基于PLC与WINCC的自动洗车控制系统设计毕业论文.docx
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基于PLC与WINCC的自动洗车控制系统设计毕业论文
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摘要：
自动洗车控制系统作为一种重要的综采设备,其工作环境非常复杂和苛刻。
其运行条件对煤矿生产的安全和经济效益具有重要影响。
因此,为了保证其高效运行、高可靠性和长使用寿命,有必要采用工作状态监测系统,确保监控设备的可靠运行。
SCADA系统结合了IT技术、DCS和PLC等工业控制技术。
它是监控生产过程、调度企业设备的有效手段。
将SCADA系统应用于洗车机的生产和运行过程,可以实现对洗车机工作过程的自动监控,减轻操作人员的负担,对提高生产效率起到不可替代的作用。
本文以自动洗车控制系统的生产过程为研究对象,采用工业控制技术、强大的组态软件和现场总线技术,采用模块化设计思想,采用监控系统。
设计了基于WinCC的数据采集、参数调整、设备控制和信号报警功能,提供了友好的H.MI接口。
关键词：
PLC；WINCC；自动洗车控制系统
第一章绪论
1.1研究背景
半个世纪以来,我国洗车技术经历了完全模仿、设备和技术引进、自主研发、国际合作和技术创新等多个阶段。
洗车面也经历了钻、喷车洗、一般机械化洗车、综合机械化洗车等一系列阶段。
为了满足不同时期采矿的要求,滚筒式汽车清洗机也经历了几个重要的发展阶段:
在汽车清洗机的结构方面,从不可调的滚筒汽车清洗机到可调节的单鼓车垫圈和然后可调节双鼓车用垫圈,可适应车顶和底板的变化,并能自开缝隙;在牵引部分方面,经历了从钢丝绳牵引到锚链牵引再到高可靠性汽车清洗机的经验。
无链牵引汽车清洗机;驱动速度调节,从液压驱动速度调节,机械驱动速度调节到稳定的性能和电气驱动速度调节垫圈的监测,驱动电机的纵向布局安装功率约为100千瓦,多台电机同时可将最大功率提高到2400-2700千瓦[1]。
要不断努力提高采煤效率和资源利用率,逐步将计算机技术和通信技术引入洗车工作面,使其向视觉技术和远程控制技术发展,实现车用洗脸值班人员少或无人值班的目标,提高地下作业的自动化程度,实现洗车工作的在线监控。
本文提出了汽车洗衣机监控系统研究的实用课题。
1.2国内外研究现状
机械化洗车始于20世纪40年代。
20世纪50年代初,鼓式洗车机出现了。
双鼓洗车机出现在20世纪60年代中期。
1976年,德国Eickhoff公司开发了电动牵引汽车洗衣机。
20世纪80年代中期,日本开发了第一台交流牵引汽车洗衣机。
相比之下,交流调速具有调速技术先进、维护管理简单、经济效益高、可靠性高等优点,得到了广泛的应用。
美国、德国、法国、英国和俄罗斯相继开发了交流牵引洗车机。
由于交流牵引车清洗机具有无与伦比的液压车清洗机优势,电动牵引代替液压牵引,交流调速代替直流调速已成为汽车清洗机的发展方向[2]。
目前,国外洗车控制系统的发展相对较快。
世界上几家领先的洗车研发公司是德国的Eickhoff公司、美国的DBT公司和Joy公司。
2005年,德国Eickhoff公司设计并生产了新一代以工业计算机（IPC）为核心控制系统的洗车机。
控制计算机的硬件部分采用AMDK6系列CPU,系统采用AMDK6处理器的工业控制计算机。
实时多任务系统作为平台,为第三方IO设备提供驱动程序运行环境。
系统数据通信采用CAN总线分销外设模块、ISO模块和具有工业控制机构的专用IM模块。
1965年,中国开发了第一台鼓式洗车机MLQ-64;1972年,双鼓洗车机出来,先后出现DY-15、MD-160、MLS3-170双鼓车垫圈;1991年,煤炭科学院上海分院采用交流变频调速技术,成功研制出首款汽车清洗机MG344-PW,上世纪90年代末装机容量超过1000KW[3]。
21世纪初,利用四象限技术成功研制了一种变频调速大倾角的电动牵引洗衣机。
我国洗车机控制系统在早期就由继电器控制。
其缺点是系统连接复杂,故障诊断和消除困难,需要大量的机械接触,可靠性不高[4]。
目前,研究的重点已完全转移到交流牵引汽车清洗机,并在此基础上实现监测功能。
传统上,汽车洗衣机的显示器用于检测运行速度、电压、电流、温度等状态参数。
工人需要持续监控洗车机的运行状态,及时操作故障。
汽车洗衣机的监控不够系统,传感器数据响应不及时,数据存档和查询功能不足,阻碍了汽车清洗机的发展。
工作人员调度煤矿生产,而洗车监控系统缺乏远程通信和监控功能,严重制约了洗车的生产效率和安全管理。
因此,鉴于目前国内外的汽车洗衣机监控系统存在着不同程度的缺陷,需要解决和完善[5]。
1.3本课题的研究内容与目标
1.3.1本课题的研究内容
本文的主题来自工业生产。
建议利用理论研究和设计开发方法,开发汽车洗衣机监控系统,对其在模拟环境下的运行效果进行测试,并尽可能投入生产和应用,以提高对洗车机的影响。
煤矿开采的生产效率。
本文通过选择硬件选择和软件配置,通过上下计算机的配合模式实现了汽车洗衣机的监控功能。
系统的下部主要是一个基于硬件模块的集合子系统,而上半部分是一个基于软件实体的处理子系统。
较低的计算机子系统以西门子PLC（编程逻辑控制器）和ABB变频器等智能控制设备为核心,完成了工业现场数据的采集和电机等控制对象的控制。
上位机子系统以赢CC组态软件为平台,通过现场总线技术实现上位机与下台计算机的通信连接,提出了下位机在操作人员通过人机界面,从而完成对工业领域的实时监控[6]。
本文主要论述了汽车洗衣机监控系统的设计与开发。
主要内容如下:
（1）分析了汽车清洗机的工艺流程及其自动控制要求,并提出了总体设计方案;
（2）详细分析了局部控制系统的总体方案,讨论了该系统的抗干扰措施。
（3）根据系统通信速度和稳定性的要求,采用Profibus总线技术实现了WinCC、S7-300PLC和变频器之间的通信。
（4）完成了PLC过程控制和软件的设计,实现了汽车清洗机的运行控制和牵引电机的恒功率控制。
（5）基于WINCC配置软件,开发汽车洗衣机监控系统的人机界面接口,包括汽车洗衣机动画设计、工艺价值存档、系统报警配置与显示、远程监控配置、用户权限设置等[7]。
1.3.2本课题的完成目标
在此基础上,本项目的主要目标是利用变频技术调整交流电机的速度。
完成了基于西门子PLC和WinCC汽车清洗机的远程监控系统的开发和设计,并利用现场总线技术实现系统通信和人机界面的设计与开发。
该系统具有以下特点:
第一,整个系统是根据汽车清洗机生产过程的特殊要求独立设计和开发的,远程监控是由WinCCWeb导航器实现的。
其次,在现有先进技术平台上实现了整个系统的设计和开发,无论硬件选择和软件开发如何,都保证了工业应用领域的进步。
第三,整个系统的设计方法不仅适用于汽车洗衣机的生产,也适用于现代生产。
其他工业生产领域的数据采集和监测具有广阔的前景和市场价值。
第四,监控系统具有友好的人机界面。
中文HMI界面易于操作和掌握。
稳定的现场总线技术保证了系统的稳定通信,同时具有较高的通信速率。
第二章洗车机主要部分电气控制设计
2.1牵引部电气控制
在电动牵引车清洗机的应用中,交流变频调速技术可以实现额定转速以下的恒转矩调速和从额定转速到最大转速的恒功率调速。
为了满足高倾角工作面的需要,采用了四象限操作和电阻操作模式[8]。
2.1.1电机调速的直接转矩控制
（1）三相异步电动机的数学模型本文的主要目的是研究交流三相异步电动机的控制。
无论传统的控制理论还是现代控制理论,研究对象都是被控制对象的数学模型。
在建立三相交流异步电动机的数学模型之前,需要做出以下假设。
1.忽略空间谐波,假设三相定子和转子绕组在空间上彼此相差120度,它们产生的磁动量沿气隙的周长呈正弦分布。
2.忽略了涡流和磁饱和磁芯的损耗,各相绕组的自电感和互感是线性的。
3.不考虑温度和频率对电机参数的影响[9]。
根据上述假设,可以建立两相静态坐标系中三相交流异步电动机的数学模型。
（2）三相异步电动机逆变器的数学模型是直接转矩伺服驱动器的重要组成部分。
该系统采用电压源逆变器。
如图2-1所示，
图2-1电压型逆变器原理图
每个臂有两个上、下开关（aS、bS、cS、As、Bs、cS）。
同时,一个开关总是断开连接,另一个开关则关闭。
其中,aS和aS、bS和bS、cS和cS是相互对立的,即一个在上,另一个是关闭的。
A、B和C表示异步电动机的三个阶段。
逆变器有八个开关状态,如表2-1所示。
：
表2-1逆变器8种开关状态
从表2-1可以看出,开关状态0和7属于相同的状态,这相当于同时将电机的三相A、B和C连接到相同的电势。
这两个状态称为零状态,而其他状态1-6称为工作状态。
因此,事实上,电压逆变器有七种不同的状态。
从图3-1中我们可以看到,六个工作状态下电压波形、电压幅值和电压源逆变器开关状态之间的对应关系如图2-2所示。
在图中,s1u、s1u、s1u、s1u、s1u和s1u的相应状态分别为（011）、（001）、（101）、（100）、（110）、（011）。
图2-2工作状态三相电压波形
（3）直接转矩控制原理直接转矩控制系统（DTC）是一种在转速回路中使用转矩反馈的直接控制电机系统。
速度控制系统的最终目标是调节和控制电机的速度。
然而,速度和扭矩有直接的关系。
集成扭矩是电机的速度。
可以看出,电机的扭矩直接影响电机的速度变化。
因此,控制和调节电机转速的问题已经转变为如何有效地控制和调节电机扭矩。
无论是直流电机还是交流电机,它们都由定子和转子组成。
假设定子产生的磁势分量为sF,转子产生的磁势分量为rF,将两个矢量结合起来,得到复合磁势矢量F。
磁链m是由复合磁能矢量F产生的。
这些磁势矢量相互作用引起的磁链的综合效应是电机的电磁转矩。
因此,从上述分析可以看出,电机的电磁转矩是定子和转子磁势元件中任意两个矢量的矢量乘积。
异步电动机在空间以同步角速度旋转,彼此相对静态。
根据上述原理,通过控制两个磁势矢量的矢量乘积,可以间接地实现异步电动机转矩的控制。
在实际中,磁通的大小直接影响电机的性能,磁通的大小与电压、电流和电机本身的特性（如温升、效率、速度、功率因数等）密切相关。
因此,考虑到电机的运行效率,希望在电机的整个运行过程中,磁通联动的规模保持不变,因此必须严格控制磁链。
与控制扭矩一样,我们可以通过设置磁通调节器来建立闭环磁通控制系统,以保持磁通振幅不变。
总之,矢量控制方法是通过控制电流和磁通矢量间接控制电机的转矩,而直接转矩控制方法是直接控制电磁转矩。
在静态坐标系中,定子磁链和电磁转矩由定子磁通方向直接控制,同时保持定子磁通联动的轨迹为圆形,并控制电磁转矩,使其跟随快速进食。
恒定扭矩的变化。
DTC的算法框图如图2-3所示[10]。
图2-3直接转矩控制算法框图
1.定子磁通、扭矩和扇形的计算从图2-3可以看出,定子磁通、电磁转矩和定子磁通的扇形信息是整个控制系统的三个必要参数,也是整个控制力的基础这是。
这三个参数的精度将直接影响整个系统的控制性能。
根据前一章的数学模型,计算平稳坐标系中定子磁通振幅的公式如下[11]。
图2-4两相静止坐标系中的基本电压矢量
如图2-4所示,整个空间分为六个带虚线的扇区,每个扇区的平均角度为60。
因此,只要在平稳坐标系中得到定子磁通矢量角,即磁通角,就可以得到定子的扇区数。
从上面可以看出,电磁转矩和扇区数是从定子磁通中获得的,因此如何更准确地获得定子磁通值是非常重要的。
本文采用U-I计算定子磁通的模型,不需要复杂的电机参数,只需要容易获得的定子电阻参数,这是直接转矩控制比其他控制方法的优点。
当然,在U-I模型的基础上,将采用多种方法来保证定子磁通观测的准确性,从而保证每次观测的准确性[12]。
2.空间电压矢量对定子流量矢量和电磁扭矩的影响因素当电机高速旋转时,定子绕组电阻相对于sU的压降较小,因此可以省略。
因此,可以假定定子磁通矢量的变化方向与施加在定子绕组电阻上的电压矢量su的变化方向相同,定子磁通矢量的变化率与施加电压矢量的模量成正比。
也就是说,在矢量图中,s的矢量沿具有一定比例系数的su方向平行移动。
因此,我们可以合理地选择八个基本空间电压矢量来控制定子磁通矢量的大小和方向,使它们的大小与给定的值一致,即确保它们具有循环通量轨迹,同时,通过插入零电压矢量,以及时调整其速度。
根据机电学理论,三相异步电动机电磁转矩的计算公式也可以用以下几种形式表示[13]：
在直接转矩控制系统中,在基频范围内,定子磁通的大小应接近给定的值,偏差较小,因此可以认为是一个固定值。
此外,转子磁通矢量的大小也与外部载荷的大小有关。
假设转子磁通矢量的大小和旋转角度可以在短时间内视为常数。
在控制定子磁通矢量振幅的前提下,如果s的旋转方向和速度也可以控制,我们可以根据要求控制角度R的变化,从而达到所需的控制变化。
f电磁扭矩。
3.在DTC控制理论中,定子磁通和电磁转矩控制的核心是选择一个合理的电压空间矢量,通过该矢量可以控制定子磁通矢量的大小和方向,以匹配给定的值,即确保它具有cir圆磁轨迹,在此基础上控制电磁转矩可以随着给定的值而迅速变化。
在经典的DTC控制理论中,通过滞后比较器实现了定子磁通和电磁转矩的控制。
本文假设定子磁通矢量r和转子磁通矢量r的位置为图2-5所示,s位于第1节。
图中的两个同心半圆圆弧表示定子磁通矢量振幅变化的上限和下限。
假设某一s的振幅达到下限,根据设计思想,s的振幅应该增加。
当选择60U（011）时,矢量头将在与60U（011）平行的同一方向移动,直到振幅上升到上限。
此时,滞后比较器输出为0,然后选择120U（010）以减小振幅。
通过类比,如图3-5中的虚线箭头所示,可以确保S的大小始终限制在给定的范围内[14]。
图2-5电磁转矩与定子磁链的控制
2.1.2电机调速直接转矩控制Matlab/Simulink仿真
在此基础上,建立了传统直接转矩控制在Matlab-simink环境下的仿真模型。
该模型包括三相交流异步电动机模型、逆变器模块、整流模块和最重要的控制算法模型。
在控制算法模型中,主要包括流量和扭矩计算模块、流量和计算控制模块、区间选择模块和开关表选择模块,如图2-6所示[15]。
图2-6直接转矩控制simulink仿真模型
2.2截割部电气控制
2.2.1滚筒调高控制
洗车机的高程有两种:
摇臂高程和车身高程。
它们大多安装在汽车清洗机的底盘上。
摇臂由小摇臂和摇臂提升和放下。
提升缸也被放置在端部或切割件的固定减速机中。
无论起重方式如何,提升液压系统的基本原理都是一样的。
采用液压回路驱动气缸膨胀收缩,调整摇臂的摆动角,达到鼓式提升的目的。
提高的主要功能有两个:
一是满足开采高度的要求;二是为了满足卧底洗车机的需要。
高程液压回路由齿轮泵、粗滤清器、安全阀、换向阀、电磁阀、高程缸和管道组成。
高程齿轮泵由泵电机驱动。
当它被提升时,气缸的阻力更大。
为了防止系统电路的液压过高,损坏油泵和附件,在齿轮泵出口设置了高压安全阀作为安全阀,以调整压力值,满足高程要求要求。
在汽车清洗机上,液压系统根据机器的内部和外部管道进行分配[16]。
2.2.2截割电机保护控制
（1）切割电机的恒功率自动控制两种电流互感器分别用于检测左右切割电机的单相电流。
将切削电流信号转换为电压信号,发送到控制器进行比较。
得到了过载和过载信号。
当两个电机都下载（P<90%Pe）时,会发送加速信号,并增加牵引力（最大到给定速度）;当任何一个电机超载（P>110%pe）时,发送信号,并发送电机速度会自动减少,直到它退出重载区域。
P是切割电机的实际功率,Pe是切割电机的额定功率。
（2）切割电机的温度保护控制左右切割电机绕组的启动电路中存在温度触点。
当任何电机的温度超过155°C时,触点就会断开,从而断开启动电路,切断汽车垫圈。
同时,Pt100的热阻被嵌入左侧并切割电机绕组。
热阻值通过热阻输入模块转换为小电流信号,并连接到主控制器。
当任何一个的温度达到135度时,牵引速度降低30%,当温度达到155度时,主控制器的输出信号切断了汽车洗衣机的控制回路,关闭了整机的电源。
此外,喷淋冷却系统还用于对电机进行物理冷却,以达到保护电机的目的[17]。
2.3洗车机现场采集系统
2.3.1温度检测及保护
铂电阻具有电阻率高、电阻系数高、温度灵敏度高的特点。
它被广泛用于电机温度检测。
铂电阻作为温度传感器嵌入电机中。
温度测量的范围一般为-70~630。
图2-9和图2-9显示了铂电阻的温度测量电路。
在图2-9中,桥电源电压为5V。
为了保证电压精度,采用LM324差分放大器对桥接电源电压Ub进行调节。
WR2是一种150滑动变阻器。
其目的是调整Ua和平衡桥梁。
图2-10是温度桥的等效电路,不考虑差分放大器。
图2-9铂电阻测温及信号放大电路
图2-10铂电阻测温电桥等效电路
由于ut值处于毫伏电平,因此必须先通过差分放大器对其进行放大,然后才能将其作为输入值传输到控制器。
当电机过热保护动作时,程序设置不允许立即启动,延迟三分钟,直到铂电阻电压信号下降到允许值,才能启动电机,真正实现对电机的保护。
此外,有油温保护,当牵引部件液压系统的油温超过允许值（一般不超过70~80°C）时,使用温度传感器切断电源。
2.3.2电压检测及保护
从图2-11中可以看出,电压通过第44节中的电压互感器产生电流i。
同时,由于UIA器件的两个输入端子2和3是虚拟短路的,它们的相对接地电压为0。
因此,在UIA的输出1处有一个电压,我们将其设置为U1。
值1是当前i和VR1的乘积。
从图中还可以看出,U1B输入端子在5点的电压值等于U1加2.5v。
这样,阶段A电压的值转换为U1B电压U7的输出7的值。
可以知道,电压值U7与a相的电压值呈线性关系,通过对电阻R3的电流限制保护和二极管D1和D2的保护,将电压U7输入具有电压值（0-3V）的控制。
图2-11电压检测电路图
2.3.3压力检测及保护
为了保护汽车清洗机的电机和液压系统,有必要设置压力保护电路,使液压系统在压力超过指定值时自动停止。
压力保护包括高压保护和低压保护。
通过设置安全阀,防止液压装置或部件过载,实现了液压系统的高压保护。
低压保护的功能是防止控制电路因低压而失效,保证主电路的正常补油和换热。
其工作原理是,当系统压力超过安全阀设定值时,阀门打开,溢油返回主电路的低压侧,系统压力不再上升,从而实现过载保护。
当辅助泵严重磨损和吸油滤清器堵塞造成辅助泵真空或供油回路严重泄漏时,可能导致供油压力低、供油不足,导致正常供油和热量不足更换,恶化液压系统的工作状态,或造成汽车清洗机的控制故障。
压力继电器是在辅助泵的排水管或控制电路中安装的最简单的低压保护方法。
当辅助泵的供油压力太低时,压力继电器立即起动并停止电机。
卸料阀设置在主电路中的高压和低压管道之间。
当辅助泵的供油压力太低时,在弹簧力的作用下,将旁路阀复位,连接高低压管道,卸载主液压泵,停止汽车清洗机的牵引力。
2.3.4电机绝缘检测及保护
当电机未启动时,交流真空接触器KM1未关闭,辅助触点关闭。
此时,24V电源被发送到51K电阻,通过150K电阻的一个方向,另一个方式发送到电机绕组。
当电机的绝缘电阻非常大时,其等效电阻是无限的。
此时,V0的电压约为150K电阻和51K电阻的偏压,约为6V;当电机的绝缘电阻很小时。
当V0小于某个值时,PLC程序会识别电机的绝缘电阻不符合要求,并保护电机免受电源故障的影响。
第三章监控系统设计
3.1实时监控软件的概述
组态软件是一种工业应用软件。
作为数据采集与监控系统SCADA（监控与数据采集）的软件平台,它具有强大的功能,在促进工业自动化生产中发挥着重要作用。
早期配置软件具有简单的人机界面和单一的功能。
随着相关软件技术和控制系统的发展,组态软件处理的任务越来越复杂,实现的功能也越来越全面。
特别是软件部分是独立的,与硬件分离,有利于组态软件的开发和开发。
现场总线技术的成熟和集中极大地促进了各种设备的互联。
Ito驱动软件正逐步向标准化方向发展,为工业自动化领域的组态软件开发提供了更广阔的空间。
3.1.1WinCC组态软件的概述
SimaticWinCC（Windows控制中心）配置软件是第一个基于32位内核的HMI/SCADA系统软件。
作为全球领先的传统自动化系统领导者,WinCC自出现以来,成功地为最成功的hmixscada系统软件奠定了基础,继承了西门子的技术风格和之间的无缝集成。
他们。
在中国加入WTO的那一年,它被《美国控制工程》杂志评为最佳的人居scada软件。
模拟胜利CC的设计理念是系统的全面性、先进性和开放性。
SimaticWinCC可以通过统一的数据管理、通信连接配置和编程与硬件系统无缝集成,无疑大大减少了工作量。
SimaticWinCC的内置通信系统包括大量通信组件,可实现从Profibus总线到以太网、基于组件的自动CBA和Profinet技术以及无线通信解决方案。
SimaticWinCC还包含不同制造商提供的自动化系统的各种通信驱动程序。
WinCCV6.0使用标准的MicrosoftSQLServer2000数据库对生产数据进行存档,并具有Web导航器浏览器的功能。
采用bsp结构。
通过打开IE浏览器,即使在客户端上也可以实现SimaticWinCC项目在客户端上的运行,而无需安装SimaticwinCC基本系统。
作为Simatic完全集成自动化系统的重要组成部分,winCC保证了与SimaticS5、S7和505系列PLC的连接的便利性和通信效率的高效率。
WinCC和STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目的开发周期。
此外,WinCC还提供了SimaticPLC的系统诊断选项,为硬件维护提供了便利。
WinCC系统由变量管理器、图形编辑器、报警记录、变量存档、报表编辑器、全局脚本、文本库、用户管理器和交叉引用表组成,如图3-1所示。
图3-1WinCC系统组成及功能
（1）变量管理器变量管理器（标记管理）管理赢CC项目中使用的变量和通信驱动程序。
变量可以根据其函数分为内部变量、外部变量、脚本变量和系统变量。
（2）图形编辑器图形编辑器（图形设计器）用于创建过程图片并使其动态。
它编辑的文件将扩展到。
Pdl。
（3）报警记录负责消息的收集和归档,包括处理、预处理、表达、确认和归档。
它可以定义触发进程中消息的事件。
当进程值超过预定义的限制时,系统可以以图片和声音的形式报告
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