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南京理工大学硕士学位论文 压吹式玻璃器皿成型机控制系统开发 摘要 我国首台压吹式玻璃器皿成型机样机的研制成功，填补了国内玻璃器皿无压吹成 型工艺的空白。但是由于其电气化、自动化程度低，使其动作过程不能达到压吹式工 艺要求，难以发挥压吹式工艺的先进性。 本文以压吹式玻璃器皿成型机样机为研究对象，针对目前控制方式的不足，分析 了控制系统的新要求，应用可编程控制器、蓝牙通信、变频调速、组态软件等技术， 设计开发了以上位机北京昆仑通态的n t o u c h 系列触摸屏( 过程管理级) 、下位机三菱 q 系列可编程控制器( 现场控制级) 为核心的二级集散式控制系统。上位机监控软件采 用嵌入式m c g s 组态软件开发设计，主要实现系统实时监视、参数设定、历史数据 查询等功能。下位机作为系统的控制核心，主要实现主电机和供料机的同步控制、工 位自转电机的控制、炉温的p i d 控制、自动排料等功能并接收上位机的控制指令以 完成工艺参数的设定。 现场调试和运行表明：本文设计的压吹式玻璃器皿成型机控制系统达到了预期的 功能要求，具有较好的可靠性和实用性，满足现场生产的要求。 关键词：玻璃器皿成型机可编程控制器蓝牙技术变频调速嵌入式组态软件 南京理工大学硕士学位论文 压吹式玻璃器皿成型机控制系统开发 a b s t r a c t i n0 1 1 1 - c o u n t r yt h es u c c e s so ft h ef i r s tp r e s s u r e b l o w ng l a s sw a l em o l d i n gp r o t o t y p e m a c h i n e sd e v e l o p m e n tf i l l su pt h ev a c a n c yo ft h ep 地s s u r e b l o w nm o l d i n gt e c h n i c s h o w e v e rb e c a u s eo f t h el o wd e g r e eo f i t se l e c t r i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n , i t sp r o c e s sc a n t r e a c ht h ep r e s s e - b l o w nt e c h n i c s d e m a n d a n di t sd i f f i c u l tt os h o wt h ea d v a n c e m e n to f t h a tt e c h n i c s c o n t r a p o s i n gt b el a c k o ft h ec o n t r o lm o d ep r e s e n t l yt h i st h e s i sc h o o s e s t h e p r e s s u r e - b l o w ng l a s sw a r em o l d i n gp r o t o t y p em a c h i n ea st h er e s e a r c ho b j e c tt oa n a l y z et h e n e wd e m a n do ft h ec o n t r o ls y s t e m t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fp r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) t e c h n i q u e ，b l u e - t o o t hc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o n a n ds p e e d - r e g u l a t i n gt e c h n i q u ea n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e , i td e s i g n sa n dd e v e l o p s t w o l a y e rd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，b a s e do nt h ec o r eo ft h eu p p e rt o u c hs c r e e n ( t h e p r o c e s ss u p e r v i s o r yl e v e l ) a n dt h el o w e rp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ( t h ef i e l dc o n t r o ll e v e l ) t h es y s t e mc h o o s e sb e i j i n gk u n l u nt o n g t a ic o r p o r a t i o n sn t o u c hs e r i e st o u c h8 c l e 汜nf o r t h el l i p m i t s u b i s h im e l s e c - qs e r i e sp l cf o rt h el o w e r t h eu p p e rs u p e r v i s o r ys o f t w a r e d 镪i g n e dw i t he m b e d d e dm c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sm a i n l yu s e dt or e a l i z ef u n c t i o n s s u c h 勰r e a lt i m es u p e r v i s i o n ，p a r a m e t e r ss e t t i n g ，h i s t o r i c a ld a t ai n q u i r ya n ds oo n t h e l o w e rb e i n gt h ec o r eo f t h ec o n t r o ls y s t e mi sm a i n l yu s e dt od e a lw i t hf u n c t i o n ss u c h 勰t h e s y n c h r o n o u sc o n t r o lb e t w e e nt h em a i nm o t o ra n dt h em a t e r i a l s u p p l ym a c h i n e ，t h ec o n t r o l o f p o s i t i o nr o t a t i o nm o t o r , t h ep i dc o n t r o lo f t h ef l u t l a c et e m p e r a t u r e ，t h ea u t o m a t i cw a s t e r e m o v i n ga n dr e c e i v i n gc o n t r o li n s t r u c t i o n sf r o mt h eu p p e rt or e a i i z et h es e t t i n go f t e c h n i c sp a r a n a e t e r s i ti sp r o v e db yf i e l de x p e r i m e n ta n do p e r a t i o nt h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mo ft h e p r e s s u r e - b l o w ns t y l eg l a s sw a r em o l d i n gp r o t o t y p em a c h i n er e a c h e st h ee x p e c t e df u n c t i o n d e m a n d t h ed e s i g nw h i c hi sd e p e n d a b l ea n dp r a c t i c a b l es a t i s f i e st h em d t m r i a l r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：g l a s sw a r em o l d i n gm a c h i n e ，p l c ，b l u e t o o t ht e c h n i q u e ，f r e q u e n e y c o n v e r s i o na n ds p e e d - r e g u l a t i n g ，e m b e d d e dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：彩叁杰盘一 沙7 年7 月扣 南京理工大学硕士学位论文 压畋式玻璃器皿成型机控制系统开发 l 绪论 1 i 课题研究的背景和意义 我国是玻璃器皿生产大国，但不是玻璃器皿生产强国。玻璃器皿生产行业一直存 在着能耗大、生产效率低、产品质量不高、工人劳动环境差的问题。玻璃器皿成型机 技术不高自动化程度低，以及玻璃器皿的成型工艺陈旧是造成这一现象的主要原因。 南通威明精工有限公司成功研制了国内第一台压吹式玻璃器皿成型机样机，其压吹式 玻璃器皿制造工艺尚属国内首创。 玻璃器皿的成型方法主要有压饼式吹吹法、吸料式吹吹法、滴料式吹吹法和压吹 法。其中，采用压吹法的玻璃器皿成型过程如下：将熔融的玻璃料经供料机剪成所需 形状和重量的料滴，料滴经同步摆动的导料滑槽落入初型模，经冲压成初型再吹制成 型。与国内现行的吹吹法成型工艺相比，压吹法成型工艺具有产量多、品位高、质量 好、品种多、耗能低等优点。它可吹制普通圆筒形( 束腰、鼓筒、直筒) 杯、内瓜轮 杯、带厚底盘杯、多边形或椭圆形等各种异形杯；其杯子的口部比其它吹制工艺制成 的杯子要均匀且厚，一般可达1 8 m m 、超过普通杯子0 6 - 1 o n ；杯子的透明度和亮 度可与进口高档玻璃杯相比美；水资源耗用可减少7 0 、煤电能节省6 0 。压吹法 成型工艺己成为玻璃器皿生产的发展方向。 目前美国的埃姆哈特公司研制的h 2 8 型压吹成型机，意大利“o l i v o t t o ”研制 的“0 9 0 ”系列压吹机在该领域一直处于国际领先地位。但由于进口设备不但价格昂 贵，而且售后服务困难，所以不适宜国内引进使用。我国虽对压吹法玻璃器皿成型工 艺有所研究，但至今因没有压吹法玻璃器皿成型设备，直接影响了我国玻璃器皿行业 的优化升级。 南通威明精工机械有限公司的第一台压吹式玻璃成型机2 0 0 5 年1 0 月研制成功。 玻璃器皿成型机能否完好的实现压吹法工艺是生产产品质量的关键所在。因此，开发 一套操作灵活，运行可靠的自动化的控制系统保证压吹式成型机实现压吹式工艺有着 极其重要的意义。它关系到玻璃器皿的质量、生产效率以及生产安全。 本课题研究的控制系统正是基于该8 工位的压吹机样机，旨在实现对玻璃器皿生 产过程实时监控，灵活改变设备的运行参数，满足压吹式工艺要求。同时，能够提高 生产效率。降低生产成本和改善工人劳动环境。项目将为我国玻璃器皿制造业提供一 套工艺先进，能耗低，自动化程度高，替代进口，经济实用，具有自主知识产权的玻 璃器皿专用制造装备，为国内高档玻璃器皿的大规模产业化生产扫除障碍，铺平道路。 南京理工大学硕士学位论文 压畋式玻璃器皿成型机控制系统开发 1 2 国内外玻璃器皿成型机的发展现状 目前国内玻璃器皿成型机使用的成型方法基本上都是吹吹法工艺。由于成型工艺 缘故存在两大缺陷：一是料滴形成初型并挤入口钳成颈环是借助供料机泥碗离成型机 初型模约2 5 米的高度，料滴依靠重力加速度生产的冲击力滴进口钳，初型仅圆柱面 与初型模接触，上部敞开在大气中，故初型表面散热不同，温度、粘度和张力不一样， 同时剪切料滴的剪刀疤就在初型顶面，造成吹成的杯子厚薄均匀度差，品位不高；二 是初型在初型模中只是形成颈环的一团料，先由顶芯顶出气穴吹气，离开初型模后自 转，缓慢吹气发泡，翻转水平扬料，翻转垂直延伸等过程才能入模吹成杯子，放吹制 过程周期长、产量低。 虽然国内外高档玻璃器皿市场需求强劲，但当前国内玻璃器皿成型机由于成型方 法的缘故，生产出的杯子普遍存在厚薄均匀度差、合格率低、能耗大、产品档次低等 缺点，难以参与高档玻璃器皿市场的竞争。 与目前国内使用的滴料式吹吹法相比，国外流行的压吹法成型工艺具有如下优 点： ( 1 ) 料滴成球料无冲击的正确落入初型模，料型好，同时提高了初型模寿命； ( 2 ) 初型及颈环是冲压形成并挤入口钳成颈环，因为冲压成型的缘故，初型表面 全部与初型接触，激模均匀，表面温度、粘度和张力一致： ( 3 ) 料滴的剪刀疤经冲压完全消失，玻璃料的均匀性好； ( 4 ) 初型是冲压成型的，已初显形状，所以入成型模前的吹气发泡基本不要或只 需要很短的时间； ( 5 ) 入模吹气定型是吹高压气，其吹气时间和压力大小要求较高； ( 6 ) 要根据加工器皿的形状、容量、底厚来确定料性、料温、初型模和冲头的形 状、尺寸等参数所以此先进工艺能够产出高质量、高品位的玻璃器皿。 压吹法成型工艺可吹制各种异形杯，如束腰杯、鼓筒杯、椭圆形等。采用压吹法 工艺的成型机称为压吹机，它生产出的玻璃器皿具有品位高、质量好、品种多、等优 点满足人们对高档玻璃器皿的追求。此外压吹法成型工艺具有产量高、能耗低等优 点，己成为玻璃器皿生产的发展方向。 美国的埃姆哈特公司凭借研制出的h 2 8 型压吹成型机，在该领域一直处于国际领 先地位。由于价格和售后服务的困难等问题，目前仅有法国、日本等国家在使用该机。 另外由于该机结构复杂庞大，自动化程度高，制造难度大等原因，目前仅在美国生产。 意大利“o l i v o t t o ”是专业生产压饼式吹吹法吹泡机的厂家。在2 0 世纪9 0 年代末， o l i v o t t o 看到了压吹工艺成型器皿的先进性和发展前途，研制了具有2 、4 、6 、1 2 工位的“0 9 0 ”系列压吹机。德国霖德公司目前正处于研制阶段。 2 南京理工大学硕士学位论文 鹾吹式玻璃器皿成型机控制系统开发 国内方面，虽对压吹法玻璃器皿成型工艺有所研究，但至今因没有压吹法玻璃器 皿成型设备，而从国外进口设备又价格昂贵，所以压一吹工艺生产器皿在我国处于空 白( 玻璃瓶除外) ，直接影响了我国玻璃器皿行业的优化升级。 南通威明精工机械有限公司是国内从事玻璃器皿机械研制、生产、销售的专业厂 家，是我国日用玻璃器皿协会的理事单位之一。目前国内玻璃器皿厂家的器皿生产设 备绝大多数为该公司生产的吹吹法吹泡机。公司近几年来一直瞄准玻璃器皿成型的先 进工艺，自主创新研制能适应国内工艺技术水平和投资能力的压吹机。于2 0 0 2 年开 始进行压吹工艺试验以及先行口钳的设计试验研究，在初步取得成果的基础上，第一 台8 工位( 可以装1 2 工位) 的压吹机样机于2 0 0 5 年1 0 月研制成功。经南通市产品 质量检验所检测，样机的主要技术性能、参数达到国际同类产品水平，经江苏省科技 查新中心查新，表明本项目为国内首创，填补了国内空白。 压吹机样机的研制成功，已经填补了国内玻璃器皿无压吹成型工艺的空白，该机 还具备吹制多边形和椭圆形等异形杯的功能，故也填补了国产成型机吹制异形杯工艺 的空白。随着压吹机性能的不断提高，我国将自主开发出一套工艺先进、能耗低、 自动化程度高、替代进口、经济实用的玻璃器皿专用制造装备，为我国高档玻璃器皿 的大规模生产提供条件，使我国成为世界玻璃器皿生产强国。 1 3d c s 集散式控制系统 d c s ( d i s t r u b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，亦称d i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 即分 布式计算机控制系统，是集4 c 技术( c o m p u t e r , c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n , c r t ) 为一体的 高技术系统l l l l 2 】。c o m p u t e r 包含信号处理技术和控制算法；c o n t r o l 包含传感器、变送 器和泵阀等控制部件；c o m m u n i c a t i o n 包含计算机网络、数据传输和通信；c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 显示器是人机交互的重要窗口。 d c s 控制系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理，而将 对现场装置的控制分散实现的一种新型控制技术p 】。它是由计算机技术、信号处理技 术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互渗透发展而产生的。它既不同 于分散的仪表控制系统，又有别于集中式计算机控制系统，是在吸收了两者优点的基 础上发展完善起来的- f 7 系统工程技术，具有很强的生命力。集散控制系统的集中管 理使系统具有操作监督方便的特点，同时，分散控制又使系统的功能分散、危险分散， 提高了设备的可利用率。目前，层次化己经成为集散控制系统的体系特点，它体现了 集中操作管理、分散控制的思想i4 1 。集散控制系统的层次结构一般可分为四层，如 图1 3 1 所示。 南京理工大学硕士学位论文压吹式玻璃器皿成型机控制系统开发 第四层 第三层 图1 3 1 集散控制系统四层结构模式 第一层是直接控制级：处于这一级的控制设备直接与现场各类设备相连接，对所 连接的设备实施检测与控制，同时它接受过程管理级设备的管理信息，并向上传递设 备的特性数据和采集到的实时数据。第二层是过程管理级：这一级上的计算机通过监 视生产过程的所有信息，集中显示、操作、修改过程参数、优化过程处理等。第三层 是生产管理级：在这一级上的管理计算机协调各单元级的参数设定，是产品的总体协 调员和控制器。第四层是经营管理级：它将生产管理与办公室自动化连接起来，担负 起全厂的总体协调管理【5 l 。 与以往的控制系统相比，集散控制系统具有以下特点【6 】【7 j 【s 】= ( 1 ) 功能分层体系。层次化的体系结构充分体现了集中操作管理、分散控制的思 想，成为d c s 的重要特点。 ( 2 ) 容错能力强。d c s 系统具有很高的可靠性，广泛采用了容错、冗余技术，此 外还具有软、硬件自诊断功能，使设备的故障率大为下降，且故障后修复快。 ( 3 ) 通信功能强。d c s 系统是由多台计算机以数据通信的形式，通过网络相互连 接构成的综合自动控制系统。内部数据可以共享，因而节约大量的控制电缆、一次元 件和变送器等，简化了各子系统间的接口，降低了维护、管理的费用。 ( 4 ) 功能齐全。d c s 功能齐全，人机界面友好，集中操作显示功能，精简了常规 监视仪表，为运行人员提供了综合性的画面和信息，有利于全面掌握和分析工况，以 及对整个生产过程的操作控制。从计算机历史记录中，可以迅速分析出事故的发生原 因，处理事故并恢复运行。 ( 5 ) 扩展方便、组态灵活。d c s 控制系统的这个特点便于控制方案的调整，能方 便的实现许多复杂控制功能，提高控制品质，而且系统易于调试。 ( 6 ) 自动系统投入率高。采用d c s 系统以后，主要参数的控制精度以及自动控制 系统的投入率均会有较大的提高，因此可以节约能源，提高生产部门的经济效益。 近年来，随着通信技术和计算机技术的发展，d c s 控制系统也在不断的改进中， 使之更适合工业现场的应用。d c s 的主要发展方向1 9 】： 4 兰一 南京理工大学硕士学位论文压吹式玻璃器皿成型机控制系统开发 0 ) d c s 向开放化发展。 ( 2 ) d c s 软件不断丰富 ( 3 ) 采用通用工作站，应用大屏显示技术 ( 4 ) d e s 功髓覆盖面一体化 1 4 课题的研宄内容和章节安排 本课题是以南通威明精工机械有限公司的第一台压吹式玻璃器皿成型机为研究 对象。由于这台成型机采用了先进的压吹式工艺，所以在生产中，动作较多、控制要 求较高。根据合作单位提出的功能需求，在深入了解压欧法工艺要求，分析现有控制 方式的基础上，本论文提出了新控制系统的整体方案，对系统的实现技术进行研究。 由于玻璃行业的特殊性，所以本课题开发的控制系统必须具有高可靠性、低故障 率、故障修复快等特点。主要研究内容利用可编程控制器、蓝牙通信、变频调速、组 态软件等技术，设计开发一套高性能价格比的控制系统，对压吹式玻璃器皿成型机生 产线进行自动控制。本控制系统是由可编程控制器p l c ( 现场控制级) 、上位机触摸 屏( 过程管理级) 组成的二级集散式控制系统。此控制系统充分发挥新一代p l c 硬 件的高可靠性和通信功能，确保系统能长期、准确、可靠地运行。同时，集散式的控 制方式又使系统的功能分散、危险分散，提高了系统的可靠性，降低了设备的故障率。 作者所做的主要工作： ( 1 ) 在深入了解成型机结构和压吹法工艺的基础上，根据用户的功能需求，论证 并确立系统的总体设计方案，明确各部分的功能划分： ( 2 ) 详细分析系统的输入输出，- 完成系统的硬件设计包括电气柜的设计和p l c 、 蓝牙模块、变频器、传感器等硬件的选型。此外，完成了系统电气原理图、设备接线 图设计工作。 ( 3 ) 在掌握系统各部分通信机制基础上，根据用户的功能要求，进行了系统中p l c 的程序设计。根据电气柜面板设计的按钮功能，编写各部分程序，并有异常处理功能 模块，保证系统能正常工作满足用户的要求。 ( 4 ) 在上位机触摸屏专用的编程软件中组态，建立友好的人机交互界面，完成系 统的监视、控制、集中管理功能。触摸屏上开发的监控画面，可以使用户更方便的了 解系统的运行状况，并可以根据需要修改参数。实现对整个系统的灵活控制。 ( 5 ) 控制系统的现场综合集成、安装调试，及最后的实际生产运用。 南京理工大学硕士学位论文 压畋式玻璃器皿成型机控制系统开发 全文共分为七章，安排如下： 第一章绪论 第二章压吹式玻璃器皿成型机控制系统总体设计 第三章系统通信机制及其关键技术研究 第四章控制系统硬软件的设计 第五章上位机触摸屏功能设计与实现 第六章控制系统的现场调试运行 第七章总结与展望 6 南京理工大学硕士学位论文压欧式玻璃器皿成型机控制系统开发 2 压吹式玻璃器皿成型机控制系统总体设计 2 1 压吹式玻璃器皿成型机控制系统的需求分析 2 1 1 原玻璃器皿成型机生产线系统简介 压吹式玻璃器皿成型机是采用先进压吹式工艺的新式玻璃器皿成型机。由于其独 特的工艺要求和生产加工过程，所以压吹式玻璃器皿成型机的生产线是个复杂的系 统。它主要包括主工作台的压吹系统、供料系统、排料和喷灰系统、冷却系统、供气 系统等。其中，主工作台的压吹系统和供料系统是两大重点，工艺要求也相当特殊。 主回转工作台是个直径约三米，做匀速圆周运动的大圆台，在圆周上均匀分布着 8 个生产工位。每个工位在接料位( 视为0 度点) 接受玻璃料滴，然后进行压、吹、 口钳自转等工艺过程，在3 0 0 度左右玻璃杯加工成型，操作工取杯，此工位又可进行 下一次接料。这就是一个工位的生产周期。供料系统则是由一台同步电机带动特制剪 刀进行周而复始的剪切运动。显然主工作台每转一周，剪刀剪切8 次。每次剪切会有 一熔融的玻璃料滴经摆动的导料槽落下，进入正在作匀速圆周运行的工位的初型模 中。主工作台和剪刀的同步控制则是正常生产的基本前提，也是本课题研究的一个重 点。喷灰、排料、冷却等操作则是根据工艺要求进行设置的，也是生产的重要环节。 其中，排料和喷灰都是用电磁阀进行控制的。只有各部分的协调工作，才能保证玻璃 器皿的质量。 2 1 2 压吹式工艺过程的简介 本项目设备所采用的器皿压吹法是难度大的高新技术成型工艺，在国内尚属首 创。此成型机的玻璃器皿压吹成型方法己申请国家发明专利即本项目产品采用企业 独有的压吹式玻璃器皿成型方法。 压吹法的玻璃器皿成型过程如下：将熔融的玻璃料经供科机剪成所需形状和重量 的料滴，料滴经同步摆动的导料滑槽落入初型模，经冲压成初型再吹制成型。与国内 现行的吹吹法成型工艺相比，在玻璃器皿吹制成型工艺中，加入压制成型工艺，即熔 融状的玻璃料滴经冲压成型后，吹入2 5 0 - 4 0 0 m m 水柱的低压气，在初步形成杯子外形 时瞬间吹入9 0 0 1 2 5 0 m m 水柱高压气，最后成型。压吹法工艺过程如图2 1 2 1 所示i i i j l l 2 1 1 3 。 7 南京理工大学硕士学位论文压吹式玻璃器皿成型机控制系统开发 图2 1 2 1 压吹法生产工艺过程图 压吹式成型工艺的实现难度大，影响其产品质量的因素很多。生产不同产品的工 艺参数都要经过实际生产调试才能摸索出来。如：料性、料温、料滴重量、初型模和 冲头尺寸、冲头的冲压速度、气压大小、自转速度等等。这些都是加工工艺中不可忽 视的环节。但正是由于压吹式工艺的复杂性、先进性，才可以加工生产内瓜轮杯、带 厚底盘杯、多边形或椭圆形等异形杯，不但质量高、品位高，而且能耗低、效率高。 南京理工大学硕士学位论文 压欢式玻璃器皿成型机控制系统开发 2 1 3 现有玻璃器皿成型机控制上存在的不足 现有的压吹式玻璃器皿成型机样机由于其电气化、自动化程度低，使其在生产中 问题重重。不但影响产品的质量、生产效率，而且操作工的工作环境也是相当恶劣的。 总的来说，以下几点问题是急需解决的。 ( 1 ) 主工作台与供料剪刀的同步主回转工作台和供料电机是由一台变频器带 两台同步电机进行工作的。由于机械传动结构，两者虽然在周期上达到了l ：8 的关 系，但是因为初始位置同步难以控制，导致在每次正常生产前，要花大量的时间进行 人工调整主电机和供料电机的同步。调整的方法则是通过不断的机械起停主电机来实 现两者同步。这种方法严重影响了设备的寿命，也降低了生产的效率。同时由于同步 过程中，需要工人对废料的进行人工处理，也带来了安全问题。 ( 2 ) 工位的自转原成型机系统中，除了回转工作台和供料剪刀是由变频器控 制电机来驱动外，其它各个部分( 如：各工位口钳的自转) 的运动均是由机械传动来 实现的。也就是说主工作台系统的动力来源仅是一台4 k w 的同步电机。因此。系统中 各个工位自转的速度和运行范围是不可调节的，影响其生产多品种、高质量的玻璃器 皿产品。 ( 3 ) 工位的隔离在以往的生产过程中，如果发生某一工位不能正常自转工作， 则检修又是一大问题。由于主工作台的周期大约为3 0 秒，所以完全可以在不停机的 情况下，进行检修。但由于工位的自转是不能独立调节控制的，所以检修变得困难。 同时，由于系统不能进行玻璃料滴的自动排料。所以又需要进行人工处理废料，也带 来安全隐患。 ( 4 ) 炉温的控制在玻璃器皿生产中，炉温是重要工艺参数，它影响到料性的 好坏，决定了产品的质量。过去人工控制风门开度的方式，调节不方便、精度不高、 温度波动大。 ( 5 ) 剪刀控制问题剪刀是供料系统中一重要的设备，为防止其被熔融的料滴 烧坏，在停止状态下，一定要处于张开位置。但由于系统中，没有任何有效的控制措 施，剪刀的停止位置难以控制。 ( 6 ) 实时监控问题由于原系统自动化程度低，所以各现场设备的状态无法集 中监控。操作任一设备，都要到现场进行操作，无法实现自动排料、自动喷灰。这些 问题都将影响到生产的效率和安全，同时也是影响产品质量的不利因素。 2 1 4 控制系统的新要求 基于对目前成型机控制系统存在问题的分析，为满足压吹式工艺的要求，成型机 系统总体上应具有以下功能，具体功能要求如下： 9 南京理工大学硕士学位论文 压吹式玻璃器皿成型机控制系统开发 ( 1 ) 控制指标满足压吹法玻璃器皿的成型工艺控制要求： ( 2 ) 系统能实现供料机与压吹机的同步及自动跟踪控制； ( 3 ) 系统能根据压吹机的不同机速，随意调整口钳自转的速度和范围： ( 4 ) 对炉膛温度进行恒温控制；此外还要实现自动排料、喷灰等功能； ( 5 ) 系统具有玻璃器皿压吹成型工艺设定、生产运行信息采集与存储、设备工况 显示； ( 6 ) 现场监控、历史数据管理与统计分析功能。 2 2 玻璃器皿成型机控制系统总体方案设计 根据单位现有的设备条件和实际现场情况，以高可靠性、高性价比、实用性、先 进性为设计原则，进行控制系统的方案设计。因为此控制系统应用于玻璃器行业，成 型机将是不间断工作的，所以系统的可靠性、稳定性是设计的第一原则。在控制系统 中，本课题将采用成熟的p l c 控制技术，作为现场控制核心。经过现场环境实地的 考察，发现现场的粉尘很大，所以在设备的控制上，尽量使用数字化控制，以提高系 统长期可靠运行的能力，降低系统的故障率。在实际实施的方案中，将组建现场网络， 进行现场数据的采集和处理。另外，为了解决现场存在相对运动的p l c 问的通信问 题，在该系统中引用了成熟的蓝牙通信技术。蓝牙技术是一种短距离无线电通信技术 1 4 1 。目前蓝牙技术在移动电话、掌上电脑等各类数据和话音设备中应用广泛，在工业 控制领域中应用还很少【5 】【】6 】。本控制系统将蓝牙技术应用于玻璃行业，应该是一大 创新之处。 2 2 1 成型机控制系统结构设计 根据合作单位的要求，在实现系统功能的基础上，尽量降低成本，并保证控制的 高可靠性。本课题采用新一代三菱q 系列p l c 作为系统的控制核心，以触摸屏作为 上位机，从而构成简单的二级集散式控制系统。现场控制级p l c 负责现场数据的采 集和处理，并对现场设备进行控制。同时，它和过程管理级的触摸屏进行串行通信， 一方面负责数据的上传，另一方面接受上位机的控制指令。上位机触摸屏主要根据接 收到的现场数据，进行分析处理，提供给用户直观化的界面，同时可以接受用户的设 定，对现场设备进行控制和管理。系统结构如图2 2 1 1 所示。 0 南京理工大学硕士学位论文压欧式玻璃器皿成型机控制系统开发 幸幸 幸幸幸幸申幸 现场设备 过程管理级 赢接控制级 现场各信号 图2 2 1 1 压吹式玻璃器皿成型机的控制系统结构图 在控制系统中，并没有将触摸屏置于r s 4 8 5 网络中。主要有以下几方面原因： ( 1 ) 触摸屏中预装了m c g s 组态软件，所以可以提供给直观的操作界面。但由 于其实时性不高，所以系统的主要控制功能，如同步控制、隔离控制等，都通过p l c 来实现。 ( 2 ) 由于玻璃器皿行业的特殊性，现场的工作环境很差，粉尘很大。所以触摸 屏将进行防尘保护。它主要负责现场设备状态的显示，及时反映现场运行情况。同时， 具有运行时接受参数设置的功能。正常生产中，一般在开机时对其进行操作。 ( 3 ) 考虑到p l c 的长期运行可靠性远高于触摸屏，所以控制系统的主要控制功 能将通过p l c 来实现。处于现场控制级的p l c 主要负责对现场设备进行检测、控制。 这种基于可编程控制器的集散控制方式，可确保系统的可靠性。 2 2 2 控制系统功能设计 基于对目前成型机控制系统存在问题的分析以及工厂的总体要求，成型机系统总 体上应具有以下功能，分为控制与监控两大块，各级具体功能如下： ( 1 ) 控制 压吹式玻璃器皿生产控制； 生产过程数据采集与处理； 设备状态数据采集与处理； 报警与紧急事件处理； 工位实时通信。 ( 2 ) 监控 设备状态监控； 南京理工大学硕士学位论文压吹式玻璃器皿成型机控制系统开发 关键工艺参数监控； 历史数据收集、归档和分析； 数据分析及参数优化； 信息集成服务。 2 2 3 系统总体方案 经过对成型机样机的结构和功能的深入研究，考虑到样机的实际结构上的尺寸、 特殊的工作环境、工艺要求，最终决定压吹式玻璃器皿成型机控制系统的详细结构图。 压吹式玻璃器皿成型机控制系统主要由工业触摸屏、蓝牙通信模块、p l c 控制系 统、变频器、步进电机及驱动器、温度和压力传感器、旋转编码器等组成。成型机控 制系统的详细结构图如图2 2 3 1 所示。 蓝牙接口 l 串口通信模块 i # p l c p l c c p u 系统 定位模块 8 路步进电机控制 工业t p c 一r s 2 3 2 广 rs232i r s 485 网络 蓝牙接口 炉膛l l 气源| | 风门 温度0 压力i i 开度 变频器i ll 变频器2 回转台电机 南由由旧b 图2 2 3 1 压吹式玻璃器皿成型机控制系统的详细结构图 处于“过程管理级”的上位机选用工业触摸屏，它主要通过r s 2 3 2 与2 # p l c 系 统进行通信，实现对玻璃成型机生产线的监控作用。第一、实现玻璃成型机生产线生 产状态、实时数据、历史数据的显示，提供给用户良好的人机界面：第二、依赖于 2 卯l c 系统，可实现对主电机、供料机、自转电机等设备的控制。 2 撑p l c 系统处于系统的“现场控制级”，是控制核心，它主要有三大功能：第一、 通过r s 4 8 5 实现与变频器l 、变频器2 通信，对回转工作台电机与供料电机的速度进 行调节以实现同步控制：第二、通过r s 4 8 5 、蓝牙通信模块实现与l # p l c 系统的 1 2 通信，从而实现对8 工位自转电机的运行控制，满足用户的故障时工位隔离的要求： 第三、完成生产过程中供料温度、气源压力的测量和控制，回转工作台起点、剪刀开 合、喷涂气缸等开关量的检测和控制。 1 # p l c 系统装置在回转工作台上，通过蓝牙模块接收2 # p l c 系统的控制指令， 通过智能功能模块( 定位模块) 实现对8 路回转步进电机进行起停控制和速度调节， 以满足生产要求。 南京理工大学硕士学位论文压吹式玻璃嚣皿成型机控制系统开发 3 系统通信机制及其关键技术研究 3 1 系统的通信机制 由于玻璃器皿生产现场的工作环境极其恶劣，为了保证可编程控制器对现场设备 控制的可靠性，本控制系统中，将控制中心2 号p l c 、1 号p l c 、变频器组成r s 4 8 5 网络，通过数字化通信方式，进行现场设备的控制。同时，2 号p l c 还和触摸屏进行 通信，负责现场实时数据的上传和接受上位机的参数设定。因此，有必要对系统的整 个通信机制进行研究，选择合适的通信协议，以实现各设备间的信息传输，最终实现 系统的网络化控制。 3 1 1 串行通讯模块( q j 7 1 c 2 4 ) 的三种通讯协议 q j 7 1 c 2 4 是三菱q 系列串行口通信模块，简称为“q 系列c 2 4 ”。q 系列c 2 4 是 连接q 系列p l cc p u 和外部设备的模块，通过使用r s 2 3 2 或r s - 4 2 2 ，4 8 5 串行通讯 电缆，来实现数据的通讯。 q 系列c 2 4 可以通过三种通讯协议与外部设备进行数据通讯，满足不同场合信 息传输的需要。三种通讯协议分别是：m e l s e c 通讯协议、无顺序通讯协议、双向 通讯协议1 1 7 1 舯。下面对这三种通讯协议作简单的介绍。 ( 1 ) m e l s e c 通讯协议 m e l s e c 协议( m c 协议) 是q 系列p l c 用的通讯系统。使用此项协议，外部设 备可以通过q 系列c 2 4 或q 系列以太网接口模块读写软元件数据和p l cc p u 用的 程序。任何可以安装应用程序的外部设备，以及根据m e l s e cp l c 协议传送和接收 数据的外部设备都可以使用m c 协议与p l cc p u 进行通讯。 m c 协议的数据通讯信息格式 外部设备可以通过m c 协议指定的通讯格式进行p l cc p u 的访问。如表3 1 1 1 所示。 表3 1 1 1 访问c 2 4 使用m c 协议的通讯信息格式 对象模块能够使用的通讯帧 通讯数据的代码 q n a 兼容3 c 帧 形式1 - - 4a s c l l 代码 q n a 兼容4 c 帧 q 系列c 2 4 形式5二进制代码 q n a 兼容2 c 帧 形式i a s c l l 代码 a 兼容i c 帧 1 4 南京理工大学硕士学位论文琏欧式玻璃器皿成型机控制系统开发 ( 2 ) 无顺序通讯协议 使用无顺序协议进行数据通讯是一种在p l cc p u 和外部设备之间发送及接收数 据的功能，这种通讯使用由用户指定的信息格式和传送控制步骤i j 8 1 。 当使用无顺序协议进行数据通讯时，可以用g i n p u t 指令进行外部设备发送数 据的接收。当使用无顺序协议进行p l cc p u 至 j c f 部设备数据传送时，可以用 g o u t p u t 指令。但如果p l cc p u 与外部设备是使用用户自定义帧进行数据传输， 那么使用g p r r 指令。 ( 3 ) 双向通讯协议。 使用双向协议的数据通讯是一种使用q 系列c 2 4 双向协议的信息格式和传送控 制顺序在外部设备和p l cc p u 之间接收，发送数据的功能【1 0 8 l 。 当使用双向协议进行数据通讯时，可以用g b i d i n 指令进行外部设备发送数据 的接收。p l cc p u 使用双向协议接收外部设备数据时，使用g b i d o u t 指令。 综上所述，q 系列c 2 4 使得p l cc p u 可以通过串口通信与外部设备进行信息传 输。新一代p l c 在提高c p u 指令处理能力的同时也不断加强网络通信功能，使其能 够方便的与外部设备进行通信，有利组网应用【2 0 】。上述的三种通讯协议各有其特点， 适用于不同的场合。在本控制系统中，应用了m c 协议和无顺序协议，实现系统中设 备间的通信功能。 3 1 2 触摸屏和2 号p l c 的通讯实现 本控制系统中，触摸屏和2 号p l c 的通讯是通过m c 协议来实现。触摸屏通过 m c 协议实现对p l cc p u 内部寄存器的读、写操作，而不需要在p l c 中编写任何顺 控程序配合m c 协议通讯。p l cc p u 能根据触摸屏的访问指令自动响应，丽不影响 其程序的正常执行。 ( 1 ) 触摸屏和2 号p l c 的硬件连接 q 系列c 2 4 模块有两种端口配置，一种是两个通道都是r s 2 3 2 接口，一种则是 一个r s 2 3 2 和一个r s 4 2 2 4 8 5 接1 3 。本课题中选用了型号为q j 7 1 c 2 4 的串行通信模 块，是r s 2 3 2 加上r s 4 2 2 4 8 5 配置的。r s - 4 8 5 接口用于p l c 和变频器形成r s - 4 8 5 网络所以触摸屏和2 号p l c 用两个r s 2 3 2 串口进行通信联接。 在实际应用中没有使用d c 码控制和d t r d s r 控制，两设备间进行无控制协 议通信。值得注意的是：虽然没有使用任何控制协议进行通信，但是应用中发现 q j 7 1 c 2 4 端的引脚4 和6 、7 和8 要进行短接，否则会发生定时器2 超时错误。详细 接线如图3 1 2 1 所示。 南京理工大学硕士学位论文 压吹式玻璃器皿成型机控制系统开发 q j 7 1 c 2 4 信号名称针号 c d r d ( r x d ) 2 s d ( t x d ) 3 d t r ( e r ) 4 5 d s r ( d r ) 6 r s ( r t s ) 7 c s ( c t s ) 8 r i ( o ) 9 触摸屏串口 信号名称 c d r d ( r x d l s d ( t x d ) d t r ( e r ) s g d s r ( d r ) r s ( r t s ) c s ( c t s ) 图3 1 2 1 触摸屏串口与q j 7 1 c 2 4 的接线图 ( 2 ) 触摸屏和2 号p l c 的通讯格式 触摸屏和2 号p l c 的通讯使用q n a 兼容3 c 帧的控制顺序和传输文件格式。此 种数据通讯控制顺序有5 种格式，本课题选用格式l 进行通讯。 串口通信格式：1 9 2 0 0 ，8 ，1 ，n 因为上位机监控软件是用m c g s 进行开发的，所以使用中只需要进行通信参数 进行设置，即可实现上位机与2 号p l c 的通讯。具体参数设置在5 3 2 节中介绍。 3 1 3 变频器和2 号p l c 的通讯实现 在本控制系统中，变频器的控制是通过通信方式来进行的。这种控制方式可靠稳 定、精度高1 2 4 1 ，适合玻璃器皿恶劣的现场环境。2 号p l c 和变频器之间的通信采用 无顺序通讯协议。依据变频器的通信格式，2 号p l c 发送命令帧对变频器进行读写操 作，同时接收变频器的返回帧，完成一次通信过程。 ( 1 ) 富士变频器的通信规范【2 5 1 | 2 6 1 1 2 7 】 工厂现有的变频器是富士g l i s 系列。富士变频器提供d x “r s 4 8 5a 端) 、 d x ( p s 4 s 5b 端) 、s d ( 通信电缆屏蔽层连接) 三个通信端子。一台主机最多连接3 l 台 变频器最大传输距离为5 0 0 m ，1 2 k b p s 1 9 2 k b p s 。变频器在通信时，一般处于等待 主机来选择( 要求写入) 或查询( 要求读出