基于PLC的铸坯火焰自动切割系统的设计.docx

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基于PLC的铸坯火焰自动切割系统的设计

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

TitletheCastSlabFlameCuttingSystembasedon

SiemensPLC

Abstract

Thesystemstructureofcastslabflamecuttingmachineisbrieflyintroducedinthispaper,andPLCcontroltechnologyisappliedtosolvethescaleaccuracyoncontinuouscastingproductionline,besidescuttingqualitycontrolandotherkeytechnologiesareanalyzed.Thefeaturesofthesystemareasfollows:

reliablemeasurementsystemofscale, savingtimeofbilletsubsection,steadyandunlaggedsynchronousrunningbetweentheflamecuttingmachineandcastingblank,theaccuracyofrapidreturntothegrassrootandapplicationoftheprogrammablelogiccontrollerascontrolunitforanewtypeofflamecuttingmachinecontrolsystem.SiemensS7-200ischosenastheprogrammablelogiccontrollerinthispaperandmakesdesignofhardwareandsoftware.PLCiscontrolunitofflamecuttingmachine,withwhichtheoperatorsendsignalstothecontrolsystem.Inaddition,itwouldalsocollectthesignalsofflamecuttingmachine’sandothertypesofswitches,aswellastheworkstatus,etc..ThepracticehasprovedthatthedesignofthecastslabflamecuttingsystembasedonSiemensPLCsoftwareandhardwareflametobeasuccessful,withsimplestructure,goodperformancewhichlayasolidfoundationforthefuturedevelopmentofasimilarsystem.

KeywordsProgrammablelogiccontrollerCastslabflamecuttingmachine

Fixedscalesystem

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。

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使用了相当多的软件、硬件抗干扰的措施，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，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，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1mm~1m，然而当在切割低碳钢钢板的厚度小于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]。

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。

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，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

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。

如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：

九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载！

该论文已经通过答辩

3.3按钮的选型

该铸坯火焰切割系统中，包含一些手动操作与自动操作，必然需要一些按钮，以实现各电器功能。

如系统的启动与停止，电磁阀的开启与关闭，接触器的接通与断开等。

通过选择不同规格的按钮，包括不同的形状，如方形，矩形，圆形；包括不同种颜色，如绿色，红色等。

按钮是一种简单的电器元件，不直接控制主电路，而在控制主电路时发出手动

控制信号，其结构原理如图3.3所示：

由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳组成。

图3.3按钮的结构原理图及符号

规格:

产品前框形状有圆形（Φ18mm）、方形（18mm×18mm）、矩形（18mm×24mm）三种规格，包含信号灯、按钮，其常规安装孔径为Φ16mm。

性能：

具有性能稳定、接触电阻小、绝缘性强、耐振动耐冲击等特点；符合IEC60947-5-1、GB14048.5等标准。

所用按钮如图3.4，3.5所示，其展示及说明如下：

图3.4用于开启的按钮图3.5用于停止的按钮

图3.4为用于所有开启的按钮，如自动、手动、夹紧、返回切割车、开预热乙炔、开预热氧、开切割炬等。

图3.5按钮是用于所有停止的按钮，如松开按钮、停切割车、关预热乙炔、关预热氧、关切割炬等。

3.4转换开关的选型

该火焰自动切割系统既可以实现自动运行也可以手动操作，如何在手动与自动之间进行选择，需要选用转换开关。

本设计中采用斯达森SAT18L系列普通型双电源自动转换开关，它是一种用于双路低压供电的自动转换开关,该产品集成了手动转换开关、微型电机、精密传动机构以及电子控制器,可以电动或手动（带负荷）切换,能够完成自动检测、投入、恢复、启停备用发电机等功能。

斯达森SAT18L系列普通型智能转换开关系列具有如下功能特点：

（1）具有三个开关位置：

供电I、关断0、供电II，可靠的机械“0”位置,确保供电安全。

（2）内置控制器,可以实现自动投入、自动恢复功能。

（3）可以采用斯达森STC18A系列双电源转换控制器来控制，实现自动检测、投入、恢复、启停备用发电机、远程测控等功能。

（4）开关系统自身用电，取自被控的二路供电，只要任意一路有电开关就正常工作。

3.5接近开关的选型

该铸坯火焰切割系统中，割炬电机切割完毕，割炬电机回原位及切割小车回原位都需要对其进行限位，防止其超出行程而发生事故。

故需要在这些极限位置设置接近开关，以保障正常运行。

一般的接近开关的工作原理：

当某物和接近开关接近并达到限定的距离时，此接近开关会发出控制信号，接近开关相当于一个报警的提示开关，确保整个操作工作稳定安全。

就电感式接近开关工作原理来说，其接近开关大致可由三个组成部件，他们是开关电路、振荡器，还有一个放大输出电路。

振荡器的作用是产生一个交变磁场，当目标金属接近磁场附近并达到相应感应的距离后，就会在金属目标物附近产生涡流，致使振荡信号衰减，直到振荡信号停振。

当振荡器振荡和停振的相应经过后级放大电路调制解调处理，由此转换成开关信号后，触发相应的驱动控制，从而达到了对非接触物的检测。

根据本设计的具体要求，所选接近开关型号为DC3线NPN常闭输出BB-M803N-V21P2。

其相关技术参数为：

外径尺寸8mm，放大器内藏型，直流三线，检测距离是普通产品检测距离的3倍，齐平式安装检测距离3mm，非齐平式安装检测距离6mm，出线式连接[11,12]。

4基于西门子PLC铸坯火焰自动切割系统硬件设计

4.1铸坯火焰切割系统PLC选择与设计

4.1.1PLC的基本结构

PLC主要是由中央处理单元、输入、输出接口以及通信接口等主要单元组成，其中中央处理器是PLC的大脑，I/O部件是用于连接CPU与现场外设之间的接口电路，而通信接口则是用来连接与上位机和编程器的。

通常情况下，对于整体式PLC，所有部件都统一安置在机壳内；而对于模块式PLC而言，各功能部件是独立密封装配的，这样的被叫做模块，各个模块又通过总线连接，安装在导轨或者机架上[13,14]。

（1）中央处理单元

CPU通过输入设备读入外设当前所处的状态，经过用户程序去执行，执行完之后再通过输出装置输出控制信号完成对外设的控制。

（2）输入/输出接口

输入/输出单元统一叫做I/O接口。

PLC通过I/O接口能够查出被控制的对象及其生产过程当中的各种实时参数，通过这些参数来作为PLC对被控制对象进行各种操作命令的信息依据。

同时PLC又通过I/O接口将处理的结果送给被控设备或工业生产过程，以实现控制。

（3）存储器

存储器主要的任务顾名思义就是存放系统程序、用户程序以及操作中需要保存的一些重要信息。

存储器一般可以分为动态PROM，EPROM，EEPROM以及静态RAM。

（4）编程装置和编程软件

PLC是以顺序执行存储器中的程序来完成其控制功能的。

（5）电源部件。

4.1.2PLC工作原理

PLC的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。

CPU以分时操作方式来处理各项任务，计算机在每一总线周期内只能做一件事情，所以程序的执行是按照程序顺序依次来完成相应各电器的动作，就好像为时间上的顺序执行一样。

通常来说，PLC的工作方式的特点就是一个不断实现内容上的循环的顺序扫描工作方式，一次扫描所用的时间被称之为扫描周期。

CPU从程序的首条指令开始，便顺序逐一地执行用户程序指令直至程序结束，最后返回首条指令再次重复上一轮的扫描工作。

PLC工作的整个过程大致分为三个过程：

第一个过程为上电处理。

机器完成上电后首先对系统进行一次初始化操作，初始化的操作可分为硬件的初始化，I/O模块配置的核查，停电保持范围的设定等等。

第二个过程就是扫描过程了。

在扫描工作过程中，首先完成的时输入处理，接着需要完成的就是与其它外部接口部件的通信处理，然后就得进行时钟和特殊寄存器的刷新。

若CPU处在STOP模式下，转而执行自诊断审查的操作工作；若CPU处在RUN模式下，需先处理好用户程序的执行和输出操作，然后去