1、 毕业设计说明书（论文）中文摘要 本文通过研究铸坯火焰切割机的系统结构，将 PLC 控制技术应用于连铸火焰切割机，以解决连铸生产线上铸坯的定尺精度，切割质量等关键技术问题。该系统的特点有：定尺测量系统工作可靠，切割机与铸坯同步运行平稳、可靠、无滞后现象，快速返回原点定位误差小，其应用了可编程控制器为控制单元的新型火焰切割机控制系统。本课题选用的可编程控制器是西门子 S7-200，并对软硬件进行了详细设计。其中 PLC 是火焰切割机的控制单元，通过它采集火焰切割机上各类传感器信号、工作参数、及工作状态等信息来向控 制系统发送操作命令。实践证明，本文所设计的基于西门子 PLC 的铸坯火焰切割系统的
2、软硬件是成功的，结构简单，性能良好，为今后开发类似系统奠定了良好基础。 关键词 可编程控制器 连铸火焰切割机 定尺系统 毕业设计说明书（论文）外文摘要 Title the Cast Slab Flame Cutting System based on Siemens PLC Abstract The system structure of cast slab flame cutting machine is briefly introduced in this paper, and PLC control technology is applied to solve the scale acc
3、uracy on continuous casting production line, besides cutting quality control and other key technologies are analyzed. The features of the system are as follows: reliable measurement system of scale, saving time of billet subsection, steady and unlagged synchronous running between the flame cutting m
4、achine and casting blank, the accuracy of rapid return to the grass root and application of the programmable logic controller as control unit for a new type of flame cutting machine control system. Siemens S7-200 is chosen as the programmable logic controller in this paper and makes design of hardwa
5、re and software. PLC is control unit of flame cutting machine, with which the operator send signals to the control system. In addition, it would also collect the signals of flame cutting machine s and other types of switches, as well as the work status, etc.The practice has proved that the design of
6、 the cast slab flame cutting system based on Siemens PLC software and hardware flame to be a successful, with simple structure, good performance which lay a solid foundation for the future development of a similar system. Keywords Programmable logic controller Cast slab flame cutting machine Fixed s
7、cale system 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页 目 录 1 引言 . 1 1.1 设计的目的、意义、以及应达到的技术要求 . 1 1.2 国内外的发展状况及存在的问题 . 2 1.3 设计时应注意的问题 . 4 2 系统分析 . 5 2.1 铸坯火焰自动切割系统总体结构分析 . 5 2.2 电控系统分析 . 7 3 低压电气选择 . 8 3.1 磁阀的选型 . 8 3.2 接触 器的选型 . 9 3.3 按钮的选型 . 10 3.4 转换开关的选型 . 11 3.3 接近开关的选型 . 11 4 基于西门子 PLC 铸坯火焰自动切割系统硬件设计 . 13 4.1 铸坯火焰
8、切割系统 PLC 选择与设计 . 13 4.2 红外定尺技术简介 . 16 4.3 铸坯火焰自动切割系统 PLC I/O 接线图设计 . 17 4.4 铸坯火焰自动切割系统电气原理图设计 . 17 5 铸坯火焰自动切割系统软件设计 . 19 5.1 铸坯火焰自动切割系统控制要求 . 19 5.2 所用指令介绍 . 19 5.3 铸坯火焰自动切割系统 PLC I/O 地址分配 . 21 5.4 铸坯火焰自动切割系统控制流程图设计 . 21 5.5 铸坯火焰自 动切割系统 PLC 控制程序设计 . 23 结束语 . 32 致谢 . 33 参考文献 . 34 附录 . 35 附录 1 I/O 硬件接
9、线图 . 35 附录 2 西门子 PLC CPU226 I/O 分配表 . 36 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 36 页 1 引言 1.1 设计的目的、意义、以及应达到的技术要求 1.1.1 设计的目的及意义 随着科学技术的发展进步，钢铁连铸生产迅猛增长，国内大部分钢厂已实现全连铸工序。传统的连铸坯切割方法通常都是采用机械剪切法。因使用剪切机进行连铸坯切割一次性设备投资大，使用成本高，设备故障率高给修费用大，而且被切断的铸坯断面易产生变形，所以近年来国内外钢铁企业开始采用火焰切割连铸坯。新型的火焰切割技术不仅可以降低设备投资、减少使用成本， 还可以提高铸坯断面质量，有利于二次加工
10、。 上世纪 60 年代 之 前，逻辑控制电路 都 是采用计数器 、 继电器等 部件 ， 也就是 实现生产过程 的全 自动控制的设备 大多 是以继电器为 核心 元件的顺序控制器。复杂的系统 必须采 用 数千 个 不同样式 的继电器， 同时才 用 数千 根导线按布线逻辑接 连 起来， 完成相 应的控制 目的 ， 但 控制柜价格昂贵 、 体积 巨 大。 那 时这种控制器在生产 实际中得到 了广泛 的 应用。 因为采 用布线逻辑来实现各种控制，需要使用 很多 的机械触点， 一旦 某 个 继电器的 任意 一 个 触点接触不良 便 会影响系统正常 的工作 。 如果 系统出现故障，进行排障 、 检查 也 相
11、当 困难。一 台 较复杂的控制柜内部接线 、 安装工作量 很 大，当工艺 规程改变 时，控制柜 里 的 全部 接线 和 元件 都 需 要改变 ，这 就会浪 费大量的时间 、物力 和 人力。 因而这 本身 原 有的缺 点很大地 限制了 其 应用范围。随着 科学技术 的进步和 生产 力 的 不断 发展，迫切需要取代传统的继电器控制系统， 能够 使 得 电气控制系统工作更 加安全 可靠、更 加容 易维修、更 加 能 与常 常变动的工艺条件 相适应 。可编程序控制器 （ PLC）它 是一种数字操作运算电子系统，是为 了 工业应用而 专门 设计的。 其应 用了可编程序存储器， 以 用来在 它的 内部存储
12、所 需要 执行逻辑运算、定时、顺序控制、算术 和计数运算等 等 操作的指令， 同时 通过模拟式 和 数字式 的 输入和输出 方式 ，从而 控制各种类型设备的工作过程。可编程序控制器 和 外围 的相关 设备，都 很容易和工业系统集成 为 一个整体， 并且是按容易 扩充其功能的 设计 原则 进行 设计的 1。 PLC 应 用于工业现场， 然而 工业生产 要求非常高的 控制设备可靠性，因为 需要 努力避免控制设备发生故障 而 造成损失和事故。 所以 ，为 了 适应 运用于 工业现场环境中，PLC 需 具有 以 下特点： （ 1） 抗干扰能力 较 强，可靠性 较 高。 PLC 使 用了 相当多的 软
13、件、 硬件抗干扰 的本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 36 页 措施，提高了 它 无故障工作 的 平均时间。硬件措施 ：对 CPU、电源等部件 进行 屏蔽，对输入线路 和 供电系统采用 各种 形式的滤波，以 此来 防 止 外界 对其的 干扰。在 I/O 电路 和 CPU 中 间 使 用光电隔离 方法 ， 来 减少误动作 及 故障。软件措施 :故障检测系统定时 检测外界环境 （ 强干扰 、 欠电压 和 掉电等 ） ， 如果 发生故障立 刻 将状态数据存入存储器， 等 故障消除后恢复 其 原 来的 工作状态。 （ 2）控制程序可变，具有 较好 的柔性。在生产线设备更新 或者 生产工艺流程
14、 变化 的 状 况下，不 需要 改变 PLC 的 硬件设备， 仅仅 需 要 改变程序 便 可以满足要求。 （ 3）扩充方便，体积小，功能完备 ， 组合灵活。 根据 以上 PLC 的 这些 特点 ，开始 时使 用 PLC 取 代 之前 的继电器控制线路，这 样 不 但 提高了产品的档次，缩短了研制周期，同时也给调试和维修带来了方便 2。 1.1.2 设计应达到的技术要求 连祷方坯火焰切割机是炼钢行业方坯连铸生产线 中 的配套设备，用 它能够 将连续的热铸坯切割 为一 定尺寸的坯段。 因为 连铸火焰切割机要求在高温下 能 长时间不 停地运行， 因而 要求其具有良好的可维护性 和很 高的可靠性。故本
15、次设计中，在消化引进设备和归纳总结国内同类产品的基础上，结合一些生产数控切割机的经验，针对连铸方坯切割的特点设计连铸方坯火焰切割机，并实现了如下整体技术指 标： （ 1） 先进的工艺： 切割中火焰集中，切割速度快；切割断面光洁，上缘不塌边，下缘挂渣少，成材率高；可实现自动化，切割与连铸拉速相匹配， 无滞后现象 。 （ 2） 快速返回原点定位误差较小，返回速度较快。 （ 3） 运动平稳、切割速度保持不变。 （ 4） 定尺测量系统工作可靠，综合定尺精度较高。 （ 5） 节省钢材， 割缝宽度较小，割缝平齐无塌边现象。 （ 6） 性能安全，切割中自动断火与点火，不回火、不爆鸣。 （ 7） 不影响生产
16、，切割中可随时轻松更换割枪，割嘴，确保生产正常进行。 1.2 国内外的发展状况及存在的问题 我国的切割技术长期 落后与其他国家 ， 然而近些 年来有了 快 速发展。 相 关 企业 包括生产切割 器械 的企业在内， 已经 研制 以及 开发了 多种 半 、 全自动切割 器械 。国外 的很多著 名切割 机 制造企业，如美国捷锐、德国伊萨、日本田中 和 梅塞尔等公司，也 在中国投资建厂。各企业 大量运 用各种半 、 自动切割机进行 多 种直线、曲线 和 成形切割，本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 36 页 收到了较好的 效果 ， 将 切割技术推向了崭新的阶段 3。 切割机可分为火焰切割机、激
17、光切割机、等离子切割机、石材切割机、水切割机、相贯线切割机、数控切割机 、 海绵切割机等。 这 其中激 光切割机 的 切割质量最好 、 效率快。等离子切割机切割 的 速度也 非常 快，但切割效果 不如 激光切割机。火焰切割机 主要运 用于厚度 比 较大的碳钢材质 的切割 。相贯线切割机 运 用于切割钢管。 比较 切割机成本：激光切割机 的价格最高 ， 同时 效率和精度 也是 最高的一种高科技 含量的 切割设备，水刀切割机 相比稍差 ，火焰切割机 以及 等离子切割机 相对更差些 ， 但它们 成本也 是 相对较低 的 。金属切割机前景： 对与 切割机目前来 看 等离子切割机 和 数控火焰切割机 占
18、 有着 较 大部分 的 用户， 但 就发展趋势来说 激光切割 、 水切割 很可能 会 取代 前者，成为主 要使用的 切割机，因为 其 不 仅 切割速度 快 、 环保，切割质量 也 好 ！ 然而 气体火焰切割 却 是最早 、 最普遍采用的 切割方法。 最近几 年，在以乙炔为基础燃气中， 已经 开发 出 天然气、煤气 、 丙烷气、液化石油气 以及 各种新型燃气， 同时依 据 每 种气体的 各自 特性研制 出 了专 门 的切割机，为多样化的开发 燃气能源 提供 了 宽 阔的前景。 火焰切割 常常应用与 钢板 的 粗加工， 它的 金属切割厚度从 1mm1m， 然而 当 在 切割低碳钢钢板 的 厚度 小
19、于 20mm 时， 需要运 用 别的 切割方 法 。利用氧化铁燃烧 过程中 产生的高温来切割碳钢 是 火焰切割的原理 ，设计火焰割炬 能够为 燃烧氧化铁供 应 充 足 的氧气， 来 保证得 到很好 的切割效果。 火焰切割设备的 价格便宜同时也 是切割厚金属板 料最便宜 有效的 方式 ， 然而 在切割薄板方面有 缺陷。之 前火焰切割自动控制系统 都 是采用信号传感器进行控制， 具有 理论 上 简单可行 的 系统原理， 却因为 切割环境 的 温度 太 高， 导致 在 此系统中起 重要 作用的信号传感器故障率 非常 高，定尺精度 较低 ， 直接 影响了切割系统的正常 工作 。系统 的 主要缺点：故障
20、 很容易发生在 信号传感器 的 高温区，操作维护 很 不方便；电缆故障率 很 高，设备维护 困难 ；操作 时 工人劳动强度 很 大。另 外 因为 火焰切割的热影响区面积 很 大 ,热变形 较 大，为了保证切割 能够精 确有效，操作人员 就 需要 拥 有很 高 的 技术才 可以 在切割过程中 第一时间 避免金属板的热变形。 以前 钢坯切割燃气消耗多、切割断面粗糙、切割割缝大、氧气压力高、噪音大、工厂粉尘多、割 炬 损坏多、工人劳动强度大 、 环境污染严重等弊端。 因 而 ，为减轻工人 的 劳动强度，减少 机具的 损 坏 ，提高系统 的 可靠性， 便 需要对 此 系统进行相应的改造 4。 本科毕业
21、设计说明书（论文） 第 4 页 共 36 页 1.3 设计时应注意的问题 铸坯火焰切割系统主要由介质控制、电气控制、定尺系统、 PLC 控制单元等构成。在 切割时，通过定尺装置发送 的 信号 来 控制夹紧气缸 的运动 ，使 的 夹钳夹紧铸坯， 同时 使 得 切割小车 和 铸坯 一起 运行，固定在切割臂上的 切割枪沿 着 铸坯垂 直 方向进行既定长度的自动切割，一次切割完 成 后由液压缸将切割小车顶回初始位置，准备进行下次切割。根据火焰切割的工艺流程在设计时应该注意以下问题： （ 1）确保 全部 铸坯火焰自动切割系统 可以 反应灵敏 ， 稳定工作。 （ 2）此铸坯火焰自动切割系统 需要 设置手动
22、 和 自动两种操作方式，当自动方式出现故障时，可以通过手动操作来完成未完成的工作。 （ 3）定尺系统是否 工作可靠， 能 否 准确定位。 （ 4）割炬电机 和 其辊道电机需 要 进行过载保护，避免烧坏电机。 （ 5）铸坯火焰自动切割系统安装运行了一段时间 以 后，应 当 控制避免出现不 能剪切或者切不断的现象，设法降低人工操作的工作强度。 （ 6）设计中更应该注重其 性能是否安全。 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 36 页 2 系统设计 2.1 铸坯火焰自动切割系统总体结构设计 2.1.1 铸坯火焰切割系统控制方案的选择 在 上世纪 80 年代后 期 ， 很多火焰切割机 是 使用
23、继电器控制线路来 完成 工艺流程的 监控管理 。控制设备系统 占地 大， 通常 两把火焰割炬 的 控制箱内 有接近 50 个继电器， 因此带来 接线复杂，调试 和 维修 困难 ，故障率 很 高， 假如 增加或 变换程序 ，从 研发 、调试到 上流水线操作 ，工作量 很大 ， 耗时也长 。 所以 ， 之后相关专 家就 开始 研用PLC 代替之前的 继电器控制线路，这不仅缩短了 产品 研 发 周期， 而且优化 了产品的 性能 ，给调试和维修 工作 带来了 便捷 。 与 继电器控制线路 有写相似之处 ， PLC 同样 由输入、输出和逻辑部分组成，通过 使用 选择开关、外部按钮等将 控制 信 息传达
24、到 PLC中 ， 通 过逻辑 运算 ，输出 相应的 控制 命令 来 完成对 电磁阀、指示灯 和电机 等 部件的控制 。 我此次 所设计的切割机是由一台主机和一组扩展模块组成 的 ， 它的 输入 /输出 接口在 50 点 上下 。 因为 小型 PLC 价格便宜 ，编程 简单， 调试 也很 方便， 最后的设计达到了比较好的效果 。 它的 工作 主要 是 通过 接收 选择 开关、 外部按钮、传感器信号 以及其它 辅助功能信号的输入，经过 相应 的逻辑 运算 ， 达到 对外部执行 部件 的 操作和控制要求 。 PLC 程序 使用的是 模块化设计， 因此， 根据所 设置 的工作对象的 差别 ，将 各个小
25、程序分成小的模块 ， 故 任何一 小程序是能够 进行 独自 的调试， 在 调试 结束确认无错误后，就 可以将 程序连接起来 ，按照 工艺流程的 要求来 控制 5， 6。 2.1.2 系统总体目标 本次设计的切割 机是 钢铁领域铸坯 连铸 切割系统的一部分 ， 其主要任务是 将 刚铸造出来的 铸坯 按照 规定 要求 切割 精度完成切割 。 但此 连铸火焰切割机要在高温 的环境作 不停地切割 ， 故 要求 它要有很高 的 工作稳定 可靠性 。此次完成设计的 总体 任务为 ： （ 1） 铸坯和切割机同步运行，平稳，可靠，无滞后现象。 （ 2） 在自动状态下，火焰切割设备能够按定尺标准自动完成对铸坯的
26、切割。在手动状态下 ， 完成对非定尺铸坯等复杂铸坯的切割。 （ 3） 系统运行稳定可靠，提高测长准确度，稳定性，提高成材率，并且具有控制功能强，操作方式灵活多样的优点。 2.1.3 铸坯火焰自动切割系统的结构与组成 该设计选用火焰切割机，在引进产品的基础上，结合新的工艺要求设计研制的新本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 36 页 一代基于计算机技术，集 PLC 和自动控制原理为一体的机电一体化产品。主要结构及工作原理 如图 2.1 所示 ： 图 2.1 火焰切割系统结构示意图 （ 1） 车架：以液压为动力可横向移动式结构，是切割机的主要承载结构件。 （ 2） 割枪小车：由小车架，割枪小
27、车传动装置，平行辊道，割枪夹持器等组成。 （ 3） 切割机配管系统：包括车间氧气，乙炔燃气和冷却水管道供应的上述介质经切割机大拖链上软管引入切割机。 （ 4） 切割割炬的行程控制装置：割炬小车原位及割炬切割跟踪。在切割小车传动装置的电机输出轴上装有一个光电编码器，用来对割 炬小车的行程跟踪计数，在小车的行程的极限位装有两个接近开关来确定小车的原位和前进限位。 （ 5） 切割机传动控制：割炬小车传动装置由液压缸带动回原位。 （ 6） 能源介质控制箱及火焰调节 ： 对切割机上除水以外的能源介质的压力，开闭等进行控制。氧气，燃气等介质由拖链上的软管送入能源介质控制箱，经过滤，分路，减压至设定压力值后
28、，通过电磁阀控制输送至各使用点 7。 中大型火焰切割机如图 2.2 所示： 图 2.2 中大型 火焰切割机 2.1.4 工艺流程与工艺要求 工艺流程：当铸坯火焰自动切割系统获得定尺 信号时，夹紧缸的电磁阀得电，夹紧缸开始动作，夹紧缸夹紧铸坯，割炬小车在铸坯的带动下和铸坯一块运动。继夹紧缸得电后，延时 2S，控制乙炔的电磁阀得电，即乙炔管道打开，再延时 2S 后，控制本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 36 页 预热氧的电磁阀得电，氧气枪点火开始对铸坯进行预热，再延时 4S 后，切割氧电磁阀得电，与此同时控制割炬电机继电器得电，割炬电机开始正转，火焰开始切割铸坯。当切割完信号发出时，割炬
29、电机停止转动，控制切割氧电磁阀失电，延时 2S 后，预热氧电磁阀失电，再延时 2S 后，预热乙炔电磁阀失电，火焰熄灭。再延时 4S 夹紧缸电磁阀失电，夹紧缸松开铸坯。铸坯 继续运动，然后返回缸电磁阀与割炬电机反转继电器同时得电，割炬小车在液压缸的带动下，小车返回，在触到小车原位的限位开关时，返回缸电磁阀失电，小车回到原位，停止运动。当割炬电机回到割炬原位时，控制割炬电机继电器失电，电机停止运动。当切割完毕信号发出时， 1、 2、 3 辊道电机开始正转，切断的那段铸坯继续向后传输，当经过 30S 后， 1、 2 辊道电机停止转动，再经过 4S 后 3 辊道电机停止转动。以上部分便是火焰自动切割整
30、个过程。 针对这工艺流程的特点，我们主要研究并设计了控制系统的以下内容： （ 1） 火焰切割机的切割工艺在 方形铸坯钢上的应用，一方面是方形钢外形路线控制问题，另一方面包括钢坯的外形尺寸、钢坯随温度的变化而发生的不同程度膨胀尺寸在程序中的实际设计。 （ 2） 利用 西门子 S7-200 软件的程序模块， 不仅 完成了切割 和 保护等功能， 同时又更好的 解决了时序控制 的 问题。 （ 3）在 操作台 外部电气部件 的电路设计 和现场 布置 中， 应 尽量 考虑现场环境 因素 ，从操作的 合理性 、功能的 完善以及在出现故障的情况 的 操作 都作了 相应 的设计 8。 2.2 电气控制系统的设计
31、 此次电气控制系统的设计考虑到的地方有 ： （ 1）在 系统保护 方面， 为了 能 较 更 好的保护 设施 ，控制系统 中 所有电源都由操作台上 “ 电源开 ” 控制 得 电；在 维修 或者较 很 长时间 停工的条件下 ，由 “ 电源关 ”断开 接触器。 在本次 设计 安置有 一个急停按钮， 确保 在出现紧急情况 下 对设备的 立即停止 ， 它是 不受 PLC 控制 的 ，而是 一种机械互锁 。 （ 2）若出现超程现象 ， 则设计的 系统 必须安装有 保护措施。 所以考虑到这点，本次设计使用 了接近开关， 通过 限位信号 来控制 小车的动作。 （ 3）此次的操作中设计了两种 工作方式有：自 动 和 手动方式。正常情况下，选择自动 方式就可以了， 而手动方式是在 现场出现异常 情况下 采用的 ， 它具有现场操作的灵活性 ， 时但不执行的，对工人操作水平的要求相对较高。
