（材料学专业论文）碳纤维原丝生产线控制系统开发.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二坠吏e t 期：! 丝：兰! ! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：查l 导师签名：期：塑 lj i 东大学硕 学付论文 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 碳纤维简介1 1 2 碳纤维原丝发展现状1 1 3 碳纤维原丝生产控制系统的发展2 1 3 1 计算机控制系统的分类2 1 3 2 计算机控制系统的发展4 1 3 3p l c 技术的发展4 1 4 控制执行机构1 1 1 4 。1 温度控制执行机构1 1 1 4 2 牵伸控制执行机构1 2 1 5 本文的研究内容及意义1 3 第二章系统总体设计1 5 2 1p a n 原丝生产工艺要求1 5 2 1 1p a n 原丝生产工艺流程1 5 2 1 2p a n 原丝生产工艺控制要求1 6 2 2 控制系统总体设计一1 7 2 2 1 系统选型17 2 2 2 系统通讯设计1 9 2 2 3 系统控制方式设计2 0 2 2 4 系统抗干扰设计21 2 3p i d 控制策略2 2 2 3 1p i d 控制算法2 2 2 3 2p i d 控制参数整定2 3 2 4 本章小结2 5 目录 第三章系统硬件设计2 6 3 1 系统硬件实物组态2 6 3 2 系统控制柜设计2 7 3 2 1 低压电控制柜设计2 7 3 2 2p l c 主控制柜设计2 9 3 2 3 泵控制柜设计3 0 3 2 4 伺服控制柜设计3 2 3 3 变频器控制设计3 5 3 4 伺服控制设计3 7 3 5 本章小结3 8 第四章系统软件设计3 9 4 1 系统软件总体设计3 9 4 2 上位机软件设计3 9 4 2 1 开发环境介绍3 9 4 2 2 上位机软件结构设计4 l 4 2 3 上位机和p l c 通讯的实现4 1 4 2 4 数据库的设计4 2 4 2 5 上位机人机界面开发4 4 4 3p l c 软件设计4 8 4 3 1t w i n c a t 软件简介4 8 4 3 2t w i n c a t 组态4 9 4 3 3t w i n c a tp l c 程序开发5 0 4 3 4p l c 人机界面设计5 1 4 4 本章小结5 7 第五章基于人工神经网络的原丝性能预测一5 9 5 1 原丝性能人工神经网络预测原理5 9 5 2 原丝性能预测神经网络的建立6 0 5 2 1 原丝性能预测神经网络模型的选择6 0 5 2 2 原丝工艺与性能参数预处理6 1 山东人学硕十学伊论文 5 2 3 原丝性能预测b p 网络的设计6 2 5 2 4 原丝性能预测b p 网络编程6 4 5 3 原丝性能预测和验证6 6 5 4 本章小结6 7 第六章系统现场运行6 8 6 1 控制系统现场运行6 8 6 2 原丝性能表征7 0 6 3 本章小结7 0 第七章结论7 1 参考文献7 2 致谢7 7 攻读硕士学位论文期间发表的论文目录7 8 目录 山东大学硕十学伊论文 中文摘要 碳纤维是一种重要的高性能纤维材料，优质的聚丙烯腈( p a n ) 原丝是制备高 性能碳纤维的关键。p a n 原丝生产工艺流程长，过程复杂，控制参数多且精度 要求高。本文针对当前我国碳纤维原丝产业的状况和发展需要，设计开发了一 套新型的碳纤维原丝生产线控制系统。 根据p a n 原丝生产工艺的要求设计了控制系统的总体结构，上位机选用普 通p c ，可编程逻辑控制器( p l c ) 控制系统选用德国倍福( b e c k h o f f ) 公司自动化产 品，应用软p l c 技术实现对生产工艺中的温度、压力、流量和速度等参数进行 控制，并采取一系列的抗干扰措施来保证现场设备和控制系统的正常稳定运行。 上位机软件以m i c r o s o f t n e t 为开发平台，v i s u a lc 群作为编程语言，利用 b e c k h o f f 提供的动态链接库( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ，d l l ) 完成上位机和p l c 之间 的通讯。上位机软件能完成参数的保存、查询、修改和打印等工作。 p l c 控制系统硬件采用模块化结构，方便系统的升级和维护。系统具有温 度控制、牵伸控制、压力控制、流量控制等功能。其中温度控制采用p i d 控制 策略，p i d 参数既可外部手动输入，也可以通过系统自整定得到，具有升温速 度快，控制精度高的特点；牵伸控制采用先进的伺服电机调速取代传统的步进 电机调速和变频调速，具有调节更灵活、控制精度更高和噪声更低等优点。 根据人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) 技术，采用误差反向传 播( b a c kp r o p a g a t i o n ，b p ) 算法，利用m a t l a b 软件编程，建立了原丝性能预测b p 神经网络。原丝性能预测b p 神经网络隐含层数为1 ，输入量为原丝生产工艺参 数，输出量为原丝性能。网络检验结果表明，原丝性能预测值与实测值的相对 误差不到3 ，网络具有良好的拟合性。 系统已于2 0 0 9 年底在合作单位投入使用，现场运行结果表明：系统设计合 理，控制精度高，传动平稳，具有良好的人机界面，功能完善，运行稳定，该 生产线制备的p a n 原丝性能优异，达到了设计要求。 关键词：碳纤维，p a n 原丝，p l c ，t w i n c a t ，人工神经网络 中文摘耍 | j 尔大学硕十学付论文 a b s t r a c t c a r b o nf i b e ri sak i n do fi m p o r t a n ta n dh i g h p e r f o r m a n c ef i b e rm a t e r i a l ，w h i l e p a np r e c u r s o rw i t hh i g hq u a l i t yi st h ek e yt oi t s p r o d u c t i o n h o w e v e r , t h e p r o d u c t i o np r o c e s so fp a np r e c u r s o ri s t i m ec o n s u m i n ga n dc o m p l i c a t e d ，a n d n u m b e r so fc o n t r o lp a r a m e t e r sn e e dt ob ec o n t r o l l e dh i g h l yp r e c i o u s a c c o r d i n gt o t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tn e e d so fd o m e s t i cc a r b o nf i b e ri n d u s t r y , an e w t y p eo fp r o d u c t i o nl i n ec o n t r o ls y s t e mf o rc a r b o nf i b e rp r e c u r s o rw a sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e p r o d u c t i o np r o c e s so fp a np r e c u r s o r a no r d i n a r yp cw a su s e da st h es u p e r i o r c o m p u t e r , a n dt h ea u t o m a t i o np r o d u c to fb e c k h o f fw a su s e di nt h ep l cc o n t r o l s y s t e m t h ep a r a m e t e r ss u c h a st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，f l o wa n ds p e e dw e r e c o n t r o l l e db yt h es o f tp l cc o n t r o lt e c h n o l o g y , a n das e r i e so fa n t i i n t e r f e r e n c e m e t h o d sw e r eu s e dt oe n s u r et h o s em a c h i n e sa n dt h ec o n t r o ls y s t e mr u n n i n gw e l l a n ds t a b l y t h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r eu s e dt h ed y n a m i cl i n kl i b r a r yp r o v i d e db yb e c k h o f f t or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s tc o m p u t e ra n dp l c ，w h i c hi sb a s e do n t h ep l a t f o r mo fm i c r o s o f t n e tw i t ht h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g eo fv i s u a lc 群i th a s m a n yf u n c t i o n s ，s u c ha ss a v i n g ，q u e r y i n g ，m o d i f y i n ga n dp r i n t i n g 。 i no r d e rt ou p g r a d ea n dm a i n t a i nt h eh a r d w a r ee a s i l y , t h em o d u l a rs t r u c t u r ew a s u s e db yt h ec o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mo w n st h ef u n c t i o n so ft e m p e r a t u r e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，m o v e m e n td r i v i n gc o n t r o l ，p r e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ， f l o wm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，e t c t h ep i dc o n t r o ls t r a t e g yw a su s e dt oc o n t r o l t e m p e r a t u r ep r e c i s e l y , w h i c hg o tar e s u l t o ff a s t t e m p e r a t u r er i s i n gs p e e da n d a c c u r a t ec o n t r o ll e v e l ，a n dt h ep i dp a r a m e t e r sc a nb eo b t a i n e db ym a n u a li n p u to r t h es y s t e ms e l f - t u n i n g s e r v om o t o rs y s t e mw a su s e dt oa d ju s tm o v e m e n ts p e e d i n s t e a do ft r a d i t i o n a ls t e p p i n gm o t o r sa n df r e q u e n c ym o t o r , w h i c hi sm o r ef l e x i b l e i l i a b s t r a c t a n dp r e c i s ew i t hl o wn o i s e a c c o r d i n g t ot h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k st e c h n o l o g y , t h eb p ( b a c k p r o p a g a t i o n ) n e u r a ln e t w o r kf o rt h ep e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n o fp r e c u r s o rw a s e s t a b l i s h e dw i t ht h es o f t w a r eo fm a t l a b ，w h o s ei n p u tw e r et h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s a n do u t p u tw a st h ep r o p e r t i e so ft h ep a n p r e c u r s o r t h en e t w o r kw a st e s t e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h ed e v i a t i o n sb e t w e e nt h em e a s u r e dd a t aa n dt h ef o r e c a s t w e r el e s st h a n3 t h i sm e a n st h a tt h en e u r a ln e t w o r kh a dag o o df i t t i n g t h es y s t e mh a sb e e np u ti n t op r a c t i c ei nt h ec o o p e r a t i v ec o m p a n yi n2 0 0 9 t h e f i e l da p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e me x h a b i t e dm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s r a t i o n a ld e s i g n ，a c c u r a t ec o n t r o l ，s t e a d yr u n n i n g ，f r i e n d l ys o f t w a r ei n t e r f a c ea n d p e r f e c tf u n c t i o n s ，h i g hp e r f o r m a n c e o ft h e p r e c u r s o r m a n u f a c t u r e d b y t h i s p r o d u c t i o nl i n e ，a l lo ft h e s es a t i s f i e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：c a r b o nf i b e lp a np r e c u r s o r , p l c ，t w i n c a t , a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s 山东大学硕十学伊论文 1 1 碳纤维简介 第一章绪论 碳纤维是化学组成中碳元素质量分数在9 2 以上的纤维材料，于2 0 世纪 5 0 、6 0 年代研制成功i lj 。碳纤维具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳、 抗蠕变等优异性能。碳纤维既具有碳材料本身的固有特性，又兼备纺织纤维的 柔软性及可加工性，是先进复合材料的重要增强材料，已在航空航天、国防军 事等尖端领域和交通运输、建筑等民用工业领域得到广泛应用i 玉卯。 工业化生产碳纤维按生产原料的不同可分为聚丙烯腈( p a n ) 基碳纤维、沥青 基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。由于p a n 纤维可制得高性能的碳纤维，其生 产工艺较其它方法简单，而且产品力学性能优良，用途广泛，自问世以来取得 了长足的发展，成为当前碳纤维工业研究和生产的主流1 6 ，7 j 。 p a n 基碳纤维的制备过程复杂，包含多个学科的内容，属于材料学科中技 术含量较高的研究课题。p a n 基碳纤维的生产可分为三个步骤，第一步是纺丝 原液的制备，第二步是p a n 原丝的纺制，第三步是原丝的预氧化和碳化。 1 2 碳纤维原丝发展现状 在碳纤维的研究和生产方面，日本和美国一直走在世界的前列。日本在宇 航级小丝束碳纤维生产上占有绝对的优势，同本东丽( l t ) 、东邦( t o h o ) 和三菱人 造幺幺( m i t s u b i s h ir a y o nc o 1 占世界碳纤维生产能力的前三位，其他厂家还有美国 的赫克塞尔( h e x c e l ) ，英国石油邛可莫科( b p a m o c o ) 公司【8 9 1 。 p a n 原丝质量不仅影响碳纤维的质量，而且影响其产量和生产成本，高质 量的原丝有利于生产出高性能碳纤维，有利于稳定生产，提高产量，降低成本【l 0 1 。 按照聚合和纺丝的连续性一般分为一步法和两步法；按照纺丝工艺一般分为湿 法、干法、干湿法和熔融法等方式。其中，干法成形的纤维结构较紧密，但内 部形成的原纤多，处于淘汰阶段；湿法成形的纤维纤度变化小，纤维上残留的 溶剂少，容易控制原丝质量，是目前应用广泛的纺丝工艺。纺丝溶剂有二甲基 第一章绪论 亚砜( d m s o ) 、二甲基甲酰胺( d m f ) 、硫氰酸钠( n a s c n ) 等；干湿法和熔融纺丝 的纺制过程效率较高，原丝性能较好，是纺丝工艺的新发展趋势【6 ，1 1 邯】。 日本东丽公司的原丝无论在质量还是产量上都位居榜首，它采用干湿法纺 丝，用d m s o 为溶剂，分别以丙烯腈、丙烯酸甲酯和衣康酸为单体生产p a n 原 丝。日本东邦人造丝公司采用湿法纺丝，用z n c l 2 为溶剂，以丙烯腈和丙烯酸 甲酯为单体生产p a n 原丝。三菱人造丝公司分别采用湿法和干湿法工艺纺丝： 湿法以丙烯腈、丙烯酸胺和甲基丙烯酸为单体，以d m f 为溶剂生产原丝；干湿 法分别以丙烯腈和甲基丙烯酸及丙烯腈、丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸为单体，以 d m f 为溶剂生产原丝i m 】。 我国从2 0 世纪6 0 年代后期开始研制碳纤维，经过多年的努力，已经研制 出接近日本东丽公司t 3 0 0 水平的碳纤维，但产量和质量都远不能满足国内需 求，近年来国内化纤行业一些企业加大了对碳纤维的投入【1 5 】。山西恒天纺织新 纤维科技有限公司启动了年产1 2 0 0 吨p a n 基碳纤维原丝改扩建项目；连云港 神鹰新材料有限公司建设了年产2 5 0 0 吨p a n 基碳纤维原丝和1 0 0 0 吨碳纤维项 目；山东威海光威集团启动了高性能碳纤维及机织物生产线建设项目。目前， 这些生产线均已建成投产，但实现高性能碳纤维的产业化还有相当长的路要走， 高性能碳纤维技术被西方国家所垄断和封锁。国内学者指出p a n 原丝是制约我 国碳纤维产业发展的“瓶颈”，这其中既有技术方面的原因，也有设备方面的原 因，还有管理、决策等多方面的原因【1 6 ，17 1 。 1 3 碳纤维原丝生产控制系统的发展 近年来越来越多的自动化产品出现，并且功能强大，使得工业自动化水平 有了大幅度提高，碳纤维工业的自动化水平也随之提高。 1 3 1 计算机控制系统的分类 ( 1 ) 数据采集系统 数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 计算机只承担数据的采集和 处理工作，而不直接参与控制。系统对生产过程大量参数作巡回检测、处理、 分析、记录以及参数的超限报警，通过对大量参数的积累和实时分析，对生产 2 山东大学硕十学位论文 过程进行各种趋势分析，为操作人员提供参考。 ( 2 ) 直接数字控制系统 直接数字控制系统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) 是计算机用于工业生产过程 控制的最典型的一种系统。计算机通过测量元件对一个或多个物理量进行巡回 检测，经采样、a d 转换为数字量，并根据规定的控制规律进行运算，然后发 出控制信号直接去控制执行机构，使各个被控制量达到预定的要求。 目前d d c 系统的计算机一般采用单片机、工控机和可编程逻辑控制器 ( 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 ) 等，其中p l c 具有功能强、性价比高、可 靠性高、抗干扰能力强、硬件配套齐全、用户使用方便和适应性强等优点。近 年来，p l c 技术得到飞速的发展，以p l c 为核心的控制系统广泛应用于工业化 生产的各个领域。 ( 3 ) 监督控制系统 监督控制系统( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l ，s c c ) 有两种不同的结构形式： 一种是s c c + 模拟调节器的控制系统，另一种是s c c + d d c 的控制系统。s c c 计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值并传送给模拟调节器 或者d d c 计算机，最后由模拟调节器或d d c 计算机控制生产过程，使得生产 过程始终处于最优工作状况下。 熬 s c c 计算机和d d c 计算机之间可通过通讯接口进行信息交换，当s c c 计 算机出现故障时可由d d c 计算机独立完成控制，大大提高了系统的可靠性。 ( 4 ) 集散控制系统 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 也称为分布式控制系统，它 以微机为核心，把微机、工业控制计算机、数据通讯系统、显示操作装置和输 出通道等有机地结合起来，实现地理上和功能上的分散控制，又通过高速数据 通道把各个分散点的信息集中监视和操作，并实现高级复杂规律的控制。 集散控制系统既有计算机控制算法先进、精度高和响应速度快的优点，又 有仪表控制系统安全可靠和维护方便的优点，而且结构灵活，易于扩展。 ( 5 ) 现场总线控制系统 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 按公开、规范的通信协议， 在位于现场的多台数字化测量、控制仪表之间及现场仪表与控制计算机之间， 1 第一苹绪论 实现数字传输与信息交换，形成各种适应生产装置实际需要的控制系统【l 引。 传统d c s 的主要问题是开放性差，分散不够而需要用大量的电缆传递信号。 f c s 则突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的限制，把 基于封闭、专用的解决方案变成了基于开放、通用标准化的解决方案，把集散 系统结构变成了新型全分布式结构，把d c s 控制站中基本且可独立的功能块彻 底下放到现场智能仪表中，构成虚拟控制站，更好地体现了d c s 思想的精华。 1 3 2 计算机控制系统的发展 2 0 世纪5 0 年代，计算机开始应用于工业化生产过程控制，控制理论与计算 机技术的结合产生了新型的计算机控制系统，为自动控制系统的应用与发展开 辟了新的途径。 1 9 6 5 1 9 6 9 年计算机控制进入了实用普及阶段。由于小型计算机的出现， 使其可靠性不断提高，成本不断下降，计算机在生产过程控制中的应用得到了 迅速的发展。这个阶段主要是集中型的计算机控制系统，若计算机出现故障， 将对整个生产装置和生产系统带来严重影响。 1 9 7 0 年以后计算机控制进入了大量推广和分级控制阶段。计算机分散到生 产装置中去，实现小范围的局部控制和某些特殊控制，由于微型机具有可靠性 高、价格便宜等特点，为这种分散型计算机控制系统的发展创造了条件。 2 0 世纪8 0 年代，计算机向着超小型化、软件固化和控制智能化方向发展， 8 0 年代末又推出了包含专家系统、模糊理论、神经网络等智能技术，并把控制、 管理和经营融为一体的新型分布式控制系统【1 9 圳】。 1 3 3p l c 技术的发展 1 3 3 1p l c 简介 p l c 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术 而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。世界上第一台p l c 是1 9 6 9 年 由美国d e c 公司研制开发的。它吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果， 以其高可靠性、较强的工作环境适应性受到自动化领域的欢迎并被广泛采用。 从单机自动化到整条生产线的自动化以至整个工厂的生产自动化，p l c 均承担 4 山东人学硕十学伊论文 曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼寡曼鼍量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪曼舅量曼曼曼皇曼量曼曼曼曼皇量皇曼曼鼍i -ui 曼皇曼量曼皇 着重要的角色。 目前，全世界p l c 生产厂商有2 0 0 多家，生产3 0 0 多种品种，国内p l c 市 场仍以国外产品为主，国内生产厂家有3 0 多家，但都没有形成规模的生产能力 和名牌产品，而且主要集中于中小型p l c 。在全球p l c 制造商中，知名的p l c 生产厂家主要有：西门子( s i e m e n s ) 公司、罗克韦尔( r o c k w e l l ) 公司、施耐德( s c h ) 公司、三菱( m i t s u b i s h i ) 公司和欧姆龙( o m r o n ) 公司等2 2 副】。 1 3 3 2i e c 6 1 1 3 1 3 标准 国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) 在合理吸 收、借鉴世界范围内各p l c 厂家的技术、编程语言等基础之上，形成了一套新 的国际编程语言标准i e c 6 1 1 3 1 3 。它是i e c 6 1 1 3 1 国际标准的第三部分，是第一 个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准，该标准 得到了世界范围的众多厂商的支持，但又独立于任何一家公司 2 5 - 2 7 】。j i e c 6 1 1 3 1 国际标准包括8 个部分：p a r t1 ，综述；p a r t2 ，硬件；p a r t3 ，可 编程语言；p a n4 ，用户导则；p a n 5 ，通信；p a r t6 ，现场总线通信；p a r t7 ，模 糊控制编程；p a r t8 ，编程语言的实施方针。i e c 6 1 1 3 1 3 是i e c 6 1 1 3 l 中最重要、 最具代表性的部分，将是下一代p l c 的基础。 i e c 软件模型描述了组态( c o n f i g u r a t i o n ) 、资源( r e s o u r c e ) 、任务( t a s k ) 、程 序( p r o g r a m ) 、功能块( f u n c t i o nb l o c k ) 以及功能( f u n c t i o n ) ，并从理论上描述了如 何将一个复杂的程序分解为若干个小的不同的可管理部分。i e c 软件模型是一 种分层结构，每一层隐藏了其下层的许多特征【2 8 】。 程序组织单元( p r o g r a mo r g a n i z a t i o nu n i t s ，p o u ) 是p l c 程序的语言元素， 它们是包含了程序代码的小的、独立的软件单位。每种p o u 均由两个部分组成： 声明部分和代码本体部分。声明部分声明了所有必要的变量；代码本体部分是 用编程语言编写的指令代码。在i e c 6 1 1 3 1 3 中，p o u 被分为三种类型：程序、 功能和功能块【2 9 】。程序组织单元结构如图1 1 所示。 i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准的编程语言【3 0 】包括图形化语言和文本化语言，图形化 语言包括功能块图( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ，f b d ) 、顺序功能图( s e q u e e n t i a l f u n c t i o nc h a r t ，s f c ) 和梯形图( l a d d e rd i a g r a m ，l d ) ，文本化语言包括结构化文 第一章绪论 本( s t r u t u r e dt e x t ，s t ) 和指令表( i n s t r u c t i o nl i s t ，i l ) 。 图1 1 程序组织单元结构 1 3 3 3 传统p l c ( 1 ) 传统p l c 组成 传统p l c 不管是整体式结构还是模块式结构，其基本的组成部分包括：中 央处理器、存储器、输a 输出部件和电源4 个部分阢3 2 1 。传统p l c 基本组成结 构如图1 2 所示。 6 现输 输 输 场 入出 出 信 设 电源 设设 号备 备 备 1 ，： 中央处理器( c p u ) j l ol i 编 程 外 扩扩 器 部 存储器 展展 外 接 r o m 肛乙气m 接接 设 口口口 图1 2p l c 基本组成结构 s i e m e n s 的s 7 3 0 0 4 0 0 系列、r o c k w e l l 的c o n t r o l l o g i x 系列等) ，用户程序按先 后顺序存放，c p u 从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一 条，如此周而复始不断循环。p l c 工作过程一般可分为三个主要阶段，即输入 采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段【3 3 ，3 4 1 ，p l c 工作过程如图1 3 所示。 第( n 1 ) 个 第n 个扫描周期 第( n + 1 ) 个 扫描周期 71 扫描周期 输出刷新 输入采样用户程序执行 输出刷新输入采样 图1 3p l c 工作过程 输入采样阶段：p l c 以扫描工作方式，按顺序将所有信号读入到输入映像 寄存器，这一过程称为采样。在本工作周期内，这个采样结果的内容保持不变， 而且这个采样结果将在p l c 执行程序时被使用。 程序执行阶段：c p u 采样是分时操作的，每一时刻执行一个操作，所以程 序的执行是按序号依次进行的。p l c 在程序执行阶段，根据用户程序的要求， 从输入映像寄存器、内部元件存储器和输出映像寄存器中将有关元件的状态读 出，按照用户程序进行逻辑判断和算术运算，并将每一步的结果立即写入有关 的存储器中。 输出刷新阶段：在执行完用户程序后，c p u 将输出映像寄存器的内容通过 输出锁存器输出到输出端子上去驱动外部负载。 7 第一章绪论 1 3 3 4 软p l c ( 1 ) 软p l c 系统体系结构 软p l c 是相对于传统p l c 而言的，软p l c 将传统p l c 的控制功能封装在 软件内，运行于p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 环境中，不仅具有传统p l c 在功能、可 靠性、速度等方面的优点，而且有效的利用了p c 的各种技术，具有高速处理数 据和强大的网络通讯能力。软p l c 系统体系结构如图1 4 所示，由开发系统和 运行系统组成，两者相互独立而又密不可分，可以分别单独运行【3 5 1 。 图1 4 软p l c 系统体系结构 开发系统的设计遵循i e c 6 1 1 3 1 3 标准，为软p l c 提供一个标准的p l c 编 辑环境，主要包括：编辑器、编译器、调试环境和通信接口等几部分。用户在 编辑器中进行p l c 语言的编辑，在编译器中进行编译，如无语法错误，则生产 目标代码，最后通过通信接口将目标代码下载到运行系统中【36 1 。 运行系统是针对不同的硬件开发平台开发的符合i e c 6 1 1 3 1 3 的虚拟机，执 行开发系统编译后生成的目标代码。对于不同的硬件平台，运行系统还必须支 持与开发系统的通信和相应的i o 模块的通信，完成输入处理、程序执行、输 r 山东大学硕十学伊论文 出处理等工作。 ( 2 ) 软p l c 工作原理 软p l c 的工作过程与传统p l c 类似，用户首先利用软p l c 开发系统进行 p l c 程序的开发，接着进行编译和仿真，在确定无误后下载至运行系统，运行 系统接收到程序后，进行解释，然后按照传统p l c 的工作原理和方式运行，采 用循环扫描工作方式。但就软p l c 而言，运用w i n d o w s 提供的定时器实现循环 扫描。具体运行过程也与传统p l c 类似，分为输入采样阶段、执行用户程序阶 段和输出刷新阶段阢3 引，其工作原理如图1 5 所示。 现 ， 场 通信 还 通信 开 行发 设系系 备统统 图1 5 软p l c 工作原理示意图 图1 5 中开发系统是i e c 6 1 1 3 1 3 标准的编程环境；运行系统是实时的运行 环境。采集上来的现场输入信号被软p l c 运行系统处理，由软p l c 编程系统编 写的应用程序也被软p l c 运行系统解释执行，最后将处理后的信号输出到控制 现场，驱动现场设备正常运行。 ( 3 ) 软p l c 系统的实现方案 软p l c 采用软件的方法来实现传统p l c 的功能，软件需要运行在具体的计 算机系统上，包括硬件平台和特定的软件平台。根据软p l c 运行系统所基于的 硬件平台不同，主要有基于传统p l c 的控制方案、基于嵌入式控制器的控制方 案和基于p c 或i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 的控制方案【3 9 4 。 基于传统p l c 的控制方案如图1 6 所示。将软p l c 运行系统配置到传统p l c 硬件中，而传统p l c 只作为一个硬件系统平台，将开发系统编写的p l c 应用程 序通过通讯下载到此硬件平台上并加以运行，最后通过i 0 模块与现场设备交 换信息，进而实现控制功能。 9 第一章绪论 传统p l c 馊仟2 ；茜t li o 模块 i 软p l c 开发系统 通讯 软p l c 运行系统 现场i o 信号 图1 6 基于传统p l c 的控制方案 基于嵌入式控制器的控制方案如图1 7 所示。嵌入式控制器可以根据用户需 要进行嵌入式控制平台的定制，使其资源得到高效利用，其软件采用嵌入式操 作系统( 如w i n d o w sc e 或l i n u x 等) 。 嵌入式控制器 l 软p l c 开发系统 通讯 i o 模块 软p l c 运行系统 图1 7 基于嵌入式控制器的控制方案 基于p c 或i p c 的控制方案如图1 8 所示。系统的软件平台可以采用 w i n d o w s n t 、w i n d o w sc e 或l i n u x 等操作系统，现场总线卡、现场总线以及i o 模块负责与控制现场交换信息，采集的信息在软p l c 运行系统中按照开发系统 编写的p l c 应用程序要求被处理，开发系统和运行系统之间通过网络通讯建立 连接，最后将处理后的信息输出到控制现场，完成相应的控制功能。 图1 8 基于p c 或i p c 的控制方案 1 3 3 5 传统p l c 和软p l c 的比较 由于软p l c 具有通用性好、兼容性高、价格低廉、编程方便、易于与网络 相连等优点，欧美等西方国家都把软p l c 作为重点进行研究【4 2 1 。软p l c 和传 1 0 山东人。硕十学伊论文 统p l c 相比较有以下特点4 3 】： ( 1 ) c p u ：传统p l c 有自己独立的专用型c p u ，将逻辑结构或指令内置于 c p u 中，由硬件来解释并执行程序，与数控系统的其它模块不是处于相同的环 境，它们之间的通信主要通过总线来实现，通信是不安全的。软p l c 的c p u 是 通用型c p u ，作为p c 机上的应用程序，与数控系统模块共享一个c p u ，共享 p c 机上的其它资源。 ( 2 ) 开放性：软p l c 的运行系统是开放性很高的标准操作系统，使得整个 系统的移植、修改更加安全方便。而传统p l c 的操作系统是由p l c 的制造企业 编制，固化在r o m 或e p r o m 中，只有制造商可以进行操作系统的升级和完善。 ( 3 ) 数据安全：软p l c 可以利用计算机硬盘容量和内存大的优势，将系统 程序、用户程序和数据直接存储于硬盘中，而不会发生数据丢失。 1 4 控制执行机构 1 4 1 温度控制执行机构 国外碳纤维生产线控温技术以日本最为发达，目前国内所采用的温控系统 处于d d c 水平，d d c 控制不能实现全线自动化控制，受人为因素影响较大， 效果普遍不理想【4 4 1 。 温度控制执行机构【4 5 ，4 6 】主要有交流接触器、晶闸管、饱和电抗器、磁性调 压器和固态继电器，实际应用较多的是交流接触器、晶闸管和固态继电器。 1 4 1 1 交流接触器 交流接触器主要用于频繁接通或分断交、直流电路，控制容量大，可远距 离操作，配合继电器可以实现定时操作，联锁控制，各种定量控制和欠压保护， 广泛应用于自动控制电路，但交流接触器具有线圈具烧毁、触头易熔焊、铁芯 吸合不正常时噪音大的缺点。 交流接触器的工作原理：当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯 吸合，由于触头系统与动铁芯联动，因此动铁芯带动三条动触片同时运动，触 点