基于PLC板材的冷轧机调速系统设计.docx
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基于PLC板材的冷轧机调速系统设计
基于PLC板材的冷轧机调速系统设计
摘要
随着电力电子技术及控制技术的发展,使得交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用。
由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性,常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。
组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具,在PC机上可开发出友好人机界面,通过PLC可以对自动化设备进行“智能”控制。
经过研究分析确定在本系统中采用通用变频器春日KVFC-455,对电机进行转速调节,实现了能源的充分利用和生产的需要。
此变频器的FS型加减速功能和转矩提升功能,能很好的解决转速之间的切换。
系统中PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。
基于S7—300PLC的编程软件STEP7,采用模块化的程序设计方法,减少了软件的开发和维护。
利用组态软件良好的人机界面和通信能力,使工作人员可以在中央控制室的PC机上就可以方便的浏览现场的工业流程、实现变频器的参数设置、故障诊断及电机的启动和停止。
本文综述了组态软件、PLC技术、变频调速技术的概况。
分析了PLC的基本原理,变频调速的基本原理、变频器的结构及其控制算法等变频调速技术。
关键词:
PLC、冷轧机、变频调速、PID调节
Abstract
Withthedevelopmentofelectricpowerandelectronictechnologyandcontroltechnology,ACfrequencyconversionvelocitymodulationtechnologyiswidelyusedintheindustrymotordraggingfields.Becauseofthecharacteristicswithpowerfulfunction,easyoperationandhighdependability,PLCisusuallyusedforthefieldofdatagatheringandequipmentcontrol.Configurationsoftwaretechnologyisonesoftwareplatformtoolthatwithcustom-madefunction,friendlyhuman-machinewindows,whichcanbedevelopedonthePCmachine,usedthePLCtointelligentlycontroltheautomaticequipment.
Throughtherigorouseresearchandanalysis,thissystemadjustsgeneraltransducerKASUGA+MiniKVFC-455tocontrolthespeedofmotor,consequentlyactualizesthefulluseofenergyandtheneedofproduction.Thetransducer’sfunctionsofaddingordecreasingspeedinSformandpromotingtorquecansolvetheadjustmentofspeedswell.Inthissystem,PLCisusedtocollectdataandcontrolequipmentssuchaselectromotorandtransducer.BasedonS7-300PLC’sprogrammingsoftwareSTEP7.whichadoptsthemodularizationmethodinprogrammingdesign,canreducethesoftwareexploitationandmaintenance.BythevirtueofHMIwithniceconfigurationsoftwareandstrongcommunicationability,thestaffcanconvenientlybrowsetheindustryflowFigonthelocale,settheparameterofthetransducer,diagnosethefault,andstartorstoptheelectromotoronthePCmachineinthecontrol-centerr00m.
Thispapersummarizestheconfigurationsoftwaretechnology,PLCtechnologyandACfrequencyconversionforspeedadjustmenttechnology.
Keywords:
PLC,cold-rocoldrollingmill,Frequencyconversionvelocitymodulation,PIDregulator
第一章绪论
1.1选题的目的
PLC控制系统的主要控制功能有带头带尾自动减速及准确停车控制,断带检测及自动保护控制;轧机机组紧急停车控制;工作辊及中间辊弯辊控制;中间辊横移控制;快速更换工作辊、中间辊、支承辊控制;轧制中心线高度调整控制;万向接轴自动定位控制;开卷机自动浮动对中控制(CPC);卷取机钳口定位、上卸卷控制;液压传动、工艺润滑、设备润滑等液压站控制;油箱液位、温度检测及联锁辅助操作控制等,实现生产过程自动化。
本课题着重于用PLC对冷轧机变频器的控制从而实现对电机速度的调节。
若实现此功能,则同时可以实现对冷轧机其他设备的速度控制,实现冷轧机的变频调速。
1.2选题的意义
随着冷轧机工艺技术的进步及轧机速度的提高,对轧机自动化程度的要求也越来越高。
为了充分发挥轧机的生产效率,往往要求在电机速度的控制方面实现高精度的自动功能(PLC)。
这既可减轻操作手的工作强度,更重要的是通过准确的减速时机的确定,可以节约轧机的减速时间,从而提高轧机的生产能力。
1.3冷轧机的发展趋势
目前,现代化板材冷轧机在围绕完善控制系统和控制工作辊凸度等方面做了大量研究开发工作。
朝着大卷重、宽幅、高速度、高自动化的方向发展。
发达国家有的冷轧机轧制带材宽度已达3500mm。
最小出口厚度达0.05mm。
{LN速度达40m/s。
最大卷重达30t,带材厚度公差不大于1%~15%。
平直度不大于1OI。
高速、高质量、高配置、高性能的过程控制系统以及高度自动化是现代化轧机控制系统的特点。
在未来一段时间。
世界冷轧机的发展不会有重大的“发明创造”而是会有许多小的进步。
1.4本课题主要讨论问题
本课题结合变频器和电机模拟冷轧机调速系统的控制,轧机交流控制系统采用三相交流感应电动机,此系统变频器选择春日KVFC-455,PLC系统采用siemensS7-300PLC来进行调速系统设计,编程软件Step7进行系统硬件组态及控制程序的编制。
其监控设备采用人机界面组态软件WinCC进行该调速系统监控画面的制作。
为了进行较高精度的速速控制,需要利用siemensPLC作为控制器,输出控制信号给变频器,变频器驱动交流电机工作,其转速由测速装置测出,经变送器反馈给PLC,构成闭环调速系统。
HMI上动态显示电机的工作状态及各项参数并可进行电机的启动、停止及转速设定等操作。
PLC的控制程序采用编程软件Step7V5.4进行编制,HMI监控画面采用组态软件WinCC6.0进行设计。
第二章PLC控制系统原理及主要设备初选
可编程控制器(Programmablecontroller)是为工业控制应用而设计的制造的专业计算机控制装置,是20世纪60年代发展起来的一种控制设备。
最早的可编程控制器可追溯到1969年。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器ProgrammableLogicController,简称PLC,主要作用是代替继电器实现逻辑控制。
工业控制领域的快速发展和不断增长的新需要,使得目前这类装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围,因此原来的说法就不不能提挈的表示其功能了,今天我们称之为可编程控制器,简称PC。
因为避免与个人计算机的简称混淆,还是简称PLC。
PLC应用于工业控制的近40年中,对提高设备的运转率起到了重要作用。
随着时间的推移PLC已经不再局限于最初设计的逻辑和顺序控制领域,越来越多的PLC产品向着满足更多更复杂的控制需求迈进。
随着现代总线和工业以太网技术的出现和推广,更加有力的促进了PLC产品在工业领域的广泛应用。
2.1冷轧机的结构介绍
冷轧机组设备布置如图2.1所示。
图2.1
冷轧机组生产工艺流程:
热轧酸洗卷一吊车吊卷至鞍座一运卷小车输送一开卷机小车运送一开卷机鞍座一调整带位置一拆除捆带一测径测宽对中一上卷一开卷一第一道次正向穿带一第一道次轧制一第二道次反向穿带一第=道次轧制一中间道次轧制与卷取一最终卷取一卸卷一打捆一称重一卷取机小车下料一运卷小车输送一入库。
因为在冷轧机组的工作过程中有许多的变频调速,我在这里也不能一一都用PLC控制起来,所以我在根据实验室的条件和听取指导老师的意见后,模拟了一套变频调速系统,若此功能能够实现,则举一反三,同样能够在冷轧机所有的设备上实现变频调速。
2.2交流电机的选择
冷轧机的变频调速拖动系统在选择交流异步电机时,需要考虑以下问题:
应注意低频时有效转矩必须满足的要求;电机必须要有足够大的启动转矩来确保重载启动。
根据实验室的条件和本课程的需求,选用M09的三相交流感应电动机,其额定功率为100W,额定电流为0.55A,额定电压为380V,额定转速为1420r/min。
2.3PLC的选择
可编程序控制器选用西门子S7-300,这种型号的PLC具有通用性、高性能、模块化设计的性能特征,具备紧凑设计模块。
由于使用了MMC存储数据和程序,系统免维护。
电源模块为PS-3072A,插入一槽。
CPU为CPU312,型号为6ES7972-OCB20-OXAO,插入二槽。
数字输入模块选SM321DI16*DC24V,型号6ES7321-1BH02-0AA0两块,一块插入4号槽内,地址范围为I0.0--I0.7及I1.0--I1.7;另一块插入5号槽内,地址范围为I4.0--I4.7及I5.0--I5.7。
数字输出范围选SM322D016*DC24V/0.5A,6ES7322-1BH02-0AA0型一块,插入6槽内,地址范围为Q8.0--Q8.7及Q9.0--Q9.7。
2.4变频器的选择
冷轧机的变频调速拖动系统具有恒转矩特性,重载启动时,变频器的容量应按运动过程中可能出现的最大工作电流来选择,即:
(式2.1)
式中,
为变频器的额定电流:
max为电动机的最大工作电流。
变频器的过载能力通常为变频器额定电流的1.5倍,这只对点击的启动或制动过程才有意义,不能作为变频器选型时的最大电流。
因此,所选择地变频器容量应比变频器说明书的“配用电动机容量”大一挡至二挡;且应具有无反馈矢量控制功能,使电动机在整个调速范围内,具有真正的恒转速,满足负载特性要求。
本系统为满足实验要求,选用春日KVFC455。
额定功率50KW,额定电流13A。
该变频器采用先进的控制方式实现高转矩,高精度,宽调速驱动,满足通用变频器高性能化的趋势;具有快速电流限制,防跳闸性能和优化节能运行模式适应恶劣电网、温度、适度和防尘能力,极大调高产品的可靠性。
2.5PLC的编程语言的选择
根据IEC(国际电工委员会)制定了可编程控制标准IEC60031,在IEC60031-3中定义了5中可编程控制编程语言,包括梯形图,指令集语言(语句表),功能表图语言,功能模块图语言以及结构化语言描述语言等。
这一标准的制定,为今后各PLC生产厂家产品的编程标准化奠定了基础。
本课题选用梯形图编程,它以图形化的方式表达了多层的连接和特殊指令模块,这种程序设计语言采用因果关系描述事件发生的条件和结果,每个梯级是一个因果关系。
在梯形中,描述事件发生的条件表示在左边,事件发生的结果表示在右边。
用它编写的程序与电气操作原理图紧密对应,具有形象、直观和实用的特点,特别适用于开关量逻辑控制。
编写的程序与语句程序设计语言有一一对应的关系,可方便的相互转换,便于程序的检查;
第三章PLC控制变频调速系统设计方案拟定
3.1西门子S7-300PLC的结构与工作原理
3.1.1PLC的基本机构
PLC实质上是一种工业计算机,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接口和更直接的适应控制要求的编程语言,故PLC与计算机的组成十分相似,如图3.1所示。
图3.1PLC控制系统示意图
由图3-1可以看出,PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器(ROM/RAM)、I/O单元(I/O单元)、编辑器、电源等部件组成。
(1)中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的核心,起主要任务有:
①接受,存储由编程工具输入的用户程序和数据,并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。
②检查、校验用户程序。
对正在输入的用户程序进行检查,发现语法错误立即报警,并停止输入;在程序运行过程中若发现错误,则立即报警或停止程序的执行。
③执行用户程序。
当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映像区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算,并将运算结果送入I/O映像区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O影响区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。
④故障诊断。
诊断电源、PLC内部电路的故障,根据故障或语法的类型,通过显示器显示出相应的信息,以提示用户及时排除故障或纠正错误。
(2).存储器
PLC的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器以及系统RAM存储区。
系统程序存储器。
用于存放系统程序,这些程序在PLC出厂前就已经固化到只读存储器ROM中。
第一部分为系统管理程序;第二部分为用户指令解释程序;第三部分为标准程序模块与系统调用程序。
用户程序存储器。
用于存储PLC用户的应用程序,在调试阶段,用户程序存放在读写存储器RAM中,可由备用电池(一般为锂电池)保存2~3年。
工作数据存储器。
工作数据存储器用来存储工作数据,即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。
(3).PLC的I/O模块
输入/输出接口是PLC与外界连接的接口。
输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号,一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。
另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。
输出接口用来连接被控对象中各种执行元件,如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)等。
(4).电源适配器
电源适配器一方面可为CPU板、I/O板扩展单元提供工作电源(DC5V),另一方面可为外部输入元件提供DC24V电源
(5).I/O扩展接口
I/O扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连,使PLC得配置更加灵活。
(6).设备通信接口
PLC配有多种通信接口,PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机、其他PLC或计算机相连。
当PLC与打印机相连时,可将过程信息、系统参数等输出打印;当与监视器(CRT)相连时,可将过程映像显示出来;当与其他PLC相连时,可以组成多机系统或连成网络,实现更大规模的控制;当与计算机相连时,可以组成多级控制系统,实现控制与管理相结合的综合系统。
(7).编程器
编程器是PLC最重要的外围设备,是PLC不可缺少的部分。
编程器的作用是输入和编辑用户程序、调试程序和监控程序的执行过程。
编程器一般有两种类型:
简易编程器和图形编程器。
简易编程器体积小,便宜,使用方便,适合小型PLC,缺点是需联机编程;图形编程器是指带有显示屏的编程器,有液晶显示(LCD)和阴极射线式(CRT)两种,可用指令语句编程,也可用梯形图编程,可联机编程也可脱机编程,操作方便,功能强大,还可与打印机、绘图仪等设备相连,但价格较高,适用于大型PLC。
随着PLC联网功能增强,出现了第三种编程方式,即计算机辅助编程。
由于计算机的参与,用PLC编程软件编程的工作效率和编程量远非前两种编程器可比,因此,越来越多的用户更愿意采用这种编程方式。
(8).其他设备
PLC还可以配置EPROM写入器、存储器卡等其他外部设备。
3.1.2PLC的基本工作原理
1.输入采样阶段。
PLC首先扫描所有输入端子,并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。
此时,输入映像寄存器被刷新。
接着进入程序执行阶段,此时输入影响寄存器与外界隔离,无论输入信号如何变化,其内容保持不变,直到下一个扫描周期的输入采样阶段,才重新写入输入端的新内容。
2.程序执行阶段。
根据PLC梯形图程序”先左后右,先上后下”扫描原则进行逐句扫描。
但遇到程序跳转指令,则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
当指令中涉及输入、输出状态时,PLC就从输入映像寄存器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态,从元件映像寄存器“读入”对应元件(“软继电器”)的当前状态。
然后,进行相应的运算,运算结果再存入元件映像寄存器中。
对元件映像寄存器来说,每一个元件(“软继电器”)的状态会随着程序执行过程而变化。
3.输出刷新阶段。
在所有指令执行完毕后,元件映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开)在输出刷新阶段转存到输出锁存器中,通过一定方式输出,驱动外部负载。
图3.2PLC的工作流程框图
整个PLC的工作过程是以循环扫描方式进行的,重复执行一个循环工作周期。
以下四个步骤就是PLC程序执行的一个工作循环周期。
①操作系统启动循环时间监控
②CPU将输入影响区中的数据写到输出模块。
③CPU读取输入电路的接通/断开状态并存入输入映像区。
④CPU处理用户程序,执行用户程序中的指令,并实时更新内存映像区。
3.1.3PLC的工作过程
基本逻辑运算关系如图3.3
图3.3基本逻辑运算关系图
逻辑运算关系表如表3.1
表3.1基本逻辑运算表
PLC采用循环执行用户程序的方式如图3.4。
OB1是用于循环处理的组织块(主程序),它可以调用别的逻辑块,或被中断程序(组织块)中断。
在起动完成后,不断地循环调用OB1,在OB1中可以调用其它逻辑块(FB,SFB,FC或SFC)。
循环程序处理过程可以被某些事件中断。
在循环程序处理过程中,CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区,而是访问CPU内部的输入/输出过程映像区。
批量输入、批量输出。
图3.4程序流程图
3.1.4S7-300系列PLC简介
S7-300的CPU模块(简称为CPU)都有一个编程用的RS-485接口,有的有PROFIBUS-DP接口或PtP串行通信接口,可以建立一个MPI(多点接口)网络或DP网络。
功能最强的CPU的RAM为512KB,最大8192个存储器位,512个定时器和512个计数器,数字量最大65536,模拟量通道最大为4096。
有350多条指令。
计数器的计数范围为1~999,定时器的定时范围为10ms~9990s。
只需要扩展一个机架,可以使用价格便宜的IM365接口模块对。
数字量模块从0号机架的4号槽开始,每个槽位分配4个字节的地址,32个I/O点。
模拟量模块一个通道占一个字地址。
从IB256开始,给每一个模拟量模块分配8个字。
1.模块诊断功能
可以诊断出以下故障:
失压,熔断器熔断,看门狗故障,EPROM、RAM故障。
模拟量模块共模故障、组态/参数错误、断线、上下溢出。
2.过程中断
数字量输入信号上升沿、下降沿中断,模拟量输入超限,CPU暂停当前程序,处理OB40。
1.状态与故障显示LED
SF(系统出错/故障显示,红色):
CPU硬件故障或软件错误时亮。
BATF(电池故障,红色):
电池电压低或没有电池时亮。
DC5V(+5V电源指示,绿色):
5V电源正常时亮。
FRCE(强制,黄色):
至少有一个I/O被强制时亮。
RUN(运行方式,绿色):
CPU处于RUN状态时亮;重新启动时以2Hz的频率闪亮;HOLD(单步、断点)状态时以0.5Hz的频率闪亮。
STOP(停止方式,黄色):
CPU处于STOP,HOLD状态或重新启动时常亮。
BUSF(总线错误,红色)。
2.模式选择开关
(1)RUN-P(运行-编程)位置:
运行时还可以读出和修改用户程序,改变运行方式。
(2)RUN(运行)位置:
CPU执行、读出用户程序,但是不能修改用户程序。
(3)STOP(停止)位置:
不执行用户程序,可以读出和修改用户程序。
(4)MRES(清除存储器):
不能保持。
将钥匙开关从STOP状态搬到MRES位置,可复位存储器,使CPU回到初始状态。
复位存储器操作:
通电后从STOP位置扳到MRES位置,“STOP”LED熄灭1s,亮1s,再熄灭1s后保持亮。
放开开关,使它回到STOP位置,然后又回到MRES,“STOP”LED以2Hz的频率至少闪动3s,表示正在执行复位,最后“STOP”LED一直亮。
某些CPU模块上有集成I/O。
PLC使用的物理存储器:
RAM,ROM,快闪存储器(FlashEPROM)和EEPROM。
3.1.5S7-300的功能模块
1.计数器模块
模块的计数器均为0~32位或±31位加减计数器,可以判断脉冲的方向,模块给编码器供电。
达到比较值时发出中断。
可以2倍频和4倍频计数。
有集成的DI/DO。
FM350-1是单通道计数器模块,可以检测最高达500kHz的脉冲,有连续计数、单向计数、循环计数3种工作模式。
FM350-2和CM35都是8通道智能型计数器模块。
2.位置控制与位置检测模块
FM351双通道定位模块用于控制变级调速电动机或变频器。
FM353是步进电机定位模块。
FM354伺服电机定位模块。
FM357可以用于最多4个插补轴的协同定位。
FM352高速电子凸轮控制器,它有32个凸轮轨迹,13个集成的DO,采用增量式编码器或绝对式编码器。
SM338超声波传感器检测位置,无磨损、保护等级高、精度稳定不变。
3.闭环控制模块
FM355闭环控制模块有4个闭环控制通道,有自优化温度控制算法和PID算法。
4.称重模块
SIWAREXU称重模块是紧凑型电子称,测定料仓和贮斗的料位,对吊车载荷进行监控,对传送带载荷进行测量或对工业提升机、轧机超载进行安全防护等。
SIWAREXM称重模块是有校验能力的电子称重和配料单元,可以组成多料称系统,安装在易爆区域。
5.电源模块
PS307电源模块将120/230伏交流电压转换为24V直流电压,为S7-300/400、传感器和执行器供电。
输出电流有2A、5A或10A3种。
电源模块安装在DIN导轨上的插槽1。
3.2交流变频调速系统
在工业中所使用的大部分电机为感应式交流电机,感应式交流电机的旋转
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