【文章內(nèi)容簡介】 設(shè)計。對測長系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，主要包括系統(tǒng) 電氣組成、 PLC 硬件設(shè)計等 3. PLC 程序的設(shè)計及調(diào)試。根據(jù)測長系統(tǒng)的功能要求，針對 PLC 系統(tǒng)的硬件特點(diǎn)，對 PLC 程序進(jìn)行了模塊化設(shè)計。根據(jù)各個工位功能的不同和所需的交流信號，對各個工位 PLC 程序的流程、控制信號和數(shù)據(jù)信號、以及 PLC 與上位機(jī)通訊時序進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。完成現(xiàn)場調(diào)試、解決了現(xiàn)場中出現(xiàn)的問題。 本課題的研究方法及手段 本課題的研究方法 1. 到工廠實地參觀控制系統(tǒng)，了解工作原理 2. 到圖書館查閱資料和有關(guān)文獻(xiàn) 3. 復(fù)習(xí)相關(guān)的理論知識 4. 理論結(jié)合實驗進(jìn)行課題研究 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 2 本課題的研究手段 利用 s7300 軟件進(jìn)行程序的設(shè)計和硬件的配置及通訊，在實驗室進(jìn)行硬件的連線和仿真，實現(xiàn)工業(yè) PLC 自動化控制。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 3 第二章 系統(tǒng)的分析與控制任務(wù) 設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)及要求 1. 甲方參數(shù)及工廠情況 年平均氣溫 ℃ 夏季最高平均氣溫 ℃ 冬季最低平均氣溫 ℃ 極端最高氣溫 ℃ 極端最低氣溫 ℃ 最熱（ 7月）最高平均氣溫 ℃ 最冷（ 1月）最低平均氣溫 ℃ 年平均降雨量 年最大降雨量 年最小降雨量 一天內(nèi)最大降雨量 一小時內(nèi)最大降雨量 年平均風(fēng)速 夏季 /冬季平均風(fēng)速 年主導(dǎo)風(fēng)向 北、北西、南西 夏季 /冬季主導(dǎo)風(fēng)向 南、東北、北西 夏季 /冬季大氣壓 地震強(qiáng)烈 7 度 供電 1 AC 10KV177。 10% 頻率 2 AC 380V177。 10% 頻率 3 AC 480V177。 10% 頻率 水質(zhì) 懸浮物 ≤ 5mg/L 總硬度 ≤ 10176。 壓力 壓縮空氣 壓力 含油量 ≤ 1mg/m^3 固體微粒半徑 ≤ 1um 2. 設(shè)備參數(shù) 鋼管參數(shù)： 鋼管直徑： 鋼管壁厚： 鋼管單根最重： 2020kg 鋼管長度范圍 ： 總體設(shè)備參數(shù)： 電氣容量 90KW 設(shè) 備本體尺寸 19m179。 壓縮空氣 壓力： 用量： 1m^3/min 接口管徑： 1 移鋼機(jī)參數(shù)： 移鋼機(jī)電機(jī)功： 37kw 減速機(jī)傳動比 63 移鋼機(jī)制動形式 電液式 測 長參數(shù)： 測 長 道電機(jī)功率： KW 編碼器參數(shù)： 1200P 側(cè)長范圍： 側(cè)長精度： 177。 2mm 稱重參數(shù)：符合中國國家商業(yè)三級秤標(biāo)準(zhǔn) 200KG700KG≤177。 分度值 700KG4000KG≤177。 3KG 分度值 1kg 稱重傳感器： METTLER TOLEDO CW3 顯示儀表： 8142p 天津理工大學(xué) 2020屆本科 畢業(yè)設(shè)計說明書 4 系統(tǒng)電氣控制要求 電氣控制在硬件上由電氣柜、各種元器件和控制核心 PLC 組成。配電柜、主控柜、噴標(biāo)掛箱是各種元器件的載體。配電柜給系統(tǒng)各個部分供電，顯示各種電源參數(shù)，操作臺和噴標(biāo)掛箱通過面板上的按鈕對所涉及區(qū)域進(jìn)行控制，并通過面板上的指示燈反應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)。系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作是由 PLC 通過裝載其中的程序來實現(xiàn)的，系統(tǒng)包括設(shè)備總體控制和測長、稱重、色環(huán)、打標(biāo)、噴標(biāo)、步進(jìn)等各個局部控制。 PLC 通過各個按鈕和合理布置的傳感器采集信號，判斷系統(tǒng)所處狀態(tài) , 作出正確反應(yīng)，使所有動作有條不紊的進(jìn)行。各個工位都是一個局部小系統(tǒng)， PLC 可以很好的實現(xiàn)這些工位的配合工作與集成。同時 PLC 通過功能模塊實現(xiàn)高速計數(shù)和位置控制功能。此外， PLC 還留有 PROFIBUS 接口，以備生產(chǎn)車間的聯(lián)網(wǎng)與功能擴(kuò)展，留有二級網(wǎng)絡(luò)接口，且接口軟件開放。系統(tǒng)里有多個控制器，如噴標(biāo)控制器和稱重儀表，這些控制器和儀表都有外部接口可以通過 PLC對其進(jìn)行控制，也可用 RS232 或 RS485 實現(xiàn)控制器與 PC 之間的通訊，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化 控制。 系統(tǒng)組成及主要部分的工作原理 主要包括： 步進(jìn)裝置、 測長裝置、 稱重裝置 1. 移鋼機(jī) ：采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，步進(jìn)裝置帶動托料機(jī)構(gòu)，完成鋼管的橫向移位， 每轉(zhuǎn)一周完成鋼管的一次移位， 周而復(fù)始實現(xiàn)鋼管從上料工位依次經(jīng)過測長、稱重、噴標(biāo)、保護(hù)漆，最后到出料工位。 移鋼機(jī)的作用是把鋼管從一個工位搬到下一個工位，周而復(fù)始?，F(xiàn)在常用移鋼機(jī)根據(jù)傳動方式有多種方式，常用的有鏈?zhǔn)絺鲃?、齒輪傳動、曲軸連桿傳動和液壓傳動。從多方面比較 ， 本套選擇使用曲軸連桿傳動形式，其傳動結(jié)構(gòu)較簡單、動力性能優(yōu)良、現(xiàn)場 施工維護(hù)方便。移鋼機(jī)由交流異步電動機(jī)驅(qū)動，實現(xiàn)鋼管的上料、移位和出料。電動機(jī)是由變頻器進(jìn)行控制的 ， 可以根據(jù)現(xiàn)場條件和生產(chǎn)節(jié)奏的要求， 控制步進(jìn)機(jī)構(gòu)的加減速曲線和速度的調(diào)節(jié)。 2. 測長 ：測長裝置由測長油缸、測長輥道、光電傳感器組、測長輪、測長編碼器、 測長擋板裝置等部分組成。在測長時，測長油缸推動鋼管軸向運(yùn)動，編碼器開始計數(shù)。結(jié)合測長光電傳感器計算鋼管長度，從而對鋼管長度進(jìn)行測量。 測長裝置主要由測長油缸、測長輥道、測長光電管組成。測長工作過程為：鋼管到達(dá)測長工位后，測長油缸推動鋼管沿軸向運(yùn)動，鋼管每經(jīng) 過一對光電管 ， 便清除編碼器的當(dāng)前計數(shù)值，當(dāng)測長油缸到達(dá)前位時，系統(tǒng)記錄下光電傳感器的狀態(tài)及編碼器的計算值，從而計算出鋼管的長度。測長工位要求上料必須滿足進(jìn)料金屬線 177。 100mm 的要求。 3. 稱重 ：稱重裝置由支撐架、箱型梁、稱重傳感器及顯示儀表等組成。稱重信號可以經(jīng)過采集、 轉(zhuǎn)換、 放大傳遞至計算機(jī)進(jìn)行存儲顯示。稱重裝置由稱重傳感器、二次儀表、信號采集卡等組成。 稱重系統(tǒng)由稱重箱型梁、稱重模塊及上支板構(gòu)成。稱重梁下設(shè)置 4 個稱重模塊，組成支點(diǎn)，其中 1 塊為固定式， 1 塊半浮動式，另外 2 塊為浮動式。稱 重模塊型號為 CW3T。稱天津理工大學(xué) 2020屆本科 畢業(yè)設(shè)計說明書 5 重模塊下部與基礎(chǔ)框架板連接，上部與稱重梁連接。稱重梁上部有 6 個 V 型支架， V 型面上固定有尼龍板，減少沖擊，也可防止劃傷鋼管外壁。稱重模塊選擇梅特勒 托利多公司的 CW 動載稱重模塊 ， 該類型模塊采用自穩(wěn)定承壓頭設(shè)計，并且配備了可調(diào)式水平限位螺栓，可以始終保持正確的加載位置，稱量重復(fù)性能好，適用于過程稱重控制。稱重工作過程：鋼管到達(dá)稱重工位后，稱重傳感器將電信號傳送到二次儀表，進(jìn)行信號放大和信號處理，然后再傳到計算機(jī) 232 口，由計算機(jī)記錄鋼管重量數(shù)據(jù)。 4. 工作原理簡 介： 光電傳感器結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器的形式，在對齊輥道上實現(xiàn)在鋼管運(yùn)動中對其長度的測量。當(dāng)向右移動的鋼管頭部遮斷 處的光電傳感器時， PLC 機(jī)開始對旋轉(zhuǎn)編碼器計數(shù)；與此同時，其它 33 對光電傳感器進(jìn)入中斷程序，當(dāng)向右 (東側(cè) )移動的鋼管尾部脫開任一個光電傳感器，都產(chǎn)生一個中斷信號，則 PLC 機(jī)停止對旋轉(zhuǎn)編碼器計數(shù)； PLC 機(jī)將中斷點(diǎn)光電傳感器的位置信號和 PLC 計數(shù)信息送給工控機(jī)，工控機(jī)計算出鋼管的長度 。 計算公式： L（鋼管長度） = L2（產(chǎn)生 最后一個 中斷信號光電傳感器至第一對光電傳感器的距離） L1（旋轉(zhuǎn)編碼器的計數(shù) 長度） 2． 4 設(shè)備工藝流程圖 天津理工大學(xué) 2020屆本科 畢業(yè)設(shè)計說明書 6 圖 鋼管稱重測長流程圖 Pipe weighting and measuring sequence diagram 天津理工大學(xué) 2020屆本科 畢業(yè)設(shè)計說明書 7 第三章 測長 系統(tǒng)控制元件選擇 鋼管測長控制系統(tǒng)方案 系統(tǒng)以 Siemens PLC 為控制核心 , 將測長、撥料、自動鋸、鋸頭設(shè)備、傳感器、控制器、驅(qū)動器、管理系統(tǒng)等控制功能全部集成在 計算機(jī)上 , 實現(xiàn)了管理、驅(qū)動、信號采集、即時監(jiān)控、故障診斷等多種功能的綜合自動化?？刂圃骷蛨?zhí)行器件均采用了國際知名企業(yè)的產(chǎn)品 , 為系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供了保證。系統(tǒng)對輥道電機(jī)采用變頻控制 , 將測長、定位的準(zhǔn)確性和生產(chǎn)效率很好的結(jié)合起來。上位機(jī)通過 MPI 總線與 PLC 通信 , 對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。上位機(jī)監(jiān)控軟件穩(wěn)定可靠 , 界面友好 , 操作簡單 主控制裝置的選擇 PLC 的選擇 可編程序控制器（ Programmable Logic Controller），簡稱 PLC，是在繼 電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動化控制裝置。 1. PLC 與微機(jī)的區(qū)別 （ 1） 應(yīng)用范圍 微機(jī)除了用在控制領(lǐng)域外，還大量用于科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、計算機(jī)通信等方便。而 PLC主要用于工業(yè)控制。 （ 2） 使用環(huán)境 微機(jī)對環(huán)境要求較高，一般要在干擾小，具有一定的溫度和濕度要求的機(jī)房內(nèi)使用。 PLC則適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。 （ 3） 輸入 /輸出 微機(jī)系統(tǒng)的 I/O 設(shè)備與主機(jī)之間采用微電聯(lián)系，一般不需要電氣隔離。而PLC 一般控制強(qiáng)電設(shè)備，需要電氣隔離，輸入輸出均采用光電耦合，輸出還采用繼電器、可控 硅或大功率晶體管進(jìn)行功率放大。 （ 4） 程序設(shè)計 微機(jī)具有豐富的程序設(shè)計語言，如匯編語言、 FORTRAN 語言、 COBOL 語言、PADCAL 語言、 C 語言等，其語句多，語法關(guān)系復(fù)雜，要求使用者必須具有一定水平的計算機(jī)硬件和軟件知識。而 PLC提供給用戶的編程語句數(shù)量少，邏輯簡單，易于學(xué)習(xí)和掌握。 （ 5） 系統(tǒng)功能 微機(jī)系統(tǒng)一般配有較強(qiáng)的系統(tǒng)軟件，例如操作系統(tǒng)，能進(jìn)行設(shè)備管理、文件管理、存儲器管理等。它還配有許多應(yīng)用軟件，以方便用戶。而 PLC 一般只有簡單的監(jiān)控程序，能完成故障檢查、用戶程序的輸入和修改、用戶程 序的執(zhí)行與監(jiān)視等。 （ 6） 運(yùn)算速度和存儲容量 微機(jī)運(yùn)行速度快，一般為微妙級，因有大量的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，故存儲容量大。而 PLC 因接口的響應(yīng)速度慢而影響數(shù)據(jù)處理速度。一般 PLC 借口響應(yīng)速度為 2ms，巡回檢測速度為 8ms/K 字。 PLC的軟件少，所編程序也簡短，故內(nèi)存容量小。 （ 7） 價格 微機(jī)是通用機(jī)，功能完善，故價格較高。而 PLC 是專用機(jī)，功能較少，其價格是微機(jī)的十分之一左右。 從以上幾個方面的比較可知， PLC 是一種用于自動化控制的專用微機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，價格也比一般的微機(jī)系統(tǒng)低。 2. PLC 與單片機(jī)的區(qū)別 天津理工大學(xué) 2020屆本科 畢業(yè)設(shè)計說明書 8 （ 1） 單片機(jī)不如 PLC 容易掌握 單片機(jī)一般要用機(jī)器指令或其助記符編程，這就要求設(shè)計人員具有一定的計算機(jī)硬件和軟件知識，對于只熟悉機(jī)電控制的技術(shù)人員來說，需要一段時間的學(xué)習(xí)才能掌握。 PLC 本身是微機(jī)系統(tǒng)，提供給用戶使用的是電控人員熟悉的梯形圖語言，使用的術(shù)語依然是“繼電器”一類的術(shù)語，大部分指令與繼電器觸電的串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)、并串聯(lián)等相應(yīng)對應(yīng)，這就使熟悉機(jī)電控制的工程人員一目了然。對于使用者來說，不必去關(guān)心微機(jī)的一些技術(shù)問題，而只要用較短的時間去熟悉 PLC的指令系統(tǒng)及操作方法， 就能應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場。 （ 2） 單片機(jī)不如 PLC 使用簡單 用單片機(jī)實現(xiàn)自動控制，一般要在輸入 /輸出接口上做大量的工作。例如要考慮現(xiàn)場與單片機(jī)的連接、接口的擴(kuò)展、輸入 /輸出信號的處理、接口工作方式等問題，除了要設(shè)計控制程序，還要在但片機(jī)的外圍做很多軟件和硬件方面的工作，調(diào)試起來也比較麻煩。而 PLC 的 I/O口已經(jīng)做好，輸入接口可以與輸入信號直接連線，非常方便。輸出接口具有一定的驅(qū)動能力，例如繼電器輸出，其輸出觸電容量可答 220V、 2A。且 I/O 口均有光電耦合環(huán)節(jié)，抗干擾能力強(qiáng)。 （ 3） 單片機(jī)不如 PLC 可靠 用單板機(jī)做工業(yè)控制，突出問題就是抗干擾能力差。而 PLC 是專門應(yīng)用于工業(yè)場合的自動控制裝置，在系統(tǒng)硬件和軟件上都采取了抗干擾措施。例如，光電耦合、自診斷、多個 CPU并行運(yùn)行操作、冗余控制技術(shù)等。 當(dāng)今 PLC 在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等方面不如單板機(jī)?？傊?， PLC 用于工業(yè)控制，穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，但單板機(jī)的通用性和適應(yīng)性較強(qiáng)。 PLC 機(jī)型、容量及其模塊的選擇 根據(jù)工作原理及與其他控制設(shè)備進(jìn)行比較后，選擇用西門子 PLC S7— 300進(jìn)行控制。 表 PLC及其模塊的選擇 Table PLC and module choice 名稱 訂貨號 參數(shù) 電源 6ES7 3071KA000AA0 負(fù) 載 電 源 120 / 230 VAC:24 VDC / 10 A CP