毕业设计推钢机液压控制系统设计管理资料.docx

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毕业设计推钢机液压控制系统设计管理资料

江阴职业技术学院

毕业设计说明书

课题：

PLC推钢机控制系统设计

子课题:

同课题学生姓名:

专业机电一体化

学生姓名赵晓波

班组09机电2班

学号09020504

指导教师益文娟

完成日期2011年12月15号

摘要······························································Ⅲ

前言······························································Ⅳ

第一章推钢机的简介················································1

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第二章电机电气控制、启动方式和线路保护····························4

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第三章液压系统···················································16

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第四章PLC及现场总线··············································18

PLC基本概念···············································18

PLC的定义··················································18

PLC的分类··················································18

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PLC硬件组成················································18

CPU运算和控制中心起“心脏“作用·························18

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PLC的基本工作原理·········································18

PLC的特点·················································19

PLC的主要特点········································19

PLC的功能·············································19

PROFIBUS···················································20

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参考文献·························································22

致谢·····························································23

摘要

推钢机是冶金轧钢生产线上将钢坯推进加热炉内进行加热的专用设备，它充分使用了液压油缸和液压系统的出力大，体积小操作方便的优点。

充分使用了液压油缸和液压系统的出力大，体积小操作方便的优点。

使推料工序得到减化，同时也降低了设备成本。

推钢机以先进的自动化控制设备和计算机技术的应用，冷轧不锈钢带、硅钢带、精密合金钢带、稀有合金带、高精度极薄冷轧碳素钢带等各种高精度高品质产品的出产，大大地促进了轧钢生产企业的经济效益和竞争能力，有力地提升了我国轧钢生产企业的形象。

推钢机解决了在高温、高粉尘下工作油缸的密封、主机导向部位的密封及磨损问题，从根本上解决了液压系统维护难、寿命短的问题。

完全替代了以前的人工作业，实现了多个推爪同步机械自动化操作，提高了生产的小时作业率.

推钢机是轧钢车间上料区主要设备之一，其作用是将加热炉前辊道上的钢坯或炉前上料台架上的钢坯推入加热炉进行二次加热过程。

本设计选用了机械式推钢机，在推钢机结构设计上主要采用了齿轮齿条的结构形式。

该机构具有结构简单，整体尺寸适中，传动效率高，维修方便，造价较低的优点。

在本设计中主要对推钢机进行了结构设计和PLC控制设计，并着重对PLC控制系统做了详细的分析设计。

关键词：

PLC；PLC通信；总线；电机的星角启动

前言

我国钢铁工业近年来发展很快，钢产量己连续多年突破亿吨大关，钢铁产品质量也得到了很大的提高，特别是在轧钢生产方面。

各种高精度轧钢机械设备的引进和投产，先进的自动化控制设备和计算机技术的应用，冷轧不锈钢带、硅钢带、精密合金钢带、稀有合金带、高精度极薄冷轧碳素钢带等各种高精度高品质产品的出产，大大地促进了轧钢生产企业的经济效益和竞争能力，有力地提升了我国轧钢生产企业的形象。

但是由于科学技术的飞速发展，新的设备和新的技术以惊人的速度不停地改进和更新，产品的技术含量越来越高，对产品生产机械设备和操作技术的要求也越来越高。

因而及时掌握新型轧钢机械设备的性能，熟练掌握新的操作技术，全面应用先进的自动化控制技术和计算机轧制技术，是当前轧钢生产企业进一步提高产品质量、降低轧钢生产成本、增强轧钢生产企业的市场竞争能力的关键所在。

本设计包括了PLC控制系统及推钢机的设计，并重点针对PLC控制系统的设计。

具体包括：

自动化控制简介，推钢机的分类、结构和PLC控制系统设计，电动机的选用和启动控制方式。

电动机的选定标准是满足推钢机总的功率要求，转速适中，并且应具有频繁快速启动和反转能力以带动推钢机推杆做往复运动。

控制总线选择了PROFIBUS，其应用了IEC标准的物理层，从而可以在爆炸危险的区域内连接本质安全型通过总线馈电的现场仪表。

编程工具我们选择了西门子的S7—200，它结构紧凑、扩展性能良好、指令功能强大、价格低廉成为当代各种小型控制工程的理想控制器。

电机的启动方式选择了星—角降压启动，因为这种方式能降低启动时的电压，限制启动电流，所以特别适用容量较大的电动机。

电机控制电路选择的是时间继电器自动控制星—角降压启动控制路线，时间继电器KT做控制电动机Y形降压启动时间和完成星—角自动切换。

第一章推钢机的简介

推钢机的种类

推钢机主要用于炉前坯料，通过推钢机输出动力，逐步向炉内推移，进行加热处理。

推钢机的种类很多，常见的有齿轮齿条式、丝杠螺母式、曲柄连杆式、液压式等，还有的推钢机把齿轮齿条传动和液压传动相结合，形成了液压齿条式。

它们各自有自身的特点，在不同的加热炉上发挥着各自的作用。

齿轮齿条式推钢机通过齿轮齿条的啮合传动把电机的旋转运动转变为齿条的直线运动，带动推杆进行推钢工作。

其工作可靠，传动效率高，推力和行程大，但设备自身重量大。

目前齿轮齿条式推钢机应用比较广泛。

丝杠螺母式和曲柄连杆式工作效率低，行程和推力较小，一般用于小型加热炉，新上加热炉一般很少采用。

液压式推钢机由液压缸直接推动推杆工作，结构简单，推力大，自重轻，速度、行程易控制，但行程不宜太大，且液压系统制作、维护较困难。

根据钢车间使用的经验，，一般采用齿条式推钢机较适宜。

因为齿条式推钢机传动效率高，使用可靠，这是螺旋式推钢机无法比拟的。

推钢机的结构特点：

机械型推钢机由电机、减速机及机械传动部分、壳体等组成，其主要特点是推行平稳，推力大，可推进双排坯料。

液压型推钢机由液压油缸、液压泵站、平衡推杆及底座等组成。

液压推钢机的特点是：

结构简单、推力大、造价低，也可推进双排坯料。

机械式（齿轮齿条）推钢机制作成本及复杂程度远远高于液压推钢机，并且体积庞大笨重，噪音大，随机控制性能差；机械推钢机维护要比液压推钢机麻烦，一但出现故障必须停机待修；维护工作量及维护成本远远高于液压推钢机。

液压推钢机在推力上远远高于机械式推钢机：

同样功率的情况下两者的推钢能力要差好多倍，如果同样推动250吨钢坯，液压推钢机只需要55千瓦的驱动功率即可满足要求，但机械推钢机要达到200千瓦以上的驱动功率才能正常工作。

推力、推速、行程是推钢机的主要技术参数，尤其是最大推力。

推力计算的正确与否关系着推钢机的经济性和使用寿命。

推力计算公式为：

（1-1）

式中：

G为钢坯质量，单位是kg；

g为重力加速度，一般来说

；

为考虑到加热炉轨道不平，受热变形等因素的影响系数，

=～。

f为滑动摩擦系数，f=～1；摩擦系数的大小对推力产生直接的影响，而摩擦系数的大小主要取决于钢坯温度，钢坯温度对摩擦系数的影响为：

常温时，f=；300°C时，f=；400°C一500°C时，f=—；600°C一800°C时，f=—；大于800°C时，f=。

可见，钢坯温度越高，摩擦系数愈大。

一般来说，加热炉分为预热段、加热段和均热段，各段温度不尽相同，应根据每段温度、钢坯质量计算出各段所需推力，最后相加。

对于有些加热炉来说，炉底是倾斜的，这时还应考虑到钢坯重力的分力对推力的影响。

推钢机属于低速重载，繁忙使用，齿轮齿条属于重点零件。

要通过计算，选择合理的模数和材质，进行合理的热处理，结构设计要优化，避免出现胶合、点蚀，甚至断齿等现象。

推杆工作中会受到齿条推力、钢板阻力、压轮压力等复杂力系的作用，强度、刚度要高，结构要可靠，一般采用箱型梁钢板焊接结构。

一般来说，影响推钢机生产率的主要因素是推杆返回时的空载时间。

为了提高生产率，推钢机的返回速度可以取得比推速大，一般返回速度比推速大50%至数倍。

实际使用表明，返回速度比推速大一倍左右比较合适。

有的推钢机设有慢速推钢电动机和快速返回电动机，用以调节速度。

采用液压推钢机，可以方便地调节推钢速度。

这取决与所推炉料的尺寸及炉台宽度。

用吊车上料时，行程应大于每次填料总宽度，并大于辊道的宽度；用辊道上料时，除了考虑大于辊道宽度外，还应根据检修要求（要求推头能退到辊道外侧）所需长度来定

热轧、冷轧板带轧机生产线上，设计中用户选用推钢机主要有两种形式：

液压推钢机：

设备简单，重量轻，使用稳定，噪音小，设备定型后可以通过改变液压系统压力改变推力

机械推钢机：

主要是利用齿轮齿条产生推力，设备重量大，噪音大，当推力很大时设备重量相应增加很大，而且能耗大，但是维护很简单。

大推力的推钢机造价较高。

机械、液压推钢机，相比较而言，无论是使用效果还是经济方面液压推钢机都优于机械推钢机：

1,机械式（齿轮齿条）推钢机制作成本及复杂程度远远高于液压推机，并且体积庞大笨重，噪音大，随机控制性能差；

2,机械推钢机维护要比液压推钢机麻烦，一但出现故障必须停机待修；

3,维护工作量及维护成本远远高于液压推钢机。

4，液压推钢机在推力上远远高于机械式推钢机：

同样功率的情况下两者的推钢能力要差好多倍，例如：

推动250吨钢坯，液压推钢机只需要55千瓦的驱动功率即可满足要求，但机械推钢机要达到200千瓦以上的驱动功率才能正常工作。

从生产成本上远远低于机械推钢机，液压推钢机如果设计成双驱动系统时可以在不停机的情况下对需要维修的系统在线维修，机械推钢机这方面就无能为力了！

液压推钢机是未来的发展趋势，体积小、造价低、维护保养方便、推力大等很多有点

　　综上可以得出：

推钢机的未来发展趋势是向着体积更小、造价更低、维修更方便的液压方向发展：

第二章电机电气控制、启动方式和线路保护

异步电动机因其结构简单、价格便宜、,所以容量大的电动机必须采取一定的方式起动,星—三角形换接起动就是一种简单方便的降压起动方式

采用星三角起动方式时，电流特性很好，而转矩特性较差，所以客观存在只适用于无载或者轻载起动的场合。

换句话说，由于起动转矩小，星三角起动的优点还是很显著的，因为基于这个起动原理的星三角起动器，同任何别的减压起动器相比较，其结构最简单，价格也最便宜。

除此之外，星三角起动方式还有一个优点，即当负载较轻时，可以让电动机在星形接法下运行。

此时，额定转矩与负载可以匹配，这样能使电动机的效率有所提高，并因之节约了电力消耗。

这一线路的设计思想仍是按时间原则控制起动过程。

所不同的是，凡是正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机，均可采用这种线路。

（推钢机控制原理图2）

推钢机控制原理图（1、2）原理：

在启动时将电动机定子绕组接成星形，每相绕组承受的电压为电源的相电压（220V），减小了起动电流对电网的影响。

而在其起动后期则按预先整定的时间换接成三角形接法，每相绕组承受的电压为电源的线电压（380V），电动机进入正常运行。

推钢机控制原理图（3）

推钢机控制原理图（3）原理：

电动机转动，给液压油加压，使其有压力油输出，加热器是给液压油加热的，转换器把交流220伏转换成直流24伏，为PLC提供电源。

推钢机控制原理图（4）

推钢机控制原理图（5）说明：

带时间继电器星角启动该线路由三个接触器、1个热继电器、1个时间继电器和2个按钮组成。

时间继电器KT做控制电动机Y形降压启动时间和完成Y—角自动切换用

推钢机控制原理图（6）

推钢机控制原理图（7）点动控制电路：

点动，即按下按钮是电动机转动工作，手松开按钮时电动机停转。

油缸示意图

推钢机控制原理图（8）：

1#，液压缸推出，，，液压缸缩回，。

推钢机工作流程示意图

　　鼠笼式异步电动机采用全压直接起动时，控制线路简单，维修工作量较少。

但是，并不是所有异步电动机在任何情况下都可以采用全压起动。

这是因为异步电动机的全压起动电流一般可达额定电流的4-7倍。

过大的起动电流会降低电动机寿命，致使变压器二次电压大幅度下降，减少电动机本身的起动转矩，甚至使电动机根本无法起动，还要影响同一供电网路中其它设备的正常工作。

如何判断一台电动机能否全压起动呢?

一般规定，电动机容量在10kW以下者，可直接起动。

10kW以上的异步电动机是否允许直接起动，要根据电动机容量和电源变压器容量的比值来确定。

对于给定容量的电动机，一般用下面的经验公式来估计。

　　Iq/Ie≤3/4+电源变压器容量（kVA）/[4×电动机容量（kVA）]

　　式中Iq—电动机全电压起动电流（A）;Ie—电动机额定电流（A）。

　　若计算结果满足上述经验公式，一般可以全压起动，否则不予全压起动,应考虑采用降压起动。

有时，为了限制和减少起动转矩对机械设备的冲击作用，允许全压起动的电动机，也多采用降压起动方式。

鼠笼式异步电动机降压起动的方法有以下几种：

定子电路串电阻（或电抗）降压起动、自耦变压器降压起动、Y-△降压起动、△-△,（一般降低电压后的起动电流为电动机额定电流的2-3倍），减小供电干线的电压降落，保障各个用户的电气设备正常运行。

　 在电动机启动时，在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕组电压降低，启动结束后再将电阻切除，使电动机在额定电压下正常运行。

正常运行时定子绕组接成Y型的笼型异步电动机，可采用这种方法启动。

。

　 工作原理：

合上隔离开关QS，按下按钮SB2，KM1线圈得电自保，其常开主触头闭合，电动机串电阻启动，KT线圈得电；当电机的转速接近正常转速时，到达KT的整定时间，其常开延时触头闭合，KM2线圈得电自保，KM2的常开主触头KM2闭合将R短接，电机全压运转。

　降压启动用电阻一般采用ZX1、ZX2系列铸铁电阻，其阻值小、功率大，可允许通过较大的电流。

两图不同之处在于：

　 a） 图中KM2得电，电机正常全压运转，KT及KM1线圈仍然有电，这是不必要的。

　 b） 图的控制电路利用KM2动断触头切断了KT及KM1线圈的电路，克服上述缺点。

　 电路工作原理如下：

　 首先合上电源开关 QS 。

 Y- △降压起动控制电路

　　这种方式的原理是：

起动时把绕组接成星形连接，起动完毕后再自动换接成三角形接法而正常运行。

凡是正常运行时定子绕组接成三角形的笼型异步电动机，均可采用这种降压启动方法（该方法也仅适用于这种接法的电动机）。

　 ）是用两个接触器和一个时间继电器自动完成Y—Δ转换的起动控制电路 。

由图可知，按下SB2后，接触器KM1得电并自锁，同时KT、KM3也得电，KM1、KM3主触头同时闭合，电机以星形接法起动。

当电机转速接近正常转速时，到达通电延时型时间继电器KT的整定时间，其延时动断触头断开，KM3线圈断电，延时动合触头闭合，KM2线圈得电，同时KT线圈也失电。

这时，KM1、KM2主触头处于闭合状态，电动机绕组转换为三角形连接，电机全压运行。

图中把KM2、KM3的动断触头串联到对方线圈电路中，构成“互锁”电路，避免KM2与KM3同时闭合，引起电源短路。

 　 在电机Y—Δ起动过程中，绕组的自动切换由时间继电器KT延时动作来控制。

这种控制方式称为按时间原则控制，它在机床自动控制中得到广泛应用。

KT延时的长短应根据起动过程所需时间来整定。

　 ）是用一个复合按钮、一个接触器和一个时间继电器完成Y—Δ转换的电路

　　正常运行时定子绕组接成Y型的笼型异步电动机，还可用自耦变压器降压启动。

电动机启动时，定子绕组加上自耦变压器的二次电压，一旦启动完成就切除自耦变压器，定子绕组加上额定电压正常运行。

自耦变压器二次绕组有多个抽头，能输出多种电源电压，启动时能产生多种转矩，一般比Ｙ—Δ启动时的启动转矩大得多。

自耦变压器虽然价格较贵，而且不允许频繁启动，但仍是三相笼型异步电动机常用的一种降压启动装置。

　 图为一种三相笼型异步电动机自耦变压器降压启动控制电路。

其工作过程是：

合上隔离开关QS，按下SB2，KM1线圈得电，自耦变压器作Ｙ连接，同时KM2得电自保，电动机降压启动，KT线圈得电自保；当电机的转速接近正常工作转速时，到达KT的整定时间，KT的常闭延时触点先打开，KM1、KM2先后失电，自耦变压器Ｔ被切除，KT的常开延时触点后闭合，在KM1的常闭辅助触点复位的前提下，KM3得电自保，电机全压运转。

 　 电路中KM1、KM3的常闭辅助触点的作用是：

防止KM1、KM2、KM3同时得电使自耦变压器Ｔ的绕组电流过大，从而导致其损坏。

　　按SB1辅助电路断电各接触器释放｀电动机断电停车

　　线路在KM2与KM3之间设有辅助触点联锁，防止它们同时动作造成短路;此外，线路转入三角接运行后，KM3的常闭触点分断，切除时间继电器KT、接触器KM2,避免KT、KM2线圈长时间运行而空耗电能，并延长其寿命。

　　三相鼠笼式异步电动机采用Y—△降压起动的优点在于：

定子绕组星形接法时，起动电压为直接采用三角形接法时的1/3，起动电流为三角形接法时的1/3，因而起动电流特性好，线路较简单，投资少。

其缺点是起动转矩也相应下降为三角形接法的1/3，转矩特性差。

所以该线路适用于轻载或空载起动的场合。

另外应注意，Y—△联接时要注意其旋转方向的一致性。

　　短路时通过熔断器FU的熔体熔断切开主电路。

　　通过热继电器FR实现。

由于热继电器的热惯性比较大，即使热元件上流过几倍额定电流的电流，热继电器也不会立即动作。

因此在电动机起动时间不太长的情况下，热继电器经得起电动机起动电流的冲击而不会动作。

只有在电动机长期过载下FR才动作，断开控制电路，接触器KM失电，切断电动机主电路，电动机停转，实现过载保护。

　　当电动机正在运行时，如果电源电压由于某种原因消失，那么在电源电压恢复时，电动机就将自行起动，这就可能造成生产设备的损坏，甚至造成人身事故。

对电网来说，同时有许多电动机及其他用电设备自行起动也会引起不允许的过电流及瞬间网络电压下降。

为了防止电压恢复时电动机自行起动的保护叫失压保护或零压保护。

　　当电动机正常运转时，电源电压过分地降低将引起一些电器释放，造成控制线路不正常工作，可能产生事故;电源电压过分地降低也会引起电动机转速下降甚至停转。

因此需要在电源电压降到一定允许值以下时将电源切断，这就是欠电压保护。

　　欠压和失压保护是通过接触器KM的自锁触点来实现的。

在电动机正常运行中，由于某种原因使电网电压消失或降低，当电压低于接触器线圈的释放电压时，接触器释放，自锁触点断开，同时主触点断开，切断电动机电源，电动机停转。

如果电源电压恢复正常，由于自锁解除，电动机不会自行起动，避免了意外事故发生。

只有操作人员再次按下SB2后，电动机才能起动。

控制线路具备了欠压和失压的保护能力以后，有如下三个方面优点：

　　防止电压严重下降时电动机在重负载情况下的低压运行;

避免电动机同时起动而造成电压的严重下降;

防止电源电压恢复时，电动机突然起动运转，造