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酸洗工艺的液压站PLC系统控制0

 

酸洗工艺的液压站PLC系统控制

 

摘要

唐钢冷轧薄板厂酸连轧机组酸洗线液压站自动化控制系统有过程控制系统,基础自动化系统,现场传感器仪表系统组成。

其中过程控制系统为整个酸洗生产过程提供在线监控、指导和控制并实现与连轧机组的通讯。

该级具有计算、存储、设定和执行功能。

基础自动化系统使用PLC监视、控制和调节生产过程,并与过程控制系统和现场传感器仪表系统进行通讯。

PLC具有回路控制、顺序控制及其他特定功能。

现场传感器仪表系统由分散在各个现场的检测仪表和传感器、变送器[2]、执行器及控制设备组成,该级仅与基础自动化系统进行通讯。

整个系统采用了基于工业以太网,PROFIBUS-DP总线和AS-i总线数据通讯系统。

关键词:

酸洗线液压站PLC控制软件设计数据通讯

 

目录

1绪论5

1.1课题研究背景5

1.2酸洗工艺及设备现状6

2出口液压站总体方案设计8

2.1液压系统特点概述8

2.1.1油箱单元9

2.1.2主泵单元9

2.1.6蓄能器单元10

2.1.7阀台和阀路块10

2.1.8过滤器11

3控制系统设计12

3.1PLC级软件结构12

3.2自动化系统的接口14

3.3生产线1级基础自动化系统与0级系统接口15

3.4生产线1级基础自动化系统与其它控制系统的接口15

4出口液压站自动化基础系统选用17

4.1PLC系统17

4.1.1PLC系统主要配置和功能17

4.1.2PLC系统网络酸洗生产线的PLC控制网络18

4.2HMI客户工作站控制系统19

4.3软件开发19

4.4实时数据监测20

5酸洗出口液压站软件设计21

5.1PLC的总体结构21

5.2PLC控制软件设计22

5.2.1PLC控制软件构成22

5.2.2PLC软件的程序模块22

5.3工控机与PLC通信软件设计25

5.3.1通信的连接25

5.3.2VB串行通信组件25

5.3.3PLC通信协议26

5.3.4工控机与PLC通信软件设计27

5.4测控系统软件设计29

5.4.1数据测控系统总体框图29

6油箱电器系统描述33

6.2液压站循环系统描述34

6.2.1液压站循环系统功能描述34

6.2.2循环系统传感器和马达表36

6.2.3传感器报警表36

6.3液压站主泵系统37

6.3.1液压站主泵系统功能描述37

6.3.2传感器报警表38

结论40

1绪论

1.1课题研究背景

钢铁工业在我国迅猛发展,尤其是冷轧带钢在近几年发展迅速。

国内各大钢厂和部分规模较大的乡镇企业都已经或正在投入巨资建设冷轧生产线。

我公司也投入约30亿元建设冷轧板带项目。

分三期建设的冷轧工程是公司实施完成“三步走”发展战略和实施新的“三级支撑”发展战略之间承上启下的最为重要的建设项目。

冷轧工程一般包括酸洗、冷轧、镀锌、彩涂、退火等工艺。

而酸洗是首道工序,热轧板带只有先酸洗才能进行其它工序的生产。

现就酸洗的有关知识做一下介绍。

60年代以前冷轧原料的除鳞主要是用硫酸酸洗。

这种方法废酸不能完全回收,钢的损耗也较大。

1959年奥地利鲁特纳发明了盐酸酸洗废液再生方法,盐酸可以完全回收,产生的铁粉也可做高档的磁性材料,这样盐酸酸洗法成为成本低、酸洗带钢表面质量好的工艺而得到普遍发展。

这时酸洗槽由深槽逐步发展为浅槽。

1983年原西德MDS公司开发出湍流式酸洗新技术。

其特点是将酸洗液送入很窄的酸洗室槽缝中,使酸洗液在带钢表面上形成湍流状态。

酸的流动方向与带钢的运行方向相反。

这种酸洗技术提高了酸洗效率,改善了酸洗质量[1]。

自从80年代推出湍流酸洗以来,浅槽湍流酸洗机组因其造价低、酸洗事故处理时间短而很快发展起来。

原西德波鸿、澳大利亚BHP、日本住友金属、日本和歌山、日本神钢加古川冷轧厂、比利时西格马公司等于1986-1990年先后建成并投产了湍流酸洗机组。

这种机组的年产量从60万吨发展到最大达250万吨。

唐山钢铁股份有限公司冷轧薄板厂1#酸洗线线由意大利达涅利技术总负责,于2004年10月25日正式投产,生产热轧酸洗产品。

2005年12月20日该酸洗机组成功地完成了与五机架冷连轧机组(由法国奥钢联引供)的联机改造。

改造后的酸洗连轧机组年设计产量1400000吨.主要原料品种:

CQDQHSLA,轧制规格一般在0.3-2.0mm。

1.2酸洗工艺及设备现状

概括地说,该生产线为3段式连续浅槽高速紊流酸洗生产线,具有备用漂洗槽和5段式漂洗,装备有1台闪光对焊机、1台破鳞机、1台转塔式切边剪、1台平整机、1台涂油机和3个用于连续操作的活套。

入口活套最大储量642米,以保证入口段焊接时工艺段正常运行。

中间活套最大储量330米,保持在排空状态,以保证切边剪换刀时工艺段不停车。

出口段活套最大储量400米,保持在充满状态(为轧机储备带钢),以保证切边剪换刀或跑边时轧机还能正常生产。

在这技术先进的车间定员比以前的车间减少很多。

冷轧带钢的生产工艺流程,首先是把来自热轧的原料卷通过步进梁及上卷小车输送到生产线的1号2号开卷机上,经过双切剪去除带钢的头尾,送至焊机进行焊接,以达到连续生产的目的。

随后带钢经过破鳞机进入工艺段进行酸洗,去除带钢表面的氧化铁皮,后面的切边剪对带钢边部的缺陷进行剪切,同时达到用户对宽度的要求。

最后,带钢经过五机架连轧机组的轧制形成成品冷轧卷。

经过打包后入库。

原料卷——步进梁——开卷机——双切剪——焊机——破鳞机——三段式酸洗五段式漂洗——切边剪——连轧机——打包入库。

1.3唐钢酸洗线自动化控制应用

唐钢冷轧薄板厂酸连轧机组酸洗线自动化控制系统由过程控制系统,基础自动化系统,现场传感器仪表系统组成。

其中过程控制系统为整个酸洗生产过程提供在线监控、指导和控制并实现与连轧机组的通讯。

该级具有计算、存储、设定和执行功能。

基础自动化系统使用PLC监视、控制和调节生产过程,并与过程控制系统和现场传感器仪表系统进行通讯。

PLC具有回路控制、顺序控制及其他特定功能。

现场传感器仪表系统由分散在各个现场的检测仪表和传感器、变送器[2]、执行器及控制设备组成,该级仅与基础自动化系统进行通讯。

整个系统采用了基于工业以太网,PROFIBUS-DP总线和AS-i总线数据通讯系统。

酸洗线基础自动化控制系统由入口PLC系统,工艺段PLC系统,出口段PLC系统组成,具体包括:

4套SIMATICS7-400PLC系统;SIMATICET200S分布式I/O系统;SIEMENS驱动系统。

入口段PLC系统完成入口段区域机械设备和液压单元的控制,以使钢带在要求的速度和张力的控制下完成开卷,矫直,对中,测厚,切头,切尾和焊接等动作;工艺段PLC系统主要对破磷机,2,3,4,5,7号张力辊,入口,中间,出口活套等设备进行检测控制并提供参数设定、故障报警、过程监视、历史趋势曲线等多种人机对话操作;酸洗段PLC系统主要完成酸洗区域的钢带酸洗处理功能包括酸流量控制,闭环酸液浓度控制,再生槽液位控制和再生槽温度控制;出口段PLC系统只要将钢带切成指定的宽度并对中纠偏,调整张力、速度准备进入连轧机入口。

现场网络将计算机控制系统的各个控制级和分散在现场的传感器、执行器有机的联系起来,为实现工程大系统的综合自动化创造了条件。

酸洗线自动化控制系统用工业以太网将过程控制系统,基础自动化系统联系起来,实现软件开发站(工程师站),HMI,HMI服务器,三凌焊机。

,快速数据分析仪FDA,过程控制级服务器(即2级服务器)和S7-400PLC系统之间的数据通讯,达到生产管理和过程控制的目的。

由于酸洗线整个自动化系统比较庞大,在实习和毕业设计中不可能掌握整个的自动化系统,所以只摘取了酸洗线整个自动化系统中的出口段的一个比较独立的液压站系统来介绍。

出口液压站系统是酸洗线的一个重要的辅助系统,为出口段设备提供液压动力,出口段如果没有液压动力,就不能保证正常生产。

所以选择了出口液压站来介绍,

2出口液压站总体方案设计

为实现出口液压站的稳定运行,了解液压站系统,现对出口液压站进行了总体方案的设计

2.1液压系统特点概述

安装、运行和都是完整的,包括所有要的附件。

维修所需所有的系统每个系统包括:

液压动力单元、阀台和阀路块

每个动力单元包括:

油箱单元、主泵单元、循环单元、蓄能器单元、回油过滤单元。

规划液压站的基本设备布置如下图

图1为出口液压站的基本设备布置图

 

2.1.1油箱单元

油箱,圆柱型或方型,带可视的液位指示器、液位传感器和高低液位开关、温度传感器和温度开关、排泄阀、空气滤清器、备用接头、带限位开关的截止阀、接线盒、需用的法兰和内部管线。

油箱的HLP容量不小于主泵公称流量的5倍[4]。

由冷板厂制造的所有油箱用不锈钢板焊接而成,或用碳钢板,内表面涂漆对HLP介质,吸油管允许的油速是<0.7m/sec

2.1.2主泵单元

主泵为轴向柱塞变量泵,压力补偿型,通过联轴器和钟型罩与电机相连,安装在一个钢结构框架上,结构紧凑。

单元由下列部件组成:

在吸油管带限位开关的截止阀、单向阀、压力过滤器(包括阻塞指示器)、溢流阀、供油管路的截止阀、软管、压力开关、压力计、柔性连接、接油盘、接线盒和法兰。

这些单元用带减震装置的部件安装,与吸油口和排油口进行柔性连接。

泵位于油箱附近液位以下。

2.2.5循环单元

这个单元由所有需要的附件组成,安装在一个钢结构框架上,以便加热、过滤和冷却油品。

循环单元由下列组成:

吸油管截止阀(带限位开关)、螺杆泵、电机、联轴器和钟型罩,柔性连接,溢流阀,单向阀,动态加热器,双筒式过滤器(包括阻塞指示器)、水流量控制阀、单向阀、截止阀、压力计、温度开关、温度计、流量开关、水过滤器、接油盘、机上配管、接线盒和所需的法兰。

旁路管线有加热器和热交换器为了避免循环回路所需大流量产生的噪声,使用螺杆泵。

板型热交换器的冷却能力为该单元总功率的30%-40%。

维持45℃-50℃的流体温度,入口水温大约30℃水的流量由一个电动的开关阀控制

2.1.6蓄能器单元

这个单元安装在一个单独的钢结构框架上完整的提供。

由蓄能器、安全阀、压力传感器、压力计、截止阀、自动减压系统、软管、接线盒、接油盘和法兰组成。

使用经T.U.V鉴定的气囊式的蓄能器。

2.1.7阀台和阀路块

在阀台或阀路块上,装有方向、流量和压力的调节阀,来控制液压执行机构。

当系统需要时,将安装蓄能器,压力传感器和压力开关。

阀路块安装在机械设备上,尽可能靠近液压执行机构。

阀安装在钢结构框架上;有专用接线盒和压力计。

主管线装有截止阀,回油和泄油管线装有单向阀,分路管线装有截止阀、法兰。

2.1.8过滤器

根据阀和泵的制造商提供的污染等级(SAE1638或ISODIS4406),在压力、回油和循环管路上装有过滤器,所有系统过滤精度Bx>100,伺服阀控制油路的过滤精度5微米,比例阀控制油路的过滤精度10微米。

 

3控制系统设计

一期酸洗线自动控制系统采用了二级配置,设置有L1级(基础自动化系统)、L1.5级(过程控制系统)。

L1级为生产提供在线监控、管理和控制,并具有计算、存储、设定和执行功能。

基础自动化系统通过Profibus.DP现场总线与仪表系统和现场设备进行通信、采集数据、控制现场设备。

过程服务器将指令通过以太网传送到基础自动化系统,实现酸洗线生产过程的自动控制。

过程控制系统,即L1级计算机系统,配备有1级过程控制服务器和设备控制服务器,即HMI服务器。

HMI服务器与L1级过程服务器互为热备。

LI级主要用于控制和管理酸洗线上的产品,存储钢卷的原始数据和产品表;精确计算生产线上所有预设值,如张力、速度、辊的压力等。

它还是操作员与工艺过程的接口,用于在线监控、报表处理、产品管理、区域过程控制和质量控制。

LI级采用工业以太网通过网络交换机,进行控制系统之间的数据通信[5]。

3.1PLC软件结构

L1自动化系统SW由以下组成:

-基础软件,包括用于应用程序编写,下载和维护的SW工具。

-应用软件,包括由Danieli自动化公司遵循安全方便用户、满足功能要求而编写的应用程序。

应用程序是由完全执行指定功能的sw块组织的。

这些块由设定的结构或按简单的软件开发和相关的维护的程序组织的。

主软件块是:

PDI(原始数据输入)数据管理:

从L1.5级接收数据并且结合进入的带卷,操作员通过界面HMI修改带卷属性。

数据设置管理:

从L1.5级接收设置信息和将相关的数据发射到生产线设备和其他按照带卷头尾的位置和跟踪信息构成的软件块。

-报表:

采集生产过程中的带卷数据,为L1.5准备报表。

跟踪:

此功能跟踪生产线上每个带卷从入口到出口的边缘,发送设置数据和采集报表数据。

使用焊缝检测器和辊子编码器计算出带卷头尾位置。

在带卷准备和交换区域跟踪带卷位置。

带卷在生产线移动时管理带卷数据和产品属性。

跟踪软件使用程序结构进行数据管理和控制带卷数据。

生产线控制:

执行顺控管理带卷移动和位置,速度和张力控制。

利用从L1.5设置的数据来分配张力和速度,包括区域速度和位置累计控制。

顺序按结构设置,每个主要的顺序利用次顺序管理特定的任务。

这种管理软件易于开发维护。

马达控制:

介于生产线控制功能和变速驱动间的界面。

速度和失量控制环由组合微控驱动执行。

机械控制和顺控:

允许从本地控制箱,全自动或半自动进行机械和设备操作达到产品运行速度。

包括液压单元和循环处理的管理和控制。

界面管理包:

可以在任何软件包和自动化系统间交换数据,如许可和联锁,紧急或安全事件,采集的检测值,张力设定值等。

操作界面数据交换:

至HMI现场设备的数据表允许操作员监督机械设备状态和变量,从其他功能软件至HMI的控制数据表允许操作员监督自动化系统状态,图表数据从HMI到自动化系统的数据表允许操作员设置产品参数和控制机械设备复位。

报警和故障管理:

监督机械设备状态和其他软件功能以检测并发送反常条件到HMI。

HMI功能:

与工业网交换信息并组织画面,趋势等。

允许操作员随意切换。

急停管理:

执行急停程序将系统强制到安全条件且复位正常条件后重新起动生产。

按照急停程序要求,此操作可通过逻辑硬线执行。

3.2自动化系统的接口

为正确操作本系统所支持的顺序、控制回路及联锁,需要提供一种或多种下列与外部机电一体化成套设备接口信号类型:

∙串行连接RS485接口,带标准协议3964(R)(Siemens协议)

∙现场总线本地局域网:

Profibus

∙以太网本地局域网

∙模拟量输入,4-20mA信号

∙模拟量输出,4-20mA信号

∙数字量输入,0-24VDC信号

∙数字量输出,0-24VDCupto2A信号

3.3生产线1级基础自动化系统与0级系统接口

∙串行连接RS485接口,带标准协议3964(R)

∙现场总线本地局域网:

Profibus

∙模拟量输入,4-20mA信号

∙模拟量输出,4-20mA信号

∙数字量输入,0-24VDC信号

∙数字量输出,0-24VDCupto2A信号

3.4生产线1级基础自动化系统与其它控制系统的接口

∙退火炉控制系统的接口:

快速工业以太网

∙焊机控制系统、气刀、锌锅、测厚仪的接口:

Profibus

∙静电涂油机控制系统的接口:

Profibus

∙1级基础自动化系统内部接口:

Profibus

∙秤重控制系统的接口:

串行连接RS485接口,带标准协议3964(R)(Siemens协议)

∙1.5级计算机:

100M快速以太网

∙HMI人机界面的接口:

100M快速以太网

此系统包括一套西门子PLC(S7-400CPU)和PC操作员终端,编程终端,1.5级计算机。

人机接口使用完美的InTouch。

系统框图如下:

黑白打印机、彩色打印机、HMI/InTouch7.11的操作员终端2、1.5级数学传送模型(使用)、1.5级数学传送模型(备用)、HMI/InTouch7.11的操作员终端1、编程终端。

系统图如下:

4.出口液压站自动化基础系统选用

酸洗生产线的基础自动化系统主要包括PLC控制系统和HMI客户工作站控制系统等。

PLC控制系统和HMI客户工作站控制系统通过以太网、Profibus—DP现场总线与仪表系统、现场设备进行通信和数据传输。

PLC具有回路控制、顺序控制和其他一些特定的功能,并通过局域网与L1.5级进行通信,将过程数据传送到L1级或者从L1.5级接收数据。

HMI客户工作站控制系统的主要作用是监视、控制生产

流程和设备,处理一些由L1.5,级和PLC系统传来的数据。

4.1PLC系统

生产线的PLC系统(闪光焊机MitsubishiPLC除外)采用SIEMENSs7—400PLC用于生产过程的数据采集、回路控制、顺序控制以及连锁控制等。

通过编程器,采用STEP7语言,对PLC进行系统逻辑编程。

MitsubishiPLC系统通过编程器,采用日本三菱公司的Q3A语言对三菱闪光焊机PLC进行系统逻辑编程。

酸洗线共配备了4台s7—400PLC,用于入口段、工艺段、酸洗段和出口段设备控制,1台MitsubishiPLC用于闪光焊机控制,从而完成机械设备动作的顺序控制、开闭环控制和过程参数的记录。

4.1.1PLC系统主要配置和功能

生产线上PLC全部安装在电气室,用于所有设备动作的顺序控制、信号的联锁控制、速度控制、跟踪控制、张力控制、钢带位置控制和活套控制等。

各段PLC系统主要配置和功能如下:

1s7—400PLC:

用于完成入口段设备的控制。

主要功能有:

入口段设备的顺序控制、生产线连锁控制、入口段速度控制、钢带定位控制、钢卷跟踪、钢卷外径和宽度测量、自动减速处理、入口液压单元处理等。

2s7—400PLC:

用于完成处理工艺段设备的控制。

主要功能有:

顺序控制、连锁控制、生产线速度控制、钢带定位控制、带钢张力控制、入口活套控制、出口活套控制、中间活套控制、工艺段液压单元处理等。

4#s7—400PLC:

用于完成酸洗处理设备(仪表)的控制。

主要功能有:

生产线连锁控制、酸洗槽循环控制、漂洗水循环控制、排雾系统控制、各种泵和风扇温度的控制以及液位、压力、流速控制等。

4.1.2PLC系统网络酸洗生产线的PLC控制网络

PLC系统网络酸洗生产线的PLC控制网络符合工业标准。

传输协议为Profibus协议。

简单描述如下:

入口PLC、工艺PLC、酸处理PLC、出口PLC通过Profibus—DP现场总线相连接,完成PLC之间相互通信和数据交换。

且又通过CP443—1通信处理器和交换机与以太网相连,接收来自于L1.5级服务器和HMI客户工作站的各种预设参数值及各种指令。

入口PLC通过Profibus-DP现场总线与焊机PLC连接,用于闪光焊机的控制。

酸洗生产线的PLC控制网络的网速为9.6~12Mbps。

4.2HMI客户工作站控制系统

酸洗生产线共有7台HMI,其中入口/工艺主控室4台(入口HMI\OWS1台、工艺HMI/OWS1台、焊机HMI1台、酸再生HMI1台)、出口主控室台(出口HMI/OWS1台、检查站HMVOWS1台)。

HMI客户工作站采用工业控制计算机,用于实现生产过程的监视、操作、报警、趋势记录、报表打印和管理一些由L1.5级和PLC系统传来的数据等。

4.3软件开发

由于酸洗生产线规模大、设备多、工艺流程紧密,所有设备全部连锁运行,各种原因引起设备故障造成系统停机时,生产操作人员无法在停机系统的诸多设备中确定故障设备和故障点,需由自动化维护人员花费较长的时间通过查询STEP7程序去分析判定,然后电气维护人员依此进行相应的处理,这样给故障的解决带来不便,有时甚至会出现判断失误,从而给生产运行造成了很大的影响。

为此,根据酸洗生产工艺和设备管理的需求,结合S7—400PLC系统的特点,利用VB6.0语言和STEP7语言独立开发了酸洗生产线设备故障报警管理系统。

该系统包括STEP7程序和故障显示窗口两部分。

在生产各工艺系统运转过程中,设备的运转状况通过I/O模块采集到S7—400PLC内,如果当某个系统发生设备故障突然停机时,STEP7程序对以前的设备状态和当时的设备状态综合分析,找出设备故障点,并产生故障代码通过以太网传送给HMI客户工作站的设备实时故障报警管理程序,在HMI上运行的故障管理窗口程序根据得到的故障代码值,查询故障信息库,提取库中代码对应的故障信息说明,并在HMI的底部发出警报,在图形界面上自动弹出窗口显示。

报警包括:

发生的时间和日期、报警描述、报警来源、报警类型、报警状态(应答)等。

该软件的特点是,能够快速准确地在任何图形操作下,指明停机系统的故障设备和故障点,提高故障处理速度,并且可随时查看停机历史记录,以加强设备管理。

4.4实时数据监测

实时数据监测是以服务器安全高效的数据库系统为支持,主要功能是:

实时监测生产过程中各个生产主要设备的工艺参数,并设置适当的参数预警功能"实时监测的主要数据为各个泵的工作状态,预设泵电压,液压站工作电压,电流,电阻等参数,针对具体液压站进一步查询各项具体参数信息,如效应次数,前一次效应持续时间,最高电压峰值等等与生产相关的数据。

这些数据一部分是实时获得的,一部分是经过统计记录的,在实时系统中能随时查询"故障报警功能为:

当单个电解槽出现非正常的工作状态时,用户可以通过警示音或警示色,及时发现生产故障的液压站实时系统便于实现远程信息管理和故障分析,从整体上把握生产进度,为合理安排液压站运行时间和停产大修提供依据"

5酸洗出口液压站软件设计

5.1PLC的总体结构

唐钢冷轧薄板厂所用的系统软件由上位机工控机的测控系统软件、下位机的PLC控制程序,上位机与下位机的通讯软件组成。

系统总体框图如图5-1所示。

图5-1PLC总体图

PLC控制软件:

利用PLC抗千扰能力强、过程程序设计容易等优点,进行液压站工作过程的控制。

工控机测控软件:

利用上位机工控机图象处理直观,数据处理容易,数据保存空间大,采集速率快,人机交换能力强等优势,进行焊机工作过程的数据采集、PLC的参数设定、图形处理、数据处理、质量判断等操作,进而实现质量管理。

工控机与PLC通信软件:

通过RS232与RS422之间的信号转换,根据PLC的通信协议进行软件设计,是建立PLC与工控机进行连接的关键。

5.2PLC控制软件设计

5.2.1PLC控制软件构成

本系统的PLC控制软件主要由初始化程序模块、调整程序模块、焊接程序模块、公共程序模块、热模拟程序构成。

初始化程序模块主要实现系统的上电复位、中断功能允许、状态寄存器清零、置初始状态等功能;调整程序模块实现工件调整的功能及各种动作的手动单步功能;工作程序模块实现数据通讯的整个自动保护过程,热模拟程序模块实现热模拟功能;公共程序块主要实现各种公共数据的PID运算A/D转换、D/A转换等功能。

用CALL指令作为程序调用子程序指令,跳到相应的程序模块,并用SRET返主。

因为整个系统的信号滤波电压PID控制等算法由硬件电路完成,所以扫描时间小于lOms。

5.2.2PLC软件的程序模块

(1)初始化程序模块

初始化程序模块主要实现系统的开EI中断位,把状态寄存器S和辅助继电器M复位,并设置初始状态位及数据等,这部分程序如图5-2所示。

图5-2初始化程序模块

(2)调整程序模块

通过程序跳转到这一部分,实现出口液压站的各种调整操作,包

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