（控制理论与控制工程专业论文）轮胎硫化罐监控系统及硫化过程控制设计与研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文摘要 轮胎硫化罐监控系统及硫化过程控制设计与研究 摘 要 轮胎硫化罐监控系统是车间监控网络系统的一个重要组成部分本文 以上海大中华正泰轮胎公司轮胎硫化罐建立监控系统和硫化过程控制为 中心详细讨论了实现轮胎硫化罐监控系统的控制网络技术可编程序 控制器p l c 先进控制技术计算机通信技术及 2 自由度的 p i d 串级控 制技术在硫化过程控制中的应用研究给出了硫化罐建立监控系统软硬 件的总体设计和详细实现过程或研究过程并首次将 2 自由度的 p i d串 级控制技术应用到轮胎硫化过程控制的研究中去 轮胎硫化罐监控系统采用三层结构即 p l c现场总线层f c sp l c h o s t l i n k监控层和 p l c 信息管理层各层相互通信实现信息从上到下 的贯通体现了将控制网络与企业数据网 i n t r a n e t 公共数据网 i n t e r n e t 进行一体化集成的思想系统采用上位计算机与 p l c 主从 监控方式上位计算机用 v i s u a l b a s i c进行客户端程序开发建立硫 化过程控制对象人机接口本文从轮胎硫化罐监控系统的需求分析开始 详细讨论了建立轮胎硫化罐监控系统的理论背景实践时的各种考虑和 实现轮胎硫化罐监控系统的过程与细节重点说明了本系统中将采用基 于 p l c 的现场总线和工业以太网的必要性和应用研究 硫化过程是一个极其复杂的复合介质的非线性系统目前国内外确 上海交通大学硕士学位论文摘要 定轮胎的最佳硫化时间的方法有定时硫化和等效硫化等效硫化虽然 能改善轮胎的性能节约能源但需要建立复杂的硫化过程模型且控 制实现困难而定时硫化虽然硫化效果较差但只要硫化温度能控制稳 定硫化效果明显改善且控制实现方便建立轮胎硫化过程控制的新 方法对于轮胎的生产具有重要的意义已有的定时硫化过程控制方法采 用单回路温度外温内温控制法本文讨论了这种方法的优缺点 并通过分析 2自由度的 p i d串级控制技术的特点将 2 自由度的 p i d串 级控制技术用于定时硫化过程控制提出了一种以硫化罐内温t 1 为 目标值硫化罐内温t 1 控制器的输出作为内温出口温度t 2 控制 器的设定值从而就形成了硫化罐内温t 1 和内温出口温度t 2 的 串级控制系统它将成为硫化罐定时硫化过程控制的新方法 关键字可编程序控制器现场总线h o s t l i n k 通信工业以太网 2 自由度的 p i d 串级控制 上海交通大学硕士学位论文摘要 d e s i g n a n d d i s q u i s i t i o n t h e d e v i c e m o n i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m a n d v u l c a n i z e p r o c e s s c o n t r o l a b s t r a c t d e v i c e m o n i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m i s a n i m p o r t a n t p a r t o f d e p a r t m e n t n e t w o r k s y s t e m . t h i s p a p e r i s f o c u s o n b u i l d i n g t h e d e v i c e m o n i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m o f v u l c a n i z a t i o n d e p a r t m e n t i n s h a n g h a i d a z h o n g h u a a n d z h e n g t a i t y r e c o m p a n y a n d b u i l d i n g n e w v u l c a n i z e p r o c e s s c o n t r o l m e t h o d . i t d i s c u s s e s i n d e t a i l s a b o u t t h e t e c h n o l o g y o f c o n t r o l n e t w o r k , p r o g r a m m e r l o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) , c o m p u t e r c o m m u n i c a t i o n s a n d 2 f r e e d o m p i d a n d i n s e r i e s c o n t r o l . t h e w h o l e d e s i g n a n d d e t a i l i m p l e m e n t o r d i s q u i s i t i o n o f t h e d e v i c e m o n i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m i s b e e n g i v e n . a n d i t a p p l i e s 2 f r e e d o m p i d a n d i n s e r i e s c o n t r o l i n t o v u l c a n i z i n g p r o c e s s c o n t r o l f i r s t l y . t h e d e v i c e m o n i t o r a n d c o n t r o l i s d i v i d e d i n t o t h r e e l a y e r s : o n e i s p l c s f i e l d b u s l a y e r , o n e i s m o n i t o r a n d c o n t r o l l a y e r , a n o t h e r o n e i s t h e p l c s m a n a g e r l a y e r . t h e s e t h r e e l a y e r s 上海交通大学硕士学位论文摘要 c o m m u n i c a t e w i t h e a c h o t h e r , e m b o d y i n g t h e t h o u g h t s o f i n t e g r a t i o n o f c o n t r o l n e t w o r k , i n t r a n e t a n d i n t e r n e t . t h e s y s t e m a p p l i e s h o s t l i n k m o d e l . o n t h e h o s t c o m p u t e r p a r t i s v i s u a l b a s i c . t h i s p a p e r b e g i n s w i t h t h e r e q u i r e m e n t a n a l y s i s o f t h e d e v i c e m o n i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m , t h e n d i s c u s s e s t h e t h e o r y b a c k g r o u n d o f b u i l d i n g i t a n d t h e d e t a i l s o f i m p l e m e n t o f t h e d e v i c e m o n i t o r a n d c o n t r o l s y s t e m o f v u l c a n i z a t i o n d e p a r t m e n t . i t e m p h a s i s o n t h e t e c h n o l o g y o f f i e l d b u s a n d e t h e r n e t i s b a s e o n p l c . v u l c a n i z a t i o n p r o c e s s i s v e r y c o m p l i c a t e d n o n l i n e a r s y s t e m . b u i l d i n g v u l c a n i z a t i o n p r o c e s s c o n t r o l m e t h o d i s v e r y i m p o r t a n t f o r t h e p r o d u c t o f t i r e s . n o r m a l , t h e v u l c a n i z a t i o n p r o c e s s c o n t r o l m e t h o d s a r e t i m i n g o r e q u i v a l e n t v u l c a n i z a t i o n . e q u i v a l e n t v u l c a n i z a t i o n i s b e t t e r t h a n t i m i n g v u l c a n i z a t i o n , b u t i t n e e d s c o m p l i c a t e d v u l c a n i z a t i o n p r o c e s s c o n t r o l m o d e l , a n d t i m i n g v u l c a n i z a t i o n n e e d s o n l y s t e a d y v u l c a n i z a t i o n t e m p e r a t u r e . s o , t h i s p a p e r d i s c u s s e s h o w t o c o n t r o l t h e v u l c a n i z a t i o n t e m p e r a t u r e . a l s o , i t d i s c u s s e s t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e s e m e t h o d s , t h i s p a p e r p r e s e n t s a k i n d o f i n n e r t e m p e r a t u r e ( t 1 ) a n d i n n e r e x i t t e m p e r a t u r e ( t 2 ) w i t h 2 f r e e d o m p i d a n d i n s e r i e s c o n t r o l s y s t e m . a t l a s t , i t w i l l b e c o m e a n e w m e t h o d i n v u l c a n i z a t i o n p r o c e s s c o n t r o l . k e y w o r d s : p r o g r a m m e r l o g i c c o n t r o l l e r , f i e l d b u s , h o s t l i n k c o m m u n i c a t i o n s , i n d u s t r i a l n e t w o r k , 2 f r e e d o m p i d , i n s e r i e s c o n t r o l 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名朱妙其 日期2004 年 9 月 18 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名朱妙其 指导教师签名张文渊 日期2 0 0 4 年 9 月 18 日 日期2 0 0 4 年 9 月 18 日 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1 论文的产生背景 轮胎硫化按硫化设备可分为硫化罐和硫化机硫化硫化罐是轮胎硫化的主要设 备俗称立式水压硫化罐罐体直径有1 4 0 01 6 0 01 8 0 02 2 0 02 8 0 0 等规格硫化罐罐体深同时可多模型成组装罐生产效率高是沿用已久的硫化设 备但只是辅助工序多劳动强度大机械化自动化程度低罐体因深度大使上 下模型的温差增大影响产品质量硫化罐的温度压力数据采集记录方法还采用打 点式记录仪目前虽然国外基本已淘汰硫化罐但国内基于国情而且其生产效率高的 特点所以一方面对外胎硫化罐进行温度压力数据采集记录方法技术改造另一 方面提升硫化部门整体的自动化及管理水平减轻劳动强度降低生产成本保证产 品硫化质量目前全世界大约生产 6 - 7 亿条轮胎其中固特异普利司通米西林占 6 0 % 而且市场还将不断扩大市场竞争越来越激烈所以各大轮胎公司和集团的主 攻方向是提高技术水平和轮胎质量 硫化是制造轮胎的最后一道生产工序也是最关键的一道生产工序它通过在轮 胎生胎中采用加硫技术提高橡胶轮胎的坚韧性和耐用性但在硫化过程中轮胎的 硫化时间随硫化过程中的温度压力等因素的变化而变化必须加以控制硫化工艺 的好坏和实施准确与否直接影响到轮胎的产品质量生产效率和效益建立硫化过 程控制是改善硫化工艺的有效途径而硫化过程由可编程序控制器p l c 控制则是 确保硫化工艺的准确实施的重要手段国内一般轮胎厂由于种种条件限制自动化控 制水平低下 硫化过程控制基本上停留在温度或压力单回路控制 我国即将加入 w t o 面对国际上激烈的竞争国内各轮胎厂迫切需要改善现有的硫化工艺建立有效的硫 化过程控制方法提高计算机控制水平 目前为了适应市场的需要由上海大中华橡胶厂上海正泰橡胶厂合并组建我国 最大的斜胶轮胎生产基地上海大中华正泰轮胎公司并成立了整体搬迁系统工 程大中华正泰轮胎公司硫化部门决定利用这一机会在原有的基础上建立硫化罐 监控系统并革新硫化过程控制方法以实现提高斜胶轮胎质量确保生产效率降 低生产成本并节省原材料和能源消耗的目标 1 2 大中华正泰轮胎公司硫化罐监控系统 轮胎硫化罐是硫化部门制造业基本组成部分是生产的第一线是制造业各种经 营活动的基础因此轮胎硫化罐监控系统是硫化部门的重要组成部分它随着生产工 艺和技术的发展而发展硫化罐监控系统应覆盖硫化罐设备的全部生产活动进入 2 1世纪后面对全球网络互连和信息的一体化人们对部门设备监控系统提出了新 的要求如何更好地集成系统内的各种信息如何更好地为用户服务最终实现网上 上海交通大学工程硕士学位论文 2 制造成为摆在部门设备监控系统设计者面前的新的课题 计算机控制技术计算机网络技术通信技术和可编程序控制器p l c 技术是 当今设备监控系统的四大支柱 计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制 系统 电动单元组合式模拟仪表控制系统 集中式数字控制系统以及集散控制系统后 由于各种智能数字式设备的大量出现使得控制系统的结构逐渐发生了变化向着 网络化的方向发展形成了另一种网络- - - - - 控制网络与此同时局域网技术成熟 并大量被企业采用形成企业独有的数据网数据网最初与控制网络彼此分离但随 着技术的发展人们开始研究数据网与控制网的结合开放式网络系统如以太网 和新兴的控制网络技术如现场总线使得这种结合成为现实i n t e r n e t的兴起 将全球的计算机系统通信系统集成起来形成一条信息高速公路企业看到 i n t e r n e t 的巨大商业价值 将企业数据网和 i n t e r n e t 技术结合起来 形成 i n t r a n e t i n t r a n e t 可以和 i n t e r n e t 方便连接从而使得企业从下至上实现了网络的贯通数 据是宝贵的信息资源无纸化数据记录是新时期的设备监控系统设计的另一个重点 它与网络通信技术面向对象技术结合在一起成为设备监控系统中实现集成的重要 手段通过数据继承达到功能集成建立全方位的设备监控系统必须包含数据记 录管理子系统现场控制信息通过网络直接进入数据记录管理子系统确保实时掌握 生产过程的运行状况进行实时控制和积累信息达到生产管理的统一和优化 1 2 1 建立硫化罐监控系统的必要性 建立硫化罐监控系统是由原硫化罐控制存在的问题与实现硫化部门目标之间的 矛盾所决定的 上海大中华橡胶厂上海正泰橡胶厂原硫化罐控制存在的问题如下 拥有 1 7 台硫化罐设备并分成二组其中第一组为 9 台第二组为 8 台每组 硫化罐设备皆有一台 p l c 控制但无上位计算机监控每台 p l c 相互独立监控 程序的修改调试很不方便 硫化部门拥有多台计算机及其相关软件用于生产过程管理信息处理部分已形 成网络但现场硫化罐设备信息没有得到进一步的利用与共享 由三针记录仪记录生胎的内温外温压力等信号每天都要更换记录纸而且 要妥善保管记录纸以备日后查询这就增加了许多日常事务有关硫化过程中 最重要的 8 个阀门的状态及其不同组合所对应的工序状态没有记录 只能通过手 持编程器进行查看造成了生产现场不能及时掌握硫化罐硫化的工作状态生产 过程中出现故障不能及时发现等问题 一些重要的数据如轮胎号规格号等由现场操作人员手工记录一些重要的统计 数据如轮胎产量和各类报表数据由统计员手工进行统计 数据的传递主要采用报 表文件信息流通速度慢大量报表文件的存储管理有一定的难度 由于轮胎品种规格的变化需要近两天时间更换模具 因此生产计划安排得是否合 理将直接关系到硫化部门的轮胎产量 而部门作业计划是由生产调度部门通过计 划表人工下达不仅繁琐而且容易出错造成一些不必要的经济损失 而上海大中华正泰轮胎公司的整体搬迁系统工程要求硫化部门实现现场设备的重要 数据的采集 并传送至硫化部门管理层 实现硫化生产的实时监控和优化管理 因此 第一章 绪论 3 有必要建立硫化罐监控系统 1 2 2 硫化罐监控系统的构成和功能 硫化罐监控系统由 p l c 现场总线层f c sp l c h o s t l i n k 监控层和 p l c 信息管 理层组成其中 p l c现场总线层f c s 实现现场信号的传输并与监控层进行主从 通信p l c h o s t l i n k 监控层通过 p l c 采集数据和实现控制并与管理层进行双向通 信管理层选用基于 w i n d o w s n t平台的以太网实现数据存储和文件共享并继承 原有的计算机资源以太网通过路由器与 i n t e r n e t 互连实现信息从下至上的贯通 硫化罐监控系统采用主从模式但这并不意味着控制作用被上移到网络上实时 的控制依然由现场控制单元p l c 来完成而网络更关注的是现场信息的监视与管 理由于 p l c 信息管理层采用工业标准的以太网使得其可运行于任何网络工作站 甚至远程工作站上如连在 i n t e r n e t 上的工作站经授权操作即可获得相应的信息 因此系统在信息的管理和共享方面更为方便可靠性也大为提高 硫化罐监控系统的数据记录采用* . t x t 文本格式存储 硫化罐监控系统实现以下功能 硫化过程顺序控制 硫化过程的过程控制 异常工况违规操作的报警及显示 生产过程重要数据内温外温压力等采集存储及实时历史曲线显示 查询统计和打印生产报表 进行生产综合管理与控制 1 3 硫化过程控制的新方法 131 采用硫化过程控制新方法的必要性 在轮胎硫化过程中如何确定最佳硫化时间对于合理制定硫化工艺改善轮胎 的性能提高硫化机的利用率节约动力和能源具有重大意义目前确定最佳硫化 时间的方法有定时硫化和等效硫化两种在等效硫化中根据硫化程度控制硫化时间 可以取得较好的硫化效果 但是由于硫化过程是一个极其复杂的复合介质的非线性过 程在等效硫化中确定最佳硫化时间依赖于对轮胎内部温度分布的把握为了采用 无损测量的方法得到轮胎内部的温度分布情况必须建立轮胎的硫化过程模型所以 实际应用非常困难而在定时硫化中只是根据温度波动的下限值来确定最佳硫化时 间虽然容易造成过硫化使得橡胶性能下降引起能源和工时浪费但在定时硫化 中 只要硫化温度控制稳定 其硫化效果还是可以的 尤其在斜胶轮胎的硫化过程中 效果会更好目前因系统仅采用单回路温度外温内温控制在定时硫化中的 硫化温度不稳定是主要问题 所以必须通过采用温度串级控制 保证硫化温度的稳定 提高硫化效果改善轮胎的质量这种控制方法简单实用一般工厂都能接受 上海交通大学工程硕士学位论文 4 132 已有的硫化过程控制方法 目前已有的硫化过程控制方法有单回路外部温度外温控制和单回路内部温度 内温控制就控制要求来看外部温度外温控制和内部温度内温控制是 一样的仅是加热的介质不一样所以本文在下面仅以内部温度内温控制为例 进行讨论 硫化罐是对轮胎制品进行加热硫化的装置轮胎制品在硫化罐的轮胎模具内按工 艺规定的温度进行硫化硫化内温的加热介质是过热水过热水在流动中传导加热轮 胎制品硫化内温t 1 工艺要求为大于等于 1 7 2内温出口温度t 2 为大于等 于 1 7 0因为过热水在流动传导加热轮胎制品过程中有能量损耗而且内温t 1 t 2 的硫化温度是影响产品质量的重要控制指标之一因此将内温t 1或 t 2 作为 被控变量将过热水的流量作为操纵变量 1 单回路硫化内温t 1 控制法 假定加热介质过热水的压力波动是主要干扰发现它到硫化罐内温t 1 的滞后 时间较小通道较短而且还有一些次要干扰例如过热水热值的变化过热水含水 量的波动等等都是首先进入硫化罐内温t 1引起硫化罐内温t 1 变化人们 会想能否通过控制硫化罐内温t 1 的方法来达到内温出口温度t 2 稳定的温度 呢于是就出现了以单回路硫化罐温度内温t 1 为被控变量的单回路控制系统这 种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用不等到它们影响内温出口温度t 2 就被较早发现并及时进行控制将它们对内温出口温度t 2 的影响降低到最小限 度但是我们也知道还有直接影响内温出口温度t 2 的干扰例如内温出口处 的冷凝水变化模具中装载轮胎制品的规格制品的原料成分硫化罐内装载轮胎制 品的数量以及春夏秋冬 刮风下雨带来环境温度的变化等等 由于在这个控制系统中 内温出口温度t 2 不是被控变量所以对于直接影响内温出口温度t 2 的干扰造 成内温出口温度t 2 的变化控制系统无法进行调节这种方法只能凑和使用 2 单回路内温出口温度t 2 控制法 假定按照现在的单回路内温出口温度t 2 控制影响内温的出口温度 t 2的各 种干扰因素被包括在控制回路中只要干扰造成 t 2偏离设定值控制器就会根据偏 差的情况通过控制阀改变过热水的流量从而把变化了的 t 2重新调回到设定值 似乎这是无可厚非的但是实践证明这种控制方案的控制质量很差远远达不到生产 工艺的要求原因就是从控制阀到内温出口温度滞后时间太大如果过热水的压力发 生波动 尽管控制阀门开度没变 但过热水流量将发生变化必将引起硫化内温 t 1 的波动再经过传导加热轮胎制品引起出口温度t 2 的变化因为只有出口温度 t 2 出现偏差时才能发现干扰的存在所以对于过热水压力的干扰不能够及时发 现 内温出口温度 t 2 出现偏差后 控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度 改变过热水流量对内温出口温度t 2 加以调节可是这个调节作用同样要经历过 热水流动传导加热轮胎制品以及内温出口温度 t 2的变化这个时间滞后很长的通道 当调节过程起作用时内温出口温度t 2 已偏离设定值很远了也就是说即使发 现了偏差也得不到及时调节造成超调量增大稳定性下降如果过热水压力干扰 频繁出现对于单回路控制系统不论控制器采用 p i d 的什么控制作用还是参数如 何整定都得不到满意的控制效果这种方法一般不能使用 第一章 绪论 5 133 2自由度的 pid 串级控制在硫化控制中的应用研究 p i d 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法在冶金机械化工等行 业中获得广泛应用p i d 控制器是一种线性控制器它根据给定值 r t 与实际输出 值 c t 构成控制偏差它将偏差的比例p积分i 和微分d 通过线性组 合构成控制量对被控对象进行控制故称 p i d 控制器在计算机或可编程序控制器 控制系统中使用的是数字 p i d 控制器数字 p i d 控制算法通常又为位置式 p i d 控制 算法和增量式 p i d 控制算法 一般的 p i d 控制是为了防止超调则有干扰时达到稳定速度缓慢为了加速对 干扰的控制则又会产生超调对目标值的响应变坏而 2 自由度 p i d 控制是既可以 防止超调问题加快上升响应时间又当有干扰时稳定速度加快它是一种先进的 p i d 控制 比较上述两个控制系统它们各有自己的长处第一种控制系统能对主要的和一 些次要干扰提前发现及早控制第二种控制系统包括了所有干扰如果能将两个控 制系统结合起来发挥各自优势不是两全其美吗另外控制内温出口温度t 2 并不是目的真正的目的是硫化罐内温t 1 的温度稳定不变所以硫化罐内温t 1 控制器应该是定值控制起主导作用而内温出口温度t 2 控制器则起辅导作用 它在克服内温出口温度t 2 干扰的同时应该受硫化罐内温t 1 控制器的操纵 操作方法就是硫化罐内温t 1 控制器的输出作为内温出口温度t 2 控制器的设定 值从而就形成了内温t 1 和内温出口温度t 2 的串级控制系统 将 2 自由度 p i d 串级控制应用到轮胎定时硫化过程控制中不仅可以解决轮胎硫 化温度不稳定因素而且是经济的实用的本文首次将 2 自由度的 p i d 串级控制技 术应用到轮胎硫化过程控制的研究中去 14 本文的主要研究内容与编排 本文以上海大中华正泰轮胎公司硫化部门硫化罐监控系统及硫化过程控制的设 计与研究为背景提出了硫化罐监控系统的总体思想详细讨论了如何利用计算机控 制技术通信技术可编程序控制器技术构建新时期下的设备监控系统同时总结 比较了各种已有硫化过程控制的方法 并将 2 自由度的 p i d 串级控制技术应用到轮胎 硫化过程控制的研究中去获得了较好的效果 本文的具体内容安排如下 第一章 绪论 简要介绍了论文背景硫化罐监控系统轮胎硫化过程控制方法从而引出本文 的研究目的意义及内容安排 第二章 硫化罐监控系统的关键技术 以硫化罐监控系统为中心介绍了相关的 v i s u a l b a s i c通信程序开发技术重 点讲述了基于 p l c 的过程控制技术基于 p l c 的串行通信技术基于 p l c 的现场总线 f c s基于 p l c 的工业以太网 第三章 硫化罐监控系统的设计与研究 上海交通大学工程硕士学位论文 6 提出了上海大中华正泰轮胎公司硫化部门硫化罐监控系统的设计与研究思想详 细介绍了其硬件及软件设计方案详细讲述了硫化罐监控系统 h o s t l i n k 监控层的设 计与实现并重点讨论了硫化罐监控系统基于 p l c 的现场总线基于 p l c 的工业以太 网的设计与研究 第四章 硫化过程控制的新方法研究 介绍了轮胎硫化的工艺过程及最佳硫化时间的确定方法详细说明了硫化过程控 制的意义及已有的过程控制方法单回路硫化内温t 1 控制法单回路内温出口温 度t 2 控制法介绍了 2 自由度的 p i d 概念串级控制概念并将 2 自由度的 p i d 串级控制技术应用到轮胎硫化过程控制的研究中去提出了内温t 1 和内温出口温 度t 2 串级控制的新方法 第五章 总结与展望 对全部内容进行总结指出将来的发展方向 1 5 本章小结 本章简要介绍了论文背景硫化罐监控系统轮胎硫化过程控制方法从而引出 本文的研究目的意义及内容安排 第二章 硫化罐监控系统的关键技术 7 第二章 硫化罐监控系统的关键技术 随着控制技术的发展现场生产设备监控系统覆盖了从工厂的现场设备层到控 制管理的各个层次为了满足信息在不同层次的交换需要计算机控制技术计算 机网络技术 通信技术 可编程序控制器技术成为实现设备监控系统必不可少的技术 2 1 基于 v i s u a l b a s i c 开发的通信程序技术 在计算机内部所有数据都是使用位来存储的每一位都是电位的一个状态计 算机中 0 1 表示计算机内部使用组合在一起的 8 位代表一般所使用的字符数字 以及一些符号例如 0 1 0 0 1 1 0 1就表示一个字符一般来说必须传递这些字符数 字或符号才能算是数据交换如果只用一条线路来传送这些信息的话8 个位就必须 在线路上连续变化 8 个状态才算是完成了一个字符的传输 这种一次只传送一个位的 方法就是串行通信如果我们使用多条线路来传递这些数据的话这些位就可以快一 点传送完毕这就是所谓的并行通信并行传输使用了 8 条信号线一次将一个字符全 部传送完毕其速度理论上是串行通信的 8 倍打印机端口就是一个典型例子 2 1 1 r s - 2 3 2 c 通信 串行通信端口在系统控制领域中一直扮演着极为重要的角色串行通信端口 r s - 2 3 2 是计算机上的标准配置主要用于和其它设备进行数据传输 r s - 2 3 2 通信端口通常有两个端口c o m 1 和 c o m 2 以前的计算机将 c o m 1 以 9 针的 接头接出c o m 2以 2 5针的接头接出新一代计算机均以 9针接头接出所有 r s - 2 3 2 通信端口计算机上的 r s - 2 3 2 端口均是公头每一个引脚都有其特定的名称和用途 它们在计算机和连接线上的位置和定义如表 2 - 1 所示 表 2 - 1 r s - 2 3 2 端口管脚定义 table 2-1 the define of rs-232 port 脚号 信号 用途 1 c d c a r r i e r d e t e c t , 载波检查 2 r x d r e c e v i c e , 数据接收 3 t x d t r a n s m i t , 数据传送 4 d t r d a t a t e r m i n a l r e a d y , 数据端待命 5 g n d g r o u n d , 地线 6 d s r d a t a s e t r e a d y , 传输端待命 7 r t s r e q u e s t t o s e n d , 要求传输 8 c t c c l e a r t o s e n d , 清除并传输 9 r i r i n g i n d i c a t o r , 响铃指示 上海交通大学工程硕士学位论文 8 2 1 2 串行通信控件 在 v b 的控件工具箱中提供了一个使用非常方便的串行通信控件 m s c o m m 它全 面地提供了使用 r s - 2 3 2串行通信进行上层开发的所有细则它既可以使用查询方式 又可以使用事件驱动方式来完成串行通信 1 m s c o m m 控件的引用 正常的工具中没有 m s c o m m 控件需要在菜单工程的选项部件中添加选 择 m i c r o s o f t c o m m c o n t r o l 6 . 0 即可 通过如上步骤工具栏中就会出现我们需要的通信控件 m s c o m m , 单击图标拖动 鼠标即可以在系统中设计所需的窗体或功能 2 m s c o m m 控件的属性 m s c o m m 的属性很多, 下面介绍本文中用到的其中几个重要属性 c o m m p o r t 属性 c o m m p o r t属性用于设置或返回通信连接端口号程序必须指定所要的串行端口 号w i n d o w s 系统会自动使用所设置的通信端口与外界进行通信程序也可以借助此 属性返回所使用的端口号 通信端口号可以设置为 1 到 1 6超过 1 6 会产生错误信息 虽然可以使用的端口号有 1 6个但是不表示端口一定正常工作我们必须确定 端口的存在才能设置相关端口号以保证通信控件的正常运行通信端口是否正常 可参照控制面板/ 系统/ 设备管理器中的端口项目计算机中一般只有 c o m 1和 c o m 2 两个端口可供选择 如 m s c o m m 1 . c o m m p o r t = 1 指定使用 c o m 1 作为通信端口 s e t t i n g s 属性 s e t t i n g s 属性用于设置初始化参数以字符串形式设置或返回传输数据速率校 验位数据位和停止位 4 个参数其格式为b b b b p d s其中 b b b b 表示数据 传输速率 波特率p 为校验方式 d 表示数据位 s 表示停止位数 缺省值为 9 6 0 0 n 8 1 表示所使用的通信端口以每秒 9 6 0 0 位的速度进行数据传输 不做奇偶校验 每个数据单元是 8 位停止位为 1 位 传输速率可以是 1 1 0 3 0 0 6 0 0 1 2 0 0 2 4 0 0 9 6 0 0 1 4 4 0 0 1 9 2 0 0 2 8 8 0 0 3 8 4 0 0 5 6 0 0 0 1 2 8 0 0 0 2 5 6 0 0 0 其中后 4个为保留给高速传输装置使用, 可以根据具体通 信设备以及工作要求设定合适的波特率 合法的奇偶数据校验检查有e m n n o n e o s 合法的数据位有4 5 6 7 8 默认值日本的产品多使用 7 位数据位欧 美的产品则多采用 8 位数据位 正确的停止位的值有1 默认值1 . 5 2 s e t t i n g s设置完成之后所传输和接收的字符串便以此设置为准使用 r s - 2 3 2 通信的双方设置必须一样彼此才能正常顺利地通信否则双方不能正确接收到对 方所传输的数据信号 例m s c o m m . s e t t i n g s = 9 6 0 0 , n , 8 , 1 p o r t o p e n 属性 p o r t o p e n属性用于设置或返回通信连接端口的状态使用前必须将要使用的 第二章 硫化罐监控系统的关键技术 9 串行接口打开而在使用完毕后也必须执行关闭操作串行通信的各项功能都是在 p o r t o p e n 属性的 t r u e 和 f a l s e 之间完成的 i n p u t 属性 i n p u t属性用于从输入缓存区返回并删除字符程序靠这个命令将双方传到输入 缓存区中的字符读进来并清除缓存区中已经被读取的字符 例b u f f e r = m s c o m m . i n p u t 将输入缓存区的字符读入 b u f f e r 字符串变量 o u t p u t 属性 o u t p u t 属性用于将一个字符串写入输入缓存区 当程序需要向对方传输字符串的 时候可以使用此命令字将字符串写入缓存区 例m s c o m m . o u t p u t = a b c d e将 a b c d e 5 个字符通过 r s - 2 3 2 传输出去 i n b u f f e r c o u n t 属性 i n b u f f e r c o u n t属性用于返回在接收缓存区中的字符该属性在设计阶段无法使 用i n b u f f e r c o u n t 是指已经接收并在接收缓存区中等待读取的字符数用户可以 把 i n b u f f e r c o u n t 属性设置为 0 以清除接收缓存区 例c o u n t % = m s c o m m 1 . i n b u f f e r c o u n t 返回已经接收到的字符数 3 m s c o m m 控件的事件 在 m s c o m m控件中提供了一系列的编程要素这些编程要素有属性事件和函数 利用这些要素编程 可以实现几乎全部的串行通信功能 在 v b 中提供了 3 0 多个属性 一个事件和两个函数其中主要的属性为 c o m m p o r ts e t t i n gp o r t o p e n i n b u f f e r s i z e o u t b u f f e r s i z e i n b u f f e r c o u n t o u t b u f f e r c o u n t b r e a k i n p u t l e n s t h r e s h o l d r t h r e s h o l d r t s e n a b l e c o m m e v e n t p a r i t y r e p l a c e n u l l d i s c a r d 等因本文中未用到所以不再详述 4 m s c o m m 控件的使用 使用 m s c o m m 控件有一定的步骤当这些步骤都必须正确时串行通信端口才可能 被正常使用以下介绍使用这些控件的相关步骤 1 通信的开始和结束 m s c o m m控件的 p o r t o p e n属性决定了通信开始和结束的时机完整的通信过程包 含在 p o r t o p e n 属性的 t r u e 和 f a l s e 之间 如下面这段测试程序所示 打开通信端口 发送数据并接收数据然后关闭端口完成了一个完整的通行过程 d i m b u f a s s t r i n g c o m m . c o m m p o r t = 1 c o m m . p o r t o p e n = t r u e 打开通信端口 c o m m . o u t p u t = t h i s i s a t e s t ! t i m e d e l a y = 1 0 0 0 b u f = c o m . i n p u t t e x t l . t e x t = b u f c o m m . p o r t o p e n = f a l s e 关闭通信端口 2 通信参数的设定 使用通信传输的仪器设备的时候最重要的是参数的设置这个参数设置除 了在 m s c o m m 控件上的 s e t t i n g s 属性以外有的时候还要注意 h a n d s h a k i n g 属性不 同的设备可采用不同的通信参数设置在通信传输系统的程序设计之前务必要清楚 上海交通大学工程硕士学位论文 10 所要控制的对象的传输设备参数是什么一般来说比较常用的仪器设备通常使用 9 6 0 0 n , 8 , 1 交握的方式依据不同设备的设计不同而有所不同最主要的目的在于预防数据的 遗失当数据量不大或者双方的数据缓存区足够大的时候h a n d s h a k i n g 也可以设 成 n o n e 不过通常根据设备的要求考虑如何设置 3 关于软硬件 经过前面关于硬件和软件的介绍 建立一个系统 我们已经有了一个大致的轮廓 使用 v i s u a l b a s i c 的程序员只需要关心如何使用通信控件所提供的属性或事件 以 驱动 a p i 函数的接口完成工作 2 2 基于 p l c 的过程控制技术 过程控制经历了手工操作基地式仪表和部分组合仪表单元组合仪表以及组装 仪表工业控制计算机分布式计算机控制系统可编程序控制器连续控制和逻辑 控制/ 顺序控制功能的复合控制系统现在又出现了以现场总线和工业以太网为基础 的过程控制技术 2 2 1 过程控制原理 过程控制系统一般由以下几部分组成 1 被控过程或对象 2 用于生产过程参数检测的检测与变送仪表或传感器 3 控制器 4 执行机构 5 报警保护和连锁等其它部件 如图 2 - 1 所示它表示了过程控制系统的基本结构控制器或称调节器根据系统 输出量检测值与设定值的偏差按照一定的控制算法输出控制量对被控过程进行控 制执行机构如调节阀接受控制器送来的控制信息调节被控量从而达到预期 的控制目标过程控制的输出信号通过过程检测与变送仪表或传感器反馈到控 制器或称调节器的输入端构成闭环控制系统 图 2 - 1 过程控制系统基本结构图 fig.2-1 the base structure of process control r + 控制器 被控过程 检测与变送仪表 u y(t) 执行机构 第二章 硫化罐监控系统的关键技术 11 2 2 2 p l c 的过程控制技术 逻辑控制功能一般指的就是开关量的逻辑控制这是 p l c 最基本的控制功能因 为 p l c 最早就是用于替换开关量的电气控制继电器控制 所谓的开关量是指一般 的 o n / o f f控制控制的逻辑可用程序编写p l c控制开关量的能力是很强的所控 制的输入输出点数少则几十点多则几百上至几千点甚至上万点 过程控制主要指连续过程工业的过程控制故过程工业的特点主要指连续过程工 业的特点模拟量如电流电压温度压力等等它的大小是连续变化的工业生 产特别是连续型的生产过程中常要对这些物理量进行处理即过程控制可编 程序控制器p l c 可以实现模拟量的控制就是一般微型 p l c通过带扩展模块也可 实现对模拟量进行控制 p l c 进行模拟量控制要配置模拟量与数字量相互转换的 a / d d / a 单元对于中 型 p l c 来说它们都属于是中型机的特殊 i / o 单元 它们本身也有 c p u存储器 在 p l c 的 c p u 单元的管理 协调下可以独立的处理特殊的任务 这样既满足了功能上的要求 又减轻了