開槽機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開槽機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 近年來我國鋁工業(yè)得到迅猛發(fā)展,2005年我國原鋁產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到780萬噸,在新增加的鋁產(chǎn)量中,幾乎全部采用大型預(yù)焙陽極電解槽生產(chǎn)。 我國鋁電解的設(shè)備裝備水平已經(jīng)接近或達(dá)到世界先進(jìn)水平,但在某些技術(shù)水平上與世界先進(jìn)水平還有一定的差距,如在陽極電流密度、電解槽壽命等方面還存在很大差距。 本文就是依據(jù)電解鋁行業(yè)的發(fā)展對陽極碳塊提出的開槽要求而研制的自動化生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)選用工控機(jī)+西門子S7-200系列PLC作為控制器,根據(jù)控制系統(tǒng)的任務(wù)配置硬件模塊，文中討論了該控制系統(tǒng)的功能和特點(diǎn),給出了部分控制系統(tǒng)的硬件組成及

2、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能和控制框圖,該控制系統(tǒng)的功能基本能滿足生產(chǎn)工藝對生產(chǎn)線的要求。 關(guān)鍵詞：陽極開槽， PLC，控制系統(tǒng) ，開槽機(jī) Slotting machine control system design ABSTRACT Today the aluminum industry developes rapidly in our country, the product of original aluminum already amounted to 7,800,000 tons in 2005, most of the products were produced using

3、 large-scale prebaked anode electrolyzer. The equipment of the aluminum electrolysis has been close to the developed areas in the world. However, there are some disparities in certain technical level, such as the density of anodic current, the life of the electrolyzer and so on. This thesis propos

4、es a solution to anode carbon block in order to improve the performance of the anode carbon block slotting production line. The control system has one PC and one Simens PLC S7-200 which is the ontroller for the motor. The hardware modules were configured according to the assignment of the control.

5、 In this thesis, the design of the hardwares of control system were proposed. The features of the control system, the control software and the construction of the control system were described . The performance of control system can meet the requirements of the production line. KEY WORDS: Anode S

6、lot, PLC, Control System, Slotting Machine 目 錄 摘 要 錯誤！未定義書簽。 Abstract II 前 言 1 第一章 概述 2 §1.1 設(shè)計(jì)背景及意義 2 §1.2 陽極開槽機(jī)控制系統(tǒng)簡介 3 §1.3 陽極開槽機(jī)控制系統(tǒng)要求 3 §1.4 章節(jié)安排 4 第二章 陽極開槽技術(shù)簡介 5 §2.1 陽極的開槽方式 5 §2.2開槽陽極對鋁電解的影響 6 第三章 西門子PLC及其軟件開發(fā)環(huán)境 8 §3.1可編程控制器的概述及發(fā)展?fàn)顩r 8 §3.2 S7-200PLC的軟件簡介 10 §

7、3.3 PLC軟件設(shè)計(jì)一般過程 12 §3.3.1 PLC編程語言 12 §3.3.2 軟件設(shè)計(jì)過程 14 第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 §4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 17 §4.1.1 開槽機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 17 §4.1.2 開槽機(jī)工作流程圖 18 §4.2控制方案選擇 20 §4.2.1 控制系統(tǒng)功能分析 20 §4.3開槽機(jī)具體控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 §4.3.1 電流采集系統(tǒng) 21 §4.3.2 開槽機(jī)上料電機(jī)變頻控制設(shè)計(jì) 22 §4.3.3 開槽主電機(jī)控制設(shè)計(jì) 23 §4.3.4 PLC輸入輸出點(diǎn)分配 24 §4.4 開槽機(jī)具體控制軟件設(shè)計(jì) 26 §4.4.1系統(tǒng)上位機(jī)軟

8、件設(shè)計(jì) 26 §4.4.2 PLC程序的分析與設(shè)計(jì) 27 §4.4.3電流采集模塊 28 §4.4.4 上料電機(jī)控制模塊： 31 §4.4.5 鋸片電機(jī)故障處理模塊 32 §4.4.6 碳塊計(jì)數(shù)模塊 34 第五章 結(jié)論 36 參考文獻(xiàn): 37 致 謝 39 附錄A 40 47 前 言 近年來我國鋁工業(yè)得到迅猛發(fā)展,2005年我國原鋁產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到780萬噸,在新增加的鋁產(chǎn)量中,幾乎全部采用大型預(yù)焙陽極電解槽生產(chǎn)。 我國鋁電解的設(shè)備裝備水平已經(jīng)接近或達(dá)到世界先進(jìn)水平,但在某些技術(shù)水平上與世界先進(jìn)水平還有一定的差距,如在陽極電流密度、電解槽壽命等方面還存在很大差距。

9、 陽極是電解槽的心臟,通過提高陽極質(zhì)量,改進(jìn)陽極的物理、化學(xué)性能指標(biāo),改進(jìn)陽極的使用方法,可以降低鋁電解生產(chǎn)成本、穩(wěn)定鋁電解生產(chǎn)操作和提高電解生產(chǎn)效率。陽極開槽技術(shù)就是比較新的技術(shù)之一。陽極開槽就是在陽極底部開兩道供陽極氣體排出的槽溝,可以改善電解槽的運(yùn)行狀態(tài),提高運(yùn)行指標(biāo)。 極開槽對鋁電解槽的平穩(wěn)運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。 陽極開槽機(jī)是就是依據(jù)電解鋁行業(yè)的發(fā)展對陽極碳塊提出開槽要求而研制的碳陽極開槽自動生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線集機(jī)械、電子、自控、及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)時監(jiān)控工作狀態(tài)，具有自動檢測、集中指示、手/自動控制功能，實(shí)現(xiàn)陽極炭塊連續(xù)開槽。該生產(chǎn)線自動化程度高，操作簡便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠 。能很好的

10、滿足對陽極碳塊提出開槽要求。 第一章 概述 §1.1 設(shè)計(jì)背景及意義 近年來我國鋁工業(yè)得到迅猛發(fā)展,2005年我國原鋁產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到780萬噸,在新增加的鋁產(chǎn)量中,幾乎全部采用大型預(yù)焙陽極電解槽生產(chǎn)。 現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)基本采用冰晶石—氧化鋁融鹽電解法,該方法以熔融冰晶石為溶劑，氧化鋁作為溶質(zhì)，以碳素體作為陽極，鋁液作為陰極，通入強(qiáng)大的直流電后，在950℃—970℃下，在電解槽內(nèi)的兩極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)（電解）。陽極產(chǎn)物主要是二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，其中含有一定量的氟化氫等有害氣體和固體粉塵，為保護(hù)環(huán)境和人類健康需對陽極氣體進(jìn)行凈化處理；陰極產(chǎn)物是鋁液，鋁液通過真空抬包從槽內(nèi)抽出，

11、送往鑄造車間，在保溫爐內(nèi)經(jīng)凈化澄清后，澆鑄成鋁錠或直接加工成線坯.型材等。 我國鋁電解的設(shè)備裝備水平已經(jīng)接近或達(dá)到世界先進(jìn)水平,但在某些技術(shù)水平上與世界先進(jìn)水平還有一定的差距,如在陽極電流密度、電解槽壽命等方面還存在很大差距。1990年由美國Shekhar等人對底部開槽的惰性陽極進(jìn)行了水模型試驗(yàn),結(jié)果表明陽極底部開槽有利于減少陽極底部氣泡覆蓋率和促進(jìn)極間氧化鋁的傳質(zhì)[1]。1989年Johansen對氣液兩相流進(jìn)行了計(jì)算。1990年Kevin J Fraser等人對電解質(zhì)流場二維模型進(jìn)行了計(jì)算[3]。1993年P(guān)urdie等人采用流場計(jì)算軟件FLUENT對半個陽極周圍的電解質(zhì)流場進(jìn)行了三維仿

12、真[4]。李劼等人對75 kA預(yù)焙槽陽極底部開通溝或非通溝時電解質(zhì)流場進(jìn)行了計(jì)算和對比分析。氣泡在陽極底部停留時間的減少和電解質(zhì)流場的改進(jìn)有利于降低陽極效應(yīng)系數(shù)[5]。文獻(xiàn)[6～7]詳細(xì)研究了不同陽極氣泡模式和氣泡電阻對槽電壓、波形的影響。文獻(xiàn)[8]以氫氣泡的水模型模擬研究了氣泡運(yùn)動的變化特征。文獻(xiàn)[9]對分子比2.1、氟化鈣5%、氧化鋁4%的電解質(zhì),研究了氣泡隨著電流密度和陽極浸入電解質(zhì)深度的變化關(guān)系。陽極開槽可以有效地降低槽電阻,不增加槽噪聲,AL2BRAS鋁廠進(jìn)行陽極橫向開槽收到了預(yù)期效果,但也出現(xiàn)了殘極裂縫、陽極長包等現(xiàn)象[10～11]。 陽極是電解槽的心臟,通過提高陽極質(zhì)量,可改進(jìn)

13、陽極的物理、化學(xué)性能指標(biāo)。改進(jìn)陽極的使用方法,可以降低鋁電解生產(chǎn)成本、穩(wěn)定鋁電解生產(chǎn)操作和提高電解生產(chǎn)效率。 陽極開槽技術(shù)就是比較新的技術(shù)之一。陽極開槽就是在陽極底部開兩道供陽極氣體排出的槽溝,可以改善電解槽的運(yùn)行狀態(tài),提高運(yùn)行指標(biāo)，其具體優(yōu)點(diǎn)如下: ①降低陽極過電壓,節(jié)省電能； ②可以降低陽極的實(shí)際電流密度,減少陽極效應(yīng)的發(fā)生； ③改善電解質(zhì)流動場,有利于電解槽爐幫的形成； ④改善氧化鋁的溶解,減少沉淀； ⑤可以減少二次反應(yīng)發(fā)生,提高電流效率。 由此可見,陽極開槽對鋁電解槽的平穩(wěn)運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。 §1.2 陽極開槽機(jī)控制系統(tǒng)簡介 陽極開槽機(jī)控制系統(tǒng)由控制單元和現(xiàn)場電

14、氣設(shè)備等組成，其中控制單元由配電控制柜、PLC控制柜及操作臺組成；現(xiàn)場電氣設(shè)備由上料電機(jī)，下料電機(jī)，左、右鋸片電機(jī)，輸送電機(jī)，推進(jìn)汽缸，上料炭塊檢測開關(guān)，電流互感器等部分組成。 配電控制柜主要由主電源開關(guān)、變頻器、配電開關(guān)、接觸器、熱繼電器、風(fēng)機(jī)軟啟動器組成。配電控制柜為陽極開槽機(jī)電氣設(shè)備提供電源。 PLC控制柜主要由手動控制按鈕、隔離模塊、中間繼電器、24V開關(guān)電源、配電開關(guān)、西門子S7-200控制器及其輸入、輸出模塊組成。PLC控制柜是陽極開槽機(jī)的控制核心，現(xiàn)場信號傳至PLC控制柜，經(jīng)PLC運(yùn)算判斷后，輸出相應(yīng)執(zhí)行命令，控制各個設(shè)備工作。 操作臺由控制按鈕、監(jiān)控計(jì)算機(jī)及顯示器組成，其

15、中監(jiān)控計(jì)算機(jī)提供操作員與各個設(shè)備聯(lián)系的接口，通過顯示畫面，可以及時掌握陽極開槽機(jī)的工作狀態(tài)，同時，操作員可以通過顯示畫面控制生產(chǎn)線的運(yùn)行。 §1.3 陽極開槽機(jī)控制系統(tǒng)要求 1.運(yùn)行穩(wěn)定可靠 2.具備手動自動兩種工作方式 3.對整個生產(chǎn)過程可以實(shí)施進(jìn)行監(jiān)控 4.生產(chǎn)速度可調(diào) §1.4 章節(jié)安排 第一章概述 主要概述了陽極開槽機(jī)設(shè)計(jì)的背景以及內(nèi)容和要求； 第二章陽極開槽技術(shù)簡介 主要介紹了陽極開槽的方式及開槽陽極對鋁電解的影響； 第三章 西門子PLC及其軟件開發(fā)環(huán)境 介紹了西門子PLC及其軟件開發(fā)工具STEP7的知識； 第四章系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)了開槽機(jī)自動控制系統(tǒng)

16、的軟硬件部分，首先對整個系統(tǒng)進(jìn)行了分析，然后針對控制對象的參數(shù)和要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的硬件系統(tǒng)、分配I/O口，最后設(shè)計(jì)了PLC的軟件部分。 第二章 陽極開槽技術(shù)簡介 §2.1 陽極的開槽方式 常用的陽極開槽方式有兩種，一是在生陽極成型過程中成槽，另一種是在生塊焙燒后加工成槽。 1．生陽極成型過程中成槽 生陽極成型過程中成槽是在生陽極塊成型模臺上配有扁條狀突起物，使成型后的生陽極塊上帶有橫溝。 這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：開槽無需額外設(shè)備，不像在機(jī)械加工時對生成的碳粉進(jìn)行收集、運(yùn)送和循環(huán)。但該方式有四個缺點(diǎn)：1）是槽的方向受陽極塊取出方向的控制；2）是

17、壁的摩擦和陽極塊位移造成密度梯度，且降低了槽周圍的應(yīng)力；3）是成槽后的生陽極在搬運(yùn)過程中易受到損壞，增加了廢品率；4）是在焙燒過程中，填充料常填滿成型的槽并與表面粘連，且清理槽溝很麻煩，需要專用的設(shè)備。如果將清理不徹底的陽極塊用于電解生產(chǎn)中，則會增加碳渣量，從而增加了電解質(zhì)電阻和降低電流效率。 同時成型的槽往往比加工出來的槽寬，這樣減少了焙燒陽極的總重，進(jìn)而縮短了使用天數(shù)。 其主要設(shè)備和成型陽極如圖2-1所示。 圖2-1 生陽極成型過程中成槽 2.在焙燒后的陽極塊上開槽 在焙燒后的陽極塊上開槽是在陽極塊上用機(jī)械加工的方法開槽通常是在清理填充料之后，所使用的設(shè)備有裝在心軸上的單片圓

18、鋸或裝在同一心軸上的多片圓鋸，鋸片有齒輪電機(jī)驅(qū)動。 機(jī)械加工的優(yōu)點(diǎn)：1）是開槽方向靈活，開槽位置和尺寸可以根據(jù)電解槽的要求進(jìn)行安排；2）是陽極底部的質(zhì)量均一，也就是說，開槽區(qū)域不存在密度梯度和應(yīng)力下降情況；3）是在機(jī)械性能方面，開槽的焙燒塊優(yōu)于成槽的生塊，在搬運(yùn)過程中，不太容易受損，降低了廢品率；4）是不存在焙燒時填充料粘連問題；5）是機(jī)械加工開槽的寬度小于成型槽，焙燒塊的總重減去的也少，對陽極在電解槽中的使用天數(shù)影響較小。 但是，這種方法也有缺點(diǎn)：1）是由于多一道工序，要安裝開槽機(jī)；2）是開槽時不能使用冷卻水，必須捕集生成的碳塵；3）是根據(jù)陽極塊的大小和開槽數(shù)量及尺寸不同，每塊陽極

19、會生成多達(dá)25千克的碳粒。如果要循環(huán)使用這部分物料，則要建碳塵的運(yùn)輸和循環(huán)設(shè)備；4）是與未開槽的陽極塊相比，焙燒碎大致增加0.2%。 其開槽設(shè)備如圖2-2所示。 圖2-2 開槽設(shè)備 §2.2開槽陽極對鋁電解的影響 1.開槽陽極對鋁電解槽溫度場的影響。 1）是開槽陽極通過改善電解質(zhì)的流動場，來改善電解槽的溫度場，使電解槽中間更熱，邊部更冷，有利于邊部結(jié)殼； 2）是改善氧化鋁的溶解，減少沉淀 陽極開槽后，高溫高熱的電解質(zhì)流到了電解槽的中部，與中部下料的冷氧化鋁結(jié)合后，改善了中縫部氧化鋁溶解區(qū)域的溫度場，提高了氧化鋁的溶解速度。此外，由于陽極氣體大部分從中縫排出，上升的氣流與下沉的

20、氧化鋁相遇，對下沉的氧化鋁起到了上托作用，延長了氧化鋁的溶解時間，減少了氧化鋁的沉淀。 3）是改善陽極底部的散熱狀態(tài)，有利于電解槽的熱平衡 由于陽極底部氣體的排出速度加快，帶動陽極底部的高溫電解質(zhì)從中縫排出，加快了陽極底部的散熱，使電解槽的熱平衡更加平穩(wěn)。 2.開槽陽極對陽極過程的影響。 1）降低陽極過電壓，節(jié)省電能。由于陽極底部的氣體排出順暢，可以降低陽極的過電壓，從而可以起到節(jié)電的作用。 2）可以降低陽極的實(shí)際電流密度，減少陽極效應(yīng)的發(fā)生。由于陽極底部有很大一部分面積被氣體覆蓋，所以陽極底部的實(shí)際電流密度要大于陽極的表觀電流密度，陽極開槽后，氣體的順利排出，可以增加電解質(zhì)與陽

21、極的接觸面積，降低實(shí)際陽極電流密度，減少陽極效應(yīng)的發(fā)生。 3）可以減少二次反應(yīng)發(fā)生，提高電流效率。陽極氣體從溝槽順利排出，可以減少陽極底部電解質(zhì)的含氣程度，還可減緩電解質(zhì)的湍流程度，從而減少鋁被CO2氣體氧化的二次反應(yīng)的發(fā)生，提高電流效率。 4）開槽陽極對陽極過程和電解生產(chǎn)過程的影響都是有利的，它可以抵消強(qiáng)化電流對陽極過程的負(fù)面影響，因此開槽陽級技術(shù)與強(qiáng)化電流技術(shù)同時使用，可以保持電解槽的平衡運(yùn)行。 第三章 西門子PLC及其軟件開發(fā)環(huán)境 §3.1可編程控制器的概述及發(fā)展?fàn)顩r 可編程控制器(Programmable Logic Controller)簡稱PC或P

22、LC，是一種存儲程序控制器，支配控制系統(tǒng)工作的程序存放在存儲器中，利用程序來實(shí)現(xiàn)控制邏輯，完成控制任務(wù)。在可編程序控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)一個控制任務(wù)，首先要針對具體的被控對象，分析它對控制統(tǒng)的要求，然后編制出相應(yīng)的控制程序，利用編程器將控制程序?qū)懭肟删幊绦蚩刂破鞯某绦虼鎯ζ髦小Ｏ到y(tǒng)運(yùn)行時，PLC依次讀取程序存儲器中的程序語句，對它們的內(nèi)容解釋并加以執(zhí)行。根據(jù)輸入設(shè)備的狀態(tài)或其它條件，PLC將其程序執(zhí)行結(jié)果輸出給相應(yīng)的輸出設(shè)備，控制被控對象工作。PLC是利用軟件來實(shí)現(xiàn)控制邏輯的，能夠適應(yīng)不同控制任務(wù)的需要，通用、靈活、可靠性高。 PLC是60年代末發(fā)明的工業(yè)控制器件，是美國數(shù)字公司(D

23、EC)為美國通用公司研制開發(fā)并應(yīng)用汽車生產(chǎn)線上，取得了極佳的效果，可編程控制器自此誕生。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC軟硬件水平與規(guī)模也發(fā)生了質(zhì)與量的變化，其控制技術(shù)也不斷朝著智能化方向發(fā)展，同時推動了先進(jìn)制造技術(shù)的相應(yīng)發(fā)展?，F(xiàn)代PLC已經(jīng)成為真正的工業(yè)控制設(shè)備。最初，PLC主要是用在生產(chǎn)線控制和大型機(jī)械的控制上。但不久，西德的西門子(SIEMENS)公司、BBC公司就開始研制PLC，當(dāng)時主要是用于軋鋼機(jī)、升降設(shè)備等大型設(shè)備上。70年代初，日本的歐姆龍（OMRON）也推出了他們的PLC。三菱、日立、富土、東芝、橫河、日電等公司也先后加入了PLC制造者的行列。70年代中期，美國和西德首先出現(xiàn)了

24、微電腦化的小型PLC。由于PLC是為工業(yè)控制所生產(chǎn)的通用性很強(qiáng)，適合于大批量生產(chǎn)的裝置，所以成本迅速下降；加上其是專為工業(yè)控制所設(shè)計(jì)，所以具有極好的抗干擾性能；并且他的使用和維護(hù)都極為方便，實(shí)現(xiàn)了低水平的操作、高性能的控制，所以在機(jī)械制造業(yè)深受歡迎。小型PLC開始步入諸如塑料注塑機(jī)、包裝機(jī)械、橡膠機(jī)械、紡織機(jī)械等輕工機(jī)械的控制領(lǐng)域，其成本的低廉和性能的優(yōu)良對直接使用微機(jī)作為控制單元的做法構(gòu)成了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，更有全面取代傳統(tǒng)繼電器控制屏的趨勢。據(jù)國外資料介紹:1982年美國PLC用戶中，有48%來自自動程序操作部門(如汽車、拖拉機(jī)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)等)、13%來自石油化工業(yè)、9%來自食品飲料業(yè)、7%

25、來自冶金工業(yè)、其余部分來自造紙、采礦、污水處理等部門。近年來，隨著我國對外開放，日、美、西德等國生產(chǎn)的PLC已通過多種途徑進(jìn)入了我國，引起了各方面的重視并得到應(yīng)用。如寶鋼工程應(yīng)用了數(shù)百臺PLC，首鋼、武鋼、開灤煤礦也分別應(yīng)用了美國和西德的PLC。 西門子公司的S7-200系列PLC特別適用于大規(guī)?？刂茍龊?，數(shù)據(jù)傳輸可靠性極高(有專用的通訊模塊)，指令系統(tǒng)豐富，編程簡便，典型的梯形圖程序設(shè)計(jì)，特別為過程控制和適應(yīng)惡劣的現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計(jì)。從原理上講PLC實(shí)際上又是一種工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)，其組成與微計(jì)算機(jī)基本相同。其硬件一般由主機(jī)、I/O擴(kuò)展部分及外設(shè)組成。其簡化框圖如圖3-1所示。 1.主機(jī)(CP

26、U模塊) 在其內(nèi)部由微處理器通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線以及輔助電路連接存儲器及I/O接口，診斷PLC的硬件狀態(tài);讀取、解釋并執(zhí)行用戶程序;按規(guī)定的時序接收輸入狀態(tài);刷新輸出狀態(tài);與外設(shè)交換信息等。 2.電源 西門子公司PLC的電源交流輸入端接有尖峰脈沖吸收電路，可提高抗干擾能力。另外其交流輸入電壓范圍較寬，可以在 ACI60V-26OV范圍內(nèi)正常工作。電源模塊上還提供+24V電源，若在負(fù)載允許的條件下，可提供+24V電源給需要的I/O模塊使用。 圖3-1 PLC硬件組成 3.輸入/輸出模塊(I/O擴(kuò)展模塊) PLC通過輸入模塊將現(xiàn)場或生產(chǎn)過程的狀態(tài)或信息讀入CPU，通過運(yùn)

27、算與邏輯判斷，把結(jié)果通過輸出模塊輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。輸入模塊用于對輸入信號進(jìn)行濾波隔離、電平轉(zhuǎn)換等，把輸入信號的邏輯值安全可靠地傳遞到PLC的內(nèi)部。 S7-200系列PLC是西門子公司生產(chǎn)的最小型的PLC，除了其出色的硬件特點(diǎn)，在性能、體積、重量、指令系統(tǒng)、運(yùn)行速度等方面，較過去的PLC有了全面的提高和充實(shí)。指令系統(tǒng)幾乎包括了一般計(jì)算機(jī)所具有的各種基本操作指令，同時執(zhí)行的速度也相當(dāng)快，布爾量運(yùn)算的執(zhí)行時間為0.22μS，可以方便、快速地進(jìn)行邏輯判斷、數(shù)據(jù)傳輸、比較、運(yùn)算、子程序調(diào)用及中斷等。除此之外，作為工業(yè)控制產(chǎn)品，它還具有友好的用戶功能，如:高速計(jì)數(shù)、脈寬調(diào)制輸出(PWM)、頻率可控的脈沖輸

28、出(PTO)及PID調(diào)節(jié)等，所有這些指令和功能在實(shí)際工業(yè)控制中都有助于增強(qiáng)控制能力、簡化編程工作。 §3.2 S7-200PLC的軟件簡介 S7-200可編程控制器使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進(jìn)行編程。STEP7-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，功能強(qiáng)大，主要用于開發(fā)程序，也可用于適時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。加上漢化后的程序，可在全漢化的界面下進(jìn)行操作。 S7-200PLC的軟件特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面: 1.數(shù)據(jù)存放的方式 PLC指令大多是對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，為了增強(qiáng)處理能力，數(shù)據(jù)是以多種方式存放的，所以對于數(shù)據(jù)存儲的方式必須預(yù)先約定

29、，S7-200系列PLC采用與計(jì)算機(jī)相同的存儲方式，即用位、字節(jié)、字、雙字來存儲數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，該方式己經(jīng)被廣大工程技術(shù)人員所熟悉、掌握，顯得容易理解、很直接。 2.尋址方式 尋址方式的多少是反應(yīng)指令系統(tǒng)強(qiáng)弱的一個重要指標(biāo)。由S7-200數(shù)據(jù)存儲方式可知，所有數(shù)據(jù)都可以按位、字節(jié)、字、雙字尋址，使其尋址方式方便、多樣。另外，不同的數(shù)據(jù)分不同的區(qū)域存儲，針對不同的存儲區(qū)又有不同的尋址方式，它們是:立即尋址、直接尋址和間接尋址。這樣S7系列PLC的指令就具有計(jì)算機(jī)指令靈活的特點(diǎn)，與一般的小型PLC有很大的區(qū)別。其中，間接尋址也稱為指針尋址，西門子把指針的概念引入PLC，并作為S7系

30、列PI無的基本尋址方式之一，這是很有特色的。有了指針尋址方式，指令的變化更加靈活多樣，使用也更加靈活，在同樣的指令數(shù)目下，編程的方式與程序的質(zhì)量都可大大提高。由于指針的引入，特別是和指針的結(jié)合使用，使許多指令的變化很大，有時還會出現(xiàn)意想不到的效果。例如編碼指令，一般都認(rèn)為這是一條特殊指令，只有在特殊應(yīng)用中才可能用到，但結(jié)合指針指令用活了，就會出現(xiàn)特殊的效果，變成了常用指令。例如，在工業(yè)控制中，隨著自動化水平的提高，要求控制器PLC對設(shè)備具有自我診斷的能力，把故障或者報警信息充分細(xì)化，并要求PLC根據(jù)故障作出不同反應(yīng)，這些信息的處理，如采用傳統(tǒng)的PLC指令編程就有一定的困難，但采用編碼指令就很方

31、便，可采用預(yù)先在PLC內(nèi)部建立信息表的方法，不同故障從某一字節(jié)的最高位開始，連續(xù)建立標(biāo)志，通過對標(biāo)志字節(jié)的編碼，不同故障就產(chǎn)生不同的結(jié)果，用編碼結(jié)果作為指針對某個固定地址的偏移去查表，就可以對不同故障進(jìn)行不同處理，而且同時產(chǎn)生的故障還可以區(qū)分優(yōu)先級，以方便以后的分級處理，大大增強(qiáng)了PLC在實(shí)際工業(yè)控制中的能力。 3.程序設(shè)計(jì) 質(zhì)量好的程序應(yīng)該是占用存儲空間少，執(zhí)行時間短，編制、調(diào)試時間短以及清晰易讀和易于移植的，故應(yīng)采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法。S7-200系列PLC的指令系統(tǒng)中，包含了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的一些基本指令，如比較指令、跳轉(zhuǎn)指令、子程序調(diào)用指令、標(biāo)記段的指令等。實(shí)際使用時，如比較指令結(jié)合跳

32、轉(zhuǎn)指令就很容易實(shí)現(xiàn)程序的分支結(jié)構(gòu)，對于特殊的功能(運(yùn)算處理、通訊功能、脈寬調(diào)制輸出等)可以通過編制子程序，在主程序中調(diào)用的方式來處理，甚至在子程序中還可以通過標(biāo)記段的方法，再對不同情況作不同處理，使程序的結(jié)構(gòu)清晰，易于讀寫，可靠性高。 4.數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算 S7-200系列PLC的應(yīng)用已經(jīng)不再僅僅局限于邏輯控制和順序控制，由于其計(jì)算能力很強(qiáng)，可用于需要一定量計(jì)算的場合。S7-200系列PLC通過指令可很方便地進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換，整數(shù)運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算等，除了CPU221這一最低端的CPU外，其他都能直接使用PID指令。在實(shí)際控制系統(tǒng)中，利用PLC的運(yùn)算能力，我們已成功地滿足了許多復(fù)雜的控制要求，如:P

33、LC控制多臺變頻器比例同步，對模擬量編程實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)等。 5.通信功能 通信功能強(qiáng)大是S7-200PLC的一個特點(diǎn)，直接通信XMT指令可以直接對RS485通訊口編程，不受任何協(xié)議限制，用于實(shí)現(xiàn)PLC與其它廠家設(shè)備的通訊聯(lián)系、與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換以及實(shí)現(xiàn)PLC的遠(yuǎn)程控制等。同時為配合使用PPI網(wǎng)絡(luò)，ST7-200系列PLC中特有兩條網(wǎng)絡(luò)指令:NETR和NETW，運(yùn)用這兩條指令可以很方便地在即PPI網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)PLC間的數(shù)據(jù)讀寫，而不必了解數(shù)據(jù)通訊的具體協(xié)議 6.特殊功能 西門子S7-200系列PLC內(nèi)部有許多特殊功能。如:表處理指令，直接操作功能等。例如表處理指令A(yù)TT用于建立數(shù)據(jù)表格，并

34、可以按照后進(jìn)先出或先進(jìn)后出的順序取出數(shù)據(jù)，以及用數(shù)據(jù)檢索指令FND在表中按照搜索條件(=、<>、<、>)搜索合適的數(shù)據(jù)等。該功能用于處理模擬量輸入，如在用溫度傳感器檢測溫度時，讀入模擬量輸入后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量溫度的過程，可采用在PLC中建立電壓與溫度的表格，然后通過查表的方法實(shí)現(xiàn)等，這樣，除了利用S7-200系列PLC的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，通過建立電壓與溫度的函數(shù)，直接計(jì)算實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換外，又提供了另一種轉(zhuǎn)換方式，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)系統(tǒng)的配置情況與控制對象，選擇使用。另外，中斷程序的引入使PLC對特定的內(nèi)部和外部事件快速反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)。S7對PLC內(nèi)部集成的高速輸入和高速輸出功能，內(nèi)部都提供專用指令，并分

35、配專用中斷事件，以確保PLC對外部事件快速反應(yīng)。 §3.3 PLC軟件設(shè)計(jì)一般過程 根據(jù)PLC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝要求，在軟件規(guī)格說明的基礎(chǔ)上，用相應(yīng)的編程指令，編制實(shí)際應(yīng)用程序，并形成程序說明書的過程就是程序設(shè)計(jì)。 §3.3.1 PLC編程語言 PLC是通過運(yùn)行編寫的用戶程序?qū)崿F(xiàn)控制任務(wù)的。程序的編制就是用一定的編程語言對一個控制任務(wù)進(jìn)行描述。PLC中的程序由系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分組成，系統(tǒng)程序由PLC生產(chǎn)廠家提供，它支持用戶程序的運(yùn)行；用戶程序是用戶為完成特定的控制任務(wù)而編寫的應(yīng)用程序。要開發(fā)應(yīng)用程序，首先要掌握PLC的編程語言。 S7-200系列PLC的編程語言非常豐富，有

36、梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖等，用戶可以選擇一種編程語言，如果需要，也可混合使用幾種語言編程。這些編程語言都是面向用戶的，它使控制程序的開發(fā)、輸入、調(diào)試和修改工作大大簡化。我們在本次設(shè)計(jì)中選擇梯形圖編程。以下我們詳細(xì)介紹下梯形圖的概念。 梯形圖（LAD）編程語言是在繼電-接觸器控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變而來的。PLC的梯形圖與繼電-接觸器控制系統(tǒng)的梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號和表達(dá)方式上有區(qū)別。 梯形圖左邊有一條垂直的線稱作左母線，右邊一條虛線稱為右母線。母線之間是觸點(diǎn)的邏輯連接和線圈的輸出。梯形圖的一個觀念概念是“能流”（Power Flow）。把左母線假想成電源“相

37、線”，而把右母線（虛線）假想為電源“零線”。如果有“能流”從左至右流向線圈，則線圈被激勵；如果沒有“能流”，則線圈未被激勵?！澳芰鳌笨梢酝ㄟ^被激勵（ON）的常開接點(diǎn)和未被激勵（OFF）的常閉接點(diǎn)自左向右流動?！澳芰鳌痹谌魏螘r候都不會通過接點(diǎn)自右向左流。 PLC梯形圖具有以下一些特點(diǎn)： 1）PLC的梯形圖是“從上到下”按行繪制的，兩側(cè)的豎線類似電氣控制圖的電源線，通常稱做母線（Bus Bar），大部分梯形圖只保留左母線；梯形圖的每一行是“從左到右”繪制，左側(cè)總是輸入接點(diǎn)，最右側(cè)為輸出元素，觸點(diǎn)代表邏輯“輸入”條件，如開關(guān)、按紐、內(nèi)部條件等；線圈通常代表邏輯“輸出”結(jié)果，如指示燈、接觸器、中間

38、繼電器、電磁閥等。對S7-200系列的PLC來說，還有一種輸出“盒”（功能框），它代表附加的指令，如定時器、計(jì)數(shù)器或數(shù)學(xué)運(yùn)算等功能指令。在本次設(shè)計(jì)中，我們就多次使用了中間繼電器。 2）電氣控制電路左右母線為電源線，中間各支路都加有電壓，當(dāng)支路接通時，有電流流過支路上的觸點(diǎn)與線圈。而梯形圖的左右母線是一種界限線，并未加電壓，梯形圖中的支路（邏輯行）接通時，并沒有電流流動，有時稱有“電流”流過，只是一種假想電流，只為了分析方便。梯形圖中的假想電流在圖中只能作單方向的流動，即只能從左向右流動。層次改變（接通的順序）也只能先上后下，與程序編寫時的步序號是一致的。 3）梯形圖中的輸入接點(diǎn)如I1.0、

39、I0.1等，輸出線圈Q0.0、Q0.1等不是物理接點(diǎn)和線圈，而是輸入、輸出存儲器中輸入、輸出點(diǎn)的狀態(tài)，并不是接線時現(xiàn)場開關(guān)的實(shí)際狀態(tài)；輸出線圈只對應(yīng)輸出映像區(qū)的相應(yīng)位，該位的狀態(tài)必須通過I/O模塊上對應(yīng)的輸出單元才能驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 4）梯形圖中使用的各種PLC內(nèi)部器件，如輔助繼電器、定時器、計(jì)數(shù)器等，也不是真的電器元件，但具有相應(yīng)的功能，因此通常按電氣控制系統(tǒng)中相應(yīng)器件的名稱稱呼它們。梯形圖中每個繼電器和觸點(diǎn)均為PLC存儲器中的一位，相應(yīng)位為“1”，表示繼電器線圈通電、常開接點(diǎn)閉合或常閉接點(diǎn)斷開；相應(yīng)位為“0”，表示繼電器線圈斷電、常開接點(diǎn)斷開或常閉接點(diǎn)閉合。 5）梯形圖中的繼電器觸點(diǎn)

40、既可常開，又可常閉，其常開、常閉觸點(diǎn)的數(shù)目理論上是無窮多個（受存儲容量限制），也不會磨損，因此，梯形圖設(shè)計(jì)中，可不考慮觸點(diǎn)數(shù)量，這給設(shè)計(jì)者帶來很大方便。對于外部輸入信號，只要接入一個信號到PLC即可。 6）電氣控制電路中各支路是同時加上電壓并行工作的，而PLC是采用循環(huán)掃描方式工作，梯形圖中各元件是按掃描順序依次執(zhí)行的，是一種串行處理方式。由于掃描時間很短（一般不過幾十毫秒），所以控制效果同電氣控制電路是基本相同的。但在設(shè)計(jì)梯形圖時，對這種并行處理與串行處理的差別有時候應(yīng)予注意，特別是那些在程序執(zhí)行階段還要隨時對輸入、輸出狀態(tài)存儲器進(jìn)行刷新操作的PLC，不要因?yàn)閷Υ刑幚磉@一特點(diǎn)考慮不夠而引

41、起偶然的誤操作。 §3.3.2 軟件設(shè)計(jì)過程 1、PLC程序設(shè)計(jì)一般分為以下幾個步驟： 1)程序設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作 2)程序框圖設(shè)計(jì) 3)編寫設(shè)計(jì) 4)程序測試 5)程序調(diào)試 6)編寫程序說明書 2、程序設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作 1)了解系統(tǒng)概況，形成整體概念 這一步的工作主要是通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案了解控制系統(tǒng)的全部功能、控制規(guī)模、控制方式、輸入/輸出信號種類和數(shù)量、是否有特殊功能接口、與其它設(shè)備的關(guān)系、通信內(nèi)容與方式等。 2)熟悉被控對象、編制出高質(zhì)量的程序 這一步的工作是通過熟悉生產(chǎn)工藝來進(jìn)行。可把控制對象和控制功能分類，按相應(yīng)要求、信號用途或控制區(qū)域劃分，確定檢測設(shè)備和控制設(shè)

42、備，深入細(xì)致地了解每一個檢測信號和控制信號的形式、功能、規(guī)模，以及其間的關(guān)系和預(yù)見以后可能出現(xiàn)的問題，使得程序在應(yīng)用過程中有備無患。 3)選擇合適的工具 充分利用手中的硬件工具和軟件工具等，一般我們利用計(jì)算機(jī)編程，這樣可以大大提高編程的效率和質(zhì)量。 3、程序框圖設(shè)計(jì) 程序框圖設(shè)計(jì)的主要工作是根據(jù)控制系統(tǒng)具體情況，確定應(yīng)用程序的基本結(jié)構(gòu)、按程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)繪制出程序結(jié)構(gòu)框圖，然后再根據(jù)工藝要求，繪制出各功能單元的詳細(xì)功能框圖。有的系統(tǒng)應(yīng)用軟件已經(jīng)模塊化，那就要對相應(yīng)程序模塊進(jìn)行定義，規(guī)定其功能，確定各模塊之間連接關(guān)系，然后繪制出各模塊內(nèi)部的詳細(xì)框圖?？驁D是編程的主要依據(jù)，要盡可能詳細(xì)。這

43、步完成以后，就會對全部控制程序的功能實(shí)現(xiàn)有一個整體概念。 4、編寫程序 編寫程序就是根據(jù)設(shè)計(jì)出的框圖逐條地編寫語句，這是整個程序設(shè)計(jì)的核心部分。梯形圖語言是最常用的編程語言，但是在編寫程序的過程中要及時地對編出的程序進(jìn)行注釋，以免忘記其間的相互關(guān)系。注釋要包括程序的功能、邏輯關(guān)系說明、設(shè)計(jì)思想、信號的來源和去向，以便閱讀和調(diào)試。 5、程序的測試 程序的測試也是程序設(shè)計(jì)工作中非常重要的內(nèi)容，它可以初步檢測程序的實(shí)際效果，也可以在測試過程中優(yōu)化程序。程序測試和程序編寫是分不開的，通過測試使得程序的許多功能得到改進(jìn)和完善。測試時先從各功能單元入手，設(shè)定輸入信號，觀察輸出信號的變化情況。各功能

44、單元測試完成后，再貫通全部程序，測試各部分的接口情況，直到滿意為止。程序測試可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，也可以在現(xiàn)場進(jìn)行。如果是在現(xiàn)場進(jìn)行程序測試，那就要將可編程控制器系統(tǒng)與現(xiàn)場信號隔離，可以使用暫停輸入/輸出服務(wù)指令，也可以切斷輸入/輸出模塊的外部電源，以免引起不必要的，甚至可能會造成事故的機(jī)械設(shè)備動作。 6、程序調(diào)試 程序調(diào)試與程序測試不同，它是在成功地進(jìn)行了程序測試之后才開始的工作。軟件測試的目的是盡可能多地發(fā)現(xiàn)軟件中的錯誤，軟件調(diào)試的任務(wù)是進(jìn)一步診斷和改正軟件中的錯誤。 第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) §4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) §4.1.1 開槽機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

45、 開槽機(jī)現(xiàn)場電氣設(shè)備由上料電機(jī)、下料電機(jī)、左、右鋸片電機(jī)、輸送1電機(jī)、輸送2電機(jī)、推進(jìn)汽缸各1臺等組成，其中左、右鋸片電機(jī)組成系統(tǒng)的主機(jī)部分，上料電機(jī)根據(jù)主機(jī)工作情況為主機(jī)提供原料，待主機(jī)切割完成后，下料電機(jī)將碳塊運(yùn)出，然后汽缸把碳塊從下料托輥上推到輸送1電機(jī)上，最后經(jīng)輸送2電機(jī)運(yùn)出生產(chǎn)線。系統(tǒng)主機(jī)設(shè)備如圖4-1所示，系統(tǒng)輸送部分如圖4-2所示。 圖4-1開槽主機(jī) 圖4-2 上料、下料輸送部分 §4.1.2 開槽機(jī)工作流程圖 開槽機(jī)自動生產(chǎn)線工作流程圖如下圖4-3所示 圖4-3 開槽機(jī)自動生產(chǎn)線工作流程圖 §4.2控制方案選擇 由于開槽機(jī)組成結(jié)構(gòu)比較復(fù)

46、雜，采集和處理數(shù)據(jù)量大，因此在本文中開槽機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PLC+工控機(jī)的設(shè)計(jì)方案，其中工控機(jī)采用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)監(jiān)控、管理軟件；PLC選用西門子的S7-200系列PLC。其總控制系統(tǒng)圖如圖4.-4所示 圖4-4 總控制系統(tǒng)圖 §4.2.1 控制系統(tǒng)功能分析 1.工控機(jī) 工控機(jī)采用組態(tài)軟件編寫上下料電機(jī)電流、開槽主機(jī)電流、生產(chǎn)產(chǎn)量等的監(jiān)控界面，并完成以下功能： 1） 實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流、產(chǎn)量、工作狀態(tài)等參數(shù)的顯示 2） 具備生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置等功能 監(jiān)控界面可以完成對生產(chǎn)線生產(chǎn)速度及上料電機(jī)頻率的設(shè)定。 3）實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，歷史記錄顯示等數(shù)據(jù)庫功能。 2. PLC控制單元

47、主要完成以下功能： 1）根據(jù)控制需要完成對上下料電機(jī)、開槽電機(jī)、油泵及輸送電機(jī)的開關(guān)控制。 2）根據(jù)生產(chǎn)速度設(shè)定及現(xiàn)場采集電流控制生產(chǎn)的速度。 §4.3開槽機(jī)具體控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于本設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)較多，因此本文僅對開槽機(jī)上料電機(jī)、開槽電機(jī)及電流采集設(shè)計(jì)部分進(jìn)行分析研究。 §4.3.1 電流采集系統(tǒng) 根據(jù)開槽機(jī)控制系統(tǒng)的控制需要，需要對上下料電機(jī)，主機(jī)鋸片電機(jī)及油泵電機(jī)進(jìn)行電流采集。在本設(shè)計(jì)中電流的采集采用電流互感器設(shè)計(jì)方案，通過安裝在現(xiàn)場的四個電流互感器把電機(jī)的工作電流轉(zhuǎn)換成0-5A的電流信號輸出，其電器原理圖如下圖4-5所示 圖4-5電流采集系統(tǒng)電氣原理圖 電

48、流互感器的電流輸出信號經(jīng)過一個電流電壓變換模塊GM01-04將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，其電氣原理圖及PLC接線圖如圖4-6所示。 圖4-6電流采集系統(tǒng)PLC接線圖 §4.3.2 開槽機(jī)上料電機(jī)變頻控制設(shè)計(jì) 由于上料電機(jī)為主機(jī)提供開槽原料，所以上料電機(jī)的工作狀態(tài)直接影響著整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，在本設(shè)計(jì)中上料部分中采用安川V7系列小型矢量控制變頻器，通過改變電機(jī)的頻率來調(diào)節(jié)上料的速度從而控制產(chǎn)量，調(diào)節(jié)生產(chǎn)效率，在本系統(tǒng)中采用安川CIMR-V7AT45小型矢量控制變頻器，通過現(xiàn)場電流互感器采集上料電機(jī)的電流數(shù)據(jù)送入PLC，PLC將上料電機(jī)的電流數(shù)據(jù)與鋸片電機(jī)電流數(shù)據(jù)對比處理后通過一個隔離

49、模塊GM05將PLC輸出的電壓信號變成4-20mA控制信號，從而控制變頻器的輸出頻率，其電氣原理圖如圖4-7所示： 圖4-7上料電機(jī)變頻控制電氣原理圖 §4.3.3 開槽主電機(jī)控制設(shè)計(jì) 當(dāng)上料電機(jī)把碳塊送入主機(jī)后，PLC根據(jù)現(xiàn)場傳感器采集的信息，控制主機(jī)內(nèi)的兩個鋸片開始對碳塊進(jìn)行開槽處理，控制開槽速度為150-350mm/Min，開槽電機(jī)采用兩個15KW的三相交流電動機(jī)，PLC通過控制中間繼電器KAx（KA02鋸片電機(jī)1啟停，KA03鋸片電機(jī)2啟停）的狀態(tài)來控制鋸片電動機(jī)的啟停，PLC根據(jù)現(xiàn)場急停開關(guān)的信號對中間繼電器KAy（KA26：鋸片電機(jī)1，KA27：鋸片電機(jī)2）進(jìn)行控制，

50、達(dá)到保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備和人身安全的作用，當(dāng)電機(jī)正常工作時KM線圈吸和并送運(yùn)行信號給PLC處理，當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行過熱時熱繼電器工作跳停并送信號給PLC處理，并根據(jù)電流互感器采集的信號，監(jiān)測的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，使生產(chǎn)順利進(jìn)行，其工作原理圖如圖4-8所示，由于 圖4-8 開槽主電機(jī)控制原理圖 §4.3.4 PLC輸入輸出點(diǎn)分配 PLC的輸入/輸出系統(tǒng)是過程狀態(tài)與參數(shù)輸入到PLC以及PLC實(shí)現(xiàn)控制時控制信號輸出的通道。通過PLC提供的I/O輸出模塊，實(shí)現(xiàn)被控過程與PLC接口之間的電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/并轉(zhuǎn)換、A/D與D/A轉(zhuǎn)換等功能。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，如上下料電機(jī)控制、油泵控制、工作

51、方式選擇、故障處理、以及信號采集的控制等來確定輸入輸出口的分配。在分配之前確定每一個功能所要控制的內(nèi)容，根據(jù)被控對象和要輸出的信號來確定I/O的數(shù)量，同時也要考慮一些在調(diào)試中可能臨時需要的輸入輸出點(diǎn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)所需的I/O點(diǎn)數(shù)的總數(shù)約為140～160之間。表4-1給出了主要開關(guān)量的I/O分配，這些開關(guān)量對系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。 表4-1主要開關(guān)量的I/O分配 輸入端子 內(nèi)容 輸出端子 內(nèi)容 I0.0 油泵起動 Q0.0 油泵 I0.1 油泵停止 Q0.1 鋸片1 I0.2 鋸片1起動 Q0.2 鋸片2 I0.3 鋸片1停止 Q0.3 上料正轉(zhuǎn)

52、 I0.4 鋸片2起動 Q0.4 上料反轉(zhuǎn) I0.5 鋸片2停止 Q0.5 下料 I0.6 上料正轉(zhuǎn) Q0.6 輸送 I0.7 上料反轉(zhuǎn) Q0.7 吹風(fēng) I1.0 上料停止 Q1.0 螺旋 I1.1 下料啟動 Q1.1 備用 I1.2 下料停止 Q1.2 油缸前進(jìn) I1.3 輸送啟動 Q1.3 油缸后退 I1.4 輸送停止 Q1.4 上料報警 I1.5 吹風(fēng)啟動 Q1.5 下料報警 I1.6 吹風(fēng)停止 Q1.6 響鈴 I1.7 螺旋啟動 Q1.7 故障報警 I2.0 螺旋停止 Q2.0 手/自

53、動指示 I2.1 油缸前進(jìn) Q2.1 輔助設(shè)備故障指示 I2.2 油缸后退 Q2.2 生產(chǎn)線設(shè)備故障指示 I2.3 油缸停止 Q2.3 急停故障指示 I3.0 手/自動轉(zhuǎn)換（自動=1） Q2.4 備用1 I3.1 自動啟動 Q2.5 備用1 I3.2 自動停止 Q2.6 備用1 I3.4 故障消音 AIW0 油泵電機(jī)電流 I3.5 響鈴 AIW2 鋸片1電機(jī)電流 I3.6 操作臺急停 AIW4 鋸片2電機(jī)電流 I3.7 現(xiàn)場急停 AIW6 上料電機(jī)電流 I4.0 油泵運(yùn)行信號 AQW0 上料電機(jī)頻率 I4

54、.1 油泵故障信號 　 I4.2 鋸片1運(yùn)行信號 　 I4.4 鋸片2運(yùn)行信號 　 I4.6 上料運(yùn)行信號 　 I5.0-5.3 故障信號 　 I6.0-6.2 上料接近開關(guān) 　 I6.3 上料位置開關(guān) 　 I6.4-6.6 下料開關(guān) 　 I6.7 油缸前位置開關(guān) 　 I7.0 油缸后位置開關(guān) 　 I7.1-7.7 輸送開關(guān) 　 §4.4 開槽機(jī)具體控制軟件設(shè)計(jì) 本部分主要內(nèi)容是根據(jù)PLC軟件設(shè)計(jì)的規(guī)則，把整個控制系統(tǒng)劃分成若干子模塊，分模塊設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的功能。

55、 §4.4.1系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)多,畫面復(fù)雜,自行設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件周期較長、難度較大,所以上位機(jī)監(jiān)控軟件采用國內(nèi)先進(jìn)的組態(tài)軟件—組態(tài)王KingView6.51進(jìn)行編寫。組態(tài)王是運(yùn)行于Windows98/NT的全中文界面的組態(tài)軟件,采用了多線程、COM組件等新技術(shù),充分利用了Windows的圖形編輯功能,能方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面,具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序、靈活的組態(tài)方式和數(shù)據(jù)鏈接功能,用其構(gòu)造監(jiān)控系統(tǒng)能大大縮短開發(fā)時間,并能保證系統(tǒng)的質(zhì)量。其監(jiān)控畫面如下圖4-9所示。 在上位機(jī)的監(jiān)控畫面中，實(shí)現(xiàn)了對碳塊加工過程的監(jiān)視、控制方式的選擇、上料電機(jī)的頻率的設(shè)定生產(chǎn)產(chǎn)量的記錄、鋸片電流的監(jiān)

56、視記錄及故障查詢等功能。 圖4-9上位機(jī)監(jiān)控畫面 §4.4.2 PLC程序的分析與設(shè)計(jì) 對于本系統(tǒng)，要進(jìn)行程序設(shè)計(jì)首先應(yīng)對碳塊的加工工藝進(jìn)行分析，可以得出本系統(tǒng)加工時的工作步驟： 1、動力開啟 2、鋸片電機(jī)啟動 3、碳塊吊裝 4、上料電機(jī)啟動 5、下料電機(jī)啟動 6、油泵工作 7、輸送電機(jī)工作 8、加工完成 根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)備操作要求和工藝，本系統(tǒng)中設(shè)置了自動手動兩種工作方式，自動化的生產(chǎn)方式是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)加工對象的自動化生產(chǎn)，碳塊的加工除上下料以外全部由系統(tǒng)自動完成。因此它可以大大提高加工效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕工人勞動量，降低成本。手動檔主要是為了現(xiàn)場調(diào)試及工藝技術(shù)

57、改進(jìn)方便而設(shè)置的。 根據(jù)本系統(tǒng)加工時的詳細(xì)步驟和系統(tǒng)總體功能，按照結(jié)構(gòu)化、模塊化編程方法，將PLC程序分為多個功能模塊，其功能模塊如圖4-10所示 圖4-10 PLC程序功能模塊圖 本文僅對電流采集模塊、上料電機(jī)控制模塊、鋸片電機(jī)故障處理模塊、碳塊計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究。 §4.4.3電流采集模塊 電流采集模塊包括電流的采集和電流的變換兩部分，其中電流的采集包括油泵電流采集、開槽鋸片電機(jī)電流采集，上料電機(jī)電流采集，電流的變換是由于西門子S7-200采集的模擬量的范圍為6400-32000，于是本模塊需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行下處理，根據(jù)需要編寫成SBR-3子程序，其計(jì)算公式為 根據(jù)

58、公式編寫程序?yàn)? 油泵電流采集，鋸片電流采集，上料電機(jī)采集程序?yàn)椋? §4.4.4 上料電機(jī)控制模塊： 在上料電機(jī)控制模塊中包含對上料電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制和對上料電機(jī)的速度控制兩個模塊，正反轉(zhuǎn)模塊就是根據(jù)需要將電機(jī)工作狀態(tài)切換為正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，而對上料電機(jī)的控制主要是根據(jù)上位機(jī)及現(xiàn)場實(shí)際情況對變頻器的控制，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的提高，其正反轉(zhuǎn)控制及速度控制程序如下所示 上料電機(jī)速度控制程序： §4.4.5 鋸片電機(jī)故障處理模塊 鋸片電機(jī)的故障主要有熱故障與過流故障兩種，其中熱故障是因?yàn)殡姍C(jī)長時間工作發(fā)熱導(dǎo)致繼電器跳停引起的，處理起來比較簡單，只需要把電機(jī)重新啟動復(fù)位就好了，過流故障處理的流

59、程圖如下圖 4-11 圖4-11鋸片電機(jī)過流故障處理流程圖 鋸片電機(jī)過流處理程序： 鋸片電機(jī)熱故障處理程序： §4.4.6 碳塊計(jì)數(shù)模塊 為了對生產(chǎn)管理的方便，在程序設(shè)計(jì)中需要對碳塊數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在本系統(tǒng)中總共需要對三組數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，累計(jì)產(chǎn)量，班組產(chǎn)量，總產(chǎn)量，并能實(shí)現(xiàn)對班組產(chǎn)量及總產(chǎn)量的清零設(shè)計(jì)。其流程圖如下圖4-12所示 圖4-12 碳塊計(jì)數(shù)程序流程圖 碳塊計(jì)數(shù)程序： 碳塊計(jì)數(shù)清零程序： 第五章 結(jié)論 本文針對陽極開槽機(jī)的工藝流程進(jìn)行的研究，利用西門子PLC設(shè)計(jì)了陽極開槽機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，達(dá)到了開槽機(jī)了控制系統(tǒng)的要求，該系統(tǒng)具有

60、以下特點(diǎn)： 1. 采用PLC控制，適應(yīng)能力比較強(qiáng) 由于開槽機(jī)一般都是在條件比較惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，對裝置的要求比較高，傳統(tǒng)的裝置都是用繼電器等一些器件組成，這些裝置不僅線路復(fù)雜，而且在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定性很差，這些線路很容易出現(xiàn)故障，致使生產(chǎn)效率大大降低，而此次運(yùn)用PLC編程控制，解決了系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，經(jīng)過生產(chǎn)廠家多年的實(shí)際運(yùn)行，它的穩(wěn)定性是不容置疑的。因此和傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比較，此次的裝置具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，使生產(chǎn)效率不因環(huán)境而改變。 2. 控制系統(tǒng)加入了對電動機(jī)電流的檢測，能及時對電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測： 在開槽機(jī)系統(tǒng)中，為了更好的保護(hù)電機(jī)，增強(qiáng)對生產(chǎn)的控制，使用電流互感器對上料電機(jī)，鋸片

61、電機(jī)，油泵電機(jī)，下料電機(jī)進(jìn)行電流采集，把采集來的信號送給PLC處理，PLC根據(jù)上位機(jī)設(shè)定對電機(jī)頻率進(jìn)行設(shè)置，對生產(chǎn)進(jìn)行控制。 3. 生動的圖形，使操作人員形象的看到現(xiàn)場的實(shí)際情況： 在設(shè)計(jì)的過程中，我們加入了大量的動畫連接。根據(jù)現(xiàn)場接近開關(guān)限位開關(guān)提供的信息，觸發(fā)這些動畫連接，這些動畫連接生動的體現(xiàn)了現(xiàn)場的實(shí)際情況。 參考文獻(xiàn): [1]　Shekhar R,Evans J W.Modeling studies of electrolyte flow and bubble behavior in advanced Hall cells[J].L igh

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