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基于冷轧热镀锌机组的液压控制系统设计【说明书+CAD】

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基于 冷轧 镀锌 机组 液压 控制系统 设计 说明书 CAD
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毕业设计(论文)题题 目目: 基于冷轧热镀锌机组的液压控制系统基于冷轧热镀锌机组的液压控制系统学学 院院 机电工程与自动化学院机电工程与自动化学院专业专业(层次层次) 机械制造及自动化(专升本)机械制造及自动化(专升本)年年 级级 10 级班班 级级 机械班学生姓名学生姓名 王俊杰学学 号号 104A1454指导教师指导教师 宋进上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 I 页 共 77 页目 录目目 录录.I摘要摘要 .IIABSTRACT.III第一章第一章 绪论绪论.11.1 课题研究的背景.11.2 课题研究的目的和意义.11.3 论文的主要内容.1第二章第二章 液压控制系统方案设计及系统构成液压控制系统方案设计及系统构成.22.1 冷轧厂热镀锌机组的工作原理概述(热镀锌机组) .22.2 热镀锌机组的液压电气控制系统设计要求 .22.2.1 主泵单元 .22.2.2 循环单元 .32.3 热镀锌机组的液压控制系统主要元件参数计算及型号选择 .52.3.1 油箱单元 .52.3.2 主泵单元 .62.3.3 循环单元 .92.3.4 冷却单元 .112.3.5 加热单元 .142.3.6 过滤器 .16第三章第三章 热镀锌机组的液压控制系统设计分析热镀锌机组的液压控制系统设计分析.173.1 热镀锌机组的液压控制系统结构.173.2 主电路 .193.3 电磁阀,泵等驱动控制器电路设计 .193.4 信号电路设计 .213.4.1 数字输入电路图 1 .213.4.2 数字输入电路图 2 .223.4.3 数字输入电路图 3 .233.4.4 数字输入电路图 4 .243.4.5 数字输出电路图 1 .253.4.6 数字输出电路图 2 .263.4.7 模拟输入电路图 1.273.4.8 模拟输入电路图 2 .28第四章第四章 控制系统软件设计控制系统软件设计.29上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 II 页 共 77 页4.1 控制系统软件设计要求.294.2 控制系统软件总体设计 .314.3 PLC 和模块选择.344.3.1 西门子 S7 系列可编程控制器 PLC 选择 .354.3.2 输入/输出(I/O)单元.364.3.3 模拟量输入单元 .374.3.4 电源.374.4 人机界面设计 .384.4.1 驱动建立 .384.4.2 变量连接 .394.4.3 Wincc 画面.534.5 S7-300PLC 程序设计.584.5.1 硬件配置 .584.5.2 程序编制 .64第五章第五章 结论与展望结论与展望.695.1 结论.695.2 展望.69致致 谢谢.70参考文献参考文献.71A 附录:附录:.72A1. OB1 主程序程.72A2. FC1 主循环程序.73A3. FC2 循环回路程序.75A4. FC3 模拟量读取子程序.79A5. FC4 报警子程序.84A6. WINCC符号表.102A7. S7-300 符号表.107上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 II 页 共 77 页基于 S7-300 PLC 和 Wincc 的液压控制系统摘要由于传统的液压系统采用继电器等元件作为控制系统的控制元件,存在可靠性,灵活性差等许多缺点,现将通过 PLC 和上位机来实现液压系统自动控制系统,提高了控制系统的柔性,构建了由 PLC 作为下位机控制现场设备,由 PC作为上位机在线监控的控制系统,有利于在机电液综合控制等方面的综合能力,还可以实现机,电,液一体化的完美结合,实现液压系统的自动化,实时监控等。本系统以冷轧热镀锌机组,入口段液压站为例进行设计。入口液压系统向入口段的液压阀供油,液压系统压力约为 140bar。对液压系统方案和液压系统构成进行设计;对液压控制系统进行分析,设计液压管路系统,配电系统,自动控制系统;对液压控制软件进行设计,包含 wincc 上位机监控,s7-300 PLC程序设计。关键词:液压系统,PLC,自动化,控制系统上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 III 页 共 77 页ABSTRACTDue to traditional hydraulic system use relay as control system, these elements are poor reliability and poor flexibility, existence many shortcomings, now use PLC to realize the automatic control system, to improve the control system flexible, constructs by PLC as the next place machine control field device, by the PC as PC on-line monitoring and control system for students in aspects of comprehensive control electromechanical liquid comprehensive ability, still can achieve machine, electricity, liquid integration perfect union, realize the automation, experimental treatment real-time monitoring, etc.Key words: Hydraulic system, PLC, automation and control system上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 1 页 共 77 页第一章 绪论1.1 课题研究的背景液压系统是机电一体化技术的重要组成部分,液压传动相对于机械传动来说是一门新技术,随着液体力学,自动控制,计算机等技术的不断发展,液压传动技术已经发展成为包括传动,控制,检测技术,机电一体的一门完整的自动化技术,并且在工业生产,设备控制等方面都得到了广泛应用。液压传动相对机械传动来说,是一门新的传动技术。如果从世界上第一台水压机问世算起,至今已有 200 余年的历史。然而,直到 20 世纪 30 年代液压传动才真正得到推广应用。目前,我国的液压件已从低压到高压形成系列,并生产出许多新型的元件,如插装式锥阀、电液比例阀、电液数字控制阀等。我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时,大力研制、开发国产液压件新产品,加强产品质量可靠性和新技术应用的研究,积极采用国际标准,合理调整产品结构,对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品,采用逐步淘汰的措施。由此可见,随着科学技术的迅猛发展,液压技术将获得进一步发展,在各种机械设备上的应用将更加广泛。1.2 课题研究的目的和意义 本课题研究的液压自动控制系统,想通过它来给冷轧热镀锌机组液压设备提供液压确保液压设备的正常运行,从而保证热镀锌机组能连续生产。液压站是生产机组的重要组成部分,液压站的正常运行直接影响到机组的生产。由于传统的液压系统采用继电器等元件作为控制系统的控制元件,存在可靠性,灵活性差等许多缺点,现将通过 PLC 和上位机来实现液压系统自动控制系统,提高了控制系统的柔性,构建了由 PLC 作为下位机控制现场设备,由 PC作为上位机在线监控的控制系统,有利于在机电液综合控制等方面的综合能力,还可以实现机,电,液一体化的完美结合,实现液压系统的自动化,实时监控等。1.3 论文的主要内容对通用液压系统的进行研究,分析通用液压系统工艺,对液压控制系统方案进行设计,系统构成进行设计,对液压控制系统进行分析,设计系统软件,包含 S7-300 PLC 程序设计,上位机监控系统 Wincc 设计,对系统进行调试。达到对所学课程的一个总结,对学过的知识总结,各方面的知识都有机的结合起来,使自己对所学过的知识有更深入了解,为日后打下良好的基础。上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 2 页 共 77 页第二章 液压控制系统方案设计及系统构成2.1 冷轧厂热镀锌机组的工作原理概述(热镀锌机组)冷轧厂热镀锌机组包含入口段,工艺段,酸洗段,出口段。入口段系统完成入口段区域机械设备液压单元的控制,以使钢带在要求的速度和张力的控制下完成开卷,矫直,对中,测厚,切头,切尾和焊接等动作。工艺段主要对破磷机,2,3,4,5,7 号张力辊,入口,中间,出口活套等设备进行检测控制并提供参数设定,故障报警,过程监视。酸洗段完成酸洗区域的钢带酸洗处理,酸流量控制,闭环酸液浓度控制,再生槽液位控制和再生槽温度控制。出口段将钢带切成指定的宽度并对中纠偏,调整张力,速度准备进入轧钢机入口。本系统以入口段液压站的镀锌机组的液压电气控制系统为例进行设计。2.2 热镀锌机组的液压电气控制系统设计要求主回路油泵和备用泵使用变频控制,循环回路油泵和备用泵,加热器,冷却泵使用 PLC 输出继电器,控制接触器,直接启动控制。各回路阀门使用 PLC 控制继电器,控制接触器直接控制。该液压系统主要由主泵系统,循环系统构成。2.2.1 主泵单元主泵为轴向柱塞变量泵,压力补偿型,通过联轴器和钟型罩与电机相连,安装在一个钢结构架上,结构紧凑,单元由下列部件组成:在吸油管带限位开关的截止阀,单向阀,压力过滤器(包括阻塞指示器) ,溢流阀,供油管路的截止阀,软管,压力开关,压力计,柔性连接,接油盘,接线盒和法兰,这些单元用带减震装置的部件安装,与吸油口和排油口进行柔性连接,泵位于油箱附件液位以下。液压泵站共有 2 台主泵(*01MKL1-4),其中 1 台为工作泵,1 台为备用泵。所有主泵通过专门的液压管路经过过滤器给液压阀台和液压缸供油。每个泵入口管路上的阀门在泵正常工作时必须打开。这些阀的开闭由限位开关监视。上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 3 页 共 77 页表 2.1 主泵单元器件表型号名字作用变频器控制 1,2 号主泵电机交流电机1#主泵电机交流电机2#主泵电机流量传感器检测主回路液压油流量压力传感器检测主回路液压油压力接近开关主回路截止阀打开到位检测堵塞检测开关主回路供油过滤器堵塞检测堵塞检测开关主回路回油过滤器堵塞检测故障检测1#主油泵故障检测故障检测2#主油泵故障检测2.2.2 循环单元液压站循环系统主要是由循环泵,加热器,冷却系统和循环系统管路组成、主要功能是通过循环泵把液压站油箱的脏油侧的油循环到净油侧,从而达到清洁液压油也对液压油温度进行控制。液压油的温度通过加热器和冷却水系统进行控制。这个单元由所有需要的附件组成,安装在一个钢结构框架上,以便于加热,过滤,和冷却油品。循环单元由下列组成:吸油管截止阀, (带限位开关) ,螺杆泵,电机,联轴器和钟型罩,柔性连接,溢流阀,单向阀,动态加热器,双筒式过滤器(包括阻塞指示器) ,水流量控制阀,单向阀,截止阀,压力计,温度开关,温度计,流量开关,水过滤器,接油盘,机上配管,接线盒,和所需的法兰。旁路线有加热器和热交换器为了避免循环回路所需大流量产生的噪声,使用螺杆泵,板型热交换器的冷却能力为该单元总功率的 30-40%,维持 45-50oC 的流体温度,入口水尾大约 30 度水的流量由一个电动的开关阀控制。上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 4 页 共 77 页表 2.2 循环单元器件表型号名字 作用交流电机1#循环泵电机交流电机2#循环泵电机电磁阀1#循环回路开关阀电磁阀2#循环回路开关阀电加热器加热器交流电机1#冷却泵电机交流电机2#冷却泵电机电磁阀1#冷却水开关阀电磁阀2#冷却水开关阀压力传感器循环回路液压油压力检测温度传感器循环回路液压油温度检测流量传感器循环回路液压油流量检测压力开关过滤器检测压力开关流量开关加热器流量检测开关温度开关加热器温度检测开关压力传感器冷却水回路压力检测温度传感器冷却水回路温度检测液位开关冷却水水源低液位检测开关接近开关循环回路开关阀检测手阀切换冷却泵使用故障检测1#循环泵故障故障检测2#循环泵故障故障检测1#冷却泵故障故障检测2#冷却泵故障故障检测加热器故障上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 5 页 共 77 页2.3 热镀锌机组的液压控制系统主要元件参数计算及型号选择2.3.1 油箱单元1)描述:油箱,带可视的液位指示器,液位传感器和低液位开关,温度传感器和温度开关,空气滤清器,备用接头,带限位开关的截止阀,接线盒,需要的法兰和内部管线,油箱的容量不小于主泵公称流量的 5 倍,由冷板焊接而成,内表面涂漆。油箱为 500 升,分为净油侧,和脏油侧 2 部分,液压油由净油侧通过主回路送到各个液压阀(提供 140Bar 压力) ,然后经过脏油侧回到油箱。2)传感器:液位开关,净油侧油箱液位低低检测液位开关,脏油侧油箱液位低低检测液位传感器,净油侧检测油油箱液位液位传感器,脏油侧检测油油箱液位表 2.3 传感器报警表类型状态动作备注报警净油侧油箱液位低检测给操作人员发出报警信号报警脏油侧油箱液位低检测给操作人员发出报警信号报警净油箱液位高检测给操作人员发出报警信号报警脏油箱液位高检测给操作人员发出报警信号故障净液位低低检测给操作人员发报警信号错误信号,循环泵停止,加热器停止和冷却系统停止重报警,参与液压站控制故障脏液位低低检测给操作人员发报警信号错误信号,循环泵停止,加热器停止和冷却系统停止重报警,参与液压站控制故障净液位高高检测给操作人员发报警信号错误信号,液压站主泵停止,重报警,参与液压站控制上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 6 页 共 77 页循环泵停止,加热器停止和冷却系统停止故障脏液位高高检测,给操作人员发报警信号错误信号,循环泵停止,加热器停止和冷却系统停止重报警,参与液压站控制2.3.2 主泵单元工艺要求:有 2 个主油泵,其中一个泵工作时,另外一个为备用泵。2 泵不能同时工作。如果遇到故障或者检修时,则停下工作泵,然后再切换到备用泵。主油泵的控制分为本地,HMI 控制和 DCS 控制。启动方式是变频器(2#主油泵控制同理)泵启动条件:本地 PLC 控制柜上的转换开关, (本地/ HMI/DCS)打在本地时,本地主油泵手动启动按钮动作,当转换开关打在 HMI,点击 Wincc 监控画面上的启泵按钮,当控制模式切换到 DCS 控制时,DCS 远程发送启动信号。停泵条件:在本地控制时,主油泵停止按钮动作,本地急停开关动作,来自 DCS 的紧急停车信号,来自 HMI 的急停动作;当转换开关打开 HMI 控制时,点击监控画面上的停泵按钮;本地控制柜上的转换开关打在远程 DCS 控制时,远程主油泵停止信号,液位超低,油路通行程开关信号断开,主油泵自动停泵。切换油泵条件(即故障信号):当主油泵在工作的过程中,空开断开,1#主油泵电机过载。表 2.4 主泵单元故障表类型状态动作备注报警流量传感器低给操作人员发出报警信号报警流量传感器低低给操作人员发出报警信号报警压力传感器低给操作人员发出报警信号报警压力传感器低低给操作人员发出报警信号报警压力传感器高给操作人员发出报警信号报警压力传感器高高给操作人员发出报警信号故障主回路阀开关开不到位给操作人员发报警信号错误信号,液压站主泵停止,重报警,参与液压上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 7 页 共 77 页循环泵停止,加热器停止和冷却系统停止,站控制故障1#主油泵故障给操作人员发报警信号错误信号,液压站主泵停止,循环泵停止,加热器停止和冷却系统停止,重报警,参与液压站控制故障2#主油泵故障主回路阀开关检测,给操作人员发报警信号错误信号,液压站主泵停止,循环泵停止,加热器停止和冷却系统停止重报警,参与液压站控制故障主回路供油过滤器堵塞给操作人员发报警信号错误信号,液压站主泵停止,循环泵停止,加热器停止和冷却系统停止,重报警,参与液压站控制故障主回路回油过滤器堵塞给操作人员发报警信号错误信号,液压站主泵停止,循环泵停止,加热器停止和冷却系统停止,重报警,参与液压站控制上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 8 页 共 77 页主油泵程序流程图图 2.2 主油泵程序流程图为主油泵的程序流程图启动信号1#变频启动1#故障?2#变频启动停止?停泵返回是否是否上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 9 页 共 77 页工作中 1#主油泵切换为 2#主油泵,在切换的过程中,变频启动不卸荷。报警条件:当系统油温高时,液位低,主油路堵,这些条件下,1#主油泵正常工作,但是会出现报警情况,报警的情况由报警指示灯在 HMI 上显示,图 2.2 为主油泵程序流程图为主油泵的程序流程2.3.3 循环单元工艺要求:有 2 个循环泵,其中一个泵工作时,另外一个为备用泵。2 泵不能同时工作。如果遇到故障或者检修时,则停下工作泵,然后再切换到备用泵。循环泵的控制分为本地,HMI 控制和 DCS 控制。泵启动条件:本地 PLC 控制柜上的转换开关, (本地/ HMI/DCS)打在本地时,本地循环泵手动启动按钮动作,当转换开关打在 HMI,点击 Wincc 监控画面上的启泵按钮,当控制模式切换到 DCS 控制时,DCS 远程发送启动信号。停泵条件:在本地控制时,循环泵停止按钮动作,本地急停开关动作,来自 DCS 的紧急停车信号,来自 HMI 的急停动作;当转换开关打开 HMI 控制时,点击监控画面上的停泵按钮;本地控制柜上的转换开关打在远程 DCS 控制时,远程循环泵停止信号,液位超低,油路通行程开关信号断开,循环泵自动停泵。上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 10 页 共 77 页循环泵跟主泵流程类似:循环泵程序流程图图 2.3 循环回路程序流程图启动信号1#循环泵启动1#故障?2#循环泵启动停止?停泵返回是否是否上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 11 页 共 77 页2.3.4 冷却单元工艺要求:有 2 个冷却泵,启动冷却泵电机前必须先开冷却水阀,其中只能有 1 台冷却泵工作,2 台冷却泵不能同时工作。启泵条件:当油站由本地控制时,本地手动启停冷却泵按钮动作,如果油站由 HMI 监控时同理,当油站切换到远处 DCS 控制时,冷却泵自动运行,当温度超过冷却泵设定上限时,冷却泵自动启动,低于下限设定值时,停止泵的运行停泵条件:当采集的温度低于设定的油温下限值时或者停止按钮动作,需执行停止冷却泵操作。切换泵条件:1#冷却泵出现故障时,则切换为 2#冷却泵,冷却泵的主要故障为过载。由于 1#冷却水泵与 2#冷却水泵工作相似,所以 1#冷却水泵的工作流程图为例进行说明。上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 12 页 共 77 页冷却程序流程图图 2.4 冷却回路流程图启动信号冷却水阀开油温低?停止 1#水泵油温高?启动 1#水泵返回是否是故障?是切换 2#水泵停泵信号?否是停泵否否是上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 13 页 共 77 页表 2.5 循环冷却单元故障表类型状态动作备注报警过滤器堵塞给操作人员发出报警信号报警循环回路压力低给操作人员发出报警信号报警循环回路压力低低给操作人员发出报警信号报警循环回路压力高给操作人员发出报警信号报警循环回路压力高高给操作人员发出报警信号报警循环回路流量低给操作人员发出报警信号报警循环回路流量低低给操作人员发出报警信号报警循环回路温度低给操作人员发出报警信号,停止冷却报警循环回路温度低低给操作人员发出报警信号,停止冷却报警循环回路温度高给操作人员发出报警信号,停止加热报警循环回路温度高高给操作人员发出报警信号,停止加热报警循环回路压力开关给操作人员发出报警信号报警循环回路流量开关(无流动)给操作人员发出报警信号,停止加热,防止烧毁加热器报警循环回路温度开关(温度过高)给操作人员发出报警信号,停止加热,防止烧毁加热器报警冷却回路压力低给操作人员发出报警信号报警冷却回路压力低低给操作人员发出报警信号报警冷却回路压力高给操作人员发出报警信号报警冷却回路压力高高给操作人员发出报警信号报警冷却回路温度低给操作人员发出报警信上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 14 页 共 77 页号,报警冷却回路温度低低给操作人员发出报警信号报警冷却回路温度高给操作人员发出报警信号报警冷却回路温度高高给操作人员发出报警信号故障接近开关打开不到位给操作人员发出报警信号,停止循环回路,停止冷却,停止加热重报警,参与液压站控制故障1#循环泵故障给操作人员发出报警信号,循环泵切换重报警,参与液压站控制故障2#循环泵故障给操作人员发出报警信号,循环泵切换重报警,参与液压站控制故障1#冷却泵故障给操作人员发出报警信号,冷却泵切换重报警,参与液压站控制故障2#冷却泵故障给操作人员发出报警信号,冷却泵切换重报警,参与液压站控制2.3.5 加热单元工艺要求:电加热器的控制方式为本地控制,远程 DCS 控制和 HMI 控制,本地以及 HMI上可以进行手动控制。当油站为 DCS 控制时,可以自动根据油温设定的上下限自动启动停止加热器的运行。启动加热器:当油站切换到本地或者 HMI 控制时,可由 PLC 控制柜上的电加热器启停按钮或者 HMI 撒谎能够的电加热器启动/停止按钮控制。当油站由控制时,电加热器自动运行,当油温低于设定值时,自动启动,当油温高于设定值时自动停止。停止加热器:在本地控制时按电加热器启动停止按钮,电加热器停止,油温高于度,则也要停止电加热器,远程时如果需要停止加热器,即采集的温度高于度,需要执行停止,图 1位电加热器程序流程图上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 15 页 共 77 页上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 16 页 共 77 页加热程序流程图图 25 加热回路流程图启动信号油温低?启动加热器油温高?停止加热器返回是否是停泵信号?否是停加热器否上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 17 页 共 77 页 2.3.6 过滤器根据阀和泵的制造商提供的污染等级(SAE 1638 或 ISO DIS4406) ,在压力,回油和循环管路上装有过滤器,所有系统过滤器精度100。 上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 18 页 共 77 页第三章 热镀锌机组的液压控制系统设计分析3.1 热镀锌机组的液压控制系统结构图 3.1 主回路液压系统图上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 19 页 共 77 页图 3.2 循环回路液压系统图上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 20 页 共 77 页3.2 主电路配电电路主要包括变频控制 1#主油泵,2#主油泵。1#循环泵,2#循环泵,1#冷却泵,2#冷却泵,加热器等。图纸如下:图 3.1 主电路配电图3.3 电磁阀,泵等驱动控制器电路设计24V 直流电源,1#主油泵 KM1,2#主油泵 KM2,1#循环泵 KM3,2#循环泵KM4,1#冷却泵 KM5,2#冷却泵 KM6,加热器 KM7 等接触器,主回路 1#截止阀YV1,主回路 2#截止阀 YV2,循环回路 1#截止阀 YV3,循环路 2#截止阀 YV4,冷却水回路 1#截止阀 YV5,冷却水 2#截止阀 YV6上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 21 页 共 77 页图 3.10 电源,接触器,电磁阀电路上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 22 页 共 77 页3.4 信号电路设计3.4.1 数字输入电路图 1选择开关 SA1 本地/HMI/DCS;选择开关本地手动启动主泵 SA2,选择开关本地手动启动冷却 SA,选择开关本地手动启动加热 SA4;本地急停 SB1,DCS 主泵启动 S1图 3.2 数字输入电路图 1上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 23 页 共 77 页3.4.2 数字输入电路图 2DCS 主泵停止 S2;DCS 急停 S3;净油侧油箱液位低低水位开关 SW1,脏油侧油箱液位低低水位开关 SW2,液压油温度高开关 SW3.,主泵回路截止阀 1 打开到位行程开关 SQ1,主泵供油回路过滤器堵塞检测开关 SW4, 主泵回油回路过滤器堵塞检测开关 SW5图 3.3 数字输入电路图 2上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 24 页 共 77 页3.4.3 数字输入电路图 3循环回路截止阀 1 打开到位行程开关 SQ2;循环回路流量开关 SW6,冷却水水源液位低低水位开关 SW7,1#主泵故障 FR1,2#主泵故障 FR2,1#循环泵故障FR3,2#循环泵故障 FR4。图 3.4 数字输入电路图 3上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 25 页 共 77 页3.4.4 数字输入电路图 41#冷却泵故障 FR5;2#冷却泵故障 FR6;1 加热器故障 FR7;DCS 循环泵启动S4,DCS 循环泵停止 S5,主泵回路截止阀 2 打开到位行程开关 SQ3,循环泵回路截止阀 2 打开到位行程开关 SQ4。图 3.5 数字输入电路图 4上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 26 页 共 77 页3.4.5 数字输出电路图 1变频器启动 KA1,1#主油泵启动 KA2,2#主油泵启动 KA3,主回路 1#截止阀KA4,循环回路 1#循环泵 KA5,循环回路 2#循环泵 KA6,循环回路 1#截止阀KA7,1#冷却启动 KA8图 3.6 数字输出电路图 1上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 27 页 共 77 页3.4.6 数字输出电路图 22#冷却启动 KA9,加热器启动 KA10,冷却水 1#截止阀启动 KA11,主回路 2#截止阀 KA12,循环回路 2#循环泵 KA13,2#冷却启动 KA14图 3.7 数字输出电路图 2上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 28 页 共 77 页3.4.7 模拟输入电路图 1净油侧油箱液位 PIW256,脏油侧油箱液位 PIW258,液压油温度 PIW260,循环回路液压油流量 PIW262,循环回路液压油压力 PIW264,冷却水温度 PIW266,冷却水压力 PIW268,图 3.8 模拟输入电路图 1上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 29 页 共 77 页3.4.8 模拟输入电路图 2主油泵回路液压油流量 PIW272,主油泵回路液压油压力 PIW274,图 3.9 模拟输入电路图 2上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 30 页 共 77 页第四章 控制系统软件设计4.1 控制系统软件设计要求工艺要求,有 2 个主油泵,其中一个泵工作时,另外一个为备用泵。2 泵不能同时工作。如果遇到故障或者检修时,则停下工作泵,然后再切换到备用泵。主油泵的控制分为本地,远程和 HMI 控制。启动方式是变频器(2#主油泵控制同理)泵启动条件:本地 PLC 控制柜上的转换开关,(本地/远程/HMI)打在本地时,本地 1#主油泵手动启动按钮动作,当转换开关打在 HMI,点击 Wincc 监控画面上的启泵按钮,当控制模式切换到 DCS 控制时,DCS 远程发送启动信号。停泵条件在本地控制时,1#主油泵启停按钮动作,本地急停开关动作,来自 DCS 的紧急停车信号;当转换开关打开 HMI 控制时,点击监控画面上的停泵按钮;本地控制柜上的转换开关打在远程 DCS 控制时,远程主油泵停止信号,液位超低,油路通行程开关信号断开,主油泵自动停泵切换油泵条件, (即故障信号)当主油泵在工作的过程中,空开断开,主油泵电机过载,主油泵行程开关断开. 表 4.1 控制要求冷却泵电加热器自动启动条件油温大于 60 度油温小于 20 度自动停止条件油温小于 40 度油温大于 40 度本地控制控制模式切换到本地控制,按 1#冷却泵启动按钮,首先打开冷却水阀,然后 1#冷却泵电机工作,按下 1#停止按钮,1#冷却泵电机停止运行,并且关冷却水阀。控制模式切换到本地控制,按电加热器启动按钮,电加热器运行,按下电加热器停止按钮,电加热器停止运行。HMI 控制控制模式切换到 HMI控制,控制方式与本地控制类似,在 HMI控制模式切换到 HMI控制,电加热控制方式与本地控制类似,上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 31 页 共 77 页上按冷却泵启动按钮,首先打开冷却水阀,然后冷却泵电机工作,在 HMI 上按下停止按钮,冷却泵电机停止运行,并且关冷却水阀。在 HMI 控制画面上按电加热器启动按钮,电加热器运行,在HMI 控制画面上按下电加热器停止按钮,电加热器停止运行。DCS 控制控制模式切换到 DCS控制是,I0.7 启动,I1.0 停止。 (都是瞬时信号) 。考虑到控制工艺,此时冷却泵将进入自动控制模式,当油温高于 60 度时,将会自动启动冷却泵,当油温低于 40 度时,将会自动停止冷却泵的运行。控制模式切换到 DCS控制,I0.7 启动,I1.0 停止。 (都是瞬时信号) 。考虑到控制工艺,此时电加热将进入自动控制模式,当油温低于 20 度时,将会自动启动电加热器,当油温高于 40度时,将会自动停止电加热器的运行。上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 32 页 共 77 页图 4.1 程序总体框图4.2 控制系统软件总体设计主循环程序 OB1FC2 循环回路,循环泵,备用泵,阀门控制;冷却泵,冷却阀门;加热器控制。DB5Wincc人机交互DB3 参数设定,上下限FC1 主回路, 主泵、备用泵变频器,阀门控制DB2 中间数据DB4 报警数据FC3 模拟量读取FC4 报警FC45 模拟量输入转换库DB1 模拟量读取数据上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 33 页 共 77 页OB1 是主程序,周期循环执行。OB1 调用其他程序,调用 FC1 主泵回路,FC2 循环回路,FC3 模拟读取,FC4 报警子程序。各子程序使用公共数据,DB1 模拟读取数据,DB2 中间数据,DB3 参数设定数据,DB4 报警数据,DB5 Wincc 上位机控制数据。总体框图如下:程序结构和主要作用说明: 表 4.2 程序结构程序名称程序编号说明主程序OB 1次程序是主程序,不停的循环周期执行。调用子程序,FC1,FC2,FC3,FC4。以便执行它们。主泵系统FC 1主泵回路控制程序,包括本地/HMI/DCS 控制方式下,变频器启动停止,主泵 1 启动停止,主泵 2 启动停止,2 泵切换,截止阀启动停止等。循环回路系统FC 2循环回路控制程序。包括本地/HMI/DCS 控制方式下,截止阀启动停止,循环泵 1 启动停止,循环泵2 启动停止,循环泵切换,冷却泵 1 启动停止,冷却泵 2 启动停止,冷却泵切换,加热器启动停止等。DCS 控制方式下的冷却自动启动停止,加热自动启动停止。模拟量读取FC 3使用 FC45 模拟输入处理模块,处理数据。将读取的 PIW 数字量信号,根据各测量工程范围,进行转换,转换成浮点数,保存到 DB1 数据块中。供程序上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 34 页 共 77 页控制使用和上位机 HMI 监控使用。报警FC 4为防止误动作,各种报警经过 2S 的延时,保存到DB4 中,供程序控制使用和上位机 HMI 监控使用。AI_SCALE_SIEMENS模拟输入FC 45西门子模拟输入转换标准库,方便数据转换模拟量读取数据DB 1各测量模拟值转成浮点数保存在 DB1 数据块中。供程序控制使用和上位机HMI 监控使用。设定数据上下限等DB 3用于设定参数,各参数上上限,上限,下限,下下限等。供程序控制使用和上位机 HMI 监控使用。报警数据DB 4报警位保存,供程序控制使用和上位机 HMI 监控使用。上位机控制DB 5选择上位机 HMI 控制模式是,上位机 HMI 控制位。供程序控制使用和上位机HMI 监控使用。上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 35 页 共 77 页4.3 PLC 和模块选择根据工艺要求系统框图如下:图 2.1 控制系统框图S7-300 PLC(315-2DP 6ES7-315-2AF02-0AB0)数字量输入(共 32 输入点)Wincc人机交互:工艺显示;HMI控制启动,停止,急停;模式显示;泵,阀门运行状态显示;温度,压力,流量,液位显示;参数设定,液位上下限,温度上下限。电机主泵/备用主泵阀门本地/ HMI / DCS 选择模式开关; 本地手动开关;启动,停止,急停;各种高低液位检测信号;过滤器好坏检测;流量检测开关各泵故障;阀门打开关闭到位信号;模拟量输入(共 9 通道)循环液压油压力; 冷却水压力; 主泵回路液压油压力液压油温度; 冷却水温度循环液压油流量; 主泵回路液压油流量数字量输出(共 16 继电器输出点)继电器变频器电磁阀油箱净油侧液位;油箱脏油侧液位循环泵,冷却泵,加热器继电器接触器上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 36 页 共 77 页4.3.1 西门子 S7 系列可编程控制器 PLC 选择 S7-300 是模块化中小型 PLC 系统,他能满足中等性能需求的应用。其模块化,无风扇结构,易于实现分布和扩展。1).系统组成 中央处理单元(CPU):各种 CPU 有各种不同的性能, ;例如,有的 CPU上集成有输入/输出点,有的 CPU 上集成有 PROFIBUS-DP 通讯接口等。信号模块(SM):用于数字量和模拟量输入/输出。通讯处理器(CP):用于网络和点对点连接。功能模块(FM):用于高速计数、定位操作(开环或闭环定位)和闭环控制。负载电源模块(PS)用于将 S7-300 连接到 120/230V AC 电源。接口模块(IM)用于多几家卑职时连接主机架(CR)和扩展机架(ER) 。S7-300 通过分布式主机架和 3 个扩展几家,可以操作多达 32 个模块。运行时无需风扇。S7-300 适用于通用领域:高电磁兼容性和强抗震动,冲击性。使其具有交工的工业环境适应性。2).功能高速的指令处理时间:0.10.6us 的指令处理时间能够满足各种快速反应的控制需求。浮点数运算:可有效的实现复杂的算术运算。方便使用的参数赋值:一个软件就可以给所有模块进行参数赋值。人机界面:人机界面服务已集成在 S7-300 内部,方便了使用户不必费力编程,而且 S7-300 操作系统将自动地处理数据的传送。诊断功能:CPU 可连续监控功能的实现,如有故障和特殊事件,将被记录下来。口令保护:使用操作方式选择开关,可以有效的防止非法删除或改写用户程序。3).通讯S7-300 中集成了多种通信端口,可连接工业以太网、PROFIBUS 等多种工上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 37 页 共 77 页业控制网络,多点接口 MPI 集成在 CPU 中,可用于连接编程器和人机界面系统等自动化控制系统。在大型自动化程度高的项目中,通常有若干个 PLC 同时控制或收集项目中的数据,控制设备启停。因此,PLC 之间“互通有无”就显得十分必要。而这种“互通有无”则需要通过 PLC 的通讯功能来实现。根据不同的通信要求及安装环境,目前使用的网络技术有工业以太网、PROFIBUS、MPI 等。下面,我将就这几类网络特点分别进行简要介绍。A 工业以太网工业以太网工业以太网指技术上与商用以太网兼容,在高速数据传输方面有明显的优势。现多用于控制层的全局控制。用户不用单独学习一种新网络技术,因此节省了大量的人力物力。但工业以太网采用 CSMA/CD,确定性和实时性较差,同时,网络中的单电故障容易扩散到整个网络系统从而引起瘫痪。因此,工业以太网并不适用于污水处理控制系统。B MPIMPI 是多点接口(Multi Point Interface)的简称,是西门子公司开发的用于 PLC 之间通讯的保密的协议。MPI 通讯是当通信速率要求不高、通信数据量不大时,可以采用的一种简单经济的通讯方式。MPI 通信可使用 PLC S7-200/300/400、操作面板 TP/OP 及上位机 MPI/PROFIBUS 通信卡,如CP5512/CP5611/CP5613 等进行数据交换。MPI 网络的通信速率为19.2Kbps12Mbps,最多可以连接 32 个节点,最大通讯距离为 50m,但是可以通过中继器来扩展长度。 西门子工业网络通信指南 (上册) 崔坚 主编C PROFIBUSPROFIBUS 是过程现场总线的缩写,可以将数字自动化设备从低级到中间执行级分散开来。针对应用特点和用户的不同,PROFIBUS 提供了三种兼容版本供用户选择:DP、FMS 和 PA。FMS 主要用于车间级控制网络,采用令牌结构和实时的多主网络,解决车间级设备通用性通信任务,多用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器等一般自动控制。DP 是一种经过优化的告诉、廉价的通信连接,专为自动控制系统和分散 I/O 之间通信设计,可取代昂贵的 DC 并行线,用于分布式控制系统的高速数据传输,实现细孔系统和分散外围 I/O 设备及智能现场仪表之间的高速数据通信。PA 是专美为过程化儿设计的,可使传感器和执行机构连载一根总线上,具有本质安全的传输技术,用于对安全要求较高的场合及由总线供电的站点。上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 38 页 共 77 页4.3.2输入输入/ /输出(输出(I/OI/O)单元)单元输入/输出单元是 PLC 与外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设备向PLC 提供开关量信号,经过处理后,变成 CPU 能够识别的数字信号。输出单元将 CPU 的信号经出后来控制外部设备。数字输入:根据工艺要求共需要 29 个数字输入点,可以使用 2 个 24VDC 16 路数字输入模块,数字量输入模块,6ES7 321-1BH00-0AA0。数字量输入模块 DI16 24 V,分成 16 组,不能和主站总线的子模块进行组态。数字输出:根据工艺要求共需要 11 个数字输出点,可以使用 1 个 24VDC 继电器 16路数字输出模块, 6ES7 322-1BH00-0AA0,数字量输出模块 DO16 24V / 0.5 A,分成 8 组,不能和主站总线的子模块进行组态。4.3.3 模拟量输入模拟量输入单元单元根据工艺要求共需要 9 路模拟量输入通道,6ES7 331-7KF00-0AB0,2 块模拟量输入模块 AI8/12 到 14 位,不能和主站总线的子模块进行组态。4.3.4电源电源不同型号的 PLC 有不同的供电方式。PLC 的电源输入电压既有 12V 和24V 直流,又有 110V 和 220V 交流。PLC 内部使用的电源是整体的供给中心,它的优劣直接影响到 PLC 的功能和可靠性。因此,目前大部分 PLC 采用开关式稳压电源供电。电源模块 PS 307 5A, 6ES7 390-1?0-0AA0 。上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 39 页 共 77 页4.4 人机界面设计人机界面设计说明:共 5 个画面,Wincc 主画面,Wincc 参数设定画面,Wincc 报警画面,Wincc 实时曲线画面,Wincc 实时数据画面。Wincc 主画面:显示工艺;进行各种上位机操作控制,例如 HMI 急停,主泵启动,主泵停止,冷却启动,冷却停止,加热启动,加热停止;控制方式选择显示,本地,HMI,DCS;各种状态监控,泵,阀门等的状态;数据检测,各种温度,压力,流量等数据监控。Wincc 参数设定画面:用于设定各种参数,例如液位上下限报警等,需要操作员输入。Wincc 报警画面:显示各种报警,历史报警和实时报警,操作员可以观察各种报警状态,进行处理。Wincc 实时曲线画面:以曲线方式实时显示各种模拟量当前值。Wincc 实时数据画面:以实时数据实时显示各种模拟量当前值。4.4.1 驱动建立新建 wincc 项目,在新建项目里面,增加驱动,1)点击变量管理,2)右键,添加新的驱动程序,3)选择 Simatic S7 Protocol Suite chn4)点击打开图 4.2 Wincc 建立驱动上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 40 页 共 77 页4.4.2 变量连接1)点击变量管理,2)点击,Simatic S7 Protocol Suite,3)点击 Profibus4)右键,点新驱动程序的连接图 4.3 Wincc 变量连接名称里面更改名称,S7-300DP,点击属性图 4.4 Wincc 属性上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 41 页 共 77 页连接参数-Profibus,使用预设的参数,站地址 2图 4.5 Wincc 通信参数建立变量,1)点击变量管理,2)点击,Simatic S7 Protocol Suite,3)点击 Profibus4)点击 S7-300DP5)右键,新建变量图 4.6 Wincc 建立变量上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 42 页 共 77 页数字输入位:例如 I0.0,名称中输入 I00,数据类型选择二进制变量图 4.7 Wincc 输入变量建立上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 43 页 共 77 页点击选择,设定地址图 4.8 Wincc 输入变量连接上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 44 页 共 77 页数据选择输入,地址选位,I 输入 0,位选择 0,就是 I0.0图 4.9 Wincc 输入变量属性 1上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 45 页 共 77 页点确定后,如下图,地址里面是 E0.0 就是 I0.0图 4.10 Wincc 输入变量属性 2同样的方法设定其他的数字输入位。上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 46 页 共 77 页数字输出变量设定以 Q0.0 为例数据选择输出,地址选择位,Q 填 0,位选择 0,就是 Q0.0图 4.11 Wincc 输出变量属性 1点击确定后,地址显示 A0.0 就是 Q0.0上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 47 页 共 77 页图 4.12 Wincc 输出变量属性 2同样的方法设定其他的数字输出位。浮点数变量设定以 DB1.DBD0 为例,名称 DB1DBD0,数据类型选择浮点数 32 位 IEEE 754上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 48 页 共 77 页图 4.13 Wincc 数据变量连接上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 49 页 共 77 页数据选择 DB,DB 号为 1,地址数字,DD 为 0,就是 DB1.DBD0图 4.14 Wincc 数据变量属性 1上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 50 页 共 77 页点击确定,地址栏显示 DB1,DD0,就是 DB1.DBD0图 4.15 Wincc 数据变量属性 2上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 51 页 共 77 页其他的例如 DB3.DBD0,数据选择 DB,DB 号为 3,地址选择双字,DD 填 0,就是DB3.DBD0图 4.16 Wincc 数据变量属性 3点击确定,地址栏显示 DB3,DD0,就是 DB3.DBD0上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 52 页 共 77 页图 4.17 Wincc 数据变量属性 4其他的浮点数,同样设定数据位变量设定以 DB4.DBX0.0 为例,名称 DB4DBX0_0,数据类型选择二进制变量。上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 53 页 共 77 页图 4.18 Wincc 数据二进制变量连接数据选择 DB,DB 号 4,地址选位,D 填 0,位选择 0,就是 DB4.DBX0.0。图 4.19 Wincc 数据二进制变量属性 1上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 54 页 共 77 页点击确定,地址栏显示 DB4,D0.0,就是 DB4.DBX0.0。建立完后的 Wincc 符号表见附件 A6 Wincc 符号表图 4.20 Wincc 数据二进制变量属性 24.4.3 Wincc 画面画面编辑点击图像编辑器,右键新建画面上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 55 页 共 77 页图 4.21 Wincc 画面建立主监控画面,如下图图 4.22 Wincc 主画面上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 56 页 共 77 页参数设定画面,设定各参数图 4.23 Wincc 参数设定画面上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 57 页 共 77 页报警画面图 4.24 Wincc 报警画面上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 58 页 共 77 页实时曲线画面图 4.25 Wincc 实时曲线画面上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 59 页 共 77 页实时数据画面图 4.26 Wincc 实时数据画面4.5 S7-300PLC 程序设计4.5.1 硬件配置首先新建项目,插入 S7-300 工作站,根据电气图纸,配置硬件表,如下图:上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 60 页 共 77 页图 4.27 S7-300 硬件结构插入机架:RACK-300插入电源模块:上海大学成人教育学院毕业设计(论文)第 61 页 共 77 页6ES7 390-1?0-0AA0,插入 CPU,选择 S7-300 CPU6ES7 315-2AF02-0AB0,1 块64 KB
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