基于S7-300和WinCC的鋼卷卸卷和運卷裝置液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

重慶科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）題目基于S7-300和WinCC的鋼卷卸卷和運卷裝置液壓控制系統(tǒng)設(shè)計院（系）專業(yè)班級學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)教師職稱評閱教師職稱2017年6月8日注意事項1.設(shè)計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設(shè)計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它

學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明本人以信譽聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行的設(shè)計（研究）工作及取得的成果，設(shè)計（論文）中引用他（她）人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨立完成，不包含他人成果及為獲得重慶科技學(xué)院或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用其材料。與我一同工作的同志對本設(shè)計（研究）所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。畢業(yè)設(shè)計（論文）作者（簽字）：2017年6月12日

摘要鋼卷運輸系統(tǒng)是在整個軋制生產(chǎn)線中不可缺少的設(shè)備，在傳統(tǒng)的鋼卷運輸方式中主要采用是步進梁、鏈?zhǔn)捷斔蜋C以及汽車等形式。目前，托盤輥道鋼卷運輸系統(tǒng)作為一種新型鋼卷運輸系統(tǒng)正在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。本文主要研究通過PLC和WinCC結(jié)合，設(shè)計一套新型鋼卷運輸系統(tǒng)。這種新型運輸方式可以使得鋼卷運輸快速并能流暢地進行，滿足了帶鋼連軋生產(chǎn)的品種多、質(zhì)量高、節(jié)奏快的要求。因此，該托盤輥道鋼卷運輸系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。本設(shè)計是基于西門子S7-300PLC控制器和WinCC，同時還研究鋼卷卸卷和運卷裝置和液壓站為主要控制對象的控制要求。提高了鋼卷運輸?shù)目焖傩砸约傲鲿车剡M行過程控制的自動化水平程度，這不僅可以取得巨大的經(jīng)濟效益，而且還能提高自身在鋼鐵行業(yè)中的競爭實力，對于國家冶金、建筑行業(yè)發(fā)展具有重要意義。關(guān)鍵詞：托盤鋼卷運輸PLCWinCCABSTRACTSteelcoiltransportsystemisindispensableinthewholerollingproductionlineequipment,mainlyusedinthetraditionalsteelcoilmodeoftransportationiswalkingbeam,chainconveyorandcarform.Atpresent,thetraytablecoiltransportsystemasakindofnewsteelcoiltransportsystemiswidelyusedathomeandabroad.ThispapermainlystudiescombiningPLCandWinCC,designasetofnewsteelcoiltransportsystem.Thenewmodeoftransportationcanbesteelcoiltransportcanquicklyandsmoothly,tomeetthevarietyofstripsteelrollingproduction,highqualityandfast.Asaresult,thetraytablecoiltransportsystemhasagoodapplicationprospect.ThisdesignisbasedonSiemensS7-300PLCcontrollerandWinCC,atthesametimealsostudycoildischargevolumeandthecoildeviceandcontrolrequirementsofhydraulicstationasthemaincontrolobject.Improvethequicknessandsmoothlyofcoiltransportprocesscontrolautomationdegree,itcannotonlyobtainenormouseconomicbenefits,butalsocanimprovetheircompetitivepowerintheironandsteelindustry,ithasgreatmeaningtonationalbuildingandmetallurgicalindustry'sdevelopment.Keywords：tray；steelcolltransport；PLC；WinCC目錄摘要 IABSTRACT II1緒論 11.1本課題的目的及意義 11.2鋼卷卸卷和運卷裝置液壓控制技術(shù)展研究現(xiàn)狀 11.3課題主要內(nèi)容 21.4本章小結(jié) 32系統(tǒng)控制方案 42.1鋼卷卸卷和運卷裝置結(jié)構(gòu)和工作原理 42.1.1鋼卷卸卷和運卷裝置的結(jié)構(gòu) 42.1.2鋼卷卸卷和運卷裝置的工作原理 42.2液壓站控制系統(tǒng)組成和功能 52.2.1液壓控制系統(tǒng)組成 52.2.2液壓控制系統(tǒng)功能 52.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 62.4本章小結(jié) 63硬件控制系統(tǒng)設(shè)計 73.1主要元器件選型 73.1.1PLC的選型 73.1.2斷路器選型 73.1.3熱繼電器選型 73.1.4電源選型 83.2電氣接線圖設(shè)計 83.2.1主電路圖 83.2.2輸入輸出接線圖 83.2.3操作柜圖 83.3本章小結(jié) 84系統(tǒng)PLC程序設(shè)計 94.1程序結(jié)構(gòu)分析 94.1.1程序塊和數(shù)據(jù)塊的規(guī)劃表 94.1.2I/O編制表 94.2鋼卷卸卷和運卷裝置液壓控制系統(tǒng)程序 94.2.1自動控制程序 94.2.2手動控制程序 114.3PID參數(shù)整定及趨勢圖 114.3.1PID的構(gòu)建 114.3.2儲油罐液位和溫度趨勢圖 124.4本章小結(jié) 135人機界面設(shè)計 145.1WinCC與PLC通信 145.1.1OS站的建立 145.1.2WinCC變量管理與PLC通信 145.2組態(tài)畫面設(shè)計 155.2.1主畫面設(shè)計 155.2.2液壓站控制畫面設(shè)計 165.2.3趨勢圖的設(shè)計 165.2.4報警與變量記錄畫面設(shè)計 175.3本章總結(jié) 186系統(tǒng)的調(diào)試 196.1PLC程序仿真調(diào)試 196.2PLC與上位機聯(lián)機調(diào)試 196.2.1通訊連接 196.2.1聯(lián)機調(diào)試 206.3程序仿真過程中遇到的問題 236.4本章小結(jié) 247總結(jié) 25參考文獻 26致謝 27附錄Ⅰ（I/O編制表） 28附錄Ⅱ（電氣圖） 29附錄Ⅲ（PLC程序） 57附錄Ⅳ（人機界面） 581緒論1.1本課題的目的及意義近年來隨著人們的經(jīng)濟快速發(fā)展，熱軋帶鋼產(chǎn)量不斷增加的同時，對其鋼卷運輸質(zhì)量的要求也逐漸增高。在鋼卷運輸過程中出現(xiàn)的任何問題，將直接影響到重大質(zhì)量問題和各種事故等情況。因此，設(shè)計一種質(zhì)量高的鋼卷運輸和卸載裝置也是鋼鐵行業(yè)鞏固、開拓市場以及樹立企業(yè)品牌形象的需要。面對新時期的挑戰(zhàn)，我國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品的數(shù)量不再是主要矛盾，結(jié)構(gòu)性的矛盾更加突出。市場競爭也尤為激烈，集中反映在品種的質(zhì)量、產(chǎn)品的成本和勞動的生產(chǎn)率以及可持續(xù)發(fā)展所造成的綜合競爭力上。當(dāng)前，我國的鋼鐵行業(yè)已經(jīng)進入了加快結(jié)構(gòu)的調(diào)整、升高了市場的競爭力和經(jīng)濟運作質(zhì)量的新時代，進入了由鋼鐵大國變?yōu)殇撹F強國的新的奮斗時代。我國的鋼鐵行業(yè)也對鋼卷運輸實施技術(shù)的進行改造，這不僅將帶動企業(yè)生產(chǎn)效益的增加，還同時帶動相關(guān)技術(shù)的進步，增強了產(chǎn)品的質(zhì)量競爭能力和適應(yīng)市場變化的能力。鋼卷運輸系統(tǒng)是整個軋制生產(chǎn)線中的重要設(shè)備，鋼卷運輸傳統(tǒng)的運輸方式主要采用的是步進梁、鏈?zhǔn)捷斔蜋C以及汽車等形式。[1]目前，托盤輥道鋼卷運輸系統(tǒng)作為一種新型鋼卷運輸系統(tǒng)正在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。[1]該系統(tǒng)是一種可以通過托盤在雙層輥道鏈上來回運輸實現(xiàn)，在實際生產(chǎn)中主要應(yīng)用于冷、熱連軋的鋼卷運輸線上。[1]可以使得鋼卷流暢并快速地運輸，滿足了帶鋼連軋生產(chǎn)的品種多、質(zhì)量高以及節(jié)奏快的要求。因此，該托盤輥道鋼卷運輸系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用前景。由上所述，本次課題所研究的鋼卷卸卷和運卷裝置液壓控制系統(tǒng)，提高了鋼卷運輸?shù)目焖傩院瓦^程運輸中的自動化水平程度，不僅能取得巨大的經(jīng)濟效益，還能提高自身在鋼鐵行業(yè)中的競爭實力，給我們國家的冶金、建筑行業(yè)發(fā)展帶來了重要的意義。1.2鋼卷卸卷和運卷裝置液壓控制技術(shù)展研究現(xiàn)狀近些年，鋼鐵行業(yè)出現(xiàn)了托盤輥道運輸方式，它解決了各個運輸過程中所遇到的問題，熱鍍鋅行業(yè)是最先使用此運輸方式的，其主要是為了保護其表層以及減少被吊起的機會。世界上的馬鋼新區(qū)2250mm熱軋項目是初度在熱軋帶鋼生產(chǎn)線上利用托盤式運輸形式，該項目是2007年2月投入生產(chǎn)的，能夠讓冷軋、熱軋、平整機組以及鋼卷庫之間的物料運輸問題得到有效的應(yīng)對。接著采用了這種運輸方式是邯鄲鋼鐵公司。他們都是采用托盤運輸系統(tǒng)的雙層輥道，來引進此運輸方式。之后，首鋼遷鋼熱軋項目和首鋼京唐鋼鐵有限公司1580mm熱軋項目的運輸鋼卷也都是采用的托盤運輸方式，其中運輸結(jié)構(gòu)為雙排式，采用技術(shù)為自主集成，優(yōu)勢更為突出。在我國，20世紀七八十年代的鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)線還有很多是熱軋生產(chǎn)線，后來又從國外引進的淘汰的二手設(shè)備，在那時鋼卷運輸方式還不是很完善，甚至還有部分是立式的鋼卷運輸方式，正面臨著運輸方式改造和完善的問題。[2]托盤式運輸系統(tǒng)之所以不能應(yīng)用到部分老舊運輸線是由于受到了空間的限制。[2]托盤式鋼卷運輸系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)快速運輸鏈和步進梁方法具有運輸平穩(wěn)、份量較輕、設(shè)備維護比較方便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在國內(nèi)外工業(yè)中也受到了越來越多的工廠歡迎。到現(xiàn)在為止，托盤輥道式鋼卷運輸方式已經(jīng)被很多條新建的熱軋項目應(yīng)用了，并且取得了較好的效果。在這些熱連軋項目中，雙層輥道和橫移裝置都被卷取機出口采用了，用雙層輥道加橫移裝置來解決運輸線和運輸線卷取機的運輸快慢的匹配等問題，其占地范圍較大。在液壓技術(shù)控制這一方面，有著液壓技術(shù)強國的深厚背景國家有美國、德國和日本，它們是世界上制造強國。美國是當(dāng)代液壓技術(shù)的第一強國，也是作為液壓技術(shù)進步最早的國家。目前在液壓技術(shù)方面仍處于領(lǐng)導(dǎo)者的位置，并以Parker、Eaton為代表作為液壓產(chǎn)業(yè)的主要產(chǎn)出國。繼美國之后德國作為歐洲代表成為液壓行業(yè)新的競爭國家，起到了對美國液壓控制技術(shù)促進發(fā)展和翻新的作用。日本作為在發(fā)展中液壓技術(shù)的國家，由于對整個行業(yè)的充分吸收、消化和創(chuàng)新進而成為了當(dāng)前領(lǐng)先者的榜樣。從總體情況來說,我國的液壓控制技術(shù)和國外先進的液壓控制技術(shù)相比，我國還存在一段距離，尤其在高、新、尖液壓控制技術(shù)裝備中，我國仍還處于引進時代，還沒有做到能夠充分的消化和吸取。很少有國內(nèi)伺服系統(tǒng)是真正完善的。在我國還是有許多廠家能夠生產(chǎn)出加工伺服系統(tǒng)核心都是從其它國家引進的，并且在整個生產(chǎn)的機器精度上還不如國外同類別的產(chǎn)品。而我國有一些生產(chǎn)伺服系統(tǒng)的廠家，比如揚州曙光儀器公司引進來的西門子公司生產(chǎn)的伺服系統(tǒng)，它的成本基本上與進口的伺服系統(tǒng)一樣的，這個也是制約我國工業(yè)行業(yè)發(fā)展的一大阻礙。[3]因此利用現(xiàn)代的鋼鐵運輸?shù)母镄潞头e累的經(jīng)驗，使得液壓控制技術(shù)逐步實現(xiàn)以流暢、快速為核心的新一代運輸方式，在性能優(yōu)良、提高產(chǎn)品質(zhì)量和工業(yè)自動化程度方面做出貢獻的同時也將利用循環(huán)的鋼鐵材料，節(jié)省了資源和能源，促進了可持續(xù)發(fā)展，讓我國的工業(yè)行業(yè)越來越好！1.3課題主要內(nèi)容本課題的主要內(nèi)容如下：①技術(shù)方案和規(guī)劃的主要功能滿足鋼卷卸卷和運卷裝置和液壓站為主要控制對象的控制要求；②制作系統(tǒng)IO表，設(shè)計電氣原理圖、程序流程圖、軟件系統(tǒng)框圖；③編寫鋼卷卸卷和運卷裝置以及液壓站（包括主泵、循環(huán)泵、加熱器、冷卻器等）的PLC邏輯控制程序，以及油位、溫度等變量的過程控制程序，實現(xiàn)本地控制和HMI遠程控制，控制程序段和使用的地址必須給出詳細的符號名和注釋；④HMI能夠用的顯示、儲存和設(shè)置有關(guān)的工藝參數(shù)或設(shè)備狀態(tài)；⑤安全聯(lián)鎖，確保人身安全、設(shè)備安全和生產(chǎn)過程的可持續(xù)性；⑥綜合鋼卷卸卷和運卷裝置液壓系統(tǒng)工藝、控制技術(shù)和通訊技術(shù)等，實現(xiàn)自動化控制；⑦準(zhǔn)備電子、紙質(zhì)檔，格式與相關(guān)畢業(yè)設(shè)計要求符合。1.4本章小結(jié)本章主要講述了本次課題基于PLC-300和WinCC鋼卷卸卷和運卷裝置液壓控制系統(tǒng)的目的和意義，然后還介紹了鋼卷卸卷和運卷裝置在國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r以及液壓控制技術(shù)研究現(xiàn)狀，最后簡單闡述了本次課題的主要內(nèi)容，為接下來的設(shè)計做好鋪墊。2系統(tǒng)控制方案2.1鋼卷卸卷和運卷裝置結(jié)構(gòu)和工作原理2.1.1鋼卷卸卷和運卷裝置的結(jié)構(gòu)鋼卷卸卷和運卷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計為托盤式運輸方式，如圖2.1所示應(yīng)用的是雙層輥道鏈來運輸托盤。上層輥道鏈主要是運輸帶鋼卷的托盤，下層輥道鏈則運回卸完鋼卷后的空托盤，在整個托盤運輸系統(tǒng)中的有首末升降機、上下輥道鏈電機、橫移小車和航車等輔助的設(shè)備。圖2.1托盤輥式鋼卷運輸系統(tǒng)2.1.2鋼卷卸卷和運卷裝置的工作原理鋼卷卸卷和運卷裝置是采用的托盤輥式鋼卷運輸系統(tǒng)，其工作原理是采用液壓站提供機械動力，然后用泵來提供升降裝置、橫移小車、打捆等機械力。雙層輥道鏈把托盤循環(huán)運輸使用，使其完成自動控制鋼卷卸卷和運卷整個運輸過程。托盤輥式鋼卷運輸系統(tǒng)的工藝流程為：卷取機卷完鋼卷后，由小車橫移到卷取機處進行取卷，取完卷的小車把它運輸?shù)酱蚶μ庍M行打捆；打完捆后，由小車運送到上層輥道鏈的空托盤上，當(dāng)裝鋼卷的托盤運輸?shù)缴蠈虞伒赖哪┒藭r，航車就把鋼卷運回庫中；空托盤就隨末端升降裝置下降到下層輥道進行返回，當(dāng)?shù)竭_下次輥道的首端時由首端升降裝置上升到上層輥道，最后運回到裝鋼卷處等待下一次運卷。2.2液壓站控制系統(tǒng)組成和功能2.2.1液壓控制系統(tǒng)組成根據(jù)系統(tǒng)控制對象，可以知道：液壓站有7臺泵，主油泵有4臺，3用1備，3臺循環(huán)泵，2用一備。這是為了保證整個運行中的控制系統(tǒng)能夠正常運行，用它來為各種輥道、提升小車等提供機械動力。而循環(huán)泵是為了使油泵里面的機油攪拌均勻，避免出現(xiàn)工作泵動力不足的現(xiàn)象。圖2.2液壓站流程圖2.2.2液壓控制系統(tǒng)功能液壓站主要是提供鋼卷卸卷和運卷裝置輥道機械力，為整個運輸過程提供動力。液壓站控制系統(tǒng)的液壓泵是有4臺主油泵，1#主油泵是提供橫移小車的機械力，2#主油泵是提供升降裝置的機械力，3#主油泵是提供打捆的機械力，4#主油泵是備用泵，4臺工作泵是交替工作的。如果遇到某臺泵故障或者檢修時，即有緊急停車信號時，則停下故障工作泵，然后再切換到備用泵。主油泵的控制分為本地、遠程控制，啟動方式是Y-△啟動。液壓站控制系統(tǒng)還有3臺循環(huán)泵，兩用一備，循環(huán)泵采用的是自動控制，對油箱內(nèi)的油進行攪拌、循環(huán)使用。當(dāng)其中一臺循環(huán)泵壞了后，就自動切換到另外一臺備用泵，繼續(xù)工作。2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)的主要硬件部分就是S7-300的PLC（CPU315-2DP）和本地I/O單元，以及各種開關(guān)量、模擬量的輸入、輸出模塊。軟件部分就是通過STEP7進行編寫邏輯控制語言、WinCC組態(tài)軟件設(shè)計人機界面窗口以及一些通信協(xié)議。通過本地I/O單元收集到的模擬及數(shù)字信號傳遞到S7-300進行數(shù)據(jù)處理，最后通過組態(tài)畫面WinCC進行監(jiān)控。其中PLC收集與處理的實時數(shù)據(jù)與WinCC顯示的數(shù)據(jù)是完全一致的。系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。圖2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.4本章小結(jié)本章講述了鋼卷卸卷和運卷裝置結(jié)構(gòu)和工作原理的設(shè)計，同時還介紹了液壓站控制系統(tǒng)功能和組成，為各種輥道、提升裝置提供機械動力，實現(xiàn)了鋼卷卸卷和運卷循環(huán)運輸自動化過程。3硬件控制系統(tǒng)設(shè)計3.1主要元器件選型3.1.1PLC的選型PLC是可編程邏輯控制器的簡稱，我們本次設(shè)計主要是從西門子S7-400、300、200中選擇，而它們主要區(qū)別是應(yīng)用規(guī)模的不同。在實際的應(yīng)用工程中S7-400的控制點一般在大型系統(tǒng)上千點都不為多；S7-300的控制點基本上不超過512個；S7-200的系統(tǒng)則一般不會超過64個。當(dāng)然系統(tǒng)的控制點也會受到CPU、授權(quán)點數(shù)、存儲器的影響，其相關(guān)參數(shù)也可以查詢相關(guān)的手冊。因為我的畢業(yè)設(shè)計中只需要滿足中、小型控制要求，所以我選擇的是S7-300，它幾乎能滿足自動化過程中各類控制要求。根據(jù)工藝流程要求和系統(tǒng)的規(guī)模我對控制點I/O點進行估算。通過分析了被控對象的工藝流程，統(tǒng)計出系統(tǒng)的I/O點。留有備用量約15%。我選擇的現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP是所有的現(xiàn)場總線應(yīng)用最廣泛的。PROFIBUS是一種獨立且開放的總線標(biāo)準(zhǔn)，它是由西門子公司提出來的。通過控制字的傳輸來控制各個的驅(qū)動。根據(jù)上述設(shè)計要求選擇具有現(xiàn)場總線功能的CPU，所以本次CPU選擇型號為CPU315-2DP。3.1.2斷路器選型斷路器是一種空氣開關(guān)，它是在當(dāng)工作時的電流超過其額定電流或者出現(xiàn)失壓、短路等狀況下進行了有效的保護，可以自動斷開電路。斷路器主要選型規(guī)則：斷路器的額定電壓不小于線路中的工作電壓，其額定電流不小于線路中負載電流，脫扣器額定電流不小于線路中的計算負載電流，其極限通斷能力也不小于線路中的最大短路電流，1.25倍的空開瞬間或短時間延時的脫扣整流小于線路中的末端單相對地短路電流，斷路器的欠電壓脫扣器的額定電壓和線路中的額定電壓相等。根據(jù)上述斷路器選型規(guī)則，本設(shè)計所選擇的斷路器產(chǎn)品型號為DZ47-60，斷路器的額定電流為20A，其額定電壓為220V，滅弧方式為磁吹斷路器。3.1.3熱繼電器選型熱繼電器是電流通過熱元件產(chǎn)生熱量，使得檢測元件受到了熱度彎曲來推動連桿動作的。它主要應(yīng)用于電動機的三相電流不平衡運行保護、過載保護和斷相保護以及其它的電氣設(shè)備的狀態(tài)控制。熱繼電器主要選型規(guī)則：額定電流不小于電動機額定電流，但對于熱繼電器整流、電機回路電流應(yīng)等于電機的額定電流。正確選用的熱繼電器．和電動機的工作模式有密切的關(guān)系。若熱繼電器用來保護長期處于工作模式的電機，一般是按照電機額定電流來選擇,所以本設(shè)計選擇的熱繼電器是TK-E02S-C。3.1.4電源選型電源選型是由CPU型號來定，所以CPU模塊的選型決定了電源選型。S7-300系列具有很多CPU型號，每一種型號都能運用到不同的工業(yè)環(huán)境中。根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝流程和實際需求，即實際要求需要實現(xiàn)本地和遠程控制。所以綜上所述本次設(shè)計要求需要選擇具有現(xiàn)場總線性能的標(biāo)準(zhǔn)型CPU，最后選擇了CPU315-2DP，所以電源型號選擇為PS3075A。3.2電氣接線圖設(shè)計3.2.1主電路圖主電路圖主要是完成主油泵電機、循環(huán)泵電機以及各種輥道鏈電機等的電氣連接圖，包括主電路的控制電路以及緊急停車按鈕的設(shè)計。具體主電路圖見附錄Ⅱ。3.2.2輸入輸出接線圖輸入輸出接線圖由兩部分組成，第一部分是PLC數(shù)字量輸入有六張圖，每張圖畫8個輸入點；第二部分是PLC數(shù)字量輸出有四張圖，前面三張有8個輸出點，后面一張有2個輸出點。共計有74個I/O點，具體輸入輸出接線圖見附錄Ⅱ。3.2.3操作柜圖操作柜圖上第一部分主要是由系統(tǒng)電源、緊急指示、報警指示這三個指示燈組成；第二部分是由手動、自動、本地、遠程這四個帶指示燈的按鈕和一個急停按鈕組成；第三部分是由卷取機、主油泵、循環(huán)泵、上下層輥道鏈和首末端升降鏈、冷卻閥、加熱器、補油閥二檔轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。具體操作柜圖見附錄Ⅱ。3.3本章小結(jié)本章講述了硬件控制系統(tǒng)設(shè)計，它的主要器件PLC、斷路器、熱繼斷器、電源的選型，還有介紹了電氣接線圖的主電路圖、輸入輸出接線圖和操作柜圖的設(shè)計。通過對硬件控制系統(tǒng)設(shè)計，為接下來的畢業(yè)設(shè)計中系統(tǒng)PLC程序設(shè)計和WinCC畫面做好準(zhǔn)備。4系統(tǒng)PLC程序設(shè)計4.1程序結(jié)構(gòu)分析4.1.1程序塊和數(shù)據(jù)塊的規(guī)劃表表4.1程序塊與數(shù)據(jù)塊規(guī)劃表塊功能概述OB1主程序組織塊OB35PID調(diào)用組織塊FC1系統(tǒng)手動工作模式FC3循環(huán)泵自動工作模式FC4油箱溫度控制FC5系統(tǒng)緊急停電處理FC6動態(tài)控制FC7自動控制DB13PID參數(shù)背景數(shù)據(jù)塊FB41PID參數(shù)整定模塊4.1.2I/O編制表本系統(tǒng)共有74個I/O點，由于我們的現(xiàn)場設(shè)備沒有傳感器，因此模擬量輸入輸出均是有實數(shù)表達。具體I/O編制表見附錄Ⅰ。4.2鋼卷卸卷和運卷裝置液壓控制系統(tǒng)程序4.2.1自動控制程序在電源和本地或遠程啟動的條件下，自動模式的自動程序流程為：按下自動模式按鈕后，卷取機卷鋼卷5S后，1#泵啟動小車橫移，然后小車到達卷取機下方1#泵停止，2#泵啟動小車上升，當(dāng)小車上升到鋼卷處2#停止，1#啟動小車橫移到打捆處1#泵停止，2#泵啟動小車下降，當(dāng)小車下降到位2#停止，1#啟動小車回到原點，鋼卷打捆5S后1#泵啟動反轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_打捆處下方時1#泵停止，2#啟動上升到位后2#泵停止，1#泵啟動小車橫移到托盤處1#停止，2#啟動小車下降到位2#停止后1#啟動小車回到原點停止，同時上層輥道也啟動將托盤運到末端輥道，當(dāng)托盤到達末端輥道時，航車啟動把鋼卷取入庫，空托盤下降到下層輥道后，運輸?shù)较聦邮锥溯伒捞帲胀斜P上升到上層輥道后運輸?shù)窖b鋼卷處等待下一次運卷。自動模式的程序流程圖如圖4.1。圖4.1自動控制程序流程圖4.2.2手動控制程序手動模式下的手動控制程序流程為：首先啟動系統(tǒng)電源，然后選擇本地或遠程，按下手動模式后可以對每種設(shè)備分別進行啟動或停止。如果中途按下急停，所有控制設(shè)備就會停止。如圖4.2為手動控制流程圖。圖4.2手動控制程序流程圖4.3PID參數(shù)整定及趨勢圖4.3.1PID的構(gòu)建本控制系統(tǒng)可以通過STEP7軟件中的OB35模塊，然后在OB35模塊中的Standardlibrary目錄下找到PID的FB41模塊進行PID參數(shù)整定，然后生成了DB13、DB14背景數(shù)據(jù)模塊用于儲存P、I、D等相關(guān)參數(shù)。通過此PID調(diào)節(jié)儲油罐液位和溫度。因為本設(shè)計需要對儲油罐的液位進行實時采集，然而并沒有實物模型，所以為了能采集數(shù)據(jù)，我在PLC程序上建立了一個PID一階模型。本設(shè)計的系統(tǒng)是采用的是一階慣性環(huán)節(jié)：G(s)=1/(1+TS),然后令T=5，使用MATLAB軟件來求得離散后能被電腦識別的對象，使其等于U/R,求出關(guān)于U的一個函數(shù)。最后將這個關(guān)于U的方程帶入PID模塊中，進行控制，通過整定后最終確定了P=5.0，I=1MS，D=0。4.3.2儲油罐液位和溫度趨勢圖首先是對儲油罐液位的依次設(shè)置為20、40、60，經(jīng)過一段時間儲油罐液位采集值與設(shè)定值依次相等并達到平衡，PID儲油罐液位整定趨勢圖如圖4.3所示。然后對儲油罐溫度的依次設(shè)置為10、20、30、40，經(jīng)過一段時間儲油罐液位采集值與設(shè)定值依次相等并達到平衡，PID儲油罐溫度整定趨勢圖如圖4.4所示。圖4.3PID儲油罐液位整定趨勢圖圖4.4PID儲油罐溫度整定趨勢圖4.4本章小結(jié)本章主要講述了系統(tǒng)PLC程序設(shè)計，主要介紹了鋼卷卸卷和運卷裝置系統(tǒng)程序塊和數(shù)據(jù)塊的規(guī)劃表和I/O表，然后介紹了鋼卷卸卷和運卷裝置的自動控制程序和手動控制程序，還介紹了PID參數(shù)整定和趨勢圖。通過對PLC程序的設(shè)計，為接下來WinCC與PLC連接做準(zhǔn)備。5人機界面設(shè)計5.1WinCC與PLC通信5.1.1OS站的建立在STEP7軟件中，我們可以通過OS站的建立，使得WinCC畫面和PLC的變量鏈接起來，從而方便了WinCC畫面中的變量調(diào)用。圖5.1建立OS站圖5.1.2WinCC變量管理與PLC通信在WinCC的變量管理中首先建立外部變量，我選擇在PROFIBUS新建連接，先把系統(tǒng)參數(shù)邏輯設(shè)備名稱PLCSIM（PROFIBUS），然后修改連接參數(shù)中插槽號為2如圖5.2所示。圖5.2連接參數(shù)設(shè)置圖5.2組態(tài)畫面設(shè)計5.2.1主畫面設(shè)計主畫面主要是實現(xiàn)鋼卷卸卷和運卷裝置托盤式運輸系統(tǒng)工藝流程全自動模式，它主要有橫移小車、雙層輥道、首端升降機、末端升降機以及航車組成，然后旁邊畫了簡單的操作盒方便控制系統(tǒng)電源、遠程和自動模式的啟動按鈕如圖5.3。在另外界面還畫了手動界面和自動界面方便對鋼卷卸卷和運卷裝置液壓控制系統(tǒng)設(shè)計更好的詮釋。本畫面主要實現(xiàn)自動鋼卷卸卷和運卷過程自動化運輸過程，依次按下系統(tǒng)電源、遠程控制和自動模式后，卷取機就開始卷鋼卷，卷5S后橫移小車就把鋼卷運輸?shù)酱蚶μ?，打捆完畢后橫移小車就把鋼卷運輸?shù)娇胀斜P處如圖5.4，上層輥道啟動，當(dāng)托盤運輸?shù)缴蠈幽┒溯伒罆r，航車就把鋼卷取出運輸?shù)綆欤缓罂胀斜P經(jīng)下層輥道運輸?shù)窖b卷處等待下一次運卷。圖5.3主畫面圖圖5.4鋼卷運到空托盤處圖5.2.2液壓站控制畫面設(shè)計液壓站控制畫面主要是有四個個工作泵、三個循環(huán)泵、一個補油罐、一個油儲罐、冷水機和閥門組成如圖5.5，其中1#泵是提供小車橫移的動力，2#泵是提供升降的機械力，3#泵是提供打捆的力，4#泵是是備用泵；三個循環(huán)泵兩用一備，補油罐是當(dāng)儲油罐液位過低然后進行補油，冷水機是當(dāng)儲油罐溫度過高然后把油冷卻。LV-01和TV-01按鈕是調(diào)用對儲油罐液位和溫度PID調(diào)節(jié)畫面，如圖5.6所示當(dāng)按下LV-01就出現(xiàn)儲油罐液位PID畫面然后進對PID行調(diào)節(jié)。由于為了使畫面更加美觀，所以具體手動控制和自動控制需要切換到相應(yīng)的界面進行操作。圖5.5液壓站圖圖5.4調(diào)用PID界面圖5.2.3趨勢圖的設(shè)計本畫面主要是趨勢圖畫面如圖5.5所示。趨勢圖在控件里面找的，其主要功能是實現(xiàn)溫度和液位的趨勢圖，當(dāng)手動設(shè)置一個值時實際采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)定值一段時間后相等。圖5.5溫度和液位趨勢圖5.2.4報警與變量記錄畫面設(shè)計本畫面主要是報警信息歸檔畫面如圖5.6所示。在WinCC中的報警記錄設(shè)置報警級數(shù)以及連接變量如圖5.7所示，報警信息歸檔圖是在控件下選擇的，本畫面主要是顯示液位和溫度報警記錄。圖5.6報警與變量記錄畫面圖圖5.7報警消息變量連接圖5.3本章總結(jié)本章講述了WinCC畫面的設(shè)計，介紹了WinCC和PLC的通信方式，還介紹了怎么創(chuàng)建HMI畫面、鋼卷卸卷和運卷運輸系統(tǒng)主畫面、液壓站畫面，趨勢圖和報警畫面的設(shè)計，通過對WinCC畫面的設(shè)計，讓我對WinCC軟件更加的熟悉。6系統(tǒng)的調(diào)試6.1PLC程序仿真調(diào)試① 開啟仿真軟件S7-PLCSIM。開啟了S7-PLCSIM，就自動建立了STEP7和仿真CPU的連接。其中有三種工作形式：“RUN-P”、“RUN”、“STOP”，它們與真實的PLC中的CPU模式是相互對應(yīng)。“MERS”按鈕將復(fù)位（清除/復(fù)位）仿真PLC中的程序。② 下載STEP7中的用戶程序和組態(tài)信息。將S7-PLCSIM中CPU模塊中的工作模式置于“RUN-P”或者“STOP”，然后將STEP7中用戶建立的編號和硬件的程序下載到仿真的可編程控制器上的系統(tǒng)數(shù)據(jù)中。然后S7-PLCSIM中CPU模塊中的工作模式置于“RUN”來運行程序，并進行調(diào)試。當(dāng)然也可先下載一部分塊，分別調(diào)試，最后再下載到整個站點，進行總體的調(diào)試。③ 根據(jù)實際需求，在S7-PLCSIM中條件為I、M、Q等一系列的寄存器，然后根據(jù)實際工藝流程進行仿真控制，觀察是否能達到預(yù)期的效果。④用程序仿真中狀態(tài)功能來調(diào)試程序。在仿真中PLC工作模式置于“RUN-P”或者“RUN”，在STEP7中，點擊監(jiān)視按鈕，觀察系統(tǒng)程序流程，便可知道相應(yīng)的程序發(fā)生錯誤或者是否工作等情況。⑤打開上位機WinCC軟件后，選擇與PLC程序匹配的上位機項目，并選擇激活，此時在PLC程序上進行了一些簡單的啟動和停止的操作，觀察對應(yīng)的上位機WinCC畫面的狀態(tài)是否有什么變化，如果有變化說明WinCC與PLC的通信一切正常。如果在開啟STEP7仿真器時看到上位機WinCC運行畫面的I/O輸入輸出域出現(xiàn)灰色并有一個感嘆號。則說明上位機WinCC畫面與PLC程序沒有進行有效的通訊，此時應(yīng)該檢查在建立通訊的過程中是哪個部分出現(xiàn)了問題。如果能夠?qū)LC程序上采集來的信號傳輸給上位機，那么此時在上位機WinCC畫面上應(yīng)該有一個控制信號，觀察PLC程序的是否流動。如果PLC可以把信號傳送給上位機，而上位機不能將信號傳送給PLC程序上的話，說明在WinCC變量連接錯誤。所以要重新連接。6.2PLC與上位機聯(lián)機調(diào)試6.2.1通訊連接打開WinCC軟件，選擇變量管理器，然后在SIMATICS7PROTOCOLSUITE子菜單中選擇PROFIBUS，在彈出對話框中選擇邏輯設(shè)備名稱為PLCSIM（PROFIBUS）如圖6.1所示。本設(shè)計將選擇Profibus-DP。所以將STEP7中的S7-PLCSIM雙擊進去改為我們需要的通訊協(xié)議PLCSIM（PROFIBUS）如圖6.2。然后實現(xiàn)通訊鏈接。圖6.1PROFIBUS系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置圖圖6.2S7-PLCSIM圖6.2.1聯(lián)機調(diào)試設(shè)計一個鋼卷卸卷和運卷裝置控制系統(tǒng)，我們必須將設(shè)計出的控制系統(tǒng)應(yīng)用在實際的場合才能體現(xiàn)一個自動化控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。不過在實際應(yīng)用之前我將軟件設(shè)計出來程序通過調(diào)試來看我編寫的邏輯控制是否符合我的畢業(yè)設(shè)計要求。在手動模式下通過WinCC調(diào)試程序，當(dāng)按下1#主軸油泵啟動按鈕不起時，對應(yīng)的程序M10.3得電如圖6.3所示，M10.3得電后，KM2得電，WinCC畫面的1#主軸油泵啟動如圖6.4所示。當(dāng)按下1#主軸油泵停止按鈕不起時，對應(yīng)的程序M10.2得電，M10.2常閉觸點斷開，KM2失電，WinCC畫面的1#主軸油泵停止如圖6.5所示。圖6.3按下1#泵啟動按鈕對應(yīng)程序段一調(diào)試圖圖6.4按下1#泵啟動按鈕對應(yīng)程序段二調(diào)試圖圖6.5按下1#泵停止按鈕對應(yīng)程序段調(diào)試圖在自動模式下通過WinCC調(diào)試程序，當(dāng)按下自動按鈕時，對應(yīng)的程序KM1得電，卷取機啟動如圖6.6所示，定時器T1定時5S后，T1常閉觸點斷開卷取機停止，T1的常開觸點閉合，M25.1置位1#主油泵車橫向移動如圖6.7所示。圖6.6按下自動按鈕對應(yīng)程序段一調(diào)試圖圖6.7按下自動按鈕對應(yīng)程序段二調(diào)試圖在自動模式下通過WinCC調(diào)節(jié)PID程序，當(dāng)按下LV-01按鈕時，彈出PID模塊，設(shè)置對應(yīng)的PID參數(shù)分別為5,1,0，如圖6.8所示把對應(yīng)的值送到PID程序中，GAIN的值為5，TI的值為1，TD的值為0；然后輸入設(shè)定值為58，經(jīng)過一段時間反饋值接近設(shè)定值，如圖6.9所示程序中的SP_INT值為58，PV_IN值接近58；最后按下PID模塊上帶有M的按鈕，PID就從自動切換到手動，反饋值自動降為2與PID對應(yīng)程序模塊中的MAN的設(shè)定值相等如圖6.10所示圖6.8設(shè)置PID系數(shù)圖6.9輸入PID設(shè)定值圖6.10PID自動切換為手動6.3程序仿真過程中遇到的問題整個系統(tǒng)的調(diào)試，以鋼卷卸卷和運卷裝置的液壓控制系統(tǒng)為主，其中涉及到對儲油罐的液位和溫度進行PID控制，因此，對液壓控制系統(tǒng)的邏輯調(diào)節(jié)只需按照工藝要求和設(shè)計思路來對應(yīng)調(diào)節(jié)即可，在此就不一一贅述。在按照調(diào)試步驟過程中，遇見了常見的以下幾個問題，我把它整理如下：①仿真PLC和WinCC連接后，在WinCC運行畫面上出現(xiàn)了感嘆號如圖6.4所示，說明WinCC畫面沒有和PLC通信起來，結(jié)果檢查到計算機名沒有用本地計算機名稱，啟用了本地計算機名后，WinCC運行畫面的感嘆號就消失了。②在進行WinCC運行畫面中趨勢圖界面調(diào)試和報警界面的時候，發(fā)現(xiàn)WinCC運行畫面的趨勢圖無曲線，報警狀態(tài)表也沒有任何的歷史報警數(shù)據(jù)，然后顯示沒有與服務(wù)器連接。打開S7-PLCSIM，發(fā)現(xiàn)下位機PLC中的數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送到了上位機WinCC的變量寄存器中，但上位機WinCC運行畫面無反應(yīng)，通過同學(xué)的指導(dǎo)，找到了問題的所在，是因為WinCC中沒有打開變量記錄運行系統(tǒng)。所以我在計算機屬性中打開了報警運行系統(tǒng)、變量記錄運行系統(tǒng)和用戶歸檔，因為這些系統(tǒng)默認設(shè)置為關(guān)閉，所以必須打開才會通訊，系統(tǒng)才能夠正常的運行工作。③模擬量進行監(jiān)控的時候發(fā)現(xiàn)，模擬量的值存放到內(nèi)部寄存器的時候，只要一運行系統(tǒng)，現(xiàn)場設(shè)備所給定的值不是內(nèi)部寄存器的值，內(nèi)部寄存器的值就上竄下跳像跑馬燈一樣不穩(wěn)定，其數(shù)值也離奇的大。在上位機WinCC運行畫面上也顯示不出來當(dāng)前的值，但在下位機上可以看見當(dāng)時變化的值。后來通過PLC程序監(jiān)控，我發(fā)現(xiàn)程序上犯了一個錯誤，就是地址被重復(fù)利用。同樣的地址在其它地方也被用了，所以地址上發(fā)生了沖突。在系統(tǒng)運行過程中才出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定的情況，在上位機WinCC運行畫面上不能顯示，那是因為超出了WinCC中I/O輸入輸出域的格式范圍。最后只有避開改變地址，使得程序能夠正常的運行。圖6.4I/O域通訊錯誤圖6.4本章小結(jié)本章講述了系統(tǒng)調(diào)試，主要介紹了PLC程序仿真調(diào)試，還有PLC與上位機WinCC聯(lián)機調(diào)試，在調(diào)試的過程中我所遇到的問題以及解決的方法。通過調(diào)試系統(tǒng)，讓我在細節(jié)上發(fā)現(xiàn)了很多小錯誤并及時的修改，讓我的WinCC運行畫面與PLC成功的連接起來，讓畫面實現(xiàn)了工藝流程的基本功能。7總結(jié)回想起我做整個畢業(yè)設(shè)計的過程中，感觸還是挺深，收獲也較多。最開始使用一些設(shè)計軟件都還不是很熟練，在老師和同學(xué)們的幫助和指導(dǎo)下，我開始慢慢的掌握到了WinCC和Step7基本操作功能，到現(xiàn)在的得心應(yīng)手，對PLC和上位機WinCC的通訊連接也是越來越熟練了。畢業(yè)設(shè)計不僅是對我所學(xué)知識的一種應(yīng)用，還是對個人動手操作能力的檢驗。在畢業(yè)設(shè)計中，要求我將以前學(xué)過的專業(yè)課程能夠靈活的運用。做完這次畢業(yè)設(shè)計后我的綜合能力有一定的提升。由于之前做過的過程控制實訓(xùn)，所以在這次畢業(yè)設(shè)計中，我對相關(guān)資料的運用和查閱更加得心應(yīng)手。我的畢業(yè)設(shè)計題目是基于S7-300和WinCC鋼卷卸卷和運卷裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計，基本功能實現(xiàn)，電氣原理圖符合標(biāo)準(zhǔn)，最后得到了老師們的認可。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我對鋼卷卸卷和運卷裝置工藝比較了解，也能熟練的操作CAD制圖，以及WinCC畫面和PLC仿真通信。雖然最后的調(diào)試結(jié)果滿足了控制要求和工藝要求，但是這些都是屬于理想情況下的完成的，所以具體控制要求和控制程序需要隨著現(xiàn)場實際情況而定。本次設(shè)計中還是遇到許多問題，但是通過查詢資料、請教老師和同學(xué)以及自己不斷的調(diào)試和修改，最后還是一一的解決了。所以，這次畢業(yè)設(shè)計讓我收獲頗多，也對我的將來也產(chǎn)生積極的影響。

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