弯管机电气控制系统的设计

1、无锡职业技术学院Wu Xi Zhi Ye Ji Shu Xue Yuan 毕 业 设 计 论 文 (基于PLC的SGA747型剑杆织机控制设计) 系 名 称： 专 业： 班 级： 姓 名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2011 年 04 月 基于PLC的SGA747型剑杆织机控制设计 系统设计摘 要The Design of the Pipe Bender Expressure Experiment Machine Control SystemControl System SectionAbstractThe Pipe Bender experiment machine is profes

2、sion heavy duty machinery equipment in the machine manufacture, is one of symbols that weighs a country machine manufacture level and ability. Bending machine as the main distributor of the key components of its design and scientific rationality to the bending machine of the overall performance of t

3、he mentioned. The design and manufacture of our country forging pump press has experienced the process which the study,imitates unceasingly improving.The paper introduces the principle of the Pipe Bender experiment machine, analyses the hardware composition , The operating results are fully approved

4、. PLC in adverse circumstances than the relays, contacts with safe, reliable, durable. To hydrostatic testing machine programming controller programming for example, on a hydraulic, pneumatic, electrical system under the joint control of programmable design methods.Keywords: Pipe Bender experiment m

5、achine, programme-logic Controller, control system目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc233021690 中文摘要 PAGEREF _Toc233021690 h I HYPERLINK l _Toc233021691 Abstract PAGEREF _Toc233021691 h II HYPERLINK l _Toc233021692 1 绪论 PAGEREF _Toc233021692 h 1 HYPERLINK l _Toc233021693 课题背景 PAGEREF _Toc233021693 h

6、 1 HYPERLINK l _Toc233021694 课题研究的意义 PAGEREF _Toc233021694 h 1 HYPERLINK l _Toc233021695 1.3 国内外研究现状及发展方向 PAGEREF _Toc233021695 h 1 HYPERLINK l _Toc233021696 1.4 本文研究的主要内容 PAGEREF _Toc233021696 h 1 HYPERLINK l _Toc233021697 1.5 论文结构 PAGEREF _Toc233021697 h 2 HYPERLINK l _Toc233021698 2 弯管机原理系统结构分析 P

7、AGEREF _Toc233021698 h 3 HYPERLINK l _Toc233021699 弯管机的工作原理 PAGEREF _Toc233021699 h 3 HYPERLINK l _Toc233021700 中频加热弯管机的机械装置 PAGEREF _Toc233021700 h 3 HYPERLINK l _Toc233021701 中频加热弯管机的液压系统 PAGEREF _Toc233021701 h 3 HYPERLINK l _Toc233021702 弯管机中频加热系统 PAGEREF _Toc233021702 h 4 HYPERLINK l _Toc233021

8、704 2.5 PLC控制系统 PAGEREF _Toc233021704 h 5 HYPERLINK l _Toc233021705 2.5.1 PLC控制原理 PAGEREF _Toc233021705 h 5 HYPERLINK l _Toc233021706 弯管机的冷却系统 PAGEREF _Toc233021706 h 8 HYPERLINK l _Toc233021707 弯管机的工艺流程 PAGEREF _Toc233021707 h 8 HYPERLINK l _Toc233021708 3 弯管机控制系统的设计 PAGEREF _Toc233021708 h 9 HYPER

9、LINK l _Toc233021709 设计方案 PAGEREF _Toc233021709 h 9 HYPERLINK l _Toc233021710 硬件电路设计的整体思想 PAGEREF _Toc233021710 h 10 HYPERLINK l _Toc233021711 3.2.1 上位机 PAGEREF _Toc233021711 h 10 HYPERLINK l _Toc233021712 3.2.2 下位机 PAGEREF _Toc233021712 h 10 HYPERLINK l _Toc233021713 3.2.3 人机接口 PAGEREF _Toc23302171

10、3 h 11 HYPERLINK l _Toc233021714 PLC的选择 PAGEREF _Toc233021714 h 11 HYPERLINK l _Toc233021715 PLC的硬件结构 PAGEREF _Toc233021715 h 11 HYPERLINK l _Toc233021716 3. PLC的选择依据 PAGEREF _Toc233021716 h 12 HYPERLINK l _Toc233021717 3.4 可编程控制器 S7-200介绍 PAGEREF _Toc233021717 h 14 HYPERLINK l _Toc233021718 3.4.1 S

11、7-200 系统基本组成 PAGEREF _Toc233021718 h 14 HYPERLINK l _Toc233021719 3.4.2 主机单元CPU的选择 PAGEREF _Toc233021719 h 14 HYPERLINK l _Toc233021720 3.4.3 数字量模块的选择 PAGEREF _Toc233021720 h 15 HYPERLINK l _Toc233021721 3.4.4 模拟量模块的选择 PAGEREF _Toc233021721 h 17 HYPERLINK l _Toc233021722 编码器 PAGEREF _Toc233021722 h

12、18 HYPERLINK l _Toc233021723 激光传感器 PAGEREF _Toc233021723 h 19 HYPERLINK l _Toc233021724 4 弯管机电气控制系统总体设计 PAGEREF _Toc233021724 h 20 HYPERLINK l _Toc233021725 弯管机控制系统组成及功能 PAGEREF _Toc233021725 h 20 HYPERLINK l _Toc233021726 4.2 控制系统设计 PAGEREF _Toc233021726 h 21 HYPERLINK l _Toc233021727 4.2.1 温度测量 PA

13、GEREF _Toc233021727 h 21 HYPERLINK l _Toc233021728 4.2.2 速度测量 PAGEREF _Toc233021728 h 21 HYPERLINK l _Toc233021729 被调量的选择 PAGEREF _Toc233021729 h 22 HYPERLINK l _Toc233021730 中频弯管推弯工艺 PAGEREF _Toc233021730 h 22 HYPERLINK l _Toc233021731 上位机人机交互界面的实现 PAGEREF _Toc233021731 h 23 HYPERLINK l _Toc2330217

14、32 弯管机硬件设计 PAGEREF _Toc233021732 h 23 HYPERLINK l _Toc233021733 上位机和下位机的通讯 PAGEREF _Toc233021733 h 24 HYPERLINK l _Toc233021734 电机的起停控制线路 PAGEREF _Toc233021734 h 25 HYPERLINK l _Toc233021735 CPU输入输出电气控制 PAGEREF _Toc233021735 h 25 HYPERLINK l _Toc233021736 EM223输入输出控制线路 PAGEREF _Toc233021736 h 27 HYP

15、ERLINK l _Toc233021737 EM231的电气控制 PAGEREF _Toc233021737 h 28 HYPERLINK l _Toc233021738 5 结论 PAGEREF _Toc233021738 h 30 HYPERLINK l _Toc233021739 参考文献 PAGEREF _Toc233021739 h 31 HYPERLINK l _Toc233021740 致谢 PAGEREF _Toc233021740 h 32毕业设计（论文）知识产权声明33毕业设计（论文）独创性声明 34附录35 绪论课题背景中频感应加热弯管机,其工作原理是利用中频电源对钢管

16、进行加热，同时将钢管匀速推进，使加热部分的钢管沿预设的轨道行走从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。先将钢管安装就位，通过摇臂回转装置上的丝杠丝母传动装置调整好弯曲半径，采用中频感应加热圈对钢管加热到一定温度后进行弯曲，弯曲时以液压为动力，由小车将钢管向前推进，沿调整好的弯曲半径在加热处发生变形而弯曲，钢管变形后对其喷水冷却，从而获得所需的弯管管件。课题研究的意义西气东输是国家为开发西部进行的战略性工程, 在西气东输中, 需要大量大口径弯管用于管线转弯处, 这些管线的口径在, 厚度在巧以上, 国内管道行业现有的弯管能力最大, 电气控制系统采用继电器控制和专用电路控制相结合, 不能满足工程需要,

17、 为此, 在充分消化吸收原有弯管设备特点的基础上, 采用最新的控制手段设计了适用于大口径、厚壁管线的中频加热弯管机, 采用了控制系统, 用于弯管工艺的自动控制和弯管质量控制。1.3 国内外研究现状及发展方向弯管机的发展与计算机技术的发展息息相关，早在20世纪70年代时，美国 EATONLEONARD公司就已经研制生产了计算机数控弯管设备，首创计算机编程数控弯管之先河，大大提高了当时的数控弯管水平。 20世纪 80年代，日本千代田工业株式会社在美国 EATONLEONARD公司的研究成果上，成功研制了 M-1型管型测量机和 EC、TC两种系列十多种型号的数控弯管机，功能非常强大，很快便以崭新的技

18、术面貌挤入了国际市场。我国的数控弯管机研究起步较晚，但发展很快，早在 1970年武昌造船厂就研制成功一台数控弯管机，这是国内自主研制的第一台数控弯管机。1973年武昌造船厂又成功研制了 SKWG-2型数控弯管机。此后上海造船厂工艺研究所等多家国内企业也陆续研制出了数控弯管机。目前我国弯管加工的现状是既有自动化程度高的数控弯管机，也有半自动的数控弯管机，甚至还有相当一部分中小企业还在使用传统的手工弯管，具有典型的“老、中、青”(即手工弯管设备、半自动弯管机床和全自动弯管机床)三者结合的中国特色。1.4 本文研究的主要内容本课题主要是对弯管机电器控制部分的研究与实现。由于弯管工艺对其加热过程的速度

19、和温度都有较高要求，所以弯管机在对钢管推制过程中的加热温度和推制速度的控制要求相当高。在弯管成形过程中常会因速度和温度控制不当引起管径开裂、管壁厚度不均等缺陷。因此，本课题的主要研究内容是：设计一个怎样的控制器去控制弯管机的温度和速度使其在减少次品率的条件下又快又好的推制出所要求角度的弯管。其次，弯管机电器控制系统以一台Siemens S7-200CPU226为控制核心，输入输出包括三个模拟量输入（电流变送器、电压变送器、激光温度传感器），两个模拟量输出（电压变送器、电液比例溢流阀），约68个数字量I/O点（一个线旋转编码器，若干限位开关、手动开关、继电器和指示灯）以及通过PC-PPI通信的上

20、位机。其他电器包括四台电动机。对他们的系统设计也是本课题的一个研究方向。1.5 论文结构 本文通过五部分对中频加热弯管机电气控制系统设计进行了叙述：1 绪论，介绍了课题背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状和研究内容；2、通过对其原理系统进行分析，选择合适的方案；3、系统方案的确定，对CPU的选择及其他器件的选择做一个简绍；4、 系统硬件设计，说明了系统硬件电路的具体设计方法；5、总结本课题。2 弯管机原理系统结构分析弯管机的工作原理中频加热液压弯管机主要由机械装置、液压系统、中频加热系统、PLC 控制系统、冷却系统等组成。机械装置主要有卡紧装置、小车推进装置、导向轮装置和摇臂回转装置等组成

21、。弯管的工作原理如图2.1 所示。其基本过程是:在将管道安装好之后,利用中频电源通过感应圈对其待弯区域进行加热,当加热到一定温度后,由小车将管道按照一定的速度向前推进,沿调整好的弯曲半径进行弯曲。 1、 管坯 2、 导向轮 3、 中频加热4、 夹头5、摇臂6、 进给小车 图2.1中频加热液压弯管机工作原理示意图中频加热弯管机的机械装置机械装置主要有卡紧装置、小车推进装置、导向轮装置和摇臂回转装置等组成。其工作原理是利用中频电源对钢管进行加热，同时将钢管匀速推进，使加热部分的钢管沿预设的轨道行走从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。先将钢管安装就位，通过摇臂回转装置上的丝杠丝母传动装置调整好弯曲

22、半径，采用中频感应加热圈对钢管加热到一定温度后进行弯曲，弯曲时以液压为动力，由小车将钢管向前推进，沿调整好的弯曲半径在加热处发生变形而弯曲，钢管变形后对其喷水冷却，从而获得所需的弯管管件。2.3中频加热弯管机的液压系统中频加热液压弯管机的液压系统原理图如图2 所示,主要由9 个液压缸和2 个液压马达组成。主夹缸在弯管时始终保证管道通过夹具固定于转臂之上,确保管道按预定的半径进行弯曲;导夹缸起辅助夹管的作用,同时具有导向和支撑的功能;推进缸在弯管进行时,为弯管机提供动力;辅夹缸在弯管时把弯管固定于推进小车之上,防止管道在推进时产生振动;定位夹紧缸将主夹头定位在摇臂导轨上,防止其在工作中因受力而移

23、动;定位液压马达,实现摇臂工作台的移动;复位马达是在弯管结束时,使摇臂复位。在弯管机的液压系统中,弯曲主夹缸、导夹缸、辅夹缸、推进缸以及定位夹紧缸均采用液控单向锁紧阀,减少压力损失,以保证弯管过程中夹紧、弯曲动作可靠。操作人员装好管坯,通过点动按钮控制电磁铁9YA 通电而10YA 断电,从而调整弯管的半径,半径调整好之后,点动另一按钮控制7YA 通电而8YA 断电,定位夹紧。然后按下启动按钮,在可编程控制器(PLC) 的控制下依次自动执行以下的动作:(1) 电磁铁3 YA通电,主夹缸驱动夹头关闭,从而把管子加紧;(2) 电磁铁5YA 通电,辅夹缸驱动夹头关闭,把管子和推进小车固定在一起;(3)

24、 电磁铁11YA 通电,导夹缸驱动压料模把管子压紧;(4) 电磁铁13YA 通电,主驱动缸推动小车,从而由小车带动钢管前进,沿调整好的的弯曲半径进行快速弯曲;(5) 电磁铁15YA 通电,将快速推进改为工进;(6) 弯管结束后,电磁铁12YA 通电而11YA 断电,导向缸退回,使压料模后退;(7) 电磁铁6YA 通电5YA 断电,辅夹头松开退回;(8) 电磁铁4YA 通电3YA 断电,主夹头松开退回。操作人员将弯制好的管件取下之后,按下复位开关令电磁铁16YA 通电而17YA 断电,摇臂反向回转,使弯管机复位,准备下一个弯管开始,从而完成一个工作循环。图2.2 液压系统原理图弯管机中频加热系统

25、由于管材的材质各异, 管径、壁厚、弯曲角度等差异较大,使得中频电源加热温度和弯管推进速度之间的关系都不一样，并且各工艺参数的设定也比较复杂, 而参数设定的合适与否会极大影响弯管的各种机械性能, 所以要根据工况的不同进行参数选择, 并由此控制弯管的质量。 系统工作时, 中频加热系统通过感应线圈给钢管加热到960左右, 卡紧装置在液压系统驱动下使尾卡盘、导辊架和导向卡盘等夹紧管体, 并在驱动马达的强大推力下, 推动钢管以一8mm/s的速度缓慢向前推进。依据中央操作台输入的各种管材加热温度T，高温状态S的参数，经工艺提供的模型计算得出加热温度给定值，由计算机送入PLC， PID调节仪与测温反馈信号（

26、加热测温点的最高值）进行比较，输出到中频感应加热电源柜，来自动控制加热功率，上位机显示中频感应加热的加热功率及加热温度。实现这一控制也可采用手动给定方式，在中央操作台将加热功率给定选择手动位置，调节加热功率给定电位器，手动给定加热功率信号至中频电源柜。完成加热功率的给定。感应加热位置的控制：加热测温点为内外弧两点。测温信号进入PLC与计算机设定内外弧允许温差进行比较，PLC 控制步进电机拖动感应圈轴向移动，以此来控制内外弧温差不大于10。感应圈轴向移动可以采用自动和手动两种方式。感应圈三维移动时均设有限位开关进行保护。2.5 PLC控制系统可编程控制器简称为PLC(Programmable l

27、ogi2cal controller) ,是一种数字运算操作的电子系统,是工业控制专用计算机,是生产过程控制的通用自动控制部件,能完成算术/ 逻辑运算、定时/ 计数控制等操作。2.5.1 PLC控制原理20 世纪中叶,由于市场的需要,工业生产开始从大批量、少品种的方式转变为小批量、多品种的生产方式。这种方式在汽车生产中得到充分的体现,当时汽车组装生产线的控制采用继电器控制系统。这种控制系统体积大,耗电多,特别是改变生产程序很困难。因此,一种新型的控制设备呼之欲出。为了改变这种状况,1968 年美国通用汽车公司提出了十项招标指标公开对外招标,要求用新的电气控制装置取代继电器控制系统,以适应迅速改

28、变生产程序的需要。1969 年, 美国DEC 公司研制出第一台可编程控制器PDP214 ,用在GM公司生产线上,大获成功。PLC 的控制特点可以简单概括为:用软件代替硬件,PLC 内部的软接点代替了继电器的硬接点。它具有编程方便、稳定可靠、控制功能强、使用和维护方便、环境要求低以及性能价格比好等特点。因此,改变生产控制要求时,只要对控制系统的软件进行修改即可,大大缩短了生产周期,提高生产效率。而PLC 的MTBF (平均无故障工作时间) 更是高达(46) 105 h2 。PLC的出现被誉为20 世纪70 年代的一场工业革命3 ,自1969 年问世以来,发展迅猛。现在,与机器人、CAD/ CAM

29、并称为自动化三大技术支柱之一的PLC ,在工业控制各个领域获得了越来越广泛的应用。PLC 控制系统的动作说明手动操作(1) 先按启停按钮,人机界面的“油泵状态”项显示“运行”,表示油泵已经启动。(2) 将“手动/ 自动”选择开关打到手动位置,手动指示灯亮。同时,人机界面的“机器当前状态”项中显示“手动”。(3) 夹具夹紧松开是通过“夹具夹紧、松开”选择开关操作,当打到“夹紧”时,夹具夹紧;当打到“松开”时,夹具松开;当打到中间时,夹具停止动作。(4) 弯管前进后退是通过“弯管前进、后退”选择开关操作,当打到“前进”时,弯管前进;当打到“后退”时,弯管后退;当打到中间时,弯管停止动作。自动操作(

30、1) 首先对人机界面里的参数进行设定,人机界面上的“ESC”键为“退出”;“上箭头”键为“向上移动或增加”;“下箭头”键为“向下移动或减少”;“右箭头”键为“向右移动或向右移位”;“ENTER”键为“确定”;“PageUp”键为“向上翻页”;“PageDn”键为“向下翻页”。(2) 第一步要设定的是“设定弯道数量”,该项是指一个工件弯道数的总和。把光标移到该项后面的数值上,按下“ENTER”键,用“上箭头”键、“下箭头”键改变到所需数值,再按下“ENTER”键。(3) 第二步要设定的是“限位16 对应第几弯”,在所需的角度限位开关后面的数值中写入对应的弯道数。(4) 按下油泵的启停按钮,人机界

31、面的“油泵状态”项显示“运行”,表示油泵已经启动。(5) 将“手动/ 自动”选择开关打到自动位置。按下启动按钮,就会自动完成“夹具夹紧”“弯管前进”“夹具松开”“弯管后退”“停止”,完成一个循环。再按下启动按钮,就开始进入下一循环,如此循环工作。复位方法在自动运行过程中,需要改变参数时,就要对其进行复位,复位的方法就是将“自动/ 手动”选择开关先拨到中间位置复位,再拨回自动即可。表弯管机信息点数统计序号功能描述输入/输出地址分配备注1旋转编码器A相输入2旋转编码器B相输出3电机开输入/输出4电机关输入I0.3 5电机1开输入/输出6电机1关输入I0.5 7电机2开输入/输出I08电机2关输入I

32、0.7 9电机3开输入/输出10电机3关输入I1.1 11快进输入/输出12快退输入/输出13工进1输入/输出14工进2输入/输出15慢退1输入/输出16慢退2输入/输出17气泵开输入/输出18气泵停输入I2.1 19风扇开输入/输出20风扇停输入I2.3 21中频电源水泵开输入/输出22中频电源水泵关输入I2.5 23感应线圈水泵开输入/输出24感应线圈水泵关输入I2.7 25旋臂夹头松输入/输出26旋臂夹头紧输入/输出I3.1 27旋臂夹头销子松输入/输出28旋臂夹头销子紧输入/输出29旋臂半径调节进输入/输出30旋臂半径调节退输入/输出31旋臂移动进输入/输出32旋臂移动退输入/输出33

33、管道抱管轮进输入/输出34管道抱管轮退输入/输出35感应线圈进输入/输出36感应线圈退输入/输出37中频功率手动输入I4.4 38中频功率自动输入I4.5 39中频功率调节 AQW040感应线圈移动速度(显示)AIW041推管速度调节 AQW242感应线圈温度AIW243中频直流电压AIW444中频直流电流AIW6弯管机的冷却系统感应加热后喷淋冷却手动控制时，在中央操作台上，调节喷淋给定电位器，手动给定喷淋水量信号至电动调节阀。完成喷淋水量的给定调节。感应加热喷淋冷却后所测得的内外弧两点温度与计算机设定的冷却温度送入PLC，通过PID 调节仪调节电动调节阀的开口度来调节喷淋水量的大小，从而调节

34、最后的冷却温度，以此达到工艺要求。冷却系统用于中频加热系统中频电源、中频变压器、感应线圈及钢管的冷却。当旋转摇臂达到设定弯曲角度时, 控制系统自动停止弯管作业。弯管机的工艺流程本课题的研究工作主要是根据弯管机的工艺流程对弯管机的控制系统进行分析和数学建模，确定适用于该系统的控制算法，进行硬件的设计和软件的编程，并到现场进行调试，完成理论与实践的结合。图2.3 中频加热感应弯管机的工艺流程由于管材的材质各异, 管径、壁厚、弯曲角度等差异较大,使得中频电源加热温度和弯管推进速度之间的关系都不一样，并且各工艺参数的设定也比较复杂, 而参数设定的合适与否会极大影响弯管的各种机械性能, 所以要根据工况的

35、不同进行参数选择, 并由此控制弯管的质量。其次在对弯管机的系统以及弯管工艺有一个很好的了解的基础上，根据实际情况，完成硬件设备的选型和软件的设计。弯管机控制系统的设计设计方案 电气控制系统选用了以西门子S7-200 PLC和工控机主控设备的计算机监控系统，电气控制系统框图如图所示。 弯管机推进速度测量加热温度测量中频功率测量中频功率和速度调节控制器采集数据记录上位机工艺参数设定 图3.1 控制系统结构图采用西门子S7一200系列PLC作为主控制器进行数据采集和信息处理.S7一200具有PID控制的功能.通过设置和调节PID参数实现速度和温度和功率平衡控制。采用西门子公司的WINCC作为上位机组

36、态软件,完成上位机监控界面的设计，对加热温度和推进速度的数据实施实时监控和存储，并实现历史数据的查询和打印功能。此系统是以可编程控制器(PLC)控制为主的弯管机。这种控制方式是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动化控制装置。可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，采用可编程控制器控制，使系统的控制性能和可靠性大大提高。弯管机是利用是利用中频电源对钢管进行加热，同时将钢管匀速推进，使加热部分的钢管沿预设的轨道行走从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。先将钢管安装就位，通过摇臂回转装置上的丝杠丝母传动装置调整好

37、弯曲半径，采用中频感应加热圈对钢管加热到一定温度后进行弯曲，弯曲时以液压为动力，由小车将钢管向前推进，沿调整好的弯曲半径在加热处发生变形而弯曲，钢管变形后对其喷水冷却，从而获得所需的弯管管件。弯管机采用飞秒光电激光传感器来控制它的温度，采用编码器来控制它的速度，从而保持功率恒定，PLC系统中所用的断路器、接触器、热继电器、转换开关、按钮、指示灯等控制元件均应选用可靠性高、电气寿命长的IEC标准优质产品。、弯管机、电机上的配线,采用包塑金属软管,并配有软管接头，打有管夹,可防止线缆拔脱和线缆的机械损伤。温度传感器选用电流输出形式，温度传感器至控制台数字面板表的信号传输采用屏蔽信号电缆，克服了信号

38、传输过程中的衰减和干扰，保证面板表显示数据的准确性。控制系统选用西门子公司的模板式可编程控制器S7-200系列PLC控制，由一个PLC柜组成。PLC和操作台控制柜之间使用PROFIBUS-DP方式通讯。使用触摸屏进行设备状况监视和模拟量标定，进行各打压参数的设置。应具有手动设置予密封力的功能，满足不同管径对设备平衡的要求。硬件电路设计的整体思想3.2.1 上位机采用西门子公司的WINCC作为上位机组态软件,完成上位机监控界面的设计，对加热温度和推进速度的数据实施实时监控和存储，并实现历史数据的查询和打印功能。它是4U高14槽机架安装工业电脑机箱，专为任务关键应用而设计。此机箱包括一个通用14槽

39、无源底板、带PFC（功率因数补偿）电源的高效300W ATX和易于维护的双冷却风扇。机箱前面板上的系统状态LED指示灯可显示电源、硬盘和系统电压的运行情况。带有两个高CFM风扇的先进冷却系统能够提供充足的气流来冷却系统的主要部件。前端接线的USB和PS2键盘IO接口可以连接各种外部设备，以便进行数据传输、备份和输入。灵活的机械设计支持单PS2电源或冗余电源（通过更换电源托架）。所有这些特点使IPC-610-H成为性价比最佳和总价最优的选择。它的配置内存是1g的，硬盘是120g的，有光驱，键盘+鼠标，它的配置很高能满足上位机软件运行的要求。3.2.2 下位机下位机由PLC担任，它负责对现场传感器

40、检测到的信号传送给上位机进行信号处理，同时它又把上位机的控制指令翻译成执行指令控制现场可执行元件的动作，从而实现系统整体自动协调动作，完成弯管的作业。工控机和PLC之间的通信是通过专用的PC/ PPI电缆来实现的,PLC和触摸屏之间的通讯是通过RS485/422专用电缆来实现的。 PLC实质上是一种专用于工业控制的计算机，其基本硬件结构与一般计算机几乎一样。由于它是对机械或设备或某个系统直接进行控制的装置，所以与一般计算机又有所不同，它使用适宜于控制的专门语言，实时性强，可与各种输入/输出设备直接连接，可在较恶劣的现场环境中工作。 PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器(ROM/RAM)、

41、输入/输出单元(I/O)、电源以及外部设备(如编程器)等几大部分组成。 SIMATIC S7-200系列PLC是模块化设计的，使用的模块有基本模块、扩展模块两类，结构简单、成本低廉、功能强大。基本模块有CPU221, CPU 222,CPU224和CPU 226，本系统选用CPU 226，它主要具有以下特点. 具有一个RS485串行口，支持点对点(PPI)方式、自由方式(Free mode)等多种通讯协议，可以方便地实现同微机、其它PLC、以及打印机之类的外围设备的通信。对该型号PLC的编程，也是通过同一个接口，使用一个RS485到RS232的转换器，由微机来实现的; 使用超级电容保存数据，在

42、断电以后，可以继续保存程序、数据以及维持时钟准确运行达190小时以上; 具有较强的中断能力，包括用于自由方式的发送、接收中断，4个由输入信号上升沿或下降沿触发的输入中断，2个定时器中断; 6个带20kHz时钟的高速计数器，6个30kHz时钟频率的单相计数器，4个20kHz时钟频率的两相计数器:SIMATIC S7-200系列PLC的扩展模块是通用的，用于扩充基本模块的输入、输出点数目。扩展模块不仅适用于所有基本模块的扩充，而且扩充操作十分方便，只需使用接口插销，将扩展模块和基本模块，或者和其它扩展模块连接起来，扩充操作就完成了。如EM235型（4路模拟量输入/1路模拟量输出）模拟量扩展模块。E

43、M223数字量输入输出模块，16DI/16DO，继电器输出。3.2.3 人机接口人机接口包括键盘、鼠标和操作台。利用键盘、鼠标，通过电脑操作画面完成参数传递和实时监控显示以及数据报表的打印等操作。操作台完成外围辅助设备的动作，包括钢管推进、温度调节、速度控制等。PLC的选择PLC的硬件结构 电源中央处理器存储器外部设备接口编程器 其他输入接口输出接口图3.2 PLC的基本结构3.3.2 PLC的选择依据PLC控制系统工作电路可分为3部分，输入部分、内部控制电路和输出部分。输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统的执行部件这两部分与继电器控制电路相同。内部控制电路是通过编程方法实现的控制逻辑，

44、用软件编程代替继电器电路的功能。输入部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着惟一确定的对应关系。当外部的输入元件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈得电。为使输入继电器的线圈得电，即让外部输入元件的接通状态写入与其对应的基本单元中去，输入回路要有电源。输入回路所使用的电源，可以用PLC内部提供的24V直流电源(其带负载能力有限)，也可由PLC外部的独立的交流或直流电源供电。需要强调的是，输入继电器的线圈只能是由来自现场的输入元件处（如控制按钮、行程开关的触点、晶体管的基极-发射极电压

45、、各种检测及保护器件的触点或动作信号等)的驱动，而不能用编程的方式去控制。因此，在梯形图程序中，只能使用输入继电器的触点，不能使用输入继电器的线圈。输出部分是由在PLC内部目与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部驱功电路组成，用来驱动外部负载电路的电源必须由外部电源提供，电源种类及规格可根据负载要求去配备，只要在PLC允许的电压范围内工作即可。PLC的控制规模是以所配置的输入/输出点数来衡量的。PLC的输入/输出点数表明了PLC可从外部接收多少个输入信号和向外部发出多少个输出信号.实际上也就是PLC的输入、输出端子数。根据I/O点数的多少个将PLC分为小型机、中型机和

46、大型机。一般来说，点数多的PLC，功能也相应较强。I/O点数在256以下的称为小型机。因为此控制系统的需求，所以选择小型的西门子的S7-200系列。PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，70年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，

47、程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。程序计数器这样的循环操作。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）(1)机型的选择a) 结构合理:对于工艺过程比较固定,环境条件较好的场合,选用整体式结构PLC ,其他情况则选用模块结构PLC。b) 功能相当:对于开关量控制的工程项目,对其控制速度无须考虑,低档机就能满足要求;对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的工程项目,可选用带A/ D 转换、加减运算、数据传送

48、功能的低档机;对于控制较复杂,控制功能要求更高的工程项目,如要求PID 运算、通信联网等,可选用中档或高档机。高档机主要用于大规模过程控制,全PLC 的分布式控制系统以及整个工厂的自动化。PLC 的功能选择有以下几种情况:1) 代替继电器,完成条件控制和时序控制功能;2) 完成数学运算,应用于设定值控制、流量计算、PID 调节、定位控制和工程量单位换算等;3) 用于寄存器与数据表的相互传送, 如数据库的生成、信息管理、BATCH 控制、诊断和材料处理等;4) 矩阵功能,它是按位操作,用于设备诊断、状态监控、分类和报警处理等;5) 高级功能,如:高级指令通信能力等;6)诊断功能:PLC 有内诊断

49、和外诊断两种,内诊断是PLC 内部各部件性能和功能诊断,外诊断是中央处理机与I/ O 模块信息交换诊断;7) 串行接口是中型以上的PLC 提供的一个或一个以上串行标准接口RS - 232C ,以便连接打印机、CRT、上位机或另一台PLC。c) 机型应统一:因为同一机型的PLC ,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理,其功能及编程方法统一,有利于技术力量的培训及功能的开发;其外部设备通用,资源可共享,配以上位计算机后,可把控制各独立系统的多台PLC 联成一个多级分布式控制系统,相互通信,集中管理。d) 编程方式: PLC 的编程分为离线编程和在线编程两种。中小型PLC 采用离线编程,适用于

50、产品定型的设备和工艺不常变动的设备。大型PLC 多采用在线编程方式,适用于被控设备和工艺常变动的复杂控制(2)输入/ 输出的选择选好机型后,应根据实际情况确定输入/ 输出的点数及形式。a) 确定I/ O 点数:应考虑未来扩充和备用的需要,留10 %20 %的输入/ 输出点数作备用。b) 模拟输入/ 输出接口:它是用来感知传感器产生的信号的。这些接口测量流量,温度和压力的数量值,并用于控制电压或电流输出设备。典型接口量程为- 10 + 10V ,0 + 10V ,420mA 或1050mA。(3)电源的选择PLC 供电电源一般为AC85240V( 也有DC24V) , 适应电源范围较宽, 但为了

51、抗干扰, 应加装电源净化元件, 例如电源滤波器、1: 1 隔离变压器等。PLC 上DC24V 电源的使用:各公司PLC 产品上一般都有DC24V 电源, 但该电源容量小, 仅几十毫安至几百毫安, 用其带负载时要注意容量, 同时做好防短路措施, 因为该电源的过载或短路都将影响PLC 的运行。外部DC24V 电源:若输入回路有DC24V 供电的接近开关、光电开关等, 而PLC 上DC24V 电源容量不够时, 要从外部提供DC24V 电源; 但该电源的“负”端不要与PLC 的DC24V 的“负”端以及“公共”端相连, 否则会影响PLC 的运行。电源的选择电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的

52、额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。综上所示，PLC 应选择S7-200系列，S7-200是整体结构的、就有很高的性能/价格比的小型可编程控制器，根据控制规模的大小（即输入/输出点数的多少），可以选择相应的CPU。下面来介绍可编程控制器S7-200。3.4 可编程控制器 S7-200介绍3.4.1 S7-200 系统基本组成同其他的PLC一样，S7-200的基本组成也是由主机单元加编成器，在需要扩展时，系统组成中还可包括：数字量扩展单元模板、模拟量扩展单元模板、通信设备、人机界面HMI等。西门子S7-200 PLC系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架是由

53、成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。S7-200系列PLC可提供4种不同基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成出基本单元、扩展单元外，还有编程器、存储器、写入器、文本显示器等。图为S7-200 的基本构成计算机PLC主机数字输入模块TP系列触摸屏通讯口及网络设备其他设备模拟输出模块工业软件 数字输出模块模拟输入模块模块n 图3 图3.3 s7-200系统的基本组成3.4.2 主机单元CPU的选择众所周知，CPU是计算机的核心，因

54、此也是PLC的核心。在模板式PLC中，CPU是一个专用模板，一般PLC的CPU模板上还有存放系统程序的ROM或EPROM.存放用户程序或少量数据的RAM，以及译码电路、通信接口和编程器接口等。表为S7-200的技术指标： 表3.1 S7-200的技术指标特性CPU221Cpu222Cpu224Cpu226Cpu226M外形尺寸90*80*6290*80*62120.5*80*62190*80*62190*80*62程序存储区2048字2048字4096字4096字8192字数据存储区1024字1024字2560字2560字5120字掉电保持时间50小时50小时190小时190小时190小时本机

55、I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/14出24入/16出扩展模块数量02777高速计数器单相双相4路30KHZ2路20KHZ4路30KHZ2路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ6路30KHZ4路20KHZ脉冲输出（）2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ模拟电位器11222实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置内置通讯口1RS-4851RS-4851RS-4852RS-4852RS-485浮点数运算有有有有有映像区256(128入/128出)256(128入/128出)256(128入/128出)256(128入/128出)

56、256(128入/128出)布尔指令执行速度指令指令指令指令指令本控制系统要求的CPU为24 输入/16 输出共42个数字量I/O 点。可连接7 个扩展模块，最大扩展至248 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。26K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。2 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。功能最强的单元，

57、可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。通过PLC选择要求以及控制系统的需要，可知此控制系统应选择CPU 226型。根据其还可以确定PLC的技术性能，并且确定PLC的输出为继电器输出.3.4.3 数字量模块的选择S7-200扩展模块为了更好的满足应用要求，S7-200系列为您提供多种类型的扩展模块。你可以利用块完善CPU的功能。表列出了现有的扩展模块表3.2 s7-200的扩展模块扩展模块 型号数字量模块 输入 输出 混合8*DC输入 8*AC输入8*DC输出 8*AC输出 8*继电器输出4*DC输入/4*DC输出 8*DC输入/8*DC输出 16*DC输入/16*继电器输出模拟量模块 输入输出

58、 混合 4输入 4热电偶输入 2热电阻输入2输出4输入/1输出智能模块定位模块 Modem模块 PROFIBUS_DP模块其他模块ASI数字量输入接口电路的作用是把现场的数字( 开关) 量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。数字( 开关) 量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同, 分为直流输入接口单元和交流输入接口单元。数字量( 开关) 输入接口单元中都有滤波电路及耦合隔离电路。滤波电路有抗干扰的作用, 耦合电路有抗干扰及产生标准信号的作用。根据系统控制的要求，应选择EM 223CN作为该系统的数字模块的扩展，现将EM 223 CN 数字量混合输入/输出模块以及EM 223 CN 24

59、V DC 4 输入/4 输出和 EM223 CN 24V DC 4 输入/4 继电器输出如下图所示:图3.4 EM 223 CN 424V DC 输入/424V DC、继电器输出端子连接图数字量输出接口的作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的数字量信号。中间采用光电耦合的作用是抗干扰作用。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管

60、型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。3.4.4 模拟量模块的选择模拟量输入接口的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程序控制器内部处理的信号, 该信号由若干位二进制数字组成。模拟量输入接口接受标准模拟信号, 无论是电压信号还是电流信号均可接收。这里标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压电流信号值, 如4 20mA 的直流电流信号, 110V 的直流电压信号等。工业现