（机械设计及理论专业论文）fc板材生产线自动控制系统的研究与开发.pdf

摘要 论文结合实际科研项目f c 板材生产线的自动化改造，开发设计了一套f c 扳材牛 产线自动控制系统。论文首先针对f c 板材的生产情况，论述了生产+ 线中存在的问题及其对 自动控制系统的要求。在结合国内外生产过程控制的技术发展和其他生产线白动控制系统的 基础上，开发设计了计算机控制系统。在该系统中。计算机作为其中的核心部仆，刈整个叶： 产线起着监测和控制的作用，计算机通过信号输入输出 ，将传感器所传送的数据进 j 处 理和分析，对生产情况进行判断，并对电气干机械部件发出控制指令：论文针恻生。过牲中 不同的工艺参数采用了不同的测量原理，选择和i 设计了相应的传感器，实现了对l 艺参数的 实时监测；论文针对系统的硬f 1 哇r 成，开发设计山相虑的挖制软什：按j ! c 软俐i m 半的i 5 思想，对控制软件的需求进行了分析，行将整个软什划分为6 个模块，根据文际需要设汁， 相应的模块，实现了具体的功能：为保证生产过程的白动化，论文设计了白动f 坯机构平放 料口阀门控制机构米代替人上的操作，另外还设计了厚度传感器配套安装机构：论文还从l 。 业应用的角度论述了现场存在的些电磁和振动等于扰，针对不同的情况提出了相府的措 施，提高了传感器的测量精度，保证了系统的稳定运行。 关键词：过程控制，计算机控制系统，传感器，抗干扰技术 a b s t r a c t a sap a r to f p r a c t i c a lr e s e a r c hp r o j e c t a u t o m a t i cr e n o v a t i o no f f cb o a r dp r o d u c t i o n l i n e ，t h e t h e s i sd e a l sw i t ht h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r i z e dc o n t r o ls y s t e mt h ep r a c t i c a l p r o b l e m si nt h ep r o d u c t i o nl i n ea r ed i s c u s s e di nt h et h e s i s ，a n dt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi s d e v e l o p e df o r t h ep r o d u c t i o n l i n eo nt h eb a s i so ft h ed e v e l o p m e n to fp r o c e s sc o n t r o l t e c h n i q u ea n do t h e rp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m sa st h ec h i e fp a r ti nt h es y s t e m ，t h ec o m p u t e ri s r e s p o n s i b l ef o r t h ei n s p e c t i o na n dc o n t r o lo f t h ep r o d u c t i o nl i n et h ec o m p u t e rd e a l sw i t ht h e d a t as e n tf r o mt h es e n s o r st h r o u 【g ht h es i g n a li n p u t o u t p u tc a r d ，e s t i m a t e st h ep r o c e s so ft h e p r o d u c t i o n ，a n ds e n d so u ti n s t r u c t i o nt ot h ee l e c t r i c a l o rm e c h a n i c a le l e m e n t s d i f f e r e n t m e t h o d sa r ea d o p t e di nt h et h e s i st om e a s u r ed i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r st h et h e s i ss e l e c t s a n dd e s i g n ss u i t a b l es e n s o r s ，a n dr e a l i z e sr e a l t i m em e a s u r i n g c o n t r o ls o f t w a r ei sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m i no r d e rt oa c h i e v et h ea u t o m a t i o no ft h ep r o d u c t i o n ， t h et h e s i sd e s i g n st h ei n s t a l l a t i o ne l e m e n t sf o rt h es e n s o ra n dm e c h a n i c a lp a n st or e p l a c e m a n u a lw o r k c o r r e s p o n d e dm e t h o d sa r e a d o p t e dt or e m o v et h ee l e c t r o m a g n e t i s ma n d v i b r a t i o nd i s t u r b a n c e s ，w h i c hi m p r o v e st h ep r e c i s i o no ft h es e n s o r sa n dg u a r a n t e e st h e s t a b i l i t yo f t h es y s t e m k e y w o r d ：p r o c e s sc o n t r o l ，c o m p u t e r i z e dc o n t r o ls y s t e m ，s e n s o r ，a n t i d i s t u r b a n c et e c h n i q u e 东南大学学位论文独创性声明及使用授权的说明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论丈是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论丈中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 签名：一缝延聋一日期：一三! 曼主蔓一一 二、关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：盗正- 辱 导师签名：一乏“象a 期：一拨蔓厶7 白 东南大学硕i ：论文 第1 章f c 板材生产线概述 1 1 课题的背景及意义 随着我国社会主义建设的b 速发展和人民生活水平的不断提高，各种建筑材料，特别越 新型建筑材料在楼房、道路和桥梁建设以及家鼎室内外装饰葛，领域中都得剑j ，j - 泛的麻川， 需求量也* 逐年递增的趋势。目前在国内建材市场上，各种新刑建筑板材数, i 8 】 工业控制技术的发展是随着控制技术、计算机技术、通讯技术的研究与运i l j 的深入，m 逐渐发展起来的，它大致经历了以下几个发展阶段。 1 分散控制阶段 分散控制体现为单机自动化，在5 0 年代左右，主要采h j 模拟调协器和仪表，进j ? 单变 量调节和局部控制，分别实现各个单机白动化。由丁没有考虑警个系统的相7j ：天联，符门分 别设计了单变鼙调停系统，同时投入运行时，协调性斧，窬易造成整个系统的不稳定。 1 1 集中控制阶段 集中控制结构中，通常由一个控制中心完成总任务的分解、分派币l 协阔，采j j 计算机或 逻辑程序装置作为控制中心，进行集中控制。该控制系统可以完成一些较为简单的报表分析、 统计运算等功能。同时控制中心还可以和多个单片机绢成上、f 位机控制系统，再由r 化机 分别完成各自特定的功能。集中控制结构在国内外的过程控制系统中有着很广泛的麻j 。这 种结构的特点是控制较为稳定可靠，相对丁| 其他控制方案易丁实现。这种控制系统比较经济， 东南人学硕i 论文 适州丁一般要求的控制系统。 i i i 集散控制阶段 随着计算机价格的f 降和通信网络技术的发展，管理的集中性干控制的分散性这实际 需求推动了集散控制系统( d c s ) 的出现。这种系统按照系统结构进行霉直分解，由上而p 可分为控制级、控制管理级和生产管理级。各级之间既相互独立义相互联系。集散系统采j ij 标准化、模块化和系统化的设计，其适应性和灵活性得以大大增强，控制功能较为完善，仉 成本有所提高。 i v 分布式控制阶段 伴随着微电子技术的不断发展，特别是微处理器技术、网络技术以及智能化仪表技术的 发展和应用，d c s 向两个方向发展：一是向高层次发展，使面向过剧控制的d c s 剁面向钎 理与生产调度系统的m i s 集成系统向计算机集成制造系统c i m s 利计算机集成过程控制系 统c i p s 发展：二：是向生产过群中的低层次渗透，控制系统中的过样和i 。作站r 沉剑现场， 形成一种分布式的控制。 以上四种控制方案，是由低级控制向高级控制发展的。随着实际需求的不断提高平技术 的不断进步，以后还会出现更为高级的控制方案。但在确定具体的控制系统时，还麻遵循实 际需求和技术难度、经济利益的一致性，不应盲目的追求技术的先进性，针对特定的情况， 选择最为合适的控制方案。 2 2 2 控制系统方案的选择 以上一节中f c 扳材生产线对自动控制系统的要求作为依据，对上述四种控制方案进行 比较，可以得山：集中控制系统具有较高的可靠性控制系统易丁调攀和使i l j ，能够满足板 材生产线的要求，且成本较为低廉，具有很强的可行性，经过综合考虑，狄定选川集巾控制 系统作为f c 板材生产线的自动控制方案。 f c 板村生产线是一套较为复杂的生产系统，它由多个不同任务的i ：艺环协平多台1 艺 及辅助设备编成，其生产过程有如r 特点： a f c 板材生产线设备较多并且复杂，生产j f 序较多； b 各生产环节分工明确，但协作关系严密，若其中任何一个环i y 发生故障都将影响 整条生产线的止常运作； c 生产过程中要求各生产环节具有高度的比例性和连续性，在生产过烈中的各个环1 ， 及各个工序之间，在生产能力上保持适当的比例从而使各环1 ，、各l 。序之间柑n 衔接： d 车间内潮湿，粉尘污柴及电磁干扰比较严重，生产环境较为恶劣。 集中控制方案也有儿种不同的实现方法，主要可以分为i ：业计算机直接控制羽ii - r 编w 控 制器( p l c ) 控制两套控制方案。f 面分别就这两种方法进行阐述，然后根据f c 板材，f 产 线的生产特点，确定最终的控制方案 9 , i 0 , 1 1 】。 i 计算机直接控制方案 东南大学硕士论文 幽2 1t 业计算机控制系统示意图 如图2 一i 所示，工业计算机控制系统( i n d u s t r i a lp cc o n t r o ls y s t e m ) 是指将川k 计算 机与工业控制软件相结合，通过硬件接口部件和生产线各部位的传感器信号线相连接，采集 传感器的信号，传送回计算机进行计算和分析，再由计算机根据处理后的信息，通过硬t 1 接 e l 部件发出控制指令，对相应的电气和机械执行部件进行操作。随蔫1 业生产中白动化拌度 的不断提高，工业计算机控制系统的应用范用也越来越广。，发挥的作州也越来越重要，已经 被认为是工业自动化中最具有发展潜力、发展速度最快的新兴技术。其功能也越米越完善， 稳定性越来越高，已经具有取代或部分取代可编样控制器( p l c ) 的趋势能够很立，的完成 通常由专用的p l c 执行的控制功能。换句话说，i ：业计算机控制系统能馆将不同的p l c 的 控制功能“封装”在其系统内，运彳了丁p c 的环境中。这样控制系统不但提供了p l c 相删 的功能，还具备了p c 机的各种优点。 在该方案中，计算机是其中的核心和主导元件，数据模块住控制系统中扮演的是采集元 件和执行元件的角色，它负责将现场的信号转换成数字信号传给计算机，再利川计算机处理 后的数据控制现场执行元器件。输x 输出模块本身不带有可进行运算的部t 1 ：它只负资数 据的上传和下传，由计算机通过程序进行控制。 工业计算机控制系统把控制部件、通信接e l 和其他各种特定的麻圳模块集成为一体， 大大简化了以往控制系统的体系结构；同时义具有了一些传统的控制系统所没有的功能，、弥 补了某些缺憾，工业计算机控制系统的特点主要有： a 继承了计算机先天的开放性，这对丁影响自动化系统发展至荚重要的横向通价利纵 向通信来说，无疑提供了坚实的基础； b 控制功能完善：系统可以完成从简单的单同路控制到复杂的多变量模刑优化控制， 可执行从常规p i d 运算到神经网络运算、二阶矩阵乘法等再种运算可以进行连续的反馈控 制，也可以进行间断的批量控制、逻辑控制，可以实现监控、显示、打印、报警、历史数据 存储等日常的全部操作要求； c 完善的人机界面和集中监控功能：操作人员通过显示器和键盘，可以监视生广线的 生产情况，按照预定的控制策略组成不同的控制回路，并调整同路的任一常数，从而实现真 正的集中操作和监控管理； d 系统扩展灵活：系统采用模块结构，用户可根据要求方便地修改系统的控制对象， 很容易对方案进行改进，有利 _ 二分批投资，分批受茄： e 安装凋试简单：系统各单元都安装在标准机框内，模什之间采川多芯电缆、标准什、 9 东南大学硕i ：论文 接插件相连，与传感器连接时采用规格化端子扳，只需铺设舣绞线进行数据传递，所以布线 大大减少： f 具有良好的性价比：系统技术先进、功能齐全、可靠性高。 i可编程控制器控制方案 可编群控制器( 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 ，简称p l c ) 是一种数字逛算操作的 电子系统，专为l 业环境下的应州而设计，它采川了可编科序的存储器，_ l i j 来往其内郝存储 执行逻辑运算、顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令，行通过数字式和模拟式的输 入和输出，控制各种类型机械的生产过程。它具有紧凑的设计、良好的扩展性和强人的指令 功能，可以满足小规模的控制要求。 可编程控制器是专为i ：业应州而设计的，冈此其主要特点是： a 可编程控制器具有较高的可靠性和很强的抗干扰能力，能够在恶劣的环境中刈靠的 工作，平均无故障时间长，故障修复时间短； b 可编程控制器编程简单，使用方便，操作人员能够在较短的时间内掌握编群年使川 技术： c 可编程控制器具有较高的灵活性、较强的信息处理能力以及较多的功能。 采用p l 。c 可编程控制器方案虽然有上述优点，但针对爱富希建材公司生产线项目该方案 也有其局限性： a 可编程控制器成本相对较高，冈为p l c 硬件及组态软件都需要一定的费刚，l r 态软 件需要二次开发： b 可编科控制器的技术斌度相比计算机控制系统而言较人，主要是地址分配繁琐，编 写程序不如计算机采用高级语言方便； c ，由于生产的产品规格不同，用户需要经常对生产的参数进行修改，采州p l c 控制器 方案修改起来较为繁琐，而且需要专业技术人员，对于生产企业而言比较麻烦。 采用计算机直接方案可以有效地解决上述缺点： a 价格便宜，上位机软件属丁自行开发，不受条4 1 限制： b 可以方便的为各种输入和输出信号选择地址； c 软件的开发可以做成面向用户的开放式结构，修改参数较为方便，可以由生产人 员直接进行修改。 通过以上对计算机控制方案平【：| 可编料控制器控制方案的比较，可以石：1 1 采川计算：机控 制方案有一定的优越性故此f c 极材生产线自动控制系统采_ l i 计算机直接控制方案a 2 3 生产线控制系统的组成 根据前面所论述的f c 板材生产过程中所存在的实际问题平生产线对臼动控制系统的需 求，结台其他t 业控制系统的实例，课题设计了一套生产线的白动控制系统a 该方窠 j ，生 产线自动控制系统原理如2 - 2 图所示，主要包括以f 四个部分： 东南大学硕t 论文 图2 2f c 建筑板材控制系统原理图 i ， 计算机及其硬件组成部分 ：r 业计算机为自动控制系统的核心控制部件，它负责控制科序的运行、信弓的输入引输 出、数据计算以及控制指令的发送等功能；系统的硬件还包括模拟世输入输出 和数字草 输入，输出母，这两种数据卡是计算机利外部传感器之间交换信息的通道，负责传感器信j 的采集和控制指令的传送： 1 1 控制系统的检测部分 检测部分土要包括所川到的各种传感器如厚度传感器、液值传感器和光l u 传感器譬。，传 感器对生产过程中不同的工艺参数进行测量和处理，然斤将数据传送至计算机进行分析： i i i 机械执行部件 机械执行部件主要包括板坯的自动f 取机构和放料口阀门的白动开关控制机构，这些机 构能够根据计算机的控制指令，完成相麻的动作，保证生产线j e 常运行： i v 控制系统的软件部分 系统控制软件在整个控制系统中起着信息处理、分析、判断以及发送的作_ l j ，同时负责 人机信息的交换。 上述四个部分组成生产线完整的计算机控制系统，缺一不可。在后面的儿章中。本文将 详细的论述以上各部分的设计原理及其实现过科。 东南大学硕士论文 第3 章自动控制系统的信号检测和硬件组成 在f c 板材的生产过程中，各种1 艺参数是影响产品质鼙和生产效率的关键素之 ， 如何对其测量以及采取措施控制它们的变化成为课题中的部分重要内窬。n ：本章前、r 部分 中，将较为详细的介绍信号检测的原理以及如何选择和设计合适的传感器对现场i ? 艺参数进 行测量。在后半部分中，将详细的介绍控制系统硬件的基本构架，咀及信息是如何通过信q 输入，输出卡在计算机和传感器、屯气等外部元件之间进行交换的。 3 1 信号的检测 信号检测技术是机电一体化技术的重要组成部分，是机械、电子等技术有机结合的中间 环节。在机械制造或1 ：业过程控制中，如果要对机械动作和i 加i 过科进t j 准确无误的控制 需要对位移、温度等参数进行准确、快速、可靠的测鼙，并且将数据传同控制系统作进一步 的处理和分析1 1 2 , 1 3 。 由于被测对象的复杂多样性，检测方法和技术也不尽相同，但如剀3 1 所示，一股情 况f 检测系统都包括以f3 个部分。 ， 被测 图3 1 检测系统的基本绸成结构 i 传感器 传感器处丁被测对象与测试系统的接口1 _ f 7 ：置，是一个信号变换器，是检测系统的重要组 成部件。它宜接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化并变换成便丁测量的物理封。 例如将速度变换成电压，将麻变转换成电子等。 i i 信号调理器 信号调理器又称中间转换器，它的作用是将传感器的输出信号进行放人、转换干传输等， 使其适合于显示、记录或控制等用途。例如测量电桥、滤波器、放大器、交流直流变换器 等。 i i i 输山环节 输出环节包含显示和记录装置、数据通信接口和控制执行器装置等，从而使检测系统不 仅适剧于检测，还能完成控g i j n 保护操作等功能。 东南大学硕：论文 在f c 板材生产线的自动化改造中，要求能够在生产过程中对l ：艺参数进行实时性的监 测，需要监测的工艺参数主要包括成型筒上板坯的厚度、网箱中浆料的液位、传送带e 扳崩、 的位置、成型筒的转数等。将采集到的信号进行放人和滤波等处理，然后将其送入计算机的 硬件接口电路上，供计算机进行分析和处理，然后发送 l j 相应的控制指令。这些1 ：艺参数n 勺 测量对于产品质量和生产效率有着极大的影响，提高信号检测的精度，有助_ r 提高产： “向成 品率、节约原材料、降低产品能耗。在系统设计过程中，将针对不同的1 ：艺参数充分考虑 现场应用情况，选择合适的测量原理，设计相应的传感器对现场参数进行采集，然后进行放 人和滤波等处理，最后将信号送入计算机。 f 面简要介绍一f 生产过程中各种r 艺参数( 如板坯厚度、网箱的液位利扳坯的物位等) 的检测原理及其实现方法。 3 1 1 电感式厚度传感器【1 4 】 在f c 板材的生产过程中，为了实现f 坯的自动化，需要对成刑筒上板坯的厚度进行实 时的测量，然后根据测量结果来判断板坯是否已经达到所需耍的厚度，并进一步来判断是否 应该发出自动下坯指令。测量板坯的厚度，可以首先测量没有板坯时成璎筒表而l0 传感器之 间的距离，然屙再测量成型筒上有扳坯时板坯表层和传感器z 间的距离，最几求两数抓之m 的差值即可。在工程技术中，通常用来测量距离或位移的方法有：超声式物俯测量、电容式 位移测量、电感式位移测量等。其中，超声式物位测量属j ：i f 接触式测鼙法，i u 容、电感式 位移测量则属于接触式测量法，不同的测鼙方式，有不同的特点。 超声式测量法的主要优点在丁其测鼙的1 r 接触陛特点上，利川该方法测￥：扳坯的j 宁度， 传感器平| | 成型筒上的板坯无需直接接触即可获得板坯的厚度信号，而接触式传感器在剌板坯 接触的过程中容易在板坯上形成压痕，影响测量的精度。鉴】：超声式测苗法这种特点，在生 产现场用超声式传感器进行了测量实验，但从现场的实际应州来看，采川超卢式传感器会出 现以下一些特定的问题： a 由丁现场机械设备较多，同定传感器的支架容易受到支架基库的振动影响，使得传 感器的测量精度降低，不能满足生产的技术要求； b 从所采集的数据图来看，使用超声式测量法所测嚣的数据重复性不蚶，容易发! l 二信 号漂移现象，不稳定，不可靠。 根据现场的实际测量试验，超声式传感器达不到要求的精度，针对这种情况，课题中采 用了电感式位移传感器来洲萤板坯的厚度。 利刚电磁感应原理将被洳1 f 电鼙信号如位移、乐力、流量、振动等转换为线例f i 感系数 l 或互感系数m 的变化，再由测苗电路转换为电压或l b 流的变化越输山，这种装置称为l u 感式传感器。 相比较超声式传感器，电感式传感器的技术较为成熟，测量精度高，抗干扰能力姐，数 据重复性好，能够长时间稳定司靠的上作，在i 业自动控制系统中被j 。泛采_ l j 。电感式传感 器种类很多，主要分为自感式、互感式和电涡流式三种传感器，在本课题的板坯厚度删封巾 东南人学硕1 论文 采州了互感式传感器。 把被测的非电簧变化转换为线圈互感董变化的传感器称为互感式传感器，这种传感器是 根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都川差动形式连接，故称为差动变j l i 器传感 器，这种传感器形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其1 ：作原理基本。一样。” 电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器。 5 4 6 睽， x 。 一 x l 1 一活动衔铁；2 一导磁外壳：3 一骨架；4 一匝数为w l 的初级绕组 5 一匝数为w ，。的次级绕组；6 匝数为w i b 的次极绕组 图3 2 螺线管式差动变压器结构 螺线管式著动变压器结构如图3 2 所示 央的圆柱形铁芯等绢成。 它由初级线罔、两个次级线圈年插入线矧中 4 图3 3 著动变乐器等效电路 螺线管式差动变压器中两个次级线圈反向串联并且在忽略铁损、导磁体磁阻平| j 线同分 布电容的理想条件f ，其等效电路如图3 - 3 所示，当初级绕缃_ j 加以激励l u 压u 时，根 据变压器的1 作原理，在两个次级绕组w 2 。和w 2 6 中便会产生感应电贽e ：。利e 2 。如果r 1 4 东南大学硕士论文 艺上保证变压器的结构完全对称，则当活动衔铁处丁初始平衡位管时，必然会使两出系数 m 。= m 2 。根据电磁感应原理，将有e 2 。= e 2 6 。由于变压器两次级绕铜反向串联，冈而 u 2 = e 2 。一e 2 6 = 0 ，即差动变压器输出电压为零。 当活动衔铁向上移动时，由j ：磁阻的影响，w 2 。中磁通将人r w 2 。，使m l m ! ，闪 而e 2 。增加，而e 2 6 减小。反之，e 2 6 增加，e 2 。减小。网为u 2 = e 2 。一e 2 r 所以二# e 2 。、 e 2 6 随着衔铁位移x 变化时，u 2 也必将随着x 变化。图3 4 给出了变压器输山电肝u ，与 活动衔铁位移x 的关系曲线。 。mk h y 受鬃 图3 4 差动变压器的输出电压特性曲线 差动式位移传感器的测量范围在1 1 0 0 m m 之间，该类传感器具有测母精度高，灵敏度 好，结构简单，性能可靠等优点，在t 业i ：程中得到了广泛的麻刚。住f c 扳材的厚度检洲 装置中，选用了南京传感器厂的l v d t 系列著动位移传感器。 根据现场生产的实际需要，选用了量程为o 2 0 m m 的传感器，该传感器的土要参数为： 线性度0 8 ，分辨率0 8 ，灵敏度为3 0 0 m v m m ，输出电压为3 v ，负载阻抗2 0 k q ，湍 漂系数0 0 5 1 。c ，该传感器在测量时能够测茸的精度可达0 0 1 m m 。在实际生产。中麻川时， 实际测量得到的板坯厚度的精度可达0 1 r a m ，实际试用结果表明所选用的传感器完全能够 满足生产的要求，如图3 5 所示为该传感器外形幽。 图3 5 所示为该传感器外形图 东南人学硕i ：论立 3 1 2 超声式液位传感器【1 4 1 在f c 板材的生产过程中，网箱中浆料的液位是影响扳材生产的重要参数之一，需要设 计相应的器件对其进行检测。在设计过程中分别考虑了光纤式和超声式两种传感器，由r 趟 声式传感器应用范围广，测量精度高，技术较为成熟，故此采用了超声式液化传感器。 超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通删技术之 ，它是通过超声波 产生、传播及接收的物理过程完成的。i g 前，超声波技术已经_ r 泛应川j 冶金、船舶、机械、 医疗等各个行业中。 利用超声波在超卢场中的物理特性和各种效应而研制的检测装酋l j _ i 称为超声波传感器。 超声波探头按照其i 作原理可分为压电式、磁致伸缩式、i u 磁式笛，而以压电式最为常川。 压电式超声波探头常_ 【 j 的材料是压l 也晶体乖i 压电陶瓷，它是利川爪l u 材料的压电效席米i 州： 的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超卢波，叮作为发射探头：阿 利用正压电效应，将超声振动波转换为电信号，可用为接收探头。 超声波探头结构如图3 6 所示，主要由压电晶片、吸收块( 阻尼块) 、保护膜组成，压 电晶片多为圆板形，厚度为万。超声波频率厂与其厚度占成反比。压电晶片的两面镀订银 层，作为导电的极板。阻尼块的作抖j 是降低晶片的机械品质，吸收卢能域。如果没有阻尼块， 当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加k 超声波的脉冲宽度，使分辨率变芹。 图3 6 压电式超声波传感器结构 超声物位传感器是利_ i 超声波在两种介质分界面上的反射特性两制成的。如果从发射超 声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为r 的这个时间间隔为已知，就可以求分界衙的 位置，利用这种方法可以对物仳进行测晕。根据发射和接收换能器的功能，传感器义可分为 单换能器型和般换能器删。单换能器的传感器发射和接收超声波使川个换能器而烈换能 器传感器发射和接收各由一个换能器完成。在一般的i f 旱技术中，舣换能器的趔卢传感器在 距离测量中应用较为普遍。 如图3 7 所示为双换能器型物位传感器测试原理图，假设两换能器之间超声波从发射剑 被接收经过的路程为2s ，两换能器z 间距为2 口，v 为超声波在介质中的传播速度则有 1 6 东南人学硕i + 论文 5 = v t 2 ，因此可得液位高度h = ( s 2 一口21 2 ，从公式 中可以看山，只要测得超卢波脉冲从发射到接收的时间 间隔，便可以求 液位的高度。 超声波物位传感器具有精度高和寿命长的特点，但 若液体中有气泡或液面发生波动时会有较大的误差。根 据项目中的实际需要，j ：程中采用白行设计制作的超声 式液位传感器，该传感器检测范罔为0 6 0 c m ，测鼙精 度误差为5 。通过在现场的实际虑川，该传感器能够 满足生产的技术要求，时间稳定的1 作。 3 1 3 红外式光电传感器【1 4 】 藩融7 i 、嗽t 换能 l 在f c 板材的生产过稃中，需要检测的工艺参数除板坯厚度、浆料的液位等模拟苗外， 还包括成型筒的转数、板坯是否到位等信号，为此需要选抒相府的传感器。在殴计过剧中， 针对需要检测的物理量，采用了红外式光电传感器对信号进行检测。 红外传感器是能将红外辐射能转换为电能的光敏器件，用来检测物体辐射的红外线。它 分为热电型和量子型两类，这两类传感器不仅在性能上有著异，而且在i 作原理上也不相同。 热电型红外光敏器什一般灵敏度低，响应慢，但有较宽的红外波长响应范同，且较为廉价， 一般崩丁温度的测量和自动控制系统中的物位检测。缱子犁红外光敏元仆可直接把红外光能 转换为电能，这种器件灵敏度高、响应快，但其红外波k = 响应范闹窄，有时还需在低温条竹 f 才能使用。在本课题中采刖了热电酗的红外式光电接近开关。 红外式光电接近开关是利_ 【 j 被检测物体对红外线的遮光或反射，根据同步同路的选通 米检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射红外线的物体均可检测。根据榆测 方式的不同，红外线光电开关可分为漫反射式、镜反射式、对射式和光纤式等类型，这儿 种传感器主要区别在于发射器和接收器安装位置的不同。在般的物位检测和1 业控制中， 最常用的是漫反射型光电开关。如图3 8 所示。这种光电开关是一种集发射器和接收器丁 一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够带的光线反射到接 收器，于是光电开关就产生了开关信号。 叫竭= i 小小 i 援反射光电开妥褴检测物体 幽3 8红外式接近开芙外形及i ：作原理幽 根据实际生产中的需要，工程中采用浙江洞头光电开关厂生产的s a 0 1 1 k 红外式接近 开关，该接近开关检测距离为1 0 c m ，响应频率为2 0 0 h z ，卜作电压为直流2 4 v ，指向角为 3 一l o 。；另外该产品还具有抗干扰能力强、能够在恶劣的环境r 连续1 作等优点。 东南人学颅i 。论义 在f c 扳材生产线的自动控制系统中，兆安装了4 只光电传感器：一只交装丁成刑筒的 一侧，用以检测成型筒的转数，一只安装于传送带上方，用丁判断扳坯是否剑达特定的位置： 另两只安装于堆垛机上，用于检测真空吸盘是否将铁板和板坯吸起。从应 _ 情况看，红外式 光电接近开关符合设计要求，具有可靠性高、维护简单、使川寿命k = 、安装调整方便、价格 低廉等优点。，二 萝 3 2 控制系统硬件配置及组成 光 传 器 数字 模拟 信号 母 信号 输入 输入 输出 输出 接口 接口 电磁 控制 裴置 模拟 蟮传 感器 图3 9 计算机控制系统硬件组成鸡 如图3 9 所示为f c 板材生产线计算机控制系统的硬件绢成图，主要包括l 。! 世计算机、 模拟量信号输入输出接口、数字量信号输入输出接口、继电器、l 乜磁控制装苴、传感器等。 上一节中已经介绍了各种传感器的原理，本节首先介绍控制系统的便什配置，包括计算机的 选型和信号输k 输出接口、继电器等元器件的原理，并简要阐述箨部什所起的仵h j ：然厉 介绍如何将其组成完整的硬件控制系统，以及计算机是如何与外界传感器、电t 部什进行信 息交换的。 3 2 ，1 控制系统硬件配鼍 1 i 业计算机的选犁 在f c 板材的生产车间中，生产现场环境相当恶劣，主要表现在以r 王个方面： a 由于电动机和打布机以及各种机械部件的运转，现场的振动干扰较为严巫： b 由于生产产品的关系，生产车间中灰尘颗粒非常丈： c 。由于工业现场存在着人功率的机器和各种干扰源，使得电网容易受到波动。 这些因素的存在对计算机的正常运行会带来不利的影响，冈此要求计算机具彳在恶劣的 条件下长期稳定1 【+ 作的能力，针对现场中的这种情况经过凋研决定选川 i | = m i c 一2 0 0 0 型计算机机箱，该机箱抗振性好，稳定性强防尘性能好，能够适应恶劣的1 业现场。 计算机是整个生产线白动控制系统的土体设备，府能满足控制系统比较r 苛的实t i , ，性蛩 求，其主要性能指标包括c p u 字氏、计算机主频、内存容封以及外部设备的连接等等。根 据目前市场上r 业计算机的一般配置，选择配置奔腾i i i 芯片，3 2 何字长土频为7 3 3 m h z ， 1 2 8 m 内存，并带有四个1 s a 插槽接口。该计算机配置足以满足控制系统的要求，能够保让 东南人学硕士论文 控制系统的正常运行。 1 i 模拟量信号输入输山 在f c 板材生产过程中需要检测和挣制的物理茸，如浆料的液佗、成) 科筒的转速臀部n 有模拟量的形式，需要把它们从现场采集出米变成计算机能够识别数字嬉信号。在一股的计 算机控制系统中，通常采用模拟量信号输入输出p 来实现数字量和模拟量之间的转换。将 数字量信号转换为模拟量信号称为数模( d a ) 转换；反之将模拟量信号转换为数宁姑信0 称为模臌( a d ) 转换。 在f c 板材的生产过程中，需要采集和处理的模拟量信号主要包括板坯的j 早度、网箱中 浆料的液位。测量板坯的厚度需要一只位移传感器，两只网箱中各需要液位传感器一只，田 此信号输入辟俞出扳矗至少有3 个通道的模拟量信号输入接口。同样，为了实现对放料r 1 蒯 门的开关以及胸辊转速的控制，需要由计算机输出3 路模拟昔信号，冈此信号输入输扳 卡至少有3 个通道的模拟量信号输出接口。 根据生产中的实际需要，在控制系统中采川了白行研制的模拟龄信i ：输入输出 、术实 现模拟量信号的采集和转换。该扳骨提供3 2 路单端模拟输入通道，u j 将5 v 范隔出的模拟 电压转换成数字量信号，采用1 2 位分辨率的a d 5 7 4 为主芯片，模数转换误著小丁o 0 3 ； 同时该板 具有3 路模拟输出通道，用于将数字量转换成模拟电乐输出，输出l u i i 范丽造 5 v 之间或o + 5 v 之间。该板卡a d 转换触发工作方式采片j 软什触发方式，转换结果渎取 方式有两种：通过查询a d 完成位读取数据，a d 转换完成后发山中断中请然后山中 断服务程序读取数据。在f c 板材的生产线自动控制系统中，采 j 奇询a d 完成位的方法米 采集数据，相比而言，进行d a 转换则只有一种方式，即先选择通道，然后由c p u 送卡日 应的数字量信号，由d a 转换器转换完成后向相应的通道送入模拟鼙信号。 数字量信号输入输出p 在f c 板材生产过程中需要检测和控制的物理量，不仅包括上述模拟昔信号，还包括数 字量信号，如光电传感器的电压信号、继电器的开关控制信时等都具有数字最的形式。数字 量信号大多具有高低电平的形式，在实际的使川中，可以根据电甲的高低来判断事什的发个， 也可根据计算机所发送的数字昔信号来控制外部元器件的动作。 上一节中已经提到，在f c 板材的生产过程中，共需要在现场安装四只光 也传感器，w 此信号输入输出采集卡至少应包括4 通道数字虽信号输入接口。在改造前的f c 板材生j “线 中，采用单个按钮来控制生产线单个部件的运行，如传送带的前行和后退、堆垛机的启动等， 在对其改造后，要求通过计算机可以对生产线进行单步操作，生产线中箨部分的操作均可f 【= | 数字量信号进行控制。根据调查，生产线中共需1 7 通道数字量输出信号，分别代替原有的 各步操作，因此信号输入输出r 至少应有1 7 通道数字量输山信号接口。 根据生产中的实际需要，在控制系统中采用了白行研制的数字昔信号输入输出i 米实 现数字量信号的采集。该板膏提供了3 2 路数字昔输入通道，3 2 路数字姑输山通道币i - 个外 部事什中断通道。每8 个输入或输出通道为- - n ， 川一个地女l 。利_ l j 该板k 町以构成状态 东南大学硕 ：论文 监测、事件输入、电动机控制等系统。需要指出的一点是，该板 的3 2 路通道是可以复刖 的，即表示其中任一地址端口既可以作为输入通道，义可以作为输出通道，但在同一时刻只 能选择其一。当板卡_ = i j 于状态监测时，可以直接将光电传感器信号线接剑地址端口上，由计 算机检测端口的电平信号即可；当川丁电气元什控制时，由计算机向相应的地- 例j 【1 发送相 应的电平信号即可。 i v 接触器和继电器 i ； 在f c 扳材的自动控制系统中，计算机发送山的数字量信号是4 i 能对生，“线r m 小u 动机 进行控制的为此还需要增加接触器雨i 电磁式继电器等电气部什。 接触器是一种州米频繁的接通或断开交直流主电路及人容彗控制电路的亡j 动切换电器。 主要用于控制电动机、电热设备和电焊机等设备，它还具有低电压释放保护功能，适合川丁 频繁操作和远距离控制，是电力拖动自动控制线路中使抖j | 最广泛的电气元什。 电磁式继电器是一种根据某种输入信号的变化接通或断开控制电路，实现自动控制平保 护电力拖动装置的电气元件。继电器和接触器的结构及t 作原理相同，当然也有。些不同之 处，继电器可以对各种输入量的变化做出反应，而接触器只有在一定的电压信号r 动作：继 电器是用于切换小电流的控制和保护电路，而接触器是用来控制人电流电跆。 当由计算机发出数字量信号来控制电动机时，首先将数字颦信号输出端口和1 继电器相 连，然后再将继电器和接触器相连，这样计算机就可以直接控制接触器电流的输入输出，行 进一步控制电动机的运转。 v 电磁调速电动机控制器 在f c 板材的生产过程中，由于生产i ：艺的需要，要求能够控制胸辊的转速利放料喇 门的开关，在课题设计开发过程中，采用了电磁调速电动机控制器对这些值进行控制。 如图3 1 0 所示，电磁调速电动机控制器是由速度调节器、移相触发器，可控碎整流电 路及速度反馈等环节组成。 l _ j o 一o 一o t o l 吨一卤 图3 1 0 电磁调述电动机控制器的原理剀 从例中可以看山，速度指令信号和速度负反馈信号比较，其筹值信号铍送入述度调”器 进行放大，放大后的信号电压与锯齿波瞢加，控制品体管的导通时刻，j “生随着著值信号i u 压改变而移动的脉冲，从而控制了可控硅的导通角，使【也磁离合器的激励电流得到了控制， 即电磁离合器的转速随着激励电流的改变而改变，从而实现电磁调速电动机输出转速的宽范 围调节。该控制器可以实现恒转矩无级调速，m 电效果明显，是我国曰前推j “的能产l w t 之 东南，l = = 学硕i ：论文 一。在本课题中，采j _ l ； 了南京轻1 调速电机厂的j d l 型控制器对胸辊的转速进行控制。 和胸辊的转速控制不同，放料口的阀门需要控制的是角度变化量。为便丁控制设汁过 程中自行对电磁调速电动机控制器进行了改造，将图3 1 0 中的速度负反馈环协改造成角度 负反馈环节，这样就可以实现对电动机转角的控制。在改造过群中，再配合相麻的机械部什， 即可实现对放料口阀门的开关控制。 3 2 2 控制系统硬件组合 ： 前面给出了控制系统的各硬件组成部分，下面简要的介2 “外界模拟草信号干数字茸信号 是如何同计算机进行数据交换的。 将模拟量信号输入输出 插入计算机土板i s a 插槽中，然后通过数据线将楹k 年接线 槽相连接。将模拟鼙传感器的信号引线直接和接线槽的输入端口连接，计算机就u j 以根据软 件的控制采集传感器数据：将接线槽的输山端口和电磁调速电动机控制器相连，然后将控制 器的输山端和电动机二相电接头相连接，就可以实现计算机对电动机的惆速控制。由前面内 容可知，计算机共需采集3 路模拟量信号，输出3 路模拟量信号。 以控制胸辊的转速为例，介绍计算机是如何控制电动机的转速的。首先计算机选中模拟 量板卡的某一输出通道，并向模，数转换芯片发出数字量信号，经过数模转换后向输出通道 发出模拟量信号( o 5 v ) ，该信号通过接线槽端口送入电磁调速控制器中，再与测速负反 馈信号经过比较，根据二者的著值米改变电动机的速度。 同样的，将数字量信号输入输出卡插入计算机主板i s a 插槽中，然后通过数据线将板 苦和接线槽相连接。将光电传感器的信号线直接和接线槽的输入端口连接，这样计算机就可 以根据软件的控制来采集数据了：将接线槽的某一端口平一个继电器相迕，阿将继l u 器的输 出端和接触器相连，就可以实现计算机对【也器部什的控制了。由前面内容可知，计算机兆需 采集4 路数字量信号，输出1 7 路数字蕈信号。 以传送带为例，介绍计算机是如何控制电动机的运行干停f r 的。当需要启动传送带日寸， 计算机首先向数字量板 某地址上的某一一位发出高低电平( 1 代表高电平5 v ，0 代表低电平 0 v ) ，若为高电平，继屯器内部线圈吸合，继电器导通，与之相连的接触器导通，电动机使 运转起来并带动传送带运行。当计算机发出的电平变为低电平时继电器断开，接触器也随 之断开，电动机停止运转。 在附录中给山了模拟量和数字量信号输入输出 的端口地址及其功能对照表。 东南大学硕+ 论文 第4 章自动控制系统的软件设计 在f c 板材生产线的白动控制系统中，除系统硬什