（机械电子工程专业论文）高速纸质罐体成型机机构与控制的研究.pdf

华北l 乜力人学硕十学何论文摘要 摘要 随着人们物质生活水平的提高，对产品的包装质量要求也相应提高，能够完成 包装成型、液体灌装、封口等一系列全自动化机械操作的液体灌装生产线也成了目 前饮食品行业所急需设备。近几年纸质包装因其环保性、安全性、美观越来越受到 消费者的欢迎。本文对液体灌装生产线的工作过程、制罐机的组成与结构、生产线 的o m r o n 电机控制器进行了深入的分析研究，组建了制罐机的硬件系统，采用工业 以太网和m e c h a t r o l i ni i 现场总线，实现了对系统的控制。采用电机控制器专用v b 语言为开发工具，编制了系统控制软件，实现了对制罐机加热器温度和电机等的自 动控制。 关键词：p l c ，工业以太网，电机控制器，m e c h a t r o l i n ki i 现场总线 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，t h er e q u e s t sf o rb e t t e rp a c k a g e q u a l i t ya r ei n c r e a s i n g t h ef u l l ya u t o m a t i cl i q u i df i l l i n gp r o d u c tl i n e sw h i c hc a nd o t h ep a c k a g em o l d i n g ，l i q u i df i l l i n ga n ds e a l i n ga r eu r g e n tn e e d e di nf o o di n d u s t r y i nr e c e n ty e a r s ，t h ep a p e rp a c k a g e sa r em o r ea n dm o r el i k eb yc o n s u m e r sf o ri t s e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ，s a f e t y a n dg o o dl o o k i n g t h i s p a p e rr e s e a r c h e d a n d a n a l y z e dw o r k i n gp r o c e s so ft h ef i l l i n gm a c h i n e ，c a np r o d u c em a c h i n e ss t r u c t u r e a n df u n c t i o n sa n do m r o nm o t o rc o n t r o l l e ri nt h el i n e s w eb u i l dt h ec a np r o d u c e m a c h i n eh a r d w a r e s y s t e m a n da c h i e v e dt h ec o n t r o lo ft h es y s t e m b yi n d u s t r y e t h e r n e ta n dm e c h a t r o l i ni i f i e l db u s w e d e v e l o p e d t h e s y s t e m c o n t r o l s o f t w a r eb ym o t o rc o n t r o lv bl a n g u a g et h r o u g hw h i c ht oa c h i e v es y s t e ma u t o m a t i c c o n t r o ls u c ha st e m p e r a t u r ec o n t r o la n dm o t o rc o n t r o le t c y a n g z h e n ( m e c h a t r o n i c e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a nq i n g y a o k e yw o r d s ：p l c ，e n t h e r n e t ，m o t i o nc o n t r o l e r ，m e c h a t r o l i n ki if i e l db u s 华北l 乜力人学硕十学何论文摘要 摘要 随着人们物质生活水平的提高，对产品的包装质量要求也相应提高，能够完成 包装成型、液体灌装、封口等一系列全自动化机械操作的液体灌装生产线也成了目 前饮食品行业所急需设备。近几年纸质包装因其环保性、安全性、美观越来越受到 消费者的欢迎。本文对液体灌装生产线的工作过程、制罐机的组成与结构、生产线 的o m r o n 电机控制器进行了深入的分析研究，组建了制罐机的硬件系统，采用工业 以太网和m e c h a t r o l i ni i 现场总线，实现了对系统的控制。采用电机控制器专用v b 语言为开发工具，编制了系统控制软件，实现了对制罐机加热器温度和电机等的自 动控制。 关键词：p l c ，工业以太网，电机控制器，m e c h a t r o l i n ki i 现场总线 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，t h er e q u e s t sf o rb e t t e rp a c k a g e q u a l i t ya r ei n c r e a s i n g t h ef u l l ya u t o m a t i cl i q u i df i l l i n gp r o d u c tl i n e sw h i c hc a nd o t h ep a c k a g em o l d i n g ，l i q u i df i l l i n ga n ds e a l i n ga r eu r g e n tn e e d e di nf o o di n d u s t r y i nr e c e n ty e a r s ，t h ep a p e rp a c k a g e sa r em o r ea n dm o r el i k eb yc o n s u m e r sf o ri t s e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，s a f e t ya n dg o o dl o o k i n g t h i sp a p e rr e s e a r c h e da n d a n a l y z e dw o r k i n gp r o c e s so ft h ef i l l i n gm a c h i n e ，c a np r o d u c em a c h i n e s s t r u c t u r e a n df u n c t i o n sa n do m r o nm o t o rc o n t r o l l e ri nt h el i n e s w eb u i l dt h ec a np r o d u c e m a c h i n eh a r d w a r es y s t e ma n da c h i e v e dt h ec o n t r o lo ft h es y s t e mb yi n d u s t r y e t h e r n e ta n dm e c h a t r o l i ni if i e l db u s w ed e v e l o p e dt h es y s t e mc o n t r o l s o f t w a r eb ym o t o rc o n t r o lv bl a n g u a g et h r o u g hw h i c ht oa c h i e v es y s t e ma u t o m a t i c c o n t r o ls u c ha st e m p e r a t u r ec o n t r o la n dm o t o rc o n t r o le t c y a n g z h e n ( m e c h a t r o n i c e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a nq i n g y a o k e yw o r d s ：p l c ，e n t h e r n e t ，m o t i o nc o n t r o l e r ，m e c h a t r o l i n ki if i e l db u s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高速纸质罐体成型机机构与控制的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乏烫遂 日 期：趔! 竺：歹口 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 匆茛 导师签名： 丝錾! 丝：1 0日期： 华j 七电力人学硕十学位论文 第一章绪论 随着人们物质生活水平的提高，对产品的包装质量要求也相应提高，需要能够 完成液体灌装、封口等一系列全自动化机械操作的液体灌装生产线，这样的灌装生 产线在国内制药、保健食品以及酒类等包装行业来说有大量的需求。 现在主要靠进口来满足设备要求，目前进口一台全自动液体灌装生产线需4 0 0 万元人民币。这极大的浪费了我们的人力、物力和财力，严重浪费外汇储备。根据 这一状况，就需要实现灌装机设计制造的国产化，所以，在参照国外全自动液体灌装 机先进机型的基础上，结合国内液体灌装的实际情况，丌发设计新型全自动液体灌 装机在医药业、保健品业、酒类灌装业具有很深远的意义和广阔的前景。并且在开 发时还应注意以下几点： 1 提高产品质量，要求灌装机设备精度高、自动化程度也高。但是设备的售价 也相应提高，增大了产品的单位成本。因此在设计灌装机时，应结合生产工艺要求， 对相关的因素进行综合考虑。 2 工艺范围宽的原则。灌装机的工艺范围是指其适应不同生产要求的能力。工 艺范围越宽，越能提高设备的利用率，实现一机多用，即利用同一设备可以灌装多种 物料和多种规格的容器。 3 符合g m p 标准。灌装机用于灌装药液或食品等，所以，对卫生有特殊要求。因 此在结构上直接接触物料的部件应便于装拆和清洗，不允许有死角。而且要有可靠 的密封措施，严防杂物混入和物料散失。在材料上，对直接接触物料的零部件要尽可 能采用不锈钢或无毒材料。 4 使用安全，维修方便的原则。灌装机的操作、调整应方便省力，使用安全可靠。 而且其结构应便于拆装组合，零部件应通用化、标准化。 1 1 研究背景和意义 随着我国经济的发展人民生活水平的提高，我国乳品市场有了高速的发展。这 也同时给了食品包装线很大的市场空间。无菌包装技术诞生于4 0 年代后期，从6 0 年代开始，由于包装用塑料的迅速发展，给无菌包装提供了广阔的发展天地。8 0 年 代初由纸、铝、塑组成的六层复合纸包装进入我国，它能够有效阻隔空气和光线， 而这些正是容易让牛奶和饮料变质的杀手。层纸片可以根据不同产品的诉求，方便 地印刷不同的外观设计，或鲜艳、或清新、或卡通，完全可以因产品而异，因消费 者而异。纸容器多用于果蔬、乳品及清凉饮料的包装，按其材质与形状可以分为原 纸、砖型复合纸盒、纸杯、组合罐等。众所周知，包装成本对食品饮品制造企业来 1 华北电力人学硕十学何论文 讲已经占总成本相当大的比重，在伊利公司总成本罩面，包装成本占到4 0 。从现 实情况来看，降低包装成本是乳品企业生存的一条重要途径。与其他容器相比，纸 容器的优点有：成本低、重量轻、有利于物流、无金属溶出和罐臭发生，纸质包装 最大的优点就是可回收循环再利用，环保经济。无菌包装正以传统加工方法无以比 拟得的优势占领了这个市场。近年来，我国每年的食品包装机械进口额近2 0 亿美 元，跃升为世界第二大包装机械进口国。瑞典利乐公司是全球最大得无菌包装供应 商，掌握着全球7 5 的市场占有中国9 0 的市场，仅伊利公司一家2 0 0 2 年就使用了 1 4 8 亿个利乐无菌包。瑞典利乐公司从1 9 7 9 年向我国售出首台“砖形纸盒无菌罐 装机 丌始进入中国市场，从此丌始了我国液态食品包装从瓶装向无菌纸盒包装转 变的历史。2 0 多年来，利乐公司取得了我国罐装机市场9 5 以上的市场份额，形成 了垄断地位。据统计，我国无菌纸盒年消耗量约为1 0 0 亿包的包材，售价约折合人 民币近4 0 亿元，约占全球市场1 0 左右的份额，而且每年以2 0 至2 0 的速度递增， 成为全球最大和发展最快的市场。到2 0 0 4 年，利乐在中国无菌包装盒的生产能力 将从目前的1 2 亿包增加到6 0 亿包。利乐等外资依靠设备优势捆绑销售包材严重制 约了我国包材业及相关造纸业的发展比1 。 1 2 无菌灌装系统的现状和发展方向 在今年4 月4 日至7 日在德国科隆举行的2 0 0 6 年a n u g a 国际食品技术博览会 上，利乐推出其最新的包装生产线：利乐无菌灌装机a 5 及包装速度创下新高的利 乐无菌灌装机a 3 高速线的新一代产品；同时展出的还有三个主要的新包装以及丰 富而创新的包装解决方案，并将每天在展会现场灌装2 5 万多个包装。目前利乐拥 有多种不同形状的包装，比如利乐砖、利乐枕、利乐冠、利乐钻等。目前我国包装 机械的现状是1 相对质次价低；2 丌发能力不足，我国包装机械主要还是仿制、测 绘，稍加国产化改进，谈不上丌发研究；3 自动化程度不高，国外使用的食品包装 机械自动化程度高，单产比我国大。 最近几年，国外包装机械设备发展呈现出以下新的趋势： 1 工艺流程自动化程度越来越高。目日订自动化技术在包装生产线中已占5 0 以 上，大量使用了电脑设计和机电一体化控制，目的是提高生产率，提高设备的柔性 和灵活性适应产品变化。大多是高速自动化生产线，可靠性强，产量高，部分设备 还是当今世界最先进的机型。 2 由于可编程控制器的高性价比、高可靠性、可维护性以及灵活的编程功能， 使其在包装机械控制领域得到广泛应用，它将传统的继电器控制技术、计算机技术 和通讯技术融为一体，具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便，易于扩展等优 点。采用机电一体化技术使得机械结构简单故障发生概率减少，系统及时得到反馈 2 华北电力人学硕十学位论文 信号并进行修正使包装机随时保持最佳工作状态提高产品质量。 3 包装机械设计普遍使用仿真设计技术。把各种机器单元以数据库形式存入计 算机，把图纸数字化后输入计算机，由计算机自动合成三维模型，再把实际生产的 指标和数掘、可能发生的故障等输入计算机。计算机三维模型即可依照实际工作情 况进行操作，演示出生产能力、废品率、生产环节匹配、生产线瓶颈在何处等。 4 设备在向多功能化发展。能够适应用户改变包装容器、改变灌装液体的需要。 更换部件也能够适应封口形式的变化，产品的适应性更广，市场的竞争力更强。例如， 同一台灌装设备，可进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料等多种饮料的冷 灌装。 5 灌装机械集光、机、电、气、磁一体化。编程控制器普遍应用于灌装机的控 制系统中，大型设备更是采用计算机控制，人机界面显示，故障自我诊断，实现了设 备运行的智能化。 现代灌装技术的目标是精确、高效、自动化。精确的灌装量、灌装过程的高速、 减少尽量小的液损、整条生产线的最优化控制，都由于电子技术的实际应用而成为 可能。 综上所述，我国灌装机械制造业虽然起步晚，基础薄弱，但经过二十多年技术的 不断引进、工艺装备的技术改造、c a d 计算机辅助设计的普遍应用，整体的产品质量 提高很快。但是，与国外先进技术的差距尚且存在，主要表现在研究丌发的滞后，试 验手段欠缺。国内饮料制造业的优胜劣汰和集约化发展，也将造成灌装机械制造业 的优胜劣汰，必将促进具有技术实力企事业的进步和发展晦1 。 3 华北电力人学硕十学位论文 第二章控制系统硬件及功能分析 2 1 可编程控制器 可编程控制器( 简称p l c ) ，是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。p l c 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种 通用的工业自动控制装置。p l c 完全采用模块化结构，编程简单方便，结构紧凑、 坚固；它将微计算机技术与继电器控制技术很好地融合在一起，又具有很强的联网 功能，可与监控计算机组成分布式控制系统：特别是它的高可靠性和较强的适应恶 劣环境的能力，受到用户青睐，因而在工业控制领域迅猛发展，得到了越来越广泛 的应用，成为现代工业控制的三大支柱( 机器人、c a d c a m ，p l c ) 之一抽1 。 2 1 1p c 的结构和工作原理 p l c 一般由中央处理器、存储器、输入输出设备、电源等部分组成，中央处理 器( c p u ) 由控制电路、运算器和寄存器组成。c p u 通过地址总线、数据总线、控制 总线与存储单元、输入输出接口连接。p l c 采用循环扫描的工作方式，在p l c 执行 用户程序时，c p u 对梯形图自上而下、自左向右地逐次进行扫描，程序的执行是按 语句排列的先后顺序进行的，是一种串行的工作方式，不会出现多个线圈同时改变 状态的情况，这样有利于避免触点竞争和时序失配的问题 1 。 2 1 2 可编程控制器的发展趋势 经过几十年的迅速发展，p l c 的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛，其 足迹已遍及国民经济的各个领域，形成了能够满足各种需要的p l c 应用系统。随着 市场需求的不断提高，p l c 的发展主要体现出以下趋势： 1 向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展。 2 过程控制功能不断完善。 3 大力丌发智能型i o 模块。 4 与个人计算机同益紧密结合。 5 编程语言趋向标准化。 6 通信与联网能力不断增强。 现在，几乎所有p l c 都有通信联网功能，通过双绞线、同轴电缆或光纤，信息 可以传送到几十公里远的地方；通过m o d e m 和互联网，可以使p l c 与世界上其他地 方的计算机装置进行通信阳1 。 4 华北电力人学硕十学位论文 2 1 3p l c 的特点 与单片机、d s p 等微控制器相比，虽然在运算速度、价格等方面p l c 处于劣势， 但其针对工业环境下所具有的优势却是其他控制器所无法比拟的。p l c 有以下几个 特点： 1 很好的抗干扰能力和很高的可靠性 工业现场电磁干扰严重。由电源波动，机械振动，温度和湿度的变化引起的干 扰对控制器的抗干扰能力提出了很高的要求。单片机等通用控制器不是针对工业应 用环境而设计，所以抗干扰能力差。而p l c 在电子线路、机械结构以及软件结构上 都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集 成电路，i 0 系统设计有完善的通道保护和信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、 防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措 施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。所有这些都使p l c 具有较高 的抗干扰能力。p l c 的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机远不能 达到的。 2 控制系统结构简单，通用性强 p l c 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组成各种大小和满足不同要求的控 制系统。在p l c 构成的控制系统中，只需在p l c 的端子上接入相应的输入输出信 号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬件接线线 路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时。可以用编程器在线或离线修改 程序，同一个p l c 装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不 同。p l c 的输入输出可直接与交流2 2 0 v ，直流2 4 v 等强电相连，并有较强的带负 载能力。 3 编程方便，易于使用 p l c 是面向用户的设备，p l c 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和 习惯，p l c 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继 电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识 和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。 4 功能完善 p l c 的输入输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的丌关 量和模拟量的输入输出。在p l c 内部具备许多控制功能，诸如时序、计算器、主 控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地 实现延时、锁存、比较、跳转和强制i 0 等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术处 理、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印以及报 5 华北电力人! 学硕十学位论文 表生成功能。此外，它还可以和其它微机系统、控制设备共同组成分御式或分散式 控制系统，还能实现成组数掘传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算 及快速中断等功能。因此，p l c 具有很强的适应性，能够很好的满足各种类型控制 的需要。 5 设计、施工、调试的周期短 用继电器、接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理 图，然后画出继电器柜的布置和接线图，进行安装调试，以后修改起来十分不便。 而采用p l c 控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，却已商品化，故仅需 按性能、容量( 输入输出点数、内存大小) 等选用组装，而大量具体的程序编制 工作也可在p l c 到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。由 于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短 了施工周期。因此p l c 是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语 言，且都具有强制和仿真功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大 缩短设计和投运周期。 6 体积小，维护操作方便 p l c 体积小，质量轻，便于安装。p l c 的输入输出系统能够直观地反映现场信 号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状 态、通信状态、i o 点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的提示，非常 有利于运行和维护人员对系统进行监视。也正是基于p l c 具有以上的优点，结合用 户对稳定性和抗干扰性的迫切要求，本项目采用p l c 作为设备的控制核心口1 。 2 2 基本系统配置 系统选用o m r o n 公司丌发的c j i c c p u 4 2 pp l c 控制系统，执行速度快( 0 0 2 0 0 4 秒) ，存储量大，数据存储达6 4 4 4 8 k ，存储卡最多存储6 4 m 。含有高速计数器。 同时可通过以太网与伺服控制器m c l 6 建立连接，使得控制对象更加广泛，便捷。支 持基于任务的编程结构、指令，高速指令执行，i 0 存储器，功能性和报文通信；可以 有多达3 2 个标准( 循环执行的) 任务和2 5 6 个中断任务；有两种中断：电源断丌 中断和定时中断。除非需要不必生成i o 表，即在电源接通时能自动生成i o 表。 c p u 机架由c p u 单元、供电单元、基本i o 单元、特殊i o 单元、c p u 总线单元和 一个终端板组成，存储器卡可选。最多可连接1 0 个i o 单元n 0 。 系统选择模拟输入模块：a d 0 8 1 一v 可接受4 - 、一2 0 m a ，0 i o v ，一1 0 i o v ，o - 5 v 的模 拟量。模拟输入卡：共有八个c h a n n e l ，a 1 a 4 ，b l b 4 ：含有指示灯 i n d i c a t o r ：r u n ，e r c ，e r h ，a d j 。同时含有模块地址设定开关及其模式选择。数字数 字输入卡：id 2 3 2 。数字输出卡：0 d 2 3 2 1 。i o 存储器的一部分被分配给这些单元， 6 华北电力人学硕+ 学位论文 单元分为下列3 组： 1 基本i o 单元，分配c 1 0 0 0 0 0 0 0 7 9 c p u 机架上的基本i o 单元分配地址字从左到右( 如从最靠近c p u 单元的单元 开始) 从c 1 0 0 0 0 0 丌始，分配给单元的字以字为单位可按要求字数分配。使用 c x p r o g r a m m e r 可以改变第1 槽的起始字并且可以保留字。 2 特殊i o 单元，分配c 1 0 2 0 0 0 2 9 5 9 每个单元在特殊i o 单元区( c 1 0 2 0 0 0 2 9 5 9 ) 分配1 0 个字，特殊i o 单元可安 装在c p u 机架和扩展机架。另外，在对基本i o 单元分配时，不予考虑特殊i o 单 元，安装特殊i 0 单元的作为空处理。 3 c p u 总线单元，分配c 1 0 1 5 0 0 1 8 9 9 每个c p u 总线单元在c p u 总线单元区( c 1 0 1 5 0 0 - 1 8 9 9 ) 分配2 5 个字，c p u 总线 单元可安装在c p u 机架或扩展机架。在对基本i o 单元分配i o 时，不考虑c p u 总 线单元。特i o 殊单元和c p u 总线单元可以使用相同的单元编号“引。 可配置下列网络系统 1 以太网：如果以太网单元连接到系统中，f i n s 信息可用于连接到以太网的上 位计算机和p l c 之间或p l c 与p l c 之间的通信，从连接到以太网的上位计算机执行 p l c 的f t p 命令，可读或写( 传送) 安装在c p u 单元中的存储器卡上的文件的内容。 可用u d p 和t c p 协议发送和接收数据。这些功能使信息网络具有更强的兼容性。 2 c o n t r o l l e r l i n k ：c o n t r o l l e r l i n k 网络是o m r o np cf a 网络的基本框架。 c o n t r o l l e r l i n k 单元连接到网络建立p l c 之间的数据链接，以便不经过编程就可共 享数据，并在需要时可进行独立控制和数据传送的p l c 之间的f i n s 信息通信。网络 连接c o n t r o l l e r l i n k 使用双绞电缆或光缆。p l c 和个人计算机之问也可进行数据链 接和信息通信，数据链接允许大容量和自由分配。f i n s 信息通信也允许大容量数据 传送。 3 d e vic e n e t ：d e v ic e n e t 是由多位控制和信息系统组成的多厂商网络，符合开 放现场d e v i c e n e t 规格。连接d e v i c e n e t 主单元到网络上确保网络上的p c 和从单 元之问的远程i o 通信。远程i o 通信允许大容量i 0 和用户设置分配。模拟量i o 终端用于从单元。p l c 之间和p l c 与其它公司生产的o e v i c e n e t 设备之间可以进行 信息通信1 。 系统选用以太网通讯模块：e t n 2 l 。各部分i p 地址为p l c ：1 9 2 16 8 0 1 ； t r a j a x i e ：1 9 2 1 6 8 0 2 5 0 ：n s l 0p a n e l ：1 9 2 1 6 8 0 3 。 单元电流消耗 因为可以供应给安装在架一h 的单元的电流功率的量是受机架一h 的供电单元的 7 华北电力人学硕十学位论文 容量的限制的，所以系统设计必须保证：各单元的总的电流消耗不超过每个电压等 级允许的最大电流，并且总的功率不超过供电单元的最大值。主电源供给：p a 2 0 2 引。 2 3o m r o n 电机控制器t r a j e xia t r a j e x i a 是欧姆龙新推出的一款使用方便、性能优良的专业电机控制系统，是 一款具有很强的适应性、可测量性的有标准组件模块的控制系统。t r a j e x i a 的主机 是t j l 多任务驱动协调器。内部由3 2 位d s p 提供运算处理功能，可以通过简单的 命令完成例如电子凸轮、电子变速箱、插补运算等功能。t r a j e x i a 通过 m e c h a t r o l i n k i i 总线、传统的总线或脉冲控制完成最多对1 6 轴的各自的定位、速 度、扭矩控制。 t j i - m c 一的伺服系统采用了一个半闭环或者理论上的半闭环系统。系统通过电 机的旋转来探测机器的运动并和目标值进行比较。计算目标值和实际值之间的误 差，并通过反馈来减少误差。 2 3 1 电机控制器主机的内部操作 理论上的闭环系统在现代伺服系统中占据主流地位，现代伺服系统常被应用于 工业的定位装置上。如图2 1 显示了t j l 一m c 所用的伺服系统的基本原理。 1 t j i - m c 实现位置控制。控制器的主要输入是一个误差，这个误差是目标位置 和实际测量位置的差值。 2 位置控制器根据这个误差和可能的目标位置、测量位置计算出需要的速度参 考输出。速度参考被提供给伺服驱动器。 3 伺服驱动器根据速度参考控制伺服电机的回转速度。 4 回转译码器产生反馈脉冲，也就是在伺服驱动的速度环中产生速度反馈，以 及在t j 卜m c 一位置环中产生位置反馈。 a 、t j l 一m c b 、伺服系统c 、目标位置d 、位置控制e 、速度参考 f 、速度控制g 、电机h 、译码器i 、测量速度j 、测苗位置 图2 一l 电机控制原理图 8 华北电力人学硕十学位论文 2 3 2 运动控制运算法则 伺服系统通过连续的调整伺服驱动器速度参考值来控制电机。速度参考值是由 t j l - m c 的动作控制算法计算而得到。 动作控制算法用目标位置( a ) ，测量位置( d ) 以及误差( b ) 来计算速度参考。 误差是目标位置和测量位置之间的差值。目标位置、测量位置和误差由轴的参数： m p o s 、d p o s 、f e 来描述。五个增益评价已经实现，使得用户能够为每个请求设定正 确的控制操作。 1 比例增益 比例增益k ，产生一个与输入误差e 成比例的输出d ，。 o p = k p e ( 2 1 ) 所有实际的系统都用到比例增益。对于很多系统仅仅单独用这个增益参数已经 足够了。比例增益的轴参数称作p 增益。 2 积分增益 积分增益k 产生一个和系统操作期间产生的误差的总和成比例的输出q 。 q = k 。e ( 2 - 2 ) 积分增益输出会产生突增，所以它通常只用于匀速工作或加速度小的系统中。 积分增益的轴参数称作i 增益。 3 引出增益 引出增益k d 产生一个和误差e 的变化成比例的输出吼，而且在保持相同的相 对稳定性的情况下，这个输出加速了对误差变化的反应。 q ；k d a e ( 2 3 ) 引出增益可产生一个平稳的反应，过高的值可能会引起振动。引出增益的轴参 数叫做d 增益。 4 输出速度增益 输出速度增益k 。，产生一个和测量位置己的变化成比例的输出q ，。 以。k 。蛾 ( 2 4 ) 输出速度增益增加了系统的阻尼性。输出速度增益对于滤波动作很有用，但是 它会产生很高的误差。输出速度增益的轴参数称作0 v 增益。 5 速度迅速进给增益 k 啊产生一个和目标位置乃的变化成比例的输出o w 。 9 华北电力人学硕十学位论文 o 啊一k 疗嵋 ( 2 - 5 ) 速度迅速进给增益能在高速下减小误差。在匀速运动中，当其他增益已经设定 了之后，可以通过设定这个增益参数来减小误差。速度迅速进给增益的轴参数叫做 v f f 增益。 2 3 3t r a j e x i a 系统结构 t r a j e x i a 系统结构由五大部分组成：程序控制、动作扫描、运动缓存器、通讯、 外围设备。这些部分依赖于伺服系统周期参数的值设定。 1 程序控制 。 程序使得系统按照设定的方式工作。程序用一种类似于b a s i c 的语言写并且控 制轴和模块的情求。控制器可同时运行1 4 个程序。程序通过执行命令来移动轴， 控制输入、输出和通信。 2 动作扫描 动作扫描用以下的动作来控制所有1 6 个轴的位置：读取运动缓冲器、读取现 在测量的位置( m p o s ) 、计算下一个目标位置( d p o s ) 、执行位置环、发送轴参考值、 误差处理。 3 运动缓冲器 运动缓冲器是b a s i c 命令和轴控制之间的连接。在一条b a s i c 运动指令执行前， 指令被保存在其中一个缓冲器中。在下一个运动周期，代码发生器通过缓冲器罩的 命令来执行动作。当这个动作结束后，运动指令从缓冲器罩清除。 4 通讯 所有的通讯在前中央处理器任务中执行。通过b a s i c 通信指令来设置。当 t r a j e x i a 是一个通讯从动装置( 如在p r o o f i b u s 通讯中) ，仅仅需要在初始任务中 设定通信。t r a j e x i a 是一个通讯能手，通过b a s i c 通信指令完成写和读。 5 外围设备 所有的输入和输出通过参数来设定( i n ，o p ，a i n ，a o u ) 。在t r a j e x i a 中，可 以自动的探测输入和输出。变频器作为一种外围设备，拥有一套b a s i c 指令来控制。 m e c i t a t r o l i n k ii 输入输出模块能连接到t j m l 单元。 2 3 4 循环时间 在t r a j e x i a 系统中，所有的程序是以循环周期为基础的。 一个周期被分为四个中央处理器任务： 1 0 华北电力人学硕十学何论文 如果伺服周期是0 5 或者1 0 毫秒的，那么时间问隔是2 5 0 微秒 如果伺服周期是2 0 毫秒的，那么时问间隔是5 0 0 微秒 在每个时间问隔罩所能执行的程序取决于它所设的伺服周期。 表2 一i 中央处理器任务 中央处理器任务揲作 第一个中央处理器任务运动控制 低优先性群序 第一二个中央处理器任务高优先性程序 第二个中央处理器任务 1 动作扫描( 仅仅当伺服周期是 0 5 毫秒) 电子显示器更新 高优先性程序 第四个中央处理器任务外部通讯 2 3 5 伺服周期 伺服周期能够设定为0 5 ，1 或者2 毫秒。在循环时问里所能执行的程序取决 于伺服周期参数的设定。伺服周期参数是一个t r a j e x i a 参数，并且它必须根据系 统设定来设定。只有在重启t j m c 之后才能改变这个设定。 在t r a j e x i a 系统中，轴和m e c h a t r o l i n k i i 设备的数目决定伺服周期系统的 参数值。 t j - m c 单元支持下面三类m e c h a t r o l i n k - i i 设备。 1 伺服驱动器。t j m c 一把伺服驱动器作为轴。 2 频率转换器。t j m c 一不把频率转换器作为轴。 3 输入输出单元。t j m c 一不把输入输出单元( 类似体和数字，计数器和脉冲) 作为轴。 当你设定伺服周期参数时，必须遵守限制性的规则。一个不f 确的伺服周期参 数值会导致m e c h a t r i l i n k - i l 设备不正确的检测。下表给出了限制性的规则，对于 每一个单元，这个表格给出了在给定的伺服周期设定下这个单元所能控制的最大数 目的设备6 7 1 。 华北电力人学硕十学何论文 2 4 变频器 s e r v o _ p e r i o dt j l m c1 6 t j l m c 0 4t j l m l l 6t j l m l 0 4 0 5 n s8a x e s5a x e s4a e v i c e s4d e c e s 4n o n a x i s4n o n a x i s d e w c e sd e c e s 1 0 m s1 6a x e s5a x e s8d e v l c e s4d e v i c e s 8r l o f i a x i san o n a x i s d e v i c e sd e 竹c e s s e r v o p e r i o dt j l m c l 6 t j l m c 0 4t j l m l l 6t j l m l 0 4 2 0 i l s1 6a x e s5a x e s1 6d e v c e s4d e v i c e s ar l o n a x i san o n a x i s d e v l c e s d e v ，c e s 图2 - 2 s e r v o p e r i o d 设定 系统采用了o m r o nv 7 系列变频器，以便与控制系统有更好的兼容性 变频调速的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类 型电机。感应式交流电机的旋转速度近似的决定于电机的极数和频率。由电机的工 作原理决定电机的极数，极数一般是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数 值( 都为2 的倍数，例如极数为2 ，4 ，6 ) ，所以不适宜通过改变该值来调整电机的 速度。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再 供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的变 频器。是作为电机调速设备的优选设备。 n = 5 0 f p ，n ：同步速度，f ：电源频率，p ：电机极数，改变频率和电压是最优的 电机控制方法。如果仅改变频率，不改变电压，电机发热很厉害，电机将被烧坏。 特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器 在改变频率的同时必须同时改变电压，例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器 的输出频率必须从5 0 1 1 z 改变到2 5 h z ，这是变频器的输出电压就必须从2 0 0 v 改变到 约lo o v 。 变频器的调速方法通常有三种： 1 现场操作面板调速：利用操作面板上的启动、停止、频率加减键来改变马达 的速度。 2 远程模拟量调速：通过改变输入变频器的给定的d c 卜l o v 的模拟电压来改变 变频器的频率，从而改变马达的转速。 3 远程数字量调速：通过给变频器控制端子加上“0 ”或“l ”信号( 即控制端 1 2 华北电力人学硕十学位论文 子是否有d c 2 4 v 电压) 来选择变频器内部设定的几个特定的频率，从而使马达具有 几个特定的转速。 通过远程模拟量调速，可以让马达连续调速，马达速度可以连续变化；远程数 字量调速，马达速度不可以连续变化，只能选择几个特定的转速刖。 2 5 现场总线 采用现场总线技术实现运动控制器与数字伺服驱动器之间的连接，连接如图 2 - 3 所示，基于现场总线的设计具有以下优点： 1 简化控制器与伺服驱动之间的连线，减少硬件数量，节省安装与维护成本。 2 提高系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟 信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。 3 对快速运动控制实现快速反应并且系统平滑度提高。 4 现场设备的高度智能化与功能自治。数字伺服装置将传感测量、补偿计算等 功能包含在现场处理芯片中，其本身可随时诊断设备的运行状态钆划。 现场总线接口 图2 - 3 现场总线连接 现场总线m e c h a t r o l i n ki i ： 随着自动化控制技术发展，控制领域对现场网络总线技的实时性和确定性以及 扩展性的要求在不断提高，目前可用于运动控制的现场总线有：p r o f i b u s ，d p v 2 ， s e r c o s ，d e v i c e n e t ，m e c h a t r o l i n k 等等。系统主控系统采用o m r o n 系统，总线采 用了r 本安川电机提供的m e c h a t r o l i n k1 1 现场总线。m e c h a t r o l i n k 是一种高速的 现场总线，其包括通信速度为4 m b p s 的m e c h a t r o l i n ki 和1 0 m b p s 的m e c h a t r o l i n k l i ，实现了实时、准确地接受和发送用于控制的位置数据、速度数据、输入输出状 态等信息，完成灵活的、高精度的运动控制，特别适用于需要各轴i 日j 的协调、同步 和插补控制的应用。除了控制机械所必需的转矩、位置、速度控制功能以外，该现 1 3 华北电力人学硬十学位论文 场总线还可实现要求精度极高的相位协调控制，更可以完成在线任意切换控制方 式，如系统在位置控制方式进行中，在线切换为转矩控制方式使复杂的机械动作 得以高效、平稳地控制。m e c h a t r o l l n k i i 现场总线能够更加容易的使一个主控制设 各控制更多的从控制设备，比如伺服驱动，转换器以及智能i 0 模块等”。其具 有以下优点： l 总线使用周期传输提供异步及同步两种通信机制。 2 最高速度l o m b p s 。 3 传输周期的最优值可通过连接的站数以及传输数据的大小进行选择，传输周 期可从2 5 0 m s 到8 m s 。 4 通过可屏蔽双绞线进行物理连接降低成本。 5 主控制设各运行负载降低，因为m e