（机械工程专业论文）基于profibus现场总线的钢管修磨生产控制系统的研究.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h ep r o d u c t i o nc o n t r o ls y s t e mo f p i p eg r i n d i n gb a s e d o np r o f i b u s b yw a n gr e n b o s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f e s s o rz h a n gz h i w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y 2 0 0 8 -y- 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 ，一 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 二e 恧。 学位论文作者签名： 多歹歹旋 日期：2o - o 矿2 2 矿 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。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： zf 二坡 导师签名： 签字日期：2 砂矿夕z 矿签字日期： ) 夕 第， ，1l11j l，i， i j p j 东北大学工程硕士学位论文 摘要 基于p r o f i b u s 现场总线的钢管修磨生产控制系统的研究 摘要 可编程控制器( p l c ) 是近年来发展极为迅速，应用极广，以微处理器为核心，集微机 技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。由于其高性能、低成本和在恶 劣环境中的高可靠性，被广泛应用于工业控制领域。 随着p l c 控制技术在国内外的快速发展，在工业生产中采用p l c 技术来控制钢管修磨 也同样得到了一定程度的发展。为了保证设备在安全、稳定的环境下运行，p l c 发挥着巨 大的作用。另外，p r o f i b u s 现场总线把p l c 和现场设备连接起来，从而实现了p l c 输入 与输出之间的通信。 本文采用西门子公司s 7 3 0 0 型p l c 作为主电气控制系统对原有生产线进行改造，通过 p l c 的s t e p 7 控制程序来完成钢管修磨一系列操作过程，相对于原有控制系统有了根本性 的变化。改进后的生产线采用完全自动化、智能化的操作系统，电气控制系统采用基于 p r o f i b u s 现场总线分布式结构。 该系统的生产控制系统目前已经得到了应用，实际运行表明：该系统提高了钢管修磨 的稳定性，提高了修磨质量，生产效率也得到了较大提高。 关键词：可编程控制器：钢管修磨；s t e p 7 东北大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ep r o d u c t i o nc o n t r o ls y s t e mo f p i p eg r i n d i n g b a s e do np r o f i b u s a b s t r a c t 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 ( p l c ) i sa k i n do fu n i v e r s a li n d u s t r i a la p p a r a t u sw h i n c h i sd e v e l o p e dr a p i d l ya n du s e dw i d e l yi nr e c e n ty e a r s ，t a k i n gm i c r o p r o c e s s o ra si t si n t e g r a t i n g m i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b e c a u s e o fi t sh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s ta n dh i l g hr e l i a b i l i t yi nt h eh a r s he n v i r o n m e n t p l ch a sb e e n w i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o la r e a s w i t har a p i dd e v e l o p m e n to fp l cc o n t r o lt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ，t h e a p p l i c a t i o no fp l ci nc o n t r o l l i n gt h eg r i n d i n go f t h ep i p ei n d u s t r ya l s oh a sac e r t a i nd e g r e eo f d e v e l o p m e n t i no r d e rt o e n s u r et h ee q u i p m e n t sr u ni ns e c u r i t ya n du n d e rt h e s t a b l e e n v i r o n m e n t p l ci sp l a y i n ga ne n o r m o u sr o l e i na d d i t i o n ，p r o f i b u sc o n n e c t sp l ct of i e l d d e v i c e s i th a sr e a l i z e dt h ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e ni n p u t sa n do u t p u t so f t h ep l c i nt h i sp a p e r , t h em a i ne l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mi st h es i e m e n ss 7 3 0 0p l c t h es t e p 7 c o n t r o lp r o c e d u r e so ft h ep l cc o m p l e t eas e r i e so fp i p eg r i n d i n go p e r a t i o np r o c e s s ， c o m p a r e dt ot h ee a r l i e rp r o d u c t i o nl i n e s ，t h ec o n t r o ls y s t e mh a sc h a n g e dr a d i c a l l y t h ef u l l y a u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n to p e r a t i n gs y s t e mi su s e di nn e wp r o d u c t i o nl i n e s ，t h ee l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e mt a k e sd i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r eb a s e do np r o f i b u s t h es y s t e mo fp r o d u c t i o nc o n t r o ls y s t e mh a sb e e na p p l i e d ，t h ea c t u a lr u n n i n gs h o w p i p e g r i n d i n gs t a b i l i t y , g r i n d i n gq u a l i t y , e f f i c i e n c yh a v eb e e ne n h a n c e di nt h es y s t e m k e y w o r d s ：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 ( p l c ) ；p i p eg r i n d i n g ；s t e p 7 - 1 1 1 - - j 东北大学工程硕士学位论文第1 章目录 目录 独创性声明j i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 技术改造方案1 1 2 1 技术改造可行性分析1 1 2 2 总体目标1 1 2 3 主要技术措施。2 1 2 4 机械设备布置3 1 3 钢管修磨的意义3 1 4 课题的主要内容4 第2 章现场总线5 2 1 现场总线的概述5 2 2 现场总线的特点6 2 2 1 现场总线的发展6 2 2 2 现场总线系统的结构特点7 2 2 3 现场总线系统的技术特点8 2 3 几种典型的现场总线8 第3 章钢管修磨的加工工艺1 2 3 1 磨削技术发展概述12 3 2 磨削工艺的关键技术研究1 3 3 3 磨削加工的特点15 3 4 磨削加工方法分类16 东北大学工程硕士学位论文 第1 章目录 3 5 钢管磨削工艺特点一1 7 3 6 钢管磨削加工过程控制18 第4 章钢管修磨电气控制2 0 4 1p l c 概述2 0 4 1 1p l c 的特点2 0 4 1 2p l c 工作原理2 0 4 1 3s 7 3 0 0p l c 的结构一21 4 1 4s t e p 7 标准软件包2 2 4 2 钢管修磨电气控制系统2 4 4 2 1 钢管修磨生产2 4 4 2 2 传动控制系统简介2 5 4 2 3p l c 控制系统结构设计2 5 第5 章钢管修磨软件分析2 7 5 1 系统配置2 7 5 2 钢管修磨工艺流程分析2 7 5 3 系统软件分析2 8 5 3 1o b l 功能块2 9 5 3 2f c l 功能块2 9 5 3 3f c l 0 功能块3 2 5 3 4f c 4 6 功能块3 3 5 - 3 5f c 4 8 功能块3 6 5 3 6f c 6 0 功能块4 l 5 3 7f c s 0 功能块4 2 5 3 8f c l 0 0 功能块4 3 5 3 9f c 5 1 0 功能块4 3 第6 章结论与展望4 5 6 1 结论4 5 v - 东北大学工程硕士学位论文第1 章目录 6 2 展望4 5 参考文献4 6 致谢4 8 附录a 4 9 附录b ：5 2 - v i - 东北大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 烟台鲁宝钢管有限责任公司精整区域钢管修磨机组承担了无缝钢管的修磨任务。到目 前为止，原有修磨线已运行了1 0 年，随着钢管修磨质量要求的不断提高、产品规格的延伸、 长时间的高节奏生产及现场环境的影响，该机组存在以下问题【l 】： 1 ) 修磨区的设备布置不能适应新的产品规格要求； 2 ) 该机组大部分电气设备已经老化，造成电气控制系统故障不断增加，严重影响了正 常生产； 3 ) 由于前后压轮设计不合理，变形、扭曲现象严重，使修磨钢管在修磨过程中稳定性 差，修磨质量得不到保证； 因此，必须对该机组进行相应完善性的技术改造。 1 2 技术改造方案 1 2 1 技术改造可行性分析 目前，国内外许多钢管厂家近几年新投入的钢管修磨线在设备布置、结构设计、控制 系统上同我公司现有钢管修磨线线相比已发生了根本性的变化，技术、工艺水平大大改进， 修磨质量大大提高。 近几年新上的钢管修磨线大都采用完全自动化、智能化的操作系统，电气控制系统采 用基于p r o f i b u s 现场总线的分布式结构。采用整体机座，托辊的支承机构和调整分布密度 加大，大大提高了钢管修磨时的稳定性。增加了输入、输出压轮和辅助压轮，保证了钢管 的均匀进给运动，提高了钢管修磨质量，通过比例压力阀由电机负荷电流模型反馈控制磨 削力，实现最佳磨削工艺参数控制。应用带紧锁的双气缸机构，实现了修磨线开口度的自 动调整和修磨量的自动控制，确保了修磨钢管的表面质量同时延长了砂轮和沙带的寿命， 生产效率也得到了大幅提高【2 卅。 通过分析，我们认为对公司原有修磨线进行技术改造和设备更新是完全可行的。 1 2 2 总体目标 根据鲁宝公司设备部和精整分厂多次讨论意见，本项目整体技术改造的总体目标 1 - 东北大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 为：采用新的钢管修磨工艺方案、机械技术、电气控制技术和控制软件，对原有的钢管 修磨生产线进行改造，通过改造使原有钢管修磨线的主要磨削技术指标达到一个新的水 平。 1 2 3 主要技术措施 在采用新的钢管修磨设备优点的基础上，对原有钢管修磨线机械、电气设备进行改造， 具体措施如下： 1 ) 为了达到能够修磨0 3 2 5 钢管要求，重新设计分管器； 2 ) 改造托辊角度调整机构，增加钢管支承的稳定性； 3 ) 在钢管输入处增加一对主动托辊，方便快速处理不能通过修磨线的钢管； 4 ) 托辊的角度调整采用自动控制，以增加调整的准确度； 5 ) 在修磨区的头尾各增加一组主动压轮，以保证钢管轴向进给的均匀； 6 ) 修磨后增加从动压轮装置，以增加修磨时的稳定性； 7 ) 增加修磨区托辊的分布密度，提高支承机构的刚性； 8 ) 修磨机砂轮厚度由6 0 m m 扩大到7 5 m m ，提高修磨效率； 9 ) 改造砂带传动轮结构和砂带涨紧装置，提高运行可靠性； 1 0 ) 改造修磨机机座，提高机座刚度，减小振动； 1 1 ) 采用先进的恒压力磨削工艺，当钢管( 弯曲度) 轴线直线度、硬度及砂轮锐钝尺寸发 生变化时，汽缸进给系统能自动调节横向进给量，以确保达到规定的精度及表面光洁度； 1 2 ) 改造修磨机砂轮及砂带的进给机构，采用双气缸加锁紧缸机构，实现钢管规格砂 轮直径变化时修磨线的开口度的自动调节； 1 3 ) 通过比例调节阀用电机的负载电流反馈实现磨削力控制； 1 4 ) 根据改造后的机械设备动作要求，设计气压控制系统，对气源压力、流量的需求 进行分析，确定系统参数： 1 5 ) 重新设计出料翻板，采用斜面双向输出翻板，翻板制动装置可以使翻板停留在指 定的位置：避免气动系统压力波动对出料的影响； 1 6 ) 在输出辊道区增加主动托辊，保证钢管能够快速、顺利地输出； 1 7 ) 设备底座采用整体结构，提高刚性，重新浇注设备基础，在设备底座和基础之间 设计调整垫片，减小基础不均匀沉降的影响。 电气控制部分的技术改造如下： 1 ) 更新改造原生产线的电气系统，电气控制系统采用基于p r o f i b u s 现场总线分布式 2 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 结构； 2 ) 所有压轮通过变频器实现交流调速控制，方向角手工调整； 3 ) 采用完全自动化、智能化的操作系统； 4 ) 在适当的位置增加位置传感器，电流传感器； 5 ) 对新方案的电气系统和气动系统进行分析研究，设计相应的p l c 程序软件，并摸索 出最佳磨削方案。 1 2 4 机械设备布置 机械设备的布置既要满足技术措施的实施和新的工艺要求，又要满足与原有设备的衔 接。钢管修磨生产线可分为三部分：钢管上料区、修磨区和钢管出料区。钢管上料区长度 1 6 5 m ，考虑到台架分管器和上料翻板保持不动，因而托辊的辊距保持不变，为了防止托辊 角度调整拉杆与分管器支承发生干涉，该拉杆位置必须降低高度。在钢管输入区增加一对 主动托辊，使不能通过修磨线的钢管后退以便把它吊走【5 堋。 修磨区长度1 6 5 m ，有三台修磨机，它们的结构型式和位置保持不变，间距为2 4 3 0 m m 。 每台修磨机前面有一套主动压轮，后面有一套辅助压轮。上料区有一套主动压轮装置称为 输入压轮装置，它有三个压轮及其驱动机构，分别安装在整体机座上，三个压轮之间的间 距为15 0 0 m m ，最后一个输入压轮与修磨机前的主动压轮距离4 2 9 0 m m 。 钢管出料区长度1 6 5 m ，钢管出料区有一组主动压轮装置，称为输出压轮装置，压轮 布置与输入压轮装置类似，它的最后一个压轮控制钢管停止在指定位置，它的第一个压轮 距离第三台修磨机5 9 2 0 m m ，这个距离超过了最短钢管5 8 m 定尺，因此，在第三台修磨机 后面增加一套过渡主动轮，它距离第三台修磨机1 6 3 0 m m ，这样的布置可保证最短定尺的钢 管顺利通过修磨区。出料区收集料槽位置不变，输出托辊分布间距也为1 5 0 0 m m ，其中主动 托辊2 个，其余为从动托辊。双向出料翻板均匀分布，分布间距为1 5 0 0 m m 。 该修磨线总长5 0 m ，采用分段整体机座，刚性连接，由2 0 个支承点匀布支承，分布间 距为2 4 2 0 m m 。 机座上的所有托辊，辊形完全相同，托辊的中心距和角度调整完全同步，因此，托辊 的调整机构之间用同步连杆连接，由位于输出料区端部的调整装置根据钢管的规格进行电 动或手动调整。 1 3 钢管修磨的意义 基于1 1 节中钢管修磨中存在的问题，改进钢管修磨p l c 控制设计有必要的意义。 3 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪论 改造后的生产线要采用完全自动化、智能化的操作系统，电气控制系统采用基于 p r o f i b u s 现场总线分布式结构。采用整体机座，改造托辊的支承机构和调整分布密度，提 高钢管修磨时的稳定性。增加输入、输出压轮和辅助压轮，保证钢管的均匀进给运动，提 高修磨质量，通过比例压力阀由电机负荷电流模型反馈控制磨削力，实现最佳磨削工艺参 数。应用带紧锁的双气缸机构，实现修磨线开口度的自动调整和修磨量的自动控制，确保 磨削钢管的表面质量同时延长砂轮和沙带的寿命，提高生产效率。 通过钢管修磨工艺的改进可以提高钢管修磨质量，一是可以挽救部分废次品，减少废 次品产生，降低质量损失；二是可以满足部分规格品种钢管特殊工艺要求。 1 4 课题的主要内容 本课题的主要内容是基于p r o f i b u s 现场总线采用西门子s 7 3 0 0 p l c 来完成对钢管修 磨过程的控制，主要工作包括以下部分： 1 ) 详细分析了解改造后钢管修磨线工艺流程及修磨线主要设备动作过程，选用相应的 电气控制系统； 2 ) 分析并统计系统相关输入、输出信号功能及点数，合理配置硬件，进行电气设备选 型； 3 ) 基于p r o f i b u s 现场总线及s 7 3 0 0 的结构与功能，合理选择各种功能模块构成p l c 控制系统，编写钢管修磨过程的s t e p 7 控制程序。 4 2 1 现场总线的概述 第2 章现场总线 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从 工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从作业区、车间( 分厂) 、企业乃至世界 各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成 自动化系统为基础的企业信息系统。 现场总线( p r o f i b u s ) 就是顺应这一形势发展起来的新技术。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。它在制造业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有 广泛的应用前景1 7 叫。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，把多个测量控制仪表连接成 一个网络系统，使它们各自都具有数字计算和数字通信能力，并按公开、规范的通信协议， 在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数 据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的 测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同 完成自控任务的网络系统与控制系统。它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算 机被网络连接在一起，使计算机的功能、作用发生的变化，现场总线则使自控系统与设备 具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。因此把现场总线技术 说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的 不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底 层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用 自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统 成为“信息孤岛 。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种 能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现 场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交 换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动化、制造自动化、 楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间 及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。 5 东北大学工程硕士学位论文第2 章现场总线 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。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，它一经产 生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。现场总线的出现，导致目 前生产的自动化仪表、集散控制系统( d c s ) 、可编程控制器( p l c ) 在产品的体系结构、功能 结构方面的较大变革，自动化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战。传统 的模拟仪表将逐步让位于智能化数字仪表，并具备数字通信功能。出现了一批集检测、运 算、控制功能于一体的变送控制器：出现了可集检测温度、压力、流量于一身的多变量变送 器；出现了带控制模块和具有故障信息的执行器，并由此大大改变了现有的设备维护管理 方法【1 0 1 2 1 。 2 2 现场总线的特点 2 2 1 现场总线的发展 从1 9 8 4 年i e c ( 国际电工委员会) 开始制定现场总线国际标准至今，现场总线的发展过 程如下： 1 ) 多种总线并存，现场总线国际标准i e c 6 11 5 8 采用了8 种协议类型，每种都有其产 生的背景和应用领域。 2 ) 每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张势力范围。 3 ) 大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中产生影响，以取得更 多方面的支持，同时也显示其技术开放性。 4 ) 每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关。 如p r o f i b u s 以s i e m e n s 公司为主要支持，c o n t m l n e t 以r o c k w e l l 公司为主要背景，w o r l d f i p 以a l s t o m 公司为主要后台。 5 ) 大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织。 6 ) 每种总线大多将自己作为国家或地区标准。 7 ) 在激烈的竞争中出现了协调共存的前景。 虽然现场总线的标准统一还有种种问题，但现场总线控制系统的发展却是一个不争的 6 - 东北大学工程硕士学位论文第2 章现场总线 、事实。具体的发展趋势表现在以下几个方面： 1 ) 现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统。 2 ) 现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展。 3 ) 现场总线控制系统大量采用成熟的、开放的、通用的技术。 4 ) 工业以太网、o p c 和i n t e m e t 技术越来越多地被引入现场总线的发展过程。 2 2 2 现场总线系统的结构特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，传统模拟控制系统采用一对一的设备 连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控 制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控制室的控制模 块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可 以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制 仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制l l3 1 。 由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号( 包括多个运行 参数、多个设备状态、故障信息) ，同时又为多个设备提供电源：现场设备以外不再需要模 拟数字、数字模拟转换部件。这样就为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与 各种安装、维护费用创造了条件。 图2 1 具有若干主站和从站的p r o f i b u s 系统配置 f i g 2 1s e v e r a lm a i ns t a t i o na n ds u b o r d i n a t es t a t i o no f p r o f i b u ss y s t e mi n s t a l l t i o n - 7 东北大学工程硕士学位论文第2 章现场总线 2 2 3 现场总线系统的技术特点 现场总线系统在技术上具有以下特点： 1 ) 系统的开放性。开放是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。 一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信 协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建 立统一的工厂底层网络的开放系统。用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产 品组成大小随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。 2 ) 互可操作性与互用性。互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟 通：而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感侧量、补偿计算、工程量处理与控制等 功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断 设备的运行状态。 4 ) 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。 从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高 了可靠性。 5 ) 对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专 为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有 较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 2 3 几种典型的现场总线 1 ) f f ( 基金会现场总线) 基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，简称f f 总线) 是为了适应自动化系统，特别是过 程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的。 f f 的通信模型以i s o o s i 开放系统互连参考模型为基础，采用了物理层、数据链路层、 应用层，并在其上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存 取的统一规则，采用设备描述语言( d d l ，d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 规定了通用的功能 块集。基金会现场总线采用的是令牌总线通信方式，可分为周期通信和非周期通信， 目前 有低速和高速两种通信速率。 2 ) c a n ( 控制器局域网络) c a n 是控制局域网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的简称，最早由德国b o s c h 公司及几个 - 8 - 东北大学工程硕士学位论文 第2 章现场总线 半导体集成电路制造商开发出来，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线 规范现已被i s ot c 2 2 技术委员会批准为国际标型1 4 17 1 。c a n 协议也是建立在国际标准组 织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有三层，即只取o s i 底层的物理层、 数据链路层和顶层的应用层。c a n 采用多主工作方式，节点之间不分主从，但有优先级之 分。通信方式灵活，可实现点对点、一点对多点及广播方式传输数据，无需调度。c a n 采 用的是非破坏性总线仲裁技术，按优先级发送，可以大大节省总线冲突仲裁时间，在重负 荷下表现出良好的性能。c a n 的信号传输采用短帧结构。每一帧的有效字节数为8 个，因 而传输时间短，受干扰的概率低。而且每帧信息都有c r c 校验和其它检错措施，保证数据 差错率极低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系使总 线上的其它接点及其通信不受影响，但c a n 不能用于防爆区。 3 ) l o nw o r k s ( 局部操作网络) l o nw o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。它采用了i s o o s i 模型的全部7 层通信协议，采用了面向对象的设 计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。l o nw o r k s 技术所采用的l o nt a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经元芯片中而得以实现。集成芯片中有3 个8 位c p u ，第 一个用于完成o s i 模型中第1 和第2 层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问 的控制与处理：第二个用于完成第3 - 6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、 处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等： 第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以 实现c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区，以实现c p u 之间的信息传递， 并作为网络缓冲区与应用缓冲区。 4 ) h a r t ( 可寻址远程传感器高速通道) h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写。最早由r o s e m o u n t 公司开发 并得到8 0 多家著名仪表公司的支持，于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会。这种被称为可 寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信 号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有 较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。 h a r t 采用统一的设备描述语言d d l 。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备 特性，由h a r t 基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运 用d d l 技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟 数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。h a r t 能利用 9 东北大学工程硕士学位论文第2 章现场总线 总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成手持编程器与管理系统主机作为主设备的 双主设备系统。 5 ) p r o f i b u s ( 过程现场总线) p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线 标准。它是由以西门子公司为首的1 3 家公司和5 家科研机构在联合开发的项目中制定的标 准化规范，由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) ：一种高速低 成本通信，用于设备级控制系统与分散式i 0 的通信；p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) ： 专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构连在一根总线上，并有本质安全规范： p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) ：用于车间级监控网络，是一个令牌结构的 实时多主网络。 p r o f i b u s 现场总线技术通过多年的实际应用，实现了不同设备的数字网络互联， 已 经成为完整、开放、与制造商无关的国际性现场总线标准。与其他现场总线系统相比，其 最大优点在于具有稳定的国际标准e n 5 7 0 作保证，并经实际应用验证具有普遍性。这就说 明了它的成熟性和规范能力，归纳起来它具有以下优势： 1 ) 总线存取协议 二种系列的p r o f i b u s 均使用单一的总线存取协议，数据链路层采用混合介质存取方 式，即主站间按令牌方式、主站和从站间按主从方式上作，得到令牌的主站可在一定的时 间内执行本站的工作，这种方式保证了在任一时刻只能有一个站点发送数据，并且任一个 主站在一个特定的时间片内都可以得到总线操作权，这就避免了冲突。这样的好处在于传 输速度较快，而其他一些总线则采用的是冲突有碰撞检测法，在这种情况下，某些信息组 需要等待，然后再发送，从而使系统传输速度降低。 2 ) 灵活的配置 根据不同的应用对象，可灵活选取不同规格的总线系统，如简单的设备一级的高速数 据传送，可选用p r o f i b u s d p 单主站系统，稍微复杂一些的设备及高速数据传送，可选用 p r o f i b u s - d p 多主站系统，比较复杂一些的系统可将d p 与f m s 混合选用，两套系统可 方便地在一根电缆上同时操作，而无需附加任何转换装置。 3 ) 开放性和适应性 因为p r o f i b u s 的网络协议以i s o 颁布的o s i 标准7 层参考模型为基础，对第3 层到 第7 层进行了简化，增加了用户接口层，可以说它的标准适应性强。此外，它的三种系列 可以适应不同的应用对象和通信速率方而的要求，开放性好。 4 ) 生产厂家的支持 - 1 0 - 东北大学工程硕士学位论文 第2 章现场总线 鉴于现在p r o f i b u s 己成为国际性的开放现场总线标准，因此得到了众多生产厂家的 支持。目前有许多公司可以提供p r o f i b u s 协议芯片，如摩托罗拉、西门子等。众多p l c 厂家在其产品中( 如s i e m e n ss 7 及s 5 系列，欧姆龙系列、三菱系列) 提供了与p r o f i b u s 的接口，从而扩大了工业现场用户的选择余地，客观上保护了用户的利益，巩固了 p r o f i b u s 在应用领域的地位。 基于以上分析，结合现场实际情况，本系统现场级p l c 控制网络选用 p r o f i f i b u s d p 总线进行控制。 东北大学工程硕士学位论文第3 章钢管修磨的加工工艺 第3 章钢管修磨的加工工艺 3 1 磨削技术发展概述 一般来讲，按砂轮线速度冶的高低将磨削分为普通磨削( v s 4 5 r n s ) 、高速磨削( 4 5 v s ；一1 5 0 m s ) 。按磨削精度将磨削分为普通磨削、精密磨削( 加工 精度l l u n - 0 1 i m a 、表面粗糙度r a 0 2 1 a n - - 一0 1 i m a ) 、超精密磨削( j j n - r 精度 3 # 压送轮压下一) 4 # 压送轮压下一) 1 # 修磨机修磨一) 1 # 修磨机辅助压轮压下一) 5 # 压送轮压下一) 2 # 修磨机修磨一) 2 # 修磨机辅助压轮压下一 6 # 压送轮压下一) 3 # 修 磨机修磨一) 3 # 修磨机辅助压轮压下一) 7 # 压送轮压下) 8 # 压送轮压下一) 9 # 压送 轮压下一) 1 0 # 压送轮压下一) 当管子尾端离开压轮或修磨机时，压轮和修磨机自动返回 初始状态，出料翻板升起一) 出料。 当钢管离开翻板后，翻板下降复位。 修磨初始状态调整包括托辊的角度、所有压轮的角度、主动压轮转速、压轮和砂轮的 高度等。 托辊的角度根据钢管规格和修磨速度电动调整，所有压轮的角度手动调整，主动压轮 的转速根据修磨工艺设定。压轮和砂轮的压下动作是双气缸驱动，钢管规格调整时，压轮 和砂轮的最高初始位置也进行调整，总是保持压轮和砂轮相对于钢管上表面一定距离( 大 约1 0 m m ) 以缩短工作时的压下行程，提高修磨效率。系统的工艺操作流程图( 见附录b ) 。 2 ) 根据钢管需要的流程操作绘制每个步骤的流程，然后再由流程图编写p l c 的s t e p 7 控制程序。 5 3 系统软件分析 钢管修磨生产线由各种不同功能的机械部件组合而成，进料部分有上料翻板、输入托 辊、挡料块、压送轮，修磨站有压送轮、修磨头、磨削电机、辅助压轮，出料部分有压送 轮、输出托辊、出料翻板，每一个部件都有一个相应的程序块来对它进行控制。整个修磨 线：上料翻板由功能块f c l 控制，输入托辊由f c l 6 控制，1 1 0 # 压送轮分别由f c l 0 、f c 2 0 、 f c 3 0 、f c 5 0 、f c 7 0 、f c 9 0 、f c l l 0 、f c l 2 0 、f c l 3 0 、f c l 4 0 功能块控制，1 # 、2 # 、3 # 修磨头分别由f c 6 0 、f c 8 0 、f c l 0 0 控制，下料翻板由功能块f c 2 控制，输出托辊由f c 2 6 控制功能块，f c 4 6 从输入站采样修磨电流值，功能块f c 4 8 输出修磨压力，f c