钢管称重、测长设备控制系统设计测长部分本科毕设论文.doc

天 津 理 工 大 学

本科毕业设计任务书

题目：钢管称重、测长设备控制系统设计------测长部分

学生姓名 邓大龙 届 2011
学院（系） 自动化 专业 电气工程及其自动化
指导教师 吴凤英 职称 高级工程师
下达任务日期 2010、11、09

天津理工大学教务处制

一、毕业设计内容及要求
（一）设计题目
钢管称重、测长设备控制系统设计------测长部分
（二）设计目的
1．通过该题目的设计培养学生综合运用所学的基础理论知识、基本技能和专业知识进行分析和解决实际问题的能力。
2．培养学生查阅技术资料的能力，培养实际独立完成课题的工作能力。
3．使学生受到PLC系统开发的综合训练，达到能进行PLC系统设计和实施的目的。
4．使学生掌握无缝管称重、测长设备的工作原理。
5．提高学生对工作认真负责、一丝不苟，对事物能潜心考察、勇于开拓、勇于实践的基本素质。
（三）控制设备概述及工作原理
1．控制设备组成
操作台两台
控制柜两台
工业控制机一台
西门子 PLC机一台
24V直流电源一台
2.工作过程
这是钢管生产线上的一个自动检测、记录、打标记的自动化设备。它可对无缝钢管自动进行测长、称重，打印、喷标等工序。此设备共有四个工位：
第一工位为测长工位，实现对钢管长度的测量。
第二工位为称重工位，实现对钢管重量的称量。
第三工位为打印工位，在钢管一端的外表面通过气动打标机打印出钢管的各种信息，如重量、长度、批次、符合API标准及国家有关标准规定的和客户指定的数字、字符和图形；气动打标机也可移动到第五工位（喷印工位）用于实现对钢管两端的打印。
第四工位为喷标工位，在钢管的外表面喷印上钢管的各种信息，如重量、长度、批次、符合API标准及国家有关标准规定的和客户指定的数字、字符和图形。
钢管的上料、钢管在各工位之间的移动、钢管的下料均通过机械式步进机构实现。机械式步进机构采用双电动机驱动，变频调速，通过气动摩擦片制动器、减速机、链条带动步进梁的移动。
电控系统采用各单机自成体系，独立控制，独立操作的分布型控制模式。该控制模式是将工控机、可编程控制器和管理融合在一个系统中，没有操作站和控制站的明显区别。各单机可以即作控制，又作操作显示，通信系统又可以把数据等信息送往其它站，从而使数据资源共享。
主要工作过程如下：
1）光电传感器结合旋转编码器的形式，在对齐辊道上实现在钢管运动中对其长度的测量。
2）当向右移动的钢管头部遮断0.4m处的光电传感器时，PLC机开始对旋转编码器计数；
3）与此同时，其它33对光电传感器进入中断程序，当向右(东侧)移动的钢管尾部脱开任一个光电传感器，都产生一个中断信号，则PLC机停止对旋转编码器计数；
4）PLC机将中断点光电传感器的位置信号和PLC计数信息送给工控机，工控机计算出钢管的长度；
5）计算公式： L（钢管长度）= L2（产生最后一个中断信号的光电传感器至第一对光电传感器的距离）-L1（旋转编码器的计数长度）
（四）设计要求
1．控制要求
（1）控制系统应满足设备的工艺要求，测量的距离精度应满足要求
（2）打印位置准确、字符高度、深度应满足要求
（3）辊道除自动加工外，应有手动控制
（4）系统具有程序预选功能。程序选定后，整个加工过程自动进行
（5）电源及系统的运行应有相应的指示
（6）故障报警应有相应的指示
（7）应有必要的电气保护措施
2．设计内容
（1）理解该设备的工作原理
（2）画出控制设备的工艺流程图
（3）对控制设备中所用的所有电器元件选型，编制电器元件明细
（4）PLC控制程序的设计
（5）画出整个控制系统的电气控制原理图、端子接线图、PLC的端子接线图
（6）PLC控制程序调试
（7）按要求撰写毕业设计说明书
（8）论文答辩
（五）应完成的技术资料
1．开题报告（2000字左右）
2．毕业设计说明书（10000字左右）
3．技术资料
（1）系统电气原理图
（2）PLC的I/O接线图
（3）控制程序清单及注释
（六）主要参考文献及资料
[1] 西门子（中国）有限公司SIMATICS7-300用户手册.北京（中国）有限公司，1997
[2] 王化祥.传感器原理及应用.天津大学出版社，1992
[3] 袁子荣.液压传动与控制.重庆大学出版社，2002
[4] 张群生.液压与气压传动.机械出版社，2001
[5] 张凤山.电气控制及可编程控制器.中国轻工业出版社，1999
[6] 何建平.电气传动.重庆大学出版社，2002
[7] 曹玉平.液压传动与控制.天津大学出版社，2002
[8] 张铮.冲压自动化.电子科技大学出版社，2000
[9] 周恩涛.可编程控制器原理及其在液压系统中的应用，机械工业出版社，2003
[10] 王永华等.现代电气控制及PLC应用技术，北京航空航天出版社，2003

二、毕业设计进度计划及检查情况记录表
序号
起止日期
计划完成内容
实际完成内容
检查日期
检查人签名
1
2010.11.15—2010.12.30

结合任务书了解课题应用情况并搜集相关资料

2
2011.01.01—2011.02.28
完成开题报告

3
2011.03.01—2011.03.14
初步熟悉工艺要求

4
2011.03.15—2011.03.28
毕业实习

5
2011.03.15—2011.03.28
选择控制元件列出PLC内部I/O表

6
2011.03.29—2011.04.20
编辑PLC梯形图

7
2011.04.20—2011.05.09
进行软件程序调试并修改程序

8
2011.05.10—2011.05.20
画出整个系统硬件接线图

9
2011.05.21—2011.05.31
收集所用资料、写论文、修改并装订

10
2011.06.01—2011.06.06
做好幻灯片，论文答辩

注：（1）表中“实际完成内容”、“检查人签名”栏目要求用笔填写，其余各项均要求打印。
（2）毕业设计任务书一式二份，一份学院系留存，一份发给学生，任务完成后装订在毕业设计说明书内。

天津理工大学本科毕业设计开题报告

届：2011 学院：自动化 专业：电气工程及其自动化 2011年2月20 日
毕业设计
题目
钢管称重、测长设备控制系统设计-----测长部分
学生姓名
邓大龙
学号
20071003
指导教师
吴凤英
职称
高级工程师
（报告内容包括课题的意义、国内外发展状况、本课题的研究内容、研究方法、研究手段、研究步骤以及参考文献资料等。）
一、 本课题研究的目的及意义
长度是钢管的主要规格指标之一，快速准确的测长系统是实现产品标志重要环节。不同类型的钢管标志都有其相应的标准。常见的测长方法有：人工测长、CCD测量、超声波测量、多波长干涉测量等，这些测长方法在钢管生产线中运用都有一定的局限性。利用对射光电管、编码器、PLC、上位机等组成的光电式测长系统，性能稳定，成本低，完全能适应钢管生产线自动测长的要求。
钢管的生产工艺种类繁多，生产过程非常复杂，生产设备也很庞大。按照工艺流程，管坯进入车间后按照工艺要求锯成定尺长度，然后依次经过环形炉加热、三焜穿孔机穿孔、连轧机轧钢、定径机定径。加工成的钢管需要减径的再加热后送至减径机上减径。从定径或减径机扎出的成晶管，送至链式冷床上冷却，冷却后锯成定尺长度的钢管（有的需要热处理）输送到斜焜式矫直机上矫直，矫直后依次经过超声波探伤，水压机实验，随后进行其他各项精整工序。精整后的成品管经过感应加热炉后进行涂油打捆入库。
钢管MWBPS系统（MEASURE、WEIGHT、BAND、PINSTAMP、STENCIL）包括钢管承重、测长、涂色、打标、喷标，是对成品钢管进行长度、重量的检测、打标、涂色，根据一定的标准把钢管定义为好管或坏管。然后把钢管的有关信息，如炉号、班号、材料、长度、重量、生产厂家等按一定的标准标注在钢管表面。由此可见，MWBPS系统应该安排在钢管生产工艺流程的精整部分。
本设计的测长系统填补了国内钢管生产线的空白，其检测精度和表示果达到了世界同类产品的先进水平，解决了以前依靠国外进口的困境，在很大程度上降低了成本。本设计主要有以下几项工作：
（1）对测长系统进行了总体方案设计，具体包括：各个工位的硬件组成、
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工作原理和具体设计方案，确定了控制系统和软件的功能等。
（2）控制系统设计。对测长系统的控制系统进行了详细设计，主要包括系统电气组成、PLC硬件设计等
（3）PLC程序的设计及调试。根据测长系统的功能要求，针对PLC系统的硬件特点，对PLC程序进行了模块化设计。根据各个工位功能的不同和所需的交流信号，对各个工位PLC程序的流程、控制信号和数据信号、以及PLC与上位机通讯时序进行了详细设计。完成现场调试、解决了现场中出现的问题。
二、国内外发展状况
现在国内有近百家钢管生产厂家，除了几家最大型的钢管公司具有雄厚的资金实力，能从国外引进专业的生产设备，其他企业的生产设备都很落后。有一些供公司自己组织技术力量进行技术攻关也研制出了一些产品，能在一定程度上解决问题，但产品大体上存在以下一些问题：
（1）设备大部分只能完成单一的任务，不能再自动生产线上和其他设备一起工作，使得生产效率低下，不能从根本上解决问题。
（2）产品的稳定性不够。由于这些产品的主要控制部件采用了单片机控制，在钢管生产的恶劣环境中，各种干扰是的控制系统的故障率极高
（3）产品缺乏扩展性。易扩展性已成为现代产品的特征，缺乏扩展性的产品将阻碍自动化的发展
三、钢管自动测长的发展方向
（1）系统强调控制和智能的全分散性，各个设备是具有自治功能的智能体，相互之间高内聚、松耦合。某些局部协调通过PLC自治完成。
（2）系统应该具有高稳定性、高可靠性。在结构设计上满足稳定性和可靠性的要求。
（3）完善的计算机监控功能。生产现场的恶劣环境，不适宜工人在现场长时间的操作，因此要求在上位计算机上能够监控所有现场的运行情况通过时具有故障报警和自诊断功能，这样只要在控制室里就能“看到”现场的一切动作。
（4）系统精度高和工作周期短。测长系统的精度可以达到2mm。
四、本课题的研究内容
（1）理解该设备的工作原理，画出控制系统的工艺流程图
（2）选择控制系统中所用的控制元件
（3）设计控制系统的主控电气控制原理图

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（4）PLC与变频器及编程计算机的通讯设置
（5）编制PLC程序
五、本课题的研究方法
（1）到工厂实地参观控制系统，了解工作原理
（2）到图书馆查阅资料和有关文献
（3）复习相关的理论知识
（4）理论结合实验进行课题研究
六、本课题的研究手段
利用s7-300软件进行程序的设计和硬件的配置及通讯，在实验室进行硬件的连线和仿真，实现工业PLC自动化控制。
七、本课题的研究步骤
（1）了解设备的工作原理；
（2）完成PLC定义点图、接线端子图、电气原理图及通讯系统图；
（3）进行s7-300编程；
（4）硬件连接，利用s7-300软件进行仿真；
（5）观察仿真结果并分析
八、参考文献
[1] 西门子（中国）有限公司SIMATICS7-200用户手册.北京（中国）有限公司， 1997
[2] 王化祥.传感器原理及应用.天津大学出版社，1992
[3] 袁子荣.液压传动与控制.重庆大学出版社，2002
[4] 张群生.液压与气压传动.机械出版社，2001
[5] 张凤山.电气控制及可编程控制器.中国轻工业出版社，1999
[6] 何建平.电气传动.重庆大学出版社，2002
[7] 曹玉平.液压传动与控制.天津大学出版社，2002
[8] 张铮.冲压自动化.电子科技大学出版社，2000
[9] 周恩涛.可编程控制器原理及其在液压系统中的应用，机械工业出版社，2003
[10] 王永华等.现代电气控制及PLC应用技术，北京航空航天出版社，2003
指导教师意见

签字： 年 月 日
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钢管称重、测长设备控制系统设计

-----测长部分

摘要
主要对钢管称重测长设备中的测长部分进行控制系统的设计研究，报告了国内外钢管的发展方向和发展趋势，并对各种方案进行了比较，明确了研究课题的意义以及研究课题的方法和手段。根据系统的设计要求和技术参数要求，确定了测长系统的工作原理和系统的组成，绘制出了系统的工艺流程图。对所用的电气控制设备PLC、变频器以及各种元器件包括断路器和交流接触器等进行了设备选型。对电气控制系统进行了设计，包括对整个控制系统框架、主电路、控制电路等的设计。对系统的各硬件之间进行了通讯配置,简单介绍了MPI网络、PROFIBUS—DP网络和工业以太网三种通讯网络的通讯方式，采用PROFIBUS—DP网络对S7—300PLC、ET200和变频器进行了通讯配置，对S7—300PLC进行了梯形图程序的编写。

关键词：钢管；测长；控制系统；PROFIBUS—DP；PLC

The Design of Control System with the Weighing and Length Measurement

——Length Measurement Part

Abstract
Do the research to the steel tube length measurement equipment of weighing the length measurement and control system mainly. Reported the direction and development trend of domestic and international steel and compared the various schemes , making clear the significance and research method of the issue. According to the design requirements of the system and the technical parameters, identify the principle and the composition of the length measurement control system . The electrical control equipment including PLC, frequency converter and various components including breaker and AC contactor etc. are for equipment selection. Design the electric control system, including the whole control system framework, the main circuit and control circuit design. Make the communication configuration between the hardware of the system. Introduced the communication among the MPI network, PROFIBUS - DP network and industrial Ethernet. Communicate the S7—300PLC、ET200 and the frequency converter with the PROFIBUS - DP network. Write the ladder-diagram program into the S7—300PLC.

Keywords : Steel pipe Length measurement Control system
PROFIBUS—DP PLC

目 录

第一章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2研究目的及意义 1
1.3本课题的研究方法及手段 1
1.3.1本课题的研究方法 1
1.3.2 本课题的研究手段 2
第二章 系统的分析与控制任务 3
2.1设备的主要技术参数及要求 3
2.2系统电气控制要求 4
2.3系统的组成及主要部分的工作原理 4
2.4 设备工艺流程图 5
第三章 测长系统控制元件选择 6
3.1 钢管测长控制系统方案 6
3.2主控制装置的选择 7
3.2.1 PLC的选择 7
3.2.2 PLC机型容量及其模块的选择 8
3.3变频器的选择 9
3.3.1变频调速的原理 9
3.3.2变频器的选择 10
3.3.3步进梁变频器参数的设定 10
3.3.4 测长辊道变频器参数的设定 10
3.4熔断器的选择 11
3.5交流接触器的选择 12
第四章 电气控制系统设计 13
4.1系统框架 13
4.2系统供电线路 13
4.3 主电路接线 13
4.4辅助部分接线 13
4.5 控制电路接线 13
4.6 PLC 输入输出端子表 13
4.7 PLC端子接线图 16
4.8 电磁阀电路 16
第五章 系统的通讯 17
5.1通讯网络简介 17
5.1.1 SIMATIC 产品介绍 17
5.1.2 MPI网络 18
5.1.3工业以太网 19
5.1.4 PROFIBUS网络 19
5.1.5 PROFIBUS—DP网络使用注意事项 20
5.2系统的硬件配置图 21
5.3 PLC与ET200站的通信设置图 22
5.4 PLC与变频器的通信设置图 22
5.5通讯小结 24
第六章 系统的程序设计 25
6.1系统程序的组成部分及作用 25
6.2 控制系统程序设计 25
参考文献 26
附录1控制系统设计图 27
附录2 主程序 44
致谢 67

天津理工大学2011届本科毕业设计说明书

第一章 绪论
1.1 概述
长度是钢管的主要规格指标之一，快速准确的测长系统是实现产品标志的重要环节。不同类型的钢管标志都有其相应的标准。常见的测长方法有：人工测长、CCD测量、超声波测量等，这些方法有一定的局限性。利用对射光电管、编码器PLC、上位机等组成的光电式测长系统、性能稳定，成本低，完全能适应钢管生产自动测长的要求。
国内大多数钢铁企业生产设备落后，主要存在以下一些问题：
1. 设备大都只能完成单一的任务，不能再自动生产线上和其它设备一起工作，使得生产效率依然低下，不能从根本上解决问题。
2. 产品的稳定性不够，由于这些产品的主要控制不见采用了单片机控制，在钢 管生产的恶劣环境中，各种干扰使得系统的故障率极高。、
3. 满足不了企业日益增长的企业管理功能。ERP、PDM实现程度已经成为企业现代化的重要标志。企业的质量管理已经成为现代化制造企业的管理核心。每根钢管都有一系列的数据，这些数据的钢管的整个生命周期里都很重要。旧的自行开发的系统只考虑到在生产中的功能，而忽略了在管理中的功能。
1.2 研究目的及意义
本设计的测长系统填补了国内钢管生产线的空白，其检测精度和表示成果达到了世界同类产品的先进水平，解决了以前依靠国外进口的困境，在很大程度上降低了成本。本设计主要有以下几项工作：
1. 对测长系统进行了总体方案设计，具体包括：各个工位的硬件组成、工作原理和具体设计方案，确定了控制系统和软件的功能等。
2. 控制系统设计。对测长系统的控制系统进行了详细设计，主要包括系统电气组成、PLC硬件设计等
3. PLC程序的设计及调试。根据测长系统的功能要求，针对PLC系统的硬件特点，对PLC程序进行了模块化设计。根据各个工位功能的不同和所需的交流信号，对各个工位PLC程序的流程、控制信号和数据信号、以及PLC与上位机通讯时序进行了详细设计。完成现场调试、解决了现场中出现的问题。
1.3 本课题的研究方法及手段
1.3.1本课题的研究方法
1. 到工厂实地参观控制系统，了解工作原理
2. 到图书馆查阅资料和有关文献
3. 复习相关的理论知识
4. 理论结合实验进行课题研究

1.3.2 本课题的研究手段
利用s7-300软件进行程序的设计和硬件的配置及通讯，在实验室进行硬件的连线和仿真，实现工业PLC自动化控制。

第二章 系统的分析与控制任务
2.1 设备的主要技术参数及要求

68

1. 甲方参数及工厂情况
年平均气温 11.9℃
夏季最高平均气温 29.6℃
冬季最低平均气温 -7.3℃
极端最高气温 39.6℃
极端最低气温 -20.7℃
最热（7月）最高平均气温 26.1℃
最冷（1月）最低平均气温 -4.6℃
年平均降雨量 584.8mm
年最大降雨量 929.9mm
年最小降雨量 194.9mm
一天内最大降雨量 200.1mm
一小时内最大降雨量 62.9mm
年平均风速 3.12m/s
夏季/冬季平均风速 2.8/3.2m/s
年主导风向 北、北西、南西
夏季/冬季主导风向 南、东北、北西
夏季/冬季大气压 1005.1/1027.1hpa
地震强烈 7度
供电 1 AC 10KV±10%
频率49Hz-50.5Hz
2 AC 380V±10%
频率49Hz-50.5Hz
3 AC 480V±10%
频率49Hz-50.5Hz
水质
悬浮物 ≤5mg/L
总硬度 ≤10°
压力 0.3--0.5Mpa
压缩空气
压力 0.4--0.6MPa
含油量 ≤1mg/m^3
固体微粒半径 ≤1um

2. 设备参数

钢管参数：
钢管直径：139.7mm--355.6mm
钢管壁厚：2.5-16mm
钢管单根最重：2000kg
钢管长度范围 ：6m--15.5m
总体设备参数：
电气容量 90KW
设备本体尺寸 19m×4.5m
压缩空气 压力：0.4--0.6Mpa
用量：1m^3/min
接口管径： 1
移钢机参数：
移钢机电机功： 37kw
减速机传动比 63

移钢机制动形式 电液式

测长参数：
测长 道电机功率： 1.1 KW
编码器参数：1200P
侧长范围：6--15.5m
侧长精度： ±2mm
称重参数：符合中国国家商业三级秤标准
200KG---700KG≤±0.4KG 分度值0.2KG
700KG---4000KG≤±3KG 分度值1kg
称重传感器：METTLER TOLEDO CW-3
显示仪表： 8142p

天津理工大学2011届本科毕业设计说明书
2.2 系统电气控制要求
电气控制在硬件上由电气柜、各种元器件和控制核心PLC组成。配电柜、主控柜、喷标挂箱是各种元器件的载体。配电柜给系统各个部分供电，显示各种电源参数，操作台和喷标挂箱通过面板上的按钮对所涉及区域进行控制，并通过面板上的指示灯反应系统状态。系统的协调工作是由PLC通过装载其中的程序来实现的，系统包括设备总体控制和测长、称重、色环、打标、喷标、步进等各个局部控制。PLC通过各个按钮和合理布置的传感器采集信号，判断系统所处状态,
作出正确反应，使所有动作有条不紊的进行。各个工位都是一个局部小系统，PLC可以很好的实现这些工位的配合工作与集成。同时PLC通过功能模块实现高速计数和位置控制功能。此外，PLC还留有PROFIBUS接口，以备生产车间的联网与功能扩展，留有二级网络接口，且接口软件开放。系统里有多个控制器，如喷标控制器和称重仪表，这些控制器和仪表都有外部接口可以通过PLC对其进行控制，也可用RS232或RS485实现控制器与PC之间的通讯，实现整个系统的自动化控制。
2.3 系统组成及主要部分的工作原理
主要包括： 步进装置、 测长装置、 称重装置
1. 移钢机：采用曲柄连杆机构，步进装置带动托料机构，完成钢管的横向移位， 每转一周完成钢管的一次移位， 周而复始实现钢管从上料工位依次经过测长、称重、喷标、保护漆，最后到出料工位。
移钢机的作用是把钢管从一个工位搬到下一个工位，周而复始。现在常用移钢机根据传动方式有多种方式，常用的有链式传动、齿轮传动、曲轴连杆传动和液压传动。从多方面比较，本套选择使用曲轴连杆传动形式，其传动结构较简单、动力性能优良、现场施工维护方便。移钢机由交流异步电动机驱动，实现钢管的上料、移位和出料。电动机是由变频器进行控制的，可以根据现场条件和生产节奏的要求， 控制步进机构的加减速曲线和速度的调节。
2. 测长：测长装置由测长油缸、测长辊道、光电传感器组、测长轮、测长编码器、 测长挡板装置等部分组成。在测长时，测长油缸推动钢管轴向运动，编码器开始计数。结合测长光电传感器计算钢管长度，从而对钢管长度进行测量。
测长装置主要由测长油缸、测长辊道、测长光电管组成。测长工作过程为：钢管到达测长工位后，测长油缸推动钢管沿轴向运动，钢管每经过一对光电管，便清除编码器的当前计数值，当测长油缸到达前位时，系统记录下光电传感器的状态及编码器的计算值，从而计算出钢管的长度。测长工位要求上料必须满足进料金属线± 100mm 的要求。
3. 称重：称重装置由支撑架、箱型梁、称重传感器及显示仪表等组成。称重信号可以经过采集、 转换、 放大传递至计算机进行存储显示。称重装置由称重传感器、二次仪表、信号采集卡等组成。
称重系统由称重箱型梁、称重模块及上支板构成。称重梁下设置4 个称重模块，组成支点，其中 1 块为固定式，1 块半浮动式，另外2 块为浮动式。称重模块型号为 CW-3T。称重模块下部与基础框架板连接，上部与称重梁连接。称重梁上部有 6 个 V 型支架，V 型面上固定有尼龙板，减少冲击，也可防止划伤钢管外壁。称重模块选择梅特勒-托利多公司的 CW 动载称重模块，该类型模块采用自稳定承压头设计，并且配备了可调式水平限位螺栓，可以始终保持正确的加载位置，称量重复性能好，适用于过程称重控制。称重工作过程：钢管到达称重工位后，称重传感器将电信号传送到二次仪表，进行信号放大和信号处理，然后再传到计算机 232 口，由计算机记录钢管重量数据。
4. 工作原理简介：光电传感器结合旋转编码器的形式，在对齐辊道上实现在钢管运动中对其长度的测量。当向右移动的钢管头部遮断0.4m处的光电传感器时，PLC机开始对旋转编码器计数；与此同时，其它33对光电传感器进入中断程序，当向右(东侧)移动的钢管尾部脱开任一个光电传感器，都产生一个中断信号，则PLC机停止对旋转编码器计数；PLC机将中断点光电传感器的位置信号和PLC计数信息送给工控机，工控机计算出钢管的长度。
计算公式： L（钢管长度）= L2（产生最后一个中断信号光电传感器至第一对光电传感器的距离）-L1（旋转编码器的计数长度）

2．4 设备工艺流程图

图 2.1 钢管称重测长流程图
Fig.2.1 Pipe weighting and measuring sequence diagram

第三章 测长系统控制元件选择
3.1 钢管测长控制系统方案
系统以Siemens PLC 为控制核心, 将测长、拨料、自动锯、锯头设备、传感器、控制器、驱动器、管理系统等控制功能全部集成在计算机上, 实现了管理、驱动、信号采集、即时监控、故障诊断等多种功能的综合自动化。控制元器件和执行器件均采用了国际知名企业的产品, 为系统的稳定性和可靠性提供了保证。系统对辊道电机采用变频控制, 将测长、定位的准确性和生产效率很好的结合起来。上位机通过MPI 总线与PLC 通信, 对系统的状态进行实时监控。上位机监控软件稳定可靠, 界面友好, 操作简单
3.2 主控制装置的选择
3.2.1 PLC的选择
可编程序控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。
1. PLC与微机的区别
（1） 应用范围 微机除了用在控制领域外，还大量用于科学计算、数据处理、计算机通信等方便。而PLC主要用于工业控制。
（2） 使用环境 微机对环境要求较高，一般要在干扰小，具有一定的温度和湿度要求的机房内使用。PLC则适用于工业现场环境。
（3） 输入/输出 微机系统的I/O设备与主机之间采用微电联系，一般不需要电气隔离。而PLC一般控制强电设备，需要电气隔离，输入输出均采用光电耦合，输出还采用继电器、可控硅或大功率晶体管进行功率放大。
（4） 程序设计 微机具有丰富的程序设计语言，如汇编语言、FORTRAN语言、COBOL语言、PADCAL语言、C语言等，其语句多，语法关系复杂，要求使用者必须具有一定水平的计算机硬件和软件知识。而PLC提供给用户的编程语句数量少，逻辑简单，易于学习和掌握。
（5） 系统功能 微机系统一般配有较强的系统软件，例如操作系统，能进行设备管理、文件管理、存储器管理等。它还配有许多应用软件，以方便用户。而PLC一般只有简单的监控程序，能完成故障检查、用户程序的输入和修改、用户程序的执行与监视等。
（6） 运算速度和存储容量 微机运行速度快，一般为微妙级，因有大量的系统软件和应用软件，故存储容量大。而PLC因接口的响应速度慢而影响数据处理速度。一般PLC借口响应速度为2ms，巡回检测速度为8ms/K字。PLC的软件少，所编程序也简短，故内存容量小。
（7） 价格 微机是通用机，功能完善，故价格较高。而PLC是专用机，功能较少，其价格是微机的十分之一左右。
从以上几个方面的比较可知，PLC是一种用于自动化控制的专用微机控制系统，结构简单，抗干扰能力强，价格也比一般的微机系统低。
2. PLC与单片机的区别
（1） 单片机不如PLC容易掌握
单片机一般要用机器指令或其助记符编程，这就要求设计人员具有一定的计算机硬件和软件知识，对于只熟悉机电控制的技术人员来说，需要一段时间的学习才能掌握。PLC本身是微机系统，提供给用户使用的是电控人员熟悉的梯形图语言，使用的术语依然是“继电器”一类的术语，大部分指令与继电器触电的串联、并联、串并联、并串联等相应对应，这就使熟悉机电控制的工程人员一目了然。对于使用者来说，不必去关心微机的一些技术问题，而只要用较短的时间去熟悉PLC的指令系统及操作方法，就能应用到工业现场。
（2） 单片机不如PLC使用简单
用单片机实现自动控制，一般要在输入/输出接口上做大量的工作。例如要考虑现场与单片机的连接、接口的扩展、输入/输出信号的处理、接口工作方式等问题，除了要设计控制程序，还要在但片机的外围做很多软件和硬件方面的工作，调试起来也比较麻烦。而PLC的I/O口已经做好，输入接口可以与输入信号直接连线，非常方便。输出接口具有一定的驱动能力，例如继电器输出，其输出触电容量可答220V、2A。且I/O口均有光电耦合环节，抗干扰能力强。
（3） 单片机不如PLC可靠
用单板机做工业控制，突出问题就是抗干扰能力差。而PLC是专门应用于工业场合的自动控制装置，在系统硬件和软件上都采取了抗干扰措施。例如，光电耦合、自诊断、多个CPU并行运行操作、冗余控制技术等。
当今PLC在数据采集、数据处理等方面不如单板机。总之，PLC用于工业控制，稳定可靠，抗干扰能力强，使用方便，但单板机的通用性和适应性较强。
3.2.2 PLC机型、容量及其模块的选择
根据工作原理及与其他控制设备进行比较后，选择用西门子PLC S7—300进行控制。
表3.1 PLC及其模块的选择
Table 3.1 PLC and module choice
名称
订货号
参数
电源
6ES7 307-1KA00-0AA0
负载电源 120 / 230 VAC:24 VDC / 10 A
CPU
6ES7 315-2AF00-0AB0
48 KB 工作内存;0.3 ms/1000 条指令;MPI + DP 连接;多排最多可组态 32 个模块
ET200S
6ES7 151-1AA03-0AB0
ET200S电子模块IM151- 1的接口模块，有直接发送数据的能力
ET200S中的PM
6ES7 138-4CA00-0AA0
用于电子模块的 PM-E 电源模块DC24V，带诊断功能; 同时可作为 SIPLUS 模块
数字量输入
6ES7 131-4BF00-0AA0
数字量输入模块DI 16xDC24V，支持等时模式
ET200S 中的数字量输出
6ES7 132-4BF00-0AA0
数字量输出模块DO 8xDC24V/0.5A，支持等时模式

3.3 变频器的选择
3.3.1 变频器调速原理
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。

图3.1 变频器原理
Fig 3. 1 Inverter principle
3.3.2 变频器选择
由于本设计中变频器带电机且对其进行调速，通讯时采用PROFIBUS—DP通讯，所用PLC为SIEMENS S7—300,所以采用西门子变频器：MicroMaster420
3.3.3 步进梁变频器参数的设定
表3.2 步进梁变频器参数表
Table 3.2 Parameters of walking beam frequency co