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1、沈阳理工大学课程设计论文I摘 要随着社会发展与科学技术的进步，板材逐渐成为重要的工业原料，广泛应用于汽车、电机、化工、机械制造、造船等工业部门，它在国民经济中占有重要地位。在竞争日趋激烈的社会里，要想在同类行业中取得胜利就必须提高生产效率。因此连续生产广受企业亲睐，根据实际生产需要，对板材生产线送料控制环节提出了活套储料控制。针对板材生产线活套控制的工艺要求，设计了基于西门子 PLC 的焊管生产线储料系统设计，它和剪切对焊机配合，其作用是储存一定长度的钢带，为钢带焊接争取时间，可保证机组在更换钢卷时生产的连续性，避免了钢卷接头时停机现象的发生。实现了生产线连续生产时活套控制系统自动充放料，从而
2、确保主轧机连续不断的工作，系统由 PLC,触摸屏，欧路直流驱动器等组成，通过 PLC 与欧路直流驱动器之间的通讯，实现了数字量设定转速，实时显示电动机的电流，转速等参数。关键词：自动；PLC；欧路直流驱动器；活套储料沈阳理工大学课程设计论文01 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着社会发展与科学技术的进步，钢铁用户对轧机设备，钢铁产品质量、品种、性能的要求越来越高，板材轧机正朝着高速、连续、无扭、单线、组合传动、机械化、自动化方向不断迈进。进行板材自动化控制控制系统改进迫在眉睫。活套控制系统是一个多变量、强耦合系统，采用传统的高度和张力控制方式已经无法满足轧制性强的要求，利用先进的计算机技术完
3、善活套控制系统，提高对板材生产过程的监视、操作、自动化控制水平，从而提高板材的生产效率和产品质量，具有十分重要的意义。1.2 活套控制系统定义活套是保证板材连续生产线不可缺少的设备，用它储存一定数量的钢带，为生产线提供前一卷钢带尾部和后一卷钢带头部剪切对焊的时间，它和剪切对焊机配合起到确保主轧机连续工作的作用，可保证机组在更换钢卷时生产的连续性，避免了钢卷接头时停机现象的发生，能极大地提高机组的运行效率，减少因停机而产生的废管。目前，板材生产线活套控制系统多为 PLC 控制，通过触摸屏设定并显示转速，控制方式多为手动控制充放料，自动化程度不高，生产效率较低。为此，提出了板材生产线连续生产时活套
4、控制系统全白动充放料的解决方案，该设备采用西门子触摸屏作为控制中心，使设备操作直观、简单。1.3 国内外研究现状由于我国有自主产权的用于活套机械自动化控制的品牌产品很少，几乎所有的PID 调节器、活套扫描器、智能转化模块、过程控制站都是从国外引进。因此，PID,扫描器或 A/D 转换板等产品专用的系统，有各自的总线标准和通讯标准及系列产品，编程软件和运行支持软件，开放性较差，致使各企业长期依赖于国外某几个厂家的产品。基于上述原因，科研人员对原控制系统进行研究，引进国外新产品进行局部改进或直接引进成套技术含量高的控制系统，促进与国际接轨。国内对活套套量不稳定、抗干扰性差、.反应速度慢等因素的研究
5、较少用，主要注重在活套机械设备的改进、改造方面，这就容易造成电器设备控制和生产工艺的脱节。沈阳理工大学课程设计论文1目前，国内对活套的控制技术不成熟，工艺设计套量和现场套量相差较大且套量的波动较大，很容易产生拉钢和堆钢现象。到目前为止对活套控制系统在机械设备自动化、计算机控制以及套量的计算方面的研究较多，而对影响活套的工艺因素研究较少;为此对活套套量不稳定的生产工艺影响因素的研究和活套控制在工艺方面的优化是非常必要而且很迫切。自计算机进入工业领域后以及电子技术的发展，国外许多国家(如美国、前苏联、日本、西德、意大利等国家)就开始了活套计算机控制的研究及运用;此时活套的控制只是基于活套电机电流基
6、准值计算器(CCRC)算出活套输出的电流基准值来控制活套。这种方法虽然理论上可行，实际也被广泛使用;但由于要考虑多变量输入输出之间的耦合因素，只是按照被控变量与操作变量单一结合构成两个单回路控制系统，因此不能完全满足轧制生产过程对控制系统的要求。到八十年代随计算机计算能力的提高以及数字控制技术的发展，日本 Yoshikozu Kotera Fumio Watanabed 等人提出了互不相干活套控制方法(也称解藕多变量控制)。采用交叉控制器(cross-controller)作为前置补偿器，活套高度和张力被控制于互不相干的状态提高了系统的控制精度和响应时间。其性能远比传统方法好得多。在正常轧制条
7、件下，活套支持器的位置变化减小，机架间张力变化到可忽略不计。另外随计算机硬件性能的提升和神经网络的发展，美国 AEG 公司据其计算机优势采用 MAC 计算机、德国西门子据其电子信息技术采用6RA24 全数字直流传动系统中的工艺控制调节器以及智能模板 IP241、瑞典的Materpiece 200/1 的过程控制站来控制活套，使活套控制的稳定性、快速反应性、抗干扰性大为提高。1.4 活套的动作根据轧件在精轧机组中的轧制过程一般是按咬钢、形成连轧、建立连轧张力、稳定连轧、抛钢的顺序进行。活套控制分为三个基本阶段:起套至带钢张力形成、活套小张力连轧(高度闭环控制)、落套阶段。起套至带钢张力形成阶段主
8、要是指带钢头部被轧辊咬入开始，一直到带钢在机架之间建立张力之前的阶段。在整个连轧过程中这段时间很短，约为 1 秒钟左右。轧件在此阶段有以下特点:轧件在咬入阶段，轧机受到轧件冲击载荷作用会产生动态速降;由于有动态速降导致产生一定的活套量;活套起套控制要求具有快速性和软接触带钢特性。沈阳理工大学课程设计论文2小张力连轧阶段是指钢带被轧辊完全咬入之后，并在机架之间已建立起小张力，已处于稳定连续轧制的阶段。该阶段所占的时间约为整个连轧时间的 9596 以上。此阶段活套辊的摆角，在活套高度调节器的作用下，使其在所规定的工作角度范围内波动。作用于钢带上的张力围绕给定的张力值，也做相应的微量波动。活套工作过
9、程中张力大小、张力波动，都会直接影响轧制状态稳定性、影响轧制力大小，进而影响带钢厚度。从活套辊、活套臂的结构和运动轨迹来看，活套辊直接连轧过程中的钢带接触，且是绷紧带钢使之产生并保持恒定小张力，使活套的动作具有一定的独特性。在这个阶段活套要进行张力控制和高度控制。活套张力控制过程中，活套液压缸提供的力矩使活套辊紧贴在带钢的下表面，将活套辊绷紧带钢使之产生设定的张力。活套辊本身是自由辊，随带钢的前进而转动并起着传递张力的作用。在带钢正常连轧过程中，钢带长度(套量)的变化是活套辊上下摆动的根源，活套的上下摆动传递给活套液压缸，使之产生扩充或收缩。因此在热连轧过程中，活套辊是主动方，活套液压缸是被动
10、动作的。落套阶段是指活套从接收到来自于跟踪的落套命令到活套下落到零位这一阶段。在这一阶段，为了避免带钢发生甩尾和减轻活套下落造成的机械冲击，该系统采用软着陆控制策略。一般热连轧机采用带钢尾部达到前一个机架就发出落套命令的方式实现提前落套控制，或采用小套量轧制来实现落套控制。小套量轧制即带钢进入尾部轧制时，将活套设定角度从正常轧制设定角度修改为小套量轧制角度，然后在系统在接到在前架抛钢信号时候发出落套指令，活套从小套量轧制角度落套到机械零位角，而不是从设定角度落套到机械零位角，从而减小了带钢失张的长度，减小了甩尾的可能性。沈阳理工大学课程设计论文32 可编程控制器控制系统2.1 PLC 的定义可
11、编程控制器(Programmable Logical Controller)简称 PLC,是一种新型控制器，它以微处理器为核心，综合了计算机技术、控制技术、通信技术等高新技术，是一种近年来发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置。国际电工委员会(IEC)又先后颁布了 PLC 标准的草案第一稿，第二稿，并在 1987年 2 月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有
12、关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.2 PLC 的基本结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机相同如图所示：编程器中央处理单元（CPU）输入电路输出电路沈阳理工大学课程设计论文4图 2.1 PLC 结构图2.2.1 中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是 PLC
13、的控制中枢，它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器 I/O 以及警戒定时器的状态；并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内，等所有的用户程序执行完毕之后，最后将 I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止运行。2.2.2 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。系统程序存储器用
14、来存放 PLC 厂家编写的系统程序，并固化在 PROM 或者 EPROM 存储器中，用户不可以访问和修改。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。用户程序存储器可分为三个部分：用户程序区、数据区、系统区。用户程序区可用于存放用户经编程器输入的应用程序。为了调试和修改方便，总是先把用户程序放在随机读写存储器 RAM 中，经过运行考核，修改完善，达到设计要求后，再把它固化到 EPROM 中，代替 RAM 使用。2.2.3 输入、输出单元输入、输出单元式可编程控制器的 CPU 与现场输入、输出装置或其他外部设备之系统程序存储器用户程序存储器器电源沈阳理工大学课程设计论文5间的连接接口部件。所有的输入
15、、输出单元都带有光耦合电路，其目的是把 PLC 与外部电路隔离开来，以提高 PLC 的抗干扰能力。为了滤除信号的噪声和便于 PLC 内部信号的处理，输入单元还有滤波、电平转换、信号锁存电路；输出单元也有输出锁存器、显示、电平转换、功率放大电路。2.2.4 编程器编程器是 PLC 的重要外部设备。它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。编程器有简易型和智能型两类。简单型编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转换为语句表格式才能送入。智能编程器又称图形编程器，它可以联机，也可以脱机编程，具有 LCD 活 CRT 图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话。2.2.3 电源PLC 的电
16、源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的可靠得电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内可以不采取其它措施，而将 PLC 直接连接到交流电网上去。PLC 的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。2.3 可编程序控制器的工作原理PLC 采用循环（巡回）扫描工作方式，而大、中型 PLC 还增加了中断工作方式。循环扫描即可按固定顺序，也可按用户程序所规定一级顺序（高级和低级顺序）或可变顺序等进行。因为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也为的是在控制系统需要处理的 I/O 点数较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可缩短循环扫描周期和控制的实时性。2用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入 PLC 的存储器中，并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，然后用 PLC 的控制开关使其处于运行工作方式，PLC 就以循环扫描的工作方式进行工作。在输入信号、用户
