.2 S7-200 PLC 的结构形式I/O点集成在一个紧凑的封S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量装中，从而形成了一个功能强大的微型 PLC,在下载了程序之后，S7

13、-200将保留所需I/O LED瓷（BUW5TOP 减执电惟雅扩展喘 口 1 A.ffiKPU）i CF U CFU4XF和CPU 22壮可撕播）的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。3已 SF.UWQ RUN宙苛）图2.1 S7-200 CPU 结构图S712F吓止Fig 2.1 S7-200 CPU structure1 I/O接线端子排；2 输出LED指示；3 前盖：模式选择开关（RUN/STOP ;模拟电位器；扩展端口（适用大部分 CPU4 状态LED:系统错误/诊断（SF/DIAG）； RUN（运行）；STOP（停止）5 可选卡插槽：存储卡；时钟卡；电池卡6 通讯口7 输入LED

14、指示8 扩展电缆9 用于装上标准（DIN）导轨的夹片223 S7-200 PLC 的功能PLC在社会生产中应用广泛，其技术也在不断的进步，并且在各个领域所涉及到的内容都存在着很大的空间，作为 PLC国际级的生产商，西门子公司 S7-200系列PLC的主要主要技术性能如何？下面以S7-200 CPU224为例说明S7系列PLC的主要技术性能。1 .一般性能S7-200 CPU224的一般性能如表 2.1所示。表 2.1 S7-200 CPU224 一般性能Table 2.1 S7-200 CPU224 gen eral performa nee电源电压DC 24V，AC 100230V电源电压波

15、动DC 20.4-28.8V ，AC 84-264V (47-63Hz )环境温度、湿度水平安装055C,垂直安装045C, 595%大气压8601080hPa保护等级IP20 到 IEC529输出给传感器的电压DC 24V (20.4-28.8V )输出给传感器的电流280mA电子式短路保护（600mA为扩展模块提供的输出电 流660mA程序存储器8K字节/典型值为2.6K条指令数据存储器2.5K 字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器 等通过咼能电容或电池维持，后备时间 190h（400C时120h），插

16、入电池后备 200天编程语言LAD, FBD, STL程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（ 1255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37 卩 s扫描时间监控300ms （可重启动）内部标志位256,可保持：EEPRO中 0112计数器0256，可保持：256, 6个高速计数器定时器可保持：256,4个定时器，1ms30s16个定时器，10ms5min236 个定时器，100ms54min接口一个RS485通信接口可连接的编程器/PCPG740P= 2 * ROMAN I, PG760P= 2 * ROM

17、ANII , PC (AT)本机I/O数字量输入：14,其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10,其中2个可用作本机功能，模拟电位器：2个可连接的I/O数字量输入/输出：最多94/74 模拟量输入/输出：最多28/7 （或14）AS接口输入/输出：496最多可接扩展模块7个2 输入特性S7-200 CPU224的输入特性如表 2.2所示表2.2 S7-200 CPU224 输入特性Table 2.2 S7-200 CPU224 in put characteristics类型 源型或汇型DC 24V,“ 1 信号”：14-35A，“ 0 信号”：输入电压0-5A,隔离光耦隔离

18、，6点和8点输入电流“ 1信号”：最大4mA输入延迟（额定输入电压）所有标准输入：全部 0.2-12.8ms （可调节）中断输入：（I0.0-0.3 ）0.2-12.8ms （可调节）高速计数器：（I0.0-0.5 ）最大30kHz3 输出特性S7-200 CPU224输出特性如表 2.3所示。表2.3 S7-200 CPU224 的输出特性Table 2.3 S7-200 CPU224 output characteristics类型晶体管输出型继电器输出型额定负载电压DC 24V ( 20.4-28.8V )DC 24V ( 4-30V)AC24-230V (20-250V )输出电压“1

19、信号”：最小 DC 20VL+/L-隔离光耦隔离，5点继电器隔离，3点和4点最大输出电流“1 信号”：0.75A“1信号”：2A最小输出电流“ 0信号”：10卩sA“ 0 信号”：0mA输出开关容量阻性负载：0.75A 灯负载：5W阻性负载：2A灯负载：DC30V，AC200W4 扩展单元的主要技术特性S7-200系列PLC是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩 大控制能力的目的。目前 S7-200主要有三大类扩展模块。（1）输入/输出扩展模块 S7-200 CPU上已经集成了一定数量的数字量 I/O点, 但如用户需要多于 CPU单元I/O点时，必须对系统做必要的扩展。 CP

20、U221无I/O扩展 能力，CPU 222最多可连接2个扩展模块（数字量或模拟量），而 CPU224和 CPU226最多可连接7个扩展模块。S7-200 PLC系列目前总共提供共 5大类扩展模块：数字量输入扩展板 EM221（ 8路扩展输入）；数字量输出扩展板 EM222 （8路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板EM223（ 81/0 , 161/0 , 41/0 ）;模拟量输入扩展板 EM231,每个EM231可扩展3 路模拟量输入通道， A/D转换时间为25卩s , 12位；模拟量输入和输出混合扩展模板EM235每个EM235可同时扩展3路模拟输入和1路模拟量输出通道， 其中A/D转换

21、时间为25卩s , D/A转换时间100卩s，位数均为12位。基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单元左侧的 扩展接口相连接。扩展单元正常工作需要 +5VDC工作电源，此电源由基本单元通过总线连接器提供，扩展单元的 24VDC输入点和输出点电源，可由基本单元的 24VDC电源供电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。（2） 热电偶/热电阻扩展模块 热电偶、热电阻模块（EM231）是为CPU222 CPU224 CPU226&计的，S7-200与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。用户通 过模块上的DIP开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。（

22、3） 通讯扩展模块 除了 CPU集成通讯口外，S7-200还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。 S7-200系列目前有两种通讯扩展模块： PROFIBUS-DPT展从站模块（EM277和 AS-I接口扩展模块（CP243-2 ）。S7-200系列PLC输入/输出扩展模块的主要技术性能如表 2.4所示。表2.4 S7-200系列PLC输入/输出扩展模块的主要技术性能Table 2.4 series S7-200 PLC in put/output expa nsion module, the main tech ni cal performa nces类型数字量扩展模块模拟量扩展模块型号EM

23、221EM222EM223EM231EM232EM235输入点8无4/8/163无3输出点无84/8/16无21隔离组点 数824无无无输入电压DC24VDC24V输出电压DC24V或AC24-230VDC24V或AC24-230VA/D转换时间250 卩 s250 卩 s分辨率12bitA/D转换电压：12bit12bitA/D转换电流:libit2.3 PLC的基本组成用-D-g机 吃耳机 爭承耳布仅一鬥申HI vor隔电氏PLC基本组成包括中央处理器（CPU、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包 括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块 组成，见图2

24、.2。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据 总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成 PLC控制系统。图2.2 PLC的基本组成Fig 2.2 PLC basic compositi on1. 中央处理器中央处理器（CPU由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。 CPU通过数据总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电 源相连接。小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如 8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型 PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如 8086、96系列单片机等，这

25、类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且可靠性高；而大型 PLC 则需采用高速位片式微处理器。CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥 PLC控制系统完成各项工作任务。2. 存储器PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。（1） 系统程序存储器 PLC系统程序决定了 PLC的基本功能，该部分程序由 PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。系统管理程序主要控制 PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程 序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到 CPU内执行；功能程序与系统程序 调用则负责调用不

26、同的功能子程序及其管理程序。系统程序属于需长期保存的重要数据， 所以其存储器采用 ROM或 EPROM ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容， ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。EPERO为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有 E2PROM FLASH等。（2） 用户程序存储器 用户程序存储器用于存放用户载入的 PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器 RAM内以方便用户修改与调试。通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于

27、不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到 EPROM内长期使用。（3） 数据存储器 PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据（如输入 /输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等）和组态数据（如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高 速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等），这类数据存放在工作数据存储器 中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAMRAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持 RAM中的内容。3. 接口输入输出接口是

28、 PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。 PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶 闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输 出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点 输出型电路，用于低频负载。现场控制或检测元件输入给 PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换 成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将 CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备

29、的执行元件。（1）输入接口 输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电 机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。 （2）输出接口 输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）、指示灯、数字显示装置和报警装置等。输出接口 电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电 路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成 在芯片上，CP

30、U通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为 了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。 其它接口 若主机单元的I/O数量不够用，可通过 I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元（不带CPU相接进行扩充。 PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、 EPROM写入等功能。4. 编程器编程器作用是将用户编写的程序下载至 PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示 PLC状态、内部器件及系统的参数等。 编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型 PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。 目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助 PLC编程支持软件，当个人计算机安装了 PLC编程支持软件后，可用作图形编程器， 进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和 PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控 PLC运行状态等。5. 电