（机械工程专业论文）基于现场总线的高速滤嘴棒接收机计数系统.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着生产的发展和生产结算方式的需要，取得高速卷接包组的滤嘴棒消耗数 量，明确生产消耗数据，已势在必然。顺应生产需要和决策要求，结合不断发展 的工业自动化及计算机网络技术，依托于成熟可靠的成套数据处理系统，本论文 实施了玉溪红塔集团( 烟草) 有限公司生产一部滤嘴棒接收机计数系统。该系统为生 产成本核算提供实时精确的数据，基本功能包括信号检测、处理、监测、统计、 储存等。本文阐述了当前玉溪卷烟厂滤嘴棒接收的数据统计的现状，介绍了数据 采集和现场总线的相关知识，进行了系统的整体方案设计、软件开发及安装调试， 解决了以下两个关键技术问题。 利用p l c 控制及检测技术，通过对滤嘴棒传送过程的信号采集，解决滤嘴棒 的精确计数问题。 口利用先进的计算机及网络技术，对滤嘴棒的数据进行管理，提供各种精确 的嘴棒消耗报表。 该系统投入使用后，运行稳定，误差范围约为负的万分之0 3 8 至正的万分之 o 5 6 ，达到了精度万分之五的设计要求，做到了信息处理现场化。 关键字：数据采集，现场总线，p i , c 控制 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n ga n dt h en e e do f t h ew a yo f m a n u f a c t u r i n g s e t t l e m e n t ，i ti si n e v i t a b l et oh a v et h ef i l t e r s d e p l e t i o na m o u n ta n de n s u et h ed e p l e t i o n d a t a c o m p l i e dw i t ht h er e q u i r e m e n t so fm a n u f a c t u r i n gp o l i c i e s ，c o m b i n e dw i t ht h e d e v e l o p i n gi n d u s t r i a la u t o m a t i o na n dc o m p u t e rn e t w o r k ，r e l i e do nr i p ed a t ap r o c e s s i n g s y s t e m ，i nt h i sp a p e rt h ef i l t e rr e c e i v i n gm a c h i n es y s t e mi nt h eh o t l g t at o b a c c og r o u p i si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e rt h ef o l l o w i n gp o i n t sa r em a i n l ys t a t e da n dc o n c e n t r a t e do n ： d a t ac o l l e c t i o na n dc o n c e r n i n gi n f o r m a t i o no ff i e l d b u s ；t h ec o m b i n a t i o no ft h ew h o l e s y s t e ma n d i t s r e a l i z a t i o n ；t h ew h o l ep l a r m i n go ft h es y s t e ma n dt h es o i l , r a r e d e v e l o p m e n ta n di t s i n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n g f u r t h e rm o r e ，i nt h i sp a p e rt h e f o l l o w i n gp r o b l e m sa l es o l v e d ：h o wt oc o u n tf i l t e r se x a c t l yw i t l lt h eh e l po fp l c a n d t h et e s t i n gs y s t e m ；h o wt od e a lw i t ht h ea m o u n to f f i l t e r sa n dg i v ear e p o r ta b o u tf i l t e r s e x a c td e p l e t i o nw i t ht h eh d po f c o m p u t e ra n di t sn e t a f t e rt e s t i n g ，t h es y s t e mr u n sw e l l t h er a n g eo fe r r o ri sb e t w e e no 3 8t e n - t h o u s a n d t h sn e g a t i v e l ya n d0 5 6t e n - t h o u s a n d t h p o s i t i v e l y t h ep r e c i s i o no fd e s i g n i n gr e a c h e s5t e n - t h o u s a n d t h sa n dg e t s ag o o d o n - t h e - s p o td e m o n s t r a t i o no f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g k e yw o r d s ：d a t ac o f l e c t i o n , f i e l d b u s ，t h ec o n t r o lo f p l c i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 市场经济的发展和国门逐步打开，烟草行业在国内称雄、一统天下的局面将 会被打破。国外卷烟产品以其安全性、可吸性和品牌效应，将使我国烟草行业处 于被动位置。我国烟草行业，无论从管理水平还是从产品的科技含量等方面，与 国外大烟草公司比，目前都处于相对落后的地位。产品的科技含量不高、安全性 不高、烟叶质量等级较低，产品成本较高；传统的管理方式与先进的生产装备不 适应；人员过多，但销售、科研人员又严重缺乏。这些问题使企业在面对国内市 场国际化的问题上处于困难境地。加入w t o ，烟草行业将比我国其他行业面临更 大的冲击和挑战。 1 1 本课题的研究意义 1 1 1 滤嘴棒质量监控系统的重要意义 玉溪红塔集团是一个年产2 0 0 万箱卷烟，上交利税近2 0 0 亿元的现代化的大 型卷烟企业，在国际卷烟工业界占有一席之地。玉溪红塔集团生产的“红塔山”、 “玉溪”、“恭贺新禧”、“红梅”、“阿诗玛”卷烟全部荣获2 0 0 1 年度全国烟草行业 名优卷烟称号，玉溪红塔集团成为全国卷烟企业中获名烟称号最多的企业。从1 9 8 7 年中国经济界对国内卷烟实行名优烟评选以来，“红塔山”一直榜上有名，这次是 红塔山连续1 5 年成为全国名优卷烟。红塔集团之所以能够取得这些辉煌，是企业 多年来以“科技兴名牌，品味求最佳，心系消费者，红塔无止境”的质量方针为 倡导，在进行全面质量管理的过程中，严格把握质量经营控制是分不开的。质量 经营控制是一个全方位的概念，即从原料购入直至产品的销售服务，引进质量和 效益的概念，它是对企业进行从产品生产到销售全过程的控制。质量经营控制在 遵循质量成本和效益的原则上，着重研究质量和效益的关系，使产品的成本和效 益有一个合理的比值，其模式不同于i s 0 9 0 0 2 质量保证体系。如在产品开发方面， 重在收集相同产品的市场情况，比较产品质量和成本水平，找出最佳质量和最低 成本的结合点，确立最佳竞争效果。质量经营控制是动态过程中的控制，就是在 企业生产经营模式上，在人工费用和设备费用上，在销售经营成本上，把握最佳 方式和效果。内部重点要放在生产现场，对影响成本的各个环节进行动态管理和 控制。如烟草企业的卷接包设备完好程度和检测功能的完善，既决定卷烟外观质 量，又决定设备的运行成本，必须加强动态管理和控制。又如在制丝流程上，生 产过程技术参数的稳定和这些参数的最佳状态，对生产过程成本也是对质量起重 要作用，也必须控制。滤嘴棒质量监控系统通过对滤嘴棒质量的监控，不仅可以 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 提高烟支的质量，减少卷烟机的停机时间，还可以对滤嘴棒的消耗统计更精确化， 对企业生产、质量及生产成本的管理起促进的作用。 1 1 2 滤嘴棒计数系统的重要意义 玉溪红塔集团作为国有大型企业，负有努力提高经济效益，为国家多做贡献 的神圣使命。随着科学技术的发展，世界经济的全球化，市场竞争越来越激烈。 作为一个具有高水平的工艺和现代化设备的企业，也必须具有一套严格的、科学 的管理，使玉烟企业的产品继续保持很强的市场竞争力。成本的高低，直接决定 企业在市场的竞争能力和利润的大小。抓住以成本为核心的经营管理制度的创新， 就是抓住了企业成本的牛鼻子。要按“预测成本一成本控制一成本核算一考核改进” 的方式，变传统的事后计算为事前控制，以得到低成本的效果。在生产过程中， 对原材料消耗的准确统计，可以使企业对组成成本的指标进行比较，找出潜在效 益，核定产品的内部目标成本和目标利润。生产管理系统首要的任务是保证数据 采集的实时性、准确性、可靠性、一致性和完整性。数据采集系统是整个企业生 产管理系统的一部份，是实现生产企业“管控一体化”的必要环节和措施，系统完 成生产实时数据的采集和转化，为企业管理信息系统提供最基本的管控依据。烟 机滤嘴棒高速数据采集系统是通过自动控制、计算机和通信技术的理论和方法相 结合设计出的一套高速数据采集系统，对车间烟机滤嘴棒消耗数量实时、准确的 统计，是实现数据集成的前沿工程，为企业在原材料消耗、成本核算及企业将要 实施的e r p 提供了详尽、科学、准确的数据。 1 1 3 数据采集系统的国内、外现状 1 】【2 】【3 问【5 】 6 【7 【8 基于p c 机w m d o w s 平台的数据采集上位机系统是目前发展的趋势，特别是 基于9 5 9 8 n t 平台的数据采集系统。目前，国际和国内市场上基于以上两种平台， 应用比较广泛的数据采集上位机系统有：w o n d w a m 的i n t o u c h 、西门子公司的 w m c c 、澳大利亚的c i t e h 、美国i n t e d u t i o n 公司的f i x 、意大利l o g o s y s t e z n 的 l 0 9 e w 等，这些系统较好地解决了传统数据采集上位机系统的功能主要方面： 数据采集与控制信息发送 提供基于进程间通讯的数据采集方法( 主要表现为开发d d e 服务程序) ，并 且已开发了常用的多种智能数据采集设备的服务程序； 报警处理 具有多点同时报警处理功能，提供报警信息的显示，登录，部分提供用户应 答功能； o 历史趋势显示与记录 1 ) 提供基于专用实时数据库的监控点数据的记录、查询和图形曲线显示；同时， 针对管理和控制的需要，这些系统还提供以下工业过程控制和管理中相当有帮助的功能： 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 ) 配方管理功能：控制系统按一定的配方完成生产管理； 3 ) 网络通讯功能：提供非透明网络通讯机制，可以构筑上位机的分布式监控 处理功能： 4 ) 开放系统功能：提供基于d d e 数据交换机制与其它应用程序交换数据，部 分提供o d b c 与其它系统数据库系统连接。但是这些系统在完成以下功能时具有 明显的缺陷： 1 ) 与企业m i s 系统的结合性能差； 2 ) 不具备g i s 功能； 3 ) 网络通讯不透明，不适合开发现代企业基于局域或专线网的网状层次结构 监控管理系统； 4 ) 数据采集速度有待进一步提高； 5 ) 系统事故追忆能力差； 6 ) 缺乏高效能的控制任务调度算法的支持； 针对国内的需要，这些系统有明显的弱点： 1 ) 本地化差：虽然部分系统已经汉化，但是中国市场中某些行业规范，他们 很难满足； 2 ) 价格昂贵：这些系统，动则上万美元，很难为国内一般应用所接受。 同国外系统相比，大部分国产通用系统主要是模仿国外系统开发的，具有较 高的性能价格比，本地化能力较强，但是仍然具有诸如：与m i s 集成能力差、g i s 功能薄弱、多任务调度能力差，事故追忆和诊断能力缺乏等等致命的弱点，要满 足企业级和行业部门级大型集中监控管理g i s 系统的要求，还需要相当的时间。 而且人力资源以及资金限制使得它们可能在很长时间内只能维持对现有系统功能 的维护和补充。在这种情况下，国内对于大型监控项目的开发还需要系统集成公 司开发专用的结合m i s ，g i s 和数据采集的系统来满足需要。 1 1 4 现场总线仪表的应用状兄 9 】 1 0 】 1 3 】 2 5 】 现场总线技术自推广以来，已经在世界范围内应用于工业控制的各个领域， 成为世界上自动化技术的热点。现场总线的技术推广有了三、四年的时间，已经 或正在应用于冶金、汽车制造、烟草机械、环境保护、石油化工、电力能源、纺 织机械等各个行业。目前较流行的现场总线主要有f f 、p r o f i b u s 、l o n g w o r k s 、c a n 、i n t e r b u s 。中国仪器仪表行业协会于1 9 9 7 年4 月1 4 同成立了 现场总线专业委员会，并申请加入了f f , 1 9 9 7 年6 月中国现场总线( p r o f i b u s ) 专 业委员会( c h i n e s ep r o f i b u su s e ro r g a n i z a t i o n c p o ) 成立，并在1 9 9 8 年9 月于中 国机械局自动化所建立了产品演示及认证。现场总线列入了国家“九五”攻关。 现场总线设备分为现场设备和开发设备两类，现场设备有变送器、执行器、终端 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 器、电源、本质安全栅、中继器、网桥和操作站等；变送器既有检测、变换和补 偿功能，又有p i d 控制和运算功能；执行器的基本功能是信号驱动和执行，还内 含调节阀输出特性补偿、p i d 控制和运算等功能，另外有阀门特性自校验和自诊断 功能；终端器是用在传输电缆始、末端的阻抗匹配器，每条总线只需2 个终端器， 终端器防止信号失真和衰减；电源为现场总线供电，即为总线供电的现场设备提 供电源：本质安全栅是安全场所与危险场所的隔离器；中继器用来扩展现场总线 网络，中继器是一台有源的总线供电或非总线供电设备；操作站可以选用个人计 算机，通常是用工业控制机，内置网卡连接现场总线，操作站供工程师对现场总 线组态，供工艺人员监视和操作生产用。开发设备有各自厂家对应的专用集成电 路、通信栈软件、d d 软件、开发和维护工具等。现场总线拓扑结构如图1 1 所示。 图1 1现场总线拓扑结构 f i n g u r e l 1t h eb u st o p o l o p yo ns i t e 树 基于现场总线的仪表有如下主要优点： ( 1 ) 增强了现场级信息集成能力 现场总线可以从现场设备获取大量丰富信息。能够更好的满足工厂自动及 c i m s 系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4 - 2 0 m a 信号，还可以实现设备状态、故障、参数信息传送，系统除完成远程控制还可完 成参数化工作。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 ( 2 ) 开放式、互操作性、互换性、可集成性 不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性、因此设备 具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如 控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中，因此，市场上将有许多面向行 业特点的监控系统。 ( 3 ) 系统可靠性、可维护性好 基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的i o 连线，对 于大规模i o 系统来说。减少了由于连线造成的不可靠因素。同时，系统具有现场 级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修 改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。 ( 4 ) 降低了系统及工程成本 对于大范围、大规模u o 分布式系统来说，省去了大量的电缆、i 0 模块及电 缆敷设工程的费用，降低了系统及工程的成本。 1 2 生产一部滤嘴棒接收系统的状况及课题的提出 玉溪红塔集团生产一部有3 l 台套高速卷接包组，其接嘴机通过双管滤嘴棒接 收机与滤嘴棒成型车间的滤嘴棒发射机相连。由于滤嘴棒成型车间与生产一部的 卷包车间分属不同的企业，在滤嘴棒的发射过程中经常发生堵管及滤嘴棒的质量 问题造成成品卷烟嘴棒与发射机计数器的嘴棒数目有一定的差距，造成企业对原 材料消耗成本核算的不准确性。基于以上原因，经过对滤嘴棒接收机的详尽考查， 并与相关生产技术人员进行充分探讨，提出了玉溪红塔集团生产一部滤嘴棒接收 机滤嘴棒质量监控系统和嘴棒计数系统的开发。 1 3 本课题的主要研究任务及达到的目的 本课题的主要研究的任务是： 利用p l c 控制及检测计术，通过对滤嘴棒传送过程的信号采集，解决滤嘴棒 的精确计数问题。 口利用先进的计算机及网络技术，对滤嘴棒的数据进行管理，提供各种精确 的嘴棒消耗报表。 本课题的目的： 通过对滤嘴棒质量监控系统的研究，提供每台卷包机组精确的嘴棒消耗数据， 为卷包机组的单台成本核算提供依据。对整个发射系统进行监控、管理，减少卷 烟机的停机时间和质量问题。计数系统的数据通过现场总线方式传到上位监控计 算机进行管理，上报有关部门，使企业对原材料的消耗进行精确的核算。 5 重庆大学硕士学位论文2 滤嘴棒接收系统的工艺过程 2 滤嘴棒接收系统的工艺过程 2 1 滤嘴棒接收系统的现状 玉溪卷烟厂生产一部是一个具有1 0 0 万箱年生产能力的现代化卷烟生产车 间，设备先进，自动化程度高。现有的主要设备有：英国莫林斯公司的p a s s 】m m k l 2 卷烟机2 1 台，德国豪尼公司的p r o t o s9 0 s 卷烟机1 0 台；意大利g d 公司 的g d x 2 0 0 0 硬包机1 1 台。德国豪尼公司的c o m p a s 软包机2 0 台。在每台卷烟 机上都配备有豪尼公司的滤嘴棒接收台。滤嘴棒通过滤嘴棒生产车间的1 0 个发射 台，每台6 8 根发射管以风送方式向生产一部卷烟车间的3 1 台卷烟机输送滤嘴 棒，每台卷烟机以双管方式通过接收台接收嘴棒供卷烟生产，实现滤嘴棒的自动 接收。生产一部实行三班工作制，一天的卷烟产量在4 0 0 0 箱左右，每天消耗的滤 嘴棒在5 0 0 0 万根左右。其生产工艺过程如图2 1 ： 嘴棒车间生产一部 图2 1 嘴棒发射、接收工艺 f i g u r e 2 1t h e b e a m i n ga n d i n e e p t i n g t e c h n i c s o f t h e f i l t e r 卸 2 2 存在的问题 企业在提高自动化流水作业的同时，也给生产及设备管理人员提出了以下课 题：即如何管理、应用好这些国际一流的设备；如何让这些设备最大限度地降低 生产成本；如何通过管理出效益，发挥设备最大潜力，更好地为企业服务。按照 i s 0 9 0 0 0 的思想体系，我们知道生产系统首先必须是可知的，才能是可控的。生产 系统的整体预期指标( 如产量、成本、效益等) 依赖于各个生产环节中具体的技 术指标，只有将各个具体的单项技术指标控制在合理的水平内，才可能达到生产 系统的整体预期指标。也就是说，为达到我们整体的预期指标，我们必须准确了 解生产环节的各个技术参数，然后将这些参数控制在合理范围内。 由于卷烟生产工艺过程十分复杂，技术参数众多，整个生产过程的控制是一 个十分复杂的系统工程。滤嘴棒生产数据采集是其中一个子系统，生产一部滤嘴 6 重庆大学硕士学位论文 2 滤嘴棒接收系统的工艺过程 棒生产主要存在以下主要问题： 玉溪卷烟厂生产一部的3 l 台卷包机组都是通过嘴棒车间的1 0 台嘴棒发射 机来供应嘴棒，原来在嘴棒发射过程中都是由人工来统计每台发射机发射的嘴棒 盘数( 设备计盘器) ，由于嘴棒的生产消耗量极大，加之每盘的支数存在一定的离 散性，所以总的来说，嘴棒的统计误差较大，而且统计员的劳动强度也相对较高， 统计上人为出错的情况也是有发生： 人工统计的数据，不具备实时性，不利生产的调度和管理； o 生产一部每台卷包机组的嘴棒消耗统计不精确，造成卷包机组的单台成本 核算不精确： 由于生产一部和滤嘴棒车间分属两个企业，生产和消耗的数据误差较大， 容易引起企业间的团结。 o 滤嘴棒在发射过程中，无必要的监控系统，出现故障停机时间长，造成卷 烟设备的停机和质量事故，影响生产。 2 3 改造方案 结合烟草企业的特点，我们设计了一个滤嘴捧数据采集管理系统。系统由检 测元件、p l c 前级处理单元、上位监控系统组成的一个工业控制网络。在这个系 统中，我们力求实现以下系统功能： 精确记录每台发射机每班的滤嘴棒发射量，为发射机操作人员的生产效率 和工作量考核提供精确的基础数据。 o 精确统计每天、每周、每月的滤嘴棒发射量( 即实际需求量) ，为嘴棒的生 产计划、组织安排生产提供准确的参考数据。 o 提供每台卷包机组精确的嘴棒消耗数据，为卷包机组的单台成本核算提供 依据。 对整个发射系统进行监控、管理。 0 提供科学、精确、可靠、及时的嘴棒生产、消耗数据，消除嘴棒生产企业 与嘴棒消耗企业之间的矛盾。 由于滤嘴棒数据采集管理系统是整个滤嘴棒生产和卷包车间嘴棒消耗的唯一 计量系统，因此，整个计量系统必须安全可靠，不能因为停电、人为的操作失误 等偶然因素而导致数据出错和丢失。另外，本系统将来可以建立一个从底层( 生 产现场) 到中层( 车间级) 再到顶层( 厂级) 的完整信息流。因此，在滤嘴棒数 据采集管理系统中，我们主要考虑系统设计必须具备以下几个特点： 必须采用成熟、稳定、安全可靠的软件平台： 必须是开放型的整体结构，便于将各个子系统高度集成； 7 重庆大学硕士学位论文 2 滤嘴棒接收系统的工艺过程 。有较强的网络处理能力，构成分布式的采集管理系统； 有较强的数据处理能力，能与厂级m i s 系统连接： 有众多的驱动程序，可与多种下位设备连接； 良好的技术支持； 整个系统的设计分为四个部分，每个部分均针对不同的任务单元和使用对象： 检测系统 现场检测元件为德国s i c k 公司的光纤传导式光电开关w l l l 2 ，主要技术参 数如下： 检测距离：3 0 m m( 可调) 供电电压： 1 0 ，3 0 v d c 电流消耗：3 5 m a 响应时间：l m s 输出电流：1 0 0 m a 输出方式：n p n 心p 防护等级： i p 6 5 o 以p l c 技术为核心的基础计数系统 s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制 的自动化。s 7 2 0 0 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实 现复杂控制功能。因此s 7 2 0 0 系列具有极高的性能价格比。 s 7 2 0 0 系列的特点有以下方面： 1 ) 、机械结构特点 体积小、重量轻，结构紧凑，可直接接线，也可用接线端子排接线，且接线 端前带有面罩保护，p l c 上设计有标准的d i n 导轨安装机构和安装空，可垂直或 水平方向安装。 2 ) 、电气结构特点 a 免维护性。s 7 - - 2 0 0 c p u 中配有置e 2 p r o m ，可永久保存用户程序和一些 重要参数。另外它还安有大容量电容，供长时间存贮数据，而不需要后备电池。 b 内配2 4 v 直流传感器或负载驱动电源，输出电流可达1 8 0 m a 或2 8 0 m a c 为适合不同场合使用，每种c p u 又都有三种不同的类型可供选择。 d 灵活中断输入。s 7 - - 2 0 0 c p u 可以极快的速度来响应中断请求信号的上升 沿或下降沿。 e 机内配有高速计数器。c p u 2 1 2 为一个2 k h 2 的加减计数器，而 c p u 2 1 舡c p u 2 1 6 有两个独立的7 姐z 的高速计数器，它们可用软件或硬件复位。 便于扩展。为系统备有专用的扩展模块( e m ) ，可方便地进行输入、输出及 8 重庆大学硕士学位论文2 滤嘴棒接收系统的工艺过程 模拟量扩展。 g 模拟电位器外部设定。c p u 2 1 2 有一个，c p u 2 1 4 - c p u 2 1 6 有二个，用户可 用它来调整设定参数。 另外，s 7 2 0 0 系列的出色表现还有以下几个方面： 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 + 便捷的操作 丰富的内置集成功能 + 实时特性 t 强劲的通讯能力 + 丰富的扩展模块 s 7 2 0 0 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替 代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。 系统选用的$ 7 - 2 1 5 是具备p r o f i b u sd p 接口的s 7 2 0 0 系列中央处理单元，集 成一个4 0 0 m a 的2 4 v d c 开关电源，足以为t d 一2 0 0 及光电开关供电，因此不再采用 外部的直流开关电源。s 7 2 1 5 中央处理单元主要技术指标如下： 外形尺寸：2 1 8 8 0 6 2 m m 集成u o 点： 1 4 输入1 0 输出 运算速度： o _ 8u s 步 高速输入：2 路2 0 k 供电电压： 8 5 2 6 4 、，a c 供电电压：8 5 2 “v a c s 7 2 1 5 p l c 系统采用优秀的上位机软件w m c c 作为操作和监控的人机界面，利 用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用s 7 自动化系 统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式i o 接收现场传感检测信 号。 o 用w i n d o w s n t 软件平台，建立车间级管理系统 该系统主要面对车间的管理人员，因此它易学易用，便于维护。该系统将来 还是连接底层与顶层数据的桥梁。 本系统上位监控计算机及工业控制软件采用德国西门子( s i e m e n s ) 公司的 咖c 工业控制软件和h p 公司的v e 系列计算机。 德国西门子( s i e m e n s ) 公司的w m c c 代表w i n d o w sc o n t r o lc e n t e r ( 视窗控制 9 重庆大学硕士学位论文 2 滤嘴棒接收系统的工艺过程 中心) 。换句话说，它在w i n d o w s 标准环境中各种便利功能，确保安全可靠地控制 生产过程。w i n c c 有各种有效功能有用于控制自动化过程，是用于个人计算机上 的，按价格和性能分级的人机界面和s c a d a 系统。w i n c c 的特征之一是全面开放， 它可以容易地结合标准和用户程序生成人机界面，准确得满足实际要求。各系统 集成用户可用w i n c c 做为其系统扩展的基础，通过开放接口开发自己的应用软件。 w i n c c 是结合s i e m e n s 在过程自动化领域中的先进技术和m i c r o s o f t 的强大功 能的产物。具有如下特点： s i m a t i cw i n c c 是一具有生动用户界面的先进通用系统 s i m a t i cw i n c c 功能可随任务增加 s i m a t i cw i n c c 人机界面和s c a d a 是为全球用户开发的自动化领域中先 进技术的产品 s i m a t i cw m c c 提供安全保障并保证数据的完整性 s i m a t i cw m c c 系统通过p r o f i b ud p 与s 7 2 1 5 系统相接。 工业网络控制系统 工业控制网络系统采用德国西门子( s i e m e n s ) 公司的p r o f i b u sd p 系统， p r o f i b u s 是高速、可靠并经过认证的国际化现场网络标准，已为众多自动化厂商和 用户采用，具备灵活的网络定义，可分为p r o f i b u sd p 、p r o f i b u sf m s 、和p r o f i b u sp a ， 在工业现场网络中占有重要地位。数采项目正是采用了其中的p r o f i b u sd p 协议。 p r o f i b u s 网络系统最大可接入1 2 7 个站点，支持1 2 m b p s 数据传输速率。具有较高 的可靠性、稳定性和可扩展性。 s 7 2 1 5 p l c 系统具有p r o f i b u sd p 通讯接口，各套$ 7 - 2 1 5 p l c 系统和上位监控 计算机通过总线形式接入p r o f i b u s 网络系统。p r o f i b u s 网络系统可与更高层次 的p l c 网络系统( 如s i e m e n s 的h 1 网) 连接，构成工业自动化多层网络体系。 1 0 重庆大学硕士学位论文3 数据采集与现场总线技术基础 3 数据采集与现场总线技术基础 数据采集技术( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据 的采集、存贮、处理以及控制等作业在智能仪器、信号处理以及工业自动控制 等领域都存在着数据的测量与控制问题将外部世界存在的温度、压力流量、 位移以及角度等模拟量( a n a l o gs i g n a l ) 转换为数字信号( d i g i t a ls i g n a l ) ，再收集到 计算机并进一步予以显示、处理、传输与记录这一过程，即称为数据采集。相 应的系统即为数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，简称d a s ) 。 数据采集技术己在雷达、边信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损检 测、处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应用。 图3 1 示出数据采集技术与外部模拟世界的关系。 图3 1 数据采集技术与外部模拟世界的关系图 f i g u r e 3 1t h er e l a t i o nf i go fd a t a c o l l c c t i n gt e c h n o l o g ya n de x t e r i o rs i m u l a t e de n v i r o n m e n t 数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数 据采集系统追求的最主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量的测试都 要有一定的精度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速度不仅仅是提 高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范围，便于实现动态测试。 现代数据采集系统具有如下主要特点： ( 1 ) 现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据的质量和效率等大为 提高，也节省了硬件投资。 ( 2 ) 软件在数据采集的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 ( 3 ) 数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成数据采集与处理系统， 重庆大学硕士学位论文 3 数据采集与现场总线技术基础 可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。 ( 4 ) 数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要； 对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。 ( 5 ) 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来 越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。 ( 6 ) 总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术对数据采集系统结构 的发展起着重要的作用。【9 【1 0 】 1 3 】 1 5 1 3 1 被测信号的分类2 】 1 2 】 1 7 】【1 8 j 3 1 1 模拟信号 模拟信号是指随时间连续变化的信号，例如正弦信号x ( ) 2 8 m + 纠。模拟 信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的低电平信号：另一种是由仪器、变 送器输出的0 m a 1 0 m a 或4 m a 2 0 m a 的电流信号。这些模拟信号经过采样和 a d 转换输入计算机后，常常要进行数据正确性判断、坐标变换、线性化等处理。 模拟信号非常便于传送，但它对干扰信号很敏感容易使传送中的信号的幅值 或相位发生畸变。因此，有时还要对模拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。 3 1 2 数字信号 数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字 信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是0 就是l ，这可由脉冲的有无来 体现。 数字信号是由某些类型的传感器或仪器输出，如扭据矩传感器，它在线路上 的传送形式有两种：一种是并行方式传送；另一种是串行方式传送。数字信号对 传送线路上的不完善性( 畸变、噪声) 不敏感，这是因为只需检测脉冲的有无来 获取信息，至于信息的精确性( 幅值、持续时间) 是无关紧要的。 数字信号输入计算机后，常常需要进行码制转换的处理，如b c d 码转换成 a s c i i 码，以便显示数字信号。 3 1 3 开关信号 开关信号主要来自各种开关器件，如按钮开关、行程开关和继电器触电等。 开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。 3 2 数据采集的基本理论川2 】【1 2 】【1 7 】 1 8 3 2 1 传感器技术 由于机电控制系统中有各种不同的物理量( 如位移、压力、速度等) 需要控 制和监测，而计算机系统又只能识别电量，因此能把各种不同的非电量转换成电 1 2 重庆大学硕士学位论文 3 数据采集与现场总线技术基础 量的传感器变成为机电控制系统中不可缺少的组成部分。传感器是机电控制系统 中直接作用于被测量的器件，通过它将被测量变换成与其有确定对应关系的电量。 传感技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域，但它们的共性是利用物 理定律和物质的物理特性。将非电量变换成电量。常用的数据传感器有热敏传感 器、光敏传感器、力与压力传感器位移、速度以及加速度传感器等。一些新型 数据传感器也很引人注目，如光纤传感据、c c d 固体摄象传感器、以及m o s 场 效应结构传感器。 传感器的组成 机电系统中，检测和控制各种参数的被测量，并将它转换成与被测量有确定 对应关系的电量的器件叫传感器。传感器一般由敏感元件和传感元件两个基本部 分组成，有时还加上辅助电源。传感器组成方框图如图3 2 所示。 图3 2 传感器的组成方框图 f i g u r e 3 2t h ec o m p o s i n gp a n e p i c t u r eo f t h es e n s o r 传感器中直接感受被测量( 一般为非电量) ，并输出与被测量成确定关系的其 它量( 包括电量) 的元件称为敏感元件，其中有一部分敏感元件( 如膜片和波纹 管，把被测压力转变成为位移量等) 是把那些不能用现有技术直接变换成电量的 被测量，预先变换成另一种易于交换成电量的非电量，然后再经传感元件将它们 变换成电量。 感受由敏感元件输出的，与被测量成确定的另一种非电量，然后输出电量的 元件称为传感元件。例如差动式压力传感器中，传感元件不直接感受压力，二是 感受由敏感元件传来的与被测压力成确定关系的衔铁的位移量，然后输出电量。 有的敏感元件直接输出电量，那么敏感元件和传感元件就和二为一了，如热电偶 和热敏电阻等传感器。 传感器的一般特性 传感器的基本特性是指输入信号与输出信号的关系。传感器能否正确地完 成预定的测量任务，主要取决于所选择的传感器本身的特性。当输入信号不 随时间变化时，输入与输出的关系称为传感器的静态特性：当输入信号随时间而 变化时，输入与输出的关系称为传感器的动态特性。 1 3 重庆大学硕士学位论文3 数据采集与现场总线技术基础 1 ) 传感器的静态特性 在静态测量中，输入信号不随时间变化，由此所确定的输入输出关系称为静 态特性。传感器静态特性的参数主要有线性度、灵敏度、滞后量和重复性误差。 a 线性度 标定曲线与拟合直线的接近度称为线性度，线性度的好坏通常用线性度误差 表示。标定曲线是在静态中由静态标定实测得到的输出输入特性曲线。在理想情 况下，输出输入特定曲线应为直线：在线性工况下输出量乘以一常数，就可以得 到相应的被测输入量的数值。若特性曲线不是直线则必须根据标定曲线进行修正。 拟合直线是作为与标定曲线比较的参考直线。确定拟合直线的方法很多，目 前常用平均法和最小二乘法。用平均法确定拟合直线，将使偏离该直线的正负偏 差和相等，如图3 3 a 所示。最小二乘法确定拟合直线，将使偏离该直线的偏差的平 方和最小如图3 3 b 所示。 d 图3 3 线性度与拟合直线 a ) 平均法确定拟合直线b ) 最小二乘法确定拟合 f i g u r e 3 3l i n e a r i t ya n df i t t i n gs t r a i g h tl i n e a ) t h ef i t t i n gs t r a i g h tl i n ec o n f i r m e db ya v e r a g em e t h o d b ) t h ef i t t i n gs t r a i g h tl i n ec o n f i r m e db yl e a s ts q u a r em e t h o d 拟合直线通常表示为 y 2 a + 船 ( 3 1 ) 线性度误差是指任意标定值偏离拟合直线的最大偏差锄，与满量程值y n 的比值百 分数。即 e ：塑1 0 0 y 。 式中e 一线性度误差： a m 一标定值偏离拟合直线的最大偏差： n 一满量程值。 线性度误差小则线性度好，线性度误差大则线性度差。 b 灵敏度 1 4 重庆大学硕士学位论文3 数据采集与现场总线技术基础 当输入信号变化a x 后，输入信号稳定后也相应变化缈，输出变化量与输入变 化量的比值称为灵敏度，用s 表示，即 s ：坐：b( 3 2 ) a x 式中b 一拟合直线斜率。 c 滞后量 当输入信号逐渐增大、而后又逐渐减小时，对应同一信号值会出现不同的输 出信号。在全量程范围内，对应于同一输入信号的前后两个输出信号的最大差值 为h ，如图3 4 a 所示。 圈3 4 滞后量与重复性误差 f i g u r e 3 4t h el a gq u a n t i t ya n dr c p e a t a b i l i t yg l t o l 滞后量可用最大输出差值日对满量程输出以的百分比表示，即 而：旦1 0 0 y n ( 3 3 ) 式中日一对应于同一输入信号的前后两个输出信号的最大值； y n 一满量程输出； h 一滞后量。 d 重复性 重复性表示输入量按同一方向( 增加或减小) 变化时，在全量程内重复进行 测试时所得到的各特性曲线的重复程度，如图3 4 b 所示。一般采用输出最大不重 复误差与满量程y 一的百分比来表示重复性指标，即 ，7 = 旦1 0 0 ( 3 4 ) y h 式中占一最大不重复误差； “一满量程； 叩一重复性。 2 ) 传感器的动态特性 1 5 重庆大学硕士学位论文 3 数据采集与现场总线技术基础 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录的过程不 受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出 不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被 测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传 感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。 动念特性好的传感器，其输出随时问的变化规律将再现输入量随时间的变化 规律，即它们具有同一时间函数。但是， 号与输入信号不会具有相同的时间函数， 3 2 2 弱信号检测基础知识 弱信号检测的概念 除了理想情况外，实际传感器的输出信 由此将引起动态误差。 弱信号检测( w e a ks i g n a ld e t e c t i o n , 简称w s d ) 技术是用来提高测量精度的技 术，它利用物理学、电子学、信息论和计算机技术等学科成果，分析噪声产生的 原因和规律，研究被测信号的特点和相干性，测量被噪声淹没的微弱有用信号。 他是测量技术的综合技术和尖端领域。微弱信号检测技术的任务是研究微弱信号 检测的理论，探索新方法，研制新设备，解决各领域中的应用问题。 所谓“微弱信号”可以从两方面理解，其一是有用信号的幅度相对于噪声显 得很微弱。如输入信号的新噪比为】0 - l ，】o 2 以至于1 0 - 4 ，这时，有用信号完全淹 没在噪声之中。其二是指信号的幅度绝对值极小，如检测“n v 乃至p v 量级的电 信号振幅。微弱信号检测技术进步的标志是检测灵敏度的提高。更确切地说，应 是信噪比改善( s n 取) ，它定义为 s n _ 型竺型( 3 1 ) ( s ) “ 即输出信噪比( s 小) o u t 与输出信噪比( s n ) i n 之比。 噪声及其抑制方法概述 噪声，可以概括地如认为：它是指有用信号以外所有扰动的总称。在电子中 还常用“干扰”这个名词，通常定义为在接收所需信号时，非所需能量造成的扰 动。按照这种定义，干扰包括由噪声引起的对接受信号造成的损害。也有人认为， 噪声是由一系列随机电压组成，其频率和相位都是彼此不相关的，而且连续不断， 是周期的或瞬时的、有规律的。 噪声( 干扰) 的种类很多，分类方法也很多。图3 5 表示了测量中电子噪声的 主要来源及分类情况。 如果用来表示电路所受干扰的程度，则可用下述公式表示 1 6 重庆大学硕士学位论文 3 数据采集与现场总线技术基础 3 , - g c ( 3 2 ) 图3 5 电子噪声 f i g u r e 3 5t h ee l e c t r o n i cn o i s e 式中g 一噪声发生的强度： c 一从噪声源通过某种途径传到受干扰电路