【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 設(shè)計(jì)。對(duì)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng) 電氣組成、 PLC 硬件設(shè)計(jì)等 3. PLC 程序的設(shè)計(jì)及調(diào)試。根據(jù)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的功能要求，針對(duì) PLC 系統(tǒng)的硬件特點(diǎn)，對(duì) PLC 程序進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)各個(gè)工位功能的不同和所需的交流信號(hào)，對(duì)各個(gè)工位 PLC 程序的流程、控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)、以及 PLC 與上位機(jī)通訊時(shí)序進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、解決了現(xiàn)場(chǎng)中出現(xiàn)的問(wèn)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(shí)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(shí) 4. 理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課題研究 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(jì)和硬件的配置及通訊，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件的連線和仿真，實(shí)現(xiàn)工業(yè) PLC 自動(dòng)化控制。 天津理工大學(xué) 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(shí)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(zhǎng)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(dòng)比 63 移鋼機(jī)制動(dòng)形式 電液式 測(cè) 長(zhǎng)參數(shù)： 測(cè) 長(zhǎng) 道電機(jī)功率： KW 編碼器參數(shù)： 1200P 側(cè)長(zhǎng)范圍： 側(cè)長(zhǎng)精度： 177。 2mm 稱重參數(shù)：符合中國(guó)國(guó)家商業(yè)三級(jí)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(jì)說(shuō)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(gè)部分供電，顯示各種電源參數(shù)，操作臺(tái)和噴標(biāo)掛箱通過(guò)面板上的按鈕對(duì)所涉及區(qū)域進(jìn)行控制，并通過(guò)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(guò)裝載其中的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)包括設(shè)備總體控制和測(cè)長(zhǎng)、稱重、色環(huán)、打標(biāo)、噴標(biāo)、步進(jìn)等各個(gè)局部控制。 PLC 通過(guò)各個(gè)按鈕和合理布置的傳感器采集信號(hào)，判斷系統(tǒng)所處狀態(tài) , 作出正確反應(yīng)，使所有動(dòng)作有條不紊的進(jìn)行。各個(gè)工位都是一個(gè)局部小系統(tǒng)， PLC 可以很好的實(shí)現(xiàn)這些工位的配合工作與集成。同時(shí) PLC 通過(guò)功能模塊實(shí)現(xiàn)高速計(jì)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(jí)網(wǎng)絡(luò)接口，且接口軟件開(kāi)放。系統(tǒng)里有多個(gè)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(guò) PLC對(duì)其進(jìn)行控制，也可用 RS232 或 RS485 實(shí)現(xiàn)控制器與 PC 之間的通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)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(cè)長(zhǎng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)鋼管從上料工位依次經(jīng)過(guò)測(cè)長(zhǎng)、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(gè)工位搬到下一個(gè)工位，周而復(fù)始?，F(xiàn)在常用移鋼機(jī)根據(jù)傳動(dòng)方式有多種方式，常用的有鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)、齒輪傳動(dòng)、曲軸連桿傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)。從多方面比較 ， 本套選擇使用曲軸連桿傳動(dòng)形式，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、動(dòng)力性能優(yōu)良、現(xiàn)場(chǎng) 施工維護(hù)方便。移鋼機(jī)由交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋼管的上料、移位和出料。電動(dòng)機(jī)是由變頻器進(jìn)行控制的 ， 可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)長(zhǎng) ：測(cè)長(zhǎng)裝置由測(cè)長(zhǎng)油缸、測(cè)長(zhǎng)輥道、光電傳感器組、測(cè)長(zhǎng)輪、測(cè)長(zhǎng)編碼器、 測(cè)長(zhǎng)擋板裝置等部分組成。在測(cè)長(zhǎng)時(shí)，測(cè)長(zhǎng)油缸推動(dòng)鋼管軸向運(yùn)動(dòng)，編碼器開(kāi)始計(jì)數(shù)。結(jié)合測(cè)長(zhǎng)光電傳感器計(jì)算鋼管長(zhǎng)度，從而對(duì)鋼管長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。 測(cè)長(zhǎng)裝置主要由測(cè)長(zhǎng)油缸、測(cè)長(zhǎng)輥道、測(cè)長(zhǎng)光電管組成。測(cè)長(zhǎng)工作過(guò)程為：鋼管到達(dá)測(cè)長(zhǎng)工位后，測(cè)長(zhǎng)油缸推動(dòng)鋼管沿軸向運(yùn)動(dòng)，鋼管每經(jīng) 過(guò)一對(duì)光電管 ， 便清除編碼器的當(dāng)前計(jì)數(shù)值，當(dāng)測(cè)長(zhǎng)油缸到達(dá)前位時(shí)，系統(tǒng)記錄下光電傳感器的狀態(tài)及編碼器的計(jì)算值，從而計(jì)算出鋼管的長(zhǎng)度。測(cè)長(zhǎng)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(hào)可以經(jīng)過(guò)采集、 轉(zhuǎn)換、 放大傳遞至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)顯示。稱重裝置由稱重傳感器、二次儀表、信號(hào)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(gè)稱重模塊，組成支點(diǎn)，其中 1 塊為固定式， 1 塊半浮動(dòng)式，另外 2 塊為浮動(dòng)式。稱 重模塊型號(hào)為 CW3T。稱天津理工大學(xué) 2020屆本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(gè) V 型支架， V 型面上固定有尼龍板，減少?zèng)_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(dòng)載稱重模塊 ， 該類型模塊采用自穩(wěn)定承壓頭設(shè)計(jì)，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(guò)程稱重控制。稱重工作過(guò)程：鋼管到達(dá)稱重工位后，稱重傳感器將電信號(hào)傳送到二次儀表，進(jìn)行信號(hào)放大和信號(hào)處理，然后再傳到計(jì)算機(jī) 232 口，由計(jì)算機(jī)記錄鋼管重量數(shù)據(jù)。 4. 工作原理簡(jiǎn) 介： 光電傳感器結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器的形式，在對(duì)齊輥道上實(shí)現(xiàn)在鋼管運(yùn)動(dòng)中對(duì)其長(zhǎng)度的測(cè)量。當(dāng)向右移動(dòng)的鋼管頭部遮斷 處的光電傳感器時(shí)， PLC 機(jī)開(kāi)始對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)；與此同時(shí)，其它 33 對(duì)光電傳感器進(jìn)入中斷程序，當(dāng)向右 (東側(cè) )移動(dòng)的鋼管尾部脫開(kāi)任一個(gè)光電傳感器，都產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，則 PLC 機(jī)停止對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)； PLC 機(jī)將中斷點(diǎn)光電傳感器的位置信號(hào)和 PLC 計(jì)數(shù)信息送給工控機(jī)，工控機(jī)計(jì)算出鋼管的長(zhǎng)度 。 計(jì)算公式： L（鋼管長(zhǎng)度） = L2（產(chǎn)生 最后一個(gè) 中斷信號(hào)光電傳感器至第一對(duì)光電傳感器的距離） L1（旋轉(zhuǎn)編碼器的計(jì)數(shù) 長(zhǎng)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(jì)說(shuō)明書 6 圖 鋼管稱重測(cè)長(zhǎng)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(jì)說(shuō)明書 7 第三章 測(cè)長(zhǎng) 系統(tǒng)控制元件選擇 鋼管測(cè)長(zhǎng)控制系統(tǒng)方案 系統(tǒng)以 Siemens PLC 為控制核心 , 將測(cè)長(zhǎng)、撥料、自動(dòng)鋸、鋸頭設(shè)備、傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)器、管理系統(tǒng)等控制功能全部集成在 計(jì)算機(jī)上 , 實(shí)現(xiàn)了管理、驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集、即時(shí)監(jiān)控、故障診斷等多種功能的綜合自動(dòng)化?？刂圃骷蛨?zhí)行器件均采用了國(guó)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(duì)輥道電機(jī)采用變頻控制 , 將測(cè)長(zhǎng)、定位的準(zhǔn)確性和生產(chǎn)效率很好的結(jié)合起來(lái)。上位機(jī)通過(guò) MPI 總線與 PLC 通信 , 對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。上位機(jī)監(jiān)控軟件穩(wěn)定可靠 , 界面友好 , 操作簡(jiǎn)單 主控制裝置的選擇 PLC 的選擇 可編程序控制器（ Programmable Logic Controller），簡(jiǎn)稱 PLC，是在繼 電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動(dòng)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(jì)算、數(shù)據(jù)處理、計(jì)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(duì)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?jī)?nèi)使用。 PLC則適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jì) 微機(jī)具有豐富的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，如匯編語(yǔ)言、 FORTRAN 語(yǔ)言、 COBOL 語(yǔ)言、PADCAL 語(yǔ)言、 C 語(yǔ)言等，其語(yǔ)句多，語(yǔ)法關(guān)系復(fù)雜，要求使用者必須具有一定水平的計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識(shí)。而 PLC提供給用戶的編程語(yǔ)句數(shù)量少，邏輯簡(jiǎn)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(chǔ)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(jiǎn)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(chǔ)容量 微機(jī)運(yùn)行速度快，一般為微妙級(jí)，因有大量的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，故存儲(chǔ)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(cè)速度為 8ms/K 字。 PLC的軟件少，所編程序也簡(jiǎn)短，故內(nèi)存容量小。 （ 7） 價(jià)格 微機(jī)是通用機(jī)，功能完善，故價(jià)格較高。而 PLC 是專用機(jī)，功能較少，其價(jià)格是微機(jī)的十分之一左右。 從以上幾個(gè)方面的比較可知， PLC 是一種用于自動(dòng)化控制的專用微機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)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(jì)說(shuō)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(jì)人員具有一定的計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識(shí)，對(duì)于只熟悉機(jī)電控制的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，需要一段時(shí)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(yǔ)言，使用的術(shù)語(yǔ)依然是“繼電器”一類的術(shù)語(yǔ)，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(duì)應(yīng)，這就使熟悉機(jī)電控制的工程人員一目了然。對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，不必去關(guān)心微機(jī)的一些技術(shù)問(wèn)題，而只要用較短的時(shí)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(chǎng)。 （ 2） 單片機(jī)不如 PLC 使用簡(jiǎn)單 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(chǎng)與單片機(jī)的連接、接口的擴(kuò)展、輸入 /輸出信號(hào)的處理、接口工作方式等問(wèn)題，除了要設(shè)計(jì)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(lái)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(hào)直接連線，非常方便。輸出接口具有一定的驅(qū)動(dòng)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(wèn)題就是抗干擾能力差。而 PLC 是專門應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合的自動(dòng)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(gè) 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(hào) 參數(shù) 電源 6ES7 3071KA000AA0 負(fù) 載 電 源 120 / 230 VAC:24 VDC / 10 A CP