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东华大学硕士学位论文摘要 现场总线技术在蛋白纤维纺丝控制中的应用研究 摘要 目前工业控制技术已经进入现场总线控制系统( f c s ) 阶段。现场总线技术综合了 数字通信、计算机、网络和智能仪表等多种技术手段，构成了一种全分布、数字、智能、 双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统，使工业控制的体系结构发生了根本性 的变化，成为自动控制发展的趋势。 现有蛋白纤维纺丝生产线控制系统，中央控制室采用工控机连接所有变频器和温度 控制仪等现场设备，信号传递采用4 2 0 m a 模拟量或2 4 v d c 开关量，现场布线复杂繁琐， 不同厂家设备之间没有互换性和互操作性，造成系统运行稳定性差，可维护性不高，一 台设备出现故障，可能造成生产线停止工作。针对这种状况，本课题建立了蛋白纤维纺 丝生产线现场总线控制系统。 在了解蛋白纤维纺丝工艺的基础上，分析了各工序阶段中需要控制的对象及其控制 要求，针对纺丝过程中两个最重要的参数嘞丝速度和温度的控制进行了分析与研究。 在纺丝速度控制中，分别对协调同步和卷绕两种情况进行了分析，提出了纵向协调 同步和卷绕部分采用双闭环、横向协调同步采用单闭环的控制方案；双闭环中采用了p i d 控制算法，保证各纺丝设备速度控制的精度要求。根据控制方案，分析了基于 p r o f i b u s - d p 的纺丝速度控制系统的构成、硬件选型、系统连接和组态，最后进行了软 件设计，实现纺丝设备运行协调一致的要求。 由于从烘干机到第二热定型机等纺丝设备的烘箱结构和温度控制方式相同，所以本 文以一台纺丝设备的烘箱温度控制为例进行了分析和研究。分析了烘箱温度控制的数学 模型；采用f u z z y - p i d 混合控制算法对系统进行调节乎生大偏差信号时，采用f u z z y 控制，以加快响应速度；产生小偏差信号时，采用p i d 控制，消除系统静差，提高控制 精度；最后提出了基于p r o f i b u s 总线的温度控制系统的构成、设备选型和软件设计。 监控系统是当今工业控制系统中必不可少的一环，本课题在分析蛋白纤维纺丝控制 系统的监控项目和监控要求的基础上，以组态软件_ 嘲态王和w e i n v i e w 触摸屏组态软 牛e a s y b u i l d e r5 0 0 为工具，开发了总监控室和工业现场的监控系统，完成了各级界面的 设计，实现了纺丝生产线不同工序阶段、不同控制对象的监控以及控制参数的设置等各 东华大学硕士学位论文摘要 项功能，实时监控纺丝生产的运行。 现场总线技术的发展和应用离不开智能现场仪表的开发。本文最后针对智能传感器 p r o f i b u s p a 接口的硬件和软件的设计进行了研究，并介绍了智能温度传感器在蛋白 纤维烘箱温度控制中的应用。 基于现场总线技术的蛋白纤维纺丝控制系统达到了国际先进水平。现场总线技术的 应用，使得系统运行可靠性、参数控制精度等大大提高，产品质量得到提高，故障率降 低；系统布线安装费用减少、易于诊断维护，用户可以自由选择现场设备实现系统集成 的最优化。 关键宇：蛋白纤维纺丝，现场总线，p r o f i b u s ，纺丝速度控制，温度控制，组态软件 东华大学硕士学位论文a b s t r a c t 1 舅匣r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f f i e l d b u s t e c h n o l o g yi np r o t e i nf i b r es p d 阶d t gc o n t r o l a b s t r a c t n o w a d a y st h ei n d u s t r i a lc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e naf i e l d b u s - b a s e dc o n t r o ls y s t e m f i e l d b u s ，i n t e g r a t i n gd i g i t a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e d l l o g y n e t w o r k t e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n tm e t c ft e c h n o l o g y , f o r m saf u l l y - d e c e n t r a l i z e d , i n t e l l i g e n ta n dd i g i t a l c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc h a r a c t 捌b yb i d i r e c t i o n , i n t e c l i n k , m o r e - v a r i a b l ea n d m o r e - n o d e t h u si tg i v e sar a d i c a lc h a n g et ot h ef r a m e w o r ko f t h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls oi ti si n t h el e a d i n gp o s i t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to f a u t o m a t i cc o n n 0 1 t h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h ep r o t e i nf i e b e rs p a m i n ga d o p t e sa l li n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r t ol i n ka l lt h ei n t e r t e r sa n dt e m p e r a t u r ec o n t r o li m t m m e n t s , a n dt h es i g n a li s4 2 0 m a s t i m u l a n tv a r i a b l ea n d2 4 v d co n - o f f v a r i a b l e t h ep r e s e n te q u i p m e n t sa g el o a d e dd o w nw i t h t r i v i a ld e t a i l s t h e r ei sn oi n t e r c h a n g ea n dc o m m u t a t i v eo p e r a t i o nb e _ c w 眦t h ee q u i p m e n t s a m o n gd i f f e r e n tc o m p a n i e s t h es t a b i l i t ya n dt h em a i n t e n a n c eo ft h es y s t e mi sn o tg o o d e n o u g h , s oi fo r eo ft h ee q u i p m e n t sf a i l st of u n c t i o n , t h ep r o d u c tl i n em a ys t o p t h i st h e s i s a r m e dw i t hf i e l d b u st e c h n o l o g y , g i v e sa ni m p r o v e m e n to nt h ec o n t r o ls y s t e mo fp r o t e i nf i b e r s p i n n i n gp r o d u c tl i n e b a s e do nt h ek n o w l e d g eo f t h es p i n n i n gt e c h n i c so f p r o t e i nf i b e r , t h i st h e s i sa n a l y s e st h e c o n t r o lo b j e c t sa n dt h ec o n t r o ld e m a n d sd u r i n ge a c hp r o c e d u r e , e s p e c i a l l yt h et w oi m p o r t a n t p a r a m e t e r s - - - - - s p i n n i n gs p e e da n dt e m p e r a t u r e t h i st h e s i sd e a l sw i t ht h es p i n n i n gs p e e dc o n t r o li nt w op a r t s ：0 1 1 0i sh a r m o n y s y n c h r o n i z a t i o n , t h eo 妇w i n d m g t h i st h e s i sg i v e sac o n t r o lp r o j e c tb a s e do nt w o c l o s e d l o o p f o r l o n g i t u d i n a ls y n c h r o n i z a t i o n a n dw i n d i n go n e - c l o s e d l o o p f o rt r d n s v 廿 s e s y n c h o u i z a t i o mp i dc o n t r o la r i t h m e t i ci sa d o p t e df o rt w o - c l o s e dl o o pt oe n s u r et h ec o n t r o l p r e c i s i o n a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l 删e c t ，t h i st h e s i ss u g g e s t st h eb u i l d u po f t h es y s t e m ，t h e c h o i c eo f e q u i p m e n t s ，t h ed e s i g no f t h es e t a r e t h ee q u i p m e n t s ，r a n g i n gf t o mt h ed r y i n gm a c h i n et ot h ef i l 3 a l j z i n g - t w om a c h i n e ，a r e m 东华大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i m i l a ri nt e r m so ft h eo v e ns t r u c t u r ea n dt h em o d eo f t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 i nt h i sw a y , t h i s t h e s i si n t r o d u c e st h ec o n t r o ls y s t e mt oo n eo v e no fo n em a c h i n e a c c o r d i n gt ot h eo v e n t e m p e r a t u r ec o n 廿o l ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h em a t hm o d e l ，i n t r o d u c e st h ef u z z y - p i dm i x e d c o n t r o lt om e e tt h ec o n t r o lp r e c i s i o n t h ef u z z yc o n t r o la d j u s t sb i ge r l o r sa n dp i dc o n t r o lf o r s m a l lo n e s a c c o r d i n g l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb u i l d u po ft h es y s t e m , t h ec h o i c eo f e q u i p m e n t s ，t h ed e s i g no f s o f t w a r e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ei n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h i st h e s i s d e s i g n st h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mw i t hk i n g v i e w6 5a n de a s y b u i l d e r5 0 0t o m o n i t o rn m n i n gs t a t e ，t oc h a n g et e c h n i c sp a r a m e t e r , t 0d i s p h yr e a l - t i m et r e n d l i n ea n dh i s t o r y t r e n d l i n e ，t os a v ep r o d u c td a t a , t oo u t p u ta n dp r i n tp r o f i l ea n ds oo n t h ep r o g r e s so f i n t e l l i g e n tm e t e r si si n d i s p e n s a b l et ot h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f f i e l d b u s t h i st h e s i sh a sc a r r i e do u tar e s e a r c ho nt h ed e s i g n so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o r p r o f i b u s p ai n t e r f a c eo fi n t e l l i g e n t 1 1 s o r sa n dd e m o n s t r a t e st h ea p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n t t e m p e r a t u r es e l l s o r $ i nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo f t h ep r o t e i nf i b e ro v e n t h ep r o t e i nf i b e rs p i n n i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e d0 1 1f i e l d b u sh a sr e a c h e dt h el e a d i n gl e v e l o ft h ei n t e r n a t i o n a lc o n t r o ls y s t e m t h ea p p l i c a t i o no ff i e l d b u sh a si m p r o v e dt h er e l i a b i l i t y a n dc o n t r o lp r e c i s i o n , s oh a st h eq u a l i t yo ft h ep r o t e i nt h r e a d a n dt h e nt h em t eo ff a i l u r ei s r e d u c e d ，t h ec o s tf o rs e t t i n gi s d e c r e a s e da n dt h e s y s t e m i s e a s i l y - m a i n t a i n e d ， f l e x i b l e l y - i n t e g r a t e d a u t h o r sn a m e ： s u p e r v i s e db y k e yw o r d s ：p r o t e i nf i b e rs p i n n i n g ，f i e l d b u s ，s p i 衄i n gs p e e dc o n t r o l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ， c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i v 东华大学硕士学位论文 附件 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导 师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲 自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：钍犀建 日期：弘；年 月 e t 东华大学硕士学位论文附件 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：仫绎史 日期：矽停月e t 指导教师签名： 日期：年月日 东华大学硕士学位论文第一章概论 第一章概论 现场总线技术是实现现场设备数字化、网络化的一种工业现场层网络通信技术，主 要用于自动化系统与分布的现场设备之间的信息交换，它把单个分散的测量控制设备连 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。目前，现场总线已 经广泛应用于制造业自动化，流程工业自动化和楼宇、交通、电力等领域的自动化，并 且正在逐步扩大其应用范围，显示出在成本、可靠性等各方面的优越性。 1 1 现场总线技术概论 1 1 1 现场总线的概念 现场总线是一种工业数据总线，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执 行机构等现场设备问的数字通信以及这些现场控制设备和高层控制系统之间的信息传 递问题。所以现场总线既是通信网络，又是自控网络。它作为通信网络，所传递的是接 通、关断电源及开关阀门的指令与数据，直接关系到处于运行操作过程中的设备以及人 身的安全，要求信号在粉尘、噪声、电磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确及时到位， 同时还具有节点分散、报文简短等特性。它作为自动化系统，在系统结构上发生了较大 变化，其显著特性是通过网络信号的传送联络，可由单个节点也可由多个网络节点共同 完成所要求的自动化功能，这是一种由网络集成的自动化系统。【l 】 按照国际电工委员会i e c6 1 1 5 8 标准的定义，现场总线是“安装在制造和过程区域 的现场装置与控制室内的自动化控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线” 嘲。 在现场总线技术诞生的初期，它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器 ( 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 ) 以一种较简洁的方式连接起来。随着计算机 技术引入p l c ，计算机通信技术被引入现场总线，p l c z 晓能的增强对现场总线提出了更高 的要求，计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能，成为现场总线技术发展的 主要趋势。 东华大学硕士学位论文第一章概论 1 1 2d c s 与f c s 的比较 现场总线控制系统f c s 在控制系统的体系结构上与d c s 有很大的不同，如图卜i 所示。 由于f c s 采用现场总线网络结构，控制系统具有全数字，网络化、全分布的体系结 构，形成了从测控设备到控制计算机的全数字通信网络，企业综合自动化系统实现从最 高决策层( 管理层) 到最低设备层( 现场层) 的综合管理与控制。 图1 1f c s 与d c s 的比较 现场总线网络 下面主要从五个方面对d e s 和f c s 作比较： 3 1 1 4 1 1 数字化 d c s 只达到了半数字化，在传统的d c s 系统里，温度和压力变送器须将它们测到的 原始数字信号在送入d c s 前转换成4 2 0 m a 的模拟信号。在模拟信号系统中，噪音及异 常信号扭曲都无法被检测。 f c s 则实现了全数字化，纯数字的通信使过程控制具有更高的可靠性。在f c s 中， 从传感器、变送器到调节器，一直是数字信号，这就使得更复杂、更精确的信号处理得 以实现，普通的噪音很难扭曲现场总线控制系统中的数字信号，数字通信的查错功能可 检测出传输中的误码。 2 可互操作性 大多数i ) c s 用于和智能型变送器问的通信协议是d c s 制造商独家专用的封闭系统。 各家的设计、制造、标准、结构自成体系，各家独立开发产品，标准不公开，只是做到 操作系统开放，处在半分散、半数字化的产品状态。 现场总线自动化设备具有极好的互操作性，这种互操作性主要是通过对功能模块及 其参数的标准化而实现的。用户可以在权衡性能、价格、质量和售后服务等因素基础上， 选择最好的硬件产品，省时省力地将它们集成为一体。 2 东华大学硕士学位论文第一章概论 3 分散性 d c s 采用一个或多个“控制单元”对多回路进行控制。其控制部分分散到一些控制 板上，在每个控制板上又有多个回路。因此属于半分散式的体系。 f c s 采用的是完全分散式体系，它的控制全部都分散到生产现场，控制回路由现场 设备实现。 4 可靠性和经济性 现场总线控制系统采用数字总线式通信线路代替传统d c s 中一对一的i 0 连线，对 于大规模i 0 系统来说，这种方式的通信线路大大减少了由连线带来的不可靠，同时降 低了布线成本，增强了系统的可维护性能。据统计，与传统的0 c s 技术相比，f c s 可节 省4 0 9 6 以上的用于电缆、调试和维护的成本。 5 对现场环境的适应性 f c s 是工作在生产现场的工厂底层网络，专为现场环境而设计，可支持双绞线、同 轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种通讯介质，具有较强的抗干扰能力，能采 用两线制实现供电与通讯，满足本质安全要求等，比d c s 具有更强的现场环境适应能力。 现场总线已经发展成为可以取代d c s 的新型控制系统。但跟所有其它新旧事物更新 换代的情况一样，由于各种因素的存在，在相当长的一段时间里，d c s 与f c s 会并存，而 最终f c s 会取代d c s 面成为组建自动化控制系统的首选模式。 1 1 3 国内外现场总线技术的发展与应用 ( 1 ) 国际发展与应用嘲 自2 0 世纪8 0 年代中期提出现场总线概念以来，现场总线已经得到了很大的发展和 广泛的应用。当今，比较流行的现场总线主要有：c a n 、f f 、c o n t r o ln e t 、l o u w o r k s 、 p r o f i b u s 、h a r t 、d e v i c e n e t 等。 各种总线在不同的市场、不同的领域内都有不同程度的应用，总的来看，现场总线 在欧洲的应用最多。 工厂制造业领域的应用中，在美洲市场，d e v i c e n e t 占有领先地位；在欧洲市场， p r o f i b u s 占有明显的领先优势：在亚洲市场，p r o f i b u s 和c c l i n l 【处于竞争优势， 其中c c l i n k 在日本具有广泛的应用，在我国p r o f i b u s 占有明显的领先优势。 过程工业领域的应用中，在世界范围内，基于i e c 6 1 1 5 5 2 ( p r o f m u s - 】p a ，f f h 1 ) 总线应用仅占有5 - 7 的市场潜能，使用基于r s 4 8 5 ( p r o f i b u s ，d c v i c 圮n e t ，c c l i n k 3 东华大学硕士学位论文第一章概论 等) 的总线应用占到了1 5 的市场潜能，余下的7 8 8 0 的市场潜能是使用h a r t 协 议的仪表或传统的4 2 0 m a 的模拟信号传递技术。由此看来，在过程工业领域中，现场 总线应用的发展潜力还很大。 ( 2 ) 国内发展与应用嘲 目前国内现场总线的研究和应用越来越多，我国已经有部分现场总线产品和不少成 功的应用案例，p r o f i b u s d p 、d e v i c e n e t 、a s - i 总线也已经成为中国标准。随着 工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展，我国现场总线产品的开发、应用和系 统集成方面的人才显的有些匮乏，所以还需要迸一步加强现场总线技术的研究，推广现 场总线技术的应用。 1 1 4 现场总线技术在纺丝中的应用概况 随着现场总线产品的丰富，以及现场总线技术在各方面的应用中显示出来的优越 性，目前有更多的领域正在准备采用现场总线控制系统。其中，在纤维纺丝设备中，有 些纺丝机械在局部或单机内部采用了现场总线技术，有些已经在纺丝生产线上全线采用 现场总线控制系统( f c s ) ，就控制方式来说，已经达到国际先进水平。但是，生产系 统的全线可靠性较国外仍有一定差距，机械状况不稳定，加工质量、安装质量等需要得 到进一步的提高。【刀嘲 1 2p r o f i b u s 基本特性 p r o f i b u s 是一种国际性的开放式的现场总线标准，根据应用特点，分为 p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 、p r o f i b u s f m s - - - 种兼容版本“。 1 2 1 协议结构 p r o f i b u s 的网络协议是以i s o 颁布的o s i 标准七层参考模型为基础的，只是对第 三层到第六层进行了简化。此外它的三种兼容版本( f m s ，d p 和p a ) 又可以适应不同 的应用对象和通信速率方面的要求，开放性也好。 ( 1 ) p r o f i b u s f m s ：定义了第一、二、七层，第七层的应用层包括现场总线信息 规范( f i e l d b u s m e s s a g es p e c i f i c a t i o n - f m s ) 和低层接口( l o w e r l a y e r i n t e r f a c e - - l l i ) 。 ( 2 ) p r o f i b u s - d p ：d p 物理层与o s l 参考模型的第一层相同，采用e i a - r s 4 8 5 协 4 东华大学硕士学位论文第一章概论 议，根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。d p 并未采用o s i 的应用层，而是自行设置用户层。 ( 3 ) p r o f i b u s - p a ：p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s - d p 协议即d p v l 。另外， p a 还描述了现场设备行为p a 行规。p a 物理层采用i e c 6 1 1 5 8 - 2 标准，可以实现总线供 电，具有本质安全规范。 1 2 2 传输技术 由于单一的传输技术不可能满足所有的要求，因此p r o f i b u s 提供以下三种类型的传 输技术：d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输；p a 的i e c 6 1 1 5 8 - 2 传输；光纤( f o ) 传输。 ( 1 ) r s 4 8 5 是p r o f i b u s 传输最常用的一种，通常称为h 2 ，采用屏蔽双绞线电缆，共 用一根导线对。适用于需要高速传输和设施简单而又便宜的各个领域，总线拓扑结构允 许增加或减少站点，分步投入不会影响到其它站点的操作。传输速度可选用9 6 k b p s 1 2 m b p s ，一旦设备投入运行，全部设备均需选用同一传输速度。 ( 2 ) i e c 6 1 1 5 8 2 传输技术是一种位同步协议，可进行无电流的连续传输，通常称 之为h 1 ，用于p r o f i b u s - p a 。该技术使现场设备通过总线供电，具有本质安全性，能满 足化工和石化行业的要求。 ( 3 ) 光纤传输技术是p r o f i b u s 系统在电磁干扰很大或远距离传输时使用的。许多 厂商提供专用的总线插头可将r s 4 8 5 信号转换成光纤信号或光纤信号转换成r s 4 8 5 信号， 这样就为同一系统上使用r s 4 8 5 和光纤传输技术提供了方便的途径。 1 2 3 总线存取协议 p r o f i b u s 的d p 、f m s 和p a 均使用单一的总线存取协议，通过o s l 参考模型的第2 层来 实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。在p r o f i b u s 中，第2 层称之为现 场总线数据链路层( f d l ，f i e l d b u sd a t al i n k ) 。介质存取控制( m a c ，m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) 具体控制数据传输的程序，m a c 必须确保在任何时刻只能有一个站点发送数据。 p r i f i b u s 总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式。 令牌传递方式保证了每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权( 令牌) 。令 牌是一条特殊的电文，它在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的，在p r o f i b u s 中，令牌只在各主站之间通信时使用。主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从 5 东华大学硕士学位论文第一章概论 站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息。 当某主站得到令牌电文后，该主站可在一定的时间内执行主站的工作。在这段时间 内，它可依照主一从关系表与所有从站通信，也可依照主一主关系表与所有主站通信。令 牌环是所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环，在这个环中。令牌在规定的时 间内按照地址的升序在各主站间依次传递。 1 2 4p r o f i b u s d p p r o f i b u s d p 是一种高速低成本、用于设备级控制系统与分散式i o 的通信标准。 使用p r o f i b u s - d p 可取代2 4 v d c 或4 - 2 0 m a 信号的传输，具有非常短的响应时间和 极高的抗干扰性能。对于循环数据交换所需要的通信功能通过d p 基本功能( 版本d p - v o ) 来规定。依据各种应用领域的特殊需求，这些d p 基本功能己经用特殊功能逐步地进行 了扩展，所以现在有三种版本：d p - v 0 提供d p 基本功能，包括循环的数据交换，以及 站诊断、模块诊断和特定通道的诊断。d p - v i 包含依据过程自动化的需求而增加的功能， 特别是用于参数赋值、操作、智能现场设备的可视化和报警处理等非循环的数据通信， 这样就允许用工程工具在线访问站点。此外，d p - v 1 有三种附加的报警类型：状态报警、 刷新报警和制造商专用的报警。d p - v 2 主要包括根据驱动技术的需求而增加的其它功 能。 1 2 5p r o f i b u s p a p r o f i b u s p a 是p r o f i b u s 的过程自动化解决方案。p a 将自动化系统与带有现场设 备的过程控制系统连接起来，通过d p p a 藕合器和链接器接入d p 网络。 p r o f i b u s p a 使用p r o f i b u s d p 的基本功能传输测量值和状态，使用p r o f i b u s d p 的扩展功能对现场设备设置参数及操作。也就是说，p r o f i b u s - p a 定义了 p r o f i b u s d p 的一种演变，它使p r o f i b u s 也可以用于本质安全领域，同时保证d p 总线系统的通用性。 p r o f i b u s p a 总线的使用使得现场总线技术的许多优点也可以应用到流程工业 中。测量变送器、阀门定位器通过一个串行总线系统联网，通过数据线获得供电电源。 p r o f i b u s p a 仪表实现了多生产厂家现场仪表产品的互操作性以及在防爆区域中的应 用。 6 东华大学硕士学位论文第一章概论 1 3p r o f i b u s 控制系统 1 3 1p r o f i b u s 控制系统的组成 p r o f i b u s 控制系统的设备类型有三种：唧 1 主站 一类主站( d p m i ) ：指p l c 、p c 或其它可做一类主站的控制器，完成总线通信控制 与管理，进行周期性数据访问。 二类主站( d p m 2 ) ：指操作员工作站、编程器等，通过非循环的数据访问，完成总 线上各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。 2 从站 ( 1 ) p l c ( 智能型u o ) ：p l c 可做p r o f i 叫s 的一个从站，自身有程序存储器，c p u 执行程序并按程序指令驱动i o 。作为p r o f i b u s 网络的一个从站，在存储器中有一段 特定区域作为与主站通信的共享数据区，主站可经由通信间接控制从站p l c 的i 0 。 ( 2 ) 分散式i 0 ：不具有程序存储和程序执行能力。通信适配器接收主站指令驱 动i o ，并将i o 输入及故障诊断等信息返回给主站。通常分散式i o 是由主站统一编 址，主站编程时使用分散式i o 与使用主站的i 0 没什么区别。 ( 3 ) 智能现场设备；即带p r o f i b u s 接口的现场设备，可由主站在线完成系统配 置、参数修改、数据交换等功能，至于哪些参数可进行通信以及使用哪种参数格式则由 p r o f i b u s 行规决定。 i 3 2p r o f i b u s 控制系统的结构【1 0 】 p r o f i b u s 允许构成单主站或多主站系统，这就为系统配置提供了高度的灵活性。 1 单主站系统 图l - 2 单主站系统 7 东华大学硕士学位论文第一章概论 根据p r o f i b u s 总线技术原理，一个最小的基本系统至少由一个p r o f i b u s ( 一类) 主站和若干p r o f i 叫s 从站组成。p l j c 做p r o f i b u s 系统的一类主站，就构成了应用广泛 的单主站系统，它是最简单的p r o f i b u s 系统，可获得最短的总线循环时间。如图卜2 所示。 p l c ：一类主站p c + 碍卡+ 组态软件；二类主站 图1 - 3 带监控站的系统 主设备间的逻辑令牌环 + 从设备 图l - 43 个主站、7 个从站构成的p r o f i b u s 多主站系统 2 带监控站的系统 如图1 - 3 所示为带监控站的系统，监控站一般作为系统的二类主站，它可以是下面 的三种设备之一。 ( 1 )p c + 组态软件； 3 东华大学硕士学位论文第一章概论 ( 2 ) h 眦； ( 3 )其他通信协议监控站的连接。 3 多主站系统 多主站系统配置中，总线上的主站与各自的从站构成相互独立的子系统或是作为网 上的附加配置和诊断设备。在总线系统操作阶段，只能有一个活动主站。任何一个主站 均可读取d p 从站的输入输出映像，但只有一个主站( 在系统配置时指定的d p m l ) 可对d p 从站写入数据，多主站系统的总线循环时间要比单主站系统长。图卜4 即为由3 个主站 和7 个从站构成的p r o f i b u s 多主站系统。 1 4 论文的研究目的与研究内容 1 ，4 1 论文的研究目的 目前蛋白纤维纺丝生产线采用集散控制系统，中央控制室采用工控机连接所有变频 器和温度控制仪等现场设备，信号传递采用4 2 0 m a 模拟量和2 4 v d c 开关量，现场布线复 杂繁琐，不同厂家的设备之间没有互换性和互操作性，造成系统运行稳定性差，可维护 性不高，一台设备出现故障，可能造成纺丝生产线停止工作，加之现代工厂底层生产信 息集成到管理层的需求，系统需要进一步的改造。 基于以上所述情况，本课题的研究目的是：将p r o f i b u s 现场总线技术应用于蛋白纤 维纺丝生产线，建立基于p r o f i b u s 的现场总线控制系统，解决现有控制系统运行可靠性 差，维护困难，不同厂家的设备不可互换与互操作等问题，建立低成本，开放性、高可 靠性、实时性、安全性，设备具备互换性与互操作性、维护简单方便的，达到目前国际 先进水平的现场总线控制系统。 1 4 2 论文的研究内容 本文的主要研究内容如下： 1 了解现场总线的优点和发展、应用状况；研究p r o f i b u s 控制系统的组成和体系结 构；掌握建立p r o f i b u s 控制系统的方法。 2 了解蛋白纤维纺丝生产工艺过程，分析纺丝各个工序阶段中需要控制的对象以及 控制要求。 9 东华大学硕士学位论文第一章概论 3 建立基于p r o f i b u s d p 的纺丝速度控制系统，提出纺丝速度控制方案，分析系 统组成、硬件选型、系统组态和软件设计。 4 建立基于p r o f i b u s - p a 的烘箱温度控制系统，提出控制方案，分析系统组成、 硬件选型和软件编程，实现烘箱的恒温控制。 5 采用组态软件进行蛋白纤维纺丝生产线上控制室总监控系统的设计。选用触摸屏 作为纺丝生产车间的人机交互设备，设计纺丝速度和烘箱温度控制的人机交互界面。 6 分析智能传感器p r o f i b u s p a 通讯接口的硬件、软件设计要求，进行智能传感 器的p r o f i b u s - p a 接口的设计。 l o 东华大学硕士学位论文 第二章蛋白纤维纺丝生产线工艺过程分析 第二章蛋白纤维纺丝生产线工艺过程分析 蛋白纤维纺丝生产采用湿法纺丝工艺，以蛋白纤维为原料可以生产出具有一定强 度、伸度和耐沸水收缩性能的蛋白短初生丝，单条生产线年产量可达1 5 0 0 吨左右。本 章主要介绍蛋白纤维纺丝生产工艺过程，分析纺丝生产线上需要控制的对象以及控制要 求，掌握蛋白纤维纺丝生产线控制系统的设计。 2 1蛋白纤维纺丝工艺流程 图2 - 1 大豆蛋白纤维纺丝工艺流程图 蝣整机 图2 - 2 生产线纺丝设备布局图 n 东华大学硕士学位论文第二章蛋白纤维纺丝生产线工艺过程分析 蛋白纤维纺丝原液从制液车间经管道输送至纺丝机前段，首先进入计量泵；计量泵 定量将原液输送至喷丝板，然后从浴槽中喷出，经酸浴凝固后，离浴进行湿牵，再送入 上导丝架至集束机集束，在集束工段，每侧九束丝集为一束，然后送至二浴牵伸，再进 入烘干箱烘干，烘干后的丝束经预热至丝的玻璃化温度范围内进入牵伸机进行干热拉 伸、第一热定型、第二热定型，最后冷却至卷轴机绕成丝轴，送入下道工序进行后期整 理n 1 ”】。整个蛋白纤维纺丝工艺流程如图2 1 所示。 生产线上各纺丝设备的布局图如图2 2 所示。从图中可以看出，蛋白纤维纺丝生产 线控制是一个连续的过程控制系统，从开始纺丝到最后的卷绕成轴，在不同的工序阶段 有不同的控制对象和控制要求，并且整个生产线在整体控制上要求和谐一致，以保证蛋 白纤维纺丝生产要求的各项条件，从而生产出高质量的蛋白短初生丝。 2 2 蛋白纤维纺丝过程的控制对象 2 2 1各工序阶段控制对象 在不同的工序阶段，有不同的控制对象和控制要求。根据图2 - l 的纺丝工艺流程和 图2 - 2 的纺丝设备布局图，下面分别分析各个工序阶段需要控制的对象。 1 蛋白短丝纺丝机 蛋白短丝纺丝机是蛋白纺丝工程的纺丝工序设备，原液经脱泡工序后由专用输送管 道送至原液管道，进入计量泵，定量输送原液至烛形过滤器，然后经鹅颈管送至喷丝头， 将纺丝原液以丝状喷入凝固浴液中固化脱水成丝，经六辊牵伸箱牵伸后送入上导丝架至 后一工序集束。根据工业化生产的要求，共设3 个纺丝单元，可同时生出1 8 个丝头。 需要控制的参数：计量泵流量、原液压力、酸浴p h 值、牵伸箱牵伸倍数、纺丝速 度等。 2 蛋白短丝集束机 需要控制的参数：纺丝速度。 3 蛋白短丝二浴牵伸机 需要控制的参数：温度、纺丝速度。 4 蛋白短丝烘干机 需要控制的参数：烘箱温度、纺丝速度。 东华大学硕士学位论文第二章蛋白纤维纺丝生产线工艺过程分析 5 蛋白短丝预热机 需要控制的参数：烘箱温度、纺丝速度。 6 蛋白短丝牵伸机 根据纺丝工艺要求，牵伸机拉伸丝束的主要目的是提高分子链的取向度，使之具有 一定的强度和伸长。拉伸必须在两道牵伸机构之间进行。前后两道牵伸机构之间的丝束 因牵伸辊表面速度的差异而被拉伸。两道牵伸机构的牵伸辊表面速度之比即为牵伸倍 数，牵伸倍数是纤维加工中最主要的参数，不同的纤维品种要求有不同的牵伸倍数。对 两道牵伸机构进行精确的速度控制，就可获得与纤维品种相匹配的牵伸倍数。 需要控制的参数：烘箱温度、纺丝速度。 7 蛋白短丝第一，二热定型机 需要控制的参数：烘箱温度、纺丝速度。 8 蛋白短丝冷却机 冷却机采用循环水冷却方式，对蛋白纤维丝进行接触式导热降温，在进、出水处采 用旋转接头技术，能有效保证工艺温度的稳定。 需要控制的参数：纺丝速度、温度。 表2 - 1 需要控制温度和纺丝速度的设备 设备名称速度控制温度控