（流体机械及工程专业论文）特殊真空系统的监控开发.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 摘要 真空感应炉是冶炼高温合金、特种合金材料和半导体材料的重要设备。在航 空、航天、军工、计算机、核电、能源、化工等领域的材料生产中起着重要的作 用。真空感应炉控制系统的水平直接反映一个国家的冶金工业的发展水平。 本系统主要用于监控两台大型真空炉，一台为真空感应石墨烧结炉，另一台 为真空感应化学气相沉积炉，以及使得两台炉获得真空环境的真空系统。上位机 采用性能稳定、抗干扰能力强的工业控制计算机，分别利用他的c o m i 口和c o m 2 口实现对数字量和模拟量的控制。通讯总线采用具有远距离传输能力的r s 4 8 5 总 线，r s 4 8 5 两端分别采用r s 4 8 5 r s 2 3 2 适配转换嚣，以实现不同数据传输模式之 间的转换。 本系统中的数字量由p l c 控制，数字量主要控制真空系统、烧结炉和化学气 相沉积炉中各通气管路中的开关量。温度的控制采用具有通讯功能的智能化的 f p 9 3 温度表，温度监控主要涉及两台炉的温度监控和输入气体预加热系统的监 控。其它模拟量由智能化模拟量输入输出模块控制，本系统采用的是研华的智能 模块a d a m 4 0 1 7 ( 模拟量输入模块) 和a d a m 4 0 2 4 ( 模拟量输出模块) 。为了实现对 温度和质量流量的精确控制，温度和质量流量要采用闭环控制。上位机对下位机 及各智能模块的控制是通过v b 编程实现的。 本系统还实现了温度、真空度和质量流量实时曲线绘制的功能，建立了一个 可以实时记录各监控点状态的大型数据库，并可以随时调用。 本论文中详细介绍了整个控制系统组态过程的研究，并详细介绍了上位机与 p l c 、f p 9 3 温度表、a d a m 智能化模块、真空计和质量流量计通讯的实验研究 过程。 关键词：集散系统、真空冶金炉、工控机、研华模块 h 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev u u l nm e t a l l u r g i c a lv e s s e li sa ne q u i p m e n tw h i c hi su s e di ns m e l th i g ht e m p e r a t u r e a l l o ym e t a l ，s p e c i a lm e t a la n ds e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l , i ti sa l s op l a yav e r yi m p o r t a n tp a ni n a v i a t i o n ，a s t r o n a v i g a t i o n ，m i l i t a r y ，c o m p u t e r ，n u c l e a rp o w e r ，e n e r g ya n dc h e m i c a li n d u s t r yf i e l d t h et e c h n i c a ll e v e lo fm e t a l l u r g i c a lv e s s e lc o n t r o ls y s t e ms h o w st h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a l s m e l ti n d u s t r i a l t h es y s t e mi su s e dt oc o n t r o lt w ov a c n n mm e t a l l u r g i c a lv e s s e l ，o n ei sv a c u u mi n d u c t i v e g r a p h i t e s i n t e r e dv e s s e l ，t h e o t h e r i s ，a c u 啦i n d u c t i v ec v dv e s s e l ，a n d t h es y s t e m i sa l s ou s e dt oc o n t r o lt h et w oe q u i p m e n t sw h i c ha r eu s e dt oo l y ( a i nt h ev u b me n v i r o n m e n t s u p e r i o rp cu s et h ei n d u s t r i a lc o m p u t e rw h i c hh a v es t e a d yc a p a b i l i t ya n d p o w e r f u la n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y t h ei n d u s t r i a lc o m p u t e rc a nc o n t r o lt h ed i g i t a la n d a n a l o gq u a n t i t yw i t hp o r to f c o m la n dc o m 2 t h ec o m m u n i c a t i o nb u su s er s 4 8 5i nw h i c h t w oe n dc h o i c et h er s 4 8 5 r s 2 3 2a d a p t e r ，s oitc a ns w i t c hb e t w e e nt h et w ok i n d o fd a t at r a n s p o r t i n gm o d e l i nt h es y s t e mt h ed i g i t a li sc o n t r o l i e db yp l c ，d i g i t a li sm a i n l y u s e dt oc o n t r o lt h es w i t c hd a t ao fp i p e li n ei nt h ev a c u u ms y s t e ma n d m e t a l l u r g i c a lv e s s e la n d c v dv e s s e l t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lu s et h ef p 9 3 t e m p e r a t u r e m e t e rw h i c hh a s t h e c a p a b i l i t y o fc o m m u n i c a t i o na n d i n t e l l i g e n c e t h et e m p e r a t u r ec o n t r o l i n c l u d et h et w ov e s s e la n dt h e i m p o r tg a sh e a t i n g t h eo t h e ra n a l o gq u a n t i t y i sc o n t r o l l e db yt h e i n t e l l i g e n c em o d u l et oi n p u to ro u t p u t t h i ss y s t e mc h o o s ei n t e l l i g e n t m o d u l ea d & m 4 0 1 7 ( a n a l o gi n p u tm o d u l e ) a n da d a m 4 0 2 4 ( a n a l o go u t p u tm o d u l e ) t h et e m p e r a t u r ea n df l o wm a s si sc o n t r o l l e db yt h ec l o s e dl o o p - s y s t e m ， s ot h a tt h ec o n t r o l l i n gc a nb em o r ea c c u r a t e t oa c h i e v et h es u p e r i o rp c t oi n f e r i o rp ca n da d a mm o d u l ec o n t r 0 1 w eu s ev b t h es y s t e mh a st h ef u n c t i o no fp r o t r a c tc u l w ew i t ht h er e a l t i m ed a t ao ft e m p e r a t u r e ， v u b md e g r e ea n dt h ef l o wm a s s ，a n di tn o to n l yc a nb u i l du pad a t ab a s ew h i c hc a nr e a l t i m er e c o r dt h es i t u a t i o no ft h ei n s p e c tp o i n t s ，b u ta l s oc a r ld r a w nt h ed a t af i - o mt h e d a t ab a s ea l lt h et i m e t h et h e s i s p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c et h er e s e a r c h i n gp r o c e s so ft h ec o n t r o l l i n g s y s t e m , s u p e r i o rp ca n dp l c 、f p 9 3t e m p e r a t u r em e t e r 、a d a mi n t e l l i g e n c e i 东北大学硕士学位论文 a b 蚍a c t m o d u l e 、a n dt h ee x p e r i m e n to fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ev a c u u mm e t e r a n dt h e f l o wm a s sm e t e r k e yw o r d s ：d c s 、v a c u u l t im e t a l l u r g i c a lv e s s e l 、p r o c e s sc o m p u t e r 、a d a mm o d u l e 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：名羔， 日期： 移妒 椰 ，1 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意n _ k 交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 1 1 本课题的意义 第一章绪论 真空感应炉是冶炼高温合金、特种合金材料和半导体材料的重要设备，在航 空、航天、军工、核电、能源、化工等领域的材料生产中起着重要的作用。这些 材料大部分都必须经过真空感应炉初次冶炼，浇注成电极，然后再经过电渣炉或真 空电弧炉重熔成锭子，再锻轧成材。既然真空感应炉是为高新技术提供新材料的 设备，那么从炉子的容量和分布情况可以看出，拥有真空感应炉的数量和炉子的大 小是和一个国家的经济发展程度分不开的。我们研究发现，虽然现在的数据分析 与处理技术已经比较成熟，但是在较为复杂的大型真空系统中的应用还是很少， 都还没有形成一套行之有效的系统。尤其在国内，很少有我们自主开发的真空冶 金炉的控制系统，近几年虽然有些科研部门也进行了一些这方面的尝试，但是和 国外的同等产品的发展水平相比，还是有着不小的差距。而从外国进口的成套设 备的价格是相当昂贵的，并且一些核心的技术都是保密的。所以我们期望通过我 们的研究，能对大型真空冶金系统的状态检测和数据分析提供一个有实际意义的 科学方法。 1 2 真空感应烧结炉和真空感应化学气相沉积炉简介 真空感应炉早在二战期间欧美等国家已达到了实用化程度并取得了飞速发 展。这种方法多用于熔炼耐热钢、轴承钢、纯铁、铁镍合金、不锈钢等多种金属 材料。这一方法使材料的断裂强度、高温韧性、耐氧化性等都得到了改善。由于 大型真空抽气设备( 如增压泵) 的出现，真空感应炉也逐步向大型化发展。满足了 各种金属材料工业化生产的要求。自动控制操作可提高冶炼速度和效果。真空感 应炉是在真空或惰性气体条件下利用中频电流通过螺旋型的水冷感应线圈产生 交变磁场，使感应线圈内的石墨坩塌、钨坩埚、钼坩锅产生感应电动势，中频电 流就在坩埚内形成环流，从而使坩埚产生高温并辐射到工件，使其达到所需要的 温度【。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 真空感应烧结炉 在粉末冶金的生产过程中，烧结是一道重要工序，而且是所有工序的关键工 艺。烧结的目的是使多孔的粉末压坯变为具有一定结构和性能的合金。现阶段工 艺的进化采用了真空烧结法。因为真空炉可使气氛稳定不变，还可降低产品生产 成本，提高产品质量，所以，在粉末冶金生产中，特别是硬质合金生产中。采用 真空烧结的方法，将越来越多的受到重视。 真空烧结炉由炉体、保温层、发热体、变压器、配电柜( 包括控温仪表) 、 前级泵和罗茨泵、各种连接管道，阀门等组成。真空烧结炉的加热采用石墨作电 阻发热体，考虑到设备使用安全、发热体石墨的自身强度和表面功率，设计上采 用一台变压器，以获得低电压，大电流。真空烧结炉的炉体为夹层，内通冷却水， 炉体内用石墨碳毡做保温层，碳毡是用碳绳捆扎在筛网上以保持固定形状。有关 使用技术条件和工艺规程可由用户自己制订i l j 。 1 2 2 真空感应化学气相沉积炉 真空感应化学气相沉积炉主要用于对复合材料进行化学气相沉积处理的研 究与生产。真空感应化学气相沉积炉是在真空条件或保护气氛下，利用中频感应 原理将置于感应线圈内的石墨坩埚加热，石墨坩埚中放入被制备的碳一一碳复 合材料。在一定真空度下将坩埚加热到规定温度，并通入稀释的碳氢气体。该气 体中含碳活性基因分解后便沉积于材料表面。这样制备的复合材料，其耐磨性将 大大增加。化学气相沉积炉一般采用立式结构，主要由炉体、炉盖、底架、真空 系统、水冷系统、进电装置、冲放气阀门、感应加热装置和可控硅中频电源装置 等组成。 化学气相沉积炉在制造微电子组件时，被用来沉积出某种薄膜( f i l m ) 的设 备，所沉积出的薄膜可能是介电材料( 绝缘体) ( d i e l e c t r i c s ) 、导体、或半导体。 在进行化学气相沉积过程时，包含有被沉积材料之原予的气体，会被导入受到严 密控制的过程反应室内。当这些原予在受热的晶圆表面上起化学反应时，会在晶 圆表面产生一层固态薄膜。而此化学反应通常必须使用单一或多种能量源( 例如 热能或无线电频率功率) 。 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3d c s 系统的发展与展望 集散型控制系统( d c s ) 是七十年代中期到八十年代初逐渐发展起来的一种 计算机仪表技术相结合的，以直接数字控制为基本功能的新型控制装置。它是4 c 技术结合的产物，4 c 技术分别为控制技术( c o n t r 0 1 ) ，计算机技术( c o m p u t e r ) ，通 讯技术( c o m m u n i c a t i o n ) 和c r t 技术( 屏幕显示技术) 【2 】。 2 0 世纪7 0 年代，计算机技术已有很大的发展。开关量控制可以不用继电器， 而采用可编程控制器( p l c ) 实现顺序逻辑控制。在这种背景下，用数字控制代 替模拟仪表控制的呼声很高。到1 9 7 5 年，用数字计算机代替模拟仪表成为可能， 美国h o n e y w e l l 公司首先推出t d c 2 0 0 0 集散控制系统( d c s ) 。t d c 2 0 0 0 诞生后， 在欧洲、日本，都出现了许多不同品牌的d c s 。 图1 1 集散控制系统结构图 f i g1 1s y s t e mo r g a n i z a t i o no fd c s 8 0 年代末出现的新型f c s ( 现场总线控制系统) 则突破了d c s 系统中通信由 专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了 基于公开化、标准化的解决方案。把现场总线技术应用到d c s 中，作为d c s 控制 器的输入输出，解决了远程信号的传输问题j 。 2 0 世纪9 0 年代末d c s 通信网络开始采用工业以太网。2 1 世纪初，d c s 和 实时数据库系统相结合，实现优化控制和各工艺过程的协调生产，还与管理信息 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 系统( m i s ) 组成综合管理信息系统，送到全厂显示和存入工厂的关系数据库中， 通过w e b ，与商业活动联系在一起，供管理人员随时查询生产情况。m i s 系统的 数据传输载体采用光纤网和电话线网、电力网相结合的方式。传输数据多的地方 采用光纤，传输数据少的地方用电话线。或电力网。电话网称为对称数字用户线 ( s d s l ) 技术。通讯网络较多使用广播发送的令牌方式。 进入二十一世纪后，系统开放或者说操作站、控制器的开放和现场总线技术 的融合，成为新一轮控制系统竞争的焦点。要尽量采用通用的部件，使系统成为 开放的系统，和其它系统的互联变得非常容易，第三方软件在花费不多的情况下 读取d c s 中的数据，如优化控制的信息很容易送给控制器，以实现优化控制。如 果控制器、网络和人机界面都要开放的话，最为通用的硬件是p c ，应用最广的 网络是以太网。从d c s 的发展情况来看，最近几年推出的大部分d c s 的操作站采 用个人微机，w i n d o w sn t 、2 0 0 0 等操作系统，监控软件用操作站的话，应该能 支持脚本语言，如v b 和j a v a 等，另外也支持微软的a c t v ex ，通过以太网卡， 直接连到以太网1 4 j 。 1 4 本课题的研究方法 本课题的研究过程大概可以分为四个步骤，第一步主要是详细了解所控制系 统的整个结构、具体工作环境。据此掌握监控系统中所有需要监控的参数的情况， 这一步骤非常重要，它可以为以后工作的顺利进行打下一个良好的基础。第二步 是整个系统组态的研究，也就是确定好整个系统的控制方案，在这一步骤中要根 据整个系统的控制要求和工艺过程要求，选择合适的通讯总线，建立好观测点， 选好各测点所需的传感器件。第三步是实验研究，对于一个复杂的控制系统，它 涉及很多的传感器件和控制器件，而且不同的被控器件都有自己的通讯协议和数 据传输方式，只有通过大量的实验才能真正掌握各被控器件的通讯模式和控制性 能。第四步是方案的具体实施，通过以上三步的研究，我们已经可以进行整个系 统的开发工作了。有以上三个步骤的准备工作，系统的开发工作也是水到渠成了， 但一般来说很难做到系统开发的一次性成功，对系统的调试必须反复的进行，不 仅要在实验室中进行多次调试，而且还要把整个系统安装到工作现场进行反复调 试，以达到系统安全稳定的工作要求。 4 一 东北大学硕士学位论文 第二章系统蛄构及监控要求 第二章系统结构及监控要求 2 1 真空感应冶金系统结构 下面对该系统的现场情况作一些简单的介绍。如图，本系统主要用于监控两 台大型真空炉，一台为真空感应烧结炉，另一台为真空感应化学气相沉积炉。其 中，烧结炉主要用于对复合材料进行烧结处理的研究与生产。炉体为立式结构， 由液压升降进出料系统、感应加热器、真空系统、尾气净化系统、中频可控硅电 源、自动控制系统、自动记录装置、工作平台、粉尘过滤系统、水冷系统等组成。 嚣m 鼬 图2 1 系统结构嘲 f i g2 1s y s t e mo r g a n i z a t i o n 真空感应化学气相沉积炉主要用于对复合材料进行化学气相沉积处理的研 究与生产。其炉体也为立式结构，由液压升降进出料系统、感应加热器、真空系 统、供气系统、气体控制装置、尾气净化装置、中频可控硅电源、自动控制系统、 自动记录装置、工作平台、粉尘过滤系统、水冷系统等组成。真空感应化学气相 沉积炉是在自动控制的条件下，通过真空系统在电炉内获取真空状态，利用感应 5 东北大学硕士学位论文 第二章系统结构及监控要求 加热原理，采用中频可控硅电源通过感应线圈把石墨加热室加热。采用质量流量 控制器准确的控制各种流量，利用压力调节阀对炉内气氛压力进行动态调节控 制，在监控条件下进行化学气相沉积处理。使用尾气净化系统清除尾气中可能出 现的残余物，防止真空系统被污染。本设备应用先进的温度、真空、气体流量、 气体压力等传感元件与控制网络组成控制系统。自动记录工作温度、真空度、气 体压力、气体流量、等数据。 抽气系统是由两套机械泵加罗茨泵的冗余系统。每套抽气系统可单独对烧结 炉或化学气相沉积炉抽气，也可同时对烧结炉和化学气相沉积炉进行抽气，并设 有对残余气体进行净化处理的水循环系统( 由一台循环水泵带动) 。 两台炉分别设有运送料、进出料系统，为此每台炉各配运料小车一个，小车 安装在预设的轨道上。进出料时，装料托盘的升降由两台炉各自的液压站来完成。 小车的进到位、退到位，料盘的升到位、降到位处均设有行程开关，并由p l c 进 行控制。 2 2 监控系统的要求 1 对抽气系统的要求 控制各真空泵的启停、循环水泵的启停，控制各真空管路上的各真空阀、排 气阀的开启和关闭，控制水循环系统管道阀的开启和关闭。并建立好各开关量问 的良好互锁机制，如当罗茨泵开启时不能关闭机械泵等。要处理好机组问顺利切 换的问题。 2 对各流量及过滤系统的要求 控制各输气主管路流量控制阀的开度，控制各过滤罐之间及过滤罐与真空炉 之间各输气管道的管道阀的开启和关闭，监控各输气主管路的质量流量。能按工 况变化的要求快速、准确地调节各管路的流量。 3 对供电系统的要求 要求有对工业p c 和p l c 供电的2 2 0 v 电源，有对各模块供电的正1 5 v 电源及 对质量流量计供电的正负1 5 v 电源。对p l c 、模块、质量流量计供电的电源最好 为专用的稳压电源。f p 9 3 温度表可接2 2 0 v 电源，为避免电源故障( 如控制柜地 线开路、工作电压长期超过2 4 0 v a c 和雷击) ，建议采用2 2 0 v 1 2 5 v 降压变压器， 可有效降低仪表温升，提高测量精度。此外，仪表内部电源为压敏电阻保护，外 电源必须串接0 3 a 保险管。 4 对进出料系统的要求 6 东北大学硕士学位论文 第二章系统结构及监控要求 要保证装料时小车能退到位，当小车到达送料点时小车能自动停止。液压站 开启时能顺利准确地将料盘送到位或降到位，编程时要建立各控点间的互联互 锁。比如，小车前进和小车后退按钮不能同时按下，小车未到位前液压站不能启 动，料盘升降按钮不能同时按下等。 5 对各温度控制的要求 本系统内共有5 路需要监控的温度测点，分别为烧结炉两路温度，沉积炉的 两路温度，另外一路是化学气象沉积部分鼓泡瓶的温度监控。控制的要求是能使 烧结炉、沉积炉和鼓泡瓶内的温度能快速准确地达到所要求的温度范围。为此， 在控制系统中必须采用闭环的p i d 控制，所以，所选用的温度表必须具有p i d 闭 环控制功能，并具有通讯功能。 6 数据库 建立一个数据库时时记录压力、流量、温度等重要数据，以备将来对真空炉 有效控制的数据进行各种数值分析和曲线分析，从而达到对系统更准确控制的目 的。 7 界面 建立一个友好的界面，使用户可以直观、清楚地了解各控点的状态，并能方 便地调整各控点的运行状态，这在实际的生产过程中是相当重要的。 7 东北大学硕士学位论文 第三章系统的控制方案研究 第三章系统的控制方案研究 d c s 系统信息量大、控制复杂，组织安排的好，能够使整个系统有章可循、 一目了然，而且有利于日后的管理和维护。反之，则可能使组态混乱，不利于维 护，甚至组态失败。所以，要想做好d c s 的组态工作，设计者必须对d c s 系统本 身的结构、功能、元素、规则等有深入的了解。在比较深入地了解了本系统的结 构和现场的工作环境后，制定出了如下的控制方案。 3 - 1 总线方案 在集散型控制系统里担任管理工作的计算机称为上位机，而执行检测与控制 任务的计算机称为下位机。一般而言，上位机为一台系统计算机，如i b m - p c 计算 机，下位机为多台以p l c 或单片机为核心的测控装置。上位机需要对下位机发布 命令，下位机需要随时向上位机报告情况，即它们之间要不断进行通信。实际应用 中一般采用串行通信。 p c 机中一般都有一块r s 一2 3 2 串行通信板，供串行通信用。但其不足之处是 负载能力差，通信范围小，不超过十几米，最高传输速率仅为2 0 k b i t s ，因而，很难 满足一般集散型控制系统的需要。r s - 4 8 5 串行总线，最大传输速率可达 l o m b s ( 1 2 m ) ，可以较好的实现现场数据的获取和控制。其显著的优点是采用两 线制，无需进行电平转换，接收与发射自动转换，带载能力强有效传输距离远( 可 达1 2 0 0 m ) ，抗共模干扰能力好( 采用差动信号) 。目前，r s 一4 8 5 的最新器件以允 许传输线上一个发送器驱动多达2 5 6 个负载端口，而端口可以是被动发送器、接 收器或收发器。任意2 个设备间的通信是半双工方式。当选用p c 机为上位机时， 首先要将其r s 一2 3 2 转换为r s 一4 8 5 ，模块a d 删一4 5 2 0 可实现此功能。转换器使 用了r s 一2 3 2 c 的请求发送信号r s t 和清除发送信号c t s ，用r t s 控制r s 一4 8 5 的收 发，从c t s 读回r s - 4 8 5 的线路状态。转换器的操作过程为：在初始化波特率等通 讯参数后，由r t s 控制转换器处于输入状态，即接收r s 一4 8 5 总线发来的信号。当 p c 机要向r s 一4 8 5 发送信息时，应先测试c t s 状态，检查r s 一4 8 5 总线上是否有信 号。若无信号，才由r s t 控制收发器允许输出，以免总线上出现信息冲突【”。 8 东北大学硕士学位论文 第三章系统的控制方案研究 图3 1r s 4 8 5 与r s 2 3 2 连接 f i g3 1 l i n ko fr s 4 8 5a n dr s 2 3 2 注：r s - 4 8 5 抗共模干扰原理 图3 2r s 4 8 5 信号传输方式 f i g3 2s i g n a ln a n s m i s s i o nf o r mo f r s 4 8 5 r s 一4 8 5 的信号在传送出去之前会分解成正负两条线路，当到达接收端后， 再将信号相减还原成原来的信号。如果将原始信号标注为( d t ) ，被分解后的信 号分别标注为( 叶) 和( d 一) ，则原始信号与分解后的信号再由传输端传送出去 时的运算关系为：( d t ) = ( d + ) 一( d 一) 。同样地接收端在接收到信号后，也按上 式的关系将信号还原为原来的样子。当线路受到干扰时，两条传输线上的信号分 别为( d + ) + n o i s e 和( d 一) + n o i s e ，如果接收端接收此信号，它必须按一定的方 式将其合成。合成的方式为：( d t ) = ( d + ) + n o i s e 卜 ( d + ) + n o i s e = ( d + ) 一( d 一) 。 q 东北大学硕士学位论文第三章系统的控制方案研究 可以看出，此结果与不受干扰时的结果是一样的【5 1 。 图3 3r s _ _ 4 8 5 传输受干扰时的情况 f i g3 3 r s 4 8 5t r a n s m i s s i o ns i t u a t i o nu n d e ri n t e r f e r e 3 2 开关量控制方案 本系统主要的开关量大约有6 0 几个，主要是控制一些阀的开启和关闭，还 有一些是控制真空炉、泵的启停，以及送料小车的运动。可见，本系统控制的开 关量不仅数量多而且种类也比较多，所以我们采用一种功能强大、性能稳定的松 下f p 2 可编程控制器对其进行控制。 实现p l c 与微机之间的通信可以采用多种方式。如利用串口通信单元或使用 专用工业网络以及使用以太网进行网络通信。其中利用串行口通信是最安全、最 经济的通信方式。因此在分析了其通信协议后，采用可视化软件v i s u a lb a s i c ， 由计算机加p l c 组建成监督控制系统。 3 2 1p l o 与备触点的连接 根据控制系统的要求为各控点分配i o 地址，使各触点与p l c 的各端子正确 连接。运用p l c 的专用编程软件f p w i ng r 编写控制梯形图，并输入p l c ( 注意在 输入前应先清空p l c ) 。这样，就可以实现p l c 对各触点的控制。具体情况将在 1 0 末北大学硕士学位论文第三章系统的控制方案研究 以后的章节中详细介绍。 3 2 2p l c 与上位机的接口连接 在利用r s 一4 8 5 进行p l c 与上位机连接时要经过两次转换，首先由计算机c o m 口( r s 一2 3 2 ) 连接r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 适配器，使计算机连接到r s 一4 8 5 总线上，当 到达p l c 时还要加一个r s 一4 8 5 r s 一2 3 2 适配器，使其能与p l c 的r s 一2 3 2 接口相 匹配。 3 2 3 通信模型及协议 通信协议指通信双方就如何交换信息所建立的一些规定和过程。一个完整的 通信系统，通常由硬件和软件两部分组成。随着通信系统功能的不断增强，作为 工业控制主要产品的p l c 也逐渐由单一工作方式向网络化、集成化方向发展。这 就需要建立协议来保证双方的正常通信及实时数据交换。通常为了减少协议设计 的复杂性，大多数网络都按层( 1 a y e r ) 的方式来组织，工控网络也不例外。目前 较为常用的网络模型有i s o 的o s i ( 开放系统互联参考模型) 和t c p i p 参考模型。 一个完整的网络模型由物理层、数据链路层、网络层，传输层、应用层组成。物 理层涉及通信通道上传输的原始比特流，是网络物理设备之间的接口。数据链路 层是为了加强物理层传输原理比特流的功能，使之对网络备层视为一条无错的线 路。多数p l c 通信协议都构架在该层上。网络层是为了确定分组从源端到目的端 如何选择路由。在远距离监控系统中该层协议占有重要地位。传输层的功能在于 确保到达对方的各段信息正确无误。应用层是直接面向用户的一层，是计算机与 最终用户间的界面。 松下f p 系列p l c 与计算机通信使用的是松下电工专用的n e w t o c o l c o m 通信 协议，协议在数据链路层上对命令帧格式进行详细的定义。计算机与p l c 通信时， 采用异步半双工通信方式，一般由计算机发命令给f l c ，p l c 收到命令后自动发 回应答。通信开始先由计算机发出呼叫，它包括一些特殊标志码、p l c 站号和呼 叫符号。关于p l c 的通讯方法将在以后的章节中详细介绍【6 】。 3 2 4 上位机监控程序设计 通过v b 的m s c o m m 控件进行串行数据的传送与接收。每个使用的m s c o m m 控 件对应着一个串行端口。因此，可通过对该控件相关属性的设置来对串口进行初 一1 1 - 东北大擘硕士学住论文 第三章系统的控制方案研究 始化。 关于0 n c o m n 事件：0 n c o m m 事件是m s c o m m 控件唯一的事件，此事件可用来处 理所有与通信相关的事件，不管是何种事件发生，m s c o m m 控件只用一个 c o n m e v e n t 的属性予以代表。 进入系统监控窗口对对串口进行扔始化： p r i v a t es u bf o r m l o a d0 m s c o m m l c o m m p o r t = l m s c o m m l p o r t o p e n = t r u e m s c o m m l s e t t i n g s = ”1 9 2 0 0 ，n ，7 ，1 ” m s c o m m l i n p u t m o d e = l e n ds u b 3 3 模拟量控制方案 模拟量是本系统所监控的重要参量，这些参量对整个系统的运作跌及产品的 性能都产生直接的影响。本系统所要求监控的模拟量不仅包括温度、压力而且还 包括质量流量。而且，压力、质量流量传感器要通过模拟量输入、输出模块连接 到r s - 4 8 5 总线上，才能实现与计算机间的通讯。本系统采用的是a d a m 系列模块 中的a d a m 4 0 1 7 、a d a m 4 0 2 4 、a d a m 4 5 2 0 。 3 3 1a d a m 系列模块7 l a d a m 模块俗称亚当模块，是台湾研华公司生产的传感器到计算机的智能接 口模块系列产品。它们中的每一模块均包含有内建的单片机系统，因而可挂接在 r s 一4 8 5 总线上接受由主计算机送来的a s c i i 格式的控制命令。它们可提供多种 功能，如对信号的滤波、对输入信号放大倍数的调整、a d 和d a 变换、数据 比较以及数据通讯等。有些a d a m 模块还可以提供数字信号的输入和输出功能， 其信号可以是继电器的，也可以是与t t l 兼容的。 3 3 1 1a d a m 模块的主要特点 1 软件设置和标定：a d a m 模块在硬件上没有任何可以直接设置的开关。所 有的参数设置和标定均通过软件来完成。其中包括i o 地址、速度、奇偶校验、 上下限报警及输入的设定等。例如通过由主机发出的命令，使用者可以方便地改 变模拟输入模块的电压输入、温度传感或r t d 输入的范围等。为完成设置，可以 1 2 东北大学硕士学位论文 第三幸系统的控制方案研究 在主机上运行随模块提供的专用程序或在用户程序中使用命令语句可以使用 a d 埘模块中的e e p r o m 来存放被设置的参数。这样，在电源丢失并重新恢复后， 这些参数仍然有效。 2 电源要求；尽管所有模块的设计工作电压标准为2 4 v 电源电压，但只要供 电电源保持在l o v 一3 0 v 以内，模块即可正常工作。但是应将供电电源的尖峰干扰 限定在5 v 以内( 峰一峰值) 。 3 连接和编程；a d a m 模块可被连接到任何一种计算机或终端上。并可使用 r s 一4 8 5 传输标准和a s c i i 格式的命令。对于任何一种模块，其命令集大约包含 1 0 条命令。对于输入模块而言，由于其具有报警功能，因而其命令集要大一些。 该模块在与主机进行通讯时将使用a s c i i 格式命令，这意味着可以使用任何一种 高级语言对其进行编程。 4 r s 一4 8 5 网络：由于r s 一4 8 5 网络可提供低噪声的信号传输，因此，a d a m 模 块可以安放在尽量接近于传感器的位置，以避免模拟信号的长距离传输。通过使 用a d a mr s 一4 8 5 中继模块，可使通讯距离达到1 0 0 0 米以上。并可连接多达2 5 6 个模块。也可采用a d a mr s 一2 3 2 r s 一4 8 5 转换模块来进行连接以适应p c 机串行 口r s 一2 3 2 传输标准。 3 31 2a d a m 4 5 2 0r s ”2 f r s 4 8 5 转换模块 图3 4 研华4 5 2 0 智能模块 f i g3 4a d a m - 4 5 2 0 a d 删一4 5 2 0 模块在监测系统中可用来将工业p c 机的r s 2 3 2 ( 4 线) 接口标准 信号转换成a d a m 模块使用的r s 4 8 5 ( 2 线) 接口标准信号，从而实现工业p c 机与 a d a m 模块间的长距离数据通讯。该模块的外型图和端子排列如图3 4 所示。 3 313a d a m 4 0 1 7a d 转换模块 a d 转换模块可使用内部微处理器控制的集成化a d 转换器来将变送器送 来的电压、电流、热电偶或r t d 信号转换为数字量。在模块内部，这些数字量首 先被转换成预先规定的工程单位或占满量程的百分比。当主计算机需要这些数据 】3 东北太学硕士学位论文 第三章系统的控制方案研究 时，它们将通过r s 4 8 5 接口传送给主机。所有a d 变换模块均可提供信号滤波、 范围调整、a d 变换和r s 4 8 5 通讯接口功能。同时，为保证模块能够安全可靠 地运行，信号输入和供电电源输入应分别采用高于5 0 0v d c 的光隔离和变压器隔 离技术。a d a m - 4 0 1 7 型a d 变换模块的外型示意图和端子排列如图3 5 所示。 图3 5 研华4 0 1 7 智能模块 f i g3 5 a d a m - 4 0 1 7 该变换模块具有如下特点： 1 为1 6 位精度的8 路a d 变换模块： 2 可编程的输入范围可在士1 5 0 v ；士1 v ：士5v ；士1 0v ；士2 0m a ，( 需 在外部输入端子并接1 2 5 欧电阻) 中选择； 3 可对输入信号进行滤波： 4 输入信号与模块之间采用5 0 0v d c 的光隔离技术： 5 可提供6 路差动输入，2 路单端输入。 注：图3 6 所示的a d e h 4 0 2 4d a 转换模块与a d n v l 4 0 1 7 模块类似，这里就不再详 细复述。 1 4 东北大学硕士学位论文 第三章系统的控制方案研究 图3 6 研华4 0 2 4 智能模块 f i g3 6 a d a m 4 0 2 4 3 3 2 模拟量模块及仪表的初始化 3 3 。2 1a d a m 系列模块的初始化 a d a m 系列模块初始化后才能接入a d a m 数据采集网络。初始化方法是在控制 计算机上运行该模块附带的初始化软件。该初始化软件可设置模块地址、数据传 输格式( 数据位、停止位、校验方式) 和通讯波特率等。该设定将被写入模块内 e p r o m 中。本系统中真空度和质量流量的监控需要由模块的通讯来实现，计算机 通过模块的与各表的不同连接通道，根据各通道电流或电压的大小来读取各表的 监控值制。而真空计和质量流量计连接a d a m 模块只是为了实现数模转换。 3 3 2 2 温控表韵初始化 温控表的初始化设定不能通过编程来实现，只能在表的面板上设定。这些设 定包括通讯地址、起始标志、速度、数据格式、校验码等。包括a d a m 模块在内， 这些设定必须与上位机的基本通讯参数相一致。 3 3 3 软件设计 利用v bm s c o m m 控件的事件驱动特性，首先让用户选择所想要采集数据的通 道号，当用户激发了定时器事件时，在定时器事件里产生了通讯事件，这样就可 以定时从a d a m 模块中接收数据，并将这些数据按照一定的格式实时地显现出来。 通讯利用上位机的c o m i 口或c o m 2 口进行。所以v b 中的初始化程序为： m s c o m l c o m p o r t = l 或2 - 1 5 东北大学硕士学位论文 第三章系统的控制方案研究 m s c o m l s e t t i n g = 9 6 0 0 ，e ，7 ，1 m s c o m l r t h r e s h 0 1 d = o m s c o m l r t s e n a b l e = o t i m e r e n a b l e = t r u e t i m e r i n t e r v a l = 1 0 0 3 4 最终确定的控制方案 根据以上的分析研究和现场的实际情况我们制定出了如下的控制方案。 图3 7 控制方案图 f i g3 7c o n t r o lp r o g r a m m e 上位机采用性能稳定、抗干扰能力强的工控计算机，分别利用他的c o m l 口 和c o m 2 口实现对数字量和模拟量的控制。由于工控机的c o m 口采用的是r s 2 3 2 的通讯模式，所以为了实现远距离传输的要求，我们采用a d a m 4 5 2 0 将其接入 r s 4 8 5 网络，而在r s 4 8 5 网络的另一端则利用c - n e t 适配器重新转换为r s 2 3 2 实 现与p l c 的连接。f p 9 3 温度表、a d a m 4 0 1 7 和a d a m 4 0 2 4 都可以实现r s 4 8 5 通讯， 就不用再进行转换，而是直接接入r s 4 8 5 网络。 工控机的c o m i 口接的是两个松下p l c ，由它们实现对各开关量的控制，其 一1 6 东北大学硕士学位论文第三章系统的控制方案研究 中p l c l 实现对烧结炉的控制，p l c 2 实现对沉积炉的控制。这样的安排对松下f p 2 来说i o 口的分配是完全能够满足要求的。 工控机的c o m 2 口接的是五块f p 9 3 表和四个模拟量输入、输出模块，以实现 对各模拟量的监控。f p 9 3 温度表本身具有r s 4 8 5 通讯功能，可直接接入r s 4 8 5 网络，而真空计和质量流量计不具有通讯功能，它必须借助于模拟量输入或模拟 量输出模块转换后才能接入r s 4 8 5 网络。这些温度表和模块在使用前必须进行编 号，本项目中的站号设置从左至右分别为0 l 到0 9 号，其中0 1 到0 5 号站为f p 9 3 温度表。0 6 号站为模拟量输出模