（动力工程及工程热物理专业论文）特种复合增强管材生产线控制系统设计.pdf

s p e c i a lc o m p o s i t es t r e n g t h e n e dp i p ep r o d u c t i o nl i n e c o n t r o ls y s t e md e s i g n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e - l i u 册i n h u s u p e r v i s o r ：p r o f z h a oy o n g r u i c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均己在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：三年扯 日期： 11 年6 月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：们lf 年6 月v 日 日期：训年6 月v 日 摘要 特种复合增强管材是一种新型管材，其弥补了超高分子量聚乙烯管材的不足，应用 广泛。特种复合增强管材生产线由钢丝缠绕机、挤出机、主牵引机和副牵引机等设备组 成。为保证产品质量和生产效率，需要对该生产线进行集中控制。 本文以贝加莱的p o w e rp a n e l 为控制器，选用r s 4 8 5 总线为通信网络，以日立变频 器和交流异步电动机为执行机构，设计了一套集中控制系统。组成生产线的设备上有两 种型号的变频器，分别是日立s j 2 0 0 型和s j 3 0 0 型，两种变频器通信协议不同，本文设 计了r s 4 8 5 总线双通信回路，实现了与两种变频器的通信。 交流异步电动机工作模型非常复杂，难以精确控制和模拟。生产线上变频器采用矢 量控制模式，本文将变频器和交流异步电动机作为一个整体，等效为直流电动机，据此 建立了生产线上各动设备的工作模型：并以s i m u l i n k 为工具对各动设备的工作模型进行 了系统仿真，通过经验整定法获取了p i d 控制的优化参数。 作者设计了整套控制系统的电控柜的硬件电路、软件系统及安装施工图纸等，对电 控柜内部的低压电器进行选型，并将各设备的操作按钮集成到电控柜上，实现了集中控 制。为便于操作人员单独调试设备，还采用m d 2 0 4 l 型文本显示器分散安装在各设备上， 实现了就地控制和集中控制模式的切换。本文以a u t o m a t i o ns t u d i o 为开发环境，编写了 控制系统的通信程序和调速程序等，并对人机界面进行了组态。设计界面简单易懂，内 部设定自锁程序，避免了误操作。 关键词：控制系统，变频器，r s 4 8 5 总线，建模 s p e c i a lc o m p o s i t es t r e n g t h e n e dp i p e p r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e md e s i g n l i nw a n h u ( p o w e r e n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a oy o n g r u i a b s t r a c t s p e c i a lc o m p o s i t es t r e n g t h e n e dp i p ei san e wk i n do fc o m p o s i t ep i p e ，w h i c hm a k e su p t h ed e f i c i e n c yo ft h eu l t r a - h i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y e t h y l e n ep i p e i t sp r o d u c t i o nl i n ei s m a d eu po fw i r ew i n d i n gm a c h i n e ，e x t r u d e r ，m a i nd r a w i n gm a c h i n e s ，v i c ed r a w i n gm a c h i n e a n ds oo n t og u a r a n t e et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ep r o d u c t i o n , o n ec e n t r a l i z e dc o n t r o l s y s t e me n t a i l st ob ed e s i g n e df o rt h ep r o d u c t i o nl i n e t h er e s e a r c hu s e sb & rp o w e rp a n e la sc o n t r o l l e r , r s 4 8 5b u sa sc o m m u n i c a t i o nn e t ，a n d h i t a c h iv v v f sa n da ca s y n c h r o n o u sm o t o r sa sa c t u a t o r s ，t od e s i g nt h ec e n t r a l i z e dc o n t r o l s y s t e m t h e r ea r et w ot y p e so fh i t a c h iv 、n ，fi nt h ep r o d u c t i o nl i n e ，r e s p e c t i v e l ys j 2 0 0a n d s j 3 0 0 ，a n dt h e s et w ot y p e so fh i t a c h iw v fh a v ed i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，s ot h e a u t h o rd e s i g n st h e4 8 5d o u b l e l o o pc o m m u n i c a t i o n , t ou s eo n es i n g l ec o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h e t w oc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t s w o r k i n gm o d e lo fa ca s y n c h r o n o u sm o t o ri sv e r yc o m p l e xa n dd i f f i c u l tt op r e c i s e l y c o n t r o la n ds i m u l a t e t h ev v v f si nt h ep r o d u c t i o nl i n et a k ev e c t o rc o n t r o lm o d e w h i c h m a k e sv 、厂、厂fa n da ci n d u c t i o nm o t o ra sa na c t u a t o re q u i v a l e n tt oad cm o t o r , s ot h ep a p e r a p p l i e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f d cm o t o rt os e tu pt h ed y n a m i cd e v i c e sw o r k i n gm o d e l t h e a u t h o ra l s ou s e ss i m u l i n kw o r k si nm a t l a bs o t t w a r et os i m u l a t et h ew o r k i n gp r o c e s so ft h e d y n a m i cd e v i c e s ，a n dt h eo p t i m i z e da d j u s t a b l ep a r a m e t e r so fp i dc o n t r o la l eo b t a i n e dv i a e x p e r i e n c et u n m g t h ea u t h o rd e s i g n st h ei n t e r n a lc i r c u i ti nt h ec e n t r a l i z e dc o n t r o lc a b i n e t ，s o f t w a r es y s t e m o ft h ec o n t r o l , a n dt h ei n s t a l l a t i o nd r a w i n g s ，a l s om a k e sar e a s o n a b l es e l e c t i o no f l o w - v o l t a g e e l e c t r i c a le l e m e n t s t h eo p e r a t i n gb u t t o n so ft h ed e v i c e sa r ec e n t r a l i z e dt ot h ec o n t r o lc a b i n e t f o r t h ec e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 t oe a s ea d j u s to ft h ed e v i c e sa l o n e ，t h ep a p e ra l s oa d o p t sm d 2 0 4 l t y p et e x td i s p l a yt oa c h i e v et h er e m o t ec o n t r o lo f t h ed e v i c e s t h ec e n t r a l i z e dc o n t r o ld o e sn o t c h a n g et h ed y n a m i cd e v i c e s i n d e p e n d e n c e ，w h i c hm e a n st h e yc a nr u nn o r m a l l y a f t e r r e m o v i n gt h ec o n t r o lc a b i n e t i nt h i sp a p e r ，b & rs o f t w a r ea u t o m a t i o ns t u d i oi su s e da s d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e sa n ds p e e dp r o c e d u r e sf o rt h e c o n t r o ls y s t e ma r ep r o g r a m m e d ，a n da l s ot h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ef o rt h ec o n t r o ls y s t e m i sc o n f i g u r e d i nt h ec o n f i g u r a t i o no fh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，o p e r a t i o ns c r e e ni sd e s i g n e d s i m p l yt ou n d e r s t a n d ，a n dt h es e l f - l o c k i n gp r o c e d u r e sa r es e tu pt oa v o i dm i s u s e k e y w o r d s ：c o n t r o ls y s t e m , 、厂、厂、化r s 4 8 5 ，m o d e l i n g 1 1 1 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 课题研究内容2 1 3 国内外研究现状3 1 4 课题研究意义4 第二章控制对象与控制系统分析6 2 1 超高分子量复合增强管材生产线构成6 2 1 1 生产线的组成6 2 1 2 各设备分析7 2 1 3 控制需求分析8 2 1 4 控制系统组成及结构9 2 2 触摸屏分析9 2 2 1 人机界面一9 2 2 2 触摸屏工作原理1 0 2 3 可编程控制器分析1 1 2 3 1p l c 的基本结构1 1 2 3 2p l c 的工作原理1 l 2 3 3p l c 的发展趋势1 3 2 3 4 可编程计算机控制器p c c 1 3 2 4 控制器选型1 4 2 5 变频器分析与选型1 4 2 5 1 变频器的基本构成1 4 2 5 2 变频器选型与性能1 6 2 6r s 4 8 5 总线介绍1 7 2 6 1r s 4 8 5 标准1 7 2 6 2r s 4 8 5 总线1 7 2 6 3r s 4 8 5 布网规范1 8 2 7 通信协议解析1 9 2 7 1m o d b u sr t u 协议解析1 9 2 7 2r s 4 8 5a s c i i 码通信协议2 0 2 8 本章小结2 l 第三章生产线控制模型的建立与仿真2 2 3 1 钢丝缠绕机的建模与系统仿真2 2 3 1 1 钢丝缠绕机工作模型的建立2 2 3 1 2 钢丝缠绕机控制系统的系统仿真2 7 3 2 其他动设备的建模与仿真2 8 3 3 本章小结3 0 第四章控制系统硬件设计3 2 4 1 电控柜内外电路原理图3 2 4 1 1 主电路图3 2 4 1 2 控制电路图3 3 4 1 3 牵引机的履带控制3 5 4 2 电控柜电器选型与布置3 6 4 2 1 低压电器选型3 7 4 2 2 电控柜内电气元件布置3 9 4 2 3 电控柜操作界面设计4 l 4 2 4 接地设计4 2 4 3 线缆选型及外部线路铺设4 2 4 4 远近控模式切换4 4 4 5 变频器设置4 6 4 6 本章小结4 6 第五章控制系统软件设计4 7 5 1 贝加莱控制软件分析4 7 1 ；1 1a u t o m a t i o ns t u d i o 4 7 1 ；1 2a u t o m a t i o nn e t z 1 9 5 1 3a u t o m a t i o nr u n t i m e 5 0 5 2 控制器程序编写5l 5 2 1 硬件配置5 l 5 2 2 程序编写5l 5 2 3h m i 画面组态5 9 5 3 编译和下载6 4 5 4 本章小结6 4 第六章控制系统运行状况6 5 结论及展望6 6 参考文献6 7 致谢7 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论弗一早珀比 高分子材料是全球三大材料之一，目前在体积用量上己超过金属材料。 超高分子量聚乙烯u h m w p e 是一类分子量高达1 0 0 万6 0 0 万的聚乙烯聚合物，其 分子链长度是普通高密度聚乙烯的1 0 - - 2 0 倍。长分子链( 高分子量) 赋予了u h m w p e 在韧性、耐磨性和抗应力开裂性上的优势。u h m w p e 的耐磨性比碳钢好1 0 倍，低温韧 性良好，可适应比液氮还冷的温度。u h m w p e 可用于低速轴承座，加入硅二硫化铝、 氧烷、特殊石蜡和石墨后，可使其摩擦系数进一步降低。由于u h m w p e 本身所具有的 自润滑性、耐沸水性、低味道味气传递性和易净化性己符合f d a 和u s d a 食品、水和 药品工业的要求，在食品和药品加工工业也得到利用。此外，基于u h m w p e 的吸噪音 和减震性，它还有一些其他用途。同时，作为聚乙烯的一种，u h m w p e 也具有通用h d p e 的优良电性能、耐化学性和润滑性。但长分子链使高分子材料很难在通用模塑和挤塑设 备上加工。在加热到熔点以上时，u h m w p e 变得透明，但不流动。 虽然u h m w p e 属于聚乙烯家族，但因其分子链太长、分子量太高而具有普通聚乙 烯不具有的性能，所以也有人把u h m w p e 划归为工程塑料。 u h m w p e 的开发成功被认为是2 0 世纪十大科技成果之一，它具有广阔的市场潜 力。 超高分子量聚乙烯管材，是一种以超高分子量聚乙烯为原料的新型塑料管材，其优 异的性能有： ( 1 ) 耐磨性高：可用于固体物料的气力输送、疏浚、浆体的输送、尾矿输送、热 电厂粉煤灰输送；在高磨损和腐蚀条件下，使用寿命是普通管材的几倍至十几倍。 ( 2 ) 自润滑性高：实验证明，在同等条件下输送牛顿流体，与钢管相比，超高分 子量聚乙烯管材输送量可提高3 0 以上；在输送幂律流体时，输送量可提高5 0 以上， 甚至达到2 0 0 。在保证输送量的前提下，可以选用小口径管材的超高分子量聚乙烯管 材，可使泵的运行功率降低3 0 以上，降低能耗，减少成本。 ( 3 ) 表面能极低，不结垢、不粘附。 ( 4 ) 化学稳定性优异，特别适合于输送腐蚀性流体和浆体。 第一章绪论 ( 5 ) 导热系数低，比钢小一百多倍，可降低输送管路的保温和加热要求，对于冬 季物料和寒冷地带的输送有重大意义。 虽然超高分子量聚乙烯管材的优异性能很多，但也存在两个不可忽视的缺点：耐压 低和易蠕变，为了进一步提高超高分子量聚乙烯管材的性能，国内知名教授联合企业研 制出超高分子量聚乙烯复合增强管材，简称特种复合增强管材，其特点如下： ( 1 ) 在超高分子量聚乙烯管材的基础上，通过复合增强的方式，解决了超高分子 量聚乙烯管材耐压低和易蠕变的缺点，充分发挥了各种材料的优点。该复合管材分为三 层：内层为超高分子量聚乙烯管，保留了超高分子量聚乙烯的所有特性；中间层为交叉 网状钢丝缠绕层，作为耐压层，可将管材的耐压等级提高到中高压力( 输送压力可达到 6 m p a ) ；外层为p v c 合金材料，作为保护层，具有优异的抗冲击性和耐老化性。 ( 2 ) 与同规格钢管相比，特种复合增强管重量只有钢管的六分之一，可大大降低 运输及安装成本。 特种复合增强管材的耐压程度主要取决于中间钢丝层的钢丝平衡角，当平衡角为 5 4 7 度时，其耐压性能最好，而一旦平衡角度差异过大，其耐压能力将显著下降。因此， 从生产设备或者工艺上必须保证平衡角在允许的范围。 原材料及能源价格、行业环保压力、生产装置布局、产品应用市场开发力度等因素 是影响复合管材行业长期发展的关键因素。因此，节能降耗是复合管材企业获得良好经 济利益的重要举措。与此同时，管材生产线的发展趋势是不断提高单机产量，这也对机 械设备的工作可靠性和机电一体化水平( 表现在连续化、自动化、数字化和高速化) 提 出了越来越高的要求。 1 2 课题研究内容 特种复合增强管材的生产线主要由六台设备组成，分别是管材输送装置、钢丝缠绕 机、挤出机、模具、冷却定型装置和牵引机。以上设备中共有五台日立变频器和五台异 步电动机，其中挤出机上除了有驱动双螺杆的变频器和电动机外，还有一套喂料装置， 也包含一台变频器和一台电动机，而模具和冷却定型装置是静设备，没有配置电动机和 变频器。本课题的主要任务是用工业现场总线将各设备中的变频器联接到电控柜的触摸 屏，实现各设备的集中智能调速控制。论文将研究以下几个内容： 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 分析特种复合增强管材生产线的组成、工作流程与控制需求，为控制系统选 择合适的控制器、人机界面与通信网络，分析网络通信协议； ( 2 ) 分析生产线上各动设备的工作特性，建立其工作模型，并运用系统仿真工具 对设备的工作模型进行仿真，为控制器程序提供优化参数； ( 3 ) 对电控柜内的各电气元件进行选型与优化布置，设计电控柜内的硬件电路以 及现场电器线路的铺设； ( 4 ) 分析软件开发环境，编写控制器的通信程序、调速程序以及对人机界面进行 画面组态。 1 3 国内外研究现状 近年来，计算机技术和通信技术飞速发展，由此带动了控制技术的革新和控制系统 结构的巨变，由早期的计算机集中控制系统c c s ，发展到分散控制系统d c s ，又发展 到现在的现场总线控制系统f c s 。与此同时，现代工业对数据量和传输速度的要求越来 越高，催生了以太网和工业控制网络的结合，引发了大量高新技术如无线通信技术、嵌 入式技术融入了现代工业，拓展了控制领域的空间，为控制技术和结构的发展带来新的 机遇。 进入2 l 世纪以来，我国制造业仍处于高速发展的阶段，拉动了对控制系统及自动 化仪表的需求，我国新上的大型项目中所采用的控制系统及自动化仪表已处于世界领先 水平。相比之下，发达国家的制造业已经过了黄金时期，新型控制系统和自动化仪表增 长缓慢。 近年来现场总线技术的发展己取得了显著成就，但是实际应用中仍处在替代模拟传 输线的阶段。现场总线不仅是信号制式的变换，也是控制技术信息化的基础。用户对系 统底层信息化改造的需求推动了现场总线技术的推广。 但是目前在理论和实践上都没有得到对以现场总线技术为基础的网络化控制和分 布式智能技术的重大突破。现场总线的发展瓶颈是在快速响应和复杂控制方面有时还不 如传统仪表。另外，现场总线标准的多样化也是限制其发展的一个重要因素。 上海交通大学学者董谦和谢剑英 1 】针对一套由速度环、模拟电流环和数字位置环构 成的运动控制系统，设计了p i d 调节器的硬件电路，改进了数字p i d 的算法并对调整参 3 第一章绪论 数进行了整定，改进后控制系统的控制效果得到改善，控制精度高达1 个编码器脉冲； 上海大学学者余小鹏和钱东海【2 】采用国产运动控制芯片a r m 作为主c p u ，设计了一种 四轴控制系统，并引入了实时操作系统g c o si i ，实现了该控制系统的多任务处理功能， 并保证了控制的实时性；华东理工大学学者周治平和江南大学学者夏娟 3 】共同研究了适 用于运动控制系统的人工神经网络算法，以神经网络i n n a 为辨识器充分逼近被控制对 象模型，以神经网络a n n c 为控制器，设计了新型速度环控制器，提高了运动控制系 统的自适应性和抗干扰能力；束流诊断技术是检测加速器运行状况的重要技术，中国科 学院学者李波等【4 】基于西门子s 7 2 0 0 型p l c 和步进电动机驱动器组成的运动控制系统， 研制出单丝束剖面检测器，该检测器的运动控制系统运行良好，在束流测量过程中单丝 移动的各项参数都达到了如期要求。 日本学者西垣和川剐5 】在由定长梁和不定长梁构成的机械手的初步设计中，提出一 种运动控制和外形优化的方法：采用动态有限元分析中的逐步时间积分方法计算机械手 的大形变、多变的几何形状以及机械结构的运动，并运用了神经网络反模型方法学习机 械手的非线性运动；计算后设计的机械手硬度增加而重量减轻，运动轨迹符合先前预期， 而且减小了工作中受到的冲击力。加拿大学者d h a y e s 和r j l a n g l o i s 等【6 】提出一种更 普遍的新型运动学模型，称为a t l a s 运动平台，可适用于任何由三个不定向轮驱动的球 面平台运动分析，作者还在文献 6 】中提供了两个示例加以说明。德国学者w e b e r s 和澳 大利亚学者z i m m e r t 7 】共同研究了全自主移动机器人在未知环境下的定位问题，提出了两 种控制方法及合理的在线控制初始化参数；这两种控制方法的控制参数在运动控制中逐 渐归一化，定位中的小故障也能被很好地处理；文献 7 还在理论上和实际运动测量上分 析了与李雅普诺夫函数的区别。 目前，复合管材的挤出成型控制多趋向于对挤出机加热模块的温度控制，为各种控 制器设计的智能温度控制模块使温度控制技术趋于成熟，而对于生产线上各设备的运动 控制未见有详细报道。 1 4 课题研究意义 特种复合增强管材生产线包括挤出机、牵引机、钢丝缠绕机、管材输送装置和模具 等几部分。其中钢丝缠绕机是生产线的核心，其工作状况直接影响到复合管材生产的效 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 益。此外，生产线各部分的联动配合对复合管材的性能和质量有着至关重要的影响。提 高复合管材生产效率的方法有两种，一种是减少生产线的故障时间，提高产量，另外一 种是合理控制各部分速度，提高管材质量并节约能源。这两种方法都将对复合管材生产 线的控制提出更高的要求。这就需要一种在线监控系统来监控系统的运行状况，并以之 来指导设备的维护和检修，从而减少不必要的停机。 本论文针对特种复合增强管材的生产线的组成及运行情况，提出一套基于贝加莱控 制器p o w e rp a n n e l 的集中控制系统，此系统具有结构简单，控制稳定，调节迅速，易于 操作等特点，可应用到其他带有变频器和异步电动机的运动系统。 5 第二章控制对象与控制系统分析 第二章控制对象与控制系统分析 2 1 特种复合增强管材生产线构成 2 1 1 生产线的组成 超高分子量聚乙烯管材的生产设备一般包括动设备和静设备两部分，动设备有挤出 机和牵引机，静设备为模具。物料经挤出机上的喂料装置进入机筒，被加热熔化后由螺 杆旋转挤出进入模具，从模具出来后由牵引机牵拉。牵引机和挤出机的速度匹配对管材 质量的影响尤为重要：牵引机速度过快，容易将管材拉裂，牵引机速度过慢，模具内易 堵料。 本课题涉及的特种复合增强管材生产线比普通超高分子量聚乙烯管材生产线多了 三台设备：冷却定型装置、钢丝缠绕机和送管装置。生产流程为：由送管装置将加工好 的超高分子量聚乙烯管( 定长) 送入钢丝缠绕机，钢丝缠绕机会在超高分子量聚乙烯管 上缠一层菱形钢丝网；带钢丝网的管材进入模具，由挤出机复合一层p v c 材料成为特 种复合增强管材；然后复合管材进入冷却定型装置，喷淋冷却定型后由牵引机送至切断 机处分段切开。 由于超高分子量聚乙烯管比较光滑且壁厚较薄，表面摩擦力不足且挤压后容易变 形，原来设计的摩擦轮式送管装置被履带式牵引机替换，这样生产线中就有了两台牵引 机，为便于区分，将送管部分的牵引机命名为副牵引机，原有牵引机命名为主牵引机。 此外，为增强钢丝与超高分子量聚乙烯管的结合，厂方在钢丝缠绕机两个大盘之间增加 了一台高频加热器，对缠绕在超高分子量聚乙烯管上的第一层钢丝进行加热，使其进一 步嵌入超高分子量聚乙烯管，以提高钢丝网的强度，并防止在模具中复合p v c 时破坏 钢丝网格。生产线各设备分布如图2 1 所示，其中切断机有单独的控制系统，本课题不 予考虑。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 届4 牵引机2 钢丝缠绕机3 复合模具4 冷却定型装置5 主牵引机 6 切断机7 高频加热装置8 喂料装置9 物料1 0 挤出机1 1 管材 图2 - l 特种复合增强管材生产线布置示意图 f i 9 2 - 1t h ed i s p o s a ld i a g r a mo fs p e c i a lc o m p o s i t es t r e n g t h e n e dp i p ep r o d u c t i o nl i n e 2 1 2 各设备分析 生产线上的静设备有模具、高频加热器和冷却定型装置。高频加热器在生产线正常 运行时处于工作状态，一旦生产线停止运行，高频加热器必须关闭，防止对钢丝加热过 度使其脆化。冷却定型装置正常工作时采用水冷方式对复合管材外层降温定型，生产线 停止后可喷淋一段时间后停止，节约用水。模具位置固定后没有人工操作，复合管材外 层的厚度由挤出机的螺杆转速控制。课题主要研究以下动设备： ( 1 ) 课题涉及的挤出机为锥形双螺杆塑料挤出机，该挤出机工作时将喂料装置喂 入的聚氯乙烯颗粒加热熔化，由双螺杆异向旋转将熔化的物料挤出。挤出机的电动机功 率为5 5 k w ，额定转速为1 4 8 0 r m i n ，经减速器减速后，螺杆的最大转速为3 8 7 r m i n 。 挤出机采用日立s j 3 0 0 型5 5 k w 的变频器驱动电动机。挤出机上的喂料装置采用螺杆定 量给料方式，电动机功率为1 5 k w ，额定转速为1 4 8 0 r m i n ，经减速器减速后，最大螺 杆转速为3 4 r m i n 。喂料装置采用日立s j 2 0 0 型变频器，功率为1 5 k w 。 ( 2 ) 钢丝缠绕机的功能是在超高分子量聚乙烯管材上缠绕一层菱形钢丝网，钢丝 缠绕机主体为两个转盘，工作时两个转盘异向转动。钢丝缠绕机的电动机功率为5 5 k w ， 额定转速1 4 4 0 r m m ，经各级减速器减速后，转盘的最大转速为5 8 5 r m i n 。 ( 3 ) 主牵引机是四爪牵引机，功能是牵引加工成型的复合管材；副牵引机为三爪 7 第二章控制对象与控制系统分析 牵引机，功能是将超高分子量聚乙烯管材送入复合模具。两台牵引机的调速电动机都是 1 5 k w ，经减速器减速后，主牵引机的最高牵引速度为2 0 m m i n ，副牵引机为1 5 m m i n 。 主牵引机的变频器为日立s j 2 0 0 型，功率为3 0 k w 。 生产线上各动设备的参数如表2 1 所示 表2 - 1 生产线动设备参数表 t a b l e 2 - 1p a r a m e t e r so ft h ed y n a m i cd e v i c e si nt h ep r o d u c t i o nl i n e 2 1 3 控制需求分析 ( 1 ) 钢丝平衡角对特种复合增强管材的意义重大，平衡角在5 4 7 度时，特种复合 增强管材的耐压值最高，为保证平衡角在5 4 7 度左右，要求钢丝缠绕机和副牵引机紧密 跟踪主牵引机的牵引速度，协调运行； ( 2 ) 为保证特种复合增强管材的外层厚度均匀，挤出机的螺杆转速与主牵引机的 速度匹配至关重要，要求挤出机的挤出量紧密跟踪主牵引机的牵引速度，协调运行； ( 3 ) 根据上述要求，为实现( 1 ) 和( 2 ) ，最终选择管材进入主牵引机时的线速度 作为控制系统的主参数，各设备的运转速度作为副参数； ( 4 ) 从安全角度考虑，要求每台动设备上都装有急停装置，如果生产线运行出现 异常，按下任意一处的急停按钮都可以使生产线迅速停止，避免造成人身伤害以及减少 经济损失； ( 5 ) 从设备独立性考虑，厂方根据管材订单，有可能临时抽调该生产线用于生产 普通超高分子量聚乙烯管材，因此要求各设备的改造应保持原独立性，即撤去电控柜后 不影响各设备的单独运行； ( 6 ) 从操作方便角度考虑，厂方要求能就地控制设备运转，即既能在电控柜上控 制和显示设备的运行速度，还能在设备附近调节设备运行速度；此外，集中控制应保持 两台牵引机的反转功能，便于出现异常状况后将管材倒出； 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 7 ) 从控制精度考虑，要求配置光电编码器实时监测特种复合增强管材的线速度， 在硬件功能范围内，尽可能提高各设备的运转控制精度。 2 1 4 控制系统组成及结构 为满足就地控制需求，课题选用文本显示器安装于相关动设备上，并在主牵引机处 配置光电编码器。生产线上两种日立变频器s j 3 0 0 和s j 2 0 0 的网络通信协议分别是r s 4 8 5 a s c i i 码协议与m o d b u sr t u 协议，课题设计了两个r s 4 8 5 通信回路，实现对两种变频 器的网络控制。m o d b u sr t u 协议是一种比较通用的通信协议，应用该协议的产品种类 较多且成本较低，所以选择m d 2 0 4 l 型文本显示器与g d 7 9 2 0 4 8 2 c m h n 1 2 2 4 型光电 编码器，两者都支持m o d b u sr t u 协议。控制系统结构图如图2 2 所示 触 摸 屏 十 控 制 器 副牵引机li 钢丝缠绕机il 挤出机 r s 4 8 5 嚣1 斧也斧芹网络iiliii 蹦8等鸽志由际i编磊isj200 1s j 2 0 02 i 变频器| i变频器 i l 文本显示器ii 光电编码器 主牵引机ll 喂料装置 图抛生产线控制结构图 f i 9 2 - 2 t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fc o n t r o ls y s t e mo f p r o d u c t i o nl i n e 2 2 触摸屏分析 2 2 1 人机界面 人机界面( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ，简称h m i ) 是系统与操作人员之间交换信息 的媒介，它将生产或生活信息转换成操作人员可以接受的方式。人机界面应用领域非常 广泛，凡是存在人机信息交互的领域都有人机界面。 人机界面的产品主要包括触摸屏、操作面板和文本显示器等。操作面板的原理与文 本显示器类似，不过两者在屏幕大小和功能按钮的多少上有所差别。 9 第二章控制对象与控制系统分析 2 2 2 触摸屏工作原理 触摸屏技术是将屏幕预先划分成既定的网格，每个网格被触摸后，触摸屏的处理器 就根据网格预定的功能执行一个子程序【9 1 。依据触摸技术的原理，可以将触摸屏分为以 下几种。 ( 1 ) 电阻式触摸屏。这类触摸屏的屏体由多层薄膜复合而成，基层是玻璃或者有 机玻璃，基层表面涂一层透明的导电层，基层上面覆盖一层光滑防刮的塑料层，塑料层 的内表面也涂有导电层，两层导电层之间有许多透明隔离点将两层绝缘隔开，这些透 明隔离点非常细小，一般小于千分之一英寸。触摸屏的两个导电层是触摸屏的工 作面，每个工作面的两端都有一对电极。当触摸屏上某一点被触摸后，两导电层 就在触摸处点接触，工作面的电压就会发生变化，触摸屏处理器根据电压值可以 估算被触摸点的位置，执行相关的子程序。电阻式触摸屏的工作面受塑料层的保 护，可以工作在各种工业环境中，不怕灰尘、油污等，缺点是复合薄膜的外层是 塑料，容易刮损。 ( 2 ) 电容式触摸屏。这类触摸屏的基层上贴有一层特殊的透明薄膜，四边有 四个狭长的电极，四个电极内部形成低压交流电场。当触摸屏上某一点被按下时， 操作人员的手指和薄膜之间形成一个耦合电容，四边电极会产生电流流向耦合电 容。电流的大小理论上与耦合电容到电极的距离成正比，因而触摸屏处理器根据 电流值计算出被触摸点的位置，执行相关的子程序。电容式触摸屏分辨率高，反 应速度快，缺点是易受电磁干扰，绝缘物体触摸时没有反应。 ( 3 ) 红外线触摸屏。这类触摸屏的屏体四周装有红外线发射装置和接收装置， 形成一张红外线网，操作人员用手指按下触摸屏上某一点时，这个点纵横两个方 向上接收的红外线会变弱，处理器就能计算出被触摸点的位置。由于红外线触摸 屏不依靠压力来检测触摸位置，完全可以实现无玻璃操作。红外线触摸屏不受电 流、电压和静电干扰，适用于恶劣环境，价格低，易于安装，响应速度快，缺点 是分辨率低，而且易受光线干扰。 ( 4 ) 表明声波触摸屏。表面声波是一种沿介质表面浅层传播的超声波。表面 声波触摸屏上装有声波发生器、反射器和接收器。当触摸屏上某一点被按下时， 该点的声波传输就被阻止，触摸屏的处理器根据接收器接收到的声波强弱来计算 被触摸点的位置。表面声波触摸屏的透明度高，无失真，抗暴能力强，缺点是易 受屏幕上水滴和灰尘的影响。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 可编程控制器分析 早期的可编程控制器主要用于控制开关量的逻辑状态【1 0 】，所以被称作可编程逻辑控 制器，简称p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 。现在的可编程控制器以微处理器为 基础，成为高度集中化的工控装置。可编程控制器与网络技术成为现代集成制造系统的 基础。目前，可编程控制器是工业自动化的三大支柱之一。 2 3 1p l c 的基本结构 p l c 的硬件主要由中央处理单元( c p u ) 、输入输出单元( i o ) 、存储器( r a m 、 r o m ) 、编程器和电源等组成。p l c 硬件结构如图2 3 所示： 图2 - 3p l c 的硬件结构 f i 9 2 - 3 t h es t r u c t u r eo fp l ch a r d w a r e p l c 的软件主要分为两部分： ( 1 ) 系统监控程序：可编程控制器本身自带，与硬件系统结合，提供p l c 运行的 平台，主要由管理程序、标准程序模块和用户指令解释程序组成。 ( 2 ) 用户程序：由可编程控制器的用户编写，存储在用户存储器中，用以控制被 控装置。 2 3 2p l c 的工作原理 p l c 采用的是循环扫描的工作方式【1 2 】。当p l c 处于运行状态时，依次完成内部处 理、通信处理、输入采样、程序执行和输出刷新，循环扫描直至外部命令停止。 由于p l c 的工作方式是循环扫描，执行程序阶段即使输入出现了变化，输入状态 映象寄存器的数据在当前周期内不会发生变化，而是在下一周期的输入处理阶段进行处 理。循环扫描的工作过程如图2 - 4 所示： 1 1 第二章控制对象与控制系统分析 运行 图2 - 4p l c 的工作原理 f i 9 2 - 4 t h