【正文】 ......................................................................... 61 外文原文和譯文 .......................................................................................................... 62 致謝 .............................................................................................................................. 72 附錄 .............................................................................................................................. 73 — PLC 程序清單 .................................................................................................... 73 1 梯形圖 ........................................................................................................ 73 2 語句表 ........................................................................................................ 76 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文 1 1 引言 軋鋼機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 軋 鋼 機(jī)是實(shí)現(xiàn)金屬軋制過程的設(shè)備。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文 I 摘要 本設(shè)計(jì)闡述了基于 MCGS和 PLC的遠(yuǎn)程軋鋼機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)采用 MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，對軋鋼機(jī)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；下位機(jī)則以西門子 S7200PLC為核心，進(jìn)行軋鋼機(jī)信息的采集和轉(zhuǎn)換，并與上位機(jī)進(jìn)行信息交互 ,上位機(jī)和下位機(jī)通過串口方式進(jìn)行通信，最后實(shí)現(xiàn)以 MCGS為監(jiān)控界面并且以 PLC為編程控制的軋鋼機(jī)控制系統(tǒng)。泛指完成軋材生產(chǎn)全過程的裝備 ， 包括有主要設(shè)備 、 輔助設(shè)備﹑起重運(yùn)輸設(shè)備和附屬設(shè)備等。 19 世紀(jì)中葉 ， 第一臺可逆式板材軋機(jī)在英國投產(chǎn) ， 并軋出了船用鐵板。接著美國出現(xiàn)了勞特式軋 剛 機(jī) 。萬能式型 材軋 剛 機(jī)是在 1872 年出現(xiàn)的 。隨著冶金工業(yè)的發(fā)展 ，軋 剛 機(jī)可按軋輥的排列和數(shù)目分類 ， 可按機(jī)架的排列方式分類 ， 也可按生產(chǎn)的產(chǎn)品分類 ， 現(xiàn)已有多種類型軋 鋼 機(jī) ，但是用以上所述軋鋼機(jī)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)控制時(shí)會造成產(chǎn)品質(zhì)量不高，能源利用率低等，我國正在大力推進(jìn)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)，能 源需求非常 大，然而 我國的能源利用率極低 。 目前，國際上 軋 鋼 機(jī)發(fā)展 的趨向是連續(xù)化 、 自動化 、 專業(yè)化 ， 產(chǎn)品質(zhì)量高 ，消耗低 。軋機(jī)用的原料單重增大 ， 液壓 AGC、 板形控制 、 電子計(jì)算器過程控制及測試手段越來越完善 ， 軋制品種不斷擴(kuò)大。新型的 軋 剛 機(jī)采用了一整套先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)，全線生產(chǎn)過程和操作監(jiān)控均由計(jì)算機(jī)控制實(shí)施 ，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)效率。利用組態(tài)軟件 MCGS 設(shè)計(jì)了軋鋼機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，提供了直觀、清晰、準(zhǔn)確的軋鋼機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)而為維修和故障診斷提供了方便，充分提高了系統(tǒng)的工作效率。 課題來源與意義 MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于 Windows 平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于 Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2021 等操作系統(tǒng)。MCGS 具有操作簡便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性等突出特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過各種現(xiàn)場的長期實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。新型工業(yè)化道路不只講工業(yè)增加值，而是要做到“科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢 得到充分發(fā)揮”，并實(shí)現(xiàn)這幾方面的兼顧和統(tǒng)一。 2 MCGS 與 PLC 的簡介 PLC 可編程序控制器又簡稱，但由于 PC 容易和個(gè)人計(jì)算機(jī)（ Personal Computer）蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文 3 混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用 PLC 作為可編程序控制器的縮寫。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。用戶在購到所需的 PLC 后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將 PLC 應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。 PLC 的特點(diǎn)：可 靠性高，抗干擾能力強(qiáng) ； 硬件配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) ； 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 ； 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造 ； 體積小，重量輕，能耗低 。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文 4 圖 CPU 224 I/O 接口接線 接線圖 PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成為： :PLC 的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。一般交流電壓波動在 +10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將 PLC 直接連接到交流電網(wǎng)上去 。它按照 PLC蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文 5 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。這樣，即使某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。系統(tǒng)存儲器：存放系統(tǒng)管理程序，用只讀存儲器實(shí)現(xiàn)；用戶存儲器：存放 用戶編制的控制程序，一般用 RAM 實(shí)現(xiàn)或固化到只讀存儲器中。 對輸入輸出接口的要求：良好的抗干擾能力；對各類輸入輸出信號（開關(guān)量、模擬量、直流量、交流量）的匹配能力。用戶應(yīng)根據(jù)輸入輸出信號的類型選擇合適的輸入輸出接口。如帶有光耦合器隔離使 PLC 與外部輸入信號進(jìn)行隔離；并設(shè)有 RC 濾波器，用以消除輸入觸點(diǎn)的抖動和外部噪聲干擾。直流輸入模塊的電源一般由機(jī)內(nèi) 24v 電源提供，輸入信號接通時(shí)輸入電流一般小于 10mA；交流輸入模塊的電源一般由用戶提供。開關(guān)量輸出端的負(fù)載電源一般由用戶提供，輸出電流一般不超過 2A。 內(nèi)部電路A CP L CR 1輸 出 指 示 燈繼 電 器輸 出 端 子負(fù) 載用 戶 電 源F UC O MK AV 圖 交直流輸出接口（繼電器輸出型） 輸出端子的兩種接法：隔離式，輸出各自獨(dú)立，無公共點(diǎn)：各輸出端子各自形成獨(dú)立回路；匯點(diǎn)式，全部輸入點(diǎn)（輸出點(diǎn)）共用一個(gè)公共點(diǎn)。各組的公共點(diǎn)之間相互隔離。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文 7 :如計(jì)數(shù)、定位等功能模 塊。 編 程 器其 它 外 設(shè)外設(shè)接口輸入部件系 統(tǒng)程 序存 儲器用 戶程 序存 儲器微 處 理 器 C P U電 源 部 件I / O擴(kuò) 展接 口輸出部件/ O擴(kuò) 展單 元現(xiàn) 場 接 受 信 號驅(qū) 動 受 控 單 元I 圖 plc 的硬件結(jié)構(gòu) PLC 的特點(diǎn) 為適應(yīng)工業(yè)環(huán)境使用，與一般控制裝置相比較， PLC 機(jī)有以下特點(diǎn)： ，抗干擾能力強(qiáng) 。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可 靠性。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時(shí)間則更長。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。用戶在硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文 8 生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變 PLC 的硬設(shè)備，只需改編程序就可以滿足要求。 ，適應(yīng)面廣 現(xiàn)代 PLC 不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動、通信、人機(jī)對話、自檢、記錄顯示等功能。 ，容易掌握 目前，大多數(shù) PLC 仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。梯形圖語言的編程元件的符號和表達(dá)方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。同時(shí)還提供了功能圖、語句表等編程語言。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí) 行梯形圖程序的時(shí)間要長一些，但對于大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。同時(shí)， PLC 的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量。 、重量輕、功耗低、維護(hù)方便 PLC 是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固，體積小，重 量輕，功耗低。以三菱公司的 F140M 型 PLC 為例：其外型尺寸僅為 305 110 110mm，重量 ，功耗小于 25VA；而且具有很好的抗振、適應(yīng)環(huán)境溫、濕度變化的能力。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文 9 PLC 的工作原理 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷 新三個(gè)階段。在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即 I/O 指令則可以直接存取 I/O 點(diǎn)。 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。這時(shí)，才是 PLC 的真正輸出。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。通常用 PLC 執(zhí)行 1K 指令所需時(shí)間來說明其掃描速度。一般為幾十 — 100ms。 PLC 是集中采樣，在程序處理階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入映象寄存器中的內(nèi)容也不會變化，要到下一周期的輸入采樣階段才會改變。這與繼電器控制系統(tǒng) “并行 ”工作有質(zhì)的區(qū)別。 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情 況大致可歸納為如下幾類。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。為了控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。 PLC 可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控 制， 世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合 。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， PLC 能編制各種各樣控制算法程序，完成閉環(huán)控制。大中型 PLC 都有 PID 模塊 ,目前許多小型 PLC 也具有此功能模塊。過程控制在冶金、化工、熱爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼? PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通信。新近生產(chǎn)的 PLC 都具有通信接接口 ,通信非常方便。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出 網(wǎng)絡(luò)就是控制器 的觀點(diǎn)說法。多數(shù) PLC 具有 RS232 接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)論文 12 PLC 的國內(nèi)外狀況 世界上公認(rèn)的第一臺 PLC 是 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）研制的。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。此時(shí)的 PLC 為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用 .程控制器。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程