（信号与信息处理专业论文）基于组态控制技术的喷水织机控制系统的研究与实现.pdf

摘要 基于组态控制技术的喷水织机控制系统研究和实现 硕士研究生姚志恩导师赵力教授 东南大学无线电工程系 工业自动化正在发生着巨大的变革，它已突破了局部控制的模式，进入到全局控制，既 包含了若干子系统的闭环控制，又有大系统协调控制、最优控制以及决策管理，即人们称之 为控制管理一体化的新模式。它的出现将使工业自动化系统在大量获取生产过程和市场信息 的基础上，科学地安排、调度生产，充分发挥设备的生产能力，最终达到优质高产低消耗的 控制目标。实际上，生产过程自动化的程度已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。 监控组态软件是面向监控与数据采集( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。 组态控制系统主要解决的问题是： l 、如何与采集、控制设备进行数据交换 2 、使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来 3 、处理数据报警和系统报警 4 、存储数据并支持数据的查询 5 、各类报表的生成和打印输出 6 、最终生成的应用系统运行稳定可靠 本设计根据全面管理与控制的现代先进生产的要求，研究喷水织机的计算机组态控制系 统，提出硬件和软件的实现方法，该系统利用m c g s 组态软件建立人机界面，以工控机、m c g s 组态软件为核心，并在多单片机组成的基本电路和工控机配合下有效的完成了对各个模块的 模拟量、开关量的监测。通过r s 4 8 5 总线实现计算机与现场单片机的信号通讯，建立t c p i p 局域网实现的分布式控制系统，完成了对各种数据的准确存储、统计、查询及表格、曲线的 定时显示和报警显示。此系统可以很轻松的完成各种历史数据的查询和统计。从而实现了喷 水织机生产的自动化。且该系统结构设计合理、操作灵活方便，计算机可自动进行数据采集， 可应用于生产车间的在线监控。 仿真调试结果表明该组态控制系统具有精度高、实时性及监控界面简单操作方便等特点， 具有较高的使实用价值。 关键词：组态技术喷水织机m c o sr s 4 8 5分布式控制系统 a b s t r a c t t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mo fw a t e r - j e tl o o mb a s e do n c o n f i g u r ec o n t r o l c a n d i d a t e ：y a o z h i e n , s u p e r v i s o r ：z h a ol i d e p a r t m e n to f r a d i oe n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , c h i n a a u t o m a t i o nt e c h n o l o g yh a sg o t t e na s t o n i s h i n ga c h i e v e m e n t , h a sp l a y e dac r u c i a lr o l ei n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n ds c i e n c ed e v e l o p n o w , a u t o m a t i o ni n s t a l l a t i o nh a sb e c o m el a r g e s c a l e e q n i p m e n t 。i si m p o r t a n ta sc a n n o tc u tp a r ta p a r tt of o r m c a ns a yt h a ti fn o td e p l o ys u i t a b l e v o l u n t a r i l yc o n t r o ls y s t e m ，l a r g e s c a l ep r o d u c t i o nc o u f s cc a l ln o tr a l ia ta 1 1 a c t u a l l y , t h el e v e lo f p r o d u c t i o nc o u r s ea u t o m a t i o nh a sb e c o m eai m p o r t a n ts i g no fm e a s u r i n gi n d n s t r i a le n t e r p r i s e m o d e r nl e v e l i t sa p p e a r a n c ew i l li n a k ei n d u s t r i a la u t o m a t i o ns y s t e ns c i e n t i f i c a l l yo nt h e f o u n d a t i o no fg e t t i n gp r o d u c t i o nc o u r s ea n dm a r k e ti n f o r m a t i o ni nl a r g eq u a n t i t i e s ，a r r a n g ea n d m a n a g et h ep r o d u c t i v i t yt h a tp r o d u c e sa n dd e v e l o p se q u i p m e n tf u l l y , r e a c h e st h ec o n t r o lg o a lo f t h e h i 曲q u a l i t yl o wc o n s u m p t i o no f h i g hy i e l de v e n t u a l l y 1 1 c o n f i g u r es o f t w a r ei ss u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o nw i t hl o to f c h a r a c t e r i s t i c s i t m a i np r o b l c ms o l v e dh a s ： ( 1 ) h o wt ot r a n s l a t ed a t e st od a t es a m p l i n ga n dc o n t r o l l i n g ( 2 ) h o wt ol i n kt h ed a t et oc o m p u t e rh u m a nm a c h i n ei n t e 墒c e ( 3 ) h o wt op r o c e s st h ew a i no f d a t e sa n ds y s t e m s ( 4 ) h o wt oq u i r ea n ds t a t i s t i ct h ed a t e ( 5 ) h o wt op r i n tt h ed a t et a b l ea n dd a t ec u r v e ( 回h o wt oe s t a b l i s ht h es y s t e mf o rl o d u c t 1 1 坞p a p e rp r e s e n t sp r o j e c t so ft h ed e s i g no fc o m p u t e rc o n f i g u r ec o n t r o ls y s t e mt ow a t e r - j e tl o o m b a s e do nt h ed e m a n d so f m o d e mi n d u s t r i a lc o n t r o la n da l s oi n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e a i m sa tt h em o n i t o ro f d a t as a m p l ea n dc e n t r e ls y s t e mt ot h ed a t ai nm a n y p o s i t i o n s 1 1 l i ss y s t e mm a k ei n d u s t r yc o n t r o le o m p u t e r , m c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea si t sc o r e 1 1 l i s s y s t e me s t a b l i s h sh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c eb ym c g sc o n f i g u r es o f tt oi m p l e m e n tc o m p m e rc o n t r o l o f i n d 州a lp r o d u c t i o na n df i n i s ht h em e m o r y ，s t a t i s t i c ，q u e r yo f a l l k i n d so f d a t a , a n da l s oc a l ld 脚屺 d i s p l a ya n dp r i n tt h et a b l ea n dc g f v e ， n ec o m p u t e rc o m m u n i c a t es w i t ho n e - c h i pc o m p u t e rb y r s 4 8 5 ，a n de s t a b l i s h sd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mw i t ht c p 册n e t t h ee x a m i n a t i o ni n d i c a t e st h a t t h i sc o n t r o ls y s t e mh a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa sa c c u r a t ep r e c i s i o na n dr e a l t i m ec h a m c t c fa n d c o n t r o l l i n gi n t e r f a c e ss i m p l ya n de a s yt oo p e r a t e ，e t e i th a sh i 班p r a c t i c a lv a l u e s k e yw o r d s ：c o n f i g u r es y s t e m w f a e r - j e tl o o m m c g sr s 4 8 5d c s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本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。 研究生签名；日期；五， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理， 研究生签名：日期：护雾罗。r o 东南大学硕士学位论文 刖舌 2 0 世纪末，以微电子、信息、新材料、系统科学等为代表的新一代工程科学与技术的迅猛发展及其在 控制领域中的广泛渗透、应用，极大的拓展制造活动的深度和广度，急剧改变现代制造业的设计方法、产 品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构，产生一大批新的制造技术和制造模式组态技术 正是在这种条件下发展起来，运用自动控制理论、电子技术、计算机技术、精密测量技术和机械知识等方 面的最新成就于基础工业，是机电一体化发展的一个重要方向。纺织业是湖州地区工业的一个重要组成部 分，数控喷水织机i j l 是应用最广泛的织布机器，比传统机械织布机具有提高质量，降低劳动强度，增加经 济效益的优点。目前湖州地区的数控喷承织机多为单机控制式，采用单片机作为控制核心，利用数码管显 示少量工作信息，不能提供故障信息以利于维修。从先进制造业角度而言，这样的控制系统没有采用全面 管理与控制的集成管理信息系统技术1 2 j ，不利于大生产环境，不利于生产的管理，不利于设备的监控和维 修，因此我们浙江信息工程学校和湖州京诚纺织有限公司联合提出基于组态控制技术的喷水织机控制系统 研究和实现的课题，利用先进的计算机集成管理信息系统技术，进行控制系统的研究，控制系统利用计算 机组态控制技术实现改造后，可以实现生产的全面高效管理和控制，既可以实现单台数控喷水织机的运行 和管理，也可以实现多台数控喷水织机的运行和管理，比目前数控喷水织机的控制更适合制造业生产的现 代化需要，提高生产效率，降低运行故障，减小劳动强度，实现更高的智能化生产。 东南大学硕士学位论文第一章组态技术介绍 1 1 组态技术发展 第一章组态技术介绍 “组态”的概念是伴随着集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 的出现才开始被广大的生 产过程自动化技术人员所熟知的p j 。 在控制系统中使用的各神仪表中，早期的控制仪表是气动p i d 调节器，后来发展为气动单元组合仪表， 2 0 世纪5 0 年代后出现电动单元组合仪表和直接数字控制系统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l 。d d c ) 。7 0 年代中期 随着微处理器的出现，诞生了第一代d c s 。到目前，d c s 和其他控制设备在全球范围内得到了广泛应用。 计算机控制系统的每次大发展的背后都有着3 个共同的推动力： l 镟处理器技术质的飞跃，促成硬件费用的大幅度下降和控制设备体积的缩小： 2 计算机网络技术的大发展； 3 、计算机软件技术的飞跃。 由于每一套d c s 都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域中，为了使用户在不需要编代码 程序的情况下，便可生成适合自己需求的应用系统每个d c s 中都预装了系统软件和应用软件，丽其中 的应用软件，实际上就是组态软件即j ，但一直没有人给出明确定义，只是将使用这种应用软件设计生成目 标应用系统的过程称为“组态( c o n f i g u r e ) ”或“做组态”。组态的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义 是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定 任务，满足使用者要求的目的。监控组态软件是面向监控与数据采集( s u l 崩 v i s o r yc o n t l o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。监控组态软件 最早出现对，h v f l ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 或加( m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 是其主要内涵，即主要解 决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、s c a d a 、通信及联网、开放数据接口、 对i o 设备的广泛支持已经成为它的主要内容。随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容 宜到现在，每个d c s 厂家的组态软件仍是专用的( 即与硬件相关的) ，不可相互替代。从年代开始， 由于个人计算机的普及，国内开始有人研究如何利用p c 进行工业监控同时开始出现基于p c 总线的a d 、 d ，a 、计数器、d i o 等各类i o 板卡。应该说国内组态软件的研究起步是不晚的。当时有人在m c d o s 的 基础上用汇编语言或c 语言编制带后台处理能力的监控组态软件，有实力的研究机构则在实时多任务操作 系统i r m x 8 6 或v r t x 上做文章，均未形成有竞争力的产品。随着m c - d o s 和i r m x 8 6 用户数量的萎缩和 微软公司w i n d o w s 操作系统的普及，基于p c 的监控组态软件才迎来了发展机遇，以m c g s 软件为代表的 国内组态软件也经历了这一复杂的过程世界上第一个把组态软件做为商品进行开发、销售的专业软件公 司是美国的w o n d e r w a r e 公司，它于年代末率先退出第一个商品化监控组态软件i n t o u c h 。此后监控组态 软件在全球得到了蓬勃发展，目前世界上的组态软件有几十种之多，总装机量有几十万套。伴随着信息化 社会的到来，监控组态软件在社会信息化进程中将扮演越来越重要的角色，每年的市场增幅都会有较大增 长，未来的发展十分看好1 4 - 5 。 1 2 组态软件的特点 组态软件最突出的特点是是实时多任务。例如数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人 机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通讯等多个任务要在同一台计算机上同时运行。 组态软件的主要目的是使使用者在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因 此在设计组态软件时应充分了解自动化工程设计人员的基本需要，并加以总结提炼，重点，集中解决共性 问题。组态软件主要解决的问题是1 4 lq ： l ，如何与采集、控制设备进行数据交换 2 、使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来 3 、处理数据报警和系统报警 2 东南大学硕士学位论文第一章组态技术介绍 4 、存储历史数据并支持历史数据的查询 5 、各类报表的生成和打印输出 6 、为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求； 7 、最终生成的应用系统运行稳定可靠； 8 、具有与第三方程序的接口，方便数据共享。 组态软件的数据处理流程如图1 2 1 所是州，从图中可以看出实时数据库是组态软件的核心和引擎，历史 数据存储，报警数据处理，数据的运算处理，数据库冗余控制，i o 数据连接都是由实时数据库系统完成的，图形 界面系统和! o 驱动程序等组件以实时数据库为核心。通过高效的内部协议相互通讯，共享数据。 图形界面系统 报警通知l 燃 i 聋面显示j屯叫 产番叫 通信程序组件 善勰 图1 2 1 组态软件的数据处理流程 自动化工程设计技术人员在组态软件中只需填写一些事先设计的表格，再利用图形功能把被控对象 的属性与i o 设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统设入运行后，与被控对象相连 的i o 设各数据发生变化会直接带动被控对象的属性变化，若要对应用系统进行修改，也十分方便，这就 是组态软件的方便性。 从以上可以看出。组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠的特点。 1 3 监控组态软件在t l 动监控系统中的地位 在一个自动监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数 据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制、检测设备( 如p l c 、智能仪表、d c s 等) 共同构 成快速响应，j 空制中心。控制方案和算法一般在设备上组态并执行，也可以在p c 上组态，然后下装到设备 中执行，根据设备的具体要求而定，如图1 3 1 所示1 4 - 6 1 。 监控组态软件投入运行后，操作人员可以在它的支持下完成以下6 项任务。 ( 1 ) 查看生产现场的实时数据及流程画面； ( 2 ) 自动打印各种实时历史生产报表； ( 3 ) 自由浏览各个实时，历史趋势画面； “) 及时得到并处理各种过程报警和系统报警； ( 5 ) 在需要时，人为干预生产过程，修改生产过程参数和状态； ( 6 ) 与管理郊门的计算机联网，为管理部门提供生产实时数据。 3 东南大学硕士学位论文 第一章组态技术介绍 图1 3 1 监控组态软件在自动监控系统中的地位 4 东南大学硕士学位论文第二章喷水织机组态控制设计的内容与目标 第二章喷水织机组态控制设计的内容与目标 2 1 喷水织机织造基本原理 喷水织机是一种高速无梭织机0 1 ，其设备如图2 1 1 图2 1 1 喷水织机 它是用水射流代替了二百多年来世界织布产业上长期使用的梭子，通过喷嘴将纬纱引入经丝梭口的一 种新型织机，如原理图2 1 2 所示1 1 ) 簟一砖瑶修蟪 ， 图2 1 2 喷水织机原理图 7 这种从根本上改变了织机原理的喷射织机，装有具备独创性新技术的新型装置。包括：水喷射装置， 连续测纬及储纬装置，绞边装置，投纬关联装置，纬纱切断装置，边纱处理装置。 ， 其他主要运动部分( 开口、大纬、卷取、送经) ，基本上与有梭织机原理一样，但设计都达到织机高 东南大学硕士学位论文第二章喷水织机组态控制设计的内容与目标 速运转的性能要求。随着工业的发展和织机机构的逐步改进和提高，各种专利发明的出现，在储纬装置上 有导纱器回转式和测长鼓回转式，亦即日产和津田驹两家专利。喷水织机从1 9 6 0 年代初正式投入工业生 产到目前随着科技不断发展，机型从单喷发展到双喷；车速从最初的3 0 0 r r a i n 发展到现在的8 0 0 - 9 0 0 r m i n 的高速度；织物组织变换由机械式i * i 、2 * 2 装置发展到采用电子控制的m e f 和p a w 的双色自由换色装 置，发展非常迅速。 一、喷水织机基本的织造原理如下所述： ( 1 ) 纬纱是直接由锥形筒子或筒子纱等供纱器供给，通过张力器调节适当的张力，用测长盘连续测 取长度相当于筘幅的一根纬纱，通过储维器，其前端即由纬纱夹持装置握持，引入喷嘴口。 ( 2 ) 从水源将喷射用水引入保持一定水压的水箱，由浮阀保持一定的水面，经过滤而被吸入水泵。 水泵属于柱塞式。调节适当的水压和水量，然后压送到喷嘴。 ( 3 ) 在喷嘴处，纬纱和水在此合流，以3 0 - 5 0 m s 的速度向梭口喷射。 ( 4 ) 投入的纬纱前端被织机对侧的捕纬器夹持，经捻纱而得适当的张力。 ( 5 ) 在此同时，由卫星齿轮式绞边装置进行边纱的开口运动，使纬纱两端皆被拧织而成结实的布边。 ( 6 ) 纬纱均从喷嘴向一个方向飞行，在梭口两端位置装有热熔丝切断投入的纬纱，或采用机械剪切 断投入的纬纱( - - 根一根地分别加以切断) o ( 7 ) 纬纱的飞行如受到毛羽等影响而不能抵达右侧时，装在右边的探纬器可立即检测出来，并使织 机自动停止下来。 二、喷水织机主要技术特御l 】 1 、可获得较高的生产率如要织制同一生产量的标准织物时，采用喷水织机，便可比采用有梭织机 使用较少的织机台数，即它具有较高的生产率( 入纬率) 2 、可织制各种合纤织物。 3 、可织制高质量的织物 ( 1 ) 从纬纱供纱器到引纬为止的过程中，纬纱未受到过大的张力或摩擦力的作用；因此，可保持纱线 的物理机械性能。 ( 2 ) 因为机构运动稳定，因此，可获得极其均质的织物。 ( 3 ) 卷取运动与送经运动可保持平衡，因此，经纱的张力可保持均一。 4 、可省工高效 ( 1 ) 无需有梭织机上所用的卷纬工序，也无麻烦的梭子维修工作，故可节省作业时间。 ( 2 ) 经轴、卷布辊、纬丝筒子的容量大，使一个经轴的织造时间大大延长。 ( 3 ) 运行稳定，维修简便，因此一名挡车工可操作较多台数的织机。 ( 4 ) 由于有指示灯的显示，可知停机原因的所在部位，因此，可缩短故障诊断时间至最低限度。 ( 5 ) 可减少机台占地面积。 ( 6 ) 机器维修保养费用低廉。 ( 7 ) 对挡车工的熟练程度要求不太高。 ( 8 ) 可获得比较舒适的工作环境。在有梭工厂内颇感头痛的是噪音太大，而喷水织机噪声较小 2 2 喷水织机控制流程分析 喷水织机的运行的控制流程图如图2 2 i ，控制系统可分为：电源接通、预备、连续运行、点动运行， 停止、水位控制等功能。 一、电源接通 通过电源开关将三相电引入喷水织机，并且电磁制动器实现制动。为开机运行作好准备。 6 东南大学硕士学位论文 第二章喷水织机组态控制设计的内容与目标 二、预备功能 喷水织杌运行之前，必须先启动： l 、电热剪刀加热 电热剪刀利用其热效应切断纬线，保持布匹边缘的整齐和不易撕裂，由于电热剪刀采用电热丝加热， 因此在启动喷水织机前必须使电热剪刀热度达到纬线的热标准，弗且在运行过程中应注意电热剪刀的温 度，太高易灼伤布料，太低则不能剪断纬线。 2 、除湿风机运行 - 由于喷水织机工作中采用喷水引纬，布匹上水分较重，若在运行过程中不能有效去除多余的水分，则 布匹易产生发霉现象。因此除湿风机必须在启动前先开始工作，在运行过程中应时刻保持其正常工作。 3 、纬风机运行 喷水织机与有梭织机相比，引纬的速度有很大的提高，同时织物的品质更高档化，因此要求织机的引 纬张力更加均匀，引入织口的每根纬线张力须保持一致，避免引纬张力过大波动。喷水织机中储纬器的设 置就是为了避免纬4 线直接从简子上退解下来所出现的张力波动。储纬嚣把由测长装置涌出的供一幅织物 所用的纬线在纬风机提供的稳定气流浮托下存储在气流槽中，为喷嘴喷射引纬作好准备，因此纬风机必须 在织机运行裁启动并稳定的运行。 4 、电磁制动器松开 图2 , 2 1 喷水织机的运行的控制流程图 三、连续运行功能 喷水织机的开口装置动作、卷布辊动作、左右绞边动作，废丝清理动作、电热剪刀动作是由主电机通 过机械连杆来实现的，各种速度的配合由机械装置进行调整。因此连续运行中需要控制的是纬线喷射和测 纬功能。在开口装置上安装接近开关来控制喷射纬线的时间，在喷射装置的另一端安装测纬传感器来检测 纬线的有无。其信号流程如图2 2 2 四、点动功能 7 东南大学硕士学位论文 第二章喷水织机组态控制设计的内容与且标 点动功能主要用于故障处理情况和开机调整，当喷水织机出现故障停机时或开机时机械装置没有进入 预定位置，为了能使喷水织机的机械部件恢复到开始状态的定位而设置的，点动与连续运行的不同之处在 于点动时可以实现正转或反转，连续运行只能正转，而且点动时不检测接近开关，不进行喷纬运动。 n 图2 2 2 连续运行信号流程如图 五、水位控制 喷水织机设有小型储水池，为纬线喷射提供符合标准的水源其控制流程如图2 23 图2 2 3 水泵控制流程 2 3 喷水织机组态控制设计的内容 目前集成管理信息系统技术在工业生产上的应用进入飞速发展的时代，国际上的大型制造业企业多采 用集成管理信息系统技术来全面管理与控制生产，美国、日本等国的纺织品企业在控制技术上投入巨资来 研究开发先进的制造技术并取得了较大的发展。我国的纺织业历史悠久，但在制造技术上远远落后于国际 水平，在控制技术上对技术进口有较大的依赖性，数控喷水织机是引进日本机型后我国自行改进生产的设 备，因此在控制技术上落后较多。而纺织业是我国的重要产业支柱，是打造先进制造业国家的重要组成部 分。目前数控喷永织机的控制技术改进还停留在单机技术上，没有形成较成熟的集成控制系统，特别是组 态软件在控制系统中的应用还在起始阶段，所以研究数控喷水织机的组态控制技术系统具有重要的技术意 义。 一、研究内容 研究的主要内容是数控喷水织机控制系统的组态控制技术改造，包含工业接口控制技术，组态软件应 用技术等在数控喷水织机控制系统中的设计和实现，克服目前数控喷水织机生产的不利于大生产监控和管 理的缺点，降低故障发生概率，增加系统控制灵活度。进一步提高生产效率和生产先进程度，取得更好的 8 东南大学硕士学位论文 第二章喷水织机组态控制设计的内容与目标 经济效益。 二、技术关键 l 、组态软件如何与设备进行通讯。 组态软件通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换，在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数 据传送到工程的各个部分，完成整个通讯过程，并且相互不干扰。 2 、组态软件如何产生动画效果 所谓动画效果，实际上是反映图形的大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。组态软 件中如何设定图形数据变量，连接到实时数据库，建立相应的对应关系。 3 、组态软件如何对工程运行事实有效的控制 系统应按照设定的顺序和条件操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程 和设备的工作状态， 4 、组态软件如何实施远程多机监控 建立网络监控系统，实现网络间的实时数据同步，历史数据同步和网络事件的快速传递 三、研究步骤 组态软件实际是一个专为工业控制开发的工具软件，提供多种通用工具模块，使系统设计人员可以 把精力更多放在如何选择最佳控制方法，设计合理控制结构，提高控制品质上附l 。从管理角度上，与 w i n d o w s 一致的图形化界面非常便于生产的组织与管理。利用组态软件实现数控喷水织机的数据采集与 输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存贮、检索管理、实时通讯等多个任务在 同一台计算机上同时运行。用户通过计算机的动画流程界面进行实时控制和管理，报警处理，报表统计， 实现系统的可靠运行，提高生产效率。其根据生产工艺应用设计步骤如下： ( 1 ) 项目系统分析 了解喷水织机的系统构成与工艺流程，明确主要的监控要求和技术要求。 ( 2 ) 拟订组建工程的总体规划 主要包括系统应实现那些功能，控制流程如何实现，需要怎样的用户窗口界面，实现何种动画效果以 及如何在实时数据库中定义数据变量等环节，分析工程中设备的采集及输出通道与实时数据库中定义的变 量对应关系，分清那些变量是要求与设备连接的，那些变量是软件内部用来传递数据及用于实现动画显示 的 ( 3 ) 设计用户操作菜单 在系统运行的过程中，为了便于画面的切换和变量的提取，根据用户的需求建立菜单的框架，然后 对菜单进行功能组态。 ( 4 ) 制作动态监控画面 先建立静态画面，可以使用绘图工具制作，也可以外界输入图片。对图片进行动画设计，如颜色变化， 形状变化，位置变化等，所有动画效果与数据库变量一一对应，实现内外结合的效果。 ( 5 ) 编写控制流程程序 在制作动画过程中，大部分较复杂的动画效果和数据之间的连接，通过一些程序命令实现，组态软件 提供大量系统命令，形式兼容于v b ，v c 语言格式，通过脚本程序的编写完成控制流程。 ( 6 ) 完善菜单按钮功能 ( 7 ) 模拟调试 利用组态软件的模拟环境进行现场数据模拟，检查动画效果和控制流程是否正确，从而达到与外部 设备进行可靠连接。 ( 8 ) 连接驱动设备 实现与外部设备连接时，装入正确的驱动程序和定义通信协议是很重要的，f o 接口板等必须完全 9 东南大学硕士学位论文 第二章喷水织机组态控制设计的内容与目标 顺利的与组态画面进行通讯。 2 4 喷水织机组态控制设计的目标 一、人机界面设计目标 l 、操作方便，能在界面上轻松控制喷水织机的运行， 2 、动画能真实反映喷水织机的运行状态 3 、显示重要的报警信息，以便及时采取措施。 4 、可以自由浏览各个实时历史曲线数据。 5 ，在需要时能认为干预生产，修改生产过程参数和状态。 6 、能打印各种实h “历史生产报表。 二、运行策略设计目标 1 、符合喷水织机的生产工艺 2 、有较快的循环运行速度，满足数据的实时更新。 3 、有较好的自检策略，全面检测喷水织机的运行，减少故障时问。 4 、有对重要参数信号的报警策略，确保生产产品的质量 三、安全机制设计目标 1 、操作员；简单的运行操作。 2 、技术员i 运行操作，工艺参数的设置。运行策略的修改。 3 、负责人；重要数据的统计 四、通讯机制设计目标 1 、r s 4 8 5 总线完成计算机与多台喷水织机单片机的数据通讯控制。 2 、实现分布式网络控制系统。 1 0 东南大学硕士学位论文 第三章喷水织机组态控制系统组成 第三章喷水织机组态控制系统组成 3 1 喷水织机组态控制系统硬件组成 喷水织机组态控制系统硬件框图如图3 1 1 所示，系统由工业控制计算机，4 8 5 总线通讯结构，单片机 数据采集系统“，传感器数据测量系统组成 图3 1 i 喷水织机组态控制系统硬件框图 一、工业计算机 近年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、c r t 显示技术、通信与网络技术、微电子技 术的高速发展，给计算机控制技术带来了巨大的变革，人们利用这种技术可以完成常规控制技术无法完成 的任务，达到常规控制技术无法达到的性能指标l l q 。随着计算机技术、高级控制策略，现场总线智能仪表 和网络技术的发展，计算机控制技术水平必将大大提高。因此本系统的设计开发采用工业控制机来作为上 位机，实现生产过程自动控制和监控。 工业过程控制是计算机的一个很重要的应用领域，也是一种不同于一般计算机应用的特殊领域。工控 机正是为了满足这特点的工业应用领域而发展起来的，有了工业控制机就能将工业生产的过程控制与管 理调度相结合。从而使工业自动化在就地控制、集中控制的基础上，向综合自动化方向发展【l ”。工业控制 机具有实时性、可靠性、输入，输出能力强、抗干扰能力强等特点。其中，实时性是指工控机能对生产过程 进行实时监测与控制，对工况变化给予迅速的响应，及时进行输出调节，保证被控系统的正常运行。输入 输出强是指工控机具有丰富的过程输入输出功能，与工业现场的各种监测仪表( 如传感器、变送器) 和 各种控制装置相连接，以完成各种测控任务。另外，工控机都是以d o s 、w i n d o w s 作为软件平台，支 持多种高级语言编程，支持实时多任务操作系统应用软件极为丰富，特别是组态软件的出现更为软件提 供方便。本设计中采用北京昆仑公司的口c 0 0 3 型嵌入式工控机例 二、e n r s - 4 8 5 标准 r s - - 4 8 5 是美国电气工业联合会( e i a ) 制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准，以差分平衡方 式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。工业现场 东南大学硕士学位论文第三章喷水织机组态控制系统组成 控制系统中一般都采用该总线标准进行数据传输，在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要 一种总线能适合远距离的数字通信。在r s - 2 3 2 标准的基础上，e i a 研究出了一种支持多节点、远距离和 接收高灵敏度的r s - 4 8 5 总线标准i l “”。 以往常用的r s - - 2 3 2 协议在很大程度上己不能满足现代控制系统设计的要求，如传输速率慢，传输距 离短，传输信号易受外界的干扰等缺点。由于r s - - 2 3 2 的种种缺点，新的串行通讯接口标准r s - - 4 8 5 被制 定出来。r s - - 4 8 5 是采用差分信号进行传输，它是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。具有很强 的抗共模干扰的能力；最大传输距离可以达到1 2l 【；最大可连接3 2 个驱动器和收发器；接收器最小灵 敏度可达2 0 0m y ；最大传输速率可达2 5 抽s 。下面分析一下r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 网络在信号传输过程中 受干扰时的情况。 姗 囊 住 旺 瑾 m 圈3 t 2p , s - 2 3 2 信号传输方式 图3 1 ，3p , s 一4 8 5 信号传输方式 1 、r s - 2 3 2 信号传输方式受干扰时的情况。见图3 1 2 ： 如将发送原始信号记为( d t ) ，而传输时的信号是以地为参考点的，则发送端发送出去的信号为( d r ) 对地之问的电压，如果传输过程中没有干扰，接收端仍然到收( d t ) ，但是如果两条线路上出现干扰，这 时在发送传输线上的信号会被干扰成为( d t ) + n o i s e ，而地线把干扰信号给屏蔽了接收端接收此信号， 则合成后的信号为： ( d t ) = ( d r r ) + n o i s e 由此可见，其干扰被输出。 2 ，r s - 4 8 5 信号传输方式受干扰时的情况，见图3 1 3 ： 如将原始信号记为( d r r ) ，而传输时的信号分解为( d + ) 和( d - ) ，则发送端发送出去的运算关系为 ( 聊) = ( 叶) 一( d _ ) 这时如果两条线路上出现干扰，这时在两条传输线上的信号会分别成为( d + ) + n o i s e 和( d - ) + n o i s e 接收端接收此信号，则合成后的运算式如下： ( d t ) = ( 叶) + n o i s e 一 ( d - ) + n o i s e = ( d + ) 一( d 一) 由此可见，其干扰没输出。 3 、r s - 4 8 5 标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求； 1 ) 、收器的输入电阻r i n 1 2 k q ； 2 ) 、动器能输出7 v 的共模电压； 东南大学硕士学位论文 第三章喷水织机组态控制系统组成 3 ) 、输入端的电容5 0 p f ； 4 ) ，在节点数为3 2 个配置了1 2 0 q 的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1 5 v ( 终端电阻 的大小与所用双纹线的参数有关) ； 5 ) 、接收器的输入灵敏度为2 0 0 m v ( 即( v + ) 一( v - ) 9 0 2 v ，表示信号。0 ”； ( v + ) ( v - ) 0 2 v ，表示信号“1 ”) ； 因为r s 4 8 5 的远距离、多节点( 3 2 个) 以及传输线成本低的特性，使得e 队r s 4 8 5 成为工业应用中 数据传输的首选标准。 m a x 3 0 8 2 接口芯片是m a x i m 公司的一种r s - - 4 8 5 芯片。采用单一电源+ 5v 工作。额定电流为3 0 0 l la ，采用半双工通讯方式。它完成将1 t i l 电平转换为r s - - 4 8 5 电平的功能。其引脚结构图如图3 1 4 所 示。 劬 艇 d e v o c b g m d i p ，s 0 1 眦3 0 8 z ，6 管脚定义 图3 1 4 从图中可以看出l v l a x 3 0 8 2 芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。r o 和d i 端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的r x d 和t x d 相连即可； r e 和d e 端分别为接收和发送的使能端，当p r e 为逻辑0 时，器件处于接收状态；当d e 为逻辑l 时，器 件处于发送状态，因为m a x 3 0 8 2 工作在半双工状态。所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可； a 端和b 端分别为接收和发送的差分信号端，当a 引脚的电平高于b 时，代表发送的数据为1 ；当a 的电 平低于b 端时代表发送的数据为0 。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制m a x 3 0 8 2 的 接收和发送即可。同时将a 和b 端之问加匹配电阻，一般可选1 0 0 0 的电阻。 三、单片机 本设计采用的单片机，它不仅要完成对模拟量的采样数据，a d 转换以及与外部设备的信息交换，还 要实现对其它各硬件模块的控制。因此，对单片机的选择既要考虑其运算速度、运算能力以及数据空间的 容量，又要考虑其i 0 接口的驱动能力以及片内程序空间的容量。只有这样才能够保证硬件的简洁“。 p 8 9 l p c 9 3 5 包含2 个8 位、4 路逐步逼近式模数转换模块，共用一个控制逻辑。每个a 啭换器由一个4 输 入多路转换器组成。多路器的输出通过采样一保持电路，为两个比较器提供一个输入信号。控制逻辑连同 逐次逼近式寄存器( s a l l ) 来驱动一个数模转换器，为比较器提供另外一个输入。比较器的输出又回到s a r 。 基于上述原因，为了达到系统检测和控制目的，完成系统功能，我们选择了p 8 9 l c p 9 3 5 微处理器作为 测控系统的单片机 3 2 控制系统w c g s 组态软件 一、m c g s 组态软件概述 i i c g s 即。监视与控制通用系统”，英文全称为m 0 n i t o r 卸dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t 。m c g s 是为工 业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性 强的突出特点。 i i c g s 是一套基于w i n d o w s 平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可用于 东南大学硕士学位论文 第三章喷水织机组态控制系统组成 m i c r o s o f tw i n d o w s 9 5 9 8 m e n t z 0 0 0 等操作系统。m c g s 为用户提供了解决实际工程的完整方案和开发平 台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和 报表输出以及企业监控网络等功能。 m c g s 具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、 钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等 领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。 m c g s 组态软件( 以下简称m c 6 s ) 由“i l c 6 s 组态环境”和。t 嘲 g s 运行环境”两个系统组成。两部分互 相独立，又紧密相关。 m c g s5 5 软件系统包括组态环境和运行环境两个部分，如图1 2 i 。组态环境相当于一套完整的工具 软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的 方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。 圜 i 是言案萎l 圆 圈3 2 1m c g s5