毕业设计（论文）基于PLC的冷轧机厚度控制系统设计

1、 编号毕业设计(论文)基于plc的冷轧机厚度控制系统设计design of thickness control system of cold-rolling mill based on plc 院（系）名称电气工程学院 专业名称测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 2010年6月25日摘要板带厚度的控制精度是板带生产的重要质量指标，关系到材料的节约，构件的重量以及强度等产品性能。本文设计的冷带轧机板厚控制系统可实现高精度的板带厚度控制，对板带的生产具有重要意义。冷轧厚度自动控制的基本思想是通过对压下位置、轧制压力、张力的控制来实现对轧件厚度的控制。本系统采用双闭环的控制方式，由厚度闭环构成

2、外环，而内环可以在压力闭环和位置闭环之间进行切换。压力传感器采用msp300压力传感器，测厚传感器采用x射线测厚仪，位移传感器采用直线位移传感器。选择西门子公司的s7_200cpu224作为plc控制器用于处理传感器的测量信号，拓展芯片选用em235模块用于输入各个传感器采集的模拟信号。对于厚度控制系统中由轧机、轧件、轧制工艺等产生的厚度误差，本设计采用轧辊弯曲应力补偿、辊缝补偿、轧制力偏心滤波等方法消除厚差。由于轧辊偏心对板厚的控制影响很大，本文利用偏心补偿的方法实现冷轧钢带厚度的精确控制。本设计采用plc实现冷轧机在钢板轧制过程中的厚度控制，具有编程简单，可靠性高等特点。根据厚度闭环参数的

3、自适应调控原理，本设计可实现厚度的精确控制。关键词：板厚控制；测厚传感器；位置控制系统；轧辊偏心abstractthe thickness control precision of the cold-rolled sheet is an important quality index for the plate production , which relation to the material saving, the weight and the strength properties of product. the cold rolling mill plate thickness co

4、ntrol system designed by this thesis can realize the function of high precision thickness control, it has great significance for the production.through the control of the position, rolling pressure and tension to control the rolled-piece thickness is the basic idea of cold-rolled thickness automatic

5、 control. this system uses double closed loop control mode, the thickness closed-loop is the outer ring , and the inner ring can be switched between the position and the pressure closed-loop. the article uses msp300 pressure sensor for pressure detection, x-ray thickness sensor is used for detecting

6、 the thickness, and the linear displacement sensor is used for detecting displacement. s7_200cpu224 made by siemens company is used as the controller for measuring and processing signal, em235 module is selected for input all analog signals collected from the sensor. for the thickness deviation prod

7、uced by the rolling mill and the rolling process, this design uses methods such as the roll bending stress compensation、the roll gap compensation and the rolling force eccentric filtering to eliminate the deviation. because of the roll eccentricitys influence for controlling the thickness of the col

8、d-rolled sheet. the thesis uses the method of eccentric compensation to control the thickness of the cold-rolled sheet.plc is used to achieve the goal of the thickness control for the cold rolling mill steel in the rolling process in this thesis. it has the characteristics of simple programming and

9、high reliability. according to the adaptive control principle of the thickness closed-loop parameters, the thesis can realize the accurate control of thickness.key words: thickness control; thickness sensor; position control system; roll eccentricit目录第1章 绪论11.1关于冷轧带钢的介绍11.2国内外冷轧板带状况11.3国内外冷带钢轧机发展状况2

10、1.4 选题的意义31.5 本文研究的内容和结构安排3第2章 系统的原理及构成52.1 方案的设计52.1.1测厚仪的选择62.1.2位移传感器的选择72.1.3电液伺服阀的选择72.1.4压力传感器的选择8第3章 硬件电路设计103.1 硬件设计总体构想103.2厚度检测器简介103.3 plc控制器选型123.3.1 plc可编程控制器的特点123.3.2 plc选型及扩展芯片选型介绍133.3.3 上位机与下位机通信的硬件设计143.4 位移传感器简介163.5 电液伺服阀压力控制原理简介173.6工作电源的设计19第4章 bisra_agc和厚度闭环研究214.1 bisra_agc

11、研究214.1.1实际系统bisra_agc模型的实现224.2 厚度闭环agc系统研究234.2.1 调控原理234.2.2厚度闭环参数的自适应调控研究26第5章 产生厚度误差的原因及补偿措施305.1产生厚度误差的原因305.1.1轧机方面对bisra_agc的干扰305.1.2轧件方面的原因325.1.3轧制工艺方面的原因325.2厚差消除原理325.2.1轧机弹性曲线325.2.2轧件塑性曲线335.2.3消除厚差原理345.3 轧辊偏心补偿研究345.3.1 轧辊偏心定义与起因355.3.2 轧辊偏心对轧件厚度和控制系统精度的影响365.3.3 轧辊偏心常用的测量方法365.3.4

12、偏心补偿的基本原理及常用方法37第6章 系统软件设计396.1 plc控制器i/o分配396.2 plc自动控制流程图设计406.3 上位机检测界面设计42第7章 结论45参考文献46致谢48附录49附录53附录56第1章 绪论1.1关于冷轧带钢的介绍钢板和带钢是国民经济各部门中最广泛使用的钢材， 钢板按其厚度可以分为五大类，尺寸范围如下表表1.1所示：表1.1 钢板分类分类厚度（mm）宽度（mm）长度（m）中板厚板特厚板薄板极薄钢带4202060601600.240.0020.26005000600500060050006002800201200240240240对钢板而言最主要的技术指标是

13、：( 1 ) 尺寸精确性：板厚精度和板形是决定板、带钢几何尺寸精度的两个质量指标。随着各行业对板、带材质最要求的提高，板厚和板形控制具有十分重要的意义；( 2 )表面质量：钢板是表面积很大而相对体积很小的钢材，又多用作外围构件，故必须保证表面质量；在钢铁行业中，采用冷轧的方式生产薄板、带钢从1926年就开始了。由于其产品表面质最好、具有强度高、厚度薄、尺寸精度准确、深冲性好、易加工和良好的机械、工艺性能等优点被广泛用于宇航技术、飞机、汽车、化工、造船、建筑、石油、家用电器以及民用小五金等国民经济的方方面面。近几十年来冷轧板、带钢在轧钢生产中的迅速发展，亦为各种新技术的广泛应用提供了一个领域，而

14、生产过程自动化是迅速提高生产产量和获得优质产品的重要途径1。1.2国内外冷轧板带状况我国作为钢铁大国，钢铁产量已经超2.7亿吨，但是总体上来说还远不是钢铁强国。近几十年来，我国宏观经济发生了重大变化，买方市场己经基本形成，内需不足问题日益突出。与此同时，由于自主开发创新能力弱，工业发展缺少新技术的支撑， 高技术含量和高附加值产品的开发滞后，生产能力明显不足。比如，90年代以来，我国高技术产品贸易一直保持逆差，1994年最高达到142.6亿美元。就是在国内生产规模很大的时候，一些产业的主体设备和技术也严重依赖进口。我国作为钢铁生产人国，年产钢己经突破2.7亿吨，且已出现产品严重积压和价格走低现象

15、，但冷轧薄板、冷轧带钢、冷轧硅钢、镀锌板、不锈钢薄板等技术含量高、附加值高的生产用材则严重短缺。由于冷轧板带的消费市场前景厂阔，应用极其广泛，其产量占轧材的比例逐年不断攀升。但与国外相比，差距还趁很大。世界上美、俄、日、等主要产钢国家，冷轧板卷占轧材总产童的比例大都在30 %以上，而我国冷轧板卷占轧材总量比例仅为 4 % ,每年都需要大量进口冷轧板卷，自给率仅达40 % 左右。目前国内需要的高精度带材主要依赖进口的局面与轧制控制技术落后有关。目前美国等发达国家，不仅大力推进薄板坯连铸连轧生产线的建设。生产低成本薄规格的热轧宽带钢，同时还加速建设和改造冷轧宽带钢轧机，扩大冷轧宽带钢和涂镀层板等高

16、附加值产品在钢材生产中的比例。建设冷轧宽带钢轧机模式多样化， 例如美国近年来除新建和改造冷轧宽带钢连轧机组外，还大量在新建的薄板坯连铸连轧生产线后建设现代化的高产量高效率的单机架可逆式轧机，形成“小钢厂”冷轧宽带钢生产模式，节省了中间退火环节降低了成本。从经济角度来看，随着社会发展和科学技术的进步，用户对钢材的质量、品种、性能的要求也越来越高，其指标要求己达到一个相当高的程度。轧材质量的高低已经直接影响到了企业的经济效益。1.3国内外冷带钢轧机发展状况钢的冷轧起始于德国，德国1917年二辊可逆式冷轧机、1932年四辊可逆式冷轧机的率先使用，掀开了现代按常规工艺生产板带材的序幕，此后冷轧带钢的最

17、大有效宽度迅速增大，而且在一定宽度条件下，其最小轧制厚度也不断减小。日本1938年在东洋钢板松下工厂安装了第一台可逆式冷轧机，开始了冷轧薄板生产。1940年在新日铁厂佃厂建立了第一套四机架1420 mm冷连轧机。带钢的连续冷轧的首次记录要追溯到人约1904年，当时，韦斯特利奇伯格钢公司安装并开动了一台四机架二辊连轧机，每个机架单独用速度可凋的直流电机驱动。 而共有机架间张力和张力卷取机的真正的连轧机操作，大约于1915年在匹兹堡的莫里斯贝利 ( morris & bailey )钢公司和苏必利尔 ( superior )钢公司安装的轧机上才得到发展。第一台四机架四辊冷轧机由美国轧机公司于192

18、6年在巴特勒工厂投入生产。70年代后，由于世界性的能源问题，美、日、英、德、俄等钢铁工业发达国家的冷轧板带生产不太景气，因而新建的冷轧机较少。这一阶段这些国家的投资基本上都花在冷轧机的改造上， 改善板带产品的板形，减小板厚，降低能耗，提高轧速，增大卷重， 尽量提高轧机的装备水平，增设必要的控制手段，采用新技术，局部采用新设备、新工艺，从而提高冷轧板带的质量和产量。这一时期，世界上出现了控制板形的多种新型轧机，也同时出现了各生产工序连续化的全连续式冷轧机。由于汽车、家电等行业的迅猛发展，这一趋势稍有改观，不少国家又开始新建或准备新建一些冷轧机2。我国冷轧板带工业起步较晚，直到1906年，鞍钢建立

19、了第一台 1700mm单机可逆式冷轧机，以后又陆续投产了1200mm单机可逆式冷轧机、mkw 1400 mm偏八辊轧机、1500mm 十辊冷轧机和1250mm单机架可逆式 hc冷轧机，70年代武汉钢铁公司投产了我国第一套1700mm五机架冷连轧机、1988年在宝钢建成了2030mm五机架冷连轧机。此后，又陆续新建了宝钢1420mm，攀钢1220mm ，宝钢1550mm工程，以及宝钢三期后工程 1800mm五机架冷轧机。纵观国内现有的冷轧机，除了新建的如宝钢 2030mm、1420mm 、1550mm等几套轧机控制水平较高、技术较先进外，还有一大批技术落后，控制水平低的轧机，为了能够生产出高精度

20、的冷轧带钢，这些轧机迫切需要进行技术改造。1.4 选题的意义板带厚度精度是板带材的两大质量指标之一，板带厚度控制是板带轧制领域的两大关键技术之一。板带厚度精度关系到金属的节约、构建的重量以及强度等使用性能，为了获得高精度的产品质量，系统必须具有高精度的压下调节系统及控制系统的支持。在我国，装备较先进的现代化冷轧机及控制系统基本上都是引进国外设备，我国自行研制的轧机因技术含量不高，生产出的产品竞争力较差。每年需进口大量的高精度板带产品，来满足国民经济的需求。尤其窄带轧机生产现状尚不令人满意，厚度精度尚待提高。要对这些轧机实施改造，许多理论和技术上的问题尚有待进一步深入研究。所以，本文设计的冷带轧

21、机板厚控制系统可实现高精度的板带厚度控制，对板带的生产具有重要意义3。1.5 本文研究的内容和结构安排本系统采用双闭环的控制方式实现冷轧厚度自动控制。采用西门子公司的s7_200cpu224作为plc控制器实现冷轧机在钢板轧制过程中的厚度控制，拓展芯片选用em235模块用于输入各个传感器采集的模拟信号。选择合适的传感器来检测厚度控制所需要的信号。对于厚度控制系统中由轧机、轧件、轧制工艺等产生的厚度误差，本设计中采用轧辊弯曲应力补偿、辊缝补偿、轧制力偏心滤波等方法消除厚差。由于轧辊偏心对板厚的控制影响很大，利用偏心补偿的方法实现冷轧钢带厚度的精确控制。根据所设计的内容，第1章是对本设计的选题背景

22、的描述，也描述了钢板厚度控制系统的发展。第2章是总体方案的设计，包括对各主要传感器的选型的论证等，第3章是硬件设计，包括传感器介绍，电源设计，plc控制器芯片连接设计等，第4章的内容是闭环控制的介绍，第5章的内容是产生厚度误差的原因及补偿措施以及轧辊偏心的补偿方法等，第6章是软件设计部分，包括软件流程图等，第7章是对毕业设计的总结。第2章 系统的原理及构成2.1 方案的设计当前，智能化仪器已渗透到控制系统的各个领域。在一个工业自动化测试系统中，常有多种设计方法来完成控制的要求。但其测试系统使用的场合不同，所要求系统的精度、参数也不同，故而所选择的控制仪器也各不相同。冷轧时厚度自动控制的基本思想

23、就是通过对压下位置轧制压力控制来实现对轧件厚度的控制。本系统采用双闭环的控制方式，由厚度闭环构成外环，而内环可以在压力闭环和位置闭环之间进行切换。由于厚度闭环控制具有效率低的问题，厚度闭环只用作监控。在平时轧制时，采用位置闭环控制，这样有利于控制带材厚度，提高压下率。一般在最后一两个道次时，采用压力闭环控制，有助于提高冷轧带材的板形。整个系统的原理结构图如图2.1所示。下位机plc伺服阀功放模拟接口电 路压力闭环轧机厚度给定位置闭环位移传感器手动给定压力传感器测 厚 仪图2.1 整体框图下位机与上位机之间通过标准串口完成数据的通信。下位机主要实现各种控制及补偿，包括 ： a.读取厚度信号，完成

24、厚度监控 ； b.根据操作台抬辊、压下按钮和四位手柄的状态及时修正辊缝给定值或压力给定值， 完成辊缝闭环或轧制力闭环控制 ； c.通过数据传输，把反映系统运行情况的各量传给上位机， 由上位机进行显示。操作台集中了系统的全部监视功能和控制功能。 台面上设有手动控制和自动控制功能转换开关。手动状态下，各参数设定值由操作人员手动控制来完成；自动控制状态下， 操作人员只要在上位机中输入带材的各原始参数，即可由计算机自动完成各参数的设定。 操作台还设有厚度闭环接入与切除按钮，以方便维修和调试。另外，考虑到操作人员能够快速方便地控制轧制过程，现场在带材入口和出口处各安装一个操作箱，操作箱上的四位手柄与操作

25、台上的四位手柄并联控制。正常运行状态下，上位机、操作台、现场操作箱是操作人员实施控制的界面，操作人员可以根据上位机的监控界面了解轧制状态，根据轧制状态对系统进行微调；下位机则承担了系统的所有控制任务，是整个控制系统最核心的部分。两种内环中，实际输出分别由辊缝测量仪和压力传感器检测，将实际反馈量与给定量相比较，由相应闭环状态的pid调节器进行控制，经功率放大后调节辊缝值和轧制力值保持与给定值相同。 在任何一种内环工作状态过程中都可以通过操作四位手柄，修改给定值(压力或者位置)，对厚度进行微调。给定压力为两侧压力之和。轧制力由压力传感器检测， 输出信号送入轧制力处理电路转换成电压信号。一方面送到a

26、/d采样进行压力闭环控制，另一方面压力处理电路还把电压信号的轧制力送到控制柜的面板和轧机两侧的操作箱上显示， 供现场操作人员随时查看。轧制过程中，操作侧与传动侧的压力和、压力差不能超过允许值，如果超限则系统切入保护程序。压靠时系统处于压力闭环。利用压力闭环控制也可以进行带材的平整或在轧制的最后一两个道次以恒压力轧制来提高带材的板形指标。压力闭环也可用于轧机调试和故障诊断。当闭环状态按钮置于辊缝闭环控制时，系统内环切换到辊缝闭环控制部分。辊缝闭环控制与压力闭环控制原理基本相同。实际辊缝由增量型脉冲编码器测得4。2.1.1测厚仪的选择虽然在厚度控制方面一直有较大的进展，但液压缸位置闭环控制和轧制力

27、闭环控制，都不能消除轧辊磨损、热膨胀对空载辊缝的影响以及位移传感器和压力传感器本身的误差对轧件出口厚度的影响。为了消除这些因素的影响，在轧机的出/入口直接用测厚仪测出厚度偏差，然后反馈调整压下装置，改变空载辊缝，消除厚度偏差。接触式测厚仪虽然结构简单，价格低，操作方便，但测头滚轮磨损、带材振动等因素都会影响测量精度，且容易使带材造成划痕，带材厚度薄（10m/s）时，这种接触式测厚仪就不能使用。目前，冷轧机广泛采用非接触式测厚仪，如a线和射线测厚仪，x射线测厚仪，微波测厚仪。本文涉及的1650mm六辊轧机采用的是北京北科合作仪器厂制造的x射线测厚仪。x 射线测厚仪是一种依靠测量穿过钢板的x 射线

28、强度来确定钢板厚度的非接触式测厚仪。2.1.2位移传感器的选择直线位移传感器采用磁致伸缩的工作原理。传感器的组成包括一根具有集成导体的波导管。磁致伸缩原理基于由传感器内部电路产生的束缚在波导管周围的磁场和外部磁性材料一定位磁块所产生的磁场的相互作用。扭转型应变脉冲以一个高速速度（声速）施加于波导管，从而导体的导磁性能被改变。在波导管的末端，这个波被阻尼以确保不会产生反射。永久磁铁的磁场感应产生一个电流脉冲。这个机械波的传输时间是稳定的。从扭转脉冲的发送到电流脉冲被接受间的时间被非常精确的确定，从而实现对实际位置的检测。被测量值随后被处理器计算并且转换为一个相应的模拟信号输出脉冲输出的类型将定位

29、磁块的运动以脉冲量的形式输出。类似于一个增量编码器的输出方式。但是通过辅助输入功能仍能实现绝对值测量5。本文涉及的1650mm六辊轧机采用的是是德国图尔克lt4500m-q21-lu 0 x3-h1141直线位移传感器，长度为4500mm，电压型输出，输出范围010v。2.1.3电液伺服阀的选择电液伺服阀通常由电机转换器、液压放大器和反馈装置等三部分组成。具体组成情况如图2.2所示。输出流量压 力+-电-机转换器前置放大级功率放大级反馈机构输入信号图2.2 电液伺服阀的基本组成电液伺服阀是电液转换元件，又是功率放大元件，它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出，根据输

30、出的液压信号的不同，电液伺服阀可分为电液流量控制伺服阀和电液压力控制伺服阀两大类，在电液伺服系统中，电液伺服阀将系统的电气部分与液压部分连接起来，实现电液信号的转换与放大以及对液压执行元件的控制，它是电液伺服系统的关键部件，它的性能及正确使用，直接关系到整个系统的控制精度和响应速度，也直接影响到系统工作的可靠性和寿命6。电液伺服阀控制普液流入和流出液压缸的连续可调液压阀门。通过控制阀门的开口度来控制液体的流量，并进而来控制液压缸的油柱高度，来达到最终控制轧机辊缝之目的。本文涉及的1650mm六辊轧机采用的博世力士乐公司的4ws.2em型伺服阀，额定流qn=57l/分，伺服阀额定压降pn =5m

31、pa 。2.1.4压力传感器的选择压力传感器是用来测量电液伺服阀的工作腔的压力。它是根据电阻丝的阻值随其几何尺寸而变化的原理制成的，如下图所示（1为补偿片，2为应变片，3为应变管，4为感压膜片）。压力油的压力作用在下面的垂链形膜片上，膜片变形而推压应变管，在管壁上沿轴线方向上贴有一应变片，沿圆周方向贴有一同阻值的应变片。当受压时，轴向压缩，横向膨胀，因而使轴向上的应变片阻值降低，横向上的阻值增加。压力传感器结构图如图2.3所示：图2.3 压力传感器结构图在agc的控制中，轧制力的精确快速测量是至关重要的，它决定了系统目标中精度，为此，本系统采用直接力测量方式。采用深圳精量电子公司制造的msp3

32、00压力传感器。产品作用及性能如下：用途：轧制力测量安装位置：轧机支承辊下方测量范围：020mn测量精度：1%fs测量方式：应变式电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：r=l/s。 (2-1)式中：金属导体的电阻率（cm2/m）s导体的截面积（cm2）l导体的长度（m）我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压

33、缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况7。2.14 编码器测带钢速度+x0x1com+_dc24vabcom电源s7-200 plc编码器第3章 硬件电路设计3.1 硬件设计总体构想 一个plc应用系统的硬件电路设计包含有两部分的内容：一是系统扩展，即plc内部的功能单元，如rom、ram、i/o、定时/计数器、中断系统等容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、a/d转换器等，要设计合适的接口电路。系

34、统扩展和配置设计应遵循下列原则：1）元件的选择，选择元件的基本原则是选择那些满足性能指标、可靠性高、经济性好的元器件。并要考虑性能参数、通用性、型号和公差等因素。2）尽可能选择典型电路，并符合plc的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。3）系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。4）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用cpu时间。因此选择软件方案时，要

35、考虑这些因素。5）整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配，系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。6）可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。7）plc外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能力，增设线驱动器或减少芯片功耗。3.2厚度检测器简介x射线是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为（200.06）108厘米之间。伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效

36、应，波长越短的x射线能量越大，叫做硬x射线，波长长的x射线能量较低，称为软x射线。当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出x射线，这就是x射线管的结构原理。放出的x射线分为两类：（1）如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一定限度时，只发射连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射；（2）一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射。连续光谱的性质和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱这就是为什么称之为“特征”的原因。x射线的特征是波长非常短，频率很高。因此x射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以x射线光谱是原子中

37、最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。x射线在电场磁场中不偏转。这说明x射线是不带电的粒子流。1906年，实验证明x射线是波长很短的一种电磁波，因此能产生干涉、衍射现象。x射线用来帮助人们进行医学诊断和治疗；用于工业上的非破坏性材料的检查；在基础科学和应用科学领域内，被广泛用于晶体结构分析，及通过x射线光谱和x射线吸收进行化学分析和原子结构的研究。x 射线厚度监控控制：为改善反馈控制和前馈控制的控制精度,可在精轧机出口处设置x射线测厚仪（见厚度传感器），检测带钢的实际厚度与规格值的偏差，并用以对轧机进行监控修正。在反馈控制或前馈控制的基础上适当修改基准值的这种

38、控制方式,称为x射线厚度监控控制8。只有当带钢到达x射线测厚仪时才能测得实际厚度的偏差，因此就相当于在监控回路中引入了一个滞后环节。在监控回路中常采用积分控制来保证系统的稳定工作。 x射线在穿过被测带材时，它的强度按一定规律减弱。接收器的输出脉冲频率能代替接收到的射线强度，可近视地用下式表示： （3-1）式中: f 在引入厚度为h的带材后接收器输出的脉冲频率f0 在未引入此带材时接收器输出脉冲的频率u 被测带材对射线的吸收系数h 被测带材的厚度上式两边同时求导得： （3-2）即 （3-3）于是可变成厚度偏差与频率偏差的关系： （3-4）也就是说，带材厚度偏差h等于脉冲信号的相对偏差除以系数，负

39、号表示厚度很高，则频率偏低9。3.3 plc控制器选型3.3.1 plc可编程控制器的特点plc采用分时操作即扫描的工作方式，由于cpu的运算速度很高，从宏观上而言似乎所有的操作都是及时、迅速地完成的。plc的一个扫描过程包含五个阶段：1.内部处理：检查cpu等内部硬件是否正常，对监视定时器复位，其它内部处理。 2.通信服务：与其它智能装置（编程器、计算机）通信。如：响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。3.输入采样：以扫描方式按顺序采样所有输入端的状态，并存入输入映象寄存器中。（输入寄存器被刷新）。4.程序执行：plc梯形图程序扫描原则：先左后右、先上后下的步序，逐句扫描。并将结果存入

40、相应的寄存器。5.输出刷新：输出状态寄存器中的内容转存到输出锁存器输出，驱动外部负载。plc扫描工作方式的特点：1、特点：集中采样、集中输出、循环扫描1）集中采样：对输入状态的扫描只在输入采样阶段进行。即在程序执行阶段或输出阶段，即使输入端状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，只有到下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入（响应滞后）。2）集中输出：在一个扫描周期内，只有在输出处理阶段才将元件映象寄存器中的状态输出，在其它阶段，输出值一直保存在元件映象寄存器中。2、优点：提高系统的抗干扰能力。集中采样、集中输出的扫描工作方式使plc在工作的大部分时间与外设隔离，从根本上提高了系统的抗干扰

41、能力，增强了系统的可靠性。3、缺点：响应滞后，降低系统的响应速度。输入/输出滞后时间又称为系统响应时间。1）输入模块滞后时间：输入模块rc滤波电路的时间常数，典型值为10ms左右。2）输出模块滞后时间 继电器型输出：10ms左右； 晶闸管型输出：通电滞后时间约1ms，断电滞时的最大滞后时间10ms； 晶体管型输出：1ms以下。3）扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个扫描周期。plc总的响应延迟时间一般为几十ms。但由于plc的扫描速度极快，故对一般工业控制而言，此响应上的滞后完全允许。3.3.2 plc选型及扩展芯片选型介绍图3.1 模拟量输入输出扩展模块em235西门子的simatic s

42、7200系列是西门子公司前几年刚刚投入市场的小型可编程控制器，可以单机运行，也可以进行输入输出和功能模块的拓展。它价格低廉，结构小巧，可靠性高，运行速度快，继承和发挥了它在大中型plc领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比非常高，所以它在各行各业的应用得到迅速的推广，在规模不太大的控制领域是比较理想的控制设备。本设计中采用s7200cpu224，它有14输入10输出，i/o共计24点。可以有7个拓展模块，内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用最多的s7200产品。s7200plc的电源电压有（20.428.8）vdc和（85264）vac

43、两种，主机上还集成了24v直流电源，可以直接用于连接传感器和执行机构。它的输出类型24vdc传感器电源输出+1m 1l+ 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 2m 2l+ 0.5 0.6 0.7 1.0 1.1 1m 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 2m 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 m l+ dcm l+220v交流电源图3.2 西门子s7200 cpu224有晶体管（dc）和继电器（dc/ac）两种输出方式。它可以用普通的输入端子捕捉比cpu扫描周期更快的脉冲信号，实现高速计数。2路最大可达20khz的高频脉冲输出，可以用来驱动步进电机

44、和伺服阀电机实现准确定位的任务。可以用模块上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值，可以实现更改程序运行中的一些参数，如定时器/计数器的设定，过程量的控制参数等。实时时钟可用于对信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。模拟量输入输出扩展模块em235具有4路模拟量输入和1路模拟量输出（占用2路输出地址）。主 机cpu224模块1em 235ai4/ao1图3.3 模块连接方式3.3.3 上位机与下位机通信的硬件设计西门子s7-200 plc强大、廉价的网络通讯功能是其在现在的工业自动化领域得到广泛应用的主要原因。它以用户定义的通信协议为基础，通过使用相关的中断指令和专用的通信

45、指令控制s7-200 cpu通信口的操作模式，实现与多种智能设备的连接。利用plc的通信功能,plc与上位机之间的数据交换。plc采集的数据及plc的状态可传送给上位机,也可以接受上位机的指令进行重新组态,修改控制参数及直接控制现场执行设备。在s7-200系统中，ppi、mpi、profibus-dp协议都可以在rs-485网络上通信。rs-422是s7-200常用的电气通信基础。cpu通信口的最高速率为187.5k波特，保证的通信距离为50m。要获得更长的通信距离，需要增加中继器；在一个总线型网络上最多加9个中继器，但通信距离不能超过9600m。计算机一般只有rs-232c接口。当传输距离较

46、近时，计算机与plc之间的连接用rs-232c接口标准即可，因本系统plc是控制轧机，控制室应与现场有一段距离保证安全，从而不能采用rs-232c直接通信，应使用rs-232c/rs-422变换器转换成rs-422标准，然后再进行通信。连接图如图3.4所示： 上位机的rs-232c 变换器 plc的rs-422图 3.4 plc与上位机通信接口图rs-232、rs-422都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（eia）制订并发布的，rs-232在1962年发布，命名为eia-232-e，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。rs-422由rs-232发展而来，它是为弥补rs-232

47、之不足而提出的。为改进rs-232通信距离短、速率低的缺点，rs-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。rs-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为tia/eia-422-a标准。具体规格如下表3.1：表3.1 rs232/rs422规格规格rs232rs422工作方式单端差分节点数1收1发1发10收传输电缆50英尺400英尺传输速率20kb/s10mb/s输出电压+/-25v-0.25v+6v驱动器负载阻抗()3k7k100摆率(最大值)30v/sn

48、/a接收器输入电压范围+/-15v-10v+10v接收器输入门限+/-3v+/-200mv接收器输入电阻()3k7k4k(最小)驱动器共模电压n/a-3v+3v接收器共模电压n/a-7v+7v组态与s7-200的ppi通信方式ppi(point-to-point)是西门子专为s7-200系列开发的一个通讯协议，为主/从协议，pc机为主站，s7-200为从站。该方式下有两种硬件连接方法，一种是使用ppi电缆将pc机串口和s7-200的通讯口相连，采用串行通讯方式。另一种是pc机通过cp5611通讯卡与s7-200相连。在第一种方式下，使用plc编程软件step 7-micro/win32安装通讯

49、硬件，在“set pg/pc interface”对话框中配置pc/ppi cable,选择interface parameter assignment为ppi，并设置ppi参数默认值,双击通讯框中得刷新图标后建立与s7-200的通信连接。在第二种方式下，将cp5611卡安装在pc机的插槽中，用连接带缆将cp5611卡与s7-200的port口相连，安装step 7-micro/win32和step 7 v5.0 +servicepack5(或step 7 v5.1+servicepack 2)，运行pg/pc-interface parameterisation，将用户界面配置为cp5611

50、 (ppi)方式。这两种方式的上位机组态王的设置基本相同，首先使用“设备配置向导” 定义外部设备，分别选择西门子s7-200系列ppi通信和西门子s7-200系列通讯卡通信，并设定如下通信参数:波特率9600bps,数据位8位，停止位1位，偶校验。在设定plc地址时，两种方式有所不同，前者将plc地址设为默认地址2。后者采用“plc地址.2”地址格式，小数点前的数字为有效地址plc的地址(即站号)，小数点后为数字2，所设定的地址范围为2.2126.2，其中plc的地址可通过编程软件step 7-micro/win设置来实现。在组态王的“数据字典”中定义相关变量，选择变量类型为i/o型，并选择连

51、接设备，指定所访问的寄存器名及寄存器类型。注意，组态王只支持v寄存器，如果要监控q、m寄存器，可以先在plc程序中将q、m寄存器传至v寄存器，组态王通过对v寄存器的操作来实现对q、m寄存器的监控。另外，组态王不支持直接以i/o离散变量的定义，需以字节(byte)形式存取，每一byte类型(8个bit位)对应8个开关量的输入或输出状态，即byte的07位分别对应输入或输出的07开关量通道，如果要显示或控制某一开关量通道的状态，可以使用组态王提供的bit()或bitset()函数进行取位或置位。在制作好的监控画面中，将画面的图素与定义的变量建立“动画连接”，在touchvew中运行，即可建立实时通

52、信，得到一个反映工业现场的监控画面。3.4 位移传感器简介磁致伸缩直线位移传感器是一种通过检测弹性波激励和接收之间的时间差，得出被测点和接收点之间距离的传感器。在该种传感器系统中，由于永久磁铁磁场和激励磁场的叠加作用，在磁致伸缩线中会产生冲击荷载，由此引起的弹性波将向线的两端传播；弹性波的传播使磁致伸缩线局部变形，在逆磁致伸缩效应的作用下，磁畴偏转将导致检测线圈的输出信号发生变化10。当给磁致伸缩线加以脉冲电流ip时，在线的附近便会产生周向磁场；另一方面，在该线附近的永久磁铁会引发轴向磁场。当脉冲电流ip流过磁致伸缩线时，两磁场合成一个瞬间扭转磁场。由于磁致伸缩效应，导致合成磁场处的磁致伸缩线

53、发生瞬间形变，进而产生弹性波，并沿轴向以一定的速度v，向线的两端传播。如图所示，在线的一端设有检测线圈，当弹性波到达检测线圈时，由于机械应力的改变导致线中的磁畴发生变化，因此磁通密度b也随之变化。根据法拉第电磁感应定律，在检测线圈两端便产生感应电动势e，其大小如下式所示。 （3-5）式中e：感应电压；n：检测线圈的匝数；s：检测线圈金属线横截面积；b：磁通密度。设弹性波在磁铁和检测线圈之间的传播时间为t，弹性波的传播速度为v，则永久磁铁到线圈的距离l如下式所示。 （3-6）由传感器内部电路产生的束缚在波导管周围的磁场和外部磁性材料一定位磁块所产生的磁场的相互作用。扭转型应变脉冲以一个高速速度（

54、声速）施加于波导管，从而导体的导磁性能被改变。在波导管的末端，这个波被阻尼以确保不会产生反射。永久磁铁的磁场感应产生一个电流脉冲。这个机械波的传输时间是稳定的。从扭转脉冲的发送到电流脉冲被接受间的时间被非常精确的确定，从而实现对实际位置的检测。3.5 电液伺服阀压力控制原理简介如图3.5所示伺服阀控制原理图，通过伺服阀阀口的油流量( 活塞移动速度)不仅与阀口开口度压力有关，还与阀口压力差有关11： （3-7）式中 ql：控制流量( 负载流量) ； qn：负载额定流量；k：阀系数；p：伺服阀实际压降；pn： 伺服阀额定压降；i：输入电流；in：伺服阀额定电流。3.5 伺服阀控制原理图图3.6为伺服阀放大器的电路图：3.6伺服放大器电路图该伺服阀放大器包括误差比较器，校正放大器，反相及增益控制，功率放大器，颤振信号源，电源。误差比较器为一反相输入的加法器。在加法器的反相输入端同时加有系统指令信号与反馈信号，在它的输入端得到系统指令与实际值的误差信号。为系统调试方便，在本级的指令输入端加有可调电位器，以便与计算机输出地模拟接口相连。校正放大器：为调试方便，在放大器的前向通道加入一级增益为1的备用校正放大器。反相及增益控制：本级的作用在于使伺服阀通过的电流与输入指令的极性相一致，同时在本级的反馈回路上接有伺服放