飞剪技术PLC
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4.1.2 6RA70直流调速器的特点
6RA70直流调速装置使用了微处理器技术，其主要特点就是操作非常简单，运行可靠、灵活。对装置进行设置均可通过参数设定进行，为了让调速器快速运行起来可通过PC进行参数设定，也可通过PMU进行手动参数设定操作，但是这样的操作会相对复杂。同时还可实现：自动测试和报警显示，以减少维修时间；可以设置的参数将迅速备份卡具有特殊的价值，简化了管理；可重复设定，减少因操作技巧差异所造成的影响；速度调节器、电枢电流和励磁电流的自动调整，使整流器能快速、稳定地起动，控制面板中存有报警状态及诊断信息，能对故障进行快速分析。SIMOREG DC-MASTER在工业领域有着良好的经济性，开环和闭环控制被集成到系统中，具有高度的抗干扰。
3.2程序流程图
确定整个系统软件设计思路之后，就开始编写梯形图程序。为了编写程序时清晰的思路，明确下一步该如何编写程序，节省了整个控制程序的编写时间，因此设计程序的流程图就很有必要。程序流程图如下：
（1）系统主程序流程式程序流程图，如图所示。
四、控制系统选型与系统连接
控制系统选型
4.1直流调速器选型
直流调速器做为直流电动机调速设备，主要有电机、脉宽、可控硅直流调速器等。一般由不同的模块组成，直流调速器有整流电路、触发电路、电源电路于一个设备，器件采用竖直分布和使用高集成的控制元器件，具有集成度高，重量轻的优点，调试方便等特点，并结合直流电机安装在一起可以形成完整的直流电动机，同时拥有了调速器和直流电机的优良特性[7]。综合棒材飞剪中各方面的因素以及I311实验室调试的工作，本次设计采用6RA70直流调速器做为飞剪机控制系统的调速装置。
3.1系统的软件设计思路
对于棒材飞剪机控制系统，我的程序设计思路主要是先编写程序功能块，然后在主程序里面调用各功能块的方式来实现的。根据任务书的要求，系统工作模式可分为：自动运行模式和手动运行模式。本次设计使用的是西门子PLC的专门编程软件SIMATIC Manager，安装后默认有梯形图、功能块和语句表三种编程语言。基于自己在S7-200编程上面的基础，曾使用梯形图完成四层电梯的程序设计，最终选择用梯形图语言编程。梯形图编程具有层次感，很好的易读性，清晰明了。该系统的程序架构是：一个主程序，五个功能子程序。
（5）用实验平台模拟实现棒材飞剪机工作过程，设计操作界面及相应程序，并利用Wincc记录数据。
3、设计要求、标准：
（1）飞剪机的剪刃在剪切轧件时，要同轧件保持相对静止。剪刃要同时完成对轧件的剪切和移动，并且在水平方向的分速度应与轧件运行速度相等。
（2）要求飞剪机根据不同的轧件厚度和轧件形状，自动将剪刃间的间隙和重叠量调节到合适的值，从而确保剪切工艺正常，避免发生堵钢事件。
一般由不同的模块组成直流调速器有整流电路触发电路电源电路于一个设备器件采用竖直分布和使用高集成的控制元器件具有集成度高重量轻的优点调试方便等特点并结合直流电机安装在一起可以形成完整的直流电动机同时拥有了调速器和直流电机的优良特性7
2015年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛工程设计文件
运动控制赛项
参赛队伍名称：XXXXXXXX
二、系统分析（包括甲方需求分析、对象特性分析、系统安全分析等）
1、需求分析：
对于我们来说，我们还是主要提供程序，让PLC机器能够正常工作，实现工业生产。对于棒材飞剪机控制系统，我们的程序设计思路主要是先编写程序功能块，然后在主程序里面调用各功能块的方式来实现的。软件的核心问题是要对各种检测信号进行及时准确地判断以及对相应的设备进行控制,软件程序主要由轧线信号及处理、夹送辊操作、飞剪驱动模块、头部剪切操作、尾部剪切操作、单剪切、报警等模块组成,实现对信号的接收、分析、处理、控制、启动、制动等一系列操作。
（2）剪刃在336.5°时切入轧件。
（3）在30°位置时，剪刃制动的切削刃，当剪刃到达300°处前必须停止制动，制动角的电气设计人员根据实际情况确定。
（4）制动结束后，要求剪刃回到等待位置。如果剪刃超过等待位置停下就要求电机反转，如果剪刃在等待前面的位置停止剪刃将继续向前旋转。
2.4系统总体方案确定
参赛学校名称：XXXXXXXX
年月日
一、方案设计依据、范围及相关标准
1、设计依据：
飞剪机是冶金板材行业最重要的装备之一，也是我国长期以来一直引进的重要的冶金设备，飞剪机是指横向剪切运动轧件，并满足用户定尺要求的一种设备。
该设备主要包括：物料夹送辊、传感器、飞剪、飞剪角度追踪等。剪刃在水平位置时为飞剪的初始位置，剪刃在最低点时成为下死点，即剪切位置。
（3）要求剪切运动机械结构简单，减小剪切机构的运动惯性。当正在剪切时，速度变化小，还为飞剪机的频繁起动带来便利，可以提高飞剪机的剪切效率。
（4）自动生产,按照上述控制步骤，自动运行，自动追踪物料位置，实现物料的飞剪。
（5）在运行过程中，监测状态参数以及各种反馈信号等，确保飞剪过程稳定运行。并制定相应的安全策。
图4.3 S7-300系列PLC硬件组态模型
由于S7-300采用的是模块结构，所以在安装模块时必须按顺序放置。安装时，在机架的最左端总是安装电源模块，紧接着是CPU模块。如果需要另外加入接口模块，则安装在CPU模块的右侧，然后分别就是模拟量和数字量的信号模块，最后就是通信处理器。
4.2.3 S7-300 PLC的性能特点
（1）模块化可编程控制器系统，能满足中小规模的性能要求；
（2）由不同级别的CPU、各种功能模块和I/O模块可供选择，可以非常好的满足和适应自动化控制任务；
（3）集成功能很多所以它的功能非常强大；
（4）当控制任务增加时，可自由扩展；
（5）方便用户，有建议的无风扇设计；
（6）易于操作、编程、维护和服务；
（7）扩展温度范围从-25℃～+70℃；
（8）分布式结构简单、实用、多接口的网络容量，所以应用非常灵活；
（9）低成本的自动化系统解决方案。
系统连接图
六、经济效益分析
2、设计范围：
（1）熟悉飞剪的种类和剪刃剪切过程，确定整个系统的控制方案；
（2）熟习S7-300 PLC硬件构造、工作原理、指令系统和程序设计方法；
（3）基于S7-300 PLC配置外围硬件，使用AUTOCAD设计飞剪机控制系统的电气原理图和安装图，元器件主要参数计算及其选择；
（4）在控制方案下，设计满足棒材飞剪机在自动模式和手动模式的控制程序，以及指示灯显示程序；
PLC采用循环扫描工作方式，通电后就执行系统初始化程序，然后分别执行CPU自诊断、通信信息处理、与外部设备交换信息、执行用户程序、I/O信息处理，连续不断的反复执行这样的过程。这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程，其工作过程如图4.1所示。
图4.1 PLC的工作过程
PLC的工作过程与CPU的操作方式有关。CPU有两种操作方式：STOP方式和RUN方式。PLC在执行用户程序时可分为三个阶段，(1)输入采样阶段、(2)程序执行阶段、(3)输出刷新阶段，如图4.2示。
2、对象特性分析：
飞剪本身的速度反馈由本机架电机编码器直接接入直流调速装置。当飞剪收到剪切信号时，飞剪开始均匀加速运转，在剪切位置或之前剪切速度达到给定值，通过编码器（或调速装置）计算的剪刃位置离开切出角，开始减速最终停到停止位，过程如图2.1所示。
图2.1剪刃周期剪切图
（1）剪刃从180°等待位置（电气人员可以根据实际情况，将等待位置定在90°到180°之间任何位置）开始加速到剪切速度。
4.2可编程控制器简介及选型
PLC采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程[11]。结合实验室调试工作的进行以及对飞剪控制系统设计的要求，本次设计选用西门子S7-300PLC。
4.2.1 PLC的工作原理
根据任务书的要求和对飞剪机工作原理的了解，设计自动模式和手动模式对飞剪机进行控制。在手动模式下，操作人员通过按下正向点动按钮对飞剪进行正向点动，按下反向点动按钮对飞剪进行反向点动，按下单次剪切按钮对飞剪进行单次剪切的测试。自动方式下，按照操作员设定的剪切参数，根据剪前热检信号自动计算剪切长度实现剪切功能。用指示灯显示不同的工作信号，以便给操作员进行操作提醒，明确飞剪机所在的工作状态。
按照以上的控制思路，可以确定好棒材飞剪机系统的总体设计思路：使用可编程逻辑控制器，实现飞剪工作过程的逻辑控制功能；利用变频器控制直流电机的启停式飞剪剪切过程，以满足飞剪的动态剪切过程；利用WinCC组态软件的人机界面设计，实现工作状态实时监测。
三、控制系统设计（包括控制逻辑、控制回路、控制算法等的选择，开机、停机等控制逻辑以流程图表达）
图4.2 PLC用户程序的工作过程
4.2.2 S7-300 PLC的硬件模块
S7-300是模块化PLC体系，可以满足中等性能控制系统的要求。S7-300 PLC由以下部分组成：机架（RACK）、电源模块(PS)、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）和通信处理器（CP）[11]。如图3.3所示。
4.1.3 6RA70直流调速器的应用
6RA70直流调速器的推出，由于其能够满足工业自动化对电气传动系统的越来越高的性能要求，并广泛的应用于各种工业领域中。例如加工制造业以及冶金行业中的轧机主传动系统，飞剪机剪切机构，校直机等。6RA70直流调速器的启停特性能够很好的满足连续启停工作制的飞剪机，有效的提高了剪切精度。
4.1.1 6RA70直流调速器
6RA70系列全数字整流调节器结构紧凑，相比6RA24，在机械设计和软件上6RA70的特点都有了很大的进步，使用了与西门子6SE70系列产品一致的控制箱，机械布局更加的紧凑和实用，模块可以根据控制需求进行自由选配。输入电压为三相交流电，电压大小同直流调速器的功率相关，可向直流电动机的电枢和励磁供电，电枢整流桥是三相全控桥，这样可以使电动机换向更加自然，通过交流侧的电流互感器可得到电枢电流。所有的控制，调节，控制和附加功能由微处理器实现，通过Drive monitor软件可以对速度调节系统的重要参数设定和实际速度的监控，并可通过模拟量给定电动机速度和反馈速度。使用Profibus-DP总线网络来与PLC通讯，可以把PLC的控制字发送到调速器以及将调速器的状态字反馈到PLC上。
6RA70直流调速装置使用了微处理器技术，其主要特点就是操作非常简单，运行可靠、灵活。对装置进行设置均可通过参数设定进行，为了让调速器快速运行起来可通过PC进行参数设定，也可通过PMU进行手动参数设定操作，但是这样的操作会相对复杂。同时还可实现：自动测试和报警显示，以减少维修时间；可以设置的参数将迅速备份卡具有特殊的价值，简化了管理；可重复设定，减少因操作技巧差异所造成的影响；速度调节器、电枢电流和励磁电流的自动调整，使整流器能快速、稳定地起动，控制面板中存有报警状态及诊断信息，能对故障进行快速分析。SIMOREG DC-MASTER在工业领域有着良好的经济性，开环和闭环控制被集成到系统中，具有高度的抗干扰。
3.2程序流程图
确定整个系统软件设计思路之后，就开始编写梯形图程序。为了编写程序时清晰的思路，明确下一步该如何编写程序，节省了整个控制程序的编写时间，因此设计程序的流程图就很有必要。程序流程图如下：
（1）系统主程序流程式程序流程图，如图所示。
四、控制系统选型与系统连接
控制系统选型
4.1直流调速器选型
直流调速器做为直流电动机调速设备，主要有电机、脉宽、可控硅直流调速器等。一般由不同的模块组成，直流调速器有整流电路、触发电路、电源电路于一个设备，器件采用竖直分布和使用高集成的控制元器件，具有集成度高，重量轻的优点，调试方便等特点，并结合直流电机安装在一起可以形成完整的直流电动机，同时拥有了调速器和直流电机的优良特性[7]。综合棒材飞剪中各方面的因素以及I311实验室调试的工作，本次设计采用6RA70直流调速器做为飞剪机控制系统的调速装置。
3.1系统的软件设计思路
对于棒材飞剪机控制系统，我的程序设计思路主要是先编写程序功能块，然后在主程序里面调用各功能块的方式来实现的。根据任务书的要求，系统工作模式可分为：自动运行模式和手动运行模式。本次设计使用的是西门子PLC的专门编程软件SIMATIC Manager，安装后默认有梯形图、功能块和语句表三种编程语言。基于自己在S7-200编程上面的基础，曾使用梯形图完成四层电梯的程序设计，最终选择用梯形图语言编程。梯形图编程具有层次感，很好的易读性，清晰明了。该系统的程序架构是：一个主程序，五个功能子程序。
（5）用实验平台模拟实现棒材飞剪机工作过程，设计操作界面及相应程序，并利用Wincc记录数据。
3、设计要求、标准：
（1）飞剪机的剪刃在剪切轧件时，要同轧件保持相对静止。剪刃要同时完成对轧件的剪切和移动，并且在水平方向的分速度应与轧件运行速度相等。
（2）要求飞剪机根据不同的轧件厚度和轧件形状，自动将剪刃间的间隙和重叠量调节到合适的值，从而确保剪切工艺正常，避免发生堵钢事件。
一般由不同的模块组成直流调速器有整流电路触发电路电源电路于一个设备器件采用竖直分布和使用高集成的控制元器件具有集成度高重量轻的优点调试方便等特点并结合直流电机安装在一起可以形成完整的直流电动机同时拥有了调速器和直流电机的优良特性7
2015年全国大学生西门子杯工业自动化挑战赛工程设计文件
运动控制赛项
参赛队伍名称：XXXXXXXX
二、系统分析（包括甲方需求分析、对象特性分析、系统安全分析等）
1、需求分析：
对于我们来说，我们还是主要提供程序，让PLC机器能够正常工作，实现工业生产。对于棒材飞剪机控制系统，我们的程序设计思路主要是先编写程序功能块，然后在主程序里面调用各功能块的方式来实现的。软件的核心问题是要对各种检测信号进行及时准确地判断以及对相应的设备进行控制,软件程序主要由轧线信号及处理、夹送辊操作、飞剪驱动模块、头部剪切操作、尾部剪切操作、单剪切、报警等模块组成,实现对信号的接收、分析、处理、控制、启动、制动等一系列操作。
（2）剪刃在336.5°时切入轧件。
（3）在30°位置时，剪刃制动的切削刃，当剪刃到达300°处前必须停止制动，制动角的电气设计人员根据实际情况确定。
（4）制动结束后，要求剪刃回到等待位置。如果剪刃超过等待位置停下就要求电机反转，如果剪刃在等待前面的位置停止剪刃将继续向前旋转。
2.4系统总体方案确定
参赛学校名称：XXXXXXXX
年月日
一、方案设计依据、范围及相关标准
1、设计依据：
飞剪机是冶金板材行业最重要的装备之一，也是我国长期以来一直引进的重要的冶金设备，飞剪机是指横向剪切运动轧件，并满足用户定尺要求的一种设备。
该设备主要包括：物料夹送辊、传感器、飞剪、飞剪角度追踪等。剪刃在水平位置时为飞剪的初始位置，剪刃在最低点时成为下死点，即剪切位置。
（3）要求剪切运动机械结构简单，减小剪切机构的运动惯性。当正在剪切时，速度变化小，还为飞剪机的频繁起动带来便利，可以提高飞剪机的剪切效率。
（4）自动生产,按照上述控制步骤，自动运行，自动追踪物料位置，实现物料的飞剪。
（5）在运行过程中，监测状态参数以及各种反馈信号等，确保飞剪过程稳定运行。并制定相应的安全策。
图4.3 S7-300系列PLC硬件组态模型
由于S7-300采用的是模块结构，所以在安装模块时必须按顺序放置。安装时，在机架的最左端总是安装电源模块，紧接着是CPU模块。如果需要另外加入接口模块，则安装在CPU模块的右侧，然后分别就是模拟量和数字量的信号模块，最后就是通信处理器。
4.2.3 S7-300 PLC的性能特点
（1）模块化可编程控制器系统，能满足中小规模的性能要求；
（2）由不同级别的CPU、各种功能模块和I/O模块可供选择，可以非常好的满足和适应自动化控制任务；
（3）集成功能很多所以它的功能非常强大；
（4）当控制任务增加时，可自由扩展；
（5）方便用户，有建议的无风扇设计；
（6）易于操作、编程、维护和服务；
（7）扩展温度范围从-25℃～+70℃；
（8）分布式结构简单、实用、多接口的网络容量，所以应用非常灵活；
（9）低成本的自动化系统解决方案。
系统连接图
六、经济效益分析
2、设计范围：
（1）熟悉飞剪的种类和剪刃剪切过程，确定整个系统的控制方案；
（2）熟习S7-300 PLC硬件构造、工作原理、指令系统和程序设计方法；
（3）基于S7-300 PLC配置外围硬件，使用AUTOCAD设计飞剪机控制系统的电气原理图和安装图，元器件主要参数计算及其选择；
（4）在控制方案下，设计满足棒材飞剪机在自动模式和手动模式的控制程序，以及指示灯显示程序；
PLC采用循环扫描工作方式，通电后就执行系统初始化程序，然后分别执行CPU自诊断、通信信息处理、与外部设备交换信息、执行用户程序、I/O信息处理，连续不断的反复执行这样的过程。这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程，其工作过程如图4.1所示。
图4.1 PLC的工作过程
PLC的工作过程与CPU的操作方式有关。CPU有两种操作方式：STOP方式和RUN方式。PLC在执行用户程序时可分为三个阶段，(1)输入采样阶段、(2)程序执行阶段、(3)输出刷新阶段，如图4.2示。
2、对象特性分析：
飞剪本身的速度反馈由本机架电机编码器直接接入直流调速装置。当飞剪收到剪切信号时，飞剪开始均匀加速运转，在剪切位置或之前剪切速度达到给定值，通过编码器（或调速装置）计算的剪刃位置离开切出角，开始减速最终停到停止位，过程如图2.1所示。
图2.1剪刃周期剪切图
（1）剪刃从180°等待位置（电气人员可以根据实际情况，将等待位置定在90°到180°之间任何位置）开始加速到剪切速度。
4.2可编程控制器简介及选型
PLC采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程[11]。结合实验室调试工作的进行以及对飞剪控制系统设计的要求，本次设计选用西门子S7-300PLC。
4.2.1 PLC的工作原理
根据任务书的要求和对飞剪机工作原理的了解，设计自动模式和手动模式对飞剪机进行控制。在手动模式下，操作人员通过按下正向点动按钮对飞剪进行正向点动，按下反向点动按钮对飞剪进行反向点动，按下单次剪切按钮对飞剪进行单次剪切的测试。自动方式下，按照操作员设定的剪切参数，根据剪前热检信号自动计算剪切长度实现剪切功能。用指示灯显示不同的工作信号，以便给操作员进行操作提醒，明确飞剪机所在的工作状态。
按照以上的控制思路，可以确定好棒材飞剪机系统的总体设计思路：使用可编程逻辑控制器，实现飞剪工作过程的逻辑控制功能；利用变频器控制直流电机的启停式飞剪剪切过程，以满足飞剪的动态剪切过程；利用WinCC组态软件的人机界面设计，实现工作状态实时监测。
三、控制系统设计（包括控制逻辑、控制回路、控制算法等的选择，开机、停机等控制逻辑以流程图表达）
图4.2 PLC用户程序的工作过程
4.2.2 S7-300 PLC的硬件模块
S7-300是模块化PLC体系，可以满足中等性能控制系统的要求。S7-300 PLC由以下部分组成：机架（RACK）、电源模块(PS)、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）和通信处理器（CP）[11]。如图3.3所示。
4.1.3 6RA70直流调速器的应用
6RA70直流调速器的推出，由于其能够满足工业自动化对电气传动系统的越来越高的性能要求，并广泛的应用于各种工业领域中。例如加工制造业以及冶金行业中的轧机主传动系统，飞剪机剪切机构，校直机等。6RA70直流调速器的启停特性能够很好的满足连续启停工作制的飞剪机，有效的提高了剪切精度。
4.1.1 6RA70直流调速器
6RA70系列全数字整流调节器结构紧凑，相比6RA24，在机械设计和软件上6RA70的特点都有了很大的进步，使用了与西门子6SE70系列产品一致的控制箱，机械布局更加的紧凑和实用，模块可以根据控制需求进行自由选配。输入电压为三相交流电，电压大小同直流调速器的功率相关，可向直流电动机的电枢和励磁供电，电枢整流桥是三相全控桥，这样可以使电动机换向更加自然，通过交流侧的电流互感器可得到电枢电流。所有的控制，调节，控制和附加功能由微处理器实现，通过Drive monitor软件可以对速度调节系统的重要参数设定和实际速度的监控，并可通过模拟量给定电动机速度和反馈速度。使用Profibus-DP总线网络来与PLC通讯，可以把PLC的控制字发送到调速器以及将调速器的状态字反馈到PLC上。