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1、辽 宁 工 业 大 学工业控制网络 课程设计（论文）题目：基于NetLinx网络的张紧辊带钢张力控制系统设计院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化071 学 号： 070302020 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2010.12.29-2011.1.7课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 自动化 学 号070302020学生姓名赵 为专业班级自动化071课程设计（论文）题目基于NetLinx网络的张紧辊带钢张力控制系统设计课程设计（论文）任务课题完成的功能：带钢张力是在冶金过程中的重要被控对象，张紧辊是实现张力控制的重要设备。以由4个辊子组成的张紧辊为例
2、，进行分布式控制系统的设计。该控制系统应应完成以下功能：1、完成辊子的启停控制，启动1#辊子，1秒后，2#辊子自动启动；再1秒后，3#辊子自动启动，再1秒后，4#辊子自动启动；停止4#辊子，1秒后，3#辊子自动停止，再1秒后，2#辊子自动停止，再1秒后，1#辊子自动停止； 2、完成带钢张力的控制程序。3、设计监控画面的功能。设计任务及要求：1、控制系统采用罗克韦尔公司的NetLinx三层网络；2、完成 Ethernet, ControlNet, DeviceNet网络结构的配置和规划；3、完成方案设计和I/O分配表； 4、完成硬件设计和软件编程； 5、离线运行分析；6、撰写课程设计论文技术参数
3、：1、张力设定值在1800-2200N；2、电动机的额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流7A，额定转速1450rpm。进度计划1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（2天）；2、设计系统的结构原理图（1天）；3、仪表、控制系统等设备的选型（1天）；4、程序开发（4天）；5、撰写课设论文（1.5天）；6、设计结果考核（0.5天）；指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要带钢张力是冶金过程中的重要被控对象，各种带钢连续处理机组(如连续酸洗、退火、各种镀涂层、精整等机组),对
4、带钢的张力都有严格的要求,同时合适的带钢张力也是保证带钢高速、稳定运行的基本条件，因此,本文着重介绍了保障带钢张力的关键设备张紧辊。张紧辊的设计型式分为二辊式、三辊式和四辊式，根据任务要求本课程设计采用四辊式控制系统来控制带钢张力。设计的主体思路是：首先在PC机中编写控制程序，将程序下载到PLC中，然后用PLC控制电动机（包括电动机的正序启动和逆序停止），因为电动机带动和控制着张紧辊，所以实现了对张紧辊的启停控制。不仅如此，本次课设中还设计完成了PID控制系统以及设计张紧辊带钢张力控制系统的监控画面。另外本次课设采用的控制网络是NetLinx网络中的DeviceNet(设备网)，DeviceN
5、et的传输速率是125Kbps,满足了控制系统的实时性要求。关键词：带钢张力；张紧辊；PLC；DeviceNet目 录第1章 绪论1第2章 课程设计的方案22.1 概述22.2 系统组成总体结构2第3章 硬件设计43.1 硬件选型43.2 硬件组态5第4章 软件设计104.1 软件组态104.2 PID控制算法114.3 监控画面114.4 程序流程124.5 梯形图程序13第5章 系统测试与分析14第6章 课程设计总结17参考文献18附录19第1章 绪论随着工业技术的发展，微机技术的突飞猛进,先进的设备和技术的开发使得冶金行业在最近几年得到了突飞猛进的发展，但尽管如此,国内高速的、运行平稳的
6、机组绝大部分是引进的,而完全国产的这类机组的速度较低,生产带钢品质也低,有些机组无法稳定运行、甚至影响带钢的板形等等,这种状态的形成与国内目前缺少对张紧辊等这类设备的理论和实践研究不无关系。因此,针对张紧辊的研究尤为必要。在控制网络方面，本文选取了NetLinx网络中的DeviceNet(设备网)作为主体控制网络。它具有以下特点：DeviceNet将低层工业设备连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本，直接互连性改善了设备间的通讯，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线I/O接口很难实现的。同时，DeviceNet是一种简单的网络解决方案，它在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时
7、，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。 DeviceNet协议最基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交换。因此，这种通信是基于面向连接的（点对点或多点传送）通讯模型建立的。这样，DeviceNet 既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。正因如此，利用DeviceNet构成的系统除了具有卓越的性能外，更是企业技术改造和产品更新换代的必要网络系统，本文结合了DeviceNet、张紧辊控制技术、PLC技术等技术对带钢张力的控制作以合理分析。第2章 课程设计的方案2.1 概述在钢的轧制过程中，热轧和冷轧都是型钢或钢板成型的工序，热轧和冷轧的主要区别是：1冷轧成型钢允许截面出现局
8、部屈曲，从而可以充分利用杆件屈曲后的承载力；而热轧型钢不允许截面发生局部屈曲。 2热轧型钢和冷轧型钢残余应力产生的原因不同，所以截面上的分布也有很大差异。冷弯薄壁型钢截面上的残余应力分布是弯曲型的，而热扎型钢或焊接型钢截面上残余应力分布是薄膜型。 3热轧型钢的自由扭转刚度比冷轧型钢高，所以热轧型钢的抗扭性能要优于冷轧型钢。在冷轧中需要检查和控制带钢张力，而在热轧中不需如此。而控制带钢张力的设备主要是张紧辊，俗称张力辊，张紧辊组的作用是在带材的连续生产线上实现张力的分隔和调节。张紧辊工作原理：带钢包绕在张力辊上，在其包绕接触处（即包角处）产生摩擦力，使出口与入口产生张力差，由此改变张力辊入口或出
9、口带钢的张力值，对机组实现张力控制。另外，由于本课程设计是以辽宁工业大学罗克韦尔实验室的设备为实践基础，所以对罗克韦尔三层控制网络进行详尽了解，罗克韦尔三层网络包括信息网（EtherNet/IP）、控制网（ControlNet）和设备网（DeviceNet）。信息网就是应用于自动化领域的以太网技术，是连接控制室和集团内部网的桥梁；控制网是一种开放的现场总线，用于连接底层控制设备和以太网等；设备网是三层网络的最底层网络，用于控制网络和底层设备的连接。2.2 系统组成总体结构综合2.1节所述的带钢张力的受控原理和本次课程设计的设计要求，再结合所学的知识，设计了如下的控制系统：首先在PC机中编制梯形
10、图程序，将调试好的控制程序下载到PLC中；然后 利用PLC输出控制电动机的启动和停止；电动机控制着张紧辊，所以张紧辊间接地受控于PLC。系统组成结构示意图如图2.1所示。PC机编程PLC电动机张紧辊变频器图2.1 系统组成结构图对张紧辊的控制要求是：一定条件下，张紧辊正序启动，逆序停止，即启动1#辊子，1秒后，2#辊子自动启动；再1秒后，3#辊子自动启动，再1秒后，4#辊子自动启动；停止4#辊子，1秒后，3#辊子自动停止，再1秒后，2#辊子自动停止，再1秒后，1#辊子自动停止。另外，本课程设计是基于辽宁工业大学Rockwell自动化工业控制网络实验室中的DeviceNet（设备网）进行系统的拟
11、建，其中PLC为ControlLogix5561,为系统的核心部件。 第3章 硬件设计3.1 硬件选型硬件部分，分别对PLC、电动机、变频器等进行型号选择。1.PLC选型：PLC控制器选用美国罗克韦尔公司的ControlLogixControlLogix具有以下优点：.适合顺序、过程、传动、运动控制的模块化高性能控制平台每个Controllogix控制器可以执行多个控制任务，减少需要的控制器数量，这样，解决故障更快。可以分别出发几个周期性任务以达到更高的性能水平。.可以在一个机架上使用多个处理器、通讯模块和输入输出模块Controllogix处理器、输入输出模块、通讯模块就像网络上的智能节点。
12、.通用的编程环境和Logix控制引擎。Controllogix与CompactLogix、FlexLogix、SoftLogix、DriveLogix都是基于通用Logix平台建立的，它们具有通用的编程环境和Logix控制引擎。.连接到NetLinx开放式网络从设备到车间再到信息管理层，Controllogix高度支持三层网络通讯。2.电动机选型：三相异步电动机选用西安电机场的Y180L-4X型电动机，它的额定功率是22KW，额定电压为380V，频率电流7A,额定转速为1470r/min,功率因数0.86。电动机的实物图如图3.1所示。 图3.1 电动机实物图3.变频器选型：拟建控制系统过程中
13、，选用了美国罗克韦尔公司的PowerFlex40变频器，它体积小巧，使用方便。对变频器的相关参数设定如下：显示面板中的d表示查看变频器的参数；p表示编程；A表示高级编程；F表示故障显示。根据调速要求，必须通过设置p36，p38两个参数为5，即选择变频器为通信口进行控制；p39和p40设置为5，即加减速时间为5秒。PowerFlex40变频器实物图如图3.2所示。图3.2 PowerFlex40变频器实物图4.张力传感器：张力传感器也叫张力检测器，是张力控制过程中，用于测量卷材张力值大小的仪器。根据要求选择蚌埠市胜通电子测控系统有限责任公司的SUPB轴式张力传感器，量程在500N至15000N之
14、间，满足了设计的需要。3.2 硬件组态1.建立I/O点分配表1756-DNB模块I/O点分配表如表3.1所示 表3.1 1756-DNB模块I/O配置地址功能Local:3:O.Data0.0停止Local:3:O.Data0.1启动Local:3:O.Data0.3清错Local:3:O.Data0.16频率设定 1756-IB16D模块I/O分配表如表3.2所示表3.2 1756-IB16D模块I/O配置地址功能Local:5:I.Data0.0停止Local:5:I.Data0.1启动Local:5:I.Data0.3清错Local:5:I.Data0.16频率设定PowerFlex40
15、p-c模块I/O分配表如表3.3所示 表3.3 1756-OB16D模块I/O配置地址功能AB:PowerFlex40P_Drive_8Bytes:I:0变频器设定频率AB:PowerFlex40P_Drive_8Bytes:I:1变频器输出频率2. 控制模块选择 控制模块如图3.3所示 图3.3 控制模块在上图中选择了0号模块Logix5561和3号模块1756-DNB和5号模1756-IB16D以及7号模块1756-OB16D,满足了控制和扩展要求本文选用了辽宁工业大学RockWell实验室的DeviceNet模块，其实物图如图3.4所示。图3.4 DeviceNet模块实物图3.配置I/
16、O组态本课程设计用了1756-DNB模块、1756-IB16D模块、1756OB16D模块和，需对这几个模块进行配置。在工程目录列表中选择I/O Configuration，点击鼠标右键，选择New Module，弹出I/O配置对话框，只勾选Communication选项，工程目录图如图3.5所示。 图3.5 工程目录图需要注意的是，在配置1756-DNB模块时，其起始槽号是0，但本实验的1756-DNB模块均配置在3槽，然后点击Next按钮，在出现的对话框中点击Browse按钮，载入在DeviceNet网络配置步骤中保存的dnt文件。同理配置1756-IB16D模块、1756-OB16D模块
17、等。4. 组建DeviceNet网络利用RSLinx软件配置驱动程序RSLinx是在Microsoft、WinNT以及Win9X操作系统下建立网络所有通信方案的工具。启动RSLinx后， 添加TCP驱动程序,填入IP值，将RSLinX置于后台运行，然后可以启动其它软件。添加驱动如图3.6所示。 图3.6 RSLinx添加驱动图. 配置DeviceNet网络RSNetWorx For DeviceNet是32位网络组态工具软件，RSNetWorx提供了一个图形化的网络视图，并具有在线和离线组态的功能。首先启动RSNetWorx For DeviceNet软件，浏览DeviceNet网络设备，查找
18、在RSLinx中所配置的驱动设备，点击OK按钮确定所选DeviceNet网络设备并显示详细信息，如图3.7所示。 图3.7 DeviceNet网络上的设备由图3.7可见，设备网上挂接的设备有PowerFlex40变频器和1756-DNB模块，并可知变频器在节点2位置。然后分别双击图3.7中的PowerFlex40变频器和1756-DNB模块的图标，设置变频器和1756-DNB模块的相关参数然后将参数上载到设备中。如图3.8所示。 图3.8 上载参数第4章 软件设计4.1 软件组态1.配置RSLogix5000工程项目进入RSLogix5000软件，打开操作界面，点击新建工程项目，在随后弹出的对
19、话框(New Controller)中选择处理器型号为1756-L62 Logix5561,槽号（Slot）选择0槽,其他选项默认即可，点击OK确认。如图4.1所示。图4.1 新建RSLogix5000工程项目2.编制Controllogix控制程序打开图3.4所示的TasksMainTaskMainProgram前面的+号，在下拉列表中选择MainRoutine双击，在右侧显示梯形图编辑界面，根据要求在梯形图编辑界面编制控制程序，并将程序下载程序到PLC中，如图4.2所示。图4.2 编制程序3.操作并观察现象到控制面板上按下启动按钮，观察频率变化和三相异步电机转动情况；按动停止按钮，观察变频
20、器是否停止工作。4.2 PID控制算法本次设计采用基于速度调节的张力控制算法。张力控制器采用PI算法：其中为速度的调节量，为速度设定值，为主速度，和分别为张力控制器的比例系数和积分系数，为张力设定值，F(t)为张力实际值。速度控制器采用PI算法：其中为电机电磁力矩，为定转子等效绕组间的互感，为定子电流的分量，定子电流的另一个分量，为转子等效绕组的自感，为转子总磁链，为转子电磁时间常数，为转子电阻，P为微分算子，p为极对数，为电机转差角频率。4.3 监控画面监控画面用昆仑公司的组态软件MCGS绘制，在监控画面中设置了电动机的实时转速、带钢张力设定值和实时带钢张力等。监控画面如图4.3所示。 图4
21、.3 监控画面4.4 程序流程根据设计要求，绘制了梯形图编制流程图，张紧辊（电动机）的启停逻辑流程如图4.4所示。YYYYNNYNYN是否启动1#辊启动1S？2#辊启动1S？3#辊启动4#辊启动开 始1S？NYNYN是否停止4#辊停止1S？3#辊停止1S？2#辊停止1#辊停止开 始1S？N图4.4 张紧辊启停控制流程图4.5 梯形图程序根据设计要求编制了梯形图控制程序，经过反复的调试和分析，最终编制了完整的程序，梯形图程序见附录。第5章 系统测试与分析经过以上拟建控制系统的完成，经过程序离线运行，可知所设计的系统基本达到设计要求，由于实验设备原因，在现场只模拟出三个张紧辊的启停控制，实际的效果
22、如图5.1至5.7所示。 图5.1 起始状态 图5.2 1#辊启动模拟图5.3 2#辊启动模拟图5.4 3#辊启动模拟 图5.5 3#辊停止模拟 图5.6 2#辊停止模拟图5.7 1#辊停止模拟第6章 课程设计总结带钢张力的控制在冶金行业中是至关重要的，本文从带钢张力的控制原理出发，结合PLC和工业控制网络的内容，较为合理的分析设计了张紧辊的带钢张力控制系统。本次课程设计是以辽宁工业大学RockWell工业控制网络实验室为依托，在实验室中，利用Netlinx网络及相关部件构建张紧辊启停控制和PID控制系统，硬件组态实现了I/O的服务配置、变频器参数配置以及控制器的配置，软件组态实现了控制程序的
23、编制，合理整定后共同完成对变频器的控制任务。 这几天的课程设计我见到了许多只能在课本上见到的设备实物，我又学习到了许多在课本上学不到的知识，收益颇丰，但同时，我又感觉到自己的知识是如此的匮乏，感到了莫名的压力，激励了我要努力学习这些知识的动力。参考文献1 康梅, 朱莉，陈山.变频器使用指南.北京：化学工业出版社，2008：1-962张燕宾.变频器的安装、使用与维护.北京:中国电力出版社,2009:154-177,178-1953 李华德.交流调速控制系统.北京：电子工业出版社，2003.3，61-644 钱小龙，李晓理.循序渐进变频器.北京：机械工业出版社，2007.6，33-1075 James A.Rehg.Glenn.Sartori.可编程逻辑控制器.北京:电子工业出版社，2008.8，196-2986 原魁等.变频器基础及应用.北京：冶金工业出版社，2005，10-307 彭乐无.基于PLC的变频器与工频切换控制.职业.1994,19(2):1-608 张松林.笼型异步电动机与变频器.实验技术与管理.2010, 20(2): 1-40附录张紧辊启停控制程序：PID控制程序：
