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1、l三 江 学 院本科生毕业设计（论文）题 目 加工步进架 PLC 控制系统设计 电气与自动化工程学 院（系） 电气工程及其自动化 专业学生姓名 学号 指导教师 职称 讲师 指导教师工作单位 南京工业职业技术学院 起讫日期 2012.2-2012.6 l摘 要步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到调速的目的。本文以 PLC 高级指令中的 PTO（脉冲串操作）/PWM（脉宽调制）发生器功能指令为例，对给出的步进电机油管加热、液压缸选择，阀门控制进行了全面的设计。关键词：步进电机；脉冲；可编程程序控制；加速度lABSTRACTStepper mot
2、or is an actuator that transform the electrical pulse into the angular displacement.It cancontrol the angular displacement by change the number of pulse.It can also contol the rotation speed and acceleration by change the frequency of pulse to achieve the purpose of speed.In this pape,use advanced P
3、LC instructions including PTO (Pulse Train Operation)/PWM (Pulse Width Modulation) generator function as an example,compehensive design the stepper motor tubing heating, the hydraulic cylinder choice, valve control, the overall design. Key words: : Stepper motor;pulse; PLC; accelerate anddeceleratel
4、目 录第一章 加工步进架构成 61.1 系统构成6 1.2 物流6 1.3 控制技术.7第二章 加工步进架 PLC 系统设计 132.1 外构件的选择13 2.2 油管端加热设备电气原理图16 2.3 PLC 接线原理图.19 2.4 接线端子图21 2.5 工作步序图22 2.6 设备布置图23 2.7 电气柜布置图24第 3 章 加工步进架 PLC 软件设计 .253.1 软件说明.25 3.2 流程图25 3.3 PLC 主要程序设计26第 4 章 液压缸的相关资料 .304.1 步进液压缸的选择30 4.2 液压泵站的选择.30 4.3 步进控制阀架的设计31结束语32致 谢 .33参
5、考文献 .34ll第一章 加工步进架构成1.1 系统构成该系统是由单独的步进架通过上下左右循环往复运作组成1.1.1 热处理端 对钢管进行热处理加工1.1.2 步进提升端 将热处理后的钢管通过步进架送到检测工位 通过步进架提升到规定高度1.1.3 步进输送端 利用步进架将热钢管从送料检测端输送到指定位置1.1.4 步进下降端 到达指定位置后步进架开始向下运行降物料卸下1.1.5 步进返回端 待物料全部卸下后步进架返回做循环动作1.2 物流下图给出了系统中热钢管从站到另一站再返回做循环动作的物流传递的过程：步进架将热处理后的热钢管提升，通过光电式传感器达到一定高度；步进架再将工件向前输送到指定位
6、置后；再次通过步进架向下运送到指定位置将热钢管卸下，最后步进架返回初始地点再次装料重复上述动作。l图 1.11.3 控制技术加热步进采用工业 PLC 控制系统，即可大大提高对加热步进控制的精度和准确性，也是一项非常好的节能措施。加热炉的计算机控制系统有 DCS 和 PLC两种方式，DCS 系统常用在过程控制方面，PLC 系统则常用在传动接制方面。由于 PLC 系统的价格低廉，工作可靠，可直接将现场的控制信号连接至系统中，因此在加热步进控制行业中得到越来越广泛的应用。13.1 控制系统的构成PLC 系统选用 SIEMENS s7200 系列，CPU 采用 4162DP，共计 3 套。在 3 套
7、PLC 之间以及与轧机 DTC 之间采用 CP4431 进行工业以太网的通讯。所有通讯方式均以工业以太网中电文的形式进行发送和接收。l图 1.2132 控制系统硬件构成使用模块包括：FM4501 用于编码器的计数值采集；模拟量输入，用于采集步进梁位置，装出钢机位置，液压站油箱温度、压力，油箱液位等信号；模拟量输出，用于控制步进梁速度的给定和装出钢机速度的给定；数字量输入，采集 MCC 室内所有开关和接触器辅助触点信号的采集；数字量输出，用于控制液压站内所有电磁阀的启停和 MCC 室内接触器的启动以及指示灯等的输出。上位机采用 IBM 商用机。通过工业以太网、西门子 CP443 一 l 和交换机
8、与PLC 系统之间实现 ProfibtmDP 的通讯连接。其主要功能包括；步进炉步进梁控制；步进炉液压站控制；16 组上料辊道控制(每组辊道由 7 台电机组成)；l8 组出料辊道控制；四台装钢机、四台出钢机控制；四扇上料炉门、四扇出料炉门控制；上料辊道钢坯跟踪、出料辊道钢坯跟踪及手动修改；步进炉炉内钢坯的跟踪及手动修正。133 控制面板在主控操作室的操作台上和上位机的HMI画面上，对每台设备均设有手动和电动操作按钮，供设备发生故障和紧急情况下使用，扩大了系统的可操作性。监视画面以加热炉工艺控制流程为主。同时，显示辊道运行状态，钢坯信息跟踪，步进炉内钢坯位置跟踪，液压站控制画面等。对各个炉门、装
9、钢机、出钢机、液压站电机的控制分别提供了隐藏的多层的小匦面控制。如下图所示。图 1.3134 控制过程当系统接上电源后，当按“开始”按钮时，工件通过加热炉加热后，通过步进架提升通过光电传感器被提升到一定高度到后向前方输送，到达一定位置l后再次通过光电传感器被限定到设定位置步进架开始向下降同理到固定位置后开始卸料被送出加工同时步进架返回到初始位置等待下一次命令。在工作过程中，当任一站出现异常，立即按下该站的“急停”按钮，该站立刻会停止运行。工作方式：在手动档，按下复位键。复位模式：使本站进入初始化状态，不可用停止按钮打断，复位前应手工清理好工作台面。手动单步模式：按自动工作方式流程，每按一下启动
10、按钮完成一步动作，可用复位按钮终止，使本站进入初始化状态。自动模式：在自动档，启动后可按顺序自动完成预定的工作，如一个循环结束后，后继站空，延迟 12s 后，继续进入下一个循环。否则等待可由停止按钮中断（继续完成当前动作） 。按启动按钮后以下一步继续执行，可用复位急停方式终止。急停模式：可终止任何操作，所有影响阀体的输出被复位。135 加热炉构成加热炉炉内物料的跟踪，是最容易出现数据混乱的地方、也是考虑因素最多的地方。下面先描述一下数据记录的工艺过程。装钢机将钢坯装入步进梁后，钢坯在炉内的初始位置确定了下来，钢坯的所有信息即自动送到了炉内钢坯信息的数据库中。步进架开始运行后，炉内的钢坯数据开始
11、进行同步跟踪。当步进梁上升到顶后，步进架前进的数值时时地通过安装在炉下的位移传感器记录在数据跟踪的数据库中。步进架每动作一个周期，在数据库中记录每块钢坯在炉内行走的距离。例如；在炉内已经装了10块钢坯，步进梁每走一步的行程是500 mln，已经运行了10个周期，那么在炉内第一块钢坯已经运行了5 m，第二块钢坯运行了45 m，第三块钢坯已经运行了4 m，依次类推，那么刚装入炉内的钢坯所运行的距离为零。这样，步进架每运行一次将对炉内所有的钢坯数据进行累加一次步进梁实际运行的数值，保证数据的准确性。待钢管到达出钢侧时，出钢机每动作一次，在步进架内最前面的数据将要被移动到出料辊道钢坯的数据库中。l图
12、1.4l第二章 加工步进架 PLC 系统设计2.1 外构件的选择2.1.1 PLC 可编程控制器的选择：控制需要，由于具有紧凑的设计，良好的扩展性，低廉的价格以及强大的指令，使得 S7-200 可以近乎完美地满足小规模的控制要求，还有丰富的 CPU类型和电压等级，在工业控制中得到了广泛的使用。（1）S7-200 系列是一类可编程逻辑控制器。这一系列产品可以满足多种多样的自动化户的自动化问题时，具有很强的适应性。选用 S7-200 CPU226 的 PLC。S7-200 CPU226 PLC 的组成：一个中央处理单元（CPU）电源及数字 I/O 点，这些都被集成在一个紧凑独立的设备中。1） CP
13、U 负责执行程序和存储数据，对过程进行控制。CPU I/O 点数，有24 个输入，16 个输出。电源为本机单元提供电能。输入和输出是系统的控制点。输入部分从现场设备（如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制电磁阀。端口允许将 S7-200 CPU 同编程器连接起来。信号灯显示了 CPU 的工作模式（运行或停止），本机 I/O 的当前状态。（2）S7-200 CPU226AC/DC 的性能参数（主要参数）1）总体特征：外形尺寸：196mm*80mm*62mm重量：660g功耗：17wCPU 特性：数字输入：24 路数字量输入数字输出：16 路数字量输出高速计数器：总数：6 个高速计数器单相计数
14、器个数：6 个都是 30KHZ 时钟速率两相计数器个数：4 个都是 20KHZ 时钟速率l脉冲输入：2 个，20 KHZ 脉冲速率 模拟电位器：2 个，8 位分辨率程序空间：4096 字可扩展模块的数量：7 个模块内部存储器位：256 位掉电永久保存：112 位定时器总数：256 定时器1ms：4 个定时器10ms：16 个定时器100ms：236 个定时器计数器总数：256 计数器通讯口数 ：2 个电源电压允许范围：85264VAC（3）联网通信用的数据输出部分选用了 S7-200 的 EM222 模块。EM222 具有 8 点输出。2.1.2 传感器的选择光电传感器是通过把光强度的变化转换
15、成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。2.1.3 报警系统液压系统和传动系统的正常运行是保证整个系统的关键。液压系统在上位机有实际运行时间显示、过滤器堵塞声光报警指示并同步记录，以便工作人员查看处理。传动系统在上位机上显示每台变频器的实际运行的电流、电压、转l矩、故障代码等。使液压油保持清洁是至关重要的。在步进加热炉液压系统中最好能同时配备自循环过滤装置、回油过滤装置、出油过滤装置, 这种极少量的投资会给今后设备运行带来难以估价的回报。笔者曾经历两套只自带循环过滤的步进炉液压系统, 多次出现系统无法升压、插装阀响应滞后引起油路互窜等故障现象, 平均一年总有一到两次必须将控制阀架上的大部分元件拆下来清洗、检查。而在油液过滤装置配备较好的液压系统中, 这种故障及维护就大为减少。2.2 油管端加热设备电气原理图图 2.1 电气接线图 1l
