【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 鋁加工設(shè)備研制的一個(gè)亮點(diǎn)現(xiàn)化工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料的精度要求日益提高，產(chǎn)品的高精度就需要設(shè)備朝高精度方向發(fā)展；出于對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的考慮，以及軋制技術(shù)的日漸成熟，軋機(jī)的黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 幅面迅速擴(kuò)大，比如用于包裝袋的鋁箔的寬度需求已達(dá)到 1800mm 以上，對(duì)寬幅鋁箔的需求量正呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。 生產(chǎn)的機(jī)器都已達(dá)到甚 至超過國(guó)外一些國(guó)家的相應(yīng)產(chǎn)品。 近代一些鋼鐵工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軋鋼設(shè)備發(fā)展動(dòng)向是大型化、連續(xù)化、高速化和自動(dòng)化。這是對(duì)鋼材要求不斷提高產(chǎn)品和質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低原材料和能源消耗及產(chǎn)品成本的發(fā)展結(jié)果，這也和軋鋼設(shè)備制造水平有關(guān)的重型機(jī)器制造、電機(jī) 、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制以及液壓系統(tǒng)等科學(xué)計(jì)算發(fā)展技術(shù)有密切關(guān)系 [4]。 1．大型化方面 增大鋼錠或帶卷重量。過去初軋機(jī)一般為 1020 噸，現(xiàn)在有加大到 4050 噸。熱軋的最大帶卷和坯料重量已由 15 噸增到 45 噸。冷軋卷重達(dá) 60 噸，線材盤重已達(dá) 24噸。 2．高速化方面 軋鋼設(shè)備高速化是機(jī)械制造和自動(dòng)控制技術(shù)水平不斷提高的結(jié)果，另外，軋鋼設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)以適應(yīng)高速化需要液是一個(gè)重要方面。 3．連續(xù)化方面 全連續(xù)式冷軋機(jī)實(shí)現(xiàn)了無(wú)頭軋制，最近十年來(lái)已在生產(chǎn)上應(yīng)用。它能進(jìn)一步提高冷連軋機(jī)產(chǎn)量、改善產(chǎn)品質(zhì)量、有效地解決板卷的穿帶和拋尾問題，并能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變規(guī)格和高速飛剪的剪切，這套控制系統(tǒng)使投資約增加 15%20%。 4．自動(dòng)化方面 目前寬帶鋼熱連軋機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制水平在各類軋機(jī)重是最高的，從板坯上料到卷取全部采用電子計(jì)算機(jī)控制。 在我國(guó)軋鋼生產(chǎn)的發(fā)展中 ， 今后一個(gè)時(shí)期在適當(dāng)建設(shè)現(xiàn)代化新 企業(yè)、新裝備的同時(shí)，大力進(jìn)行原有設(shè)備的技術(shù)改造的和更新挖潛，逐步提高大型化、高速化、連續(xù)化和自動(dòng)化的水平是擺在軋鋼工作者的一項(xiàng)重要任務(wù) [5]。 自動(dòng)軋鋼機(jī)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與基本思路 本次設(shè)計(jì)的題目是基于 PLC 的軋鋼機(jī)控制系統(tǒng)，主要是以 PLC 為主控器來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)， 其主要功能是對(duì) 鋼板的移動(dòng)、軋制等 運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制 ，并對(duì)軋輥 轉(zhuǎn)速和鋼板位移進(jìn)行檢測(cè) ，保證軋鋼機(jī)工作過程中穩(wěn)定、可靠進(jìn)行。本設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)單介紹了相關(guān)硬件的知識(shí)，如： PLC 的定義、 PLC 的編程語(yǔ)言、 PLC 的硬件組成等。 基本內(nèi)容： 首先，做好控制系統(tǒng)的初 步設(shè)計(jì)，做好設(shè)計(jì)方案。 其次，對(duì)低壓電氣元件進(jìn)行選型； 對(duì)交流電機(jī)和變頻器進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)出變頻調(diào)速電路； 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 對(duì)速度、位移等傳感器進(jìn)行選型與應(yīng)用設(shè)計(jì)； 對(duì) PLC 進(jìn)行選型，并設(shè)計(jì)出 PLC 系統(tǒng) I/O 擴(kuò)展模塊和功能模塊以及系統(tǒng)主程序和功能子程序。 再次，完成總體設(shè)計(jì)后，對(duì)控制系統(tǒng)程序進(jìn)行模擬調(diào)試，檢驗(yàn)。 預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)： (1)控制功能：控制鋼板的移動(dòng)、軋制等運(yùn)動(dòng)。 (2)保護(hù)功能：電機(jī)順序啟動(dòng)、 可點(diǎn)動(dòng)可自動(dòng) 、過載保護(hù)。有電機(jī)潤(rùn)滑 和 冷卻系統(tǒng)。 (3)檢測(cè)項(xiàng)目：軋輥速度（測(cè)量范圍： 03000r/m），鋼 板位移（ 0—5 m）；傳感器選型和設(shè)計(jì)合理，輸出信號(hào)符合 PLC 電氣標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)具有顯示功能，顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)等；系統(tǒng)易于擴(kuò)展，便于 I/O 模塊和功能模塊擴(kuò)展。 (4)指示、報(bào)警功能包括： 電路故障 報(bào)警，按故障性質(zhì)發(fā)出停機(jī)報(bào)警信號(hào)等，報(bào)警形式有燈光和鈴聲報(bào)警。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 軋鋼機(jī)的定義 軋鋼機(jī)械設(shè)備的組成可分為兩大類：主要設(shè)備和輔助設(shè)備。主要設(shè)備：直接使軋件產(chǎn)生塑性變形的設(shè)備稱為主要設(shè)備，也稱為主機(jī)列。它包括：工作機(jī)座（軋輥、軸承、軋輥調(diào)整裝置、導(dǎo)衛(wèi)裝置及機(jī)架 等），萬(wàn)向或梅花接軸，齒輪機(jī)座，減速器，主連軸節(jié)，主電機(jī)等。輔助設(shè)備：是指主機(jī)列以外的各種設(shè)備，它用于完成一系列輔助工序。輔助設(shè)備種類繁多，車間機(jī)械化程度越高，輔助設(shè)備所占整個(gè)車間機(jī)械設(shè)備總重比例也越大。有時(shí)達(dá)主要設(shè)備重量的 3~4倍 [6]。 本次設(shè)計(jì)選用 二輥式軋機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用途廣泛具有很強(qiáng)的代表性。它分為可逆式和不可逆式。前者有初軋機(jī)、軌梁軋機(jī)、中厚板軋機(jī)等。不可逆式有鋼坯連軋機(jī)、疊軋薄板軋機(jī)、薄板或帶鋼冷軋機(jī)、平整機(jī)等。 80年代初最大的二輥軋機(jī)的輥徑為1500mm，輥身長(zhǎng) 3500mm，軋制速度 3~7m/s。 二輥式軋鋼機(jī) 二輥式軋鋼機(jī)的用途： 二輥軋機(jī)設(shè)備為低碳鋼、銅銀鉛鋁、有色金屬板材、合金粉末冷軋帶材實(shí)驗(yàn)設(shè)備。二輥軋機(jī)組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 本機(jī)由主電機(jī)、減速器、人字齒輪座、萬(wàn)向接軸、工作機(jī)座、電控柜等組成，輥系采用專用軋機(jī)軸承。本次設(shè)計(jì)選用型號(hào)為 φ 350 350（ mm） ,輥長(zhǎng)為 350mm,輥徑為 350mm，成品尺寸為 1mm，軋制力1250KN，軋制速度為 ,軋制電機(jī)功率為 115kW。 軋鋼原理 從煉鋼廠出來(lái)的鋼坯還僅僅是半成品，必須到軋鋼設(shè)備去進(jìn)行軋制以后，才能成為合格的產(chǎn)品 。從煉鋼廠送過來(lái)的連鑄坯，首先是進(jìn)入加熱爐，然后經(jīng)過初軋鋼設(shè)備 反復(fù)軋制之后，進(jìn)入精軋鋼機(jī) [7]。軋鋼屬于金屬壓力加工，在熱軋生產(chǎn)線上，軋坯加熱變軟，被輥道送入軋鋼設(shè)備，最后軋成用戶要求的尺寸。 軋鋼是連續(xù)的不間斷的作業(yè)，鋼帶在輥道上運(yùn)行速度快，軋鋼機(jī)設(shè)備自動(dòng)化程度高，效率也高。從平爐出來(lái)的鋼錠也可以成為鋼板，但首先要經(jīng)過加熱和初軋開坯才能送到熱軋鋼設(shè)備上進(jìn)行軋制，先經(jīng)過除磷到初軋，經(jīng)輥道進(jìn)入精軋軋鋼設(shè)備，機(jī)前裝有測(cè)速輥和飛剪，切除板面頭部。經(jīng)過熱軋后的鋼軌厚度一般在幾個(gè)毫米 ,如果要求鋼板更薄的話，還要經(jīng)過 冷軋鋼設(shè)備。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 軋鋼機(jī)系統(tǒng)工藝流程 穿帶結(jié)束后，首先安放好上、下工作輥 (穿帶時(shí)，工作輥已取下 )，然后調(diào)準(zhǔn)軋制線，關(guān)閉軋機(jī)封閉門，機(jī)前壓板壓下，出口側(cè)擦拭器壓緊鋼帶，軋機(jī)工藝潤(rùn)滑 、 冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)供液，軋機(jī)帶鋼壓下，卷取機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)給鋼帶前張力，機(jī)前測(cè)速 傳感器 進(jìn)入軋制線，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)開始軋制。 圖 軋鋼 機(jī)設(shè)備模擬示意圖 軋制過程中，如果發(fā)現(xiàn)鋼帶邊部有缺陷將影響到高速軋制，則當(dāng)缺陷部位經(jīng)過軋輥時(shí)；操作工按一下操作臺(tái)上的按鈕，將其缺陷位置信號(hào)輸入 PLC 系統(tǒng)。軋制將結(jié)束時(shí)軋機(jī)減速，當(dāng)鋼帶尾部到達(dá)機(jī)前卷取機(jī) 位置時(shí)，機(jī)組停車，第一道次結(jié)束。測(cè)厚儀、測(cè)速儀退出軋制線，軋機(jī)壓下抬起，鋼帶張力解除，冷卻潤(rùn)滑劑停止供給，壓板抬起。 軋制速度的確定，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的能力，在軋機(jī)允許使用的速度范圍內(nèi) ，通過變頻器的控制， 盡可能采用高的軋制速度，以提高軋機(jī)的生產(chǎn)能力；同時(shí)，當(dāng)軋制速度增加時(shí)，軋制壓力相應(yīng)有所減小。 每道次軋制的啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，分別有一個(gè)升速和降速的過程。在軋制過程中，應(yīng)盡可能少調(diào)速，以保證軋制的穩(wěn)定性，從而達(dá)到厚度偏差的均一性。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 為了實(shí)現(xiàn)軋鋼機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化 ，建立行之有效的自動(dòng)控制系統(tǒng)，本方案基于傳統(tǒng)的方式并結(jié)合自動(dòng)化控制原理設(shè)計(jì)出一套以 PLC 為主控制的系統(tǒng)，此系統(tǒng)由幾個(gè)部分組成：執(zhí)行部分、控制部分（光電檢測(cè) PLC）、驅(qū)動(dòng)部分（電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)）、感知部分（傳感器）。 圖 自動(dòng)軋鋼機(jī) 控制系統(tǒng)原理框圖。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 自動(dòng)軋鋼機(jī) 控制系統(tǒng)原理框圖 根據(jù)軋鋼機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，基于 PLC 軋鋼控制系統(tǒng)采用主要由上機(jī)、下位機(jī)等組成。傳感器檢測(cè)軋輥速度和鋼板位移， PLC 系統(tǒng)能控制主軋機(jī)起、停和傳送帶的運(yùn)行方向，同時(shí)還能檢 測(cè)到各個(gè)電機(jī)的故障現(xiàn)象，減小了傳統(tǒng)的繼電一接觸控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，MA MA2 啟動(dòng)按鈕 潤(rùn)滑、冷卻電機(jī)啟動(dòng) 變頻器 PLC 可 編 程 控 制 器 否 開卷機(jī) 結(jié)束 MA MA MA5 啟動(dòng)按鈕 鋼板運(yùn)輸、軋輥電機(jī)啟動(dòng) 軋輥軋制 卷取機(jī) 傳感器 數(shù)據(jù)傳至 PLC 檢測(cè) 故障報(bào)警 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 減少了硬件和控制線路，極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性 [8]。 PLC 控制系統(tǒng)是由 PLC 與用戶輸入、輸出設(shè)備連接而成的，因此， PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容應(yīng)包括： 用戶輸入設(shè)備（按鈕、操作開關(guān)、傳感器等）、輸出設(shè)備（顯示屏、信號(hào)燈等執(zhí)行元件）以及由輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)的控制對(duì)象（電動(dòng)機(jī)等）。 PLC 的選擇。 PLC 是 PLC 控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇 PLC 對(duì)于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)起到重要的作用。選擇 PLC，應(yīng)包括機(jī)型選擇、容量的選擇 、 I/O 模塊的選擇、電源模塊的選擇等。 分配 I/O 點(diǎn)，繪制 I/O 連接圖。 設(shè)計(jì)控制程序。包括設(shè)計(jì)梯形圖、語(yǔ)句表（即程序清單）和控制系統(tǒng)流程圖?？刂葡到y(tǒng)程序是控制整個(gè)系統(tǒng)工作的軟件，是保證系統(tǒng)工作安全、可靠的關(guān)鍵。因此，控制程序設(shè)計(jì)必須經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、修改，直到滿足要求為止。 必要時(shí)還需設(shè)計(jì)控制臺(tái) 編制控制系統(tǒng)的技術(shù)文件。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象（生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程）的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則： 最大限度地滿足被控對(duì)象的控制對(duì)象。設(shè)計(jì)前，應(yīng)深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集資料，并于機(jī)械部分的設(shè)計(jì)人員和實(shí)際操作人員密切配合，共同擬訂電氣控制方案，協(xié)同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問題。 在滿足控制系統(tǒng)要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，使用及維修方便。 保證控制系統(tǒng)的安全、可靠。 考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝和改進(jìn)，在選擇 PLC 容量時(shí)，應(yīng)適當(dāng)留有 余 量。 本章小結(jié) 本章主要說(shuō)明了設(shè)計(jì)的控制要求，并根據(jù)其要求提出自動(dòng) 軋鋼 機(jī)的工作原理示意圖，列出了系統(tǒng)涉及到的主要硬件設(shè)備，詳細(xì)說(shuō)明了本設(shè)計(jì)自動(dòng) 軋鋼 機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理和運(yùn)行過程。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 第 3 章 控制系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) PLC 定義及發(fā)展歷程 的定義 美國(guó)國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）在 1987 年對(duì)可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能的面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程 [9]?？杀槌绦蚩刂破鳂O其相關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè) 整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 定義強(qiáng)調(diào)了 PLC 應(yīng)直接應(yīng)用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別與一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。定義還強(qiáng)調(diào)了 PLC 是 “數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng) ”，他也是一種計(jì)算機(jī)，它是 “專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 ”工業(yè)計(jì)算機(jī)。這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用 “面向用戶的指令 ”，因此編程方便。它能完成邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，它還具有 “ 數(shù)字量和模擬量輸入和輸出 ” 的能力，并且非常容易與 “ 工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體 ” ，易于 “ 擴(kuò)充 ” 。 PLC 的發(fā)展歷程 可編程序控制器的英文為 ProgrammableController，在二十實(shí)際七十至八十年代一直簡(jiǎn)稱為 PC。由于到 90 年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來(lái)，也簡(jiǎn)稱為 PC；加之可編程序的概念所涵蓋的范圍太大，所以美國(guó) AB 公司首次將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器（ PLC， ProgrammableLogicController），為了方便，仍簡(jiǎn)稱 PLC 為可編程序控制器 [19]。有人把可編程序控制器組成的系統(tǒng)稱為 PCS 可編程序控制系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)可編程序控制器生產(chǎn)廠商向人們提供的已是完整的系統(tǒng)了。 1968 年美國(guó) GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國(guó)數(shù)字公司研制出了第一土改可編程序控制器，滿足了 GM 公司裝配線的要求。隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代 PLC 產(chǎn)品了。 在以改變幾何形狀和機(jī)械性能為特征的制造工業(yè)和以物理變化和化學(xué)變化將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品為特征的過程工業(yè)中，除了以連續(xù)量為主的反饋控制外，特別在制造工業(yè)中存在了大量的開關(guān)量為主的開環(huán)的順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作號(hào)按照黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 時(shí)序動(dòng)作；另外還有與順序、時(shí)序無(wú)關(guān)的按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制；以及大量 的開關(guān)量、脈沖量、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)器、模擬量的越限報(bào)警等狀態(tài)量為主的 ——離散量的數(shù)據(jù)采集監(jiān)視。由于這些控制和監(jiān)視的要求，所以 PLC 發(fā)展成了取代繼電器線路和進(jìn)行順序控制為主的產(chǎn)品。在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中，逐漸形成了 PLC、 DCS 與 IPC三足鼎立之勢(shì)，還有其它的單回路智能式調(diào)節(jié)器等在市場(chǎng)上占有一定的百分比。 在八十年代至九十年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為30~40%。由于 PLC 人機(jī)聯(lián)系處理模擬能力和網(wǎng)絡(luò)方面功能的進(jìn)步，擠占了一部分 DCS的市場(chǎng)（過程控制）并逐漸壟斷了污水處理等行業(yè)，但是由于工業(yè) PC（ IPC）的出現(xiàn)，特別是近年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展， IPC 和 FCS