（机械工程专业论文）基于profibus现场总线技术的非织造布生产线控制系统研究.pdf

学位论文的主要创新点 l h il li ii1 1 11 11 11 11iii 18 7 9 2 9 8 一、采用p r o f i b u s 现场总线通讯技术实现刈 f 织造布生产线的集- l - 拧制， 利用p r o f i b u s 通讯协议，通过多台i t m i ，p l c 和变频器以及上位机之问的通讯， 实现对整条生产线的速度同步控制，信息传递与监控，具有实时性好，控制精度 高，稳定抗干扰，操作方便等优点。 二、采用电子齿轮箱结构的程序控制梳理机的多台电机了f ：实现了各r u 机丌停 车时速度的同步升降，同时根据生产工艺要求，通过编程实现了各i 乜机之川的速 比在保持与整线同步的前提下单独可调。 三、在w i n c e 软件平台上设计开发了非织造稚生产线的集1 1 1 控制界而，将枢 条生产线的工作状况准确形象地显示在中控室操作员的l f l i 前，实现了对枢线全部 设备的实时监控。 摘要 非织造布技术是一门新兴技术，它突破了传统的纺织原理，具有f 艺流氍短、 乍广：速度快，产量高、成本低、用途广、原料柬源多等特点。圭；f l j j 一一1 渐i l tj 料涉 及到各个产业用途领域。一条完整的兀纺靠生产线l 几台惟机设衙组成，独、 控制各设箭不仅成本高，而且存在操作不方便，符台设备之f l , j 信息封闭等缺点。 本文分析了国内外非织造布设备控制系统的现状和发展趋势，j , x zj lj | i c 控制 技术和p r o f i b u s 现场总线技术，实现了对5 1 ：清、梳理、铺网等1 l ：g u f 2 1 i ji 键箭的 集t i ，控制和管理，并对整线上其他设备的p r o f l b l i s 网络扩展进行了探索和f i ) f 究。 论文具体的分析了开清、梳理、铺网生产线的系统组成，研究了各甲机的功 i i 断i i 控制要求。 完成了系统硬件电路的设计，系统程序的编写以及临控界f f i i 的升l 态和测试。 采用了一台s 7 4 0 0 的p l c 做主站对各从站进行集中控制，选择s 7 3 0 0 的h c 做从站，利用s t e p 7v 5 3 软件完成了p r o f ! b u s 现场总线控制系统的软硬什设汁 和通讯程序设计。在从站s 7 3 0 0 中编程实现了系统的手动、自动、整线暇动三 种方式的工作；根据其数学模型，完成了梳理机速度同步程序、棉箱连续i i e ! 棉程 序、铺网工艺计算程序的设计。在w i n c c 软件平台上设计丌发了非钐l 造们j7 i - 产线 控制系统的人机界面，将其工作状况准确形象地湿示在中控室操作员的f 、订，便 于操作员作出正确的决策和调整，从而降低操作员的疲劳程度；并能将承硬的工 作参数存储在工控机中，为重要资料的备份提供了方便快捷的途径。 研究了整个非织造布生产线上的现场总线网络的扩展，介绍了支持 p r o f i b u s 协议的第三方设备的加入，以及与a s i 总线和工业以太网的连接。 关键词：非织造布现场总线p r o f i b u sp l cw in c c a b s t r a c t n o n w o v e n si san e wt e c h n o l o g y , i ti sab r e a k t h r o u g ho ft h et r a d i t i o n a l t e x t i l et e c h n o l o g y t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e so ft h i st e c h n o l o g ys u c ha ss h o r t p r o d u c tp r o c e s s ，f a s tp r o d u c ts p e e d ，h i g hp r o d u c t i o n ，l o wc o s t a n de a s yt og e t m a t e r i a l 。n o n w o v e n sp r o d u c t sa r eu s e di nm a n yd if f e r e n tf i e l d s o n ew h o l e n o n w o v e n sl i n ei sc o n s i s to fm o r et h a nt e ns e p a r a t e de q u i p m e n t s t h e r ea r em a n y d i s a d v a n t a g e si fw es e p a r a t e dc o n t r o le a c he q u i p m e n t t h ec o s tw i l lb eh i g ha n di t i sn o tc o n v e n i e n tf o ro p e r a t i o na n ds h a r ei n f o r m a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fn o n w o v e n e q u i p m e n tc o n t r o ls y s t e m ，u s et h ep l c a n dp r o f i b u st e c h n o l o g y , d e v e l o p e daf u l l y i n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo fn o n w o v e n se q u i p m e n t s ，a n dr e s e a r c h e dt h ep o s s i b i l i t y o fa d do t h e re q u i p m e n t si n t ot h i sc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eo p e n i n ga n dc l e a n i n gm a c h i n e ，c a r d i n gm a c h i n ea n d c r o s sl a p p e rm a c h i n e ，d e s c r i b e dt h ef u n c t i o na n dc o n t r o lr e q u i t e m e n to fe a c h m a c h i n e 一 f i n i s h e dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h eh a r d w a r e ，u s eas 7 4 0 0p i 。ca st h em a s t e r ，2 s 7 3 0 0p l ca ss l a v e st ob u i l dac o n t r o ls y s t e m ，f i n i s h e dt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n a n dp r o g r a m m i n gw o r k s f i n i s h e dt h ep r o g r a m m i n gw o r ko fh o wt or u nt h e m a c h i n ei nt h e3k i n do fm o d e ss u c ha sm a n u a l ，a u t o m a t i ca n dw h o l el i n em o d e f i n i s h e dt h ep r o g r a m m i n go fc a r d i n gm a c h i n e ，c h u t ef e e d e ra n dc r o s s i n gl a p p e r m a c h i n e u s ew i n c cs o f t w a r et od e s i g nt h eo p e r a t i o ni n t e r f a c e ，s h o wt h es t a t u so f t h ew h o l el i n e ，e a s yf o ro p e r a t o rt od e c i d eh o wt oa d j u s tt h es y s t e m a l lt h e p a r a m e t e r sc a nb er e c o r d e da n ds a v e di nt h ep c ，e a s yf o ri n f o r m a t i o nb a c k u p r e s e a r c h e dh o wt oe x t e n dt h ef i e l d b u sn e t w o r kt ot h ew h o l ep r o d u c t i o nl in e ， i n t r o d u c e dh o wt oa d do t h e re q u i p m e n t si n t ot h ep r o f i b u ss y s t e ma n dh o wt o c o n n e c tt h ep r o f i b u st oa s ib u sa n de t h e r n e t k e y w o r d s ：n o n w o v e n s f i e l d b u s p r o f i b u sp l cw i n c c 目录 第一章绪论一l i 1 课题背景及选题意义1 1 2 国内外无纺布设备控韦l j 系统发展概况一2 1 2 1 国内无纺布设备电气控制系统发展过程及现状2 1 2 2 国外先进无纺布生产线电气控制系统介绍3 1 3 课题研究内容与目标7 第二章系统需求分析与总体方案论证9 2 1 无纺布生产线的组成及成网工艺介绍：9 2 1 1 生产线的组成：9 2 1 2 成网工艺介绍i 眩】：1 0 2 2 非织造布生产线电气控制要求分析：l 0 2 2 1 开清单元控制要求10 2 2 2 梳理单元控制要求15 2 2 3 铺网单元控制要求17 2 3 非织造布控制系统的总体设计18 2 3 1 总体设计的原则i8 2 3 2 系统的总体结构19 2 3 3 系统的硬件平台1 9 2 3 4 系统的软件平台1 9 第三章p r o f ib u s 现场总线控制系统设计2l 3 1 引言2 l 3 1 1 现场总线技术概述2 l 3 1 2p r o fib u s 现场总线技术简介2 l 3 2 控制系统总体结构2 2 3 2 1p l c 控制系统类型2 2 3 2 2 现场总线系统的硬件描述2 3 3 3s t e p 7 简介1 2 5 3 4 系统的硬件组态2 7 3 4 1 从站的硬件组态2 7 3 4 2 主站的硬件组态2 8 3 5 主从站之间的通讯程序设计3 l 3 5 1 通讯数据区的组态3 l 3 5 2 通讯程序3 3 第四章系统控制程序及监控界面的设计3 5 4 1 系统控制程序设计3 5 4 1 1 逻辑顺序控制程序3 5 4 1 2 变频通讯程序3 6 4 1 3 速度同步程序3 7 4 1 4 棉箱连续喂棉程序3 9 4 1 5 铺网工艺计算程序4 2 4 2 系统监控辫面设计j ： 4 2 1win c c 简介啪1 4 2 4 2 2win c c 监控界面的没计流程j 4 3 4 2 3 人机界面的安全保护性设计：k 4 9 第五章 系统可扩展性分析：一5 3 5 1 水刺生产线的扩展方案5 3 5 1 1 水刺生产线的组成5 3 5 1 2p r o i ? l b u s 刚络的i j 扩腱 t l - 5 3 5 2 加入支持p r o flb u s - i ) p 协议的第三方设备5 二 5 3 与a s i 总线的连接5 7 5 3 1a s i 总线简介5 7 5 3 2 利用网关与p r o fl b u s 网络连接5 7 5 4 以太网的连接5 8 第六章系统的测试6 1 6 1p r o fib u s - d p 网络硬件和通讯程序测试厶。6 l 6 1 1c p 5 6 11 硬件自检6 l 6 1 2 硬件诊断：6 2 6 1 3 通讯程序测试。 6 6 2w j 第七章 1 4 利用b t 2 0 0 手持终端器进： n c c 人机界面测试 总结与展望 亍硬件测试和诊断 # ： i 6 ：； i 。j 6 4 豫莨 照 礓日；f ：； 7 1 总结f ： 7 2 展望【 6 4 6 7 6 7 一6 7 参考文献6 9 作者攻读研究生期间发表论文7 l 致诩 7 3 p。 一 敬”一 第一章绪论 。：l ，第一章绪论 1 1 课题背景及选题意义 非织造布技术是一门新兴技术，它突破了传统的纺织原理，具有工艺流程短、 生产速度快，产量高、成本低、用途广、原料来源多等特点。它的产品和材料涉 及到各个产业应用领域 1 】。中国无纺布工业起步较晚，但发展十分迅速，其中非 织造设备的研发自二十世纪八十年代后期丌始，目i j i 已能生产大部分非织造布生 产用的单机和生产线，但在高端设备的性能上距世界先进水平还有一定差距，这 主要是由于我们的机械设计不够成熟和加工精度不高，以及电气控制系统的系统 设计不够完善和控制精度不高等方面的一些问题造成的【2 】。 一条完整的无纺布生产线由十几台单机设备组成，每台单机设备都有多台电 机。整个生产线运转时，各单机之间有很多联动和设备运行信号、故障报警等信 息需要f f _ 卡l l 传递，同时还要保证设备之间速度，产最的同步。现有的控制系统足 ? i 哿这十几台单机分成四到五个独立的单元，每个单元都有一个单独的p l c 来控 制各自的电机和变频器，各单元之间是通过互连信号线柬实现信息传递的，而且 乍产线上的关键设备梳理机的控制系统大都还在采用传统的同步调1 了器其至模 拟电路板通过模拟量控制变频输出，调节电机转速，实现同步功能。这些传统的 控制方式具有电气线路复杂，控制精度低，抗丁| 扰效果差，各台设备之问信息封 闭等缺点，这其中速度同步信号的不稳定会造成整线速度的波动，极大的影响了 产品的质最和产量。同时这种控制系统在操作上也很麻烦，工人需要到不同的：t = 他去操作各单元设备的丌停，设定和查看各单机的运行参数。 为了提升国产无纺布设备的控制水平，提高设备的产量和控制精度，以提高 闷产设备的整体竞争力，打破国外厂商在高档无纺布生产线上的挚断地位，我们 急需打破传统思路，设汁出一套全新的无纺布控制系统以适用市场和用，1 的需 求。 近年来，计算机，工控通讯技术及可编程控制器技术的发展给我们提供了很 好的技术平台。这其中现场总线是近年来随着计算机，通讯技术的发展而迅速发 展起来的一种数据总线通讯技术，由于它适应了工业控制系统向分散化、网络化、 智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来了更大的实惠和更多的方便， 已经成为世界范围的自控技术热点，被誉为跨世纪的自摔新技术。它目自玎主要有 p r o f i b u s 、f f 、c a n 、l o n w o r k s 等多种形式【3 j 。其巾p r o f i b u s 足1 种用 于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通讯与摔制的现场总线技术，是一种 ：q 际化、丌放式的现场总线标准，已经广泛的应j j 于加工制造，过程和楼j 二自动 第一章绪论 化，是一种比较成熟的技术【4 j 。 如何将现场总线技术引入无纺布设备控制系统，运用通讯技术搭建一套集中 控制系统，实现现场设备数据通讯与控制，提高国产无纺布设备控制系统的水平， 从而提高国产设备的竞争力，就是本论文将要详细研究并阐述的课题。 1 2 国内外无纺布设备控制系统发展概况 1 2 1 国内无纺布设备电气控制系统发展过程及现状 中国无纺布工业起步于二十i 廿纪八十年代后期，近年来，随着无纺布行业的 发展，对设备的需求量越米越大，同时对设备的性能要求也是越来越高。顺应市 场和f j 户的需求，国内纺织设备制造厂家也在设备研发方面加大了投入。经过十 几年的发展，国内厂家已经能，上产包括针刺，水刺，熔喷，纺粘等几种工艺的完 整生产线【5 j 。但设备在性能上与国际先进水平还有一定差距，这主要是由于国产 设备仍然存在机械没计不够成熟，选材不够讲究，加工精度不高，以及电气控制 系统设计不够完善，控制精度不高等一些问题。 从设备的电气控制系统米 ，2 0 0 0 年左右江苏部分乡镇企业还停留在比较 简单落后的继电器，接触器控制系统的基础上。以江苏仪征纺织机械厂2 0 0 2 年 供福建南纺的针刺机控制系统为例，其设备采用传统的继电器接触器控制m 路， 这种山各种丌关按钮，中问继电器，时间继电器和交流接触器组成的控制系统其 有控制逻辑简单，线路繁琐等特点。由于缺少中央处理单元，只能通过硬件线路 的搭建实现比较简瞥的顺序逻辑，系统调节和扩展能力差。在实际生产过程中遄 设备电气发生一般性故障时无明确故障显示，还要到控制柜里去逐个元件榆食。 与生产线上其他设备的联动时还遇到了联动功能难以实现，速度无法同步等口4 难。这种控制方式已经明显无法满足现代工厂设备的需要，最近儿年来已经逐渐 的被p l c 控制系统所代替。 国内一些大型纺纵机械厂如郑州纺织机械厂，邵阳纺机，宏大研究院等厂商 的无纺布设备控制系统多足采取独立的p l c 单元控制系统，将几台单机分为一 组，以一个p l c 为中央控制单j 己，将各种现场信号输入p l c ，同时通过对p l c 的 编程实现逻辑顺序控制，各电机的转速根据工艺要求由p l c 模拟量模块输u 模拟 量信号的变化米实现，各单元之间的联信号通过互联接线来传递【6 】。2 0 0 4 年国 际纺机展上我们看到郑州纺织机械厂的交叉铺网机控制系统就是以施耐德 m o d i c o i l 系列p i 。c 和m a g e lisx b tg t 触摸屏为核心组成的控制系统。此控制系 统配置灵活，易于调整，充分利用p l c 的编程功能实现对设备动作的逻辑控制， 通过触摸屏实现对设备参数的峪控和修改。但从整线的系统控制来看，还存在着 信号传递不稳定，控制精度不高，各单机之间信息封闭等缺点。 2 第一章绪论 近年来，随着工控和现场总线技术的发展，也有部分国内厂家如青岛纺织机 械厂丌始尝试采用p l c 单元控制系统配合现场总线分布式i 0 ，以减少部分现场 信号的长距离传输。以青岛纺织机械厂供福建南纺二期和三期设备为例，设备的 丌清和滤尘部分采用单独的三菱p l c 控制，整线的核心设备喂棉箱和梳理机采用 西门子s 7 系列p l c ，并在距现场设备较近的控制台里增加了b e c k h o f f 的现场总 线模块，将现场设备机身上的各种反馈信号先接到控制台，再通过现场总线传旧 到总控室，这种控制方式减少了现场信号到总控室p l c 的长距离传输，提高了系 统的稳定性。 1 2 2 国外先进无纺布生产线电气控制系统介绍 目前国外的没备，如欧洲的e r k o ，d i l o ，菲勃等公司的产品都已逐渐丌始 采用现场总线控制系统，直接通过数字信号实现p l c 与p l c 之间，p l c 与变频 器之i 、日j 的信息传递和速度控制，具有系统接线简单，操作方便，实时性好，控制 精度高等优点【7 j 。 1 2 2 1 德国e r k o 公司的现场总线控制系统 以青纺机2 0 0 5 年进口的德国e r k o 公司生产线为例，该生产线的梳理机， 铺网机控制系统以西门子s 7 3 0 0 系列p l c 为中央处理单元，采用p r o f i b u s 现 场总线技术实现p l c 了与现场i o ，变频器及工控机之间的通讯【8 j 。 p r o f i b u s 现场总线是近几年发展起来的一种国际化的、开放的、不依赖于 设备生产场商的现场总线标准。它广泛适用于制造业自动化、流程一i ：、j k 自动化和 搂字、交通、电力等其它领域自动化，适用于：1 ：j 内车间级和现场级的设备问数 字化的数据交换和通信，以实现工厂现场底层到r ；f l l 级分散式数字控制和现场通 信网络化【9 】。该控制系统采用p r o f i b u s d p 网络，以c p u 3 15 - 2 d p 为主站，各变 频器及现场i o 为从站，主站和从站之间采用轮循的通讯方式。各变频器的速度， 了下停信号都由p l c 通过通讯程序直接写入变频器，同时变频器的速度，故障报 警等信号都能自动反馈到p l c ，各电机的速度f 司步也由程序卣接控制。这种p l c 与变频器直接通讯的控制方式很好的解决了原_ 彳j 模拟量速度控制系统存在的接 线复杂，信号传输不稳定，易受干扰等缺陷，值得我们借鉴。 同时p l c 增加了以太网通讯模块，实现与二 控机之问的通讯，在i ：控机垠 实现生产数据的采集整理，工艺配方的上传和下载。 此外，该控制系统还利用了西门子的m o d e m 模块，实现了电话拨号远程通 讯功能，设计和维护人员可以通过电话线连接p l c 主机，实现远程渗断，在线 调试功能，可以节约出差成本，以最快的时间帮助| j ，1 解决问题，减少冈设备停 机给用户造成的损失。 第一章绪论 1 2 2 2 美国3 m 公司无纺布生产线的现场总线控制系统 2 0 0 6 年，2 0 0 8 年青纺机先后向美国3 m 公司出口了两条无纺布生产线，其 设备的电气控制系统由3 m 公司自己设计，整个系统分别采用了r o c k w e l l 的 e t h e m e t ，c o n t r o l n e t ，d e v i c e n e t 三层网络实现了管理层，现场站点以及现场设备 的通讯。罗克韦尔自动化网络由d e v i c e n e t ( 设备层) 、c o n t r o l n e t ( 控制和自动化 层) 和以太网( 信息层) 组成，取代制造自动化协议m a p 的七层网，c o n t r o l n e t 綦于改型c a n b u s 技术，川十p l c 与计算机之间的通信网络。它可连接拖动装置、 串并行设备、p c 、人机界面等，还可以沟通逻辑控制和过程控制系统。d e v i c e n e t 基于c a n b u s 技术，用于p l c 与现场设备之间的通讯网络。连接开关、拖动装置、 吲态过载保护裟置、条形码阅读器、i o 和人机界面等【l 。3 m 公司的控制系统设 计方案也反映了当f j 世界上设备自动化控制系统，工业网络控制系统的先进水 平，有很多值得借鉴的地方。 3 m 公司尤纺斫j 控制系统采用美国r o c k w e l lc o n t r o l l o g i x 系列p l c ，配 以1 7 5 6 e n b t 以太网通讯模块用以实现和人机界面h m i ，上位机以及编程设备 的通讯。同时在现场设备层，以每台单机作为一个节点，每台单机上都设有i o 柜和驱动柜，i o 柜内布置有现场f l e xi o 模块，驱动柜里布置驱动控制匝j 路和 变频器，所有的i 0 模块和变频驱动器都通过c o n t r o l n e t 接回主控柜内的p l c 。 这样就保证了每台单机的现场元件接线以最短的距离接入控制系统，减少了长距 离接线有呵能造成的信号干扰等问题。而且每台单机模块化的设计极大的方便了 控制系统的配置。 系统网络配臀如图1 1 所示： 图1 13 m 控制系统网络配置 4 第一章绪论 在具体程序设计上，采用了机构化的程序设计理念，从整线到各单机设备， 从各译机设备再到每台电机，每台电机再细分成通讯程序段，逻辑控制程序段， 敞障报警信息段，每个程序段都是一个独立的子程序，然后逐层调用。这种结构 化的编程方式看似比较复杂，但在实际编程过程中，你可以一台电机为样本，细 化一台电机的程序，然后再根据个电机实际参数地址不同稍加修改就可以应用的 其他的电机，再以此类推，往上层层推进。这样编出来的程序信息完善，结构清 硇 孑 剐辑 图1 - 23 m 梳理机f 呈序结构示意 以梳理机控制程序为例，全机包括风机在内的1 5 台电机被分成1 5 个子程序， 系统e 电运行后即直接调用这1 5 个子程序，每个子程序又包括有驱动逻辑，速 度摔制，速度反馈，转矩电流反馈，触摸屏显示等5 个r 了程序分别详细的编写了 每台电机的控制程序和反馈信息的处理。其中以输出帘电机为样本，一台i 乜机的 程序编好后，其余1 4 台电机的程序只要拷贝过来修改一下逻辑地址即可。 值得注意的是，在设备安全方面，3 m 控制系统的考虑也是非常细致，很有独 到之处。而罔内设备由于生产厂家及我们国家在此类设备的安全标准等方而f 的要 5 第一章绪论 求不高，有很多需要仔细考虑并改进的地方。而3 m 公司在设计之初就根据“美 国国家通用设备安全标准”，“国家电气安全标准”及“3 mo h e s 安全标准”，“3 m m a n u a l8 0 ”制定了的明确的安全要求 其设备安全要求如下： a 如有必要应设计紧急放松机构以快速放开被机构央住的操作人员。急停 装置要使所有带动力的央紧装置打开到最小4 英寸。 b 急停控制网路不能依赖于任何可编程设备来停止机器。急停回路要住主 控台上被手动复位。 c 防护系统必须在产生危害自仃停止设备。转动部件最大停车时| 日j 不能超过 5 秒 d 设备要做到失效安全。 e 所有主要电气控制点和马达电源应安装可以上锁的标准隔离肝关( 黄色 背景，红色丌关) 。 为了实现上述安全要求，3 m 在全机所有可以打开得防护罩出都增加了安全 门锁刀：关，并串联到急停回路巾去。安全门锁开关确保全部的防护罩，安全门只 有在得到允许信号后爿能打开，而急停控制回路的设计采用了r o c k w e l l 的 m s r 1 3 8 d p 双通道安全继电器每组急停或安全门锁都有两路常闭按钮接入安 全继电器的输入回路。两路信号正确输入后延时接通主驱动回路，其中任何一路 的断开都会导致驱动回路断开。而故障排除，信号重新接入后，必须有复位信号 输入，主驱动回路j 会被重新接通【l l 】。 t y p i c a lw i r i n gd i a g r a m s 2 正vo c g 阳 啪d t l m 号! d d 2 d e 4 a y l 戮lo 蛆p u t1 j a m l 幻 略盯i 睫 2 4vd cs u p 5 p i ! yd u a lc h a n n o ! e - s t o p , m o n i t o r e dm a n u a lr e s e t , m o n i t o r e c lo u t p u t 图1 3m s r 1 3 8 d p 安全继电器接线示意图 1 1 ； 这种设计可以更为有效的检测安全回路的故障，为系统提供可靠的安全丌关 动作，确保操作维护人员的人身安全。 6 第一章绪论 1 3 课题研究内容与目标 “基于p r o f i b u s 现场总线技术的非织造布生产线控制系统的研究”课题来源 于企业的实际研发项目。设计思路主要是想采用p r o f i b u s 现场总线的控制模式， 将一条由丌清，梳理，铺网设备组成的无纺布生产线分成三个单元组，每个单元 配一台p l c 实现对各单元的控制，同时在中控室设置一台工摔机，实现信息采 集整理和监控作用。各单元内p l c 对变频器的控制通过p r o f i b u s 现场总线来实 现，p l c 与p l c 之间的通讯业通过p r o f i b u s 现场总线来实现，p l c 与工摔机之 问通讯通过以太网实现。 本文首先从分析无纺布生产线的结构、各部分的工艺流程入手，进而提出了 无纺布生产线控制系统的总体设计方案和主要技术指标，然后以p r o f i b u s d p 现场总线技术为设计基础，详细论述了整个无纺布生产线的网络设计框架，从而 构建了无纺布控制系统的网络设计框架及其控制流程图。继而，在确定系统模型 后，对无纺布各单机控制系统的算法进行深入的研究。在此基础上，进一步研究 系统具体的设计。系统的具体设计主要分为两大部分：上位机部分硬件部分没计、 软件部分设计；下位机部分硬件、软件设计。最后研究了上位机( p c ) 与下位老) l ( p l c ) 的通讯部分。本文在整个项目的设计开发过程中主要做了以下几个方面的工作： 1 方案的总体设计：确定了采用以p r o f i b u s d p 为基础的两级网络结构的 自动控制方案，即p c 作为上位机，进行生产工艺配方设置、数据记录和报表生 成等；p l c 作为下位机，对生产线进行控制。 2 系统硬件的设计：包括p l c 、p c 机以及流量控制器等控制元件的选型。 3 组态软件的设计：包括组态软件的选型和具体软件程序的编制。 4 算法研究：确定系统的总体模型，并深入研究了梳理机，铺网机的控制算 法。 第一章绪论 第二章系统需求分析与总体方案论证 第二章系统需求分析与总体方案论证 2 1 无纺布生产线的组成及成网工艺介绍： 2 1 1 生产线的组成： 本控制系统的设计是基于青岛纺织机械厂生产的无纺布开清，梳理，铺网7 e 产线的标准配置，此生产线主要由开清，梳理，铺网三大部分组成。系统配置如 陶2 1 所示： 9 芝荔 叠蕊 c 、j e 基罐 善，霭 l j 一珊 可、琵 琵籀 巴r ： c 2 z - 篱 篓霪 第尊系统需求分析与总体方案论让 图2 1 j i ：清，梳理，铺网生产线的标准配置 图中可以看到，开清部分由三台b g 0 0 1 开包机，一台b g 0 4 5 粗丌松机，一 台组成，一台b g 0 5 3 大仓混棉机，一台b g 0 6 1 精开松机，一台f a 0 5 3 纤维分离 器，一台f a 0 3 2 储棉箱及三台输送风机和输送管道组成。梳理部分由一台b g 2 2 1 喂棉箱和一台b g 2 3 2 梳理机组成。铺网部分包括一台k l 4 3 0 交叉铺网机。 2 1 2 成网工艺介绍 眩】： 2 1 2 1 开清工序： 丌清工序主要完成以下任务： ( 1 ) 将不同性能、不同批中的纤维原料分别喂入、开松或一起喂入、开松， 使纤维包中压紧的纤维块通过机械打击和撕扯，而松解成小块的纤维束。 ( 2 ) 将已开松的纤维经纤维仓存储，并经大仓混和，使不同性能的纤维得 以充分混和。 ( 3 ) 制成混和均匀的纤维层，供梳理机梳理。 2 1 2 2 梳理工序： 经准备工序加工后，纤维大多呈束状，为了使其成为单纤维状，必须对其进 行梳理。其任务主要有以下几点。 ( 1 ) 定时定量均匀喂入原料。 ( 2 ) 进一步开松除杂混和均匀。 ( 3 ) 将块状纤维梳成束状及单根纤维状。 ( 4 ) 梳理成厚薄均匀的纤维网。 2 1 2 3 铺网工序： 梳理工序出米的纤维网由于存在纤网均匀度差，纵横向强力比差异大，纤网 的定量和幅宽不能满足产品的要求等缺点，往往不能直接对其进行加固，必须在 铺网工序通过铺网机对纤网进行铺叠加以改善。 2 2 非织造布生产线电气控制要求分析： 根据生产工艺要求，整个系统分为丌清，梳理，铺网三个单元。 2 2 1 开清单元控制要求 开清单元包括三台b g 0 0 1 丌包机，一台b g 0 4 5 粗开松机，一台b g 0 5 3 大仓 混棉机，一台b g 0 6 1 精开松机，一台f a 0 5 3 纤维分离器，一台f a 0 3 2 储棉箱及三 台输送风机。 ( 1 ) b g 0 0 1 开包机 由剥取辊、平帘、斜帘几个部件组成，由人工把原料纤维放于喂入平帘子上， l o 第二章系统需求分析与总体方案论证 通过平帘，斜帘喂入由角钉帘进行抓取，由开松辊对纤维进行初步丌松打散，均 匀提升，再由称重机构按产品的配比需要进行称重、投料。设备简图见图2 2 ： 图2 2 开包机简图 本机包括剥取辊电机一台2 2 k w 、平帘子电机一台0 7 5 k w 、斜帘子电机一 台1 5 k w 。开机后，开包机剥棉辊马达连续运转；平帘子马达由装在平帘子和 斜帘子上的两套光电控制，作间歇运转；斜帘子马达由电子秤信号控制，先高速 转动，当称蕈达到设定值的8 0 时，马达变为低速转动，当称莺达到设定值时， 马达停止，并关闭称重阀门，开包机落料阀门的打开则是h q n j t ：松机输送帘的计 数传感器和三各丌包机料斗都满信号共同控制。 ( 2 ) b g 0 4 5 粗丌松机 开包机开包后的原料落到粗丌松的长帘子上，在本机内经过开松、初步分 梳、除杂和去除部分短绒使本来块状、卷曲压实的纤维，开松成膨松状态并初步 拉直。之后，再通过风机喂入后道工序大仓混棉机。为后面梳理机能梳理机能梳 理出薄型纤维打下基础。设备简图见图2 3 ： 剩辊 瓤辫 口 嚷人 第：章系统需求分析与总体方案论证 图2 3 粗丌松机简图 本机包括刺辊电机一台7 5 k w 、喂入电机一台2 2 k w 。刺辊电机开机后连 续运转，在刺辊的轴头上装有测速传感器，只有当刺辊的速度达到设定值时，喂 棉电机爿允许运转。粗开松机喂棉辊电机的启停由大仓混棉机发出的要棉信号和 记数脉冲值共同决定。喂棉电机带动的输送帘上装有记数传感器检测输送帘跑动 距离。当记数达到设定值后，输送帘停止运行并给电子称落料允许信号，等待开 包机加满料丌斗放料后再继续运行。 ( 3 ) b g 0 5 3 大仓混棉机 经过初步开松的原料，在具有一定压力和速度的风的携带下，通过输棉管 道，进入大仓顶部的旋风头，原料经过旋风头后，均匀地铺在平帘子上，角钉帘 则垂直抓取原料，使原料能够进行充分地混合、开松，并能起到中间棉箱的作用。 设备简图见图2 4 ： 图2 4 大仓混棉机简图 奉机包括剥取辊电机一台4 k w 、平帘子电机一台4 k w 、角钉帘一台4 k w 。 丌机后大仓混棉机的剥取辊电机先起动。大仓混棉机的斜帘子电机和平帘子电机 必须在剥取辊电机运行后才能按要求运行。斜帘子电机由前道设备的要棉信号控 制，只有在自i 道设备要棉时斜帘子电机才运行。平帘子电机一方面受装在斜帘 子上的光电控制，同时只有在斜帘子电机运行的情况下才运转。大仓混棉机的上 光电控制向粗丌松机的要棉信号。 ( 4 ) b g 0 6 l 精开松机 1 2 第二章系统需求分析与总体方案论证 经过大仓混棉机混合并经粗开松的原料送入本机，在本机内经过开松、初 步分梳、除杂和去除部分短绒，使纤维丌松成膨松状态并初步拉直。之后，再通 过风机喂入后道工序末道棉箱。为后面梳理机能梳理 h 薄型纤维打下基础。设备 简图见图2 5 图2 5 精开松机简图 本机包括刺辊电机一台3 k w 、喂入电机一台1 1 k w 。丌机后刺辊电机先运 转，在刺辊的轴头上装有测速传感器，只有当刺辊的速度达到设定值且储棉箱有 要棉信号时，喂入电机才运转。在大仓混棉机和精开松机的接f j 处有一对光电丌 关，用于检测有无挂花。若有挂花则停大仓混棉机的角钉帘电机、平帘电机并响 铃。 ( 5 ) f a 0 5 3 纤维分离器 f a 0 5 3 型纤维分离器主要作用是将经输棉风机送入的原料通过给棉导板， 沿弧形孔板高速抛射，使松散的纤维与尘杂、短绒、气流分离。除尘腔为网滑的 弧形孔板，符合物体运动的轨迹，充分利用了气体流动的原理，使纤维无手i f 曲， 均匀的分丌，从而使尘杂、短绒、气流自然的从孔板上二分离出去，提高了分离效 率和质量。设备简图见图2 6 ： 此设备的功能是利用机械设计和气体流动的原理实现的，无电气控制。 第二章系统需求分析与总体方案论证 图2 - 6 纤维分离器简图 ( 6 ) f a 0 3 2 储棉箱 f a 0 3 2 储棉箱主要作用是对原料进行中间储存和保证均匀稳定的输棉量，i 可 时在丌松辊作用下，对原料作进一步丌松。设备简图见图2 7 ： 喂棉辊 开松辊 罚o出出 o o 润 图2 7 储棉箱简图 1 4 第二章系统需求分析与总体方案论证 本机包括丌松辊电机一台1 5 k w 、喂棉辊电机一台0 5 5 k w 。开机后j l ：松辊 起动，开松辊旁装有一测速传感器( 接近丌关) ，只有当丌松辊的速度达到设定 值时才允许喂棉电机运转。储棉箱输棉管道装有压力传感器，首先要根据一i j 艺参 数设定好需要的管道压力，然后通过改变喂棉变频器的输出频率，来控甫i 。l c l 棉的 速度，让管道内的压力达到设定值，保证连续喂棉到下道工序。 在储棉箱上有两对光电开关( 上光电和下光电) ，它的作用足当上光电末挡 住一段时间时向前方要棉，上下光电都挡住时则停止要棉。上光电挡住而卜光电 未挡住则表明为棉箱挂花，发出报警，提醒现场工作人员要及时将挂花清除。 2 2 2 梳理单元控制要求 梳理单元包括一台b g 2 2 1 喂棉箱和一台b g 2 3 2 梳理机 ( 1 ) b g 2 2 1 喂棉箱 b g 2 2 1 喂棉箱位于梳理机现开清设备之间，起着连接作用，将松散的小束 纤维凝聚成均匀厚度的纤维层喂入梳理机。设备简图见图2 8 ： 内置风机 l 图2 - 8 喂棉箱简图 1 5 第一：章系统需求分析与总体方案论征 本机包括内置风机三台各1 5 k w 、开松辊电机一台3 k w ，喂棉辊电机一 台0 5 5 k w ，输出辊电机一台1 1 k w 。喂棉箱上风机、丌松辊启动后作连续转 动。只有当开松辊转速达到一定值时，才能丌喂棉辊，否则容易挤车，此值 在操作台触摸屏上设定。喂棉辊转速受下箱压力影响，压力传感器测得下棉 箱压力信号传到p l c ，p l c 根据压力值自动调整喂棉辊的速度，从而实现连 续喂棉。棉箱输出辊和梳理机联动，要求与梳理机速度同步。 各电机的速度，棉箱压力根据工艺要求可以设定显示。 喂棉箱机身上有两个限位丌关，当其动作时，表示开松辊护板被打开，不 允许开车。 ( 2 ) b g 2 3 l 梳理机 b g 2 3l 梳理机用于梳理化学纤维、毛纤维、棉纤维及其混合原料。经前道 工序初步丌松的原料，通过喂棉箱喂入本机，进行开松、混合、分梳、除杂， 使呈卷曲状的纤维团分流成基本伸直的单纤维状态，清除原料中的少量杂质 和短绒，并通过奉机的杂乱装置，使经过梳