（机械制造及其自动化专业论文）基于profibus的注射成形机网络控制系统.pdf

摘要 当前注射成形机行业是一个发展比较迅速的行业，其发展趋势为高速、高效、 高精度、自动化、网络化，控制器从最初的继电器发展到微处理器，从电液系统发 展到全电动系统，从行程开关发展到位置尺，其控制功能越来越强大，操作性越来 越友好，这些都适应了注射成形行业的发展要求。 现今工厂中多有数台注射成形机工作，如果采用联机群控的生产与管理模式， 将网络控制技术应用于注射成形机生产的调度与控制中，建立自动化的注射成形生 产车间，就可以实现几台甚至更多机器的共同管理，这在提高注射成形机的管理水 平、降低注射产品的人力成本、增加产品的竞争力、一致管理、信息汇总等方面有 着明显的应用优势。 本文就是针对当前注射成形行业的发展趋势，采用p l c 加p c 机的监控站模式， 以p l c 为1 类主站，p c 机为2 类主站，应用p r o f i b u s 现场总线把p c 机与现场 注射成形机连接起来，构建注射成形机网络控制系统。文中选用单片机加p r o f i b u s 协议芯片的开发方式开发p r o f i b u s 从站接口电路，使得不具备p r o f i b u s 接口的 设备连入整个总线网络成为可能。现场设备及从站接口电路一起构成智能从站，主 站p c 机安装p l c 编程工具软件s t e p7 和w i n c c 组态软件，在s t e p7 环境中组 态硬件、开发操作过程控制程序、进行通信连接，在w i n c c 中开发上位机运行界面、 显示现场运行数据。 该系统适合注射成形生产过程的监控管理，不仅开发成本低，而且开发自主性 较高，它的应用将会提高生产效率，实现企业管理与过程控制的信息一体化。 关键词：注射成形机；网络控制；p r o f i b u s ；p l c a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h ei n j e c t i o nm o d e l i n gm a c h i n ei n d u s t r yi saf a s td e v e l o p i n gi n d u s t r y i t s d e v e l o p m e n tt e n d e n c yi sf a s t e r ，h i g h l ya c t i v e ，h i g h l yp r e c i s i o n ，a u t o m a t ea n dn e t w o r k a b i l i t y a tt h eb e g i n n i n g ，i t sc o n t r o l l e rw a sr e l a yc o n t r o la n dn o wt h e r ei sm i c r o p r o c e s s o r c o n t r 0 1 t h ee l e c t r i c - h y d r a u l i cc o n t r o lh a sd e v e l o p e di n t oa l l e l e c t r i cc o n t r o la n dt h e t r a v e ls w i t c hc o n t r o lh a sd e v e l o p e di n t op o s i t i o n r u l e rc o n t r 0 1 t h ef u n c t i o no ft h e c o n t r o l l e rh a sb e c o m em o r ep o w e r f u la n de a s y u s i n g a l lo ft h ed e v e l o p m e n t sa r e c o m p l yw i t ht h ei n j e c t i o nm o l d i n g b u s i n e s s sd e v e l o pr e q u e s t n o w a d a y si naf a c t o r yt h e r em a yb em a n yi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e sw o r k i n g t o g e t h e r i fe a c hm a c h i n en e e d sap e r s o nt oc o n t r o l ，t h e r ew o u l dn e e dm a n yh u m a n r e s o u r c e ss ot h a ti tw i l lp a ym u c hm o r em o n e yf o rt h en u m e r o u sw o r k e r s s ow ec a n i m a g i n et h a ti fw ec o u l du s en e t w o r kc o n t r o la n df i e l db u st e c h n o l o g yi n t ot h ei n j e c t i o n m o l d i n gm a n u f a c t u r e sd i s p a t c h i n ga n dc o n t r o l l i n g ，t h a tm a n yo ft h em a c h i n e sw o r ka n d a r em a n a g e d t o g e t h e rw o u l dc o m e t r u e i ti s v e r y b e n e f i c i a l f o rr e d u c i n gt h e m a n u f a c t u r i n gc o s t sa n di ti sg o o df o rt h em a n a g e m e n to ft h ew h o l ec o u r s eo fp r o d u c i n g 。 t h i sp a p e rw i l lc h o o s et h em o d eo ft h ep l ct o g e t h e rp ct oc o n t r o lt h ep r o d u c i n g p r o c e s s t h ep l c i st h ec l a s slm a s t e ra n dt h ep ci st h ec l a s s 2m a s t e r t h es y s t e mu s e s t h ep r o f i b u s d pf i e l db u st oc o n n e c tt h ep ca n dt h er e m o t em a c h i n e t h er e m o t e m a c h i n ea n dt h ec o m m u n i c a t ei n t e r f a c ef o r mt h ei n t e l l i g e n ta p p u r t e n a n t t h ep cs e ti s i n s t a l l e dw i t hp l cp r o g r a ms o f t w a r es t e p7a n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c c w eu s e s t e p7t o d e v e l o pt h eo p e r a t i n gp r o c e s sp r o g r a ma n du s ew i n c ct oc o n f i g u r a t et h e w o r k i n gp r o c e s s ，t h ed a t ab a s ev a r i a b l ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nc o n n e c t t h es y s t e mh a s s t e a d ya n dr e l i a b l ec h a r a c t e r i s t i c i ti ss u i t a b l et om o n i t o ra n dm a n a g et h ei n j e c t i o nm o l d i n g w o r k i n gp r o c e s s u s i n g t h es y s t e mc a nr a i s et h ep r o d u c t i v i t ye f f e c ta n dr e a l i z ec o m b i n i n gt h ec o m p a n y m a n a g e m e n ta n dp r o c e s sc o n t r o l l i n gt o g e t h e r k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ；n e t w o r kc o n t r o l ；p r o f i b u s ；p l c 本人声明 我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成，完成论文所用的 一切资料均已在参考文献中列出。 作者：陈新欣 签字： 2 0 0 9 年 五邑大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 注射成形机结构及工作过程 一台注射成形机主要由注射装置、合模装置、液压系统和电气控制系统组成。 注射装置的作用是将材料均匀的融化，并注射到模具型腔中，注射装置由塑化部件 ( 螺杆、料桶、加热装置、喷嘴) 、料斗、计量装置、传动装置、注射油缸及移动油 缸等组成；合模装置实现模具的开闭，在注射时应保证模具可靠的合紧，合模装置 主要由前后固定模板、移动模板、连接拉杆、连杆机构、调模装置、合模油缸、移 模油缸以及制品顶出装置组成；液压系统和电气控制系统提供动力并使注射成形机 按照预定的工艺过程要求( 压力、速度、时间、温度) 和动作顺序工作。注射成形 是材料成形工业中最常用的一种加工方法，大多数塑料成品或半成品是依靠注射成 形完成，此方法的基本步骤如图1 1 所示： a 口 模 图1 1 注射成形工艺流程 f i g u r e l - 1t h ef l o wc h a r to ft h ei n j e c t i n gm o l d i n g sw o r k i n gp r o c e s s 当材料从料斗落入料筒后，随着注射螺杆的转动而不断被输送向前，输送过程 中逐渐压实，并在料筒外加热量和螺杆的剪切热作用下实现其物理状态的变化，最 后成为粘流态，并建立起定的压力。当螺杆头部熔料大于注射油缸背压时，螺杆 便轴向移动后退，同时开始容积计算。当头部熔料达到预定注射量后，计量装置使 行程开关动作，螺杆停止后退和转动，预塑结束。 移动模板在合模油缸推动下使模具闭合，随着注射座前移，注射油缸动作，活 塞带动螺杆按照要求的压力与速度将头部的熔料注入模腔内。注射完毕后，螺杆仍 对熔料保持一定的压力，以防止倒流，并进行补缩，随着模腔中熔料的冷却，熔料 五邑大学硕士学位论文 从粘流态恢复到玻璃态而定形，合模油缸活塞后退使模具打开，同时在顶出机构的 作用下将制件脱出，从而完成一个工作循环1 - 9 1 ，注射成形机外形结构如图1 2 所示。 锁 八馘 n ，甲射台 l f 园 。 一一，一一 口 口。 么，7 芦目 r 一1 6jf f t t r ” 既鲁乱 - 1 - ：= l + - 斗l 寸1 j 阳l：i ：t -r a -n， l u “ u 口 、o o。 j。 口 园目目 u i 图1 2 注射成形机外形结构 f i g u r e l - 2t h ee x t e r i o rc o n f i g u r a t i o no fi n j e c t i n gm o l d i n gm a c h i n e 注射成形最重要的工艺条件是影响塑化流动和冷却的温度、压力以及相应的各 个作用时间。注射过程需要控制的温度有料筒温度、喷嘴温度和模具温度等，前两 种主要是影响材料的塑化和流动，而后一种主要是影响材料的流动和冷却。 1 2 注射成形机控制系统及其发展 目前，常用的注射成形机控制类型有三种，即传统继电器型、可编程序控制器型 和计算机控制型。继电器型控制精度低，抗干扰性能差；可编程控制器( p l c ) 性 能可靠，抗干扰性能好，近年来得到了广泛的应用；更高级的可编程计算机控制器 ( p c c ) 以其更高的控制性能得到了用户的青睐，它包含直接数字控制系统( d d c ) 、 监督计算机控制系统( s c c ) 、分散控制系统( d c s ) 和多级控制等多种类型。注射 成形机不仅要完成合模、注射、保压、冷却、开模等顺序动作，还要实现材料温度、 注射速度和注射压力3 个数字量参数的控制。随着材料工业的发展，最近日本和德国 又相继推出了注射成形机群控系统，实现由单个注射成形机控制向车间自动化管理 的发展1 0 1 。 通常注射成形机的控制内容包括两部分：一个是以料筒、熔体、模具温度为控 2 五邑大学硕士学位论文 制对象的温度控制；另一个是以注射过程的压力、速度、位移为控制对象的运动控 制。注射速度、保压压力、溶胶背压是注射部分首先要控制的三个变量，其控制精 度直接影响制品的质量。现代较为先进的注射成形机具备了5 1 0 级的注射速度和多 段保压以及溶胶背压控制。一般通过位移速度传感器、压力传感器、闭环注射控制 器和高响应伺服阀的配合使用，实现注射成形过程中溶胶背压、注射速度和保压工 况的精确控制；另外比较简单的办法是采用闭环比例阀，不过其控制精度稍差。 移模过程控制最主要的变量是锁模力，锁模力的重复再现是稳定的成形周期形 成的必要条件。移模过程中应该控制的另外一个重要的变量是位置，一方面，先进 的注射成形机不断追求效率的提高，移模速度直接影响成形周期，而快速移模本身 对减速控制提出了更高的要求；另一方面，由于特殊工艺的不断开发和推广，模具 位置的控制精度也要求越来越高。 控制系统结构的网络化、控制系统体系的开放性、控制技术与控制方式的智能 化是当前控制技术发展与创新的方向与主要潮流。当前注射成形机行业是一个发展 比较迅速的行业，其控制器从最初的继电器控制发展到现在的微处理器控制，从电 液系统到开始出现全电动系统，从行程开关的粗精度控制到位置尺的高精度控制， 其控制器功能越来越强大，可操作性越来越友好，这些都适应了注射成形机行业的 发展要求。 随着这个行业以及信息化的发展，对注射成形机控制器提出了更高的要求： 首先，控制的精度要求越来越高，不但温度控制要求闭环，压力、流量以及位 置也要求闭环控制，因为生产有些精密的产品如软盘时，压力流量尤其是位置控制 要求非常严格，否则产品性能就得不到保证。现阶段国内使用中的压力流量闭环控 制器还没有，半闭环的位置控制已经出现，因此国产的注射成形机还只能适应生产 一些要求不高的普通产品，而生产高精度产品的注射成形机主要还是靠进口，而国 外全闭环的注射成形机电脑控制器已经非常广泛。 其次，自动化程度要求越来越高，用户希望基本实现全自动化，减少操作工的 数量和提高管理的自动化、信息化程度，这就要求加料实现自动化，再就是取产品 需要自动化，前者出现了自动加料机，国内中等以上的企业也己经开始使用；后者 国外比较广泛的使用了机械手取料，国内也已经开始使用，但是相应的注射成形机 用机械手国内生产的还比较少，基本靠进口台湾、日本、欧洲等地的产品。 第三，维护和升级的网络化、信息化要求，注射成形机的使用范围非常广泛， 3 五邑大学硕士学位论文 但是也相对比较分散，出现问题后的维修以及升级等问题比较麻烦，需要花很大人 力和物力来解决，随着当前网络的迅速发展，一种网络化要求是希望通过网络来实 现控制器的在线诊断，下载升级，工序参数下载等功能，这样就大大减轻了维护的 压力；另外一个网络化要求就是集中控制，企业有几十台几百台注射成形机，如果 每台注射成形机都要相应人力来操作的话，人力的消耗是很大的，如果能够实现集 中的控制管理只需要几个人就可以了，这样就大大的节省了人力，而且还可以实现 生产计划的调度安排【1 1 - 2 0 。针对后种要求的注射成形机控制器在日本和欧洲己经开 始出现，国内真正实现的还没有，但是随着行业的发展国内这类用户肯定会出现， 所以将网络控制技术引入进注射成形机行业必将有很大的发展空间，应用现场总线 技术控制多台注射成形机就必将是一个很好的尝试。本题目就是针对后一种网络化 要求，采用现场总线技术来实现注射成形机的集中监控管理。 1 3 现场总线技术 网络连接使得系统结构简化，提高了系统模块化和标准化的程度，打破了空间 的限制。随着计算机和网络技术的飞速发展，控制系统经历了从组合式模拟控制系 统、集中式数字控制系统、集散式控制系统三个阶段，发展到当前现场总线控制和 开放嵌入式网络化控制系统阶段。网络控制系统的思想就是共享通信网络传输系统 中不同设备之间的数据信息与控制信息。实现先进的控制关键是如何根据系统的复 杂性、结构、参数的不确定性、环境干扰因素，把控制理论中提出的各种先进控制 方法予以在线实施，采用信息传输、系统分解、网络连接等有效形式和手段，构成 分布式的集成控制系统1 2 1 , 2 2 】。 现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点 数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络【2 3 1 。现场总 线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统，它作为智能设备的 联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步 构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化 及控管一体化的综合自动化功能，这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通 信、网络为主要内容的综合技术【2 4 1 。该技术将位于生产现场具有信号输入、输出、 运算、控制和通信功能的数字通信仪表或设备，通过双绞线连接成网络，采用标准的 通信协议，使位于生产现场的设备与设备之间，以及设备与控制站之间实现数据交换 4 五邑大学硕士学位论文 与信息共享。目前已开发4 0 多种现场总线，其中最具影响力的有p r o f i b u s 总线、 f f 总线、c a n 总线、l o n w o r k s 总线等。 与传统的集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 相比，现场总线 控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 主要具有以下特点及优势： 1 、彻底的分散性结构：和传统d c s 相比，f c s 采用彻底的分散性结构，将系 统中处于控制室的控制站功能化整为零，控制模块和各种输入输出模块分散到各现 场设备，分散在生产现场的设备本身就可完成传感测量、计算处理、控制调节、自 校验、自诊断等功能，在现场总线上构成分散的控制回路，可以灵活组态，易于系统 的扩建和维护。 2 、系统采用全数字式通信：传统的d c s 采用4 2 0 m a 模拟信号，传输精度低、 抗干扰性差；而采用多变量、多点、多站的数字信号传输，可以通过网络远程访问 所有的现场设备，不离开工作站就能了解设备的工作状态，设定新的量程，对设备进 行及时的诊断，且实现传输信号的检错和纠错，提高了传输的精度和抗干扰性。 3 、系统开放与良好的通用性：由于采用开放的国际标准，并且严格遵守通信协 议标准，使得设备与设备间、控制站与设备间能够实现点对点或点对多点的数据通 信。在进行系统集成或扩建维护时，用户可以自主选用不同厂商的性能类似的产品， 实现同一系统中不同厂商同类产品之间的相互兼容及相互操作。 4 、使用与维护更经济、便捷：由于采用的系统结构是有别于传统采用的一对一 的多分支式结构，网络拓扑类型有总线型、树型等。设备在一对双绞线上实现多挂 接的系统结构，极大节省了电缆、端子、线盒、桥架等的建设成本，且减少了设计工 作量和安装周期。此外，现场设备或仪表都是具有测量计算、控制调节、自校验、 自诊断功能的智能仪表，操作人员可以实时掌握现场设备的工作状态，能够第一时 间发现并分析问题，及时排除故障，提高了系统维护的便捷性，有力地保证了生产 活动的顺利进行。 现场总线技术应用现状2 5 翊】： 第一，就现场总线本身而言，目前市场上存在着多种不同的现场总线，如 p r o f i b u s 、f f 、h a r t 、c a n 、l o n w o r k s 等。各种现场总线在不同应用领域内， 具有不同的设计要求和技术特点，使得不同总线在不同领域的应用显示出各自的优 势，如p r o f i b u s 适合于工厂自动化、流水线操作等，l o n w o r k s 适用于楼宇以及 电力自动化，c a n 适用于测控网络等。然而，在工业控制领域中用户需求具有多样 5 五邑大学硕士学位论文 性，为了满足不同控制要求往往需综合应用多种总线，以达到满意的生产控制效果。 所以在当前及今后一段时间，一个控制系统中会出现多种不同的现场总线互连共存 的现象。 第二，f c s 在目前及今后一段时间内还将与传统的d c s 共存。d c s 经历了二 三十年的理论研究与实际应用，目前已处于成熟的大规模应用阶段，众多企业都已 将其作为最主要的控制手段；与其相比，f c s 虽然在诸多方面有其突出的技术优势， 但目前仍处于应用研究阶段，可靠性、稳定性等方面还需广泛验证，离满足技术成 熟并能大规模应用于生产实践的要求尚有一定距离。此外，将现已广泛应用的d c s 更新为f c s 必须投入大量的人力、物力，这首先需要将大量的采用模拟信号通信的 现场仪表更新为采用数字信号通信具有测量、计算、控制、检错功能的智能仪表， 不仅增加成本的投入，且对技术改造期间的正常生产活动造成不利影响；另外，采 用不同通信协议的多种现场总线在一个控制系统中共存，技术开发难度大，系统维 护困难，与之相应的技术人才目前也较缺乏。这些实际因素都将导致f c s 不能短期 内完全取代d c s ，需要经历一个f c s 与d c s 并存的过渡阶段。 第三，工业控制领域需要一种高速廉价的网络，引入以太网是现场总线技术发 展的一个趋势。现场级网络引入以太网不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层面 方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本。工业以太网直接应用 于工业现场设备控制，凭借其自身具备的优势必将产生巨大的效益，并给工业控制 技术带来深远的影响。 综上所述，现场总线控制技术凭借其自身的诸多优势己引起工业控制领域的广 泛关注，并成为该领域的热点研究课题，具有巨大的发展潜力。因此，研究现场总 线的核心技术及其相关应用，将给工业控制水平带来深远的影响，并对全面提升国 际竞争力有着重要意义。在众多的总线标准中，p r o f i b u s 现场总线在过程控制领 域占据着主要地位，并有着广阔的发展前景【2 8 1 ，因此，本论文深入研究了基于 p r o f i b u s 现场总线技术的注射成形机的网络控制系统，构建了基于p r o f i b u s 总 线的主从结构控制系统的平台。 1 4 论文研究的目的、意义及主要内容 近年来，我国注射成形机产品的研究己取得了长足的进步，但总体来说，目前 我国研究生产的注射成形机一般不具备网络控制功能，在生产现场对注射成形机的 6 五邑大学硕士学位论文 维护和管理多数仍停留在单个和直接现场管理阶段，这种方式已经越来越难适应时 代的发展要求，每台设备各自为战，资源共享不便，不便于实现集中管理和控制， 无法满足当前自动化，规模化生产的要求【2 9 1 。基于p r o f i b u s 的网络控制系统为我 们提供了解决该问题的一种途径，利用日臻完善的p r o f i b u s 总线技术，开发出一 套实用的网络控制系统，以实现方便、灵活、有效的对设备进行控制与状态监测， 无疑是解决上述问题的最佳方式之一。设备的网络控制是计算机网络技术、通讯技 术和机电控制技术相结合的一种新技术，跨越时空障碍，通过网络对远程的设备进 行监控，已成为工业界和学术界的重要课题。因此，今后注射成形机的监视管理只 有与网络相结合，采用开放式体系结构，才会有强大的生命力和广阔的应用前景。 本论文的注射成形机网络控制系统正是基于以上原因而提出的。 工厂中数台注射成形机如果能够采用联机群控的生产与管理模式，建立自动化 的注射成形生产车间，就可以实现几台甚至更多机器的共同管理，同时可大大提高 注射成形机的控制能力，这在提高注射成形机的管理水平、降低注射产品的人力成 本、增加产品的竞争力、一致管理、信息汇总等方面有着明显的利润趋势。采用先 进的现场总线技术，可即时地向监控设备提供当前注射成形机运行状态信息并接受 监控设备的命令，开发出具有网络监控功能的开放式注射成形机设备，为真正的网 络制造提供最必要的支持，这必将对注射成形机行业产生不可估量的深远影响。 本文首先介绍了基于p r o f i b u s 现场总线的注射成形机网络控制系统的总体设 计，然后分别对系统的硬件选择和软件平台进行了表述，接着重点对p r o f i b u s d p 从站接口电路的硬件设计和程序设计进行了详尽的讨论。在p r o f i b u s d p 从站接 口电路硬件设计中，本文选用单片机加p r o f i b u s 协议芯片的开发方式，不仅成本 低，而且开发自主性较高，硬件电路中同时包含模拟量输入和开关量输出电路，使 得将模拟量及数字量接入p r o f i b u s 网络成为可能。在p r o f i b u s d p 从沾接口电 路程序设计中，全面掌握p r o f i b u s d p 报文结构和状态机制是从站程序设计的基 础，本文主要对p r o f i b u s d p 从站的主程序设计、中断程序设计和数据接收发送 程序设计进行了详细的研究，同时阐述了p r o f i b u s d p 从站的g s d 文件内容。 本文的结构如下： 第一章对所研究的课题背景、内容及意义作以相关介绍，对注射成形机和现场 总线的基本情况予以阐明； 第二章对注射成形机网络控制系统总体设计予以研究，针对系统的功能要求对 7 五邑大学硕士学位论文 采用的硬件以及软件进行选择： 第三章对p r o f i b u s 现场总线以及p r o f i b u s 总线协议芯片作较详尽的介绍， 包括p r o f i b u s 总线的通信协议以及数据传输规范等，并通过比较多种不同的 p r o f i b u s 协议芯片后针对本文的设计选出合适的芯片予以应用； 第四章设计了p r o f i b u s d p 从站硬件接口电路，其中包括单片机与通信协议 芯片间的接口电路、r s 4 8 5 接口电路以及模拟量开关量输入输出电路； 第五章编写p r o f m u s d p 从站程序以及g s d 文件，同时应用w i n c c 软件制 作上位机界面； 1 第六章应用s t e p7 组态软件对采用从站接口电路构成的p r o f i b u s d p 网络做 基本的性能测试； 最后总结了论文工作的成果和不足，并对未来的工作提出了构想和建议。 1 5 本章小结 首先对注射成形机的工作过程以及工艺结构作以介绍，突出描述了有关注射成 形机控制系统的内容，其次介绍了现场总线的应用现状及趋势，对注射成形机控制 系统中引入网络控制的必要及优势给以阐述，同时介绍了本文的结构和内容。 8 五邑大学硕士学位论文 第二章注射成形机网络控制系统总体设计 2 1 系统功能要求及总体结构 本文的注射成形机网络控制系统主要任务是对注射成形机的工作进行全程的监 视与控制，在保证可靠运行的同时力求降低成本，应用耐高温、寿命长的温度、压 力等传感器，对注射成形机进行逻辑顺序控制、压力、速度控制和温度控制，主站 计算机监控系统能够显示注射成形机工作状态，可记录注射成形机的运行数据并能 存档，注射成形机运行参数可在线修改，系统可远程维护和软件升级。 根据注射成形机的工作流程，以p l c 作1 类主站，完成总线的通信控制与管理、 完成周期性数据访问及从站数据读写、从站远程参数化等工作；监控站( 即2 类主 站计算机) 完成非周期性的数据访问，如远程编程、参数化及在线监控等功能，实 现各种参数的设定与显示、工作状态的显示及报警提示等功能。在现场控制器方面 要完成对开关模、射台进退、射料、熔料、动作压力、位置、温度等的分布式控制； 主站与现场设备控制系统之间用现场总线连接，既能简化系统布线，又能实现分布 式控制；现场设备各控制单元独立运行，在接收控制命令后，能够独立完成主站所 发的控制任务，并同时反馈回本单元的状态信息；主站是下达控制命令的中心枢纽， 同时也是现场设备信息反馈的终端显示，主站用p c 机及p l c 作为控制平台，监控 界面实时显示现场设备信息，系统结构简图如图2 1 所示。 管理层 p r o f i b u s 总线 设备层 图2 1 注射成形机网络控制系统结构简图 f i g u r e 2 1t h es k e t c ho ft h ei n j e c t i n gm o l d i n gm a c h i n en e t w o r kc o n t r o ls y s t e m 系统采用p r o f i b u s d p 现场总线进行组网，主要由三部分构成：检测部分、 分控部分和主控部分。 1 、检测部分：主要由各种传感器构成，传感器输出的信号选用4 2 0 m a 的电流 信号。 9 五邑大学硕士学位论文 2 、分控部分：由p r o f i b u s d p 从站构成，包括注射成形机p l c 控制器以及各 检测部件接口，注射成形机p l c 控制器带有d p 接口，可直接连入p r o f i b u s 网； 各检测部件需通过总线接口电路连入p r o f i b u s 网，其中模拟量输入接口主要用于 采集传感器输出的4 2 0 m a 的温度和压力信号，开关量输出接口主要用于控制注射 成形机的启停和运行等。 3 、主控部分：主要由p l c 及p c 机加p r o f i b u s 网卡构成，p l c 作1 类主站， 负责总线的通信管理，通过p r o f i b u s d p 现场总线对各从站的数据进行集中管理， 并执行相应的控制，实现从站数据读写、从站远程参数化等工作；p c 机对各注射成 形机的工作状况、记录、报警信息等进行显示，同时对系统运行过程中的参数进行 修改，该p c 机加p r o f i b u s 网卡为2 类主站。 基于p r o f i b u s d p 总线的注射成形机网络控制系统有如下特点：采用 p r o f i b u s d p 现场总线可以保证系统在高速通信的同时保持较高的可靠性，成本较 低；实现分散控制，提高了系统的管理性；增强了系统的可维护性和可扩展性；增 强了现场级信息的集成能力；施工方便，布线简洁。本文就是在从站接口电路开发 研究的基础上构建整个网络控制系统，将具有d p 接口的p l c 和没有d p 接口的检 测部件连入整个p r o f i b u s d p 总线系统。 2 2 注射成形机网络控制系统硬件设备 1 、主站p l c ： p l c ( 可编程逻辑控制器) 是专门为工业环境应用而设计的工业控制计算机3 0 1 ， 已经成为电气控制系统中应用最广的核心装置，它不仅可以实现复杂的逻辑控制， 还能够完成各种顺序控制或定时的闭环控制功能，它具有多方面的优势，抗干扰能 力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断的运行；另 外，它编程简单，维护方便，并配有各类通信接口与模块，可实现各种级别的连接。 在基于p r o f i b u s d p 总线的注射成形机网络控制系统中，p l c 是整个系统的控制 和通信中枢，p l c 主要通过p r o f i b u s 现场总线对各从站的数据进行集中处理，并 判断是否满足报警和停机条件，从而执行相应报警和停机等开关量控制。因此在p l c 选型时，首先应保证数据存储空间的大小应满足需要，并且最好能够集成 p r o f i b u s d p 通信接口。综上所述，本文选用西门子公司的c p u 3 1 5 2 d p ，它是西 门子s 7 3 0 0 系列p l c 中一款紧凑型产品，主要有以下特点【3 1 】：内部资源1 2 8 kr a m ， 1 0 五邑大学硕士学位论文 扩展存储器能力为6 4 k 字节r a m ，最大可以扩展3 2 个摸板( 4 机架配置) ：c p u 集成d p 通信口和m p i 接口，执行二进制指令时间为3 0 0 n sc p u 集成计数、计时、 p i d 控制等功能。 2 、主站计算机： 主站计算机因为要存储一些历史、工作记录数据，和对现场注射成形机的实时 传输数据进行各种各样的处理，所以要求比较大的存储容量和内存，c p u 的性能也 要求较高，因此我们选用一台c p u 为p 42 8 g 、内存为1 g b 、硬盘为1 6 0 g 的计算 机作为主站计算机。 3 、网卡： 集成微处理器的p r o f i b u s 网卡c p 5 6 1 3 用于计算机连接到p r o f i b u s 总线， 有一个p r o f i b u s 接口，支持d p 主站。 4 、传输介质： 传输介质是网络连接设备间的中间介质，也是信号传输的载体。常用的介质有： 双绞线、同轴电缆、光导纤维以及微波传输，相对其它介质而言，双绞线成本低廉， 只要精心选择和安装，就可以在有限的距离内达到每秒几百万位的可靠传输率，因 而广泛应用于网络中，在这里我们选用支持1 0 0 m b p s 传输速率的5 类非屏蔽双绞线。 2 3 注射成形机网络控制系统软件环境 2 3 1p l c 应用软件 s 7 3 0 0 p l c 的组态和编程由西门子公司提供的s t e p7 软件包来完成。s t e p7 是西门子s i m a t i c 工业软件中的一员，它是用于对s i m a t i c 可编程逻辑控制器 ( p l c ) 进行组态和编程的软件包3 2 1 。s t e p7 提供了几种不同的版本以适应不同的 应用和需求，s t e p 7 不是一个单一的应用程序，而是由一系列应用程序构成的软件 包，图2 2 显示了s t e p7 标准软件包的主要功能。 五邑大学硕士学位论文 图2 2s t e p7 标准软件包功能 f i g u r e 2 - 2t h ef u n c t i o no ft h es t e p7s t a n d a r ds o f t w a r ep a c k a g e 其中s i m a t i cm a n a g e r 集中管理有关s i m a t i cs 7 、s i m a t i cm 7 和s i m a t i c c 7 的所有工具软件和数据，符号编辑器用于定义符号名称、数据类型和全局变量的 注释，硬件组态用于系统组态和各种模板的参数设置，通信配置用于m p i 、 p r o f i b u s d p f m s 的网络配置，n e t p r o 组态网络用于组态m p i 、p r o f i b u s 及 以太网等网络，编程软件可用三种编程语言进行程序编写，诊断功能可诊断p l c 硬 件及p r o f i b u s 总线上从站的组态和运行情况。 2 3 1 1 硬件组态 网络控制系统除了进行正确的物理连接之外，还要对整个网络进行组态，也就 是对网络进行逻辑上的连接。这种逻辑上的组态要与实际的物理连接相同，否则整 个网络将无法工作。网络的组态分为硬件组态和软件设置，它们在完成之后都要下 装到网络的各个节点中，如果组态正确并且下装成功，整个网络就建立起来了，能 够按照组态设计的方式和要求进行通信。 网络控制系统的组态工作主要是硬件配置和网络组态，硬件配置主要是确定各 个网络节点的模块配置，网络组态主要是确定各个节点的地址、网络的通信速率等， 这部分工作是在西门子公司的p l c 编程软件s t e p7 中完成的3 3 1 ，s t e p7 编程软件 可完成p r o f i b u s 远程i o 从站的配置，包括：p r o f i b u s 参数配置，如站点、数 据传输速率；远程i o 从站硬件配置，如电源、通信适配器、i o 模块等；远程i o 1 2 五邑大学硕士学位论文 从站模块地址分配；主从站传输数据量大小( 输入输出字字节数) 及通信映像区 地址配置；设定故障处理模式等。 2 3 1 2p l c 控制程序设计 在一个p l c 的c p u 中，两种不同的程序总会被执行：操作系统和用户程序。 操作系统用来组织与特定控制任务无关的功能和顺序，它的任务包括：处理暖启动 和热启动、刷新输入的过程映像表并送出输出的过程映象表、调用用户程序、检测 中断并调用中断组织块( o b ) 、检测和处理错误、管理存储区域、与编程设备和其 它通信伙伴之间的通信。用户程序是用来处理特定控制任务的程序，它的任务包括： 指定在c p u 上暖启动和热启动的条件、处理过程数据、制定对中断的响应、处理程 序正常运行中的干扰3 4 1 。在用户程序中有几种不同类型的块可以使用：组织块( o b ) 、 系统功能块( s f b ) 、系统功能( s f c ) 、功能块( f b ) 、功能( f c ) 、背景数据块( 背 景d b ) 、数据块( d b ) 等。 基于p r o f i b u s 总线的注射成形机网络控制系统要处理大量的数据，要实现多 个从站设备之间的高速数据通信，因此合理的分配数据存储区域和划分模块是控制 程序设计过程中至关重要的步骤。本文p l c 控制程序主要实现将从站采集到的传感 器数据读取到主站，在主站中进行数据格式转换和保存，并判断是否满足报警和停 机条件，从而执行相应报警和停机等开关量控制，本文采用结构化编程，定义共享 数据块d b l - d b 4 来保存注射成形机的传感器模拟量输入信号和启动反馈等开关量 输入信号，这些数据块可被f c 4 和f c 5 调用；定义共享数据块d b 5 来保存传感器 状态，停机报警等信息，可供f c 2 和f c 3 调用；定义共享数据块d b 6 来保存归档 数据，供f c 8 调用。 2 3 2 监控组态软件w i n c c 本文所描述注射成形机网络控制系统上位机监控界面应用w i n c c 软件完成。 w i n c c 提供了开放界面的用户解决方案，因而使得将w i n c c 集成于复杂广泛的自 动控制解决方案中成为可能。本系统监控软件选用w i n c c ，其原因之一为w i n c c 是目前所有组态软件中功能比较强大的一种，二是考虑到现场设备选用的是s 7 系列 p l c 及其编程工具s t e p7 ，它们与w i n c c 组态软件同为德国s i e m e n s 公司的产品， w i n c c 本身带有s 7p l c 的驱动软件，因此p l c 与监控计算机的连接变得非常容易。 在w i n c c 监控系统中，要想能够动态监视各站点的运行情况，就必须为w i n c c 1 3 五邑大学硕士学位论文 和p l c 之间建立通信连接，如图2 4 所示。通信驱动程序是p l c 系统与w i n c c 之 间的接口，访问外部的过程变量，必须为远程p l c 通信安装通信驱动程序，通道单 元是通信驱动程序的一部分，也叫通信驱动程序连接，必须使用它来与通信硬件的 操作系统接口进行通信。通道单元是作为w i n d o w sd l l ( d y n a m i cl i n k a b l el i b r a r y ， 动态链接库) 实现的，并与系统动态地链接，各个w i n c c 通道代表了对带有指定 协议的参数访问，一个通道d l l 可以支持同一类型的多个通道单元。w i n c c 数据 管理器通过逻辑链接来访问p l c 中的过程值，通道单元通过指定通道的连接来访问 过程值所需要的通信步骤，由此为w i n c c 数据管理器提供过程值，所读入的数据作 为过程映像存储在计算机的r a m 中，所有w i n c c 的组件均可访问过程映像【3 5 1 。 2 4 本章小结 图2 - 3w i n c c 和p l c 之间的通信连接 f i g u r e 2 3t h ec o m m u n i c a t i o nl i n kb e t w e e nw i n c ca n dp l c 首先对本文研究的注射成形机网络控制系统的主要任务作以描述，构筑系统的 总体结构，根据系统结构选择硬件和软件，同时在文中对所选的硬件和软件相关情 况及性能作了一定的介绍。 1 4 五邑大学硕士学位论文 3 1 现场总线分类 第三章p r o f i b u s 现场总线 到目前为止，世界上现场总线协议标准还没有统一，符合国际标准i e c 6 1 1 5 8 、 i e c 6 2 0 2 6 、i s 0 11 8 9 8 、i s 0 11 5 1 9 或欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准有十几种。 按照传输数据的大小大体分为三类：即传感器总线、设备总线和数据流总线。下面 简要介绍几种典型的现场总线1 3 6 1 ： 1 、f f ：f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是基金会现场总线，它以i s o 的开放系统互 连模型i s o o s i 为基础，采用物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应 层次，并在应用层上增加了用户层。它分为低速h 1 和高速h 2 两种通信速率，物理 传输介质为双绞线、光缆和无线电，传输信号采用曼彻斯特码。f f 现主要应用于自 动化测控领域，许多仪表公司已开发出符合f f 协议的产品。 2 、c a n c