基于S7300和WinCC的钢卷卸卷和运卷装置液压控制系统设计.docx
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基于S7300和WinCC的钢卷卸卷和运卷装置液压控制系统设计
重庆科技学院
毕业设计（论文）
题目基于S7-300和WinCC的钢卷卸卷和运卷
装置液压控制系统设计
院（系）
专业班级
学生姓名学号
指导教师职称
评阅教师职称
2017年6月8日
注意事项
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1）设计（论文）
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3）其它
学生毕业设计（论文）原创性声明
本人以信誉声明：
所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。
与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业设计（论文）作者（签字）：
2017年6月12日
摘要
钢卷运输系统是在整个轧制生产线中不可缺少的设备，在传统的钢卷运输方式中主要采用是步进梁、链式输送机以及汽车等形式。
目前，托盘辊道钢卷运输系统作为一种新型钢卷运输系统正在国内外广泛应用。
本文主要研究通过PLC和WinCC结合，设计一套新型钢卷运输系统。
这种新型运输方式可以使得钢卷运输快速并能流畅地进行，满足了带钢连轧生产的品种多、质量高、节奏快的要求。
因此，该托盘辊道钢卷运输系统具有良好的应用前景。
本设计是基于西门子S7-300PLC控制器和WinCC，同时还研究钢卷卸卷和运卷装置和液压站为主要控制对象的控制要求。
提高了钢卷运输的快速性以及流畅地进行过程控制的自动化水平程度，这不仅可以取得巨大的经济效益，而且还能提高自身在钢铁行业中的竞争实力，对于国家冶金、建筑行业发展具有重要意义。
关键词：
托盘钢卷运输PLCWinCC
ABSTRACT
Steelcoiltransportsystemisindispensableinthewholerollingproductionlineequipment,mainlyusedinthetraditionalsteelcoilmodeoftransportationiswalkingbeam,chainconveyorandcarform.Atpresent,thetraytablecoiltransportsystemasakindofnewsteelcoiltransportsystemiswidelyusedathomeandabroad.ThispapermainlystudiescombiningPLCandWinCC,designasetofnewsteelcoiltransportsystem.Thenewmodeoftransportationcanbesteelcoiltransportcanquicklyandsmoothly,tomeetthevarietyofstripsteelrollingproduction,highqualityandfast.Asaresult,thetraytablecoiltransportsystemhasagoodapplicationprospect.
ThisdesignisbasedonSiemensS7-300PLCcontrollerandWinCC,atthesametimealsostudycoildischargevolumeandthecoildeviceandcontrolrequirementsofhydraulicstationasthemaincontrolobject.Improvethequicknessandsmoothlyofcoiltransportprocesscontrolautomationdegree,itcannotonlyobtainenormouseconomicbenefits,butalsocanimprovetheircompetitivepowerintheironandsteelindustry,ithasgreatmeaningtonationalbuildingandmetallurgicalindustry'sdevelopment.
Keywords：
tray；steelcolltransport；PLC；WinCC
1绪论
1.1本课题的目的及意义
近年来随着人们的经济快速发展，热轧带钢产量不断增加的同时，对其钢卷运输质量的要求也逐渐增高。
在钢卷运输过程中出现的任何问题，将直接影响到重大质量问题和各种事故等情况。
因此，设计一种质量高的钢卷运输和卸载装置也是钢铁行业巩固、开拓市场以及树立企业品牌形象的需要。
面对新时期的挑战，我国钢铁行业产品的数量不再是主要矛盾，结构性的矛盾更加突出。
市场竞争也尤为激烈，集中反映在品种的质量、产品的成本和劳动的生产率以及可持续发展所造成的综合竞争力上。
当前，我国的钢铁行业已经进入了加快结构的调整、升高了市场的竞争力和经济运作质量的新时代，进入了由钢铁大国变为钢铁强国的新的奋斗时代。
我国的钢铁行业也对钢卷运输实施技术的进行改造，这不仅将带动企业生产效益的增加，还同时带动相关技术的进步，增强了产品的质量竞争能力和适应市场变化的能力。
钢卷运输系统是整个轧制生产线中的重要设备，钢卷运输传统的运输方式主要采用的是步进梁、链式输送机以及汽车等形式。
[1]目前，托盘辊道钢卷运输系统作为一种新型钢卷运输系统正在国内外广泛应用。
[1]该系统是一种可以通过托盘在双层辊道链上来回运输实现，在实际生产中主要应用于冷、热连轧的钢卷运输线上。
[1]可以使得钢卷流畅并快速地运输，满足了带钢连轧生产的品种多、质量高以及节奏快的要求。
因此，该托盘辊道钢卷运输系统具有一定的应用前景。
由上所述，本次课题所研究的钢卷卸卷和运卷装置液压控制系统，提高了钢卷运输的快速性和过程运输中的自动化水平程度，不仅能取得巨大的经济效益，还能提高自身在钢铁行业中的竞争实力，给我们国家的冶金、建筑行业发展带来了重要的意义。
1.2钢卷卸卷和运卷装置液压控制技术展研究现状
近些年，钢铁行业出现了托盘辊道运输方式，它解决了各个运输过程中所遇到的问题，热镀锌行业是最先使用此运输方式的，其主要是为了保护其表层以及减少被吊起的机会。
世界上的马钢新区2250mm热轧项目是初度在热轧带钢生产线上利用托盘式运输形式，该项目是2007年2月投入生产的，能够让冷轧、热轧、平整机组以及钢卷库之间的物料运输问题得到有效的应对。
接着采用了这种运输方式是邯郸钢铁公司。
他们都是采用托盘运输系统的双层辊道，来引进此运输方式。
之后，首钢迁钢热轧项目和首钢京唐钢铁有限公司1580mm热轧项目的运输钢卷也都是采用的托盘运输方式，其中运输结构为双排式，采用技术为自主集成，优势更为突出。
在我国，20世纪七八十年代的钢铁行业的生产线还有很多是热轧生产线，后来又从国外引进的淘汰的二手设备，在那时钢卷运输方式还不是很完善，甚至还有部分是立式的钢卷运输方式，正面临着运输方式改造和完善的问题。
[2]托盘式运输系统之所以不能应用到部分老旧运输线是由于受到了空间的限制。
[2]托盘式钢卷运输系统相对于传统快速运输链和步进梁方法具有运输平稳、份量较轻、设备维护比较方便、节能环保等优点，在国内外工业中也受到了越来越多的工厂欢迎。
到现在为止，托盘辊道式钢卷运输方式已经被很多条新建的热轧项目应用了，并且取得了较好的效果。
在这些热连轧项目中，双层辊道和横移装置都被卷取机出口采用了，用双层辊道加横移装置来解决运输线和运输线卷取机的运输快慢的匹配等问题，其占地范围较大。
在液压技术控制这一方面，有着液压技术强国的深厚背景国家有美国、德国和日本，它们是世界上制造强国。
美国是当代液压技术的第一强国，也是作为液压技术进步最早的国家。
目前在液压技术方面仍处于领导者的位置，并以Parker、Eaton为代表作为液压产业的主要产出国。
继美国之后德国作为欧洲代表成为液压行业新的竞争国家，起到了对美国液压控制技术促进发展和翻新的作用。
日本作为在发展中液压技术的国家，由于对整个行业的充分吸收、消化和创新进而成为了当前领先者的榜样。
从总体情况来说,我国的液压控制技术和国外先进的液压控制技术相比，我国还存在一段距离，尤其在高、新、尖液压控制技术装备中，我国仍还处于引进时代，还没有做到能够充分的消化和吸取。
很少有国内伺服系统是真正完善的。
在我国还是有许多厂家能够生产出加工伺服系统核心都是从其它国家引进的，并且在整个生产的机器精度上还不如国外同类别的产品。
而我国有一些生产伺服系统的厂家，比如扬州曙光仪器公司引进来的西门子公司生产的伺服系统，它的成本基本上与进口的伺服系统一样的，这个也是制约我国工业行业发展的一大阻碍。
[3]
因此利用现代的钢铁运输的革新和积累的经验，使得液压控制技术逐步实现以流畅、快速为核心的新一代运输方式，在性能优良、提高产品质量和工业自动化程度方面做出贡献的同时也将利用循环的钢铁材料，节省了资源和能源，促进了可持续发展，让我国的工业行业越来越好！
1.3课题主要内容
本课题的主要内容如下：
①技术方案和规划的主要功能满足钢卷卸卷和运卷装置和液压站为主要控制对象的控制要求；
②制作系统IO表，设计电气原理图、程序流程图、软件系统框图；
③编写钢卷卸卷和运卷装置以及液压站（包括主泵、循环泵、加热器、冷却器等）的PLC逻辑控制程序，以及油位、温度等变量的过程控制程序，实现本地控制和HMI远程控制，控制程序段和使用的地址必须给出详细的符号名和注释；
④HMI能够用的显示、储存和设置有关的工艺参数或设备状态；
⑤安全联锁，确保人身安全、设备安全和生产过程的可持续性；
⑥综合钢卷卸卷和运卷装置液压系统工艺、控制技术和通讯技术等，实现自动化控制；
⑦准备电子、纸质档，格式与相关毕业设计要求符合。
1.4本章小结
本章主要讲述了本次课题基于PLC-300和WinCC钢卷卸卷和运卷装置液压控制系统的目的和意义，然后还介绍了钢卷卸卷和运卷装置在国内外发展状况以及液压控制技术研究现状，最后简单阐述了本次课题的主要内容，为接下来的设计做好铺垫。
2系统控制方案
2.1钢卷卸卷和运卷装置结构和工作原理
2.1.1钢卷卸卷和运卷装置的结构
钢卷卸卷和运卷装置结构设计为托盘式运输方式，如图2.1所示应用的是双层辊道链来运输托盘。
上层辊道链主要是运输带钢卷的托盘，下层辊道链则运回卸完钢卷后的空托盘，在整个托盘运输系统中的有首末升降机、上下辊道链电机、横移小车和航车等辅助的设备。
图2.1托盘辊式钢卷运输系统
2.1.2钢卷卸卷和运卷装置的工作原理
钢卷卸卷和运卷装置是采用的托盘辊式钢卷运输系统，其工作原理是采用液压站提供机械动力，然后用泵来提供升降装置、横移小车、打捆等机械力。
双层辊道链把托盘循环运输使用，使其完成自动控制钢卷卸卷和运卷整个运输过程。
托盘辊式钢卷运输系统的工艺流程为：
卷取机卷完钢卷后，由小车横移到卷取机处进行取卷，取完卷的小车把它运输到打捆处进行打捆；打完捆后，由小车运送到上层辊道链的空托盘上，当装钢卷的托盘运输到上层辊道的末端时，航车就把钢卷运回库中；空托盘就随末端升降装置下降到下层辊道进行返回，当到达下次辊道的首端时由首端升降装置上升到上层辊道，最后运回到装钢卷处等待下一次运卷。
2.2液压站控制系统组成和功能
2.2.1液压控制系统组成
根据系统控制对象，可以知道：
液压站有7台泵，主油泵有4台，3用1备，3台循环泵，2用一备。
这是为了保证整个运行中的控制系统能够正常运行，用它来为各种辊道、提升小车等提供机械动力。
而循环泵是为了使油泵里面的机油搅拌均匀，避免出现工作泵动力不足的现象。
图2.2液压站流程图
2.2.2液压控制系统功能
液压站主要是提供钢卷卸卷和运卷装置辊道机械力，为整个运输过程提供动力。
液压站控制系统的液压泵是有4台主油泵，1#主油泵是提供横移小车的机械力，2#主油泵是提供升降装置的机械力，3#主油泵是提供打捆的机械力，4#主油泵是备用泵，4台工作泵是交替工作的。
如果遇到某台泵故障或者检修时，即有紧急停车信号时，则停下故障工作泵，然后再切换到备用泵。
主油泵的控制分为本地、远程控制，启动方式是Y-△启动。
液压站控制系统还有3台循环泵，两用一备，循环泵采用的是自动控制，对油箱内的油进行搅拌、循环使用。
当其中一台循环泵坏了后，就自动切换到另外一台备用泵，继续工作。
2.3系统结构
本系统的主要硬件部分就是S7-300的PLC（CPU315-2DP）和本地I/O单元，以及各种开关量、模拟量的输入、输出模块。
软件部分就是通过STEP7进行编写逻辑控制语言、WinCC组态软件设计人机界面窗口以及一些通信协议。
通过本地I/O单元收集到的模拟及数字信号传递到S7-300进行数据处理，最后通过组态画面WinCC进行监控。
其中PLC收集与处理的实时数据与WinCC显示的数据是完全一致的。
系统具体结构如图2.3所示。
图2.3系统结构框图
2.4本章小结
本章讲述了钢卷卸卷和运卷装置结构和工作原理的设计，同时还介绍了液压站控制系统功能和组成，为各种辊道、提升装置提供机械动力，实现了钢卷卸卷和运卷循环运输自动化过程。
3硬件控制系统设计
3.1主要元器件选型
3.1.1PLC的选型
PLC是可编程逻辑控制器的简称，我们本次设计主要是从西门子S7-400、300、200中选择，而它们主要区别是应用规模的不同。
在实际的应用工程中S7-400的控制点一般在大型系统上千点都不为多；S7-300的控制点基本上不超过512个；S7-200的系统则一般不会超过64个。
当然系统的控制点也会受到CPU、授权点数、存储器的影响，其相关参数也可以查询相关的手册。
因为我的毕业设计中只需要满足中、小型控制要求，所以我选择的是S7-300，它几乎能满足自动化过程中各类控制要求。
根据工艺流程要求和系统的规模我对控制点I/O点进行估算。
通过分析了被控对象的工艺流程，统计出系统的I/O点。
留有备用量约15%。
我选择的现场总线PROFIBUS-DP是所有的现场总线应用最广泛的。
PROFIBUS是一种独立且开放的总线标准，它是由西门子公司提出来的。
通过控制字的传输来控制各个的驱动。
根据上述设计要求选择具有现场总线功能的CPU，所以本次CPU选择型号为CPU315-2DP。
3.1.2断路器选型
断路器是一种空气开关，它是在当工作时的电流超过其额定电流或者出现失压、短路等状况下进行了有效的保护，可以自动断开电路。
断路器主要选型规则：
断路器的额定电压不小于线路中的工作电压，其额定电流不小于线路中负载电流，脱扣器额定电流不小于线路中的计算负载电流，其极限通断能力也不小于线路中的最大短路电流，1.25倍的空开瞬间或短时间延时的脱扣整流小于线路中的末端单相对地短路电流，断路器的欠电压脱扣器的额定电压和线路中的额定电压相等。
根据上述断路器选型规则，本设计所选择的断路器产品型号为DZ47-60，断路器的额定电流为20A，其额定电压为220V，灭弧方式为磁吹断路器。
3.1.3热继电器选型
热继电器是电流通过热元件产生热量，使得检测元件受到了热度弯曲来推动连杆动作的。
它主要应用于电动机的三相电流不平衡运行保护、过载保护和断相保护以及其它的电气设备的状态控制。
热继电器主要选型规则：
额定电流不小于电动机额定电流，但对于热继电器整流、电机回路电流应等于电机的额定电流。
正确选用的热继电器．和电动机的工作模式有密切的关系。
若热继电器用来保护长期处于工作模式的电机，一般是按照电机额定电流来选择,所以本设计选择的热继电器是TK-E02S-C。
3.1.4电源选型
电源选型是由CPU型号来定，所以CPU模块的选型决定了电源选型。
S7-300系列具有很多CPU型号，每一种型号都能运用到不同的工业环境中。
根据控制系统的工艺流程和实际需求，即实际要求需要实现本地和远程控制。
所以综上所述本次设计要求需要选择具有现场总线性能的标准型CPU，最后选择了CPU315-2DP，所以电源型号选择为PS3075A。
3.2电气接线图设计
3.2.1主电路图
主电路图主要是完成主油泵电机、循环泵电机以及各种辊道链电机等的电气连接图，包括主电路的控制电路以及紧急停车按钮的设计。
具体主电路图见附录Ⅱ。
3.2.2输入输出接线图
输入输出接线图由两部分组成，第一部分是PLC数字量输入有六张图，每张图画8个输入点；第二部分是PLC数字量输出有四张图，前面三张有8个输出点，后面一张有2个输出点。
共计有74个I/O点，具体输入输出接线图见附录Ⅱ。
3.2.3操作柜图
操作柜图上第一部分主要是由系统电源、紧急指示、报警指示这三个指示灯组成；第二部分是由手动、自动、本地、远程这四个带指示灯的按钮和一个急停按钮组成；第三部分是由卷取机、主油泵、循环泵、上下层辊道链和首末端升降链、冷却阀、加热器、补油阀二档转换开关组成。
具体操作柜图见附录Ⅱ。
3.3本章小结
本章讲述了硬件控制系统设计，它的主要器件PLC、断路器、热继断器、电源的选型，还有介绍了电气接线图的主电路图、输入输出接线图和操作柜图的设计。
通过对硬件控制系统设计，为接下来的毕业设计中系统PLC程序设计和WinCC画面做好准备。
4系统PLC程序设计
4.1程序结构分析
4.1.1程序块和数据块的规划表
表4.1程序块与数据块规划表
块
功能概述
OB1
主程序组织块
OB35
PID调用组织块
FC1
系统手动工作模式
FC3
循环泵自动工作模式
FC4
油箱温度控制
FC5
系统紧急停电处理
FC6
动态控制
FC7
自动控制
DB13
PID参数背景数据块
FB41
PID参数整定模块
4.1.2I/O编制表
本系统共有74个I/O点，由于我们的现场设备没有传感器，因此模拟量输入输出均是有实数表达。
具体I/O编制表见附录Ⅰ。
4.2钢卷卸卷和运卷装置液压控制系统程序
4.2.1自动控制程序
在电源和本地或远程启动的条件下，自动模式的自动程序流程为：
按下自动模式按钮后，卷取机卷钢卷5S后，1#泵启动小车横移，然后小车到达卷取机下方1#泵停止，2#泵启动小车上升，当小车上升到钢卷处2#停止，1#启动小车横移到打捆处1#泵停止，2#泵启动小车下降，当小车下降到位2#停止，1#启动小车回到原点，钢卷打捆5S后1#泵启动反转，当到达打捆处下方时1#泵停止，2#启动上升到位后2#泵停止，1#泵启动小车横移到托盘处1#停止，2#启动小车下降到位2#停止后1#启动小车回到原点停止，同时上层辊道也启动将托盘运到末端辊道，当托盘到达末端辊道时，航车启动把钢卷取入库，空托盘下降到下层辊道后，运输到下层首端辊道处，空托盘上升到上层辊道后运输到装钢卷处等待下一次运卷。
自动模式的程序流程图如图4.1。
图4.1自动控制程序流程图
4.2.2手动控制程序
手动模式下的手动控制程序流程为：
首先启动系统电源，然后选择本地或远程，按下手动模式后可以对每种设备分别进行启动或停止。
如果中途按下急停，所有控制设备就会停止。
如图4.2为手动控制流程图。
图4.2手动控制程序流程图
4.3PID参数整定及趋势图
4.3.1PID的构建
本控制系统可以通过STEP7软件中的OB35模块，然后在OB35模块中的Standardlibrary目录下找到PID的FB41模块进行PID参数整定，然后生成了DB13、DB14背景数据模块用于储存P、I、D等相关参数。
通过此PID调节储油罐液位和温度。
因为本设计需要对储油罐的液位进行实时采集，然而并没有实物模型，所以为了能采集数据，我在PLC程序上建立了一个PID一阶模型。
本设计的系统是采用的是一阶惯性环节：
G（s）=1/（1+TS）,然后令T=5，使用MATLAB软件来求得离散后能被电脑识别的对象，使其等于U/R,求出关于U的一个函数。
最后将这个关于U的方程带入PID模块中，进行控制，通过整定后最终确定了P=5.0，I=1MS，D=0。
4.3.2储油罐液位和温度趋势图
首先是对储油罐液位的依次设置为20、40、60，经过一段时间储油罐液位采集值与设定值依次相等并达到平衡，PID储油罐液位整定趋势图如图4.3所示。
然后对储油罐温度的依次设置为10、20、30、40，经过一段时间储油罐液位采集值与设定值依次相等并达到平衡，PID储油罐温度整定趋势图如图4.4所示。
图4.3PID储油罐液位整定趋势图
图4.4PID储油罐温度整定趋势图
4.4本章小结
本章主要讲述了系统PLC程序设计，主要介绍了钢卷卸卷和运卷装置系统程序块和数据块的规划表和I/O表，然后介绍了钢卷卸卷和运卷装置的自动控制程序和手动控制程序，还介绍了PID参数整定和趋势图。
通过对PLC程序的设计，为接下来WinCC与PLC连接做准备。
5人机界面设计
5.1WinCC与PLC通信
5.1.1OS站的建立
在STEP7软件中，我们可以通过OS站的建立，使得WinCC画面和PLC的变量链接起来，从而方便了WinCC画面中的变量调用。
图5.1建立OS站图
5.1.2WinCC变量管理与PLC通信
在WinCC的变量管理中首先建立外部变量，我选择在PROFIBUS新建连接，先把系统参数逻辑设备名称PLCSIM（PROFIBUS），然后修改连接参数中插槽号为2如图5.2所示。
图5.2连接参数设置图
5.2组态画面设计
5.2.1主画面设计
主画面主要是实现钢卷卸卷和运卷装置托盘式运输系统工艺流程全自动模式，它主要有横移小车、双层辊道、首端升降机、末端升降机以及航车组成，然后旁边画了简单的操作盒方便控制系统电源、远程和自动模式的启动按钮如图5.3。
在另外界面还画了手动界面和自动界面方便对钢卷卸卷和运卷装置液压控制系统设
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