PLC课程设计轧钢机概要

电器与可编程控制器课程设计

2011年 12月26日

目 录

第1章 绪论 ....................................................................................................................................................... 3

1.1 PLC的定义 ..................................................................................................................... 3 1.2 PLC功能及特点 ............................................................................................................. 3

第二章 课题介绍 ............................................................................................................................................. 5

2.1 轧钢机发张动向 .............................................................................................................. 5 2.2 轧钢的控制系统的特点与分类 ...................................................................................... 5 2.3 轧钢安全技术 .................................................................................................................. 6

第3章 设计内容及要求 ..................................................................................................................................... 6

3.1 控制要求 .......................................................................................................................... 6 3.2 设计要求 .......................................................................................................................... 7 3.3 控制原理介绍及图示 ...................................................................................................... 8

第4章硬件设计 ................................................................................................................................................... 8

4.1 元器件选择（主设备） .................................................................................................. 8 4.2 元器件选择（辅助设备） ............................................................................................ 10 4.3元器件参数 ....................................................................................................................... 11 4.4硬件控制原理图 ............................................................................................................... 12 4.5 PLC外部接线图 .............................................................................................................. 13 4.6主电路图 ........................................................................................................................... 14

第5章软件设计 ................................................................................................................................................. 15

5.1 设计思想及程序框图 .................................................................................................... 15 5.2 输入输出地址表 ............................................................................................................ 16 5.3 程序设计说明 ................................................................................................................ 16

第6章运行调试 ................................................................................................................................................. 19 第7章 小结 ..................................................................................................................................................... 22 参考文献 ............................................................................................................................................................. 23 附录..................................................................................................................................................................... 24

1.完整的T型图 ..................................................................................................................... 24 2．PLC外部接线图 .............................................................................................................. 26

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第1章 绪论

1.1 PLC的定义

可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller）， 它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算 机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。 1987年国际电工（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义： PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 1.2 PLC功能及特点

特点：（一）：实用性强，使用方便

（二）：功能强，适应面广 （三）：可靠性高，抗干扰能力强 （四）：控制程序可变具有很好的柔性 （五）：编程方法简单，容易掌握

（六）：PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作少，极为方便控制 序变化

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功能： （一）：逻辑控制功能

逻辑控制功能是PLC最基本的功能之一，是PLC最基本的应用领域，

取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。

（二）：定时控制功能

定时控制功能也是PLC的基本功能之一。PLC中有许多可供用户使用的

时器，功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可在运动过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确的实时控制。

（三）：技术控制功能

技术控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC为用户提供许多计数器，

计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号（计数值到），利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数值的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。

（四）：数据处理功能

PLC大部分都具有数据处理功能，可以实现算数运算、数据比较、数

移位、数据转换译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相联，实现程序、数据的显示和打印。

（五）：监控功能 （六）：停电记忆功能 （七）：故障诊断功能

PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，

现异常情况，发出警报并显示错误类型，如果严重错误则自动终止运行。

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第二章 课题介绍

2.1 轧钢机发张动向

轧钢机，据说在14世纪欧洲就有轧机，但记载的是1480年意大利人达’芬h型连轧钢机。1553年法国人不律列尔（Brulier）轧制出金和银板材，用以制造金币。此后在西班 牙，比利时和英国相继出现轧机。1728年英国设计的生产棒材用的轧机。

十九世纪中叶，第一台可逆式板材轧机在英国投产。1848年德国发明了万能式轧机，1853年美国开始用三辊式的型材轧机（图2 最初的三辊式侧视图），并用蒸汽机传动的升降台实现机械化。 1859年制造了第一台连轧机。中国于1871年在福州船政局所属拉铁厂（轧钢厂）开始用轧钢机。

现代轧机发展的趋向是连续化、自动化﹑专业化﹐产品质量高﹐消耗低。 60 年代以来轧机在设计﹑研究和制造方面取得了很大的进展﹐使带材冷热轧机﹑厚板轧机﹑高速线材轧机﹑ H 型材轧机和连轧管机组等性能更加完善，并出现了轧制速度高达每秒钟 115 米的线材轧机﹑全连续式带材冷轧机﹑ 5500 毫米宽厚板轧机和连续式 H 型钢轧机等一系列先进设备。

随着生产力和科学技术的不断发展，人们的日常生活和生产活动大量的使用自动化控制，不仅节约了人力资源，而且很大程度的提高了生产效率，又进一步的促进了生产力快速发展，并不断的丰富着人们的生活。 。 2.2 轧钢的控制系统的特点与分类

轧机按用途分类有：初轧机和开坯机，型钢轧机(大、中、小和线材)，板带机，钢管轧机和其他特殊用途的轧机。轧机的开坯机和型钢轧机是以轧辊的直径标称的，板带轧机是以轧辊辊身长度标称的，钢管轧机是以能轧制的钢管的最大外径标称的。

辅助设备可分为两类：

改变轧件外形的设备，如：剪切、矫直、卷取等。 移送轧件的设备，如：辊道、翻钢机、推床、升降台等。

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2.3 轧钢安全技术

（1）双机架可逆式冷轧机成套装备与技术，该技术根据轧制带钢的材质、规格和生产工艺条件选择不同的轧制道次，使轧机能在较大的范围内灵活适应带钢材质、规格和卷重的变化，产品精度高，可开发精密带钢和有色金属箔带。

（2）钢材品种开发与性能优化技术，包括：工艺参数对IF钢成形性能的影响；超细晶粒、高强度纯净钢的研究；高强度微合金(Ti, Nb, V ,B) 钢的研究。

（3）热轧窄带钢生产成套设备及工艺技术，在工艺和设备上向宽带钢靠拢，用层流

冷却和卧式卷取机取代活套振荡器和立式卷取，粗轧机前增加高压水除鳞，带钢的表面质。

（4）基于图像处理的表面质量在线检测系统，该系统用CCD摄像头采集生产线上

产品的表面图像，通过图像处理和模式识别算法对图像进行实时的分析和处理，以检测产 品的表面是否存在着缺陷，并且获取缺陷的尺寸、部位、类型、等级等信息，从而达到在线评估和控制产品表面质量的目的。

（5）中厚板轧后快冷技术，采用国际上先进的高密度管层流冷却装置，改进中厚板

生产中利用控制轧制控制冷却工艺生产专用钢板，并提高钢板的机械性能。

第3章 设计内容及要求

轧钢机设计内容主要包括控制要求、设计要求、控制原理介绍及图示、控制方案。

3.1 控制要求

启动按钮SD按下，电机M1、M2运行，传送钢板，检测传送带上有无钢板的传感器S1的信号（即开关为ON），表示有钢板，电机M3正转（MZ灯亮）；S1的信号消失（为OFF），检测传送带上钢板到位后的传感器S2有信号（为ON），表示钢板到位，电磁阀动作（YU1灯亮），电机M3反转（MF灯亮）。给一向下压下量，S2信号消失，S1有信号，电机M3正转…

X2第一次接通，发光管A亮，表示有一向下压下量，第二次接通时，A、B亮，表示有两个向下压下量，第三次接通时，A、B、C亮，表示有三个向下压下量，若此时S2向下打，则在X2第三次接通断开时，电磁阀YU1灯灭，“A、B、C”全灭，“M2”灯亮送走钢板，按下启动开关系统停止工作。

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3.2 设计要求

(1)按启动按钮，上下两扎辊电机（M1）启动运转，轧制方向为从右向左扎制。左右侧辊道电机（M2和M3）启动，逆时针运转，向左输送。

（2）设备启动后，PLC检测有无等待的扎件，即S1是否有效。若无扎件则一直等待。S1有效信号到来后，PLC通过某一路开出控制电磁铁动作，打开扎件挡板，让扎件进入扎机的右侧轨道。

（3）待扎件完全进入后（设需时4秒），释放电磁铁，关闭扎件挡板。

（4）扎件在右侧辊道推动下进入轧辊下轧制，轧辊间有热金属探测仪给出正在轧制的信号，有S2仿真，高电平表示正在轧制。

（5）S2有高电平变为低电平表示扎件已经通过了轧辊。扎件通过轧辊后PLC控制两侧辊道停止，电磁液压阀Y2动作使左侧辊道翘起。

（6）1秒后启动左侧滚到向右输送。这是由安装在上轧辊上方的另一个这金属探测仪给出扎件通过的信号，由另一个手动开关S3仿真。

（7）S3由高电平变为低电平表示扎件已经完全回到了轧辊右侧。PLC断开电磁阀Y2电源，并停止左侧辊道运转。

（8）1秒钟后左侧辊道放平，启动左右侧辊道电机向左输送，开始下一次轧制。 （9）重复（4）~（8）完成第二次轧制，并准备好第三次轧制。

（10）第三次轧制完成后，即热金属探测仪输出由高电平变为低电平后，左侧辊道继续向左输送3秒，把扎件送出扎机。结束该扎件的轧制工程。 （11）回到第二步但不需要4秒延时，

（12）按下停止按钮结束工作。

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3.3 控制原理介绍及图示

图3-3

第4章硬件设计

硬件系统由编程计算机(上位机)、S7-200PLC控制器(下位机、数字量输入/输出点为24 入/16出)和轧钢机生产线被控对象等组成，编程计算机(RS232通讯口)和S7-200PLC控制器 (RS485通讯口)之间通讯采用PPI通讯模块。

轧钢机的硬件设备主要由一个或数个主机列组成。主要包括：主电机、传动机构和工作机座等部分。

辅助设备：1.装料台架；2．加热炉推钢机；3．加热炉出钢机；4．辊道；5．分钢机与分钢导板；6．剪机；7．围盘装置；8．卷线机与成圈器；9．输送冷却设备；10．打捆机和压卷机；11．收卷机。 4.1 元器件选择（主设备）

1.轧钢机主机列，如下图4-1-1：

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图4-1-1轧钢机主机列

1齿轮机座，它将动力传给三个轧辊，由三个直径相等的齿轮封闭在箱体中组成。2

为减速器，它以一定速比降低主轴转速，以适应轧辊转速需要。3为飞轮，用于蓄存和释放能量，均衡主电机负荷。4为万向接轴，连接齿轮座和轧辊传递动力。5、6为主联接轴节，它们将齿轮座、减速器和主电机连接一起传递动力。7为主电机。8为工作机座。工作机座是使轧件产生轧制变形的设备,工作机座主要部件包括：轧辊，机架，轧辊轴承，轧辊调整装置，导板和固定横梁，地脚板等。虽然轧机类型很多，但工作机座组成部分大体上是一致的。

2.主电动机

拖动电动机M： 5.5kW、AC380V、11.6A、1440r/min。

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3．热继电器：如下图4-1-2

热继电器主要由热元件、双金属片和触头三部分组成。双金属片是热继电器的感测

元件，有两种膨胀系数不同的金属片用机械碾压而成。膨胀系数大的称为短，否则反之。主动层，小的称为被动层。其利用热效应原理，过载电流越大，动作时间越

图4-1-2

4.2 元器件选择（辅助设备）

1.闭式几架：如图2-5， 闭式支架系统的模拟不太方便。闭式几架是一个将上下横

梁与立柱铸成一体的封闭式式整体框图。因此它的强度和刚性较大。

2.收卷机：如右图

收卷机主要进行启动、停止、退卷动作，把原材料通过机械

方式收卷成卷料。

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4.3元器件参数

PLC型号： 本设计中PLC选用的是三菱FX2n系列， 本设计中有输入/输出点是3输入/9输出 考虑到15％的备用点

则需输入点：3*（1+15%）=3.45，取整数4 输出点：9*（1+15%）=10.35 取整数11 所以选用FX2n－32MR的PLC

拖动电动机M： 5.5kW、AC380V、11.6A、1440r/min。熔断器FU：IFU≧2IN 其中：IFU是熔断器熔体的额定电流

IN是电动机的额定电流 IFU≧2*11.6=23.2A

所以熔断器选用RT14—32型号。 热继电器： IRT=(0.95～1.05)IN 其中：IRT是热继电器的额定电流 IN是电动机的额定电流

IRT=(0.95～1.05)*11.6=11.02A～12.18A 所以热继电器选用JR16—20/3型号。 接触器：IC=PN／（KUN） 其中：IC是接触器触头电流

PN是电动机额定功率 K是经验系数一般取1～1.4 UN是电动机额定电压

IC=5.5*1000/[（1～1.4）*380]=10.33A～14.47A 所以接触器选用CJ10—20型号。

指示灯HL： 0.25W,DC24V. 电磁阀Y1: 100mA,AC220V.7

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元器件清单: 代号 M 名称 三相异步交流电动机 型号 Y型5.5kW、AC380V、11.6A、1440r/min 数量 4 FX2n-32 FU1 FR S KM HL YU1 可编程控制器 熔断器 热继电器 按钮 接触器 指示灯 电磁阀YU1

三菱FX2N-32MR RT14—32 JR16—20/3 CJ10—20 0.25W,DC24V 100mA,AC220 1 3 4 2 10 6 1 4.4硬件控制原理图

可编程控制器传感器 电机

控制原理系统框图

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4.5 PLC外部接线图

启动按钮检测有无钢材传感器钢材是否到位传感器

KM1 电动机SB1X0 Y1 M1接触器X1 KM2电动机S1 Y2 M2接触器KM3X2 Y3 S2 正转接触器电动机M3 Fx2n-32Y4 KM4电动机M4 COM1 反转接触器 Y1 冲压机 Y8 Y0 KM0电磁阀 COM2 Y1(A)冲压机下 Y5 压第一次 Y6 Y1(B)冲压机下 压第二次 Y7 Y1(C) 冲压机下 COM3 压第三次 PLC实现对主电路信号的控制

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4.6主电路图

UVWFU1KM8KM1KM4KM3KM6KM7KM2KM5FR1M4FR2FR3M2FR4MM1MMM09电Y2杨文学M3主电路图

图 4-6

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第5章软件设计

5.1 设计思想及程序框图

本设计是利用两个传感器来检测外来信号的，从而实现对主电路的控制功能。

开始 N 第一次接通，同时有一个检测传送带向下压，下量A亮，延时 有无钢板？ Y 第二次接通，同时有两个向下压，下量A、B亮，延时 电机M1、M2运行 第三次接通，同时有三个向下压，下量A、B、C亮，延时 M3正转 电机M2运行，送走钢材 N 检测钢材到位否？ 返回1处循环 Y 电机M3反转

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5.2 输入输出地址表 1.输入输出接线 输 入

启动 X0 S1 X1 S2 X2 输 出 M1 Y0 M2 Y1 MZ Y2 MF Y3 A Y4 B Y5 C Y6 YU1 Y7 主机模块的COM接主机模块的输入端的COM和输出端的COM1、COM2、COM3、COM4、COM5

主机模块的24+、COM分别接在实验单元的V+,COM

2.打开主机电源将程序下载到主机中。 3.启动并运行程序观察实验现象。 5.3 程序设计说明

1）按下启动按钮，上下两扎辊电机（M1）启动运转，轧制方向为从右向左扎制。左右侧辊道电机（M2和M3）启动，逆时针运转，向左输送。

2）检测传送带上有无钢板即S1是否有效。若无扎件则一直等待。S1有效信号到来后，PLC通过某一路开出控制电磁铁动作，打开扎件挡板，让扎件进入扎机的右侧轨道。

3）检测钢板是否到位，待扎件完全进入后（设需时4秒），释放电磁铁，关闭扎件挡板。

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4）每1sM1有1个上升沿，扎件在右侧辊道推动下进入轧辊下轧制，轧辊间有热金

属探测仪给出正在轧制的信号，有S2仿真，高电平表示正在轧制。S2有高电平变为低电平表示扎件已经通过了轧辊。扎件通过轧辊后PLC控制两侧辊道停止，电磁液压阀Y2动作使左侧辊道翘起。

5）检测传送带上钢板到位后给计数器赋值。1秒后启动左侧滚到向右输送。这是由

安装在上轧辊上方的另一个这金属探测仪给出扎件通过的信号，由另一个手动开关S3仿真。S3由高电平变为低电平表示扎件已经完全回到了轧辊右侧。PLC断开电磁阀Y2电源，并停止左侧辊道运转。1秒钟后左侧辊道放平，启动左右侧辊道电机向左输送，开始下一次轧制。

6）Y1冲压次数

7）C3计数4次

8）冲压3次后，第4次对C0、C1、C2清零且M0得电，程序全部复位。第三次轧制完成后，即热金属探测仪输出由高电平变为低电平后，左侧辊道继续向左输送3秒，把扎

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件送出扎机。结束该扎件的轧制工程。

9）启动时对C3清零，为下一次运行做准备。

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第6章运行调试

当启动按钮SD按下，电机M1、M2运行，传送钢板，检测传送带上有无钢板的传感器S1的信号（即开关为ON），表示有钢板，电机M3正转（MZ灯亮）；S1的信号消失（为OFF），检测传送带上钢板到位后的传感器S2有信号（为ON），表示钢板到位，电磁阀动作（YU1灯亮），电机M3反转（MF灯亮）。给一向下压下量，S2信号消失，S1有信号，电机M3正转……重复上述过程。

X2第一次接通，发光管A亮，表示有一向下压下量，第二次接通时，A、B亮，表示有两个向下压下量，第三次接通时，A、B、C亮，表示有三个向下压下量，若此时S2向下打，则在X2第三次接通断开时，电磁阀YU1灯灭，“A、B、C”全灭，“M2”灯亮送走钢板，按下启动开关系统停止工作。

Step 1: 电机M1、M2运行，传送钢板，检测传送带上有无钢板的传感器S1的信号（即开关为ON）

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Step 2: 有钢板，电机M3正转（MZ灯亮）；S1的信号消失（为OFF），检测传送带上钢板到位后的传感器S2有信号（为ON）

Step 3: 扎件通过轧辊后PLC控制两侧辊道停止，电磁液压阀Y2动作使左侧辊道翘起。电磁阀动作.

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PLC系统能控制主轧机起、停和传送带的运行方向，同时能检测到各个电机的故障现象，减小了传统的继电一接触控制系统的中间环节，减小了硬件和控制线路，极大提高了系统的稳定性、可靠性，另外利用PLC内部的模块实现控制。

组态软件作为用户定制功能的软件平台，利用其良好的人机界面和通信能力，在PC机上开发出友好的人机界面，下载后，使工作人员可以可以实现控制系统的参数设置、电机的启动和停止同时可实现系统的故障报警。

若出现问题，按如下步骤检查：

1．查看外电路连接，接线是否正常

2．查看梯形图程序，每一步排查，又没有漏步，多步

3．检查程序是否导入，有没有按正确步骤操作（有很多种导入方法） 4．如以上三种步骤还不能解决，检查仪器是否正常，并请求老师指导

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第7章 小结

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，PLC已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握PLC是十分重要的。

回顾起此次可编程控制器课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和思考的能力。在设计的过程中，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在几位老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在各位老师的身上我学得到很多实用的知识，特别是老师，在此我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

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参考文献

[1] 《可编程控制原理与应用》北京理工大学出版社， 范次猛2004.9 [2] 《可编程控制应用技术实训指导》化学工业出版社， 李俊秀 2003.6 [3] 《电气控制与PLC应用》北京机械工业出版社 ，余雷生 方宗达 2001.13 [4] 《电气控制与可编程控制器技术》化学工业出版社 ，史国生2005.10 [5] 《电气控制系统与可编程控制器》北京：机械工业出版社，常晓玲 2006．10 [6] 《可编程序控制器应用技术[M]》 北京：机械工业出版社，田瑞庭1994 [7] 《电气控制与PLC应用．—3版》 北京：机械工业出版社，王淑英2005.1

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附录

1.完整的T型图

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2．PLC外部接线图

图 2-1

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