C形钢成型控制系统

C形钢成型控制系统

毛坚坚

毛坚坚（北方工业学校辽宁盘锦124021）

摘要：近年来C型钢檩条的应用越来越广泛，随着市场的日益需要，生产C型钢檩条的速度应该更加快捷、有效、方便，本设计是针对以上特点以PLC为控制核心，来实现檩条成型的过程。

关键词：C型钢高强度钢板PLC檩条

一、系统的简介

1、系统工艺流程

用行车将成卷的C型钢原料板吊装到单头放料机上，手摇涨紧内孔后，开动单头放料机使顶上的橡胶轮压紧原料板，并启动放料按钮，速度可调至适当的档值，手牵着料头引至成型主机，限宽调好后，开动主机，主机自动将原板辊压成型并引送到成型托架上调节好定长机构，则得到定长的檩条。需注意每得到一根定长的檩条，主机停止压板，进行成型剪剪切，而后人工将成品搬卸到指定位置。以后只需直接开动主机进行压板，定长后剪切，然后卸料，周而复始，直到成卷板用完为止，再重复开头动作（工艺流程框图如图1，整体工艺流程如图2）。

图1、工艺流程框图

2、系统实现功能

本设计通过S7-200PLC进行控制，通过WINCC组态，将成卷的原板直接送入辊压设备中，经过辊压后，成为C型钢檩条。

基于以上要求，本系统应具备以下功能：可进行多批钢板生产片数和长度的设定；具备人机对话功能，即具有可视的组态画面，能设置及监控系统运行；在整个系统中通过WINCC来设计组态画面，S7-200PLC与组态软件之间应该能保持程序同步；由编码器自动跟踪钢板的运行长度；确定钢板冲孔/不冲孔选择；可单独地控制油泵和切刀、冲头的动作。

图2、整体工艺流程图

3、系统设计思路

本设计以应用PLC为主，通过PLC、组态软件、变频器、编码器的合理应用来实现整个檩条成型控制系统。在整个系统中PLC作为控制核心，用安装有组态软件的计算机做为监控主机，监控主机利用西门子组态软件WinCC强大的实时数据采集与监控（SCADA）功能加以实现监视和控制檩条成型机的运行状态。变频器是交流调速的一种重要装置，并以其调速性能优越、可靠性高、节能效果明显等优点而在工业生产中得到了广泛的应用。

本设计在PLC和檩条成型机之间采用串行通信模式，应用西门子组态软件WinCC对控制系统进行正确、合适的组态，并使之与西门子S7-200PLC之间进行通讯，通过变频器来控制钢板的制动速度，用编码器来计算钢板的运行长度和孔距的大小。在该系统中S7-200CPU作为控制核心，S7-200CPU224XP的一组通讯口通过RS-232电缆与安装西门子组态软件WinCC的计算机连接，并利用S7-200PLC的编程软件Step7-Micro/WIN32自带的MODBUS协议库编程控制此串行口使二者之间顺利实现通讯。在实际运行中，系统参数由WinCC组态系统键入并通讯进入PLC进行运算，PLC将运算结果按站地址传输给檩条成型机。

计算机和可编程控制器作为主机控制和监视整个系统的运行。整个系统运行、冲孔和剪切过程自动运行，通过WinCC组态软件来设定钢材的长度、孔距和批数等；同时设有急停按钮，以便在发生事故时及时停止檩条成型机；并设有自动手动运行，以在自动、手动之间切换。

4、系统工作过程分析

首先将系统所需软硬件进行正确的配置和连接，对设备正常工作所需的必备参数进行正确设置。给各设备接通电源，运行WinCC组态软件和已下载完通讯控制程序的S7-200PLCCPU224XP。打开参数设置画面，对檩条的批数、片数、长度、孔距等进行相应的设置。由于在组态时已给每个参数连接了一个过程变量，并为这一过程变量赋予了一个MODBUS地址，此MODBUS地址与S7-200PLCCPU变量存储器的地址之间有一定的对应关系。当操作员通过监控计算机设定一个参数时，这一数字通过WinCC内的通讯驱动程序提供的通道传递到与所设定过程变量所对应的S7-200PLCCPU224XP变量存储区中，接着S7-200PLCCPU224XP再将变量存储区的数字传递给檩条成型机。在檩条成型机的控制画面中设有运行、停止等按钮。当点击写有运行字样的按钮时，由于此按钮已经与一个二进制过程变量建立了连接关系，这一二进制过程变量与S7-200PLCCPU224XP的一个输入点对应，点击此按钮就等于接通了S7-200PLCCPU224XP的一个输入点，此时梯形图程序中与输入点对应的常开触点闭合，能流流过此程序段驱动PLC输出点接通，因此檩条成型机启动运行。

在运行前可以对钢板的冲孔/不冲孔、运行长度、批数进行设置。系统正常工作时可通过改变PLC地址中的内容来实现某个功能。

5、系统硬件设计

S7-200PLC系统功能概述：

S7-200PLC系列是一种紧凑型可编程序控制器（MicroPLC），系统的硬件构架由构成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成，它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200除具有PLC基本的控制功能外，更在以下方面具有独到之处，这些也是S7-200PLC普遍受欢迎的原因：

（1）功能强大的指令集。指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂运算指令、PID指令、字符串指令、时钟指令、通讯指令以及和智能模块配合的专用指令等。

（2）丰富强大的通讯功能。S7-200PLC提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的S7-200之间的通讯到S7-200通过Profibus-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯。

（3）编程软件的易用性。STEP7-Micro/WIN32编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好环境。全中文的界面、中文的在线帮助信息、Windows的界面风格以及丰富的编程向导，能使用户快速进入状态，得心应手。

二、变频器介绍

1、变频器简介

变频器的功能是将频率固定的（通常为50Hz）的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的输入端接至频率固定的三相交流电，输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电。

变频器主要分为间接变频和直接变频两大类，而间接变频又根据中间直流环节的主要储能元件的不同可分为电压型和电流型。电压型变频器主回路由相控整流器、中间直流环节和逆变器三个部分组成。

2、变频与变压原理

在实际利用变频器调节电机转速的过程中，当频率f下降时，定子绕组的反电动势E有所下降，定子电流增大，但是转子侧的负载并未增加，故转子段电流不变。根据电流平衡方程可知，励磁电流比增大，因而磁通φm增大。φm增加将导致铁芯的饱和，进而引起励磁电流波形的畸变，这是我们不希望的结果，因此希望φm保持基本不变。要实现这个目标，只要在变频过程中使变频器输出电压Ul/f=cost，则磁通φm可保持基本不变。因此变频的同时也要变压，常用VVVF表示。

3、VVVF实施的基本方法包括脉幅调制(PAM)和脉宽调制(PWM)。

(1)脉幅调制(PAM)。实现方法就是调节频率的同时也改变直流电压的振幅值。PAM需要同时调节两个部分——整流部分和逆变部分，两者之间还必须满足一定的关系，故控制电路比较复杂，因此比较少用。

(2)脉宽调制(PWM)。实现方法就是在每半个周期内把输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为t1，每个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比Υ=tl/(t2+tl)。这时电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，同样可以实现变频也变压的效果。PWM只需控制逆变电路便可实现，与PAM相比控制电路简化了许多，因此在变频调速中比较常用。

三、系统的组成

1、系统主回路

在整个系统中用了两个电动机，M1是主电机，当系统启动的时候开始运行，VVVF为变频器，它用来改变钢板运行时的速度。M2为油泵电机，用来控制电磁阀，FR为热继电器，当檩条成型机温度过高时起保护作用。对应开关量如表３，主回路图如图4。表3、对应开关量表

图4、系统主回路电路图

整个系统通过西门子S7-200（CPU224）来控制，PLC的各个输出点和输入点所对应的控制功能如图6，对应各个输入和输出点见表５。

表5、对应各个输入和输出点

2、增量编码器介绍

增量编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量，如图7。

A、B两点对应两个光敏接受管，两点间距为S2,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。

当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么可知输出波形图中S0：S1：S2的值与实际图中S0：S1：S2的值相同；同理，角度码盘以其他的速度匀速转动时，输出波形图中S0：S1：S2的值与实际图中S0：S1：S2的值仍相同。如果角度码盘做变速运动，把它看成多个运动周期（在下面定义）的组合，那么每个运动周期中输出波形图中S0：S1：S2的值与实际图中S0：S1：S2的值仍相同。

通过输出波形图可知每个运动周期的时序为：

顺时针运动：AB逆时针运动：AB

1111

0110

0000

1001

图6、系统控制回路电路图

图7、增量编码器

我们把当前的A、B输出值保存起来，与下一个A、B输出值做比较，就可以轻易地得出角度码盘的运动方向。如果光栅格S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消耗的时间，就得到了此次角度码盘运动位移角速度。S0等于S1时，且S2等于S0的1/2时，1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度；如果S0不等于S1，S2不等于S0的1/2，那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度。

参考文献

[1]苏昆哲深入浅出西门子自动化产品系列丛书.北京航空航天大学出版社.1998年。

[2]苏昆哲何华深入浅出西门子WinCCV6.1.北京航空航天大学出版社.2004年5月。

[3]邓则名邝穗芬程良伦.电器与可编程控制器应用技术.机械工业出版社.2003年2月。

[4]王东宾姚纪文可编程控制器原理及应用实例.机械工业出版社.2002年6月。

[5]王兆安黄俊电力电子技术.机械工业出版社.2004年1月。

[6]陈伯时电力拖动控制系统.机械工业出版社.2000年6月。

[7]雷丽文朱晓华微机原理与接口技术.电子工业出版社.2003年6月。

[8]自动化网http://www.zidonghua.com。