基于PLC的铸坯火焰自动切割系统的设计

本文通过研究铸坯火焰切割机的系统结构，将PLC控制技术应用于连铸火焰切割机，以解决连铸生产线上铸坯的定尺精度，切割质量等关键技术问题。该系统的特点有：定尺测量系统工作可靠，切割机与铸坯同步运行平稳、可靠、无滞后现象，快速返回原点定位误差小，其应用了可编程控制器为控制单元的新型火焰切割机控制系统。本课题选用的可编程控制器是西门子S7-200，并对软硬件进行了详细设计。其中PLC是火焰切割机的控制单元，通过它采集火焰切割机上各类传感器信号、工作参数、及工作状态等信息来向控制系统发送操作命令。实践证明，本文所设计的基于西门子PLC的铸坯火焰切割系统的软硬件是成功的，结构简单，性能良好，为今后开发类似系统奠定了良好基础。

关键词可编程控制器连铸火焰切割机定尺系统

Title the Cast Slab Flame Cutting System based on Siemens PLC Abstract

The system structure of cast slab flame cutting machine is briefly introduced in this paper, and PLC control technology is applied to solve the scale accuracy on continuous casting production line, besides cutting quality control and other key technologies are analyzed. The features of the system are as follows: reliable measurement system of scale, saving time of billet subsection,steady and unlagged synchronous running between the flame cutting machine and casting blank, the accuracy of rapid return to the grass root and application of the programmable logic controller as control unit for a new type of flame cutting machine control system. Siemens S7-200 is chosen as the programmable logic controller in this paper and makes design of hardware and software. PLC is control unit of flame cutting machine, with which the operator send signals to the control system. In addition, it would also collect the signals of flame cutting machine’s and other types of switches, as well as the work status, etc..The practice has proved that the design of the cast slab flame cutting system based on Siemens PLC software and hardware flame to be a successful, with simple structure, good performance which lay a solid foundation for the future development of a similar system.

Keywords Programmable logic controller Cast slab flame cutting machine Fixed scale system

目录

1 引言 (1)

1.1 设计的目的、意义、以及应达到的技术要求 (1)

1.2 国内外的发展状况及存在的问题 (2)

1.3 设计时应注意的问题 (4)

2 系统分析 (5)

2.1 铸坯火焰自动切割系统总体结构分析 (5)

2.2 电控系统分析 (7)

3 低压电气选择 (8)

3.1 磁阀的选型 (8)

3.2 接触器的选型 (9)

3.3 按钮的选型 (10)

3.4 转换开关的选型 (11)

3.3 接近开关的选型 (11)

4 基于西门子PLC铸坯火焰自动切割系统硬件设计 (13)

4.1 铸坯火焰切割系统PLC选择与设计 (13)

4.2 红外定尺技术简介 (16)

4.3 铸坯火焰自动切割系统PLC I/O接线图设计 (17)

4.4 铸坯火焰自动切割系统电气原理图设计 (17)

5 铸坯火焰自动切割系统软件设计 (19)

5.1 铸坯火焰自动切割系统控制要求 (19)

5.2 所用指令介绍 (19)

5.3 铸坯火焰自动切割系统PLC I/O地址分配 (21)

5.4 铸坯火焰自动切割系统控制流程图设计 (21)

5.5 铸坯火焰自动切割系统PLC控制程序设计 (23)

结束语 (32)

致谢 (33)

参考文献 (34)

附录 (35)

附录1 I/O硬件接线图 (35)

附录2 西门子PLC CPU226 I/O分配表 (36)

1 引言

1.1 设计的目的、意义、以及应达到的技术要求

1.1.1 设计的目的及意义

随着科学技术的发展进步，钢铁连铸生产迅猛增长，国内大部分钢厂已实现全连铸工序。传统的连铸坯切割方法通常都是采用机械剪切法。因使用剪切机进行连铸坯切割一次性设备投资大，使用成本高，设备故障率高给修费用大，而且被切断的铸坯断面易产生变形，所以近年来国内外钢铁企业开始采用火焰切割连铸坯。新型的火焰切割技术不仅可以降低设备投资、减少使用成本，还可以提高铸坯断面质量，有利于二次加工。

上世纪60年代之前，逻辑控制电路都是采用计数器、继电器等部件，也就是实现生产过程的全自动控制的设备大多是以继电器为核心元件的顺序控制器。复杂的系统必须采用数千个不同样式的继电器，同时才用数千根导线按布线逻辑接连起来，完成相应的控制目的，但控制柜价格昂贵、体积巨大。那时这种控制器在生产实际中得到了广泛的应用。因为采用布线逻辑来实现各种控制，需要使用很多的机械触点，一旦某个继电器的任意一个触点接触不良便会影响系统正常的工作。如果系统出现故障，进行排障、检查也相当困难。一台较复杂的控制柜内部接线、安装工作量很大，当工艺规程改变时，控制柜里的全部接线和元件都需要改变，这就会浪费大量的时间、物力和人力。因而这本身原有的缺点很大地限制了其应用范围。随着科学技术的进步和生产力的不断发展，迫切需要取代传统的继电器控制系统，能够使得电气控制系统工作更加安全可靠、更加容易维修、更加能与常常变动的工艺条件相适应。可编程序控制器（PLC）它是一种数字操作运算电子系统，是为了工业应用而专门设计的。其应用了可编程序存储器，以用来在它的内部存储所需要执行逻辑运算、定时、顺序控制、算术和计数运算等等操作的指令，同时通过模拟式和数字式的输入和输出方式，从而控制各种类型设备的工作过程。可编程序控制器和外围的相关设备，都很容易和工业系统集成为一个整体，并且是按容易扩充其功能的设计原则进行设计的[1]。

PLC应用于工业现场，然而工业生产要求非常高的控制设备可靠性，因为需要努力避免控制设备发生故障而造成损失和事故。所以，为了适应运用于工业现场环境中，PLC需具有以下特点：

（1）抗干扰能力较强，可靠性较高。PLC使用了相当多的软件、硬件抗干扰的

措施，提高了它无故障工作的平均时间。硬件措施：对CPU、电源等部件进行屏蔽，对输入线路和供电系统采用各种形式的滤波，以此来防止外界对其的干扰。在I/O电路和CPU中间使用光电隔离方法，来减少误动作及故障。软件措施:故障检测系统定时检测外界环境（强干扰、欠电压和掉电等），如果发生故障立刻将状态数据存入存储器，等故障消除后恢复其原来的工作状态。

（2）控制程序可变，具有较好的柔性。在生产线设备更新或者生产工艺流程变化的状况下，不需要改变PLC的硬件设备，仅仅需要改变程序便可以满足要求。

（3）扩充方便，体积小，功能完备，组合灵活。根据以上PLC的这些特点，开始时使用PLC取代之前的继电器控制线路，这样不但提高了产品的档次，缩短了研制周期，同时也给调试和维修带来了方便[2]。

1.1.2 设计应达到的技术要求

连祷方坯火焰切割机是炼钢行业方坯连铸生产线中的配套设备，用它能够将连续的热铸坯切割为一定尺寸的坯段。因为连铸火焰切割机要求在高温下能长时间不停地运行，因而要求其具有良好的可维护性和很高的可靠性。故本次设计中，在消化引进设备和归纳总结国内同类产品的基础上，结合一些生产数控切割机的经验，针对连铸方坯切割的特点设计连铸方坯火焰切割机，并实现了如下整体技术指标：（1）先进的工艺：切割中火焰集中，切割速度快；切割断面光洁，上缘不塌边，下缘挂渣少，成材率高；可实现自动化，切割与连铸拉速相匹配，无滞后现象。

（2）快速返回原点定位误差较小，返回速度较快。

（3）运动平稳、切割速度保持不变。

（4）定尺测量系统工作可靠，综合定尺精度较高。

（5）节省钢材，割缝宽度较小，割缝平齐无塌边现象。

（6）性能安全，切割中自动断火与点火，不回火、不爆鸣。

（7）不影响生产，切割中可随时轻松更换割枪，割嘴，确保生产正常进行。1.2 国内外的发展状况及存在的问题

我国的切割技术长期落后与其他国家，然而近些年来有了快速发展。相关企业包括生产切割器械的企业在内，已经研制以及开发了多种半、全自动切割器械。国外的很多著名切割机制造企业，如美国捷锐、德国伊萨、日本田中和梅塞尔等公司，也在中国投资建厂。各企业大量运用各种半、自动切割机进行多种直线、曲线和成形切割，

收到了较好的效果，将切割技术推向了崭新的阶段[3]。

切割机可分为火焰切割机、激光切割机、等离子切割机、石材切割机、水切割机、相贯线切割机、数控切割机、海绵切割机等。这其中激光切割机的切割质量最好、效率快。等离子切割机切割的速度也非常快，但切割效果不如激光切割机。火焰切割机主要运用于厚度比较大的碳钢材质的切割。相贯线切割机运用于切割钢管。比较切割机成本：激光切割机的价格最高，同时效率和精度也是最高的一种高科技含量的切割设备，水刀切割机相比稍差，火焰切割机以及等离子切割机相对更差些，但它们成本也是相对较低的。金属切割机前景：对与切割机目前来看等离子切割机和数控火焰切割机占有着较大部分的用户，但就发展趋势来说激光切割、水切割很可能会取代前者，成为主要使用的切割机，因为其不仅切割速度快、环保，切割质量也好！然而气体火焰切割却是最早、最普遍采用的切割方法。最近几年，在以乙炔为基础燃气中，已经开发出天然气、煤气、丙烷气、液化石油气以及各种新型燃气，同时依据每种气体的各自特性研制出了专门的切割机，为多样化的开发燃气能源提供了宽阔的前景。火焰切割常常应用与钢板的粗加工，它的金属切割厚度从1mm~1m，然而当在切割低碳钢钢板的厚度小于20mm时，需要运用别的切割方法。利用氧化铁燃烧过程中产生的高温来切割碳钢是火焰切割的原理，设计火焰割炬能够为燃烧氧化铁供应充足的氧气，来保证得到很好的切割效果。

火焰切割设备的价格便宜同时也是切割厚金属板料最便宜有效的方式，然而在切割薄板方面有缺陷。之前火焰切割自动控制系统都是采用信号传感器进行控制，具有理论上简单可行的系统原理，却因为切割环境的温度太高，导致在此系统中起重要作用的信号传感器故障率非常高，定尺精度较低，直接影响了切割系统的正常工作。系统的主要缺点：故障很容易发生在信号传感器的高温区，操作维护很不方便；电缆故障率很高，设备维护困难；操作时工人劳动强度很大。另外因为火焰切割的热影响区面积很大,热变形较大，为了保证切割能够精确有效，操作人员就需要拥有很高的技术才可以在切割过程中第一时间避免金属板的热变形。以前钢坯切割燃气消耗多、切割断面粗糙、切割割缝大、氧气压力高、噪音大、工厂粉尘多、割炬损坏多、工人劳动强度大、环境污染严重等弊端。因而，为减轻工人的劳动强度，减少机具的损坏，提高系统的可靠性，便需要对此系统进行相应的改造[4]。

1.3 设计时应注意的问题

铸坯火焰切割系统主要由介质控制、电气控制、定尺系统、PLC控制单元等构成。在切割时，通过定尺装置发送的信号来控制夹紧气缸的运动，使的夹钳夹紧铸坯，同时使得切割小车和铸坯一起运行，固定在切割臂上的切割枪沿着铸坯垂直方向进行既定长度的自动切割，一次切割完成后由液压缸将切割小车顶回初始位置，准备进行下次切割。根据火焰切割的工艺流程在设计时应该注意以下问题：

（1）确保全部铸坯火焰自动切割系统可以反应灵敏，稳定工作。

（2）此铸坯火焰自动切割系统需要设置手动和自动两种操作方式，当自动方式出现故障时，可以通过手动操作来完成未完成的工作。

（3）定尺系统是否工作可靠，能否准确定位。

（4）割炬电机和其辊道电机需要进行过载保护，避免烧坏电机。

（5）铸坯火焰自动切割系统安装运行了一段时间以后，应当控制避免出现不能剪切或者切不断的现象，设法降低人工操作的工作强度。

（6）设计中更应该注重其性能是否安全。

2 系统设计

2.1 铸坯火焰自动切割系统总体结构设计

2.1.1 铸坯火焰切割系统控制方案的选择

在上世纪80年代后期，很多火焰切割机是使用继电器控制线路来完成工艺流程的监控管理。控制设备系统占地大，通常两把火焰割炬的控制箱内有接近50个继电器，因此带来接线复杂，调试和维修困难，故障率很高，假如增加或变换程序，从研发、调试到上流水线操作，工作量很大，耗时也长。所以，之后相关专家就开始研用PLC代替之前的继电器控制线路，这不仅缩短了产品研发周期，而且优化了产品的性能，给调试和维修工作带来了便捷。与继电器控制线路有写相似之处，PLC同样由输入、输出和逻辑部分组成，通过使用选择开关、外部按钮等将控制信息传达到PLC 中，通过逻辑运算，输出相应的控制命令来完成对电磁阀、指示灯和电机等部件的控制。我此次所设计的切割机是由一台主机和一组扩展模块组成的，它的输入/输出接口在50点上下。因为小型PLC价格便宜，编程简单，调试也很方便，最后的设计达到了比较好的效果。它的工作主要是通过接收选择开关、外部按钮、传感器信号以及其它辅助功能信号的输入，经过相应的逻辑运算，达到对外部执行部件的操作和控制要求。PLC程序使用的是模块化设计，因此，根据所设置的工作对象的差别，将各个小程序分成小的模块，故任何一小程序是能够进行独自的调试，在调试结束确认无错误后，就可以将程序连接起来，按照工艺流程的要求来控制[5，6]。

2.1.2 系统总体目标

本次设计的切割机是钢铁领域铸坯连铸切割系统的一部分，其主要任务是将刚铸造出来的铸坯按照规定要求切割精度完成切割。但此连铸火焰切割机要在高温的环境作不停地切割，故要求它要有很高的工作稳定可靠性。此次完成设计的总体任务为：（1）铸坯和切割机同步运行，平稳，可靠，无滞后现象。

（2）在自动状态下，火焰切割设备能够按定尺标准自动完成对铸坯的切割。在手动状态下，完成对非定尺铸坯等复杂铸坯的切割。

（3）系统运行稳定可靠，提高测长准确度，稳定性，提高成材率，并且具有控制功能强，操作方式灵活多样的优点。

2.1.3 铸坯火焰自动切割系统的结构与组成

该设计选用火焰切割机，在引进产品的基础上，结合新的工艺要求设计研制的新

一代基于计算机技术，集PLC和自动控制原理为一体的机电一体化产品。主要结构及工作原理如图2.1所示：

图2.1 火焰切割系统结构示意图

（1）车架：以液压为动力可横向移动式结构，是切割机的主要承载结构件。

（2）割枪小车：由小车架，割枪小车传动装置，平行辊道，割枪夹持器等组成。

（3）切割机配管系统：包括车间氧气，乙炔燃气和冷却水管道供应的上述介质经切割机大拖链上软管引入切割机。

（4）切割割炬的行程控制装置：割炬小车原位及割炬切割跟踪。在切割小车传动装置的电机输出轴上装有一个光电编码器，用来对割炬小车的行程跟踪计数，在小车的行程的极限位装有两个接近开关来确定小车的原位和前进限位。

（5）切割机传动控制：割炬小车传动装置由液压缸带动回原位。

（6）能源介质控制箱及火焰调节：对切割机上除水以外的能源介质的压力，开闭等进行控制。氧气，燃气等介质由拖链上的软管送入能源介质控制箱，经过滤，分路，减压至设定压力值后，通过电磁阀控制输送至各使用点[7]。中大型火焰切割机如图2.2所示：

图2.2 中大型火焰切割机

2.1.4 工艺流程与工艺要求

工艺流程：当铸坯火焰自动切割系统获得定尺信号时，夹紧缸的电磁阀得电，夹紧缸开始动作，夹紧缸夹紧铸坯，割炬小车在铸坯的带动下和铸坯一块运动。继夹紧缸得电后，延时2S，控制乙炔的电磁阀得电，即乙炔管道打开，再延时2S后，控制

预热氧的电磁阀得电，氧气枪点火开始对铸坯进行预热，再延时4S后，切割氧电磁阀得电，与此同时控制割炬电机继电器得电，割炬电机开始正转，火焰开始切割铸坯。当切割完信号发出时，割炬电机停止转动，控制切割氧电磁阀失电，延时2S后，预热氧电磁阀失电，再延时2S后，预热乙炔电磁阀失电，火焰熄灭。再延时4S夹紧缸电磁阀失电，夹紧缸松开铸坯。铸坯继续运动，然后返回缸电磁阀与割炬电机反转继电器同时得电，割炬小车在液压缸的带动下，小车返回，在触到小车原位的限位开关时，返回缸电磁阀失电，小车回到原位，停止运动。当割炬电机回到割炬原位时，控制割炬电机继电器失电，电机停止运动。当切割完毕信号发出时，1、2、3辊道电机开始正转，切断的那段铸坯继续向后传输，当经过30S后，1、2辊道电机停止转动，再经过4S后3辊道电机停止转动。以上部分便是火焰自动切割整个过程。

针对这工艺流程的特点，我们主要研究并设计了控制系统的以下内容：（1）火焰切割机的切割工艺在方形铸坯钢上的应用，一方面是方形钢外形路线控制问题，另一方面包括钢坯的外形尺寸、钢坯随温度的变化而发生的不同程度膨胀尺寸在程序中的实际设计。

（2）利用西门子S7-200软件的程序模块，不仅完成了切割和保护等功能，同时又更好的解决了时序控制的问题。

（3）在操作台外部电气部件的电路设计和现场布置中，应尽量考虑现场环境因素，从操作的合理性、功能的完善以及在出现故障的情况的操作都作了相应的设计[8]。

2.2 电气控制系统的设计

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩

3.3 按钮的选型

该铸坯火焰切割系统中，包含一些手动操作与自动操作，必然需要一些按钮，以实现各电器功能。如系统的启动与停止，电磁阀的开启与关闭，接触器的接通与断开等。通过选择不同规格的按钮，包括不同的形状，如方形，矩形，圆形；包括不同种

颜色，如绿色，红色等。

按钮是一种简单的电器元件，不直接控制主电路，而在控制主电路时发出手动

控制信号，其结构原理如图3.3所示：由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳组成。

图3.3 按钮的结构原理图及符号

规格: 产品前框形状有圆形（Φ18mm）、方形（18mm×18mm）、矩形（18mm×24mm）三种规格，包含信号灯、按钮，其常规安装孔径为Φ16mm。

性能：具有性能稳定、接触电阻小、绝缘性强、耐振动耐冲击等特点；符合IEC60947-5-1、GB14048.5等标准。所用按钮如图3.4，3.5所示，其展示及说明如下：

图3.4 用于开启的按钮图3.5 用于停止的按钮图3.4为用于所有开启的按钮，如自动、手动、夹紧、返回切割车、开预热乙炔、开预热氧、开切割炬等。

图3.5按钮是用于所有停止的按钮，如松开按钮、停切割车、关预热乙炔、关预热氧、关切割炬等。

3.4 转换开关的选型

该火焰自动切割系统既可以实现自动运行也可以手动操作，如何在手动与自动之间进行选择，需要选用转换开关。本设计中采用斯达森SAT18L系列普通型双电源自动转换开关，它是一种用于双路低压供电的自动转换开关, 该产品集成了手动转换开关、微型电机、精密传动机构以及电子控制器, 可以电动或手动（带负荷）切换, 能够完成自动检测、投入、恢复、启停备用发电机等功能。

斯达森SAT18L系列普通型智能转换开关系列具有如下功能特点：

（1）具有三个开关位置：供电I、关断0、供电II，可靠的机械“0”位置, 确保供电安全。

（2）内置控制器, 可以实现自动投入、自动恢复功能。

（3）可以采用斯达森STC 18A系列双电源转换控制器来控制，实现自动检测、投入、恢复、启停备用发电机、远程测控等功能。

（4）开关系统自身用电，取自被控的二路供电，只要任意一路有电开关就正常工作。

3.5 接近开关的选型

该铸坯火焰切割系统中，割炬电机切割完毕，割炬电机回原位及切割小车回原位都需要对其进行限位，防止其超出行程而发生事故。故需要在这些极限位置设置接近开关，以保障正常运行。

一般的接近开关的工作原理：当某物和接近开关接近并达到限定的距离时，此接近开关会发出控制信号，接近开关相当于一个报警的提示开关，确保整个操作工作稳定安全。

就电感式接近开关工作原理来说，其接近开关大致可由三个组成部件，他们是开关电路、振荡器，还有一个放大输出电路。振荡器的作用是产生一个交变磁场，当目标金属接近磁场附近并达到相应感应的距离后，就会在金属目标物附近产生涡流，致使振荡信号衰减，直到振荡信号停振。当振荡器振荡和停振的相应经过后级放大电路调制解调处理，由此转换成开关信号后，触发相应的驱动控制，从而达到了对非接触物的检测。

根据本设计的具体要求，所选接近开关型号为DC3线NPN常闭输出BB-M803N-V21P2。其相关技术参数为：外径尺寸8mm，放大器内藏型，直流三线，检测距离是普通产品检测距离的3倍，齐平式安装检测距离3mm，非齐平式安装检测距离6mm，出线式连接[11,12]。

4 基于西门子PLC铸坯火焰自动切割系统硬件设计

4.1 铸坯火焰切割系统PLC选择与设计

4.1.1 PLC的基本结构

PLC主要是由中央处理单元、输入、输出接口以及通信接口等主要单元组成，其中中央处理器是PLC的大脑，I/O部件是用于连接CPU与现场外设之间的接口电路，而通信接口则是用来连接与上位机和编程器的。通常情况下，对于整体式PLC，所有部件都统一安置在机壳内；而对于模块式PLC而言，各功能部件是独立密封装配的，这样的被叫做模块，各个模块又通过总线连接，安装在导轨或者机架上[13,14]。

（1）中央处理单元

CPU通过输入设备读入外设当前所处的状态，经过用户程序去执行，执行完之后再通过输出装置输出控制信号完成对外设的控制。

（2）输入/输出接口

输入/输出单元统一叫做I/O接口。PLC通过I/O接口能够查出被控制的对象及其

生产过程当中的各种实时参数，通过这些参数来作为PLC对被控制对象进行各种操作命令的信息依据。同时PLC又通过I/O接口将处理的结果送给被控设备或工业生产过程，以实现控制。

（3）存储器

存储器主要的任务顾名思义就是存放系统程序、用户程序以及操作中需要保存的一些重要信息。存储器一般可以分为动态PROM，EPROM，EEPROM以及静态RAM。

（4）编程装置和编程软件

PLC是以顺序执行存储器中的程序来完成其控制功能的。

（5）电源部件。

4.1.2 PLC工作原理

PLC的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。CPU以分时操作方式来处理各项任务，计算机在每一总线周期内只能做一件事情，所以程序的执行是按照程序顺序依次来完成相应各电器的动作，就好像为时间上的顺序执行一样。通常来说，PLC的工作方式的特点就是一个不断实现内容上的循环的顺序扫描工作方式，一次扫描所用的时间被称之为扫描周期。CPU从程序的首条指令开始，便顺序逐一地执行用户程序指令直至程序结束，最后返回首条指令再次重复上一轮的扫描工作。

PLC工作的整个过程大致分为三个过程：第一个过程为上电处理。机器完成上电后首先对系统进行一次初始化操作，初始化的操作可分为硬件的初始化，I/O模块配置的核查，停电保持范围的设定等等。第二个过程就是扫描过程了。在扫描工作过程中，首先完成的时输入处理，接着需要完成的就是与其它外部接口部件的通信处理，然后就得进行时钟和特殊寄存器的刷新。若CPU处在STOP模式下，转而执行自诊断审查的操作工作；若CPU处在RUN模式下，需先处理好用户程序的执行和输出操作，然后去执行自诊断审查。最后一个工作过程就是出错处理。PLC每次的扫描工作，程序都需要执行一次自诊断审查工作，从而验证PLC当前的工作是否正常。如果发展异常情况，异常继电器和CPU面板上的小灯自动接通，从而在特殊寄存器中会显示出出错代码。在出现致命错误的情况下，CPU被迫改成STOP模式，此时所有的有的扫描工作就停止了[15]。

PLC具体工作过程分为三个阶段：输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。

4.1.3 PLC的选型

随着PLC系统的发展与改进，PLC产品的品种越来越多，功能也越来越强大。如今，我国从美国、德国、日本等发达国家引进的PLC一系列产的品及国内自主研发出的产品品种已有数十个系列、近百种类型。根据PLC的不同类型型号，它的价格、指令系统、存储容量、性能、编程方法、结构型式也是不一样的，其适用地方同样需要具体考虑才做出选择。

对于这个行业来说，研发者需要做到PLC的机型能够匹配，而这个主要需要考虑到以下三方面的问题：其一，各个模块能够相互备留以便以后使用，只有这样，对于备品备件的采购和管理才能更加便捷；其二，使用方法和功能必须相似，只有这样才能有利于技术人员的培训和PLC整个行业水平的普遍提升；其三，外部设备也同样得通用，只有这样才能实现资源的共享，方便联网实现通信，再配上上位计算机后，就可以形成多级分布式的控制系统。故选用西门子S7系列的PLC。

SIMATIC S7 系统包括S7-200，S7-300，S7-400。SIMATIC S7-200属于微型PLC，SIMATIC S7-300属于较低性能系列，而SIMATIC S7-400属于高中能系列。针对于本次设计，该系统属于小型系统，故选用SIMATIC S7-200系列以实现其功能要求。

SIMATIC S7-200有5种CPU模块，分别为：CPU221，CPU222，CPU224，CPU226和CPU226XM。其中CPU221无扩展功能，适合用做小点数的微型控制器。CPU222有扩展功能，CPU224有较强的控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM适用于复杂的中小型控制系统，我最终选择了CPU226 CN AC/DC/继电器，其技术参数如表4.1所示：

表4.1 CPU226模块的主要技术参数

特性CPU226 CN AC/DC/继电器

本机数字I/O 24入/16出

最大数字量输入/输出256入/256出

最大模拟量输入/输出32入/32出

扩展模块7个

数字量I/O映像区256

模拟量I/O映像区32AI/32AO

超级电容数据后背典型时间190h

内置高数计数器有

高速脉冲输出6个（每个30kHZ）

模拟量调节电位器2个8位分辨率

输入额定电压24V DC

输出额定电压24V DC或230V AC 输出每点最大额定电流10A

为了满足不同的控制要求，节约投资费用，还可以选用不同的I/O点数的数字量扩展模块。除CPU221外，其他CPU模块均可配多个扩展模块，连接CPU模块放在最左侧。扩展模块用扁平电缆与左侧模块相连。

本设计中，铸坯火焰自动切割系统有输入信号31个，输出信号18个。其中，外部输入元件包括：检测元件、按钮、输入、输出，急停、限位开关，热继电器等；输出有三个三相异步电机，一个三相异步电机的正反转，故障报警器和指示灯等。按照上述配置，故所选I/O点不得低于49点。由于均为数字量输入，故所选型号应为：SIMATIC S7-200 CPU226 CN AC/DC/继电器和一个数字量扩展模块EM223 24V DC 输入。其中CPU226的数字量I/O为24入/16出，EM223为8输入8输出点的数字量输入模块[16]。

本设计根据I/O的信号数量，类型及控制要求，同时考虑到维护和保养，改造和经济等诸多因素，可编程控制器拟选用SIMATIC S7-200 CPU226和一个数字量扩展模块EM223 24V DC 8输入/8继电器输出。数字量扩展模块的型号如表4.2所示：

表4.2 数字量扩展模块

4.2 红外定尺技术简介

为解决本次的火焰自动切割系统的定尺精度问题中我采用的是红外摄像定尺技术。所谓的红外摄像定尺测控系统是利用红外摄像机作为传感器，采用了计算机控制和图像扫描措施，通过这个设计理论不仅能够提高连铸坯的定尺精度的测量，而且还较好的控制了切割操作，从而为钢铁企业在连铸生产向更加节省钢材、提高收益的发展法相提供了一种比较行之有效的技术方法。

在这个系统中，包括有软件和硬件两个部分。其中硬件部分包括：工业控制机，专用机柜，红外摄像机，稳压电源以及屏蔽控制线等设备。而软件部分包括：红外摄像连铸坯定尺测控系统软件，数据库查询和动态存储软件，WinCC（与PLC或上位机联网时需要），XP或Vista操作系统，网络处理和通讯传输软件。

红外摄像机定尺测量的工作原理：红外摄像定尺系统是通过摄像机作为传感器，以图像处理技术为主要依据进行测量，完成切割控制操作。它的结构图如图4.1所示：

图4.1 红外摄像定尺系统结框图

红外摄像机是安装在现场的特定地方，需在现场先标定扫描初始位置，然后根据相关的工艺要求标定切割长度的最终地方，此切割的长度是由摄像机扫描进入计算机的，通过在红外摄像定尺测控系统的软件中标定出来。当铸坯到达摄像视场内时，红外摄像测控系统由于使用了高分辨率的摄像机以及特定图像扫描模块，依据铸坯的光谱特性，整个系统使用了基于大脑神经网络识别算法，在扫描的图像中搜集铸坯的加工信息，随着坯头一起运动。当达到铸坯运动到切割长度位置时，红外摄像定尺系统会发出相应信号通过I/O控制卡命令切割机来控制切割系统动作。当切割完毕后，自动切割系统的火焰切割机会重新自动回到初始位置，等待下一次的切割信号的发出。红外摄像机具有固定的视场范围，它以20帧左右每秒的速度采集视场范围内的图像信息，将扫描到的图像传输到计算机中进行相应的处理：首先将扫描到的图像信息化为768 ×576的点阵图像，每点相当于一个像素，每一个像素就相当于现场的一块小空间，具体数值可通过比例来调节。铸坯头就是下图视场中的P点时，在这里，铸坯有一个设定的切割长度L。所以只要通过准确识别铸坯的头和尾，并提取出位置信息像素点和与之相对应的实际位置)，就可以实现铸坯定尺精度的控制与切割[17]。图像采集工作原理如图4.2所示：

图4.2 图像采集与数字化

4.3 铸坯火焰自动切割系统PLC的I/O接线图设计（见附录A）

4.4 铸坯火焰自动切割系统电气原理图设计

铸坯火焰自动切割系统电气元件包括4台电动机，5个接触器，5个熔断器，4

个热继电器，4个自动空气断路器。该电气系统特点：（1）采用熔断器，实现了短路保护，防止电动机突然流过短路电流而引起电动机绕组及机械上的严重损害；（2）采用自动空气断路器，不仅能实现短路保护，还可以实现长期过载保护、失压保护；（3）采用热继电器，对电机进行长期过载保护。

电气图中共用了5个接触器，控制四台电动机的转动与停止。其中要求割炬电机能实现正反转，辊道电机可以正转。图中由接触器KM1控制割炬电机的正转与停转，接触器KM5控制割炬电机的反转与停转；接触器KM2、KM3、KM4分别控制1、2、3道电机的正转与停转。本设计的电气原理图如图4.3所示：

图4.3 电气原理图

5 铸坯火焰自动切割系统软件设计

5.1 铸坯火焰自动切割系统控制要求

5.1.1 系统自动控制要求

按下启动按钮，启动指示灯亮，转换开关打到“自动”位，自动指示灯亮，定尺系统发出定尺信号，夹紧缸电磁阀得电，夹紧钢坯，切割车与钢坯同步向前；延时2S 后，预热乙炔电磁阀得电，开启预热乙炔；延时2S后，预热氧电磁阀得电，开启预热氧；延时4S后，切割氧电磁阀得电，切割炬电机正转，切割炬车开启，开始切割；到达割炬切割完毕限位后，接下来动作其一是：1、2、3辊道电机开始正转，30秒后，1、2辊道电机停止正转，再过4S后，3辊道电机停止转动。其二：切割氧电磁阀失电，关闭切割氧；延时2S，预热氧电磁阀失电，预热氧关闭；延时2S，预热乙炔电磁阀失电，预热乙炔关闭；延时4S后，夹紧缸电磁阀失电，松开钢坯；最后分两步进行：回程缸电磁阀得电，切割车返回，未到达小车原位限位，重复上一步，到达小车原位限位，回程缸电磁阀失电，切割小车停止；切割炬电动机反转，切割炬返回，未到达切割炬原位限位，重复上一步，到达割炬原位限位，切割炬电动机停转，切割炬停止，整个循环工作结束。

5.1.2 系统手动控制要求

按下启动按钮，启动指示灯亮，转换开关打到“手动”位，手动指示灯亮；按下夹紧缸电磁阀得电按钮，夹紧缸夹紧，钢坯与切割小车同步向前；按下预热乙炔电磁阀得电按钮，预热乙炔开启；按下预热氧电磁阀得电按钮，预热氧开启；按下切割氧电磁阀得电按钮，切割氧开启；按下切割炬电动机正转按钮，切割炬向前开启；切割完毕后，接下来操作其一是按下1、2、3启动按钮，1、2、3辊道电机开始正转，再按下1、2、3辊道停止按钮，各个辊道电机能够停止转动。其二：按下停切割炬按钮，切割炬停止；按下切割氧电磁阀失电按钮，切割氧关闭；按下预热氧电磁阀失电按钮，预热氧关闭；按下预热乙炔电磁阀失电按钮，预热乙炔关闭；按下夹紧缸电磁阀失电按钮，夹紧缸松开；按下返回切割炬按钮，切割炬返回，到起始位后，按下停切割炬按钮；按下回程缸电磁阀得电按钮，使切割车返回；按下回程缸电磁阀失电按钮，使切割车停止。

5.2 所用指令介绍