硼钢板热处理辊底炉控制系统设计

摘 要随着汽车工业的发展，对于车身的钢板热处理加工也随之不断发展，热冲压技术就是基于这种背景下发展起来的本论文针对热冲压生产线的热处理部分做出了对应的控制系统，其中包括硬件设计和软件设计。首先对整个控制系统所要实现的逻辑功能进行设计，针对需要完成的任务目标来设计整个控制系统的功能和工作过程。硬件设计部分介绍了整个控制系统需要的元器件，通过电气 CAD 绘制出了对应的电气原理图和各个端口之间的连接，同时做出完整的明细表。软件部分完成了控制系统 SIMOTION 和驱动单元SINAMIICS 的配置，根据需要实现的逻辑使用 MCC 编程语言做出了对应的程序，最后根据整个系统的功能需要完成了人机界面的设计。关键词：热处理；电气原理图； SIMOTION；MCC 编程语言： 人机界面AbstractWith the development of automobile industry, for processing also will continue to develop hot plate body processing, hot stamping technology is based on the context of the development of the heat treatment part for hot stamping production line to make the corresponding control system, including hardware design and software design.The design of logic function firstly according to the control system to realize the function and working process, according to the need to complete the mission objectives to design the whole control system. The hardware design part introduces the need of the whole control system components, through the electrical CAD drawing out the connection between the electrical schematic diagram and the corresponding to a port, and make a complete list. The software part completed the control system of SIMOTION and SINAMIICS drive unit configuration, according to the need to implement the logic using the MCC programming language has made the corresponding procedures, according to the function of the system needs to complete the design of the man-machine interface.Keywords: Heat treatment, Electrical schematic diagram, SIMOTION, The MCC programming language, HMI目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪 论 .11.1 课题背景及研究的目的与意义 .11.2 国内外研究现状及分析 .21.3 本文的主要研究内容 .2第 2 章 控制系统的设计 .32.1 运动控制系统的逻辑功能设计 .32.2 其他控制系统的设计 .4第 3 章 硬件系统设计 .53.1 电气元件的选型 .63.1.1 硬件控制器 .63.1.2 压力传感器 .83.1.3 压力控制阀 .103.1.4 温度传感器 .113.1.5 氧气分析仪 .123.2 主要电气原理图 .133.2.1 供电电源原理图 .133.2.2 本机急停控制模块 .143.2.3 ALM 电源模块 .143.2.4 电机模块 .153.2.5 对中伺服气动系统 .16第 4 章 软件系统设计 .164.1 系统配置 .164.1.1 SCOUT 工程开发平台 .164.1.2 项目建立及设备插入 .174.1.3 连接的建立 .194.2 驱动单元的配置 .224.2.1 驱动模块和电源模块的配置 .224.2.2 电机模块的配置 .244.2.3 控制面板对电机的控制 .274.3 轴的相关设计 .284.3.1 轴的配置 .284.3.2 轴的同步设计 .30第五章 人机界面设计 .325.1 HMI 选型 .325.2 WinCC flexible 及其功能的设计 .335.3 HMI 工作面板 .34结 论 .37参考文献 .38致 谢 .39附 录 .40第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的与意义全球经济活动加速，大气中二氧化碳含量增长，温室气体排放和全球变暖成为人类共同面对的问题。在温室气体排放中，汽车是重要的排放源汽车节能减的办法：减轻汽车自重，进行轻量化汽车的设计制造。热冲压成形技术是一项专门用于高强度钢板冲压件成形的新技术，其主要原理是将钢板加热到奥氏体再结晶温度以上，并且保温一段时间，使板料完全奥氏体化，然后将处于高温下的板料迅速转移到热冲压模具中快速成形，在热冲压模具中与成形同时进行淬火，使钢板的显微结构由奥氏体组织转变为均匀的马氏体组织，从而使成形件具有更高的机械强度和良好的尺寸精度。采用热冲压成形技术制得的冲压件强度可以高达 1500MPa，而且高温下成形几乎没有回弹，具有成形精度高、成形性好等突出优点，因此引起业界的普遍关注并迅速成为汽车制造领域内的热门技术。与传统的冷冲压成形技术相比，热冲压成形技术具有以下诸多优点：1.成形后零件强度等性能指标大幅度提高，能够承受更大的撞击力，能够吸收更多的能量，有效地提高汽车的驾乘安全性能。例如，在载荷为 40KN 的情况下，冷成形梁的侵入量为 105mm 左右，而热成形梁的侵入量仅为约 17mm，一旦发生事故，能够给驾乘人员带来更多的保护。2.巨大的减重潜力。零件在热冲压成形后强度可以提高 2.5 倍，在相同的强度要求下，可以通过减小零件厚度，减少零件数量来减轻车身的重量，从而达到节能减排的目的。3.材料在高温下塑性好，变形抗力小，延伸率高，可成形冷冲压所无法成形的复杂零件，还可以对冷冲压需要多道工序多套模具成形的零件实现一次成形。4.板料在高温下成形没有回弹。回弹一直是冲压成形中的主要缺陷，尤其是对于高强度钢板的成形，回弹问题十分严重。而在热冲压成形工艺中，几乎完全消除了回弹对零件形状的影响，实现了零件的高精度成形，这是常规冷冲压成形所无法做到的。5.高温下材料变形抗力小，因此所需压力机吨位比冷成形小，可以大幅削减设备投资，减少能耗。1.2国内外研究现状及分析热冲压技术在全球普遍应用，目前已有 100 多条产线。冲压技术在欧美，特别是欧洲到非常广泛的应用，被普遍认为是有效减轻车重、提高碰撞性能和降低车身制造成本的有效手段。国内热冲压产线分布：长春 BENTLER 昆山 GESTAMP 上海 BENTLER 上海 COSMA 上海宝钢热冲压零部件有限公司目前国内对于此项技术的发展还远远落后与国外，所需要的生产线大多是整体从国外进行进口，此项技术还是处于一种新型技术中，因此国外对技术还是存在技术保密和技术封锁原因在里面，所以有关国外的具体一些资料并不是很多的。1.3本文的主要研究内容此次，自己分配到的研究项目就是整条生产线中对钢板进行奥氏体化加热处理的辊底式热处理加热炉的控制系统设计。通过阅读毕业设计任务，明确了自己的具体设计任务是：本课题是硼钢板热处理辊底炉控制系统设计，设计内容包括：1）燃气间接加热控制系统：自预热式烧嘴的ON/OFF控制；2）电加热控制系统：可控硅连续控制；3）传动系统的控制；4）料片定位系统的控制；5）其它附属设施的控制。同时在设计之前，再次明确的热处理炉的一些具体规格要求：1）炉内目标温度930，温度偏差范围3；2）控制系统硬件平台为Simotion，驱动系统为Sinamics；3）入炉辊道传送速度：-200mm/s200mm/s；炉内传送区和缓冲区传送速度：-200mm/s200mm/s；炉内加速区传送速度：02 000mm/s；出炉辊道传送速度：02 000mm/s；所有速度连续可调；4）绘制系统的电气原理图、接线图、布置图等，总图纸量不少于折合A0 图纸4张；5）设计论文不少于 10,000 字。从设计任务上，已经能清晰明确的给了自己一个设计的方向。在查阅大量相关的文献资料后，由于整条生产线在国内也是屈指可数，可供参考的资料不是很多，同时自己的设计任务也只是整条生产线中的一个设备的控制系统而已。因此，自己在对整个设计规划的时候，其设计思路理念是：查找和分析类似或相同原理的工业设备控制系统，从中取长补短，对自己的设计有个相应的辅助的同时，也能更好的把一些优秀的经典设计引进吸收过来。本加热炉的核心本质，是对钢板进行加热到奥氏体温度，使钢板奥氏体化，达到预期的效果。第 2 章 控制系统的设计本控制系统的主要设计为钢板的传送过程的设计，即对电机的控制设计以及在接受不同感应信号和总线信号时所需要做出的反应和要实现的功能。这一部分的设计需做出了详细的电气原理图和程序控制。除传动部分的设计外，还需要实现炉内的加热设计和炉温的控制设计，炉内氧气浓度控制的设计和压力的控制，这一部分的控制在工业上多采用可自动完成调节的器件，所以此部分的控制需要完成对控制器件的选型及设置参数的说明。2.1 运动控制系统的逻辑功能设计在入炉区，由总线给出一个放置钢板的信号，在钢板未放置之前入炉区的电机保持停止状态，放置钢板之后检测钢板是否合格，若合格则入炉区电机正转开始输送钢板，若未合格则进行甩料操作即入炉区电机开始反转。甩料完成后从新进行放料过程。钢板合格后开始进行送料过程，在入炉区前感应到光栅 1 的信号，此时入炉区电机停止，等待总线发出入炉信号，在炉门开启完成后进行入炉操作，在入炉完成后向总线发送一个允许再次放料的信号。钢板进入炉内在 1 区进行传送，此处保持一个匀速传送，在快进入 2 区 a 时，有光栅 2 感应向总线发送一个信号，下一块钢板可以进炉。由于炉门开启需要一定的时间，所以下一块钢板会落后于前一块钢板一定距离，这事 2 区 a 的电机进行减速直到两块料片之间达到要求的间隔距离之后开始进行速度同步。在匀速经过加热区（2 区 a 和 2 区 b）后，感应到光栅 3 时开始进行 3 区 a和 3 区 b 电机的加速传动以便可以快速出炉，经过 3 区 a 后由光栅 4 发出信号，3 区 a 的电机进行减速达到和之前匀速速度相同来准备下一块钢板的进料，同时炉门开启进行钢板出炉。在钢板出炉后，3 区 b 的电机减速到匀速状态，光栅 5 感应到钢板进入出炉区后，对中系统作用实现钢板的对中，顶料气缸进行钢板的顶起。除上述的送料过程，还需要完成空炉过程的控制，在总线发出空炉信号后，所有的电机停止转动，同时炉门开启，然后电机以正常的转速进行反向转动，根据辊底炉的总长和辊子的速度来进行空炉所需要的时间，在需要时间后停止电机转动，同时炉门关闭。2.2 其他控制系统的设计温度的控制设计分为两部分，在入炉之后首先进行的是烧嘴的间接加热，通过烧嘴控制器连接烧嘴来实现烧嘴的点火,其中烧嘴控制选用的是 IES258-5/1W 烧嘴自动控制器，可以直接启动和监测烧嘴的运行，可采用电离式火焰监测或紫外线 V 监测，也可采用点火和监测共一根电极进行操作的模式；本控制器适用于不用吹扫或吹扫由其它控制的系统中，直接点火功率不大于 350KW 带助燃风的烧嘴；具有本地开关、远程按钮复位两种模式。本控制符合欧洲燃气应用标准EN298。首先按规定接好火线 L1 和零线 N 及其它线路，关闭手阀，启动系统。合上烧嘴控制器 IES258 面板上的开关，绿灯亮起，合上点火开关，即给端子 3 供电，启动操作程序，大约 3 秒钟之后，燃气电磁阀打开，烧嘴点火，经过安全时间后，烧嘴控制器会发出故障信号，面板上的红灯亮起，端子 8 和 9 之间闭合；打开手阀，控制器复位解除故障信号，重新启动操作程序，烧嘴点燃，面板上的黄灯亮起，端子 13 和 14 之间闭合。在钢板经过烧嘴加热区之后，进入有可控硅控制的电阻丝加热部分，这部分是通过可控硅不断改变功率控制电阻丝的加热，从而实现温度的稳定保持。可控硅通过触发极受触发信号控制通和断及导通角度，得有一套触发信号形成电路控制电压和电流，进而控制电阻丝的功率的大小。烧嘴和可控硅都是通过 PID 控制器进行运算控制， PID 连接热电偶感应炉内的温度，通过实际温度与设定温度进行比较然后经过自身的 PID 运算做出相应结果来控制烧嘴和可控硅，完成烧嘴的开闭和可控硅的电流调节。除温度控制的部分外，炉内的压力控制是通过压力感应器和 SMC 压力控制阀之间的连接实现，由压力感应器向压力控制阀输送压力信号，压力控制阀通过与实际设定值的比较控制阀门的开度。炉内氧气浓度的控制与压力的控制较为类似，通过高温氧气分析仪感应炉内氧气浓度的大小，进而与设定的氧气浓度值比较，来控制氮气阀的开度大小。这一部分的控制在工业上多是采用完整的控制元件实现，所以本设计中只对这部分的控制做以介绍，不再绘制详细的电气原理图表示，基本的原理图如下：图 2.1 其他控制基本原理图第 3 章 硬件系统设计本控制系统分为硬件控制系统的设计和软件控制系统的设计，对于硬件控制系统的设计，要根据所查的资料的自己的设计确定好在整个控制系统中需要哪些硬件以及这些硬件的型号数量，应该实现怎样的连接。首先对需要的控制器和需要控制的元件进行明确和选型，通过查阅相关的资料，在控制过程中所需要的器件如下：硬件控制平台 simotion，驱动系统 sinamics,编程软件 scout,伺服电机，传感器（测量压力的压力感应器，测量炉温的温度感应器，分析炉内氧气浓度的氧气分析仪，实现位置定位的光栅）实现炉门开启，料片对中（SPC）和顶起的气动元件。3.1 电气元件的选型3.1.1 硬件控制器SIMOTION 是整个控制系统地核心，其运行速度和可靠性会对整个系统产生决定性影响。辊底炉系统控制选择的 SIMOTION D 继承了 PLC 工业运用上的高可靠性，同时也具有了运动控制系统灵活性的特点。Simotion 是西门子全新的运动控制器，也是世界第一款针对生产机械设计的控制系统，其目的是为了可以更好更简单更灵活的实现各种运动控制系统任务。Simotion 具备以下三大功能：运动控制功能，逻辑控制功能，工艺控制功能。其组成大体分为：工程开发系统，实时软件模块，硬件平台。控制平台之所以选择 simotion，主要因为 simotion具备以下优点：1、运动控制，工艺控制及逻辑控制功能直接运行在驱动器上，具有极大的成本效益。2.集成了创新的 sinamics 设计3、设计紧凑，减小了控制柜需要的空间4、出色的模块化及分布式机器理念5、逻辑控制和运动控制之间无需接口，响应迅速。Simotion 的应用范围：1、已经使用新的 SINAMICS 驱动器产品场合；2、要求直接在(SIN 触CS)驱动器上实现运动控制及开环控制的场合；3、要求设计紧凑，节省占用空间的场合；4、要求具有高性能运动控制及高速 IO 的场合；5、具有高速同步的模块化设计的机器。 7图 3.1 SIMOTION D 的集成示意图图 3.2 SimotionD425Sinamics120 是集成在 SIMOTION 中的 SIEMENS 全新的伺服驱动器，在未来的市场上将会处于主导地位，并逐渐应用到各个行业中。SinamicsS120 具有以下特点：硬件结构：Sinamics 分为 AC/AC 单机传动和 DC/AC 共直流母线两种类型，AC/AC 单机传动的整流和逆变集成在一个单元中称为功率模块(PM340)，外加一个 CU310 控制单元组成一个完整的单轴伺服驱动器。所能驱动的电机：SinamicsS120 可以驱动所有的交流电机：同步伺服电机，异步伺服电机，感应电机，扭矩电机，直线电机，也就是说，无论系统中选用那种交流电机，都可以只选用 SinamicsS120 来驱动，简化了整个系统的设计。冷却方式：SinamicsS120 有多种冷却方式：内部风冷，外部风冷，水冷。不同的功率段产品有不同的冷却方式。控制功能：SinamicsS120 的控制单元内部集成了多种控制功能：BICO 技术，自由功能块，DCC 功能，PID，Safety 功能，位控功能。调试软件：SinamicsS120 的调试软件是 Starter,Starter 具有更直观的调试界面，更强大，更丰富的诊断功能，让调试变得更简单。 6图 3.3 SINAMICS S1203.1.2 压力传感器压力传感器所选的型号为 HM26 陶瓷电容压力变送器，HM26 陶瓷电容压力变送器采用具有国际先进水平的陶瓷电容传感器，配合高精度电子元件，经过严格的工艺过程装配而成。它采用无中介液的干式压力测量技术，厚膜电子技术，SMT(表面贴装)技术和 PFM 信号传输技术，充分发挥了陶瓷电容传感器的技术优势，使压力变送器具有优异的技术性能。它抗过载和抗冲击的能力强，稳定性高，并有很高的测量精度，可广泛应用于石油，化工，冶金，电力等诸多工业行业。其主要的性能参数如下测量范围：-100kpa00.5kpa100mpa过载能力：最大额定电压的 3100 倍压力类型：表压、绝压、正负复合压供电范围：1236V(一般为 24V)信号输出：420mA产品特点有：1、抗过载和抗冲击能力强，过压可达量程的数十倍至百倍2、采用了进口陶瓷电容传感器，信号输出大，综合精度高且稳定性好3、压力范围大，有正负复合压可选4、抗烦扰能力强，防水、防尘、防震、防爆、防腐5、由于取消了测量元件的中介液，温度漂移小根据此产品提供的选型手册所确定的型号为:HM26 G 0-100Mpa 2 A1 F1 B1 E图 3.4 HM26 陶瓷电容压力变送器3.1.3 压力控制阀为了保证炉内的压力一定，需要设置一个控制压力的阀门，由于压力是随时变化的，若要实现压力的及时性，需用的控制压力的阀门为 SMC ITV 系列电气比例阀。SMC ITV 系列电气比例阀通过电信号控制气压力，可以实现气压力的连续、无级调节，能实现远程控制和程序控制。对于需要对气压力进行连续或者无级调节的场合，特别适用于电气比例阀。对于 SMC ITV 系列电气比例阀有以下特点：1.灵敏度高、性能好。保护等级为 IP65.电缆方向有直线型和直角型。 2.SMC ITV0000 系列为薄型(仅 15mm)轻(100g)。最多可集装至 10 位。响应快( 无负载时为 0.1s)。快换接头链接。带错误显示灯(LED) 。 3.SMC ITV2000/ITV3000 系列为正压型设定压力范围有三档。在平衡状态时耗气量为 0.在不加压状态下可进行零位调整和满位调整。在加压状态下若断电能暂时保持输出压力不变。有两种监控方式(模拟输出、开关输出)可供选择。图 3.5 SMC ITV 电气比例阀动作原理图 3.6 SMC ITV 电气比例阀控制框图3.1.4 温度传感器由于工作所处的环境为高温环境，选用的传感器为热电偶，一下为热电偶的参数：类别 分度号 直径 测温范围 等级 允许误差 适用镍铬-镍铬K 2.5 01100（1200）1 1.5 或0.4t 中性气体镍铬硅-镍硅N 3.2 01200（1300）1 1.5 或0.4t中性气体表 3.1所选的的热电偶类型为铠装热电偶，其线材为 1Cr18Ni9Ti 、GH3030 、Cr25Ni20，外径为 38 mm，铠装热电偶元件测量端形式为绝缘式，使用寿命长，防电干扰，直径为 0.58.0mm 和 3.08.0mm。当周围空气温度为 2015，相对湿度不大于 80，铠装偶直径大于1.5，试验电压为直流 500v50v，单支绝缘型铠装热电偶的偶丝与外套管之间的绝缘电阻；双支式绝缘型铠装热电偶各支的偶丝之间及各偶丝与外套管之间的绝缘电阻：(1)对于长度等于或不足 1m 的铠装热电偶，它的常温绝缘电阻应不小于 1000 M。(2)对于长度超过 1m 的铠装热电偶，它的常温绝缘电阻与其长度的乘积应不小于 1000M.m。即 Rr.L1000M.m。（式中：Rr-热电偶常温绝缘电阻 M L-热电偶长度 m）主要的参数如下：1、公称压力：在室温情况下保护管不破裂所能承受的静态外压。实际上，允许工作压力不仅与保护管材质、直径、壁厚有关，还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的种类、浓度、流速有关。2、热响应时间：在温度出现阶跃变化时，热电偶热电阻的输出变化至相当于该阶跃变化的 50，所需要时间称为热响应时间，用 0.5 表示，单位为：S。3、最小置入深度：热电偶应不小于其保护管外径的 810 倍, 但部分产品受安装条件的限制，置入深度不符合本项要求，测量精度相应受到影响。但对绝大多数检测工艺温度要求是无影响的。4、热电阻允许通过电流：通过热电阻的测量电流不应超过 2mA。热电偶构造各种热电偶的外形通常极不相同的，但是他们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘管、保护管和接线盒等主要部分构成，其结构尺寸见“标准部件和配套标准件”表，主要构成如下：热电极、保护管、接线盒 、接线板安装固定装置。铠装热电偶主要特点：1、 它可以制作成直径很小（0.25），很长（可达百米）。2、 有很小的热响应时间。热响应速度快，减小动态误差。3、 节省材料，特别是贵金属热电偶。4、 有很大的可饶性、弯曲半径为直径的 5 倍。5、 有良好的机械性能耐压、耐震、耐冲击和坚固耐用等。6、 气密性好，机械强度好。可在有震动、低温、高温条件下使用。根据热电偶热电阻选型手册所选的型号为： WRNK2-251-6-300*100-G3.1.5 氧气分析仪钢板在加热炉加热时必须保证氮气的环境，所以必须控制氧气浓度在一定的范围内，考虑到工作环境为高温，所选的氧气分析仪为高温氧气在线分析仪，型号为：MIC-500-02-H-A。MIC-500-02-H-A 高温氧气在线分析仪应用于高温氧气在线分析检测及现场缺氧、过氧报警，可以精确进行高温氧气含量检测，高温氧气在线分析仪的测试结果不受各种酸性及碱性等杂志气体和水汽的影响，采用氧化锆传感器，具有信号稳定，灵敏度及精度高等优点，3 线制隔爆接线方式适用于各种危险场所。3.2 主要电气原理图电气原理图是用来表明设备电气的工作原理及各电器元件的作用，相互之间的关系的一种表示方式。完善的电气原理图可以更加方便的进行元器件的连接,运用电气原理图的方法和技巧，对于分析电气线路，排除机床电路故障是十有益的。电气原理图一般由主电路、控制电路、保护、配电电路等几部分组成。3.2.1 供电电源原理图供电电源一是向各个单元输送电源提供动力,二是将电流转化成需要的形式来提供电能,在本供电系统中,采用了 SITOP 电源来进行供电, SITOP 电源兼备可靠性,耐用性和可扩展性,其独特的模块式结构可以让系统性能具备持稳性.由于本运动控制控制系统中用了较多的模块化结构,而 SITOP 电源可以与这些模块间实现可靠的兼容。 图 3.7 供电电源原理图3.2.2 本机急停控制模块本机急停控制模块是整个系统的安全控制系统，在系统出现问题是可以及时的对产生问题的装置进行停机操作。本机的急停模块采用的是 OMRON G9SA-321-T075，其外形紧凑，可进行扩展，通过使用正面的连接能实现安全出点的简单增加，具体控制连接如图：图 3.8 急停模块原理图3.2.3 ALM 电源模块电源模块通过从电网吸收能量，将三相交流电转变为可供电机模块使用的直流电，通过公共的直流回路，可以实现各个驱动器之间的能量交换，当驱动具有发电状态的负载时，可以采用 S120 带有回馈功能的电源模块，它可以将再生能量回馈到电网并且可以忍受一定范围内的输入电压波动。在提供电源使具有以下作用：1、隔离作用：安全隔离、噪声隔离和接地环路消除（远程信号传输分布式电源供电系统 ）2、保护作用： 短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护、其它保护 3、电压变换： 升压变换降压变换交直流转换（AC/DC 、DC/AC）极性变换（正负极性转换、单电源与正负电源转换、单电源与多电源转换） 四、稳压： 交流市电供电远程直流供电分布式电源供电系统电池供电 五、降噪： 有源滤波图 3.9 ALM 电源模块原理图3.2.4 电机模块本控制系统重点是对传动系统的控制，需用的电机类型为伺服电机，由于电机本身布具备 DRIVECLIQ 电缆，无法实现与总线之间的通讯任务，所以需要加入电机模块来实现电机与总控制器之间的通讯和反馈，同时电机模块对电机提供电流和实现电机转速和转向的控制更为便捷。图 3.10 电机模块原理图3.2.5 对中伺服气动系统在出炉区，为了要对钢板进行冲压，需要进行对中处理，本系统的对中处理选用的是 SPC200-PWR-AIF 对中伺服气动系统，其应用灵活，可连接 4 个驱动轴，可与气动驱动器一起使用，并且可以作为独立的控制器或者现场总线上的分散单元。其模块化的概念使得控制器能单独用于各种应用场合，如数字的输入输出，模拟输入和各种于控制总线之间的通讯接口。PROFIBUS 的现场总线接口允许直接读入和写入位置数据。用户可以在 PLC 中对位置进行计算，选取以及存档，在需要的时候可以直接下载到 SPC200 中进行使用。(2- 1)图 3.11 对中伺服系统原理图第 4 章 软件系统设计4.1 系统配置4.1.1 SCOUT 工程开发平台SCOUT 具有友好的人机界面，为用户开发 SIMOTION 工程项目提供一体化的工具，且无缝集成于 SIMATIC 环境中（TIA）。使用 SCOUT 开发为自动化生产机械开发 SIMOTION 项目的步骤：（1）新建一个项目；（2）在项目下新建设备（SIMOTION D，SIMOTION C，SIMOTION P）；（3）确定附加组件，如 I/O 等；（4）系统组态，包括硬件组态和网络组态；（5）根据向导组态工艺对象；（6）编程（MCC，ST，LAD/FBDDCC ）；（7）下载项目导 SIMOTION 设备；（8）测试。SIMOTION 用工艺对象来描述具有典型功能性的集合，如轴、凸轮等。在SCOUT 的项目导航栏中工艺对象以“文件夹”图标列出在树形结构中，用户可以通过“文件夹”下的向导组态工艺对象。 8图 4.1 SCOUT 软件界面4.1.2 项目建立及设备插入启动 Scout 软件，选择 Project-New 创建一个新的项目如图图 4.2 建立项目插入一个新的设备，选择 D425，如图图 4.3 插入 D4254.1.3 连接的建立建立连接首先要设置通讯接口，选择 Profibus DP2/MPI (X136)，再根据 PG/PC 所用通讯接口选择 CP5512 或者 PC Adapter。如图图 4.4 设置通讯接口配置 SIMOTION 上 DP 接口参数自动打开硬件组态界面，配置 DP2/MPI 通讯接口，这里设置 DP 地址为 2，如下图。接口的具体参数如波特率、最高站地址等可以通过点击“Properties.”按钮进行设置。缺省方式下，波特率为 1.5Mbps。图 4.5 配置 DP 接口配置 PG/PC 的通讯方式，进入 PC 控制面板，双击打开 Set PG/PC interface。配置 PG/PC 通讯方式为 CP5512(Profibus)。双击列表中的 CP5512(Profibus)打开其属性画面，在这里可以设置 PG/PC 的 DP 地址、波特率等，其配置须与 SIMOTION 中的 DP2/MPI 接口配置参数一致。如图图 4.6 配置 PG/PC 通讯接口激活至 SINAMICS_Integrated 的路由打开网络组态，若此时 PG/PC 与网络的连线为紫色，则 Scout 不能对 SINAMICS_Integrated 进行在线，因此需要开启 PG/PC 至 SINAMICS_Integrated 的路由。双击 PG/PC，在 Assignment 属性页中，点击 Assigned 列表中的 PROFIBUS Interface，然后将右边 Acitive 边上的方框打上钩，点击 OK 确认即可(如图)。此时可以看到网络组态中 PG/PC 与网络的连线变为黄色，表示至 SINAMICS_Integrated 的路由已经开启。设置完成后，编译保存项目并关闭网络组态。图 4.7 激活至 SINAMICS_Integrated 的路由打开硬件组态窗口，编译保存并下载 SIMOTION D 硬件组态，如图图 4.8 编译、保存并下载硬件组态下载完成后将弹出提示对话框，选择 No， 不重新启动。4.2 驱动单元的配置本控制系统的重点是对运动的控制，即对电机的控制，所以驱动器的合理的配置对最后实现电机的控制具有重要作用。由于所选用的电机不带有 DRIVE-CLIQ 接口，所以选用的配置方式为离线配置，即在离线状态下创建一个新项目，选择相应的驱动单元根据提示选择各模块和电机的数据，当数据全部输入完成后，储存项目并下装到驱动装置中，完成项目的创建。4.2.1 驱动模块和电源模块的配置在面板中选择“insert drives”（插入驱动器），然后在此配置页面中选择驱动方式为“Servo”（伺服驱动）。具体操作如图：图 4.9 插入驱动器由于系统是对电机的转速进行控制来实现送料过程的速度控制，所以控制对象的选择为“Speed control(with encoder)”(带编码器的速度控制)，如图：图 4.10 控制方式驱动电机的的驱动器分为单轴模块和双轴模块，根据实际的需要对其进行选择，如图图 4.11 驱动模块选择电源模块的准备信号设定，要正常工作必须保证 P0864=1，置常 1。如图图 4.12 电源模块选择4.2.2 电机模块的配置首先需要对电机的型号进行确定，本系统的电机型号为西门子标准电机，电机无 DRIVE-CLiQ，电机类型为 1FK7 063-5AF71-1FH3。如图：图 4.13 电机型号选择由于本系统要求的速度控制较为灵活，速度反映较为迅速，所以对于电机选择需要有抱闸，如图：图 4.14 电机抱闸的选择电机由于没有外接编码器，选择“Encoder 1”，型号为“cos”，增量编码器 2048S/R，如图：图 4.15 电机编码器的选择驱动模块与电机的数据交互类型选择为标准型，如图：图 4.16 数据交换类型4.2.3 控制面板对电机的控制在屏幕左侧的项目导航栏里选中 Control panel 控制面板，如下图：图 4.17 电机控制面板控制面板具体的操作步骤：1 在白色的下拉栏中可以选择要操作的轴2 然后点击 Assume control priority 按钮，使控制面板取得对驱动轴的控制优先权3 确认监控时间，默认 1000 ms，点击 Accept 按钮4 然后将轴使能，选择 Enables5 设定 100%转速，即 200rpm6 点击 I 绿色按钮启动电机7 。操作其它轴需要先将当前轴停止，取消使能，并点击 Give up control priority 按钮，放弃控制权，再选择另外的轴，重复上述过程。4.3 轴的相关设计在配置好驱动器之后，在 SCOUT 中对电机的控制实际上就是建立轴和驱动之间的连接，通过对轴的控制来实现对电机的相关控制。首先需要在 SCOUT 中建立轴，每一个轴对应一个伺服电机，根据实际需要实轴需建立 14 个，由于在传动过程中需要实现各部分电机的同步转动，所以需要建立一些虚轴，通过实轴和虚轴之间的同步建立，在驱动和控制虚轴时完成同步来实现实轴的转动。4.3.1 轴的配置本系统对轴的控制方式为转动方向和转速的控制，所以选择轴的控制方式为“speed control”(速度控制)，若需要进行同步的轴（实轴）需要选择“synchronous operation”(同步操作)。图 4.18 轴的建立然后进行轴的类型选择，轴的运动方式选择为“Linear”（线性），轴的类型分为液压轴和电机轴，选择“Electrical”（电器轴），若控制的轴为虚轴需选上“Virtual” 。图 4.19 轴的类型最后需要建立轴和驱动之间的配置，不同的轴对应自己的驱动器，若是双轴驱动器可以由两个轴共用一个驱动器。图 4.20 轴的驱动4.3.2 轴的同步设计在 SCOUT 的面板中选择需要进行同步的从轴，双击轴选项栏中的“synchronous operation”进行同步操作，在后侧中选择需要跟随的主轴，如图：图 4.21 轴的同步配置然后在进行编程过程中需要进行同步操作时，选择“velocity gearing on ”（速度同步），在“leading axis”中选择主轴，在“following axis ”中选择从轴，方向为相同方向，同步的速度比为“1”。图 4.22 轴的同步命令第五章 人机界面设计5.1 HMI 选型为了可以获得最大的透明性，所以要对整个操作系统建立 HMI，HMI 是操作员和设备之间的接口，控制器是实际的控制单元。因此，在操作员和 WinCC flexible 之间以及 WinCC flexible 和控制器之间均存在一个接口。 11HMI 系统承担下列任务：1.过程可视化；2.操作员对过程的控制；3.显示报警；4.归档过程，过程值和报警；5.过程值和报警记录；6.过程和设备的参数管理。本系统所要建立的 HMI 是对整个系统在工作过程中的监控和操作，本控制系统除自动操作外，还具有手动操作，而所有的操作都是在 HMI 上进行完成的。本系统选用的 HMI 为 Multi Panels 270 MP 277 10 Touch。5.2 WinCC flexible 及其功能的设计WinCC flexible 是一种前瞻性的面向机器的自动化的 HMI 软件，它具有舒适而高效的设计。所建立的 HMI 功能和变量均是由此软件完成。在设计 HMI 时，需要完成画面的创建，报警系统的创建，连接的使用，配方管理系统的结构设计，使用报表和变量的设定。对于本控制系统，需要完成速度的控制，温度的控制，炉门的控制和氮气输送的控制。对于速度的控制，分为自动控制和手动控制两个部分，需要控制的电机分为6 个区域，分别为入炉区电机，1 区电机，2 区电机，3 区 a 电机，3 区 b 电机和出炉区电机控制。各个区的电机需要完成的功能有正转、反转和停止。温度的控制也分为多个区域，通过每个区域的热电偶反应实际温度，并且与设定的温度进行比较来检测整个流程下的温度控制。温度在工作前先进行设定，需要有设定温度和实际温度显示框和设定按钮。对于钢板要完成甩料控制，放料控制，上料控制，料片出炉和取料完成，这些控制按钮在自动控制页面上进行布置。同时自动控制页面上还要显示出各个区域电机的转速。手动控制页面还需要进行炉门的开启和关闭以及润滑油泵的控制。同时还需要进行测试页面的设计。测试页面主要是针对加速区的测试，也就是在经过光栅4 之后实现的加速和经过光栅 5 之后电机减速的情况。在建立 HMI 时，首先需要进行功能面的绘制，确定好需要的 HMI 的类型和页面大小，然后进行功能面的设计，包括工作面，各个功能的按钮和一些按钮对应工作面的设计，变量的添加设计等。具体的设计面如下图：图 5.1 WinCC 操作面板5.3 HMI 工作面板对系统的控制分为本地控制和联机控制，具体的各功能页面见下列图：图 5.2 本地控制主页面图 5.3 温度控制页面图 4.4 图 5.4 速度控制页面图 5.5 自动控制页面图 5.6 速度设定页面结 论本设计完成了辊底炉热处理系统各元器件、控制器、控制器电气原理图的设计，钢板运输过程的逻辑控制设计和 HMI 的建立。此次的毕业设计所做的内容比较贴合实际，电气原理图不仅清楚的表达了各设备之间电路和端口的连接，而且对所需要的气缸、继电器、电磁阀、控制模块等进行了选型。在钢板进行热处理的传动部分，通过对国内外的例子进行研究和改造，我们选择了西门子公司新推出的 SIMOTION 运动控制器作为主控制器。最后根据整个系统需要实现的功能建立了 HMI，在这次毕业设计中自己学习到了很多和工业相关的设计，掌握了一些软件如电器 CAD、SIMOTION SCOUT、WinCC