895191621基于PLC的分布式控制系统毕业设计论文.doc

摘 要 介绍了某棒材热连轧主轧线PLC控制系统的基本结构, 可编程控制器（PLC）的发展历程、应用领域、发展前景及各种PLC的特点以及PLC的工作原理。设计中利用PLC控制系统，分布式I/O系统及系统通讯实现了现代工业的自动化。PLC控制系统将采用德国SIEMENS公司S7系列的PLC实现棒材生产线的各种规格产品的轧制速度设定、速度级联调节、微张力控制、活套高度控制、飞剪的切头切尾控制、精轧后水冷输出辊道控制、冷床入辊道控制、上钢装置及步进冷床控制等。同时设计中详细地设计了系统的PLC 的系统配置、应用软件的控制。另外是PLC控制系统采用的是分布式结构，将部分控制功能分散到控制器T400中，即把PLC部分功能分解下放，这样减轻了PLC的负担，提高了系统的速度，增强了系统的稳定性。系统的投人大大提高了生产和管理的自动化水平，减少了故障发生率，提高了劳动生产率，创造了较大的经挤效益。关键字:PLC ，分布式控制系统，棒材热连轧AbstractThe text has recommended the basic structure of some excellent hot roll line, the development course of PLC, application area, development prospect, operation principles and different characteristic to PLC. The design uses the control system of PLC, distributed I/O system and communication system to realize the automation of modern industry. The control system of PLC adopts S7 of series of SIEMENS of Germany to realize the rolling speed establishment of excellent material of different specification products, regulation of one grade of antithetical couplets of speed, tension control, kink height control, fly cut not to cut hair / cut tail control, water-cooling output roller dish control, cold bed enter roller dish control, have steel device and so on.At the same time, the design has designed the control of system disposing , application software of systematic PLC in detail. It is distributed structure that what PLC control system is adopted in addition, and will control the function and disperse in controller T400 partly, namely resolve PLC some functions to transfer, lighten the burden of PLC like this, it has improved the systematic speed and have strengthened systematic stability. The large devotion has improved systematic automatic level of production and management greatly, has reduced the trouble incidence, has raised labour productivity, and has created the greater one through crowding benefits. Keywords: PLC, Distributed control system, excellent hot roll line basic structure目 录摘 要IAbstractII1 绪 言1.1 课题背景1.2 课题研究的目的和意义1.3国内外概况1.3.1 PLC的基本结构1.3.2 PLC的特点1.3.3 PLC的应用领域1.3.4 著名品牌PLC技术资料：1.4课题的主要研究工作2 系统设计方案的研究2.1 PLC基础知识简介2.2 PLC控制系统的控制特点和性能要求2.3 PLC的工作原理2.3.1 扫描技术2.3.2 PLC的I/O响应时间2.4 控制系统的设计方案分析3 PLC 控制系统的设计3.1 控制系统的简介3.2 主要工艺设备及系统配置3.3 PLC系统开发3.4 PLC系统控制的实现3.4.1 软件控制设计3.4.2 硬件设计3.5 系统网络设计及 PLC的选型3.5.1系统网络设计3.5.2 PLC的选型3.6 遇到的问题及处理方法3.6.1 PLC接地问题及处理3.6.2 模拟量处理3.6.3 问题与不足4 总结与展望5 致 谢参考文献1 绪 言本章阐述了PLC 控制系统在现代钢铁工业中的应用的研究背景,现状以及发展方向.明确指出了PLC控制系统在现代钢铁工业中的应用的意义和存在的问题.1.1 课题背景 在现代工业设备以及过程的自动化项目中，会遇到大量的数字开关量和模拟量的控制装置。如电机的停止启动，电磁阀的开闭，产品的计数等物理量的设定与控制等。传统的工业自动控制主要是继电器或是分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽价格便宜，在一些简单的产品中还有一定的市场，但它在控制点数过多或控制精度相当高的现代钢铁工业中就远远的不足。为了克服这些弊端，世界上各国研制出了可编程序控制器取代了继电器控制。其可靠性，抗干扰性等诸因素是继电器无法比拟的 。目前在工业控制上有代表性的有：可编程控制器（PLC），工业控制机和计算机集散控制系统（DCS）等。1.2 课题研究的目的和意义课题研究的意义:（1）给出解决现代钢铁工业控制的问题的方法，使PLC控制系统在钢铁工业中应用成为可能；（2）对某钢铁公司的个案进行分析，探讨PLC控制系统所必要的基础理论；1.3国内外概况1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为编程序控制器（Programmable Controller），简称 PC。国际电工委员会（ IEC）于 1982年11月和 1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计1。我国早在20世纪70年代末和20世纪80年代初开始引进PLC，当时随成套设备，专用设备引进了不少国外PLC。如在宝钢工程中，引进了十几种机型达200多台PLC。到80年代中期，PLC已广泛地应用于钢铁工业各大钢厂。PLC控制技术由于它与传统机械良好的结合功能，在钢铁工业中常常作为独立控制主机或其他控制系统的上位机部分，能够进行生产数据的采集，和实时过程的顺序控制，在钢铁生产各阶段发挥重要的作用。他不尽提高了生产效率，改善产品的质量，而且取得了显著的经济效益和成果。我国各大钢厂近几年应用PLC 控制技术情况见表1.1，表1.22,5：1.3.1 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图1.1所示：,图1.1 PLC的基本结构图1.3.2 PLC的特点1. 容易编程2. 采用模块式结构3. 价格便宜4. 具有数据通讯功能5. 输入输出电源使用市电6. 能在恶劣环境下工作1.3.3 PLC的应用领域PLC在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应 用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、 交通等行业。经验表明， 80 以上的工业控制可以使用PLC来完成。在日本，凡8个以上中间继电器组成的控制系统都已采用PLC来取代。其应用范围不断扩大，大致可归纳为如下几类： 开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控、自动化生产线的控制等。例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线的控制等等。位置控制大多数的PLC制造商，目前都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。这一功能可广泛用于各种机械，如金属切割机床、金属成型机床、装配机械、高精度印刷机械、轮胎帘布裁断机、轮胎成型机、机器人和电梯等的控制。 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I0模块，实现模拟量与数字量之间的AD、DA转换，并对模拟量进行闭环PID(Proportional-Integral-Derivative)控制。现代的大、中型PLC一般都有PID闭环控制模块。这一功能可用PID子程序来实现，也可用专用的智能PID模块实现，而松下FP10的指令系统甚至能提供专门的PID指令。数据处理现代的PLC具有数学运算(包扩矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，也能完成数据的采集、分析和处理，这些数据可通过通信接口传送到其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。 通信联网PLC的通信包括PLC相互之间，PLC与上位计算机，PLC和其它智能设备间的通信。PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化(FA)系统发展的需要。各PLC系统或远程I0模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理信息的分布式网络系统。网络系统正向开放、标准、互连的方向发展3，14。1.3.4 著名品牌PLC技术资料SIEMENS大中型可编程控制器S7-400系列SIEMENS-西门子自动化与驱动集团PLC事业部，SIMATIC S7-400 技术资料外观如图1.2所示:图1.2 S7-400 外观图SIMATIC S7-400的应用领域通用机械、汽车制造、立体仓库、机床与工具、过程控制、控制与装置仪表、纺织机械、包装机械、控制设备制造、专用机械。功能特点：多种级别(功能逐步升级)的CPU，种类齐全的通用功能的模板，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或变得更加复杂时，不必投入很多费用。任何时候只要适当的增加一些模板，便能使系统升级和充分满足您的需要。 SIMATIC S7-400可编程控制器彩用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。一个系统可包括：（1）电源模板(PS): 将SIMATIC S7-400连接到120/230VAC或24DC电源上；（2）中央处理单元(CPU)：有多种CPU可供用户选择，有些带有内置的PROFIBUS-DP接口，用于各种性能可包括多个CPU以加强其性能；（3）数字量输入和输出(DI/DO)和模拟量输入和输出(AI/AO)的信号模板(SM)；（4）通讯处理器(CP)：用于总线连接和点到点连接；（5）功能模板(FM)：专门用于计数、定位、凸轮等控制任务；（6）SIMATIC S7-400还提供以下部件以满足用户的需要；（7）接口模板(IM)，用于连接中央控制单元和扩展单元。 SIMATIC S7-400中央控制器最多能连接21个扩展单元；（8）SIMATIC M7自动化计算机： M7是AT兼容的计算机，用于要求解决高速计算机的技术问题。它既可用作CPU也可用作功能模板(FM 456-4应用模板)。 MITSUBISHI FX2N 系列可编程序控制器MITSUBISHI-三菱电机自动化（上海）有限公司RYODEN AUTOMATION LTD超高速的运算速度(0.08s/step)，50%小型化设计，程序容量:内置8K STEP RAM ，最大可扩充至16K STEP，可使用FX系列模块，可做8台主机连线。如图1.3所示:图1.3 三菱PLC外观图功能特点：（1）FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置；（2）除输入出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC；（3）系统配置既固定又灵活；（4）在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合；（5）可根据电源及输出形式，自由选择；（6）程序容量：内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。 ITSUBISHI FX2NC系列PLC RYODEN AUTOMATION LTD当连接FX2NC系列的紧凑型I/O扩展模块时，可以连接多达256个I/O。而且，通过一个转换适配器可以增加多达4个扩展FX0N/2N特殊功能模块,如图1.4所示:图1.4 FX2NC系列外观图功能特点：（1）灵活性；（2）当连接FX2NC系列的紧凑型I/O扩展模块时，可以连接多达256个I/O；而且，通过一个转换适配器可以增加多达4个扩展FX0N/2N特殊功能模块；（3）定位/模拟量控制使用特殊装备；（4）可以连接多达4个定位/模拟量扩展单元；（5）利用内置能力FX2NC系列能控制两轴（包括插补）或通过增加扩展单元能控制多轴网路和数据通信功能；（6）通过连接扩展板或特殊适配器能实现多种通信和数据链接13,14,20。1.4课题的主要研究工作设计某钢铁公司60万吨棒材生产线的PLC控制系统并对其中个案设计进行详细介绍。在钢铁生产中由于工艺对象（铁，钢，轧）复杂，具有非结构化，不确定，强耦合的特性，因此进行PLC控制系统设计时，应充分考虑各生产环节的参数变化及过程顺序。本控制系统的设计过程主要包括以下几个部分：总体设计：确定控制对象和控制范围，详细分析被控对象控制过程的要求，按照工艺流程列出控制系统的所有功能和指标要求。并根据输入参数数值进行前端智能仪表和传感器的选择，主要考虑输入信号的种类，精度，响应时间等。PLC的选择：根据输入/输出的参数个数，电压，对控制器的反应时间，编程语言等技术指标，选择合适的PLC机型，为软件编制做准备。硬件设计：根据控制系统的流程设计以及选择的传感器，具体分配PLC的I/O端口，并进行地址编号，画出PC端子和现场信号的系统布线图。软件设计，主要布骤如下：（1）分析问题，明确所要解决的要求和目标。（2）确定控制过程时序流程图。（3）确定采用的编程语言或算法子程序。（4）根据流程图和输入输出参数编制PLC逻辑控制程序。（5）总装调试：通过PLC编程器输入程序，按照硬件设计图现场接线并调试23，25。2 系统设计方案的研究2.1 PLC基础知识简介在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。为了了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介。 PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。（1）CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。（2）I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。（）电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）5，7，15。 2.2 PLC控制系统的控制特点和性能要求PLC 控制系统由于内部提供了无穷多的各类软触点，辅助继电器，不存在传统继电器触点的磨损，粘连等问题，因此能够适应钢铁厂恶劣的环境的要求，并具有能耗低，抗干扰强，高可靠性的特点；其平均无故障时间达几万几十万小时以上。PLC 所使用的编程语言是面向现场，面向问题，面向用户的控制语言，能直接而简明地表达被控制对象的输入输出之间的关系及动作方式；PLC对时间控制精度高，其特有的扫描控制方式执行控制任务，提供了快速，确定而且可重复的响应。PLC体积小，安装和现场接线简便，易于扩展，与其他装置联接方便，用PLC进行设备改造的设计，施工，调试周期短，甚至完全不影响正常生产。是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、专家通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。2.3 PLC的工作原理最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。2.3.1 扫描技术当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。图2.1 PLC的扫描过程图输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。（1） 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。比较下二个程序的异同： 程序1： 程序2：这两段程序执行的结果完全一样，但在PLC中执行的过程却不一样。程序1只用一次扫描周期，就可完成对%M4的刷新； 程序2要用四次扫描周期，才能完成对%M4的刷新。这两个例子说明：同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图2.1所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 2.3.2 PLC的I/O响应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间如图2.3、2.4所示：图2.3最短I/O响应时间图2.4 最长I/O响应时间以上是一般的PLC的工作原理4，9，10。2.4 控制系统的设计方案分析我所研究的个案是某钢铁工业60万吨棒材生产线的PLC控制系统。首先我将对棒材生产线的生产工艺做个简单的介绍。此条轧钢生产线分为原料垮，加热垮，主轧垮，成品垮，轧辊间和水处理系统。在整个轧制过程中PLC充当着大脑的作用。它控制着电机的启动和停止，电磁阀的开关，轧件的选型以及成品的打捆等等。从原料垮到成品垮所要实现的动作以及参数的设定都是有PLC来完成的，所以在设计过程中要充分考虑到由PLC构成的控制系统由于设计，安装，干扰等因素出现的问题。棒材热连轧的电气及自动化控制系统的组成一般分为两种方式：一种是以大型PLC为主的集中控制(例如采用GE Faune 90 70系列PLC或Siemens公司s7400系列PLC)，全部的控制功能均集中在PLC上；另外一种是采用分布式结构，将部分控制功能分散到控制器中，即把PLC部分功能分解下放，这样减轻了PLC的负担，提高了系统的速度，下放的功能不同，其系统结构也不相同。本设计所用的系统，特点在于它是将棒材热连轧中的速度级联、微张力及活套高度控制功能从PLC中分离出来，由传动控制器中的专用T400模板完成，这种结构性的变化使得本系统有其独特的优点。3 PLC 控制系统的设计3.1 控制系统的简介本设计中某钢铁公司棒材连轧的电气及自动化控制系统分为基础自动化和过程自动化两部分。基础自动化部分采用Siemens公司的6RA70直流控制器、6SE70交流变频控制器，德国SIEMENS S7-400 PLC组成的控制系统。过程自动化部分由3台P工业控制机组成上位机和人机接口(MMI)系统，其中一台为服务器，两台为工作站。过程自动化部分的工业控制机与基础自动化部分的PLC构成网络系统，系统配置如图3.1所示。该系统实现了各种规格产品的轧制速度设定、速度级联调节、微张力控制、活套高度控制、飞剪的切头切尾控制、精轧后水冷输出辊道控制、冷床入辊道控制、上钢装置及步进冷床控制等。图3.2为60万吨棒材工程工艺流程图。3.2 主要工艺设备及系统配置工艺设备概况如图3.1所示，该机组的主轧制线由19架轧机组成，其中7架( 560mmx 4470mm×3)闭口两辊水平布置轧机组成粗轧机组，6架( 410mm×6)闭口两辊水平布置轧机组成中轧机组，6架( 350 mm×6)立平布置轧机组成精轧机组。粗、中轧机轧制时立平转换靠扭转导卫粗轧机组出口处设1#飞剪(曲柄启停式)，用于头部的剪切及故障处理。中轧机组出口处设2#飞剪(回转启停式)，用于尾部的剪切及故障碎断。精轧机组后水冷辊道出口处设3#飞剪(曲柄回转启停式)，用于成品倍尺的剪切。精轧机组后设有1组水冷辊道倍尺飞剪后设有3组冷床输入辊道，冷却区设有冷床上钢装置1套及步进齿条式冷床1座等其它设备。该机组设计能力年产60万t，主要品种为1250 mm定尺圆钢及螺纹钢，坯料尺寸为150 mm ×150 mm × 9000mm 主要生产的钢种为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金钢等。PLC系统硬件配置该系统所选用的系列SIEMENS S7-400 PLC是一种先进的可编程逻辑控制器。它容易安装和配置，并提供先进的编程环境，便于系统的集成由于采用了当今先进的技术，特别是对于小型至中型机的应用，系列SIEMENS S7-400 PLC提供了较好的性能价格比。该机组PLC系统配置如图3.1所示， 由PLCA、PLC-B、PL0C、操作台及机旁箱等远程IO站组成。其中PLCA用于主轧线的设备控制，PLCB用于冷床及精整的设备控制、PLC-C用于加热炉区及轧机换辊等辅助设备控制。PLC控制系统的软件配置（1）人机界面组态软件因其为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，成为现代工控领域内最受欢迎也不可缺少的人机界面系统。本设计中应用组态王工控软件为系统开发了系统主控界面以及登录界面、三个实时趋势曲线和三个历史趋势曲线界面、一个报警窗口和一个数据报表窗口。在组态王的三个实时趋势曲线中，对现场所采集到的数据实时以曲线的形式在该窗口中分别对三组检测仪表中所显示的数据显示出来，动态可视性教好；而在三个历史趋势曲线中，可以根据用户的需要，分时间段显示各个仪表所检测到的数据的曲线；数据报表中所显示数据的形式仅仅是数字而已，和实时趋势曲线与历史趋势曲线内容一样；报警窗口中可以显示并存档系统操作员的操作动作，同时可以根据用户的设置实时显示各个变量的数据上下限并可以连接到模拟报警设备以声音等的形式提示给用户；PID调节器所采用的算法为增量式，手动调节P、I、D三个参数直至达到最佳控制效果。 单辊轧机是由步进电机驱动的，步进电机的控制系统是由VB编制的一个可执行程序，可供组态王调用。它与组态王的数据交换是由WINDOWS下的标准DDE进行设定。系统安全问题可以归结为两个方面的内容：一是开发系统的安全保障，另外一个则是运行系统的安全运行问题。在开发系统中通过密码保护确保系统不会随便被人删改，同时也涉及到不会被人随便查看以保障知识产权不被侵犯；在运行系统中，有很多按钮是不能让每个人都可以启动和停止的，我们设置了系统安全区和用户访问权限来确保系统的安全运行。（2） 步进电机控制系统根据系统的需要，我将选用成都步进机电公司的57BYG250E-SAFRML-0152型步进电机和其配套的MPC02运动驱动卡。MPC02控制卡是基于PC机PCI总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元，它与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；MPC02卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。利用MPC02的动态链接库（DLL），开发者可以很快开发出Windows平台下的运动控制系统。VB和VC+是目前工控领域内应用最广泛的两种支持动态库连接的开发工具。我使用了最常用的VB开发本设计的步进电机控制系统。（3） 过程控制 PID过程调节本设计在对轧件重量、长度、温度及速度控制和调节过程中，控制信号均有可能受到诸如电压、电流波动和环境因素等的影响，为避免在其被响应前就有大幅度的失真，系统必须采用相应的过程控制手段。本设计中每一个检测与控制过程都是单回路的，采用经典控制理论中的简单PID调节就可满足控制要求。根据组态王软件中支持类C语言的自定义函数，我编写了一个简单的PID算法程序。并在组态王过程浏览器的“命令语言应用程序命令语言”中，定义一个相应的执行算法程序的命令语句。当本系统运行时，PID调节过程自动启动，对相应的控制目标进行调节。 步进电机控制部分 连接好硬件电路后及设备，运行控制程序，可以看到，程序能够按照设计思路正确驱动电机的运转。 数据采集传输部分 首先我们使用一个万用表，利用其检测电阻值的原理（测电阻时，它的两个检测端将输出一个恒定的直流电压信号），让其输出的电压信号模拟现场传感器、变送器等检测元件的输出信号，传送给组态王运行系统。我们调节采集频率，可以看到，万用表的电压信号能根据采样周期成功地通过ADAM5017实时传递到组态王并显示。然后，我们采用同样的道理，在组态王中设定一个“期望”数值，让它输出以调节控制引风机转速的变频器的频率，经ADAM5024，数据送到ADAM5017反馈回组态王的PID调节系统，经过增量式调节运算，使稍稍失真的数据能根据不同的P、I、D三个参数逐渐得到修正，最终达到精确控制的目的。 数据显示处理部分 组态王运行系统中，从下位机检测的数据可以在主界面中以及实时报表中显示，同时，在实时趋势曲线中，数据变化的曲线显示非常灵敏，同样在历史趋势曲线中的走势也是清晰可见，尤其是在历史数据报表中能查询到的过去几十年的数据资料，以数据记录时间、数据所对应的技术指标等信息的形式让读者一目了然。报警窗口也能准确记录系统的每一次操作过程、每一个操作对象和操作人员