（机械电子工程专业论文）基于profibus总线的陶瓷生产控制系统研究.pdf

摘要 陶瓷窑炉是陶瓷生产过程的关键设备，一台先进的窑炉往往凝聚了燃烧技 术、材料技术、节能技术、信息处理技术、自动控制技术等多领域的研究成果。 本文通过对国内目前陶瓷生产控制系统的详细研究，提出基于p r o f ib u s 现场总 线技术的陶瓷生产控制系统网络，并根据整个控制网络及陶瓷生产工艺的特 点，设计可代替现场温度仪表的陶瓷窑温度测控智能核。 通过现场总线、组态软件、集散控制系统、单片机、s t e p 7 、p l c 、智能控 制、电气电子等技术的融合，实现陶瓷生产重要工艺参数的监测和控制。整个控 制系统采用p c + p i 。c + p r o f i b u s 现场总线的整体结构，有效地解决了由于工艺复 杂、i o 点数较多且分布分散、设备类型多样、控制协调性要求较高所带来的控 制问题。控制系统以交流变频器、智能仪表、远程i o 站、微型p l c 、紧凑i o 站、总线桥、链接器等构成现场底层从站，实现各控制点的驱动以及测控信息 处理的现场化：以s 7 4 0 0p l c 为p r o f i b u s 主站，通过与各从站的总线通讯实 现各从站工作的协调致；以p c 为操作员站，实现数据显示、报警处理、配方 管理、报表打印等功能。整个控制系统结构清晰、功能分布明确既体现了“分 散控制、集中管理”的分布式控制思想，更体现了现场总线控制系统全数字通 讯、高度开放性、互操作性、互换性的技术优势。 具体进行了以下研究： 1 在比较、分析目前陶瓷生产控制系统的优缺点的基础上，运用p r o f i b u s 现场总线、p l c 、集散控制、s t e p7 、组态软件等，设计基于p r o f i b u s 现场总 线技术的新陶瓷生产控制系统方案，完成该控制网络所需硬件的选型、硬件组 态、软件编制、及总体结构设计。 2 运用组态软件m c g s 的实时数据库、用户界面、主控窗口、设备窗口等 工具，初步完成了陶瓷生产控制系统操作员站的界面设计。 3 在对p r o f _ i b u s 现场总线基本原理的研究及对陶瓷窑温度测控特点的分 析基础上，运用单片机、总线桥、c 语言、汇编语言、电工电子等技术，结合 相关控制算法，设计陶瓷窑温度测控智能核，并完成其软硬件设计。 关键词：陶瓷生产，现场总线控制系统，p r o f i b u s ，智能核 a b s t r a c t t h ek i l ni st h ek e ye q u i p m e n to fc e r a m i cm a n u f a c t u r e o n ea d v a n c e dk i l n e m b o d i e sb u r n i n g ，m a t e r i a l ，a u t o m a t i o nt e c h n o l o g y a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c o fc u r r e n t c o n t r o ls y s t e mo fc e r a m i cm a n u f a c t u r e ，t h i sa r t i c l er a i s e du pan e wp r o j e c t o ft h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hi sb a s e do np r o f i b u sa n dd e s i g n e dt h ei n t e l l i g e n tc o r eo f t e m p e r a t u r em e a s u r ea n dc o n t r o lo fk i l n ，w h i c hi sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ek i l n a f t e rr e s e a r c h i n gt h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fp r o f i b u s ，a c c o r d i n gt os o m e t e c h n o l o g i e s ，s u c ha ss t e p7 ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，p l c ，f c sa n de l e c t f i c s ，w e o p t i m i z et h ef o r m e rc o n t r o ln e to fc e r a m i cm a n u f a c t u r e ，t h e nc o m p l e t e dt h e c o n f i g u r a t i o no ft h i sn e wc o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t sp cp l u sp l c p l u sp r o f i b u sf i e l db u ss t r u c t u r et os o l v et h ec o n t r o lp r o b l e m st h a tr e s u l t e df r o mt h e c o m p l e x i t yo fe x c e s s i v e n e s sa n dd i s p e r s eo fi o ，m u l t i p l i c i t yo fe q u i p m e n t s ，h i g h e r d e m a n do fh a r m o n i z a t i o nb e t w e e nc o n t r o le q u i p m e n t s i nt h ec o n t r o ls y s t e m ，a c i n v e r t e r s ，r e m o t ed i s t r i b u t e di o ，c o m p a c ti o ，m e t e ra n dp l cf o r mt h ed ps l a v e si n t h es i t ef i e l dt or e a l i z et h ed r i v ea n dc o n t r o l ；as i e m e n ss 7 4 0 0p l c w h i c ha c t s a sa d pm a s e r , i su s e dt oh a r m o n i z et h ew o r ka m o n gt h e s ed ps l a v e sv i af i e l db u s c o m m u n i c a t i o n ；s e v e r a lp ca r eu s e dt od i s p l a yp a r a m e t e r s ，d e a lw i t h a l a r m i n f o r m a t i o n ，m a n a g er e c i p e ，p r i n tr e p o r tf o r m s t h ec o n t r o ls y s t e me m b o d i e st h e d i s t r i b u t e dc o n t r o l ，c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n to fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，a n d i n c a r n a t e st h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st o t a ld i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，h i g h l yo p e n n e s s a n d r e c i p r o c a t i o no ff i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ， t h ed e t a i l e dr e s e a r c hi sa sf o l l o w i n g ： 1 a f t e rc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc u r r e n t c o n t r o ls y s t e mo fc e r a m i cm a n u f a c t u r e ，w er a i s eu pan e wc o n t r o l l i n gp r o j e c tw h i c h i sb a s e do np r o f i b u s ，t h e nc o m p l e t i n gt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fn e w c o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h i sn e wc o n t r o ls y s t e m b yu s i n gs o m e t e c h n o l o g i e s ，s u c ha sp r o f i b u sb u s 、s t e p7 、w i n c c 、p l c 2 w ei n v e s t i g m et h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g n i n gm e t h o d so fc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e a n dw ep r i m a r i l yc o m p l e t et h ed e s i g no nc o n t r o ls o f t w a r eo fo p e r a t e i i c o m p u t e r , b yt h eu s e0 fs o m et o o l s ，s u c ha sr e a l - t i m ed a t a b a s e ，u s e ri n t e r f a c e m a i nc o n t r o lw i n d o wa n dd e v i c ew i n d o wo fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r em c g s 3 w ei n v e s t i g a t et h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dd e s i g n i n gm e t h o d so ft h ep r o f i b u s a f t e ra n a l y s i ss o m ec u r r e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fk i l n ，a c c o r d i n gs o m e t e c h n i q u e s ，t h e nc o m p l e t i n gt h ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n tc o r eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l a n dm e a s u r eo fk i l n k e y w o r d s ：c e r a m i cm a n u f a c t u r e ，f c s ，p r o f i b u sb u s ，i n t e l l i g e n tc o r e 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着经济的高速发展，人们对陶瓷的需求日益增加及对产品质量、品种等 的要求越来越高，其生产过程和工艺过程逐渐复杂。目前，陶瓷制品的生产过 程一般由制粉料或成型烧成两大部分组成，而成型烧成生产线对产品的品种规 格、尺寸、颜色的质量起着非常关键的作用。粉料由料场经压机压制再经过输 送进入烘干窑烘干水份，然后经过施釉线进行施釉和色彩处理进入辊道窑，在 辊道窑内根据工艺配方的要求按制定的烧成曲线烧制需要的产品，由于整个生 产线是由许多相同的设备组成，各个环节的故障和变化将影响整个生产线的工 况，且由于原材料及产品规格和品种的变化也须对生产线进行相应变化，因而 使得整个生产过程是多变的。因此，对陶瓷生产技术与装备进行研究，以便能 快速、高质高产、低能耗地生产多规格和多品种的陶瓷产品，意义显著。 陶瓷是原材料和能源消耗性产业，在陶瓷生产的成本结构中，能源消耗占 总损耗的3 0 以上。当今陶瓷生产的发展趋势是由过去的辊道化、煤气化、轻 型化、自动化、大型化向绿色( 环保节能型) 方向发展。所谓绿色即环保节能型， 其标准主要包括：( 】) 低消耗：包括低燃料消耗、低电能消耗、低水消耗、低耐 火材料及其他资源消耗。( 2 ) 低污染：其中包括低废气( c o 。) 排放，低s o 。及n o ) 【 气体排放，低烟尘排放，无黑烟，低污水排放，燃料完全燃烧，低噪音及振动， 工作环境舒适。( 3 ) 低成本：包括初投资成本低，投资回收期短，运行费用低， 劳动成本低。( 4 ) 高效率：优等品率高，热效率高，操作控制灵活方便，自动化 水平高，生产过程适应性强，劳动生产率高，竞争性强，经济效益高。 1 2 我国陶瓷生产线控制系统现状 中国的制陶工艺可以追溯到一万年以前，在经历了陶一印纹硬陶一原始 瓷的漫长历程后，才终于发明了瓷。之后，随着经贸活动和文化交流的扩大， 中国的制瓷技术流传到世界各国。陶瓷工业从2 0 世纪5 0 年代末至7 0 年代初， 武汉理t 大学坝l 学位论殳 随着燃油结构的改变，即由燃煤、重油等转向使用天然气、液化石油气和轻 油等，实现了陶瓷热工技术的三大突破：( 1 ) 高速调温烧( 喷) 嘴的发明和 使用：( 2 ) 新型、高级耐火材料和隔热材料的广泛使用；( 3 ) 精密完善的自 动控制系统的采用。在这三大技术突破的基础上，产生并发展了以推板窑、 轨道窑为连续式作业窑炉代表，以梭式窑( 抽屉窑) 、高帽窑( 钟罩窑) 为间 歇式作业窑炉代表的全新一代窑炉。它们的经济技术指标比原有陶瓷窑炉高 得多，从而使窑炉由传统的土木砖石“构筑物”变成了机电一体化、有较高 技术含量的“烧成机器”。与国外相比，中国的陶瓷工业多年来一直使用原来 的工艺设备，消耗大，产出少，废品多，污染大，经济效益差。自8 0 年代后， 我国陆续引进了一批先进的陶瓷设备，同时也引进了相关的热工技术，对于 陶瓷工业的发展要求，由“高产、优质、低消耗”逐渐转向追求“优质、低 耗、灵活、无污染、轻体力”。陶瓷生产控制系统先后主要有以下几种形式。 1 2 1 组合仪表分敖控制 其结构如图1 2 1 所示，这类一般采用电动单元组合仪表控制，其特点 是每一个温度控制点自己独占一套控制回路，各个控制回路间在控制上无任 何联系。其实，这种控制方法与大家都很熟悉的单回路控制没有什么本质区 别，种方法最大的优点是：相对比较安全，当一路控制回路出现故障后，并 不影响其它回路，其它回路可以照常工作。 图1 2 1 仪表分散控制结构图 1 2 2 计算机集中控制 武汉理二r ：人学硕士学位论文 r逋z r 一一一1 - 一r 一一； 一 上一、二至互 一。一臣；享立 i 竺竺竺_ | l i ! ! 雩竺一j 一一 l 机 r 村l 1 匈l 。舭l _ j 树l 十勾n i = 二二二 ：!一兰 ! ! 一_ j 1 2 2 计算机集中控制结构图 其结构如图l ，2 2 所示，这种控制系统的测量、通讯以及控制算法的实 现和反馈控制信号的输出都是由一台计算机实现，在这种方法出现初期，确 实具有很吸引人的地方，因为这种方法可以由计算机实现一些简单的管理功 能，如：图表的显示、报表的打印等，但是，同时它也给用户带来了很大的 忧虑，主要问题是其可靠性，因为这种控制方法一般都没有冗余设计，往往 是一点故障波及全局。 1 2 3 计算机集散控制 图1 2 3 计算机集散控制结构图 其组成结构如图】2 3 所示，这类控制系统实际上可以看作是上述两类 系统的综合。在这里，计算机只是负责控制系统的管理工作，并不参与控制， 现场信息的采集和控制完全由各个控制回路分别自己完成，一些必要的现场 信息由仪表传送到计算机，然后计算机将所得到的信息进行分析加工处理， 以一种便于人们接受的方式把现场的各种信息表示出来。同时，人们可以通 过计算机对仪表的各种控制参数进行在线修改，在必要时人工参与控制。相 比之下这种方式较前两种方式具有更大优点。 u c 汉璀t 入学颧i ：学位论史 1 。2 。4 方案分析 上述三种陶瓷生产控制系统的方式，基本上包括了目前所有的陶瓷生产系 统。现在新建的陶瓷生产线大多采取计算机集散控制系统的方式，仪表采用成 熟的p i d 控制器，但这种方式也存在一些缺点：( 1 ) 采用计算机集散控制系统， 通信线路较多，成本较高；( 2 ) 由于进口的控制器成本比较高，一般需要几千元， 因此在现场大多对执行机构进行分组，以减少对控制器的需求，这样一来又必 然降低了控制系统的控制能力；( 3 ) 由于控制器的厂家采用自己的接口方式，不 同厂家难以兼容，动态修改参数也比较困难；( 4 ) 对于陶瓷工业，其控制系统专 用性不强。 1 3 相关控制技术 1 3 1p l c 技术 长期以来，p l c 始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动 控制设备提供高可靠性的控制系统解决方案。如今的p l c 已经由过去的单一数 字逻辑控制发展到具备运动控制、过程控制、数据处理、通信联网等功能。近 年来p l c 本身也在向高性能、高速度、大容量、智能化i o 发展，而且众多的 p l c 厂商推出的新一代产品都提供了基于多种现场总线和工业以太网的接口，方 便了p l c 与现场总线控制系统的连接。因此p l c 在将来仍将继续占据工业控制 的的主导地位。” 1 3 2 现场总线 随着近几年来信息技术的飞速发展，当今自动化领域出现了一种新型的测 控网络结构现场总线。它是当今自动化领域的热点之一，并对该领域的发展 有着深远的影响。 所谓现场总线，指利用现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制 仪表，使它们都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞 线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开，规范的通 武汉理，r 大学坝| 1 学位论史 信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之问以及现场仪表与远程监控 计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成种适应实际需要的自动控制系统。 简而言之，他把单个分散的测量设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它 们连接可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 现场总线是应用在生产现场、在微机化测控设备之间实现双向串行多节点 数字通信的系统。现场总线具有协议高度丌放、互操作性和互用性强、现场测 控设备具有智能性和自制性、系统结构高度分散、对现场环境具有较高的适应 性等技术优势和特点，使它近年来成为工业自动化技术发展的热点之一。现场 总线既是通信网络，又是控制网络，适应了工业控制向分散化、网络化、智能 化发展的方向。目前，国际上存在的现场总线标准有近百种之多，统一的国际 标准尚未建立。比较有影响力的现场总线主要有f o u n d a t i o n f i e l d b u s 、l o n w o r k s p r o f i b u s 、c a n ，h a r t 等。 1 现场总线系统优点 ( 1 ) 节约硬件数量与投资，由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直 接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单 独的调节器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功 能单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件 投资，并可减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用，现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆 上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线 设计与接头校对的工作量也大大减少当需要增加现场控制设备时，无需增设新 的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的 工作量。据有关典型试验工程的测量资料表明，可节约安装费用6 0 以上。 ( 3 ) 节省维护开销，由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力， 并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的 运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时 间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权，用户可以自由选择不同厂商所提供的 设备来集成系统，避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了使用设备的选择 范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。是系统集成过程中 的主动权牢牢掌握在用户手中。 e 汉理t 人学颂士学位论文 ( 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性，由于现场总线设备的智能化、数字化， 与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。 同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少 了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重 构等优点。 2 现场总线的现状 随着近几年现场总线技术的发展，市场上己形成了由几家大公司为主导的 标准体系，最有影响包括下列几家： ( 1 ) 基金会现场总线：由美国f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首，联合a b b 等 8 0 家公司制订的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲1 5 0 家公司制订 的w o r l df i p 协议。两个集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立浚标准。该总线技术分 低速h l 和高速h 2 两种通信速率。h l 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达 1 9 0 0 m ( 可加中继器延长) ，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。h 2 的传输 速率可为1m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输 介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合i e c l l 5 8 标准。 ( 2 ) p r o f i b u s 现场总线：由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共 同推出。通讯传送速率为9 6 k b s 一1 2 r o b s ，最长传输距离在1 2 m b p s 时为1 0 0 m ， 1 5 m b p s 为4 0 0 m 。其传输介质可以为双绞线，也可以是光缆。 ( 3 ) c a n 现场总线：由德国b o s c h 公司推出，得到n e c ，m o t o l o r a 等公司的 支持。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1 m b p s 4 0 m ，直接传输距离 最远1o k m 5 k b s ，可挂接设备最多达1 1 0 个。 ( 4 ) h a r t 现场总线：由r o s e m o u n t 公司开发并得到八十多家著名仪表公司的 支持，于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金。这种可称为可寻址远程传感器高速通 道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属 于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品。 由以上四家最著名的f c s 标准看出，目前还没有真正完全统一。的全球性现 场总线标准。 武汉理1 - 人学坝l 学位论文 1 3 3 组态软件 组态软件是当今工业控制领域的主要操作、运行和监控的软件设计开发平 台，被广泛地应用于冶金、石化、交通运输、智能建筑、污水处理等领域。组 态软件采用w i n d o w s 图形界面和对话框进行程序的开发组态和用户操作，使得 无论是编程设计人员还是操作人员，都能够轻松、快捷地学习和掌握它的开发 和操作技巧，极大地减小了程序设计开发的负担。目前国内外知名的工业组态 软件品牌主要有w i n c e 、m c g s 、组态王等。 1 3 4 智能控制技术 尽管目前工业现场绝大多数闭环控制算法仍然主要采用p i d 控制算法及其 改进算法，并取得了良好的控制效果。但工业现场中大量非线性、时变、大滞后 系统以及难以建立精确数学模型的系统，需要更先进控制算法的控制。随着控 制理论的不断发展和各种高性能控制计算机的问世，使以往理论性很强的智能 控制算法进入现场成为现实。模糊控制、神经网络控制、人工智能、专家系统、 遗传算法以及上述控制算法之间的相互融合、智能控制算法与传统p i d 算法相 互融合的控制算法应用于工业现场的例子举不胜举。 1 4p r o f i b u s 现场总线 在众多的现场总线产品中，作为欧洲标准并己占据较大市场份额的 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 是具有代表性的一种。1 9 8 7 年，原西德联邦科技 部集中了1 3 家公司及5 家研究所的力量按照i s o o s i 参考模型制定现场总线 的德国国家标准( ( p o r f i b u s ) 。经过2 年多的努力，完成了制定工作，于1 9 9 1 年4 月在d i n l 9 2 4 5 中发表，f 式成为德国现场总线的国家标准。后来，又通过 投票成为欧洲际准e n 5 0 1 7 0 0 。 现在，p r o f i b u s 己成为国际化的开放现场总线标准得到了众多生产厂家的 支持，并和基金会现场总线一起成为现场总线的两大体系。在欧洲p r o f i b u s 拥有4 0 以上的市场份额，近年来，在北美和日本的发展情况也不错。由于得到 p k 生产商的支持，加上基金会现场总线的标准迟迟得不到完善，p r o f i b u s 将会 武汉理t 人学硕f j 学位论文 有更大的发展空闻。 p r o f i b u s 家族几乎涵盖了现场总线所有的应用领域，如加工制造、过程自 动化和楼宇自动化等，普遍性是p r o f i b u s 与其它规范相比最重要的优点。 p r o f i b u s 由三部分组成：p r o f i b u 5 一f m s ( f ie l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) ， 现场总线报文规范) 、p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r j p h e r y ，分散型外围设 备) 、p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a ti0 1 3 过程自动化) 。 1 p r o f i b u s d p 旨在解决设备一级的高速效据通讯。 在这一级，中央控制器( 如p l c p c ) 通过高速串行线同分散的现场设备 ( i o 、驱动器、阀门等) 进行通信，传输速率可达1 2 m b i t s 。一般情况下，d p 构成单主站系统，主站和从站以循环的方式进行数据传输；另外，d p 的扩展功 能也提供了非循环数据传输的能力。 p r o f i b u s 的协议结构是参照i s o o s l ( 国际标准化组织开放系统互连) 参 考模型制定的，p r o f i b u s d p 使用了七层协议的一、二层及用户接口，没有定 义第三到第七层，这种结构保证了快速而有效的数据传输。直接数据链路映象 ( d d l m ) 为用户接口提供第二层功能映象，用户接口规定了用户、系统及不同设 备可以调用的功能，并对不同的p r o f i b u sd p 设备的设备行为给予了说明。物 理层可以使用r s 4 8 5 或光纤传输技术。 2 p r o f i b u s f m s 定义了一、二、七层。 旨在解决车间一级通用性的通信任务。它提供了大量的通信服务，如现场 信息传送、数据库处理、参数设定、下载程序、从机控制和报警等，用以完成 以中等传输速度进行的循环与非循环的通信任务，由于它是完成控制器与智能 现场设备之间的通信以及控制器间的信息交换，因此它主要考虑系统的功能， 而不是系统的响应时间。f m s 提供了较多种类的通信服务，应用灵活。可用于大 范围和复杂的通信系统。应用层包括了现场信息规范( f i e l d b u s e s s a g e s p e c i f i c a t i o i l ，f m s ) 和底层接口( l o w e rl a y e rt n t e r f a c e ，l l i ) 。f m s 包涵了 应用层的诲议并向用户提供了丰富的服务功能；乩l 为f m s 提供了与设备无关的 第二层的访问能力。第二层实现总线访问控制并保持被传输数据的可靠性。 p r o f i b u s f m s 与p r o f i b u s d p 使用了相同的传输技术和统一的总线访问协议。 可在同一条线缆上进行操作。 3 p a 是d p 的延伸，具有本征安全的特性。 p r o f i b u s p a 使用p r o f i b u s d p 基本功能传输测量值和状态，用 武汉删t 火学埘j 掌位论卫 p r o f i b u s d p 扩展功能修改现场设备的参数，操作现场设备。p 设备可以通过 藕合器连入d p 网络。根据i e c l l 5 8 2 ，p r o f i b u s p a 使用双绞线传输数据并对 现场设备供电、适用于石油、化工等过程自动化场所。p r o f i b u s - p a 在欧洲和南 非耿得的成功应用，证明了它的安全性。 4 p r o f i b u s 上的站点。 可分为主、从两类，p r o f i b u s 介质存取协议包括主站之间的令牌环方式和 主站从站之间主、从方式，这两种访问方式的混合称为混合介质存取。一个典 型的以p r o f i b u s d p 为基础的网络如图1 4 所示： 该系统从生产现场的底层开始，可分为现场控制层、过程监控层、生产管理 层，通过各层之间的沟通与信息交换，构成较为完整的企业控制网。 ( 1 ) 现场层；p r o f i b u s d p 现场总线网段与现场设备连接，是网络集成系统 的底层，也称为网络的现场控制层，它是网络的最基层典型的d p 系统为主站 从站结构，主站功能由见p l c 或p c 束完成在本系统中共有两段d p 总线，当主 站需要时，d p 从站仅仅可以变得主动一些d p 从站通过使用轮询表而连续地定 位d p 从站编址。d p 主站和从站之间的用户数据进行连续地交换而不管用户的数 据内容怎样。一方面主站将控制数据( 如电机设定速度，接触器的吸合、断丌) 发送给从站，另一方面从站的模拟量( 如电机转速、电流等) 和数字量( 开关的分 合、接触器触点的通断等) 信号通过数据通信传送到主站p l c 寄存器中指定的地 由e 。 图1 4以p r o f i b u s d p 为基础的网络 ( 2 ) 过程监控层：过程监控层由操作台计算机、控制台计算机、p l c 等组成 的工业以太网构成。操作台监控计算机利用工业组态软件实现对工作现场的监 督和控制，现场层将来自生产一线的信息送往控制室，置入实时数据库，进行 控制和计算、动态显示、报警及历史显示、控制台计算机将实时数据库中的数 据送到服务器的关系数据库中，进行保存和数据处理。 c 汉埋工大学硕卜学位论义 ( 3 ) 生产管理层：它是工业局域网络的上层，部门或企业领导可直接通过不 同的网络协议访问服务器来了解现场的生产的一切动念状况，也可将工厂的生 产调度、计划、销售、库存、财务、人事等集成为信息管理系统，最终实现c i m s 系统 实施以p r o f i b u s 为基础层，以太网为过程监控层的混合网络控制系统，不 仅可以全面提高综合自动化水平，最大限度的发挥设备的能力和效率，还可以 与经营、管理和生产活动有关信息集成起来，逐步实现决策，管理和控制各功 能一体化，达到生产的柔性、自适应性。从而在此基础上实现对全厂的生产调 度、物料平衡、库存控制、质量控制、统计分析等功能全面的综合自动化，形 成现代化企业的计算机m i s 系统。因此以p r o f i i b u s 总线为基础的网络控制系 统是工业生产自动化的发展方向，它采用计算机数字化通信技术，使自控系统 与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范 围一直延伸到生产现场。在c i m s 系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场缴 设各的延伸，是支持现场级与车间级信息集成的技术基础。 1 5 研究目标及内容 i 针对当前陶瓷生产控制系统的缺点，采用现场总线技术，研究新的陶瓷生产 控制系统方案。 采用现场总线p r o f i b u s 技术，主要优点如下： ( i ) 可靠性好，运行稳定。 ( 2 ) 可以满足用户的特殊要求。 ( 3 ) 成本低，即使每个执行嚣分别控制，成本也不会有大的增加。 ( 4 ) 由于通信采用现场总线的方式，通信的线路少，成本低，可靠性 高。 基于现场总线的控制系统与计算机集散控制类似，上位机只负责控制系 统的管理工作，并不参与控制，现场信息的采集和控制完全由各个控制回路 分别完成。 系统设计应在保证系统可靠工作和降低成本的条件下，具有通用性、实时 性和可扩展性等特点，通过分析，系统出上位机( 工程师站和操作员站) 、主控制 器和现场控制器构成，包括p c 机、p l c 、p r o f i b u s 通讯卡、总线桥、仪表、远 武汉理t 大学 l ! l if + 学位论文 程i o 站等，p c 机上面有多条扩展槽，利用局域网络通信卡，可使得该系统很 容易与其他生产管理部门联网，便于统一调度和管理。主控制器选用p l c 可以 充分保证控制系统的稳定性。尽管p c 机有运行不是很稳定、容易死机等一系列 的缺点，但是在陶瓷生产控制系统，p c 机只是起管理和监控的作用，因此，p c 的这些缺点对系统的运行并无太大的影响， 2 研究适合陶瓷生产过程的智能控制与优化控制技术和实现方法，提高陶瓷生 产过程的自动化水平。 3 陶瓷窑炉具有纯滞后、大惯性的特点，而且其气氛制度、温度制度、压力制 度之间相互耦合，控制过程复杂。针对陶瓷窑控制中现存在的耦合、非线性问 题以及难以用数学方法建立控制模型的特点，将改进p i d 控制、模糊控制以 及神经网络专家控制技术进行综合分析和试验研究，解决陶瓷窑温度控制相关 问题，实现对陶瓷窑各部分烧成温度、出窑速度、窑内压力等多变量之间的协 调控制，有利于优化和稳定合理的烧成制度曲线，获得高性能和高质量的控制 效果，使陶瓷窑炉自动控制程度更高。 4 通过对各种陶瓷窑温度控制的特点分析，结合相关控制算法，运用单片机、 电工电子系统理论知识，设计陶瓷窑温度测控智能核。 武汉理丁人学坝i 学位论义 第2 章陶瓷生产控制系统网络硬件配置 2 1 主控制器选择 鉴于陶瓷生产节奏紧凑，系统部分的对实时响应要求较高。所需数字量控制 点数为4 0 0 点左右，模拟量控制点数为5 0 点，且具有如变频调速、温度控制等 众多现场控制设备，需控制的设备较分散。从控制规模来看，属中型控制系统。 从控制方式来看，可采用基于现场总线的集散控制系统。西门子s 7 系列p l c 中， s 7 4 0 0 是西门子公司新开发的产品，具有很强的通讯能力，集成的通讯功能强 大，c p u 的处理速度非常高，但价格约贵一些。根据陶瓷生产的工艺要求，以及 网络可再完善的思考，本设计采用s 7 4 0 0 系列p l c 进行组态。控制系统由主控 制器、远程站、工程师站、操作员站以及若干现场控制设各组成，且主控制器 和远程站以及现场设备间通过p r o f i b u s 进行通信。主控制器采用一台 s 7 4 0 0 c p u 4 1 6 2 d p ，该主控制器集成有d p 通信接口，具有大容量程序存储器， 适用于既包含集中式外围设备又包含分布式外围设备的复杂配置。陔机具有以 下主要特点： 处理速度：3 0 0 n s 处理时间内执行每条二进制指令； 可灵活扩展：最多3 2 块模块( 4 行机架配置) ： 通讯接口：集成的m p i ( 多点接口) 、d p 接口； 操作方式选择：可拔出的钥匙开关，可限制存取用户数据。( 也是一种保 护方式) ； m p i 接口：最多3 2 站；每个c p u 最多可连接4 个激活的站： 波特率：1 8 7 ，5 k b s ： 两个相邻站的距离：( 无中继器时) 5 0 m ； 总地址空问： 输入输出：2 5 6 2 5 6 字节： 过程映像：1 2 8 1 2 8 字节； 数字量输入数字量输出点总数： 1 0 2 4 个通道( 共占1 2 8 个字节，每8 个通道占1 个字节，即1 个地址) ； 武汉垲丁人学顺，l 学位论立 模拟量输入模拟量输出点总数： 1 2 8 个通道( 共占2 5 6 个字节，每1 个通道占2 个字节，即2 个地址) 。 个c p i j 的d p 站数在组态时应注意： ( 1 ) 用于主站和从站之间数据交换的己组态的输入输出区不能被其他模块 “占领”。 ( 2 ) 智能从站不能作为d p 主站。不能同时将智能d p 从站作为主站来组惫 就是说如果c p u 4 1 6 2 d p 已被作为d p 从站组态，就不能同时作为其它d p 从站的 d p 主站组态。 ( 3 ) d p 主站的输入域是d p 从站的输出域，反之亦然。 2 2 电源配置 主站和远程站，在每个站均采用一块p s 4 0 7 的电源模块，分别为各站供电 ( + 2 4 v ) 。选择电源模块容量的原则为其容量大于或等于站内所有配置模块耗电 量的总和。 为防止系统中控制电源故障，在每个站均采用一台西门子u p s 电源为p l c 设备供电。 2 3 系统通讯 本自动控制系统可通过m p i ，p r o f i b u s 和工业以太网实现数据通讯。在数据 通讯时是否采用多点接口( m p i ) ，p r o f i b u s 或工业以太网，很大程度上取决于需 要网络的大小、数掘量、节点数和扩展能力等。网络的基本通讯功能应能满足 应用上的相容性，也就是说：功能贯穿整个网络。网络为数据通讯提供以下的 通讯功能服务： p g o p 通讯：该功能是集成的通讯功能，它能在s i m a t i c 自动化系统和任何 h m 单元( t d o p ) 以及s i m a t i cp g 编程器( s t e p7 ) 之f n j 进行数掘通讯，所有刚 绍均支持p g o p 通讯。 s 7 基本通讯：该功能是s i m a t i cs 7 1m 7 c 7c p u 中集成的通讯功能集( s f c ) 。 它由用户调用，其优点是不需要用户存储器。每个作业的最大用户数据量可到 达形7 6 字节( 小数据量) 。s 7 基本通讯由m p i 实现。 武汉理工人学帧。卜学位论文 s 7 通讯：s 7 通讯是扩充的集成通讯功能( s f b ) 。在s i m a t i cs 7 m 7 c 7 中， 它已经最优化。s 7 通讯功能允许用户连接p c 和工作站。每个作业的最大用户数 据量可到6 4 k 字节。s 7 通讯提供简明、强有力的通讯服务和所有网络提供不依 赖于网络的软件接口。 s 5 一兼容的通讯( s e n d r e c e i v e ) ：s 5 兼容的通讯( s e n d r e c e i v e ) 使s i m a t i c s 7 m 7 c 7 能和您已有的系统通讯，主要是s i m a t i cs 5 ，但也包括使用p r o f i b u s 和工业以太网的p c 。通过工业以太网提供读取和写入数据服务，因此由s i m a t i c s 5 ( 自动化系统，h m i ) 建立的软件可继续使用并不需要修改。 2 3 1 现场级通讯 主c p u 采用性能价格比高的西门予s 7 系列c p u 4 1 6 - 2 d p ，该c p u 带有集成内 置的p r o f i b u s d p 通讯接口以及m p i 通讯接口。由于现场控制设备分散，且需 通讯的数据量不大，但需为今后预留扩展能力。因此，系统现场级通讯采用 p r o f i b u s d p 总线，通过p r o f i b u s d p 协议将本地站与各现场设备以及远程i o 站连接为一体。其中，c p u 4 1 6 2 d p 作为主站，其他远程i o ( e t 2 0 0 m ) 、变频器、 总线桥作为从站。d p 总线传输速率设定为1 5 m b p s ，最高速率为1 2 m b p s ，设定 循环时间1 9 m s 。d p 主站通过d p 总线访问d p 从站的输入和输出。需注意的是d p 从站的一个特征为输入输出数据不是由d p 主站的实际输入输出直接提供的， 而是来自预处理c p u ( 该c p u 与通讯处理器和集成p r o f i b u sd p 接口形成d p 从 站) 。 远程i o 机架上设爱有i m1 5 3 1 d p 接口模块，与d p 总线相连；在变频器上 采用c b p 通讯接口模块通过d p 总线与p l c 系统主机相连。p r o f i