卷板机控制系统

南京工程学院先进制造技术工程中心毕业设计说明书（论文）目 录 前言1第一章 绪论2 1.1国内外卷板机设备的技术现状2 1.1.1国外卷板设备的技术现状2 1.1.2国内卷板设备的技术现状2 1.2 课题研究意义3 1.3 毕业设计内容3第二章 电气控制系统总体方案设计4 2.1机器结构42.2 工艺过程6 2.3 功能需求分析7 2.4系统方案设计8第三章 电气控制系统图的设计103.1电气控制系统图103.2电气原理图设计11 3.3常用低压电器简介及其选型12 3.3.1常用的低压电器123.3.2低压电器选型12第四章 控制系统的硬件设计13 4.1 可编程逻辑控制器配置13 4.1.1 PLC技术概述13 4.1.2可编程逻辑控制器型号的选择15 4.2 人机界面配置16 4.2.1触摸屏工作原理及选型16 4.2.2触摸屏性能介绍17 4.3传感器配置17 4.3.1 拉线位移传感器17 4.3.2 形程开关18第五章 控制系统的软件设计195.1PLC程序设计19 5.1.1 STEP 7设计软件简介195.1.2 I/O地址分配195.1.3 PLC程序编写20 5.2触摸屏操作界面设计25 5.2.1触摸屏界面设计方法25 5.2.2 系统的操作界面具体设计265.3控制器与上位机通信31 5.3.1 异步串行通信31 5.3.2 PLC与MT6056I通信 31第六章 总结34 致谢36参考文献37附件： 毕业论文光盘资料 - 36 -前 言卷板机是建造海上石油采集平台和生产压力容器所必须的设备。它的功率很大一般在几十千瓦，所以生产厂家大多采用交流电机作为驱动控制部件。一般采用手工操作，这种方式加工效率低，且加工精度难以保证，已不能很好地满足现代市场对产品加工效率和质量的要求，因而必须对卷板机进行简易的数控化改造，以适应市场对卷板机加工效率和精度的要求。随着工业自动化的发展，基于PLC、单片机和PC的自动化系统和自动化设备越来越普及，几乎遍布所用的自动化领域，与之相应的人机界面也应运而生，并得到了同步发展。卷板机是典型机电一体化实例，本次设计是在了解机械结构的基础上，对用户要求进行详细的需求功能分析，采取相应的控制方案，使其满足用户要求。本次设计采用了PLC+触摸屏的控制方案，其实就是控制系统的上位机和下位机，是综合了计算机技术、自动化控制技术和通信技术的一种新型、实用的自动控制装置，被广泛地用于工业控制领域，具有可靠性好稳定性高、实时处理能力强、使用灵活方便、编程容易等特点。第一章 绪 论本章主要介绍有关卷板机的发展状况，具体包括：卷板机的概念、特点、分类、用途、意义、发展、趋势以及关键技术等，然后交代了本次毕业设计的意义，最后介绍了本次毕业设计的主要任务。1.1国内外卷板设备的技术现状卷板机是一种将金属板材弯卷成筒体、锥体、曲面体或其他形体的通用成型设备。该设备广泛用于锅炉、造船、石油、化工、金属结构及机械制造行业。关于卷板机的分类，国外一般以工作辊的配置方式来划分。国内普遍以工作辊数量及调整型式等来分类，一般分为：三辊卷板机（包括对称式三辊卷板机、非对称式三辊卷板机、水平下调式三辊卷板机、倾斜下调式三辊卷板机等）、四辊卷板机、特殊用途卷板机（有船用卷板机、锥体卷板机、双辊卷板机等）。1.1.1国外卷板设备的技术现状目前，国外卷板设备生产水平较高的有瑞士、意大利、德国、日本等国家。这些国家对板厚小于38mm 的板料的卷制，大多采用机械式或机液混合驱动式。对板厚大于40mm 的板料的卷制，多采用全液压驱动式卷板机。由于三辊不对称可调式卷板机较四辊卷板机结构简单、体积小、价格低、耗电少，且具有四辊卷板机便于端部预弯、剩余直边小等特点,已在不少国家得到广泛开发和应用。特别是随着计算机技术的迅猛发展，卷板设备也越来越多的采用计算机实行自动控制，使加工精度、工作效率大大提高，同时减少了工人的劳动强度、改善了工作条件。国外著名厂家的产品有：瑞士 Chr.Haeusler 公司，生产世界上最大的四辊卷板设备VRM-hy 4000150mm冷卷钢板规格为：1504000mm（最大厚度最大宽度），热卷规格为2604000mm，主要用于核工业方面；意大利 PROMAU 公司生产全液压式“DAVI”系列四辊卷板机，它具有自动平衡系统（ABS）、行星摆式回转导轨（PSG）、自动润滑系统（ALS）、节能系统（ESS）；国外生产卷板设备的著名厂家还有西德的瑟尔夫公司、福斯造船及机械公司；英国布郎克公司；日本富士车辆公司等。1.1.2 国内卷板设备的技术现状科学技术的发展和对国外卷板技术的不断学习和引进，使我国卷板设备的生产技术有了很大提高。近几年，我国生产的三辊水平下调卷板机和四辊卷板机越来越多地代替了在卷板设备中一直占据主要地位的对称三辊卷板机。随着液压产品生产技术不断进步，国产液压元件的精度、性能已达到较高的水平。所以，液压传动也越来越多的应用于卷板设备中。目前，用于卷制中薄板的小功率卷板机多采用机械传动或机液混合驱动，用于卷制厚板的大功率卷板机多采用液压驱动或多电机同时驱动。但由于我国机械加工设备水平与加工技术水平与世界发达国家相比，仍有一定的差距，所生产的机械零部件和液压元件的加工精度达不到设计要求，因机械摩擦造成的机械损失和因泄漏造成的液压损失较高。所以卷制同等规格的钢板，所需卷板机功率要高于国外的卷板机，使得卷板设备体积庞大，形体笨重。另外，我国引进国外数控卷板技术，在数控卷板工艺和设备研究方面作了大量工作。但无论国内还是国外的卷板机，从数控技术的实现上看，还均不能达到令人满意的结果，还不能根据被卷制坯料的材质、规格尺寸、卷曲曲率等，正确计算和调整工艺参数，达到真正的全自动控制，而是需要较多的人工干预。国内生产卷板设备的厂家有一重、二重、沈阳重型机械厂、太原重型机械厂、南京环力重工机械公司等。1.2 课题研究意义本次设计是结合工厂的实际需求对水平下调卷板机电气控制部分进行了详细的设计，符合所学专业，把电、机、液三个部分有机的结合在一起，使课程有所延续，提高了学生学习的积极性、分析问题及解决问题的能力，在其设计过程中综合考虑各个方面，如：方案的确定、设计成本、可扩展性等多方面因素，再结合本专业学以致用的特色，具有一定的实际意义，同时为以后从事电气设计行业打下了扎实的基础。1.3 毕业设计内容1查阅资料，了解水平下调三辊卷板机机械本体结构，明确其工作原理。2明确控制对象，并对需求功能进行详细的分析，确定控制方案并画出整体控制框图。3结合控制对象，绘制控制系统的原理图，并对所用低压电器进行选型。4结合功能需求分析，对I/O口进行地址分配、绘制工作流程图、编写可编程逻辑控制器梯形图，绘制人机界面并进行调试。5利用现有的设备，对整个系统模拟联机调试并进行相应的改进。第二章 电气控制系统总体方案设计2.1机器结构本次毕业设计的水平下调式卷板机下辊可水平移动、下辊间距固定、能够实现预弯功能、上辊可上下运动，因此可灵活的变成对称式和非对称式三辊卷板机，既具有对称三辊卷板机结构简单、紧凑、工作辊受力性能好的特点，又具有非对称式三辊卷板机不用调头即可预弯端头的优点。其图如图2.1 所示，可划分为工作辊传动系统、支承辊装置、翻倒机构、平衡装置、制动系统及机架六个部分。1工作辊传动系统该机器有一个上辊和两个下辊为工作辊，上辊由两侧的两个机架支承并安装在一整体机座上。下辊轴承座安置机座上，可沿机座上的导轨水平移动。由于该机器主要是用来卷制25mm32mm 的普通碳素结构钢板，所需驱动功率是很大，不必采用全驱动，因此它采用下辊驱动的方式，即上辊作为被动辊。工作辊传动系统分主、辅传动系统，主传动为两下辊的旋转运动，辅传动为下辊的水平移动和上辊的上下移动。上辊的上下移动可同步移动也可分别移动。主传动系统：它是采用机械传动，即：电机减速器联轴器下辊。辅助传动系统：（1）下辊的水平移动也是采用机械传动：电机减速器蜗轮蜗杆传动螺母传动下辊轴承座。（2）上辊的上升、下降是采用液压的传动方式：泵站液压缸上辊（或下辊）轴承座。2支承辊装置三辊卷板机在工作过程中，上辊下压、下辊旋转，使板料绕上辊发生连续弯曲，从而卷制出筒体。一般来讲，卷板机的上辊直径大、刚性较好，下辊直径较小，刚性不如上辊。如果卷板时上辊的压下力较大，而下辊的刚度不足时，就会使辊轴在卷制筒体的过程中发生变形而出现挠曲，使得卷出的筒体中间部位曲率半径变大而形成鼓状，当板料宽度越大或卷制筒体直径较小时。这种鼓体变形越严重。为防止工作辊挠曲变形而引起的工作精度低，影响卷板质量，卷板机设置有支承辊装置。图2.1 水平下调卷板机结构简图1、减速器 2、制动器 3、平衡装置 4、主电机 5、频敏变阻器 6、万向连器7、左机架 8、右机架 9、上辊 10、支承辊 11、减速器 12、平移电机 13、右机架 14、翻倒缸 15、固定侧油缸 16、翻倒侧油缸3翻倒机构为方便卸下卷制成形的筒件，必须设置倾倒机构，使右侧活动机架实现翻倒、复位动作。翻倒机构由翻倒绕轴、翻倒油缸等组成。右侧活动机架安装有锥形轴承，该锥形轴承支承上辊右端轴径。右机架翻倒前，上辊中心线必须位于设备中心，上辊也必须位于最高位置；卸料时右机架及轴承体由外力驱动绕销轴转动倾倒090，实现翻倒。右机架翻倒后，锥形轴承与上辊脱开，便于从上辊取出工件。卷制时由液压缸复位支承上辊。4平衡装置平衡装置是为了在卷板完成后卸下卷制成形的筒件而设置的。当翻倒机架翻倒后由于平衡装置的作用，翻倒侧上辊处于悬臂状态，它采用是下压式，当上辊到位后压下行程开关，同时上辊左端接触平衡装置的下压块，此时按下翻倒运行按钮即可翻倒运行。5制动系统由于卷板机运行工况以带负载频繁启动、制动为特征，所以主运动（下辊的旋转运动）机构必须设置制动系统，以减少转动惯量，提高运动精度和运动的平稳性。它采用的是：在主电机的输出轴加液压制动器，当主电机得电时，液压制动器同时得电，使得液压制动器打开；当主电机丢失电压，液压制动器也丢失电压，制动器收缩，对主电机输出轴进行抱闸。6机架机架部分包括底座、左右半机架。左右半机架分别由结构件焊接而成；机架的下部用螺栓和平键固定在底座上。底座采用钢板焊接而成。所有焊接件均经过退火处理，消除应力，防止变形。2.2工艺过程 卷板时，将板料放在上、下工作辊之间。上辊垂直升降，两下辊做旋转运动且相对于上辊轴心面水平移动。上辊下降时，板材在上下工作辊之间发生塑性变形而弯曲。下辊连续旋转通过板与辊之间的摩擦力带动钢板进、退，完成卷制， 卷板是利用卷板机对板料进行连续三点弯曲的过程。如图2.2所示，卷板工艺过程大致分为4步：a.预弯。卷板时平板两端各有一段长度由于接触不到上辊而不发生弯曲，称为剩余直边，工艺上将平板开始弯曲的最小力臂叫做理论剩余直边，其大小与设备结构及其弯曲形式（对称弯曲，不对称弯曲）有关。b.对中。对中的目的是使工件母线与辊筒轴平行，防止产生扭斜。c.卷圆。卷圆是产品成形的主过程，分一次进给与多次进给两种，卷制厚板常用多次进给。进给次数取决于工艺限制条件（如冷卷时不得超过允许的最大变形）及设备限制条件（如不打滑条件和功率条件）。冷卷回弹量显著时，须加一定的过卷量。d、矫圆。矫圆的目的是尽可能使整圆曲率均匀一致，保证产品质量。一般矫圆工序分三个工步：（1）加载：根据经验或计算将工作辊调到所需的最大矫正曲率的位置。（2）滚圆：将辊筒在矫正曲率下滚卷 12 圈，使整卷曲率均匀一致。（3）卸载:逐渐卸除载荷，使工件在逐渐减少的矫正载荷下多次滚卷。 b)对中c)卷圆d)矫圆图2.2 卷板工艺过程a)预弯 2.3功能需求分析通过学习和借鉴埃斯顿公司的设计方式，采用人机对话式的电气交互控制系统。根据用户所要求的水平下调卷板机基本功能，对其任务进行分解，并结合其机器的发展形态，按照毕业设计具体要求，其电气控制系统应具备的功能如下：1具有手提和操作台两种操作方式由于在卷板的过程中操作人员需随时调整机器上辊或下辊的位置，为了便于操作，此时需要手提装置。2具有自动定位功能在卷板机批量卷板的过程，我们可以记录前一次上辊和下辊的位置，输入要走到的位置，机器将自动定位到前一次的位置，节省了每次卷板前调整上下辊位置所用的时间，从而提高加工效率。3参数可在线修改参数的在线修改可满足各个用户的不同要求，使得机器具有一定扩展性，具有数据交换、控制命令传输等功能，因此，控制器间的控制命令传输必不可少，要求控制系统具有通信功能。如：当机器编码器破损后，维修人员只要更换上一个新的位移编码器，然后对脉冲当量进行适当的设置就可以了，无需选择相同型号的编码器，便于维修。4要求对整个系统进行实时监测卷板机的功率一般很大，在其运行的过程中安全问题显的尤为重要，通过PLC程序的编制，限制一些误动作，并及时发出相信的报警信号，从而减少事故的发生。5实现上辊同步升降、单独升降、也可在倾斜状态下同升同降在上辊同步升降时，要求上辊翻倒侧和固定侧同时上升或下降，由于上辊升降是靠两个液压缸实现的，因此要控制两个液压缸的同步，实际上零误差的同步我们是没法达到的，我依靠拉线位移传感器的对固定侧和翻倒侧上辊的位置不断地监测，做差与给定误差进行比较，然后进行相应的动作，将其差值控制在一定的范围之内。用户给定同步误差要适当，过小会使得电磁阀频繁得点，减少机器的寿命，同时由于传感器的精度的限制，过小的同步误差也不能实现；同步误差过大会降低定位精度。在倾斜状态下同升同降，有利于锥体的卷制。6具有制动系统由于卷板机运行工况以带负载频繁启动、制动为特征，所以主运动（下辊的旋转运动）机构必须设置制动系统，以减少转动惯量，提高运动精度和运动的平稳性。7.电气系统应具有完善的保护环节在电气控制系统的设计与运行中，必须考虑系统发生各种故障和不正常工作情况的可能性，需设有各种保护，如：过电流、过载、短路、失电压、断相保护等。2.4系统方案设计在现代化控制系统中，一般都少不了可编程逻辑控制器和触摸屏，在这总控制系统中，人机界面可实现操作人员和机器设备的人机对话，可编程逻辑控制器可实现对机器部件的直接操作和状态监控。由于这种控制结构具有设计方便、速度快、开发周期较短、可靠性强、安全系数高，同时这种系统具有可在系统中改变参数、扩展性好、易于控制、成本十分低廉等诸多优点。可见，采用这种控制系统的设计方式非常适合水平下调卷板机的控制。人机界面，用于用户的登录、状态监视、参数传递，把计算结果传送给可编程逻辑控制器。可编程逻辑控制器，通过梯形图直接控制被控对象，如：平移电机、主电机（下辊旋转电机）、液压站电机，同时也可把计算结果传给人机界面予以处理和现实。水平下调卷板机总体控制系统框图如图2.3所示。 开关量输入开关量输出可编程逻辑控制器（PLC）按钮及限位信号绝对式光电编码器 电磁阀电磁阀中间继电器卷板机上辊、下辊位置交流接触器电机可触摸液晶显示屏图2.3 电气控制系统框图 第三章 电气控制系统图设计3.1电气控制系统图电气控制系统是由电气控制元件按一定要求联接而成。为了清晰地表达生产机械电器控制系统的工作原理，便于系统的安装、调整、使用和维修，将电气控制系统中的各电气元器件用一定的图形符号和文字符号来表示，再将其联接情况用一定的图形表达出来，这种图形就是电气控制系统图。常用的电气控制系统图有电气原理图、电器布置图与安装接线图。1电气原理图电气原理图是用来表示电路各电气元器件中导电部件的连接关系和工作原理的图。该图应根据简单、清晰的原则，采用电气元器件展开形式来绘制，它不按电气元器件的实际位置来画，也不反映电气元器件的大小、安装位置，只用电气元件的导电部件及其接线端按国家标准规定的图形符号来表示电气元器件，用导线将这些导电部件连接起来以反映其连接关系。所以电气原理图结构简单、层次分明、关系明确，适用于分析研究电路的工作原理。2电器布置图 电器元件布置图是用来表明电气原理图中各元器件的实际安装位置，可视电气控制系统复杂程度采取集中绘制和单独绘制。常画的有电气控制箱中的电器元件布置图、控制面板图等。电器元件布置图是控制设备生产及维护的技术文件，电器元件的布置应注意以下几方面： （1）体积大和较重的电器元件应安装在电器安装板下方，而发热元件应安装在电气安装板的上面。 （2）强电、弱点应分开，弱电应屏蔽，防止外界干扰。 （3）需要经常维护、检修、调整的电器元件安装位置不宜过过低。 （4）电器元件的布置应考虑整齐、美观、对称。外形尺寸与结构类型的电器安装在一起，便于安装和配线。 （5）电器元件布置不宜过密，应留有一定的余量。如有走线槽，应加大各排电器间距，便于布线和维修。3安装接线图安装接线图组要用于电器的安装接线、线路检查、线路维修和故障处理，通常接线图与电气原理图和元器件布置图一起使用。接线图表示出项目的相对位置、项目代号、端子、导线号、导线型号、导线截面等内容。接线图中的各个项目（如元件、器件、部件、组件、成套设备等）采用简化外形（如正方形、矩形、圆形）表示，简化外形旁应标注项目代号，并与电气原理图的标志一致。3.2电气原理图的设计本控制系统的电气原理图采用AUTOCAD 2008绘制完成的。其电气原理图见附件。它由主电机正反转、平移电机正反转、油泵电机、电源电路、PLC控制电路等其它辅助电路组成。下辊正反转电机为三相绕线式，NP8Y频敏变阻器直接连接于电动机的转子回路中，不需另装接触器等短路设备，能使电动机获得接近恒转矩的机械特性，该变阻器是一种静止无触点的电磁元件，相当于一个等值阻抗。在电动机启动过程中，由于等值阻抗随转子电流减小而自动下降（自动变阻），从而只需一级变阻器，就能使电动机完成平稳起动，它主要用于启动转矩大的场合。平移电机为普通三相异步交流电机，它通过两个交流接触器的主触点实现正反转，设有电气互锁电路。油泵电机也是三相交流异步电机，由于功率较大，采用Y-降压启动，降低启动电流。电源电路的设计主要是生成低压元件所需的2相AC220V和DC24V电源。其中DC24V电源在本系统中使用较多，主要供中间继电器、按钮、指示灯等元件使用。为了便于现场施工时操作方便以及保证CPU工作的可靠性，在机柜中加入了AC220V电源和隔离变压器，由于电磁阀为感性负载，故加入滤波器来提高系统电压稳定性。电气控制系统必须在安全可靠地前提下满足生产工艺要求，为此在电气控制系统的设计中，必须考虑系统发生各种故障和不正常工作的可能性，在控制系统中设置各种保护装置以实现各种保护。所以保护环节是所有电气控制系统不可缺少的组成部分。常用的保护环节有过载、短路、过电压、失电压、断相等保护。电路中所用的断路器（QF0、QF1、QF2、QF3、QF4）除了能起到短路、欠电压、失电压保护，还能起到手动开关的作用；熔断器有在小容量控制电路上实现短路保护；选用的热继电器除了具有过载保护还具有断相保护功能。3.3常用低压电器简介及选型低压电器是指工作在直流1200V、交流1500V及以下的电路中，以实现对电路或非电对象的控制、检测、保护、变换、调节等作用的电器。采用电磁原理构成的低压电器，称为电磁式低压电器；利用集成电路或电子元件构成的低压电器，称为电子式低压电器；利用现代控制原理构成的低压电器，称为自动化电器、智能化电器或可通信电器等。3.3.1 常用的低压电器本控制系统常用的低压电器元件：1断路器低压断路器又称自动空气开关，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护的开关电器。2熔断器熔断器是一种当电流超过规定值一定时间后，以它本身产生的热量使熔体融化而分断电路器件。主要用于对单相交流电路的保护，一般不用在三相电路中作为保护，因为当三相电路发生短路时，很可能只有一相的熔断器熔断，造成单相运行。而低压断路器，只要造成短路都会使开关跳闸，将三相电源全部切断。3.交流接触器 交流接触器是一种用于中远距离频繁地接通与断开交直流主电路及大容量控制电路的一种自动开关电器。主要用于自动控制交、直流电动机，电热设备，电容器组等设备。接触器具有大的执行机构，大容量的主触点及迅速熄灭电弧的能力。当电路发生故障时，能迅速、可靠地切断电源，与保护电器配合可用于电动机的控制及保护，应用十分广泛。4.热继电器热继电器是利用电流流过发热元件产生热量来使检测元件受热弯曲，进而推动机构动作的一种保护电器。由于发热元件具有热惯性，在电路中不能用于瞬时过载保护，主要用作电动机的长期过载保护。5.控制按钮控制按钮是一种简单应用的主令电器。主要用于远距离操作具有电磁线圈的电器，如接触器、继电器等 也用在控制电路中发布指令和执行电气互锁。3.3.2低压电器的选型低压电器选型的一般原则：a.低压电器的额定电压不应小于回路的工作电压，即Ue Ug。b.低压电器的额定电流应不小于回路的计算工作电流，即IeIg。 c.设备的遮断电流应不小于短路电流，即IzhIch e.按回路起动情况选择低压电器。如，熔断器就需按起动情况进行选择。具体元件的型号见附件。第四章 控制系统的硬件设计硬件电路是整个机器控制系统的基础平台，所以对本系统中的硬件电路进行具体分析是必要的。本系统的核心部件是PLC主控制器，其它配套硬件的分析主要包括：上触摸屏配置、系统I/O模块配置等。4.1 可编程逻辑控制器配置4.1.1PLC技术概述可编程序控制器(Programmable Logic controller)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型通用工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、编程方便、可靠性高、耐恶劣环境能力强等优点，已广泛应用于工业自动化生产的各个领域，成为工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，与机器人技术、CAD/CAM并列称为工业生产自动化的三大支柱。国际电工委员会(IEC)对PLC定义如下:PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体、易于扩展其功能的原则设计。1可编程序控制器的基本结构从广义上讲，PLC是一种计算机系统，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的输入输出接口，具有更适用于控制的编程语言，具有更适应工业环境的抗干扰性能。其结构和计算机控制系统十分相似，一般由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)接口、电源等部分组成。由于PLC的中央处理器都是由微处理器、单片机组成，存储器和1/0部件也形式多样，按照结构形式的不同，PLC还可以分为整体式结构和组合式结构。区别在于整体式的结构将CPU、RAM、ROM、I/O单元等组装成一个主体，构成主机，其结构示意图如图4.1所示。组合式的结构是将PLC的各个部分分别做成相应的电路板或模块，模块之间通过底板上的总线相互连接。无论是哪种结构类型的PLC，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量。PLC的系统程序和用户程序都存放在存储器中，现场输入信号经过I/O单元传送至CPU，CPU按照用户程序存储器里的指令，执行逻辑或算术运算，并发PLC打印机编辑器上位机存 储 器 图4.1 整体式PLC组成示意图I/O扩展口 用户程序存储器系统程序存储器外设接口 C P U 用户输入设备块输入单元用户输出设备输出单元I/O扩展单元特殊功能单元电 源 出相应的控制指令，该指令通过I/O单元传送至现场，驱动相应的执行机构动作，从而完成相应的控制任务。2PLC的基本工作原理和主要技术指标PLC的工作方式与微型计算机的中断处理方式相比，有很大的不同。微机一般采用等待命令的工作方式，PLC则采用循环扫描的工作方式。在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直至遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程如图4.2 所示。这个过程分为数据输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段三个阶段。整个过程进行一次所需的时间成为扫描周期。在数据输入采样阶段，PLC以扫描方式读入所有输入端的通/断状态并存入输入映像存储区中，接着转入用户程序执行阶段。在非输入采样阶段，无论输入状态如何变化，输入映像存储区的内容都保持不变，直到进入下一个扫描周期的输入采样阶段，PLC才会将输入端的状态读入输入映像存储区中。在程序执行阶段，根据梯形图程序先左后右、先上后下的扫描原则，顺序执行用户程序指令。程序执行结果并不直接输出，而是将其写入输出映像存储区。输出映像存储区中的每一位会随着程序执行的进程而变化。输出数据及处理阶段，在户程序执行完，集中把输出映像存储区中的继电器通/断状态传送至输出状态锁存器，再经输出驱动电路，进行隔离和功率放大去驱动外部负载。输入端子输入滤波及光耦隔离输出映像寄存器输入映像寄存器梯形图用户执行程序输出状态锁存器输出驱动电路输出端子输入缓冲器扫 描 周 期输入采样阶段程序执行输出刷新阶段图4.2 PLC 扫描工作过程 根据上述PLC的扫描工作过程，扫描周期是PLC一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫秒。从PLC输入端有一个输入信号发生变化到输出端对该变化做出反应，需要一段时间，这段时间就称为PLC的响应时间或滞后时间。影响I/O滞后的主要原因有:输入滤波的时间常数，输出继电器的机械滞后，程序执行的时间，程序设计不当的附加影响等。毫秒级的扫描时间对于一般工业设备通常是可以接受的，PLC的响应滞后是允许的，但是对某些I/O快速响应的设备，则应采取相应的处理措施。如选用高速CPU，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。对用户来说，选择了一个PLC，合理的编制程序是缩短响应时间的关键。4.1.2可编程逻辑控制器型号的选择1PLC机型选择PLC的选择一般从基本性能、特殊功能和通信联网三方面考虑。选择的基本原则是在满足控制要求的前提下力争最好的性能价格比，并且有一定的先进性和良好的售后服务。对于水平下调的控制系统而言，工艺卷板过程固定、环境条件一般，维修量比较小等，选用整体式结构的PLC机型比较合适。PLC选型时具体考虑如下几个方面要求:(1)性能和任务的相适应:该系统多数是开关量控制的，对控制的速度要求不是很高，多是顺序控制和多模式的自动控制。选用小型的PLC(如西门子公司S7-200型机)能满足要求。(2)I/0点的估算:根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，一般应加上10%一15%的备用量。考虑因素包括开关量输入/输出、定时器/计数器数量、模拟量、通讯接口等。本系统的主要从开关量、定时计数、通信接口三方面的估算I/O点数。其开关量的输入/输出见表5.1。(3)用户的存储容量的估算:PLC的用户程序存储器的容量以步为单位，每一步可存储一条指令。对于仅有开关量控制功能的小型PLC，可以把PLC的总点数乘以10，作为估算用户存储容量的依据。(4)系统对PLC的响应速度要求:从PLC语句的处理时间和扫描周期两方面来考虑。对于开关量的系统响应速度一般可满足，对于模拟量控制的系统，而且有环控制要根据手册计算。(5)是否有特殊控制要求，如：是否需要采集模拟量、是否需要对高速脉冲进行计数。综合考虑以上五点，本控制系统采用西门子S7-200系列(CPU224、16DI/10DO)PLC和EM223扩展模块（16DI/DO）就能满足要求。具体参数见表4.1所示。表4.1 CPU224、EM223主要技术指标参数型号 外形尺寸/mm程序（字）执行速度I/O点数高速计数器通信口数量CPU224120.5*80*6240960.37us/指令14入/10出6（30kHz）1（RS485）EM223138*80*62无/16入/16出 / /4.2人机界面配置在自动化生产与控制中，需要一种人机交互设备实现人与系统的数据和命换。在其控制系统中，选择触摸屏为系统的人机交互设备，主要完成数据的输入、显示功能。系统运行时需要用户设定的控制参数主要包括:软限位值、控制精度、脉冲当量、翻倒复位时间等。触摸屏这些控制信息通过串口将它们传送给PLC，PLC按照用户所输入的参数，使得各部件协调运动，完成卷板任务。同时在卷板过程中监控工作运行中的状态参数。4.2.1触摸屏工作原理及选型为了操作方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成，触摸部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送至触摸屏控制器，控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。触摸屏是显示器和触摸开关一体型的可编程终端，简称PT，是新一代高机界面产品。用它作为人机界面，具有交互性好性高、编程简单以及与PLC连接简便等优点。触摸屏也从低档向高档发展，从红外线式、电阻式到电容感应式，到现在表面声波触摸屏和五线电阻触摸屏，性能越来越可靠，技术越来越先进。在此控制系统中，触摸屏主要完成显示、输入功能，对触摸屏的要求有足够的画面数据存储器；有足够的分辨率和显示亮度；有基本的串行通信功能；这样就可以满足基于控制的要求。以次为原则选用了威纶MT6056I触摸屏。4.2.2触摸屏性能介绍威纶触摸屏是工业触摸屏领域的优秀代表，它能够理想、生动地显示单片机、PLC、PC机上的数据信息，并直接支持市面上大多数的PLC产品，功能强。MT6056i是该公司生产的4线模拟电阻式(表面硬度4H)工业触摸屏, 采用400MHz CPU、128MB 内存配置，支持各主要生产厂家的PLC产品，功能强大、使用方便、可靠性高、寿命性价比高,本控制系统采用5.6寸彩色DSTN液晶触摸屏，320x234点像素，支持65536色显示，反应速度快，显示亮度为300(cd/m2)，电源电压为DC24V，430mA，基于MT6056i的上述功能特点，结合此控制系统的功能要求， MT6056i完成系统的参数传递、实时监控、显示等功能。4.3传感器配置 传感器是把被测量（包括物理量、几何量、生物量、化学量等）变换为有用的电信号的一种装置。传感器具有两种功能：其一是敏感作用，即对被测对象做出敏感反应，以完成对北侧对象的信号拾取；其二是变换作用，即将被测非电量变换为电量输出。传感器输出的电信号经过调整和接口输入微机进行分析处理，提取有用信息，在通过控制系统、驱动系统和执行机构，对机电一体化系统实现自动控制。4.3.1拉线位移传感器将旋转角度转换为数字量的传感器称为旋转编码器。拉线位移传感器的工作原理等同于旋转编码器工作原理，旋转编码器分为增量式编码器和绝对式编码器，增量式编码器开机后要回零点，而绝对编码器开机后无需此动作且精度高于增量式编码器。由于卷板机加工零件的精度无需太高，编码器主要用来控制上辊同步运行和自动定位功能。故采用分辨率2500线/转绝对编码器就可满足控制要求。 图4.3 旋转编码器的结构示意图绝对编码器的机构如图4.3所示，在发光二极管和光敏二极管之间由旋转码盘隔开，在码盘上刻有栅缝。当旋转码盘转动时，光敏二极管断续地接受发光二极管发出的光，输出方波信号，通过可编程逻辑控制器的高数计数器，记录其脉冲个数，脉冲个数乘以脉冲当量就是移动的距离。绝对编码器则通过与位数相对应的发光二极管与光敏二极管对输出的二进制码来检测旋转角度。 图4.3 旋转编码器的结构示意图4.3.2行程开关依据生产机器的行程发出命令，以控制其运动方向和行程长短的主令电器称为行程开关。本控制系统的行程开关主要起到限位的作用，将行程开关安装于生产机器行程的终点处，它可分为有触点和无触点两种。由于无触点行程开关（接近开关）在实际工作中易于损坏，故选用机械式行程开关。其选用原则： 1.根据应用场合及控制对象选择。2.根据安装使用环境使用防护型式。3.根据控制电路的电压和电流选择行程开关系列。4.根据运动机械与行程开关的传力和位移关系选择行程开关的头部型式。 第五章 软件设计其控制系统由软件和硬件两大部分组成，核心PLC主要完成控制功能，触摸屏主要完成信息显示、参数输入、监控功能。不论是PLC，还是触摸屏，均需合理的编写程序。控制系统软件设计主要包括PLC控制程序的设计和触摸屏组态流程设计。 5.1 PLC程序设计5.1.1 STEP 7设计软件简介S7-200拥有功能强大的视窗编辑软件STEP 7，此软件具有强大的显示、监控功能和完善的调试、维护功能，使编程开发、系统维护更为简单有效。我们可以运用此软件在Windows的环境中对PLC进行编程调试，其中主要包括对PLC基本参数的确定(PLC的类型、通信接口)、配置PLC的主要功能参数(I/O存储区地址分配)、编辑梯形图并调试等。这样系统设计中所需的主要功能可以通过此软件调试编程实现，外围加以硬件的设计就可以实现此功能系统中的应用。5.1.2 I/O地址分配系统I/O地址分配按照同一设备所在I/O地址相同的原则，如：卷板机上辊的上升、下辊的水平移动等设备的分配地址如表5.1所示，同时分配地址时还要考虑在调试中可能临时加入的输入输出点，一般是留有总点数的10%-20%的余量。表5.1 I/O地址分配输入端子端子说明输出端子端子说明I1.0水平左限位Q0.0下辊正转输出I1.1水平右限位Q0.1下辊反转输出I1.2上辊上位Q0.2水平前移输出I1.3翻倒到位Q0.3水平后移输出I1.4复位到位Q0.4油泵启动输出I2.0油泵启动Q0.5备用I2.1油泵停止Q0.6翻倒阀I2.2翻倒复位Q0.7YV2I2.3翻倒运行按钮Q2.0阀复位I2.4油泵启动完成Q2.1YV4I2.5备 用Q2.2阀固定降I2.6备 用Q2.3阀_翻倒降I2.7上辊上升按钮Q2.4复位到位指示灯I3.0上辊下降按钮Q2.5上辊上位指示灯I3.1翻倒侧降按按钮Q2.6上辊中央指示灯I3.2固定侧降按按钮Q2.7故障报警指示灯I3.3上辊左移按钮Q3.0油泵运行指示灯I3.4上辊右移按钮Q3.1翻倒运行指示灯I3.5下辊正转按钮Q3.4-Q3.7备 用I3.6下辊反转按钮I3.7备 用5.1.3 PLC程序编写对于PLC程序设计，STEP7为我们提供了三种方法。基于这些方法，我们可以选择最适合的应用程序设计方法。这三种方法分别为线性化编程、模块化编程和结构化编程。由于我们需要控制的工艺相对而言较繁杂，所以我们采用模块化编程和结构化编程相结合的方法来实现控制。由于STEP7软件结构是基于面向对象的思路而开发，因此，使得我们基于这一思路而设计程序变得简单易行。S7-200PLC把程序分为三大类：主程序、子程序和中断程序。在实际应用中有些程序内容可能被反复使用，这些可能被反复使用的程序往往编成一个独立的程序块，存放在程序的某一个区域中，程序的模块化是结构化程序设计方法的核心思想，通过程序块的组合来完成一个大的复杂的应用程序的编写。执行程序时可随时反复调用这些程序块，避免了重复输入，这些程序块可以带一些参数，也可以不带参数，这类程序块被叫做子程序，它具有特定功能，并且可以多次反复使用。本次PLC包含的子程序有：1.上辊：控制各个电磁阀通断电，使翻倒缸、上辊产生相应动作。2.高度：限制翻倒侧与固定侧位置的差值，避免上辊两端轴承因受力不均衡被拉坏。其控制流程图如图5.1 所示。翻倒侧位置固定侧位置高度差？翻倒侧位置固定侧位置高度差固定侧位置翻倒侧位置高度差翻倒侧升总条件、固定侧降总条件翻倒侧降总条件、固定侧升总条件无限制结 束 图5.1 高度差限制流程图开始NO YES 3.自动走位：本程序是上辊的自动走位，它便于同类板型的卷制，提高工作效率。输入上辊位置并点击上辊“走位”按钮，就可激活自动走位功能，当然要使其运行还要满足一些必备的条件，其控制流程图如图5.2所示。油泵启动？翻倒侧升总条件翻倒侧降总条件固定侧升总条件固定侧降总条件翻倒侧升条件翻倒侧降条件固定侧升条件翻倒侧降条件翻倒侧升翻倒侧降固定侧升固定侧降结 束上辊位移超过最大下压值？上辊在上位？准 备NO上辊位置固定侧位置(翻倒侧位置)定位误差？YESYESYESNONOYESNO 5.2 自动走位流程图 4升降同步：其主要实现上辊同升、同降功能并且在倾斜状态下也能实现同步升降。其流程图如图5.3所示，从流程图中可以看出，它是通过同步误差的控制使得翻倒侧和固定侧液压缸电磁阀不断得电，从而实现同步。翻倒侧位置固定侧位置倾斜设置高度差固定侧位置翻倒侧位置倾斜设置高度差翻倒侧升条件、固定侧降条件制翻倒侧降条件、固定侧升条件制结 束准 备翻倒侧位置固定侧位置倾斜设置值同步误差？NOYES图5.3 升降同步控制流程图 5.位置读取：读取上辊、下辊的位置，它是执行上辊、下辊自动走位的前提要素。该程序通过高数计数器计数脉冲个数，并在可编程逻辑控制器内执行相应的运算，把运算结果送给触摸屏并予以显示。6.平移零点：确定下辊的中间位置，为了翻倒运行做准备，防止在翻倒运行时，由于人为地疏忽，翻倒缸压至下辊，从而破坏翻倒缸。7转向:此程序用来处理主电机的旋转方向，并把转向信号传送触摸屏，通过触摸屏程序处理此信号，做出动画用来演示辊的转向。由于该电机功率比较大，为了保护电机，要求正反转之间的切换应有停止的动作。8Alarm:此程序用于报警，主要是限制用户一些误操作并给用户予以内容显示。其部分操作的成立条件由表5.2所示。否则给予报警。表5.2 各部件动作前提要素序号动作前提条件1上辊同升、翻倒侧升、固定侧升上辊不在上位、油泵启动、复位到位2上辊同降、翻倒侧降、固定侧降没有超过最大下压值、油泵启动、复位到位3翻倒运行上辊在上位、油泵启动4前移没有超过前限位值、前限位行程开关没动作、下辊不旋转5后移没有超过后限位值、后限位行程开关没动作、下辊不旋转9自动平移：实现下辊的自动走位，在卷制同类零件时，节约了对中工序的时间,从而提高了加工效率。其工作流程如图5.4所示。10翻倒：是对高数计数器的控制字进行相应的设置，主要完成其初始化，当每次关机重启之后，我们并不知道辊当前处于什么位置，所以我们要对高速计数器进行初始化。在主程序中用首次扫描周期的特殊内部存储器SM0.1去调用一个子程序，完成初始化操作。固定、平移的作用类似翻倒作用，都是用来初始化。11油泵的启动：该油泵电机是采用的是Y-降压启动。平移位置软限位值？平移值当前位置平移误差？硬限位动作？平移值当前位置平移误差当前位置平移值平移误差水平右移水平左移准 备结 束图5.4 自动平移流程图YESNOYESNONOYES 5.2触摸屏操作界面设计5.2.1触摸屏界面的设计方法人机界面的主要任务是迅速获取、处理应用系统运行过程中的数据、命令，并以适当的方式显示出来。人机界面的形式多种多样，在设计时会存在不同的设计思路和方法。常用的人机界面设计技术有两种方法。1.菜单界面设计:人机界面是PLC应用系统中不可缺少的一部分，它直接关系到应用系统的实用性能。菜单界面设计是近年来应用最为广泛的一种人机界面设计技术，几乎任一个PLC软件产品都使用了菜单界面技术。在菜单界面设计时，通常应遵循以下几个设计原则：(1)合理组织界面的层次和结构。例如：EB8000菜单系统，最多可达6层。(2)每幅菜单应有一个明确的标题。例如：第一层菜单通常可命名为主菜单，主菜单中的菜单项反映了该PLC应用系统的基本功能。(3)菜单项的排列可依据使用功能、使用频率的多少或字母顺序排列。对于下拉式菜单中的菜单项，要合理地归类、分组排列。(4)为使菜单界面使用灵活，应提供多种点击菜单的方法。通常可支持鼠标和键盘，对菜单项可定义热键和加速键。2图形界面设计方式在PLC控制系统中，图形界面也是常常采用的人机交互式界面。为了照顾工程人员的习惯用法，在屏幕上形象地画出若干图形、按钮等，使人在计算机或可编程终端上操作，如同在控制台上操作一样，十分形象、直观。5.2.2系统的操作界面设计从基本原理上讲，图形界面与菜单界面是一样的，都是在满足系统控制要求的情况下给用户一个直观的方便的操作交互界面。本系统的触摸屏界面采用的是菜单界面设计方式和图形界面设计方式相结合的方法来设计的，显示系统画面菜单由MT8000系列的人机交互界面软件EB8000设计出的，这些画面菜单组成:初始界面、用户登录界面、主画面、菜单选择界面、用户操作界面、报警画面、参数设置界面、操作简介画面、动态画面等组成。具体设计如下所示:1.初始界面:如图5.5所示，是开机第一界面，主要显示有关信息，包括日期、时间、控制系统类型、中英文切换。点击系统登录按钮就会弹出用户界面登录对话框。图5.5初始界面2用户登录界面:如图5.6所示，通过输入用户的用户号和密码，密码验证正确后方可对机床进行操作，可进行参数的设置、密码的修改同时还能代替控制柜面板所有的按钮。避免非操作人员操作机床时带来不必要的麻烦，同时也利于系统的维护。图5.6 登录界面3主画面:如图5.7所示，它是验证密码成功后显示的第一画面，用来显示上辊、下辊的位置同时可以通过用户的输入位置可实现自动走位功能，还可以用来动态显示，显示辊的转向，显示辊的移动的过程。动态画面是通过EB8000内的宏程序和PLC控制实现的,旋转程序如下：macro_command main() bool forward,rewint forstate,rewstate,i,j,t/get the state of motor directionGetData(forward, SIEMENS S7/200, VW_Bit, 105.5, 1)GetData(rew, SIEMENS S7/200, VW_Bit, 105.6, 1) /cycle calculate the state of forward for i=0 to 2 step 1if forward=1 and rew=0 and forstate2 t