（化工过程机械专业论文）烧结砖生产线全程自动控制系统的研究与实现.pdf

烧结砖生产线全程自动控制系统的研究与实现 摘要 制砖业在我国具有悠久的历史，但进入近代以后却发展缓慢。进入二十 世纪八十年代以后，随着国外先进制砖生产线技术的不断引进，我国的制砖 业有了长足的发展，但总体来说我国的制砖技术同国外发达国家相比还有很 大差距。 本论文通过采用s 7 3 0 0 p l c 和w i n c c 组态软件，完成了对烧结砖生产 线全程自动控制系统的原料处理和砖坯成型及码放生产线控制系统的研发。 系统的网络结构采用了现场总线技术，上位机与s 7 3 0 0 之间，e t 2 0 0 m 与 s 7 3 0 0 之间都通过p r o f i b u s d p 现场总线连接起来，上位机装有c p 5 6 1 1 网卡和w i n c c 组态软件。原料处理生产线控制系统具有按逆启顺停的方式 自动启停全线生产设备、手动操作方式、急停、根据物料流量自动调节加水 量、通过操作台或上位机操作系统以及通过上位机的组态软件监控生产线设 备运行，并显示、修改和报警相关参数等功能；砖坯成型及码放生产线控制 系统具有按逆启顺停的方式自动启停全线生产设备、自动切条、自动切坯、 自动运坯、自动分坯、自动码坯、手动操作方式、根据物料流量自动调节加 水量、控制挤出泥条的湿度、急停、挤砖机电机v 和y 启停、通过操 作台或上位机操作系统以及通过上位机的组态软件监控生产线设备运行，并 显示、修改和报警相关参数等功能。 在原料处理生产线控制系统的设计中，根据物料流量自动调节加水量是 通过加水量p i d 控制回路来实现的，加水量可以跟随物流流量成比例变化。 在砖坯成型及码放生产线控制系统的设计中，由于泥条的湿度同挤砖机的电 机功率有关，故通过控制挤砖机电机的功率来控制挤出泥条的湿度，挤砖机 电机功率的控制同样采用p i d 控制回路；采用s t l 语言设计了码坯机自动 在一定高度上放置砖坯的程序，由于s t l 程序非常精简，所以执行起来效 率很高；通过除二取余的办法来判断窑车上砖坯层数的奇偶性，并控制码坯 机夹具的旋转，从而实现砖坯层与层之间交错9 0 。放置；通过采用码坯机 自动和手动工作过程模拟程序，可以很方便地调试程序和模拟系统运行，并 很容易发现程序中存在的问题。 在完成了原料处理和砖坯成型及码放生产线控制系统的设计后，通过 p l c s i m 对系统程序进行调试，并通过建立w i n c c 和p l c s i m 的连接以及 模拟设备工作过程的程序，来实现系统的模拟运行。程序调试和系统模拟运 行的结果表明，本论文设计的两个生产线控制系统完全正确，能够满足控制 要求。 原料处理和砖坯成型及码放生产线控制系统可以使制砖生产中的原料 处理和砖坯成型及码放过程实现自动化，从而保障了烧结砖产品的生产效率 和质量，对提高我国制砖企业生产水平和促进我国制砖业的进一步发展具有 积极的意义。 关键词：烧结砖生产线，控制系统，p l c ，w i n c c ，p i d t h er es e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f t h ew h o l ea u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mf o rf i r e db r i c k p r o d u c t i o nl i n e a b s t r a c t t h eb r i c k - m a k i n gi n d u s t r yi nc h i n ah a sal o n gh i s t o r y , a n di th a sb e e n s l o w l yd e v e l o p e di nt h em o d e ma g e c h i n a sb r i c k m a k i n gi n d u s t r yh a sm a d e g r e a tp r o g r e s s s i n c et h e19 8 0 s ，w h e nf o r e i g na d v a n c e dp r o d u c t i o nl i n e t e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e d b u t ，t h e r e i ss t i l la b i gg a p b e t w e e nc h i n a s b r i c k - m a k i n gt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p e d c o u n t r i e s st e c h n o l o g y t h i sp a p e ru s e dt h es 7 3 0 0p l ca n dw i n c cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et o d e v e l o pt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rt h ef i r e db r i c kp r o d u c t i o nl i n e s m a t e r i a lh a n d l i n g ，a n db r i c kf o r m i n ga n dl a y i n g f i e l d b u st e c h n o l o g yw a su s e d t od e v e l o ps t r u c t u r eo ft h es y s t e mn e t w o r k t h ep ca n dt h es 7 30 0 ，t h ee t 2 0 0 m a n dt h es 7 30 0w e r el i n k e dw i t ht h ep r o f i b u s d p t h ep cw a si n s t a l l e dw i t h c p 5 611a n d 晰n c c t h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h em a t e r i a lh a n d l i n gp r o d u c t i o nl i n e h a dt h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：a u t o m a t i cr e v e r s es t a r t i n ga n do r d i n a ls t o p p i n ga l l e q u i p m e n ti nt h ep r o d u c t i o nl i n e ，m a n u a lo p e r a t i o n ，e m e r g e n c ys t o p p i n g ， a u t o m a t i ca d j u s t m e n to ft h ea d d e dw a t e rb a s e do nt h ef l o wo ft h em a t e r i a l ，a n d s y s t e mo p e r a t i o nt h r o u g h t h ec o n s o l eo rp c t h r o u g ht h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i n s t a l l e di nt h ep c ，t h e s y s t e m c o u l dd i s p l a ya n dm o d i f yp a r a m e t e r so f e q u i p m e n t ，a n dm a k ea l a r m s 1 1 1 ec o n t r o ls y s t e mf o rt h eb r i c kf o r m i n ga n dl a y i n g p r o d u c t i o nl i n eh a d t h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：a u t o m a t i cr e v e r s es t a r t i n ga n do r d i n a l s t o p p i n ga l le q u i p m e n ti nt h ep r o d u c t i o nl i n e ，a u t o m a t i cc u t t i n go fb l a n k s ， a u t o m a t i cs h i p p i n go fb l a n k s ，m a n u a lo p e r a t i o n ，a u t o m a t i ca d j u s t m e n to ft h e a d d e dw a t e rb a s e do nt h ef l o wo ft h em a t e r i a l ，h u m i d i t yc o n t r o lo ft h ee x t r u d e d c l a y , e m e r g e n c ys t o p p i n g ，a n ds t a r t i n ga n ds t o p p i n gt h ee x t r u d e rm o t o ru s i n gy - aa n da y , a n ds y s t e mo p e r a t i o nt h r o u g ht h ec o n s o l eo rp c t h r o u g ht h e c o n f i g u r a t i o ns o r w a r ei n s t a l l e di nt h ep c ，t h es y s t e mc o u l dd i s p l a ya n dm o d i f y p a r a m e t e r so fe q u i p m e n t ，a n dm a k ea l a r m s 1 1 1 i nt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mf o rm a t e r i a lh a n d l i n g ，t h ea u t o m a t i c a d j u s t m e n to f t h ea d d e dw a t e rb a s e do nt h ef l o wo ft h em a t e r i a lw a sd o n eb ya p i dc o n t r o l l o o p ；n l ea d d e dw a t e rw a sp r o p o r t i o n a lt ot h ef l o wo ft h em a t e r i a l i nt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h eb r i c kf o r m i n ga n dl a y i n g ，a st h ep o w e r o ft h ee x t r u d e rm o t o rw a sr e l a t e dt ot h eh u m i d i t yo ft h ec l a y , i tw a sp o s s i b l et o c o n t r o lt h eh u m i d i t yo ft h ec l a yb yc o n t r o l l i n gt h ep o w e ro ft h ee x t r u d e r m o t o r t h ee x t r u d e rm o t o r sp o w e rw a sa l s oc o n t r o l l e db yap i dc o n t r o ll o o p t h e s t ll a n g u a g ew a su s e dt od e s i g nap r o g r a mt h a tc o u l dc o n t r o lt h eb r i c kl a y i n g m a c h i n et op l a c et h eb r i c ka tac e r t a i nh e i g h ta u t o m a t i c a l l y t h es t lp r o g r a m w a sv e r yc o n d e n s a b l ea n de f f i c i e n tt oe x e c u t e t h en u m b e ro fb r i c kl a y e r sw e r e d i v i d e db y2a n dt h ep r o g r a mr o t a t e dt h ef i x t u r ea c c o r d i n gt ot h ep a r i t yo ft h e r e m a i n d e r i nt h i sw a y , t h e r ew o u l db ea9 0 os t a g g e rb e t w e e n l a y e r so fb r i c k s d e b u g g i n gt h ep r o g r a ma n ds i m u l a t i n gt h es y s t e mr u nw e r ev e r ye a s yb yt h e a u t o m a t i ca n dm a n u a ls i m u l a t i o np r o g r a mw h i c hs i m u l a t e dt h ew o r kp r o c e s so f t h eb r i c kl a y i n gm a c h i n e a r e rc o m p l e t i n gt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mf o rm a t e r i a lh a n d l i n g ，a n d b r i c kf o r m i n ga n dl a y i n g ，n l ep r o g r a mw a sd e b u g g e dw i t hp l c s i m ，a n dt h e s y s t e mw a s s i m u l a t e db yc o n n e c t i n gw i n c ct op l c s i m t h er e s u l to fd e b u g g i n g a n ds y s t e ms i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h i sp a p e r sd e s i g no ft h et w op r o d u c t i o nl i n e c o n t r o ls y s t e m sw e r er e l i a b l ea n d m e tt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s t h em a t e r i a lh a n d l i n g ，a n dt h eb r i c kf o r m i n ga n dl a y i n gc o n t r o ls y s t e m s a u t o m a t e dt h ep r o d u c t i o nl i n e t h u s ，t h e yi m p r o v et h ef i r e db r i c kp r o d u c t i v i t y a n dq u a l i t y t h e s ec o n t r o ls y s t e m sw i l li m p r o v et h ep r o d u c t i o nl e v e lo fc h i n a s b r i c k - m a k i n ge n t e r p r i s e sa n dp r o m o t ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h eb r i c k - m a k i n g i n d u s t r y k e yw o r d s ：f i r e db r i c kp r o d u c t i o nl i n e ，c o n t r o ls y s t e m ，p l c ，w i n c c ，p i d i v 烧结砖生产线全程自动控制系统的研究与实现 1 绪论 烧结砖瓦是传统的主要的建筑材料。我国烧制和使用砖瓦已有两千多年的历史，早 在秦汉时期，砖瓦业就已盛况空前，成为一种独立的手工业，并留下了“秦砖汉瓦 的 美名。但在近代，由于种种原因，我国砖瓦工业长期处于了极端落后的停滞状态。新中 国建立以后，在社会主义建设事业蓬勃发展的同时，我国的砖瓦行业才有了长足的发展， 但目前同世界发达国家的制砖技术相比仍有较大的差距。 1 1 课题的背景及意义 我国有砖瓦企业1 0 万余家，年产砖总量约6 0 0 0 亿块( 折标砖) ，从业人数约4 0 0 万 人，企业数量、从业人员和总产量遥居世界各国之首，俨然一个制砖王国。但长期以来 由于产品档次、工艺装备、生产效率、组织形式和经营管理水平低下，我国制砖企业年 平均生产规模只有几百万块，即我国制砖业属资源消耗型和劳动密集型行业，生产机械 化程度低，难以实现高效作业和文明生产。 我国的制砖技术，从整体上看，一是原料制备工序的设备简陋，制坯泥料性能往往 达不到工艺要求；二是成型设备挤出压力、真空度较低且监测手段缺乏，通用性差，维 修量大，难以挤出高档次、高质量的坯体；三是人工干燥、窑炉技术和装备落后，生产 中大量使用自然干燥和轮窑烧成，且缺少监测控制手段，手工和凭经验操作环节多，人 为因素影响大，难以实现机械化生产且成品烧成质量不高；四是工艺合理化、装备标 准化程度低，管理水平差，难以适应工业化发展要求【1 】。 当前随着我国住房产业改革的逐步深入，房地产业将是砖瓦行业的中心消费市场， 建筑质量和建筑寿命已经成为人们越来越关注的核心问题之一。砌体材料烧结砖作 为墙体最基本而又最关键的组成单元，其生产的质量和产量将直接影响着建筑物的发展， 如何建立先进的烧结砖生产线，提高烧结砖产品的质量和产量，对我国制砖业未来的发 展有非常重要意义。 1 2 国内外烧结砖生产线的技术现状 从2 0 世纪8 0 年代开始，我国不断引进国外先进生产线技术，我国制砖行业的技术 装备得到了快速的发展。国内烧结砖瓦行业已出现了集团化的经营方式，如中节投旗下 的中国节能建筑材料投资有限公司，在国内已投资了近1 0 亿元，建设了1 0 余条烧结砖 瓦大型生产线，在重庆、河南等地也出现了类似集团化经营的公司。通过引进烧结砖生 产线也使我国的干燥室和窑炉自动化控制水平得到大幅度提高，更重要的是通过引进生 产线，我国大断面隧道窑和干燥室的设计水平、施工技术、焙烧工艺和控制得到了长足 陕西科技大学硕士学位论文 的进步。如于1 9 8 9 年建成引进技术的9 2 米内宽的一次码烧隧道窑，1 9 9 6 年在引进的基 础上，通过消化吸收，建成国内自行设计的4 6 米内宽的隧道窑，1 9 9 8 年建成6 9 米内 宽的隧道窑，2 0 0 0 年建成1 0 4 米内宽的隧道窑等，现已建成同类型的大断面隧道窑逾百 条。改革开放初期的“小立窑、“土窑”现在已很难见到了1 2 1 0 1 。 最近几年新建的大型生产线，均装备有计算机测控系统。在引进的烧结装饰板生产 线上也第一次用上了机器人，如江苏宜兴烧结装饰板生产线的建成，标志着我国烧结装 饰板的生产已进入了世界最先进水平的行列。到明年，我国砖瓦生产线上使用的机器人 将会达到1 0 台以上( 在建的项目有乌鲁木齐4 台，山西大同2 台、阳泉2 台，江苏宜兴 已有2 台) 。国内有的砖瓦机械设备制造公司也开始了机器人的研制，预计最近就可拿出 成品样机。机械设备的加工制造水平在不断提升，首台中国制造的砖瓦码坯机械人，诞 生在山东淄博功力公司，2 0 0 8 年1 1 月在成都博览会上亮相，立刻引起轰动。这标志着 中国砖瓦机械制造水平向国际先进水平迈进。中国砖瓦行业第一台机械人可以根据用户 需求编制多组码坯程序，在生产线上可以灵活调动支配，达到最佳运用效果【4 】。 在国外发达工业国家，制砖业已经历了量数扩张、优胜劣汰，现已步入稳步发展的 阶段。8 0 年代至今，制砖业已跨入现代化工业行列，生产工艺步入半自动化乃至自动化 阶段，企业平均生产规模发展至3 0 0 0 万块年，一般企业劳动用工只有几人到十几人， 年人均产砖数已达数百万块劳动生产率提高了1 0 1 5 倍，一般砖厂除机修需要人工外， 其它工序几乎全部由机器和计算机控制完成，其集约化生产程度之高，已经完全改变了 这一行业是劳动力密集型行业的概念。例如德国凯乐公司2 0 0 2 年4 月份与西班牙砖瓦产 品制造公司玛扎龙公司签约所建设的空心砖厂，至少可生产5 0 种不同的砖瓦产品。该砖 厂的日产量为8 0 0 吨成品砖，折合中国标准砖为年产1 4 亿到1 5 亿规模的单条生产 线。该生产线上采用了“万能 的多钢丝同步切坯机，每次可切4 8 块砖。为了适应于各 种产品的干燥制度，该生产线上所采用的干燥室长度为1 8 0 m ，焙烧隧道窑长为1 7 0 m ， 焙烧道的宽度为7 m 多。该生产线工艺为二次码烧工艺，干燥室砖坯上托板用了3 个机 器人；干燥后的砖坯卸下也同样用了3 个机器人，码窑车用了6 个机器人。从窑车上卸 砖用了4 个机器，整条生产线上共用了1 6 个机器人。此外，为了生产清水墙空心砖，挤 出机后装备有泥条表面处理设备，焙烧后设置有有机硅树脂浸渍清水墙砖的工艺设备。 整条生产线上产品品种的更换非常方便灵活，6 臂系统的机器人以及灵活的夹具设计， 可以进行各种坯垛形式的码放【锕。 对于烧结空心砖生产线的建设规模，国外多认为最低建设规模为日产5 0 0 吨成品砖 的规模可以使投资和效益之比处于最佳范围的，此规模相当于我国年产8 0 0 0 万块标砖 以，但目前我国针对该规模的生产线的配套设备还比较欠缺旧 2 烧结砖生产线全程自动控制系统的研究与实现 1 3 课题主要的研究和设计内容 本课题针对的烧结砖生产线为页岩、煤矸石一次码烧烧结砖生产线。根据该生产线 的工艺过程，生产线全程自动控制系统可分为四大部分：原料处理生产线控制系统、砖 坯成型及码放生产线控制系统、运转控制系统以及窑炉温度和压力控制系统。 本课题主要的研究和设计内容是对原料处理和砖坯成型及码放生产线控制系统进行 研发，具体包括： ( 1 ) 掌握原料处理和砖坯成型及码放过程的工艺及相关设备工作原理： ( 2 ) 绘制生产线设备布局图； ( 3 ) 确定控制要求； ( 4 ) 确定控制系统的i o 点数； ( 5 ) 确定控制系统的p l c 硬件配置； ( 6 ) 确定控制系统的网络结构； ( 7 ) 设计下位机程序； ( 8 ) 设计上位机监控画面； ( 9 ) 程序的调试； ( 1 0 ) 系统的模拟运行。 烧结砖生产线全程自动控制系统的研究与实现 2 原料处理生产线控制系统设计 2 1 原料处理过程工艺及生产线设备布局 匿卿卜岖亟 岖亟煎物卜嗵幽圃 装载机h 页岩 图2 1 原料处理过程的工艺流程图 f i 9 2 1t h ef l o wc h a r tf o rt h ep r o c e s so f m a t e r i a lh a n d l i n g 原料的处理的工艺过程如图2 1 所示，页岩和煤矸石分别被装载机装入颚式破碎机 中进行粗碎，粗碎后被传送到板式给料机，再通过皮带输送机加入到储料仓中；储料仓 中的物料由定量给料机均匀出料后，加入到锤式破碎机进行细碎，细碎后的物料通过皮 带输送机传送到电子皮带秤上进行在线称重，再被加入到双轴搅拌机中；物料在双轴搅 拌机中加水搅拌后，通过皮带输送机被传送到可逆配仓布料机，通过可逆配仓布料机物 料被均匀卸装在陈化库中；物料在陈化库经过一定时间的陈化后，便可供以后的工序使 用【7 j o l 、9 一颚式破碎机2 ，4 、6 、8 、1 8 、2 2 、2 4 一皮带输送机3 、7 板式给料机5 储料仓1 0 一电子 皮带秤i1 - 水管1 2 一电动调节阀1 3 - 流量计1 4 一电磁阀1 5 一陈化库1 6 一可逆配仓布料机1 7 一物料 1 9 一双轴搅拌机2 0 - 气胎离合2 1 - g 殳- 轴搅拌机电机2 3 锤式破碎机2 5 - 螺旋定量给料机 图2 - 2 原料处理生产线设备布局图 f i 9 2 - 2t h el a y o u to fe q u i p m e n t si nm a m f i f lh a n d l i n gp r o d u c t i o nl i n e 原料处理生产线设备布局示如图2 2 所示，图中电子皮带秤用于实时检测物料流量 值，并输出相应的信号，电动调节阀1 2 用于调节水管1 1 中的水流量，流量计1 3 用于检 测水管1 1 中的水流量，电磁阀1 4 用于打开或者切断水流，气胎离合2 0 用于控制双轴搅 拌机电机2 1 对双轴搅拌机1 9 的功率输入，当气胎离合2 0 关闭时，双轴搅拌机电机2 1 空转，当气胎离合2 0 开启时，双轴搅拌机电机2 1 带动双轴搅拌机1 9 工作嗍。 陕西科技大学硕士学位论文 2 2 原料处理生产线的控制要求 根据原料处理生产线的工作过程，其控制系统的具体要求如下： ( 1 ) 为防止物料堆堵，按逆启顺停的方式自动启停生产线中所有设备； ( 2 ) 具有手动控制方式可对生产线中的单个设备进行操作： ( 3 ) 具有急停功能，当出现紧急情况时能紧急停止设备； ( 4 ) 对物料湿度进行粗调，根据物料流量自动调节双轴搅拌机的加水量，加水量的 调节采用p i d 控制； ( 5 ) 现场设备可以通过现场操作台和上位机来进行操作； ( 6 ) 上位机采用组态软件监控生产线设备运行，并可对相关的工艺及系统参数进行 显示、修改和报警。 2 3i o 点数统计及地址分配 根据原料处理生产线的工作过程和控制要求，整个系统共需f o 点数为5 9 点，其中 数字量i o 为2 8 输入2 4 输出，共5 2 点，模拟量f o 为6 输1 输出，共7 点。系统的 l f o 点数统计及地址分配见表2 1 。 表2 - 1 系统的i 0 点数统计及地址分配 t a b 2 1s t a t i s t i c sa n da d d r e s sa l l o c a t i o l lo f i op o i n t sf o r t h es y s t e m 编号名称地址说明编号名称 地址 说明 l 自动手动 i o 0 数字量输入 3 1板给1 动作 q o 2 2 鄂破1 启停 1 0 1 数字量输入 3 2 板给2 动作 q o 3 3 鄂破2 启停 1 0 2 数字量输入 3 3 皮带1 动作q o 4 4 板给1 启停 i o 3 数字量输入 3 4 皮带2 动作q o 5 5板给2 启停i o 4数字量输入3 5皮带3 动作 q o 6 6皮带1 启停 i o 5 数字量输入 3 6 皮带4 动作 q o 7 7 皮带2 启停 1 0 6 数字量输入 3 7 皮带5 动作q 1 0 8 皮带3 启停 1 0 7 数字量输入 3 8皮带6 动作 q 1 1 9皮带4 启停 1 1 0 数字量输入3 9皮带7 动作 q 1 2 1 0皮带5 启停 1 1 1 数字量输入 4 0 螺给机动作 q 1 3 1 1 皮带6 启停 1 1 2 数字量输入 4 1 锤破动作q 1 4 1 2 皮带7 启停 1 1 3 数字量输入 4 2 电子皮带秤上电 q 1 5 1 3 螺给机启停 1 1 4 数字量输入 4 3 搅拌电机动作 q 1 6 1 4锤破启停 1 1 5 数字量输入 4 4 气胎离合动作 q 1 7 1 5 电子皮带秤启停 1 1 6 数字量输入 4 5 电动调节阀上电 q 2 0 1 6 搅拌电机启停 1 1 7 数字量输入 4 6 流量计上电q 2 1 1 7 离合启停 1 2 0 数字量输入 4 7 小车左行q 2 2 6 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 数字量输出 烧结砖生产线全程自动控制系统的研究与实现 2 4 系统的网络结构及p l c 硬件选型 2 4 1p r o f i b u s d p 简介 现场总线( f i e l d b u s ) 是于2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初在国际上迅速兴起的一种 工业数据总线，通过现场总线可以构成连接现场智能设备和自动化系统的全数字、双向 和多站的通信系统。它主要解决了工业现场的智能化仪器仪表、控制器和执行机构等现 场设备间的数字通信以及这些现场设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场 总线具有简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因此受到许多标准化团体和计算 机厂商的高度重视。现场总线局域网络技术的应用导致了现场级工业控制的革命性突破， 具有划时代的意义。 p r o f i b u s 作为众多现场总线家族的成员之一，是在欧洲工业界得到最广泛应用的 一个现场总线标准，也是目前国际上通用的现场总线标准之一。p r o f i b u s 根据应用特 点分为3 个相互兼容的版本：p r o f i b u s f m s ( 现场总线报文规范) 、p r o f i b u s d p ( 分 布式外围设备) 和p r o f i b u s p a ( 过程自动化) 。其中p r o f i b u s d p 最为实用，它是 一种经过优化的高速而便宜的通信模块，专用于对时间有苛刻要求的自动化系统中单元 级控制设备与分布式i o 之间的通信，故特别适合于p l c 与现场级分布式i o 设备之间 的通信。p r o f i b u s ，d p 网络主站之间的通信采用令牌方式，主站与从站之间的通信采 用主从方式，以及两种方式的混合通信。使用p r o f i b u s d p 可取代价格昂贵的2 4 v 或 4 - - 2 0 m a 信号传输【9 】。 s 7 3 0 0 s 7 - 4 0 0 p l c 有的配备有集成的p r o f i b u s d p 接口，也可以通过通信处理器 ( c p ) 模块连接到p r o f i b u s d p 上。 陕西科技大学硕士学位论文 2 4 2 系统的网络结构 * ：i 处理生产线控制系统般控计算机 w ir 1 c c 站a d d r0 图2 - 3 原料处理生严线控制系统网络结构图 f i 9 2 3t h en e t w o r k s t r u c t u r eo fm a t e r i a lh a n d l i n gp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e m 原料处理生产线控制系统的网络结构图如图2 3 所示，系统由上位机和下位机两部 分组成，上位机为一台工业计算机( i p c ) ，站地址为0 ，下位机由一台s 7 3 0 0 p l c ( 主 站) 和两台e t 2 0 0 m 分布式i o ( 从站) 组成，站地址分别为2 ，3 ，4 。上位机与s 7 3 0 0 之间、e t 2 0 0 m 与s 7 3 0 0 之间都通过p r o f i b u s d p 现场总线连接起来。地址为3 的 e t 2 0 0 m 主要连接操作台上的输入和输出，地址为4 的e t 2 0 0 m 主要连接现场设备。上 位机安装了c p 5 6 1 1 网卡并装有w m c c 监控软件，可对本p r o f i b u s 网络上的所有设备 进行远程操作和监控。s 7 3 0 0 通过e t 2 0 0 m 分布式i o 实现与现场设备的远程输入和输 出，并控制各相关设备之间的联动和工艺逻辑互锁。 2 4 3p l c 硬件选型 原料处理生产线控制系统的p l c 硬件选型及各硬件所处位置见表2 - 2 。 表2 - 2p l c 硬件选型及所处位置 t a b 2 2p l ch a r d w a r es e l e c t i o l la n dl o c a t i o n 模块订货号 所处站的地址槽位 备注 p s 3 0 75 a c p u 31 5 - 2 d p 6 e s 73 0 7 一l e a 0 0 一o a a 0 6 e s 73 1 5 2 a g i o - o a b o 重 2 2 l 2 为主站提供电源 中央处理器 烧结砖生产线全程自动控制系统的研究与实现 各个模块的功能及主要参数介绍【- o 】： ( 1 ) 中央处理器c p u 3 1 5 2 d p c p u 3 1 5 2 d p 是系统的核心处理单元，具有中到大容量程序存储器和p r o f i b u s d p 主从接口，它可用于包括分布式和集中式i o 的任务中。c p u 3 1 5 2 d p 具有6 4k b ，内 置9 6k b 的装载存储器僻a m ) ，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为5 1 2k b ，指令 执行速度为3 0 0n s - - 进制指令，最大可扩展2 0 4 8 点数字量或2 5 6 个模拟量通道。 ( 2 ) 电源模块p s 3 0 75 a 为主站和从站模块提供电能。其额定输出电流为5 a ，输出电压为2 4 v d c ，具有短 路和断路保护功能，额定输入电压1 2 0 2 3 0 v a c ，5 0 6 0 h z ，安全隔离符合e n 6 09 5 0 ，可 用作负载电源。 ( 3 ) 接i = 1 模块i m1 5 3 2 。； 从站接口，用于连接e t 2 0 0 m 至p r o f i b u s d p ，也可用于冗余系统或d p l i n k 或 y - l i n k 。使用时应注意i m1 5 3 2 硬件上的拨码开关对应的拨码数字应与组态的站地址一 致。 ( 4 ) 数字量输入模块d d 2 d c 2 4 v 具有3 2 点输入，按每组1 6 个隔离，额定输入电压2 4v d c ，适用于开关以及2 3 4 线制接近开关( b e r o ) 。 ( 5 ) 数字量输出模块d 0 8 a c 2 3 0 v 2 a 8 点输出，带保险丝，电隔离为4 组，输出电流为2a ，额定负载电压2 3 0v a c ， 适用于a c 电磁阀、接触器、电机启动器、f h p 电机和信号灯，具有组错误显示( s f ) 功能。 ( 6 ) 数字量输出模块d 0 1 6 a c l 2 0 v 2 3 0 v 1 a 1 6 点输出，带保险丝，电隔离为每组8 个，输出电流为1 八额定负载电压为 1 2 0 2 3 0v a c ，适用于a c 电磁阀、执行器、电机启动器、f i - i p 电机和信号灯。 ( 7 ) 模拟量输入模块a 1 8x1 3 b i t 9 陕西科技大学硕士学位论文 8 个通道组中的8 点输入，每个通道组的分辨率均可编程( 1 2 位+ 符号) ，在每个 通道组，输入类型可编程：电压、电流、电阻、温度，其中电流输入的范围有：+ _ 2 0 m a 、 ( 8 ) 模拟量输出模块a 0 2 x1 2 b i t 一个组中2 个输出，可以将输出分别设置为电压或者电流输出，其中电流输出范围 有：+ _ 2 0 m a 、0 m a - 2 0 m a 和4 m a _ 2 0 m a 三种，分辨率为1 2 位，可编程诊断和诊断中 断，与背板总线接口和负载电压电隔离。 2 5 下位机程序设计 2 5 1 硬件组态 在确定了系统硬件构成后，应在编程软件s t e p 7 中进行硬件组态。硬件组态的目的 是在s t e p 7 中生成一个与实际的硬件系统相同的系统，包括组态网络、网络中各个站的 机架和模块，以及通过编程软件对各模块的相关参数进行设置。组态时设置的c p u 参数 通过系统数据块s d b 保存，而其他模块的参数保存于c p u 中。当p l c 启动时，c p u 自 动把设置的参数传送给其他模块。硬件组态明确了系统各输入、输出变量的地址，为进 行下一步的程序设计工作奠定了基础【n 】。 图2 - 4 到图2 - 9 为系统的硬件组态结果。其中图2 7 为设置循环中断组织块o b 3 5 的 中断时间间隔为l o o m s 。图2 8 中设置干扰频率为5 0 h z ，即对5 0 h z 的工频干扰有很强 的抑制作用，通道o 5 的测量类型为i 即电流输入，输入范围为4 - - 2 0 m a ，通道6 、7 由 于不使用，故设置为“d e a c t i v a t e d ( 禁止使用) 。图2 - 9 中对通道o 设置了组诊断，如 发生组态参数分配错误、接地短路( 仅对于电压输出) 、断线( 只适用于电流输出) 或丢失 负载电压l + ，则相应信息会输入到模块的诊断数据区，用户可以通过系统功能s f c 5 1 读取系统状态表中的诊断信息，通道0 的输出类型设置为i 即电流输出，c p u 进入s t o p 时的响应为“0 c v ”即不输出电流电压。 1 0 烧结砖生产线全程自动控制系统的研究与实现 图2 - 4 主站及网络组态 f i 萨- 4t h ec o n f i g u r a t i o no fm a i ns t a t i o na n dn e t w o r k 塑翻( 3 ) i h1 5 3 _ 2 ，r e d 吼d 蛆t 插 嬉模块 订赞号i 地址q 地址 l 2 矗狲l s 3 2 8 i s ? l s 3 2 b 螽o l 链b o 2 s 拳 3 4 馐b 1 3 2 x b c 2 4 v 6 e s 了3 2 1 一l b i d 0 0 a 00 3 5 6 图2 - 5 地址为3 的e t 2 0 0 m 从站组态 f i 9 2 - 5t h ec o n f i g u r a t i o no fe t 2 0 0 ms l a v es t a t i o nw h i c h ss t a t i o na d d r e s si s3 翻翻( 4 ) i m1 5 3 吨，r e d u n d 缸n t 插 霪模块 订货号i 地址q 地址 l ?函掰聊鼍8 鼍s s 3 - 2 b a o l 蛹o2 9 喀3 毫 3 4 i b o s x a c 2 3 0 v 2 a6 e s 73 2 2 - 1 f f 0 0 - 0 “00 s ib o i b x a c l 2 0 v 1 2 3 0 v 1 a 6 z s 73 2 2 - 1 f h 0 0 - 0 从01 2 6 j a i s x l 3 b i t 6 e s 73 3 i - i 髓0 1 - 0 b 0 2 5 6 2 t l t 0 2 x 1 2 b it6 e s 73 3 2 5 硒0 l - 0 b 0 2 5 6 2 5 9 8 图2 - 6 地址为4 的e t 2 0 0 m 从站组态 f i 醇一6t h ec o n f i g u r a t i o no fe t 2 0 0 ms l a v es t a t i o nw h i c h ss t a t i o na d d r e s si s4 l l 陕西科技大学硕士学位论文 雠l 地址辘入i 耐量一 一一 滠度簟位q d ： i 整煳滓：阿石一 献 1 14 1 1 i ot l z l 3 l 舅量 凇型号：一一一一 翟瞳范瞳： 4 2 0 “ 卜2 0 “卜2 0 “i 2 0 - 靛i取雨ie 童坠d 图2 - 8 模拟量输入模块参数设置 勰l 地址譬出l 皇田 口，口 厂滞中暂m i o i ， | 淄锄 蝎淄： 口 口 输出 输出她：一f _ 一 蜻出葙宙：瓦1 万r f ：= 一 对倒湖稻：两广一f l 一 譬接值：厂一广一 l 墼l墨苎i塑 图2 - 9 模拟量输出模块参数设置 f i 醇9a n a l o go u t p u tm o d u l ep a r a m e t e rs e t t i n g s 1 2 烧结砖生产线全程自动控制系统的研究与实现 2 5 2 程序的结构及说明 如图2 1 0 所示，系统所包含的全部程序块为1 个系统数据块，3 个组织块，2 个功 能块，6 个功能，1 个共享数据块，2 个背景数据块，共1 5 个程序块。各个程序块的说 明见表2 3 。 对象名称i 符号名 一_ j 创建语直j 王佳蕉篮墨的太尘i 类型 逝素! 猫醒 口0 b l 罐3 0 8 3 5 珏o b l 0 0 p f b 4 1 o f b l 口f c i o f c 2 珏f c 3 口陀4 母f c 5 p 1 陀1 0 5 口d b l o d b l o d b l 0 2 循环执行j i d 循环中断 s t l 初始化 s t l p i d 处理s c l 被控对象梗拟 s t l 公用u d 手动啪 自动啪 小车左右行i d 批量读取梗拟量 s t l s c a l es t l 公用存储单元蚰 f b l 0 0 背景数据块皿 f b 4 1 背景数据块加 图2 - 1 0 系统全