某热轧厂卷取机张力控制系统设计摘 要在热轧生产过程中卷取机是决定带钢最终产品质量的关键设备而张力控制则是卷取机控制系统的核心环节。卷取机张力系统具有非线性、强耦合、时变性等复杂特性张力波动过大会导致带钢跑偏、卷形不良、断带等生产事故严重影响生产效率和产品合格率。本设计聚焦某热轧厂卷取机的张力控制需求构建了一套基于西门子S7-1200PLC的完整控制系统解决方案。以CPU1214CDC/DC/DC为核心控制器采用串级PID控制算法实现张力的精准调节通过西门子G120变频器驱动卷取电机利用WinCC组态软件搭建上位机监控平台。围绕硬件选型、软件编程、组态设计三个核心环节完成了张力信号采集、PID参数自整定、电机转速控制、故障报警及数据存储等功能。通过实验室模拟运行和现场调试验证系统可将张力波动控制在±2%以内响应时间不超过0.5s满足热轧生产对张力控制精度和稳定性的要求为同类工业控制系统的设计提供了可复用的参考。关键词卷取机张力控制串级PID算法S7-1200PLCWinCCDesign of the Tension Control System for Coiling Machines in a Hot Rolling PlantAbstractIn hot rolling production, the coiler is the critical equipment determining the final quality of strip steel, with tension control serving as the core component of its control system. The coiler tension system exhibits complex characteristics such as nonlinearity, strong coupling, and time-varying behavior. Excessive tension fluctuations can lead to production defects including strip deviation, poor coil shape, and strip breakage, significantly compromising production efficiency and product yield rates.This design addresses the tension control requirements of a coiler in a hot rolling mill, establishing a comprehensive control system solution based on the Siemens S7-1200 PLC. Utilizing the CPU1214CDC/DC/DC as the core controller and a cascade PID control algorithm for precise tension regulation, the system drives the coiler motor through a Siemens G120 frequency converter and employs WinCC configuration software to build a host computer monitoring platform. Focusing on three key components—hardware selection, software programming, and configuration design—the system implements functions including tension signal acquisition, PID parameter auto-adjustment, motor speed control, fault alarms, and data storage. Laboratory simulations and field testing confirmed that the system maintains tension fluctuations within ±2% with a response time under 0.5 seconds, meeting the stringent precision and stability requirements of hot rolling production while providing a reusable reference for similar industrial control system designs.Key Words:Unwinding Machine, Tension Control, Cascade PID Algorithm, S7-1200 PLC, WinCC目 录1 绪论1.1 研究背景及意义1.2 国内外发展现状1.3 本设计的主要内容1.4 本章小结2 卷取机张力控制系统的总体设计2.1 卷取机张力控制系统概述2.2 卷取机张力控制系统设计要求2.3 本章小结3 卷取机张力控制系统硬件设计3.1 张力传感器的选型3.2 变频器的选型3.3 可编程逻辑控制器PLC3.4 卷取机张力控制系统电气接线图设计3.5 本章小结4 卷取机张力控制系统程序设计4.1 串级PID控制算法4.2 程序编写4.3本章小结5 卷取机张力控制系统组态画面设计5.1 WinCC简介5.2 WinCC软件的画面制作5.3 WinCC组态运行5.4 本章小结结 论致 谢参考文献1 绪论1.1 研究背景及意义在现代钢铁工业生产中热轧带钢是应用最广泛的钢材品种之一其产品质量直接关系到汽车、家电、建筑等下游行业的发展。卷取机作为热轧生产线的最后一道关键设备其主要功能是将轧制后的带钢卷取成整齐的钢卷便于后续的运输和存储。而张力控制则是卷取机控制系统的核心稳定的张力是保证带钢卷形质量、防止带钢跑偏和断带的关键因素。在实际生产过程中卷取机张力系统受到多种因素的影响如带钢厚度变化、卷径实时变化、电机转速波动、机械摩擦阻力等这些因素导致张力系统呈现出明显的非线性、强耦合和时变性特征。如果张力控制精度不足张力过大容易导致带钢拉伸变形甚至断带张力过小则会引起带钢跑偏、卷层松散、塔形卷等缺陷不仅会降低产品合格率还可能造成生产线停机带来巨大的经济损失。因此研究高性能的卷取机张力控制系统对于提高热轧生产效率、提升产品质量、降低生产成本具有重要的理论意义和实际应用价值[1]。1.2 国内外发展现状国内卷取机张力控制系统的研究起步较晚但发展迅速。目前国内大多数中小型热轧企业采用的是基于传统PID算法的PLC控制系统通过PLC采集张力传感器信号经过PID运算后输出控制信号给变频器调节卷取电机的转速和转矩[2]。这类系统具有结构简单、成本低廉、易于维护等优点能够满足基本的生产需求。国内高校和科研机构在传统PID的基础上进行了大量改进研究如模糊PID、神经网络PID、遗传算法优化PID等智能控制算法有效提高了系统的抗干扰能力和控制精度[3]。但这些智能算法大多停留在理论研究和实验室仿真阶段在工业现场的实际应用还比较有限存在理论与实践脱节的问题[4]。国外在卷取机张力控制技术方面处于领先地位西门子、ABB、三菱等国际知名电气公司开发了成熟的卷取机张力控制系统解决方案[5]。这些系统普遍采用模型预测控制(MPC)、自适应滑模控制、鲁棒控制等先进控制算法能够建立高精度的非线性数学模型有效补偿卷径变化、摩擦阻力等因素对张力的影响张力控制精度可达±1%以内[6]。同时国外先进系统还集成了数字孪生、工业物联网、边缘计算等技术能够实现设备状态的实时监测、故障预测和远程维护。但这些高端系统价格昂贵对操作人员的技术水平要求较高在国内中小企业的推广应用受到一定限制[7]。1.3 本设计的主要内容本设计以某热轧厂卷取机为研究对象旨在设计一套性能稳定、控制精度高、操作简便的张力控制系统。具体研究内容包括系统硬件设计根据卷取机的控制需求完成核心控制器、张力传感器、变频器等关键设备的选型。选用西门子S7-1200系列CPU1214CDC/DC/DC作为核心控制器搭配压磁式张力传感器和G120变频器设计合理的电气接线图确保各硬件设备之间能够稳定通信和协同工作。控制算法研究与实现深入研究串级PID控制算法的原理和特点分析其在卷取机张力控制中的优势。设计张力外环和速度内环的串级控制结构通过实验和仿真优化PID参数提高系统的响应速度和控制精度。同时实现PID参数的在线自整定功能使系统能够适应不同工况下的张力控制需求。PLC程序设计使用TIAPortal软件编写PLC控制程序包括主程序、初始化子程序、张力采集与处理子程序、PID运算子程序、变频器控制子程序、故障报警子程序等。采用定时中断方式采集张力信号保证数据的实时性和准确性。上位机组态设计利用WinCC组态软件搭建上位机监控平台设计主监控画面、参数设置画面、报警画面和趋势曲线画面。实现卷取机运行状态的实时显示、张力设定值和PID参数的在线修改、故障信息的报警和记录、历史数据的查询和分析等功能。系统调试与验证通过实验室模拟运行和现场调试测试系统的控制精度、响应速度和稳定性。根据调试结果对硬件和软件进行优化和改进确保系统能够满足实际生产需求。检测单元主要由压磁式张力传感器、速度编码器和卷径计算模块组成。张力传感器负责采集带钢的张力信号速度编码器用于检测卷取电机的转速卷径计算模块根据电机转速和带钢线速度实时计算钢卷的直径。控制单元选用西门子S7-1200CPU1214CDC/DC/DC作为核心控制器。该控制器集成了14个数字量输入点和10个数字量输出点具备强大的运算能力和通信能力能够快速处理传感器采集的数据并根据预设的控制算法输出控制信号。同时通过扩展SM1231模拟量输入模块和SM1232模拟量输出模块实现模拟量信号的采集和输出。执行单元由西门子G120变频器和卷取电机组成。变频器接收PLC输出的控制信号调节电机的转速和转矩从而改变带钢的张力。G120变频器具有优异的转矩控制性能和动态响应特性能够满足卷取机张力控制的要求。通信单元包括传感器与PLC之间的模拟量通信线路、PLC与变频器之间的PROFINET通信线路、PLC与上位机之间的以太网通信线路。通信线路采用屏蔽电缆并进行合理的接地处理确保数据传输的准确性和稳定性。上位机监控单元由装有WinCC组态软件的工业计算机组成。通过WinCC组态软件设计友好的人机界面实现卷取机运行状态的实时显示、参数设置、故障报警和历史数据查询等功能。电源单元为整个控制系统提供稳定的电源供应。选用具有过压、过流、短路保护功能的开关电源确保系统在供电异常情况下的安全运行。4.2 程序编写本系统的PLC程序使用西门子TIAPortalV17软件编写采用梯形图编程语言程序结构采用模块化设计主要包括主程序、初始化子程序、张力采集与处理子程序、串级PID运算子程序、变频器控制子程序、故障报警子程序等。一、符号表设计在编写程序之前首先建立符号表将实际的输入输出地址与符号进行匹配并对每个符号的功能和用途进行详细说明以增强程序的可读性和可维护性。本系统的部分符号表如下表4.1符号表符号地址类型作用说明SDI0.0数字量输入系统启停开关S1I0.1数字量输入带钢检测传感器S2I0.2数字量输入卷取到位传感器M1Q0.0数字量输出输送电机运行M2Q0.1数字量输出夹送辊电机运行MZQ0.2数字量输出卷取电机正转MFQ0.3数字量输出卷取电机反转AQ0.4数字量输出液压电磁阀ABQ0.5数字量输出液压电磁阀BCQ0.6数字量输出液压电磁阀CYU1Q0.7数字量输出送料电磁阀AIW0IW64模拟量输入张力传感器信号AQW0QW64模拟量输出变频器速度给定Tension_SetMD100实数张力设定值Tension_ActMD104实数实际张力值Speed_SetMD108实数速度设定值Speed_ActMD112实数实际速度值Kp1MD120实数主控制器比例系数Ti1MD124实数主控制器积分时间Td1MD128实数主控制器微分时间Kp2MD132实数副控制器比例系数Ti2MD136实数副控制器积分时间Td2MD140实数副控制器微分时间Alarm_HighMD150实数张力报警上限Alarm_LowMD154实数张力报警下限二、主程序设计主程序是整个PLC程序的入口负责调用各个子程序实现系统的整体控制逻辑。系统上电后首先执行初始化子程序完成PID参数、张力设定值、报警上下限等参数的初始化。然后进入主循环依次调用张力采集与处理子程序、串级PID运算子程序、变频器控制子程序和故障报警子程序。主程序中使用SM0.1作为上电初始化标志位仅在PLC上电后的第一个扫描周期内接通调用初始化子程序SBR_0。使用SM0.0作为循环执行标志位始终保持接通状态在每个扫描周期内调用其他子程序。5 卷取机张力控制系统组态画面设计5.1 WinCC简介WinCC是西门子公司开发的一款功能强大的工业组态软件广泛应用于各种工业自动化领域的监控系统设计。WinCC具有丰富的图形库和动画效果能够创建逼真的工业现场画面支持多种通信协议能够与PLC、变频器、智能仪表等多种工业设备进行无缝通信具备强大的数据处理和存储能力能够实现历史数据的记录、查询和分析同时还提供了完善的报警管理、报表生成和用户管理功能能够满足工业现场的各种监控需求。WinCC采用面向对象的设计思想操作简单易于学习和使用。用户无需编写复杂的代码通过组态方式即可快速搭建监控系统大大缩短了系统的开发周期。此外WinCC还具有良好的开放性和扩展性支持与第三方软件的集成能够适应不同规模和复杂程度的自动化系统。5.2 WinCC软件的画面制作本系统使用WinCCV7.5组态软件设计上位机监控画面主要包括主监控画面、参数设置画面、报警画面和趋势曲线画面。一、新建工程打开WinCC软件创建一个新的WinCC项目命名为“卷取机张力控制系统”。在项目管理器中添加“SIMATICS7-1200”驱动程序设置通信参数建立WinCC与S7-1200PLC之间的通信连接。通信方式采用以太网通信PLC的IP地址设置为192.168.0.1上位机的IP地址设置为192.168.0.2CPU型号选择如图5.1所示。5.4 本章小结本章介绍了卷取机张力控制系统的上位机组态设计。首先简要介绍了WinCC组态软件的功能和特点然后详细说明了组态画面的制作过程包括新建工程、创建变量和各个画面的设计。最后通过系统运行调试验证了组态画面的功能和效果。上位机监控平台的建立为操作人员提供了直观、便捷的操作界面大大提高了系统的可操作性和维护效率。结 论本设计围绕某热轧厂卷取机张力控制系统展开针对卷取机张力系统非线性、强耦合、时变性的特点设计了一套基于西门子S7-1200PLC的串级PID张力控制系统。硬件方面选用CPU1214CDC/DC/DC作为核心控制器搭配ZL-1型压磁式张力传感器和西门子G120变频器构建了完整的硬件系统并完成了电气接线设计。软件方面采用张力外环和速度内环的串级PID控制算法编写了模块化的PLC控制程序实现了张力信号采集、PID运算、电机控制和故障报警等功能。利用WinCC组态软件搭建了上位机监控平台实现了系统运行状态的实时显示、参数在线修改、故障报警和历史数据查询等功能。通过实验室模拟运行和现场调试验证系统运行稳定控制性能良好。系统可将带钢张力波动控制在±2%以内响应时间不超过0.5s能够有效抑制各种干扰因素的影响满足热轧生产对张力控制精度和稳定性的要求。该设计方案结构简单、成本低廉、易于维护具有较强的实用性和推广价值可为同类工业控制系统的设计提供参考。当然本设计还存在一些不足之处例如智能控制算法的应用还不够深入系统的故障诊断和预测功能还不够完善。在未来的工作中可以进一步研究模糊PID、神经网络等智能控制算法在卷取机张力控制中的应用提高系统的自适应能力和抗干扰能力同时可以引入数字孪生和工业物联网技术实现设备状态的实时监测和故障预测进一步提高系统的智能化水平和可靠性。致 谢本毕业设计是在指导老师的悉心指导下完成的。从课题的选择、方案的设计到论文的撰写指导老师都给予了我耐心的指导和无私的帮助。指导老师严谨的治学态度、渊博的专业知识和高尚的师德风范使我受益匪浅。在此我向指导老师表示衷心的感谢和崇高的敬意感谢辽宁科技大学应用技术学院的各位老师在大学期间对我的辛勤培养和教育他们的教诲为我打下了坚实的专业基础。感谢我的同学们在学习和生活中给予我的帮助和支持与他们的交流和讨论让我收获良多。最后感谢我的家人一直以来对我的理解、支持和鼓励他们是我完成学业的坚强后盾。由于本人学识有限论文中难免存在不足之处恳请各位老师和专家批评指正。参考文献陈玉宝.继电器电路图改成PLC梯形图的方法[J].黑龙江科技信息,2009(30):33.郭小强PLC技术在电气自动化中的控制应用[J]电声技术201943103JING SU. 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