（机械制造及其自动化专业论文）基于plc的浸润剂工艺控制系统.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 浸润剂生产是玻纤生产的关键环节，其生产质量直接决定玻纤成品的好坏。 经过分析浸润剂生产过程得知，浸润剂生产控制过程是典型的自动化控制过程。 本文在讨论工业计算机控制系统工业应用现状的基础上，通过对浸润剂生产 流程的分析，构建了集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。该系统上 位集成管理采用工业计算机，下位控制则采用了西门子s 7 3 0 0 系列p l c 。上位机 与p l c 的通信采用多点方式，并采用r s 4 8 5 专有协议通信协议。在硬件配置后， 通过西门子s 7 3 0 0 系列编程软件s t e p 7 5 3 对控制程序进行了设计，使整个控制 系统具备自动控制功能。并利用组态王软件对控制系统进行组态，使上位操作站 具备监控、动态调整参数和报警以及报表等功能。最后，对系统的软件设计与组 态进行了仿真，试验结果表明，设计结果正确。 本文针对浸润剂生产的自动化控制提出了切实可行的控制方式，对浸润剂整 个生产流程的自动化具有一定的参考价值。系统的构建思想和方法对于其他的自 动化系统也有一定的借鉴意义。 关键词：d c s 可编程序控制器s t e p 组态组态王 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t t h ep r o d u c t i o no fs i z i n ga r et h ek e ya s p e c to fg l a s sf i b e rp r o d u c t i o n , a n dt h e q u a l i t yp r o d u c t i o nd i r e c t l yd e t e r m i n et h eq u a l i t yo fg l a s sp r o d u c t s a f t e ra n a l y z i n gt h e s i z i n gp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ep r o d u c t i o no fs i z i n gi sat y p i c a lc o n t r o la u t o m a t i o n p r o c e s s t h ep a p e rd i s c u s st h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，a n d c o m p o s ead i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb ya n a l y z i n gt h es i z i n gp r o d u c t i o nf l o w i n t e g r a t e dm a n a g e m e n to ft h es y s t e ms e l e c ti n d u s t r yp ca n de n g i n e e rs t a t i o nc o n t r o l u n d e rt h ec o n s t i t u t i o n a d o p tp l co ft h es i e m e n s s 7 - 3 0 0 s e r i e s i n t e g r a t e d m a n a g e m e n tp cc o m m u n i c a t ew i t hp l c ，a n dc o m m u n i c a t i o nm o d e la p p l ym u l t i p o i n t m o d ea n du s e sf l p r o p r i e t a r yr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 c o n t r o lp r o g r a mh a s b e e nd e s i g n e db ys t e p 7 5 3t h a t1 1 1 es i e m e n ss 7 3 0 0s e r i e sp r o g r a m m i n gs o f t w a r e o w ns ot h a tc o n t r o ls y s t e mw i l lh a v ea u t o m a t i cc o n t r o lf u n c t i o n s a f t e rc a r r y i n go u t c o n f i g u r a t i o nb yk i n g v i e w ，t h ec o n t r o ls y s t e mh a v ec o n t r o l ，m o n i t o r i n g ，d ) ，1 1 a m i c a d j u s t m e n to fp a r a m e t e r sa n da l a r ma sw e l la st h er e p o r tf u n c t i o n sa n ds oo n t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g ni sr i g h tt h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h es y s t e md e s i g na n d c o n f i g u r a t i o n t h ep a p e re s t a b l i s hr e l i a b l ea n dd o a b l ec o n t r o lm o d et ot h es i z i n gp r o d u c t i o n a u t o m a t i o n ，a n dt h ec o n t r o lm o d eh a v er e f e r e n c ev a l u et oa u t o m a t i o no ft h ee n t i r e s i z i n gp r o d u c t i o nf l o w t h eo t h e rc o n t r o la u t o m a t i o ns y s t e mc a nb o r r o wi d e a sf r o m t h es y s t e mt h o u g h t sa n dm e t h o d so ft h es i z i n gs y s t e m k e yw o r d s ：d c s ；p r o g r a ml o g i c a lc o n t r o l l e r ； s t e p ；c o n f i g u r a t i o n ； k i n g v i e w 独创性声明 本人声明所呈交的论文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，也不包含为获得西南科技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：尉叮碉 日期：罗石首 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 常删翩躲邵圾帐矿m 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1课题背景 在经历了6 0 多年的发展历程之后，玻璃纤维生产已脱离传统的玻璃工业而形 成一门独立的工业体系。作为现代材料家族的重要融合材料，玻璃纤维应用已渗 透到国民经济的各个部门，成为一种必不可缺的材料。 由于玻璃纤维是一种脆性材料，需要在拉丝时突涂覆一定的保护物质，以满 足拉丝和后续生产要求，并最终满足增强材料的力学性能和工艺要求，因此浸润 剂的配簧对于玻璃纤维的制造至关重要，它决定纤维的作业性能和纤维在复合材 料中的表现。浸润剂技术是玻璃纤维工业中重要的技术软件，浸润剂的质量直接 影响玻纤产品的质量与档次。 站在新世纪的门槛上展望全球的玻纤工业，我们看到的是如下的情景：玻纤 产量持续增长，在世界范围内，玻璃纤维工业仍是一门保持增长活力的朝阳工业。 在美国、欧洲等发达国家，玻纤工业的增长率一直高于这些国家的g d p 增长率。 在亚洲地区特别是我国大陆及台湾地区的玻纤工业，在新世纪伊始将有快速 发展。根据正在建设和拟议中的玻纤项目统计，到2 0 0 3 年，新增玻纤池窑将有7 座，新增玻纤1 2 万吨左右，其中用于电子工业的无碱玻璃纤维约占1 2 ，它突出 地反映了全球电子工业重心正从欧美转移玻纤到亚洲地区。在欧洲地区，多年来 玻纤工业一直呈稳步上升态势。目前欧洲地区年产玻纤5 0 余万吨，尚不敷应用， 需从其他地区进口l o 万余吨以作补充。据统计，随着欧洲复合材料工业的增长， 今后玻纤工业也将进一步发展。 玻璃纤维在生活与工业生产中有非常广泛的应用。玻纤工业发展面临新的机 遇。促进玻璃纤维工业发展的动力来自于下游产品市场的需求，作为玻璃纤维最 重要的用户的复合材料工业及玻纤纺织业都面i 临着一系列的发展机遇，这些机遇 主要有如下方面：基础设施市场。西方国家如美国的大量基础设施，包括桥梁、 高速公路、港口建筑等经历几十年使用已到了大规模翻修或改建的时刻，而这些 基础设施的翻新与改建需要使用大量的复合材料，这就给玻纤工业带来潜在的大 市场。我国目前正在大规模兴建基础设施，特别是在沿海岸线地区的一些基础设 施，近年来己开始用于玻璃纤维增强的玻璃钢杆代替钢筋用于凝土中，预计这将 成为玻璃纤维的一个新的潜在市场。环保、节能及新能源市场，鉴于大气污染治 理的急迫性，用天然气代替汽油驱动汽车成较为理想的选择。这就为玻璃气瓶的 发展带来机会，而玻璃气瓶需要优质的无碱玻璃纤维增强材料。交通工具市场火 车、城市轻轨系统无疑将需要较多的玻璃纤维提供了日益增长的市场。我国若干 城市拟建的地铁及城市轻轨系统无疑将需要较多的玻璃纤维制品。 1 2 研究的目的和意义 从浸润剂生产的工业环境来看，人员工作环境处于潮湿、噪音，有毒性气体 侵害健康的恶劣环境之中，且其操作为人工作业，生产效率较低，总生产成本高， 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 所以实现其生产的自动化是非常的必要。该系统本着技术先进、生产可靠、节省 成本、提高效益的设计指导思想，对于其全部生产程序采用了基于p l c 的自动化 控制技术，完成从加料到制成浸润剂成品的全部过程。而且进行了远程监控，可 以使操作人员远离恶劣和有损健康的工作环境，在不安全状态的出现时，可以有 很直观的警告，既减轻了操作人员的工作强度，也降低了对工作人员的素质要求， 极大地提高了生产的可靠性与效率。 综上所述，本文研究的实际意义是实现浸润剂生产的自动化，减轻操作人员 工作强度，提高生产可靠性及效率。从理论上来说，可以对其他自动化控制系统 提供一定的借鉴作用。 1 3 控制系统现状与发展方向 目前国内的自动化控制系统正从传统的继电器逻辑电路顺序型控制系统逐步 过渡到以可编程逻辑控制器( p l c ) 为主要核心的控制系统，也有一些是以p l c 为 核心的集散控制系统【l j 。随着计算机通信技术和信息技术的发展，早期单一的控 制系统已经不能适应许多新的要求，主要体现在以下几个方面【5 】【8 】： ( 1 ) 系统集成度。单一的p l c 控制系统由于硬件费用及软件实现问题，一般不 进行组网，整个系统的p l c 只能单独工作，不能集中起来控制，造成管理的不便 和人力资源的浪费。无法实时进行全车间、大厂大系统的复杂综合控制，以及使 用数据库管理、数据查询、报表打印等现代化管理手段。 ( 2 ) 系统的控制方式落后。原来的p l c 控制系统仍没有摆脱继电器控制系统的 控制模式，p l c 仅仅作为复杂的继电器组来用，所有的操作均以开关或按钮组合 来进行设备起停和选择，未能发挥p l c 强大的智能化、网络化功能，操作不方便、 不直观，与现代控制水平有一定的差距。 ( 3 ) 控制软件不完善。早期设计的控制软件缺乏友好、便捷的人机交互图形界 面。大多数系统采用操作台手柄操作，系统缺乏灵活的流程组合功能，不能充分 利用现有设备的生产能力来完成特定的生产任务，影响了生产效率的提高。 近年来，随着计算机技术、超大规模集成电路技术以及网络通讯技术的发展， 工业控制已逐步从单机监控、直接数字控制发展到以新型工业控制网络，智能化 仪表、控制器为主要支撑技术的过程自动化与信息管理自动化相结合的综合集散 控制系统。其本质是利用计算机技术对生产过程集中监控、操作、管理，利用p l c 技术等现场控制器进行分散控制的新型控制技术。因此，p l c 应与现场工业总线 控制技术、分布式输入输出技术、计算机网络通讯技术结合来提高生产的自动化 水平与管理水平。 1 4 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 对浸润剂生产的系统总体方案设计 对工业控制系统作介绍，并比较d c s 控制系统与f c s 控制系统的特点，为 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 后续选择d c s 控制系统打下基础。分析了浸润剂工艺生产流程，并从硬件选择， 软件实现以及通信和监控三个方面来实现系统总体方案的设计。 ( 2 ) 浸润剂生产控制系统的硬件选择 根据生产系统的总体实现思路对上位机、下位机、传感器等进行详尽的分析、 选型和设计，以构成完整的硬件系统。 ( 3 ) 浸润剂生产控制系统的软件实现 分析了浸润剂生产工艺流程初始化状态及逻辑顺序状态，选择组态软件后， 实现其代码编程。 ( 4 ) 控制系统网络连接及监控 在分析控制系统各种网络连接的特点下，选择使用m p i 多点控制方式作为系 统的通信网络，并选择使用工控机方式作为显示及监控输入终端的操作站。 ( 5 ) 组态软件的实现 简介了国内外的组态软件，并分析了组态软件在整个集散控制系统的交互作 用，并通过组态画面显示了浸润剂生产过程。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 2 系统总体设计 2 1工业控制系统 2 1 1计算机控制系统 计算机控制系统由计算机和被控对象两部分组成。工业生产中的自动控制系 统随控制对象、控制规律和所采用的控制器结构的不同而有很大的差别。自动控 制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。这些功能是检测变送装置、控制 器和执行装置来完成的。控制器是控制系统中最主要的部分，它从质和量上决定 了控制系统的性能和应用范围。如果把控制器用计算机来代替，这样就可以构成 计算机控制系统，其框图见图2 1 。如果计算机是微型计算机，就组成微型计算机 控制系统。计算机控制系统和一般控制系统一样，也有开环和闭环两种【4 】【9 】【l6 1 。 图2 1 f i g u r e 2 1 计算机控制系统图 c o m p u t e rc o n t r o i s y s t e m 控制系统中引进计算机，就可以充分利用计算机强大的计算、逻辑判断和记 忆等信息加工能力。只要应用微处理器的各种指令，就能编出符合某种控制规律 的指令。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。而在一般的控 制系统中，系统的控制规律是由硬件电路来完成的，改变控制规律就得改变硬件 电路。而在计算机控制系统中，控制规律的改变只要改变程序就可以了。在计算 机控制系统中，计算机的输入和输出都是数字信号，因此，在这样的控制系统中， 需要有将模拟信号转换成数字信号的m d 转换器以及将数字信号转换为模拟信号 d a 转换器 2 2 1 。 计算机控制系统从本质上来看，它的控制过程可以归纳为以下三个步骤【2 9 】： 1 实时数据采集。对被控参数的瞬时值进行检测并输入。 2 实时决策。对采集到的被控参数的状态量进行分析，并按给定的控制规律 决定进一步的控制过程。 3 实时控制。根据决策，实时地对控制机构发出控制信号。 上述过程不断的重复，是整个系统能够按一定的动态品质指标进行工作，并 且对被控参数和设备本身出现的异常状态及时监督并迅速作出处理。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 2 1 2 控制系统分类 计算机控制系统种类繁多，命名方法也不尽相同。由于计算机系统与其所控 制的生产过程密切相关，所以应根据生产过程的复杂程度和工艺要求的不同，采 用不同的控制方案，从应用的特点和控制的目标出发，可将计算机控制系统分为 数据采集系统、操作指导控制系统、直接数字控制系统、监控计算机控制系统、 分散控制系统和现场总线控制系统。现在应用广泛的是后面两种【1 6 】【2 1 】。 2 1 2 1 分散控制系统 分散控制系统是以微处理器为基础，借助与计算机网络对生长过程进行集中 管理和分散控制的先进计算机控制系统。由于早期开发的分散控制系统在体系结 构上具有分散式系统的特征，因此国外将此类系统取名为分散控制系统，国内有 人将其称为集散控制系统，或是分布式控制系统。 d c s 是随着现代计算机技术( c o m p u t e r ) 、通信技术( c o m m u n i c a t i o n ) 、控 制技术( c o n t r 0 1 ) 、图形显示技术( c r t ) 的不断进步及相互渗透而产生的，是“4 c 技术的结晶。它既不同与分散的仪表控制系统，也不同于集中式的计算机控制系 统，而是在集中了两者的优点的基础上发展起来的具有崭新结构体系和独特技术 风格的新型自动化系统。d c s 通过计算机网络将每个分散的过程控制装置和各种 操作管理机制有机结合起来，它不仅具有先进可靠的控制性能和集中化的监视、 操作功能，而且还有强大的信息处理能力和数据交换能力以及灵活的构成方式， 应而能够适应工业生产过程的各种需要，表现出顽强的生命力和显著的优越性。 d c s 即不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是客服 了二者缺陷而集中了二者的优势。它具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完 善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、 运行安全可靠的特点。 集散控制系统一般有以下四部分组成【2 2 】【3 4 】： ( 1 ) 通信网络 通信网络时管理计算机、操作站和现场i o 站之间的桥梁，完成现场i 0 控 制站、管理计算机、操作员站之间的数据传输。d c s 系统中的通信网络不同于通 信的计算机网络，它要求被控系统在要求的时间内完成信息的传输，因此，通信 网络的可靠性时影响d c s 正常工作的重要因素，通常采用l ：l 冗余结构，热备份 工作。 ( 2 ) 操作员站 操作员站是由显示器、主机、键盘、鼠标等组成的人机系统，它为操作员提 供人机界面，实现集中监视、集中操作和集中管理。操作员可以通过操作员站及 时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等，并对生 产过程进行调节控制，保证生产过程安全、可靠、高效。随着计算机技术的发展， 采用通用化的计算机硬件和软件作为d c s 的基础平台，具有开放性好、成本低、 可维护性及上位功能强等优点。操作员站的数量可根据实际需要配置，最少情况 下，能和管理计算机共用一个平台。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 3 ) 2 1 2 程师站 工程师站又称管理计算机，是集散控制的主机，习惯称它为上位机。工程师 站是对d c s 进行离线配置、组态工作和在线系统监督、监控和维护的网络节点。 工程师站通过通信网络综合监控全系统的各单元管理系统的所有信息，具有进行 大型复杂运算的能力以及多输入、多输出控制能力，实现全系统的最优控制和优 化管理。管理计算机数量较少，但功能强大，一般情况下一个d c s 只需要配置一 台计算机就可以了。 ( 4 ) 现场控制站 现场控制站是完成对过程现场i o 处理并实现直接数字控制的网络节点，由 处理器单元、通讯接口和i o 卡以及现场端子班组成。部分d c s 的处理器单元、 通讯接口和i o 卡可冗余配置，并可带电插拨，所有现场i o 站具有很强的可靠 性和维护性。它完成现场信号的采集和控制信号的输出，实现对生产过程的反馈、 顺序和逻辑控制，并能协调生产过程，完成更高级的控制功能。 工；f 、! p 币站 操作站 毋， j i 远程i ，o | i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 现场设备 网 图2 - 2小型控制系统结构图 fig u r e2 1 。2s t r u c t u r eo fs l l t aiic o n t r ois y s t e m 2 1 2 2 现场总线控制系统 现场总线控制系统( f c s f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 式新一代分布式控制结 构，该系统改进了d c s 系统成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的 不能互联等弱点，采用集管理、控制功能于身的工作站与现场总线智能仪表的 二层结构模式，把原d c s 控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，每个现场仪 表( 例如变送器、执行器) 都作为一个智能节点，都带c p u 单元，可分别独立完 成测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。这 种彻底的分散模式使系统更加可靠。 f c s 的核心是现场总线，它将当今网络通信与管理的概念引入工业控制领域。 从本质上来说，现场总线是一种数字通信协议，是连接智能现场设备和自动化系 墨塞 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 统的数字式、双向传输、多分支结构的串行通信网络。f c s 代表了今后工业控制 体系结构的一种发展方向 2 9 j o 2 2 浸润剂生产控制过程分析 2 2 1 控制系统概述 整个系统由主要由三套混料釜( 反应釜) 及蒸汽管道、油箱、热水箱、料箱 及自来水管组成。从生产线的整体结构来说，可以把浸润剂的工艺过程根据对反 应釜的单独控制要求，可分为三个反应釜独立控制的子系统以及水箱控制系统。 图2 - 3浸润剂生产单套结构图 f i g u r e2 - 3s i n g i es t r u c t u r eo ft h es i z i n gp r o d u c t i o n 每套生产系统的结构如图2 3 所示。生产系统为浸润剂生产工艺加工过程， 其控制系统能否实现是控制的关键。 对于混料釜系统，它由混料釜及现场设备温度传感器1 、液位传感器1 、电机 l 、电磁阀l 、流量阀2 及电机2 、3 组成。对于水箱控制系统，由水箱及电磁阀2 、 3 和温度传感器2 、温度传感器3 组成。其混料釜控制系统与水箱控制系统的交互 通过现场设备控制器p l c 和上位主机工控机来完成。在系统中，电机1 的作用是 控制反应釜搅拌器的正反转，电机2 为控制反应釜加水，电机3 控制反应釜加油， 电磁阀1 控制反应釜加热，电磁阀2 控制水箱加热，电磁阀3 控制水箱加水。 其系统的控制流程如下：温度传感器l 与液位传感器1 收集混料釜的温度与 液位信息，其产生的模拟信号经a d 转换后送入p l c ，经p l c 的c p u 运算后， p l c 发出开关信号来控制电机1 、2 、3 的起停电磁阀1 的开闭作用。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 自来水经过两电磁阀( 一大一小) 的开闭控制进入热水箱和蒸汽管道的入水， 另有三个电磁阀用来控制蒸汽管道的开合对反应釜的温度进行调控，且热水箱的 水也由蒸汽管道来加热。对于反应釜内的加水量则通过流量传感器采集的信号输 入进p l c 后，经上位机的运算后通过p l c 来进行反馈控制。 2 2 2 控制系统的构成 综合自动化控制系统主要有工业控制计算机( 口c ) 、可编程控制器( p l c ) 、仪 表、执行机构、键盘、鼠标等构成。其浸润剂生产控制系统如图2 4 所示。 图2 - 4浸润剂生产控制系统图 f i g u r e2 。4 c o n t r o is y s t e mo ft h es i z i n g p r o d u c t i o n + 该系统的设计方案采用层次化结构，由下而上分为三个层次：现场设备层、 过程控制层、集中操作监视层。每个层次在结构上又是横向分散的，具有良好的 可扩展性，在设计上是独立的，它们通过数据网络构成一个有机的整体。 i p c 作为系统的核心，负责数据采集、数据处理、数据库管理、与各仪表及 p l c 通信与触摸屏等通信等任务。 p l c 主要完成逻辑控制等功能。用于控制各阀门、传感器、电机等。同时还 通过m p i 口与i p c 进行数据的交换。 智能仪表完成现场传感器来的信号的显示、计算、控制量的设定等功能。同 时将处理后的信号通过c o m 2 口与i p c 进行信号的交换。 按系统实现的控制功能分类，综合控制系统主要控制部分包括：油料与自来 水的预热、工艺流程过程管理、报警报表管理等部分。 以下将对主要软、硬件选型、配置介绍如下： 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 3 控制系统方案的硬件配置 2 3 1 硬件选择 2 3 1 1 现场设备层 该系统的现场设备主要包括加油电机三台，加水电机三台及混料釜搅拌电机 三台。其控制信号主要是开关量信号，模拟量信号主要来自于对三套反应釜及水 箱的温度及液位的测量。温度与液位传感器这些一次仪表将不同的物理量转化为 标准信号通过p l c 的a d 转换模块转换为p l c 的c p u 能处理的数字信号。由于信 号的传输距离较远，现场电磁干扰较大，所以现场检测信号采用4 - 2 0 m a 标准直流 信号。温度范围在0 , - - - 1 2 0 之间，所以选用铂热电阻。开关量设备主要控制电磁 阀、继电器、指示灯、报警器等只具有开关两种状态的设备。根据工艺要求确定 i 0 点数如附表l 所示。 2 3 1 2 过程控制层 过程控制层对由现场检查仪表( 主要为传感器) 送来的各种信号进行实时的 数据采集、滤除噪声信号、进行非线性校正及各种补偿运算、折算成相应的工程 量，然后通过通信网络传送到集中操作监视层的数据库，供实时显示、优化计算、 报警打印等。过程操作层根据生产要求还要进行各种闭环反馈控制、顺序控制等， 并可接受操作站发来的手动控制命令进行手动控制，从而实现对生产过程的直接 调节控制功能，由于该控制系统中开关量占总输入输出点数的百分之八十左右， 且控制过程主要以顺序控制、连锁控制为主，无模拟量输出的控制。在此，选用 s i m e n s 公司的s 7 3 0 0 系列p l c 作为该系统的过程控制层的控制站。主要硬件 设备有： l - 电源模块选择额定输入电压为1 2 0 2 3 0 v a c ，5 0 6 0 h z ，输出电流为5 a ，输 出电压为2 4 v d c ，短路及断路保护的p s3 0 7 ：5 a 电源模块； 2 c p u 模块选择具有4 8k b 工作存储器：0 3m s 1 0 0 0 条指令：m p i 连接： 多排最多可组态3 2 个模块的c p u3 1 5 ； 3 由于数字量输入点数为3 2 路，系统预留点数为5 1 0 ，故选择数字量 输入模块s m3 2 1 ；d i3 2 d c2 4 v 与s m 3 2 ld 1 1 6 d c 2 4 v 。 s m3 2 1 ；d i3 2 d c2 4 v 属性为：3 2 点输入，电气隔离为1 6 组，额定输 入电压为2 4 v d c ； s m 3 2 1 ；d i1 6 d c2 4 v 属性为：1 6 点输入，电气隔离为1 6 组，额定输 入电压为2 4 v d c ： 4 数字量输出模块为s m3 2 2 ：d o3 2 o c2 4 v 0 5 a ，其属性为：3 2 点输出， 电气隔离为8 组，输出电流为0 5 a ，额定负载电压为2 4 v d c ，适用于电 磁阀、d c 接触器和信号灯。 5 模拟量输入模块为s m3 3 1 ；a i8 1 2 位，其属性为：4 个通道组的8 点 输入，每个通道的可选测量方法为电压或电流，通道间的允许c m v ：最 大5 0 v 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 1 3 集中操作监视层 集中操作监视层分为操作员站与工程师站。在该系统中因控制量和相关数据 较少将二者合二为一。中央控制室放置具有手动与自动功能的计算机。此系统具 有自我保护的功能，当计算机系统失效( 整个系统的崩溃) ，同样不会影响到正常 的生产，若没有修改参数，仍可以由p l c 来控制，最好由机旁手动控制。它们主 要完成对现场的操作管理和现场数据的采集和工程转换，报警数据的存盘以及数 据库的建立和维护等，因此，它又可作为系统的i o 服务器以及用户的登录服务 器。操作员站是系统和操作员的对话窗口，操作员通过键盘、鼠标和显示器等设 备完成对整个系统的监控。d c s 是基于4 c 技术发展起来的，c r t 是其中之一。 c r t 显示器基本上可以取代过去的常规仪表显示和模拟屏显示系统。操作员站的 显示管理功能可以分为两大类：标准显示和用户自定义显示。标准显示是在系统 设定时设定的显示功能，通常有数据记录显示、报警信息显示、控制回路显示和 回路组显示、趋势显示等。用户自定义显示是那些与特定应用有关的显示功能。 这些显示通常由用户根据自己的需要设定。因此，操作员站显示的主要内容有： 模拟流程和总貌显示、过程状态、特殊数据记录、历史趋势、实时趋势、统计结 果和生产状态的显示。操作员站可通过网络打印机在工程师站完成下述打印功能： 生产过程记录报表、生产统计报表、系统运行状态信息打印、报警信息的打印。 操作员工作站还可在线控制电机和各种电器设备，可完成对电机的顺序启动、报 警显示及报警处理等。完成对电机的开关机电磁阀等机构的操作。该系统还可以 配置管理者站，放置在厂长或经理办公室，可随时监视系统的生产情况，查看相 关数据和报表，但不能进行操作。 上位主机i p c 采用研祥e v o c 工控机，其主要技术性能如下： 型号：祥锐i c 1 7 d 2 2 ，机箱：i p c 一8 1 0 a ，主板：f s c 1 7 1 1 v n ，电源： ”p s 7 2 7 0 ，c p u ：赛扬1 7 g ，内存：2 5 6 m ，硬盘：4 0 g 7 2 0 0 r p m ，光驱：5 2 增强版， 软驱：1 4 4m 。 2 3 2 工业通信网络的特点 d c s 是计算机技术、自动控制技术、通信技术和c r t 显示技术竞相发展并 紧密结合的产物，而通信技术在集散控制系统中占有重要的地位。所谓d c s 即用 分散的控制单元达到对过程控制对象加以控制的目的，利用集中监视和操作管理 单元来达到综合信息全局管理的目的。过程控制单元( 现场控制站) 、监视操作单 元( 操作员站) 和系统的管理单元( 工程师站) 通过通信网络构成一个整体的系 统从而达到分散控制集中管理的功能，工业控制用通信功能与一般的办公室的局 部网络有所不同，它具有快速实时响应能力强，可靠性高，适应恶劣的工业现场 环境和分层结构等特点。 2 3 2 1 网络选取及分析 为了提高控制性能，通常需要把地理上处于不同位置的p l c 、计算机或能源 装置通过传送介质相互联接起来，构成功能更强、性能更好、操作更方便的控制 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 系统，即基于p l c 的网络控制系统。 个人计算机与p l c 联网实现对工业现场的实时控制，一般是通过计算机的串 行或专用网卡通信来完成州”】。 ( 1 ) 通讯形式 可以分为并行传输、串行传输两种方式。并行通讯是一次的传输量是8 位， 而串行通讯一次只传输1 位，两者之间传输速度相差8 倍，但串行通讯处理数据 的电压只有一个标准校验，因此不容易丢失数据。 r s 2 3 2 通讯：串行通讯端口( s e r i a lc o m m u n i c a t i o np o r t ) 再系统控制的范畴 中一直占有极其重要的地位。r s 2 3 2 通讯端口是每一台计算机的必要配置，通常 由c o m l 、c o m 2 两个信道，有9 p i n 合2 5 p i n 两种接头方式。 r s 4 8 通讯：由于串行通讯简单易用，使得工业使用串行通讯作为传输数据 非常普遍。可是工业环境通常有噪音干扰，在r s 2 3 2 作为传输时就经常受到外 界的电气干扰使得讯号发生错误。为了解决这个问题，就产生了r s 4 8 5 的通讯 方式。 首先，r s 2 3 2 传讯讯号的基准位时参考到地线，如果有干扰信号的作用，地 线和讯号本身均受到影响，原始信号加上噪声后传送到接受端，而电线部分的讯 号被低位给平均掉了，因此，讯号发生了扭曲。而r s 4 8 5 的讯号被传送出去时 先分成正负两条线路，当到达接受端后，再将讯号相减还原成原来的讯号，如果 讯号标示成( d t ) ，而被分成的讯号标示成( d + ) 和( d ) 。同样，接收端在接收到讯 号后，也依上式的关系将讯号还原成原来的样子。这样，在线路受到干扰时，讯 号在两条线路传输的值为( d + ) + n o i s e 和( d ) + n o i s e ，其合成关系为： ( d t ) = ( d + ) + n o i s e 】- 【( d 一) + n o i s e = ( d + ) - ( d 一) 。 u s b 通讯：u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线的目的在于整合一般计算 机所使用的周边产品的连接方式。采用u s b 接口，连接时只需要以串接的方式将 各个设备连接在一起即可，u s b 传输速度比r s 2 3 2 、r s 4 8 5 快。 工业上用得最多的是r s 2 3 2 和r s 4 8 5 。 ( 2 ) 通讯端口的初始化 数据的传输单位：串行通讯端口传输的数据是字符形态，工业使用到的有 a s c i i ( a m e r i c a l ls t a n d a r dc o d ef o ri n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g e ) 字符码和j i s ( j a p a n e s e i n d u s t r i a ls t a n d a r d s ) 字符码：a s c i i 使用8 个位形成一个字符，而j i s 码以7 位形 成一个字符。以r s 2 3 2 传输上来看，由于p l c 大多数只传输文字码，因此只需 要7 个位就可将a s c i i 码的0 1 2 7 号字码表达出来( - 1 2 8 共1 2 8 种组合) ，所有的 可见字符都落在此范围，所以7 位就足够了。 起始位与停止位：当双方要开始传送数据时间，发送端会在所送出的字符前 后分别加上低电位的起始位和高电位的停止位，接受端会依起始位和停止位的设 定来判断接收到的字符；只有加上起始位和停止位才能够达到多字符的接收能力。 起始位固定为1 个位，而停止位则有l 、1 5 、2 个位等多个选择。 同位位的检查：同位位是用来检查所传输数据的正确性的一种对码，可分为 奇、偶校验两种。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 23 22 组态王与8 7 - 3 0 0 系统连接方式 ( 1 ) 组态王通过m p i - i s a 卡与s 7 3 0 0 系列p l c 连接： m p i 卡安装在计算机的i s a 插槽中，用m p i 电缆将m p i 卡与s 7 3 0 0 的m p i 口相连，如下图所示： s t e m e n $ p l c 国2 - 5组奄王通过岬i i s 卡与$ 7 - 3 0 0 系列p l c 相连 f f g 2 - 5 t h ec o n n e c t i o nm p i i “c a r dw i t hp l co fs 7 3 0 0r ia is ( 2 ) 组态王通过p c - a d a p t e r 与s 7 3 0 0 系列p l c 连接： 将p c a d a p t e r 的一端与计算机的串口相连，另一端与s 7 3 0 0 的m p i 口相连 如下图所示： 擎1 。 2 3 3 下位机p l c 系统配置 p l c 在系统中处于“直接控制级”，它直接与现场的设备打交道，完成系统 的控制。因此，p l c 在本系统中的主要作用是：对整个生产系统实现自动控制， 并能接收上位机下传的信息控制整个生产过程。并可以对温度、液位等进行实时 检测把检测信号转换输入c p u ，经c p u 计算处理后，实时控制阀与电机；p l c 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 还可将运行过程中的实时参数上传给上位机。 2 3 3 1p l c 简介 ( 1 ) p l c 的由来 2 0 世纪6 0 年代末，由于市场的需要，工业生产从大批量、少品种的生产方 式转变为小批量、多品种的生产方式。但是，当时这种大规模生产线的控制大多 式继电器控制系统，体积大、耗电多，改变生产程序非常困难。为了改变这种状 况，满足用户对产品多样性的要求，1 9 6 8 年美国通用汽车对外公开招标，要求用 新的电器控制装置取代继电器控制装置，以适应改变生产程序的需要。该公司提 出下面1 0 项指标： 1 编程方便，现场可修改程序； 2 维修方便，采用插件式结构； 3 可靠性高于继电器控制装置； 4 数据可直接输入管理计算机中； 5 输入电源可为市电； 6 输入电源为市电，负载电流要求2 a 以上，可直接驱动电磁阀和接触器等； 7 用户存储器大于4 k b ； 8 体积小于继电器控制装置； 9 扩展时原系统变更最少； l o 成本与继电器控制装置相比，有一定竞争力。 1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 制成了世界上第一台可编程序逻辑控制 器( p l c ) ，在美国通用汽车公司生产线上使用并取得勒成功，从此开创了可编程 序逻辑控制器的时代。 ( 2 ) p l c 的发展 从1 9 6 8 年到现在，p l c 经历了四次换代：第一代p l c 大多采用一位机开发， 用磁芯存储器存储，只有逻辑控制功能。在第二代p l c 产品中换成了8 位微处理 器及半导体存储器，p l c 产品开始系列化。第三代p l c 产品随着高性能处理器及 位片式c p u 在p l c 中大量使用，p l c 处理速度大大提高，从而促使它向多功能 及联网通信发展。第四代p l c 产品不仅全面使用1 6 位、3 2 位高性能微处理器， r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 精简指令系统c p u 等高级c p u ，而且在一 台p l c 中配置多个处理器，进行多通道处理。同时生产了大量内含微处理器的智 能模板，使得第四代p l c 产品具有逻辑控制功能、过程控制功能、运行控制功能、 数据处理功能、联网通行功能的真正名符其实的多功能控制器。同一时期，由p l c 组成的p l c 网络也得到飞速发展。p l c 与p l c 网络成为了工厂企业中首选的工 业控制装置，由p l c 组成的多级分布式p l c 网络成为c i m s ( c o m p u t e r - i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 系统不可或缺的基本组成部分。人们高度评价p l c 及其网 络的重要性，认为它是现代工业自动化的三大支柱( p l c 、机器人、c a d c a m ) 之 一。 随着p l c 的处理器的处理速度不断的提高，p l c 的功能不断的增多，现在发 展成具有逻辑控制功能、过程控制功能、运行控制功能、数据处理功能、联网通 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 行功能的真正名符其实的多功能控制器。 全世界p l c 及其网络系统的研究与制造达2 0 0 多家公司，生产着4 0 0 多个系 列的产品。但若按照发展的历史渊源所受的地域影响来划分，大体可分为三个流 派：即美国产品，日本产品及欧洲产品。美国产品以a 一b 公司的p l c 及其网络 产品为代表，日本产品则以o m r o n 公司的产品为代表，欧洲产品则以著名的 s i m e n s 公司的产品为典型代表。国产p l c 近年来也得到长足的发展，但无论是 产品的规模还是应用的范围相对而言任有不少的差距，赶超世界先进水平尚待时 日。 西门子p l c 主要有s 7 4 0 0 ，s 7 3 0 0 ，s 7 2 0 0 三个系列，s 7 4 0 0 是针对实现 复杂控制任务的大型系列。s 7 3 0 0 主要针对中等和低端性能范围的中小型自控应 用而设计的系列，s 7 3 0 0 是面向生产领域的通用性p l c 。s 7 2 0 0 是一种微型的 p l c 。本系统采用的是s 7 3 0 0 型p l c ，通过m p i 通讯协议与上位机通信，并通 过西门子专用s t e p7 软件编程【8 】【4 0 1 。 2 3 3 2s 7 3 0 0 的优点 s 7 3 0 0 有以下优点【5 1 ： 灵活多样的应用：高效率的组态和编程，基于世界标准的s t e p 7 。更高的可 用性，基于强大的集成诊断功能。轻松易用的入门级软件s t e p 7l i t e ，新的软件 包含基本的功能i o 模板具有广泛的应用性。 对于工艺任务，有多种解决方法：运行软件，集成在c p u 中的功能，功能模 块。相同的i o 模块用于集中式配置及分布式配置( e t 2 0 0 m ) 。 模块化可扩展系统：节省空间，模块化设计，没有槽位规则，适用于紧凑型 的机械控制无风扇