（航空宇航制造工程专业论文）基于interbus现场总线的gd包装机控制系统的设计.pdf

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e so fg d p a c k i n gm a c h i n ea n dp l cs y s t e m ，d e s i g ng d p a c k i n gm a c h i n es u p e r v i s i o n - c o n t r o ls y s t e ma n do p ta u t o m a t i o nc o n t r o l e q u i p m e n t s b a s e do nf e a t u r e so ff u n c t i o nm o d u l e sa n d r e q u i r e m e n t s o ff i e l d p r o d u c t ，c o n f i g u r eh a r d w a r e a n d p a r a m e t e r f u n c t i o nm o d u l e s t oc o n s t r u c ti n t e r b u sn e t w o r k 。c o n f i g u r ei n t e r b u sn e t w o r ka n d p r o g r a m c o m m u n i c a t i o nc o d ef o ri n t e r b u sn e t w o r k a n dp l c s y s t e m t o d e s i g n g d p a c k i n g m a c h i n ec o n t r o l s y s t e m a n d d e v e l o p s u p e r v i s i o n c o n t r o ls o f t w a r e k e y w o r d s ：p l c 、i n d u s t r i a la u t o m a t i o n 、f i e l d b u s 、i n t e r b u s 南京航空航天人学硕士学 ：i ) = 论文 第一章绪论 1 1 引言 可编程逻辑控制器( 简称p l c ) ，是以微处理器为基础，综合运用了计算机技术、 自动控制技术和通信技术，从8 0 年代初迅速发展起来的一种新型工业控制装置。它 具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，现在已广泛应用于工业生产过程和装置 的自动控制中。据统计，在工业发达国家，p l c 是工业自动化装置中应用最多的一种 设备。按目前发展的趋势，p l c 将在今后若于年内发展成为工业控制的主要手段和重 要的基础设备之一。 p l c 在工业自动化领域内的应用极其广泛。对于早期的p l c ，凡是用继电器的地 方几乎都可以用p l c 。而对于当今的p l c ，几乎可以说凡是需要工业控制系统的地方 就需要p l c 。就目前的应用情况来看，p l c 主要用于有大量开关量和少量模拟量的控 制方面。小型p l c 主要用于单机自动化，而大型p l c 则是自动化生产线的必不可少的 部件。最近我国引进的生产设备和自动化生产线绝大多数都是采用p l c 作为核，i i 控制 系统。 1 2p l c 的发展演变历史 p l c 一出现就在工业控制领域内取得了很大的成功。随着微电子技术、电力电子 技术、计算机技术、通讯技术、控制技术的发展，p l c 技术也逐渐成熟，其发展逐渐 由无到有经历了以下五个阶段。 第一阶段是p l c 出世的阶段。各个厂家的p l c 功能和结构差异巨大，功能也比较 简单，只有逻辑、定时、计数等功能。硬件方面集成电路还未投入大规模工业化生产， 存储器容量小，还未成形的编程语言，而且p l c 体积庞大。 第二阶段是p l c 功能初步发展阶段。1 9 7 2 年，i n t e l 公司开发成功了世界上第一 片集成电路的微处理器。中小规模的集成电路已经开始工业化生产。p l c 功能也有了 发展，具有逻辑运算、定时、计数、数值运算、数据处理、计算机接口、模拟量控制 等功能；软件方面开发出了自诊断程序，可靠性提高，系统开始标准化、系列化。结 构上具有模块化和整体式的区分。有些厂家开始采用微处理器作为p l c 的c p u ，这是 p l c 硬件和软件结构上的一次革命。为进一步扩展p l c 功能，提高可靠性、灵活性、 降低成本、建立标准的编程语言奠定了基础。 第三阶段是微处理器技术完全成熟，大规模集成电路开始普遍使用的阶段。p l c 得益于电子技术、计算机技术和通讯技术的飞跃发展，逐步地演变成了一种专用的工 业计算机。功能方面增加了通讯、远程i o 等。p l c 在结构上一方面向大型化、模块 化发展；另一方面向结构整体化、小型化、保持基本功能向低成本方向发展。面向过 程的梯形图语言及助记符的出现，为p l c 的普及打下基础。 第四阶段是p l c 完全计算机化的阶段。由于计算机技术进一步发展，计算机网络 l 南京航空航天人学硕士学 ：i ) = 论文 第一章绪论 1 1 引言 可编程逻辑控制器( 简称p l c ) ，是以微处理器为基础，综合运用了计算机技术、 自动控制技术和通信技术，从8 0 年代初迅速发展起来的一种新型工业控制装置。它 具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，现在已广泛应用于工业生产过程和装置 的自动控制中。据统计，在工业发达国家，p l c 是工业自动化装置中应用最多的一种 设备。按目前发展的趋势，p l c 将在今后若于年内发展成为工业控制的主要手段和重 要的基础设备之一。 p l c 在工业自动化领域内的应用极其广泛。对于早期的p l c ，凡是用继电器的地 方几乎都可以用p l c 。而对于当今的p l c ，几乎可以说凡是需要工业控制系统的地方 就需要p l c 。就目前的应用情况来看，p l c 主要用于有大量开关量和少量模拟量的控 制方面。小型p l c 主要用于单机自动化，而大型p l c 则是自动化生产线的必不可少的 部件。最近我国引进的生产设备和自动化生产线绝大多数都是采用p l c 作为核，i i 控制 系统。 1 2p l c 的发展演变历史 p l c 一出现就在工业控制领域内取得了很大的成功。随着微电子技术、电力电子 技术、计算机技术、通讯技术、控制技术的发展，p l c 技术也逐渐成熟，其发展逐渐 由无到有经历了以下五个阶段。 第一阶段是p l c 出世的阶段。各个厂家的p l c 功能和结构差异巨大，功能也比较 简单，只有逻辑、定时、计数等功能。硬件方面集成电路还未投入大规模工业化生产， 存储器容量小，还未成形的编程语言，而且p l c 体积庞大。 第二阶段是p l c 功能初步发展阶段。1 9 7 2 年，i n t e l 公司开发成功了世界上第一 片集成电路的微处理器。中小规模的集成电路已经开始工业化生产。p l c 功能也有了 发展，具有逻辑运算、定时、计数、数值运算、数据处理、计算机接口、模拟量控制 等功能；软件方面开发出了自诊断程序，可靠性提高，系统开始标准化、系列化。结 构上具有模块化和整体式的区分。有些厂家开始采用微处理器作为p l c 的c p u ，这是 p l c 硬件和软件结构上的一次革命。为进一步扩展p l c 功能，提高可靠性、灵活性、 降低成本、建立标准的编程语言奠定了基础。 第三阶段是微处理器技术完全成熟，大规模集成电路开始普遍使用的阶段。p l c 得益于电子技术、计算机技术和通讯技术的飞跃发展，逐步地演变成了一种专用的工 业计算机。功能方面增加了通讯、远程i o 等。p l c 在结构上一方面向大型化、模块 化发展；另一方面向结构整体化、小型化、保持基本功能向低成本方向发展。面向过 程的梯形图语言及助记符的出现，为p l c 的普及打下基础。 第四阶段是p l c 完全计算机化的阶段。由于计算机技术进一步发展，计算机网络 l 基于i n t e r b u s 总线的g d 包装机控制系统设计 技术已普遍使用，超大规模集成电路、超大规模门阵列电路已经大量生产，p l c 完全 计算机化，全面使用8 位、1 6 位微处理芯片，高速计数、a d 、d a 等功能引入p l c ， 联网功能增强。梯形图语言及助记符语言完全成熟，基本标准化。各个厂家的p l c 向规范化、系列化发展。 第五阶段是p l c 全面使用1 6 位和3 2 位的微处理芯片，有的已使用r i s c ( 精简 指令集) 芯片的阶段。p l c 的i o 点增多，并且基本上都具和计算机通信联网功能； 软件上使用容错纠错技术，硬件上使用多c p u 技术。已经开发出了各种智能化模块、 触摸式屏幕；整体式p l c 与外界的输入输出部分标准化、模块化；大型昂贵的专用编 程器已被笔记本计算机和功能强大的编程软件所代替。 1 3 p l c 的发展趋势 长期以来，p l c 始终处于工业自动化控制领域的主战场中，为各种各样的自动化 控制设备提供了非常可靠的控制手段。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提 供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。另方面， p l c 还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业p c 所带来的冲击。p l c 需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。 在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制 软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有p l c ，但这种趋势也 许不会继续发展下去。髓着软p l c ( s o f t p l c ) 控制组态软件技术的诞生与进一步完善 和发展，安装有s o f t p l c 组态软件和基于工业p c 过程控制系统的市场份额正在逐步 得到增长，这些事实使传统p l c 供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须 面对现实，在传统p l c 的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。对于控制软件 来讲，这是p l c 控制器的核心，p l c 供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工 具软件。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将p l c 融入更加开放的 工业控制行业。 p l c 技术将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业p c 的控制系统。 后者除了在灵活性方面比传统p l c 具有截然不同的优势外，还具有其他优点，如能够 缩短系统投放到市场的周期，降低系统投资费用，提高从工厂底层到企业办公自动化 的数据信息流动效率等。 当前，在所有过程控制领域，最大的发展趋势之一就是e t h e r n e t 技术的扩展。 p l c 也不例外，现在，越来越多的p l c 供应商开始提供e t h e r n e t 接口部件。 在向e t h e r n e t 靠近的一个目的在于通过i n t e r n e t 能够连接到所希望的任何地 方。实际上，在一些意想不到的地方，w e b 服务器正在显露出其应有的威力。几年前， 有一些p l c 系统已经内藏了w e b 服务器，这无疑又为p l c 系统增加了更多的特点。其 他类型的控制设备也正在准备进一步集成w e b 服务器。例如，s q u a r ed 公司已经有 一个具备e t h e r n e t 连接接口的发动机控制中心，并正在准备开发一种内藏w e b 服务 基于i n t e r b u s 总线的g d 包装机控制系统设计 技术已普遍使用，超大规模集成电路、超大规模门阵列电路已经大量生产，p l c 完全 计算机化，全面使用8 位、1 6 位微处理芯片，高速计数、a d 、d a 等功能引入p l c ， 联网功能增强。梯形图语言及助记符语言完全成熟，基本标准化。各个厂家的p l c 向规范化、系列化发展。 第五阶段是p l c 全面使用1 6 位和3 2 位的微处理芯片，有的已使用r i s c ( 精简 指令集) 芯片的阶段。p l c 的i o 点增多，并且基本上都具和计算机通信联网功能； 软件上使用容错纠错技术，硬件上使用多c p u 技术。已经开发出了各种智能化模块、 触摸式屏幕；整体式p l c 与外界的输入输出部分标准化、模块化；大型昂贵的专用编 程器已被笔记本计算机和功能强大的编程软件所代替。 1 3 p l c 的发展趋势 长期以来，p l c 始终处于工业自动化控制领域的主战场中，为各种各样的自动化 控制设备提供了非常可靠的控制手段。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提 供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。另方面， p l c 还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，尤其是工业p c 所带来的冲击。p l c 需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。 在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制 软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有p l c ，但这种趋势也 许不会继续发展下去。髓着软p l c ( s o f t p l c ) 控制组态软件技术的诞生与进一步完善 和发展，安装有s o f t p l c 组态软件和基于工业p c 过程控制系统的市场份额正在逐步 得到增长，这些事实使传统p l c 供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须 面对现实，在传统p l c 的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。对于控制软件 来讲，这是p l c 控制器的核心，p l c 供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工 具软件。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将p l c 融入更加开放的 工业控制行业。 p l c 技术将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业p c 的控制系统。 后者除了在灵活性方面比传统p l c 具有截然不同的优势外，还具有其他优点，如能够 缩短系统投放到市场的周期，降低系统投资费用，提高从工厂底层到企业办公自动化 的数据信息流动效率等。 当前，在所有过程控制领域，最大的发展趋势之一就是e t h e r n e t 技术的扩展。 p l c 也不例外，现在，越来越多的p l c 供应商开始提供e t h e r n e t 接口部件。 在向e t h e r n e t 靠近的一个目的在于通过i n t e r n e t 能够连接到所希望的任何地 方。实际上，在一些意想不到的地方，w e b 服务器正在显露出其应有的威力。几年前， 有一些p l c 系统已经内藏了w e b 服务器，这无疑又为p l c 系统增加了更多的特点。其 他类型的控制设备也正在准备进一步集成w e b 服务器。例如，s q u a r ed 公司已经有 一个具备e t h e r n e t 连接接口的发动机控制中心，并正在准备开发一种内藏w e b 服务 南京航空航天大学硕十学位论文 器连接接口的变速装置。 内藏w e b 服务器所体现的益处包括开放网络、客户机服务器关系。在过去，工 业用户可能会有代表性地询问一些有关p l c 方面的信息，但在现在，由于新技术的不 断诞生和发展，工业用户很容易就可以得到有关这方面的信息。另方面，随着芯片 和处理器大规模的生产，p l c 生产制造商能够尘产并提供开放网络的产品，让工业用 户花较少的费用就能够购买到功能非常完善的p l c 产品。 在为将p l c 连接到e t h e r n e t 和w e b 上提供技术支持方面，s c h n e i d e r 公司已经 成了先驱者之一。最近，该公司推出了一种运行于p r e m i u mp l c 平台的新型快速 e t h e r n e t ( 1 0 0 m b s ) 模件。该模件为p l c 能够连接到t c p i p 的e t h e r n e t 提供了全双 工自适应1 0 1 0 0 m b s 的连接速度，现场过程控制器之间可以共享实时数据信息，自 动扫描m o m e n t u mi 0 模件和其他任何基于m o d b u s 通信协议的现场控制设备，采用一 个嵌入式w e b 服务器提供h t m l 通信服务，同时提供了s n m p 用于标准网络通信管理。 在一次展览会上，s c h n e i d e r 公司还向工业用户展示了他们有关透明工厂的观念。 o m r o n 公司在其产品中提供了全部e t h e r n e t 连接能力，借助于t c p i p 数据传输协议， 其产品完全适合于所有e t h e r n e t 技术规范。另外，该公司最近还发布了几个新的基 于p r o f i b u s d p 的产品。在c s i 控制器平台上，提供了主单元部件允许建立在 p r o f i b u s - d p 网络上的所有过程控制器设备在该平台上的运行特性；同时还提供了一 套新的s y c o n d p 组态工具软件包，允许工业用户很容易就能够进行过程控制系统的 组态和网络的委托管理；此外，一种新的多i o 终端可以作为p r o f i b u s d p 从部件， 所组成的通信单元提供了一个接口用于连接一个或者更多的i 0 模件单元，与该公司 的c 2 0 0 h 系列p l c 还能够很好地结合在一起工作。 1 4 现场总线技术 现场总线作为当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领域产生前 所未有的冲击和影响。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了 数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们分 别通过普通双绞线等多种介质进行信息传输，把多个测量控制仪表、计算机等作为节 点连接成的网络系统，把公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化 自控设备之间、以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与 信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它是把单个分散的测 量控制设备变成网络节点，麸同完成自控任务的网络系统和控制系统。如果说，计算 机网络把人类引入到信息对代，那么现场总线则使自控系统与设备加入到信息网络的 行列，成为企业信息网络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。 因此把现场总线技术出现说成是标志着一个自动化新时代的开端并不过分。 南京航空航天大学硕十学位论文 器连接接口的变速装置。 内藏w e b 服务器所体现的益处包括开放网络、客户机服务器关系。在过去，工 业用户可能会有代表性地询问一些有关p l c 方面的信息，但在现在，由于新技术的不 断诞生和发展，工业用户很容易就可以得到有关这方面的信息。另方面，随着芯片 和处理器大规模的生产，p l c 生产制造商能够尘产并提供开放网络的产品，让工业用 户花较少的费用就能够购买到功能非常完善的p l c 产品。 在为将p l c 连接到e t h e r n e t 和w e b 上提供技术支持方面，s c h n e i d e r 公司已经 成了先驱者之一。最近，该公司推出了一种运行于p r e m i u mp l c 平台的新型快速 e t h e r n e t ( 1 0 0 m b s ) 模件。该模件为p l c 能够连接到t c p i p 的e t h e r n e t 提供了全双 工自适应1 0 1 0 0 m b s 的连接速度，现场过程控制器之间可以共享实时数据信息，自 动扫描m o m e n t u mi 0 模件和其他任何基于m o d b u s 通信协议的现场控制设备，采用一 个嵌入式w e b 服务器提供h t m l 通信服务，同时提供了s n m p 用于标准网络通信管理。 在一次展览会上，s c h n e i d e r 公司还向工业用户展示了他们有关透明工厂的观念。 o m r o n 公司在其产品中提供了全部e t h e r n e t 连接能力，借助于t c p i p 数据传输协议， 其产品完全适合于所有e t h e r n e t 技术规范。另外，该公司最近还发布了几个新的基 于p r o f i b u s d p 的产品。在c s i 控制器平台上，提供了主单元部件允许建立在 p r o f i b u s - d p 网络上的所有过程控制器设备在该平台上的运行特性；同时还提供了一 套新的s y c o n d p 组态工具软件包，允许工业用户很容易就能够进行过程控制系统的 组态和网络的委托管理；此外，一种新的多i o 终端可以作为p r o f i b u s d p 从部件， 所组成的通信单元提供了一个接口用于连接一个或者更多的i 0 模件单元，与该公司 的c 2 0 0 h 系列p l c 还能够很好地结合在一起工作。 1 4 现场总线技术 现场总线作为当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领域产生前 所未有的冲击和影响。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了 数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们分 别通过普通双绞线等多种介质进行信息传输，把多个测量控制仪表、计算机等作为节 点连接成的网络系统，把公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化 自控设备之间、以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与 信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它是把单个分散的测 量控制设备变成网络节点，麸同完成自控任务的网络系统和控制系统。如果说，计算 机网络把人类引入到信息对代，那么现场总线则使自控系统与设备加入到信息网络的 行列，成为企业信息网络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。 因此把现场总线技术出现说成是标志着一个自动化新时代的开端并不过分。 基于i n t e r b u s 总线的g d 包装机控制系统设计 随着微处理器与计算机功能的不断增强、价格急剧降低、计算机与计算机网络 系统得到迅速发展，信息沟通联络的范围不断扩大。而处于企业生产过程基层的测控 自动化系统，由于仍在通过开关、阀门、传感测量仪表间的一对一连线，用电压、电 流的模拟信号进行测量控制，或者只能采用某种自封闭式的集散系统，难以实现设备 之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”，严重制约了 其本身的发展。要实现企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在 工业现场环境运行的、可靠性高、实时性强、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网 络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信、实现底层现场设备之间、以及自动化 系统与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。 现场总线既是通信网络，又是自控系统。它作为通信网络，不同于日常用于声 音、图像、文字传送的网络，它所传送的是接通、关断电源，开关阀门的指令与数据。 直接关系到处于运行操作过程之中的设备、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 特征，它作为自动化系统，在系统结构上发生了较大变化，其显著特征是通过网络信 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， 是一种由网络集成的自动化系统。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，它 一产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。该项技术的开发， 可带动整个工业控制、楼宇自动化、仪表制造、工业控制、计算机软硬件等行业的技 术、产品的更新换代。它的出现，为我国自动化仪表行业和自控领域提供了良好的机 遇，也提出了严峻的挑战。 1 5 选题依据及主要内容 g d x l 8 0 0 0 型包装机是8 0 年代从意大利引进的自动化程度较高的卷烟包装设备， 目前是我国许多大中型卷烟厂的主流机型之一。但是，由于原进口机采用的是继电控 制方式和分立元件组成的逻辑电路板系统，大量的中间继电器、时间继电器以及电子 线路板构成了繁杂的电气逻辑系统。加上系统长年运行，设备电气故障频繁出现，在 一定程度上严重影响了卷烟厂的生产效率和产品质量，并且从2 0 0 2 年起g d 公司已经 停止供应相应的配件，所以用p l c 和数字控制变频器进行电气控制系统的重新设计已 势在必行。 本文总结了作者在课题阶段进行的控制系统设计、现场总线网络设计和监控、通 信软件的编制等方面所作的部分工作。在控制系统设计过程中作者不仅对p l c 及 i n t e r b u s 总线技术有了比较广泛的认识，而且针对某些方面进行了深入具体的研究 并在控制系统中加以实现。论文主要内容如下： 研究了当前世界上p l c 技术的发展历史和发展趋势( 第一章) 简要介绍了项目的来源、设计的内容和控制系统框架结构( 第二章) 基于i n t e r b u s 总线的g d 包装机控制系统设计 随着微处理器与计算机功能的不断增强、价格急剧降低、计算机与计算机网络 系统得到迅速发展，信息沟通联络的范围不断扩大。而处于企业生产过程基层的测控 自动化系统，由于仍在通过开关、阀门、传感测量仪表间的一对一连线，用电压、电 流的模拟信号进行测量控制，或者只能采用某种自封闭式的集散系统，难以实现设备 之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”，严重制约了 其本身的发展。要实现企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在 工业现场环境运行的、可靠性高、实时性强、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网 络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信、实现底层现场设备之间、以及自动化 系统与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。 现场总线既是通信网络，又是自控系统。它作为通信网络，不同于日常用于声 音、图像、文字传送的网络，它所传送的是接通、关断电源，开关阀门的指令与数据。 直接关系到处于运行操作过程之中的设备、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 特征，它作为自动化系统，在系统结构上发生了较大变化，其显著特征是通过网络信 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， 是一种由网络集成的自动化系统。 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，它 一产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。该项技术的开发， 可带动整个工业控制、楼宇自动化、仪表制造、工业控制、计算机软硬件等行业的技 术、产品的更新换代。它的出现，为我国自动化仪表行业和自控领域提供了良好的机 遇，也提出了严峻的挑战。 1 5 选题依据及主要内容 g d x l 8 0 0 0 型包装机是8 0 年代从意大利引进的自动化程度较高的卷烟包装设备， 目前是我国许多大中型卷烟厂的主流机型之一。但是，由于原进口机采用的是继电控 制方式和分立元件组成的逻辑电路板系统，大量的中间继电器、时间继电器以及电子 线路板构成了繁杂的电气逻辑系统。加上系统长年运行，设备电气故障频繁出现，在 一定程度上严重影响了卷烟厂的生产效率和产品质量，并且从2 0 0 2 年起g d 公司已经 停止供应相应的配件，所以用p l c 和数字控制变频器进行电气控制系统的重新设计已 势在必行。 本文总结了作者在课题阶段进行的控制系统设计、现场总线网络设计和监控、通 信软件的编制等方面所作的部分工作。在控制系统设计过程中作者不仅对p l c 及 i n t e r b u s 总线技术有了比较广泛的认识，而且针对某些方面进行了深入具体的研究 并在控制系统中加以实现。论文主要内容如下： 研究了当前世界上p l c 技术的发展历史和发展趋势( 第一章) 简要介绍了项目的来源、设计的内容和控制系统框架结构( 第二章) 壹室塾窒堕墨奎兰堡主堂堡笙苎一 研究了i n t e r b u s 现场总线网络拓扑结构、网络协议、存取方式等( 第三章) 合作完成了i n t e r b u s 现场总线网络方案的选择、设计和网络组态( 第三章) 主要完成了g d 包装机p l c 控制系统的设计和监控软件的编制( 第四章) 总结了论文的主要内容以及设计过程中存在的问题，展望了今后工作需要重点解 决的问题( 第五章) 基于i n t e r b u s 总线的g d 包装机控制系统设计 第二章项目介绍 2 1 项目来源 本课题的主要设计内容是设计广州卷烟二厂g d 包装机的控制系统，取消原来的 采用7 8 块逻辑线路板作为其主控设备的f z 系统，而采用p l c 控制系统。即：采用 德国西门予公司高性能的8 7 4 0 0p l c 作为控制系统的核心部分，用i n t e r b u s 总线作 为整个现场设备与控制器之间的数据枢纽，并且采用液晶彩色触屏作为上位机，完成整 个机组的故障、速度、生产数据显示。 在整个p l c 控制系统的设计过程中，作者主要负责p l c 控制系统软件的编制和 i n t e r b u s 总线网络的构建，内容包括各种功能模块包括f m 4 5 3 定位模块、f m 4 5 5p i d 模块、输入输出模块、中断模块的参数配制以及控制系统软件的编制；组态、诊断 i n t e r b u s 总线网络及网络上的设备、通信程序的编写。而上位机监控软件的编制与 组态由合作方完成。 2 2 项目概述 在我国烟草行业引进的包装设备中，意大利g d 公司生产的g d x 系列包装机占有 相当大的比例，已成为目前国内各个烟厂的主流包装机，早期引进的g d 包装机的电控 系统为f z 系统，主要采用7 8 块逻辑线路板作为其主控设备，随着计算机系统在工业自 动化中的推广运用，逻辑电路控制方式的缺点显而易见，可简单地概括如下： 1 ) 故障率高。由于机器已长期运行，同时采用的都是分离的线路板，线路及器件的老 化导致高故障率。 2 ) 保养及维修困难。由于采用的是分离线路板控制，因而当发生故障时就会出现维 修困难的现象，且线路板采用的是g d 公司自己生产的，一旦发生故障，备品备 件依赖于进口，费用较高且周期长。 3 ) 故障无法及时准确确认。f h 于f z 系统采用线路板控制，人机界面陈旧，靠面板上 的指示灯显示出故障，所以当机器出现故障时，无法立即准确的显示故障，生产率低， 而且众多的生产数据也无法显示出来。 4 ) 开放性差。由于采用逻辑电路控制方式，其数据采集无法采用基于软件通讯的方法 解决，且无计算机网络接口，无法进行数采联网。 5 ) g d 公司已通知各家烟厂以后不再提供老式f z 电控系统备件。 鉴于以上情况，作者与合作方开发了g d 包装机p l c 控制系统，该控制系统可大大 提高g d 包装机的电控系统的稳定性，同时具有如下优点： 1 ) 故障率低。由于p l c 控制器具有防尘、防震、抗干扰等优点，所以大大提高了系 统性能，平均无故障时间可达十万小时以上 2 ) 操作直观、方便。全汉化的计算机界面，方便操作人员了解设备状况，修改工艺 参数，查询产量和材料消耗等，同时以图形方式直观显示故障、报警信息。 6 基于i n t e r b u s 总线的g d 包装机控制系统设计 第二章项目介绍 2 1 项目来源 本课题的主要设计内容是设计广州卷烟二厂g d 包装机的控制系统，取消原来的 采用7 8 块逻辑线路板作为其主控设备的f z 系统，而采用p l c 控制系统。即：采用 德国西门予公司高性能的8 7 4 0 0p l c 作为控制系统的核心部分，用i n t e r b u s 总线作 为整个现场设备与控制器之间的数据枢纽，并且采用液晶彩色触屏作为上位机，完成整 个机组的故障、速度、生产数据显示。 在整个p l c 控制系统的设计过程中，作者主要负责p l c 控制系统软件的编制和 i n t e r b u s 总线网络的构建，内容包括各种功能模块包括f m 4 5 3 定位模块、f m 4 5 5p i d 模块、输入输出模块、中断模块的参数配制以及控制系统软件的编制；组态、诊断 i n t e r b u s 总线网络及网络上的设备、通信程序的编写。而上位机监控软件的编制与 组态由合作方完成。 2 2 项目概述 在我国烟草行业引进的包装设备中，意大利g d 公司生产的g d x 系列包装机占有 相当大的比例，已成为目前国内各个烟厂的主流包装机，早期引进的g d 包装机的电控 系统为f z 系统，主要采用7 8 块逻辑线路板作为其主控设备，随着计算机系统在工业自 动化中的推广运用，逻辑电路控制方式的缺点显而易见，可简单地概括如下： 1 ) 故障率高。由于机器已长期运行，同时采用的都是分离的线路板，线路及器件的老 化导致高故障率。 2 ) 保养及维修困难。由于采用的是分离线路板控制，因而当发生故障时就会出现维 修困难的现象，且线路板采用的是g d 公司自己生产的，一旦发生故障，备品备 件依赖于进口，费用较高且周期长。 3 ) 故障无法及时准确确认。f h 于f z 系统采用线路板控制，人机界面陈旧，靠面板上 的指示灯显示出故障，所以当机器出现故障时，无法立即准确的显示故障，生产率低， 而且众多的生产数据也无法显示出来。 4 ) 开放性差。由于采用逻辑电路控制方式，其数据采集无法采用基于软件通讯的方法 解决，且无计算机网络接口，无法进行数采联网。 5 ) g d 公司已通知各家烟厂以后不再提供老式f z 电控系统备件。 鉴于以上情况，作者与合作方开发了g d 包装机p l c 控制系统，该控制系统可大大 提高g d 包装机的电控系统的稳定性，同时具有如下优点： 1 ) 故障率低。由于p l c 控制器具有防尘、防震、抗干扰等优点，所以大大提高了系 统性能，平均无故障时间可达十万小时以上 2 ) 操作直观、方便。全汉化的计算机界面，方便操作人员了解设备状况，修改工艺 参数，查询产量和材料消耗等，同时以图形方式直观显示故障、报警信息。 6 南京航空航天人学硕1 ：学位论文 3 1 维修方便。由于p l c 系统采用的都是国际上通用的软、硬件，便于工厂技术人员 掌握，同时备品备件可在国内选购。 控制系统设计的主要内容： 1 ) 取消控制系统中的所有逻辑线路板及部分中间继电器，采用s 7 4 0 0p l c 作为控 制系统核心，所有控制任务由p l c 完成。 2 ) 取消原电控柜，只用一个p l c 电柜，现场安装在原控制柜位置，用p l c 控制柜 取代原控制柜，所有电器元件安装在p l c 控制柜内，p l c 系统设计为一独立的控制 柜，现场设备电缆直接连接到p l c 电柜上的连接器即可。 3 ) 采用i n t e r b u s 总线作为连接控制器与现场设备问的数据枢纽。 4 ) 取消原控制柜的九个温控器，由上位机进行温度设定，用西门子公司功能模块 f m 4 5 5 模块实现温度控制。 5 ) 取消原凸轮装置。改为用三个轴编码器进行相位检测。 6 ) 增加f m 4 5 3 模块完成特定的定位功能。 7 ) 增加一台西门子工控机，用于显示机器状况、故障、运行速度、温度、生产数据 等，同时该工控机还具有数据采集功能，将数采数据送至厂级m i s 系统。 8 ) 选用s e w 公司两台交流电机分别替代主机、辅机的直流主电机，分别用两台变 频器驱动，从而避免定期地对直流主电机的维护。保证了机组的长期运行。 2 3 系统简介 改造后的系统主要由p l c 控制系统、i n t e r b u s 总线网络系统构成的下位机系统 和采用液晶彩色触屏的上位机系统组成。下位机主要任务是通过i n t e r b u s 总线网络 实时采集g d 包装机运行的状态信息，根据工艺流程的逻辑关系，发出正确的控制命 令，控制执行机构的正常动作，保证包装机顺利高效地完成烟支的包装任务，并将不 合格的产品剔除掉。液晶彩色触摸屏作为p l c 控制系统的上位机，具有机组运行时 间和停机时间显示、机器相位显示、速度显示、温度显示、参数修改、机组有效作业 率及产量和材料消耗统计、故障报警及历史记录等功能。p l c 通过m p i 通讯协议与触 摸屏上位机进行数据交换。控制器与现场设备之间通过t n t e r b u s 总线连接。控制系 统结构图如图2 1 。 2 4 设计内容 根据项目的方案要求，作者主要负责p l c 控制系统以下方面内容的设计： ( 1 ) 构建i n t e r b u s 总线网络。主要内容是根据g d 包装机生产现场的传感器和执行 器的分布情况，确定i n t e r b u s 总线系统的网络结构，包括各种总线设备的选择、根 据p l c 的类型选择适当的总线控制器、使用i b sc m d 软件进行组态、i n t e r b u s 总线 网络的诊断、i n t e r b u s 总线数据设址、编程控制p l c 与i n t e r b u s 总线控制器之间的 数据传输。 南京航空航天人学硕1 ：学位论文 3 1 维修方便。由于p l c 系统采用的都是国际上通用的软、硬件，便于工厂技术人员 掌握，同时备品备件可在国内选购。 控制系统设计的主要内容： 1 ) 取消控制系统中的所有逻辑线路板及部分中间继电器，采用s 7 4 0 0p l c 作为控 制系统核心，所有控制任务由p l c 完成。 2 ) 取消原电控柜，只用一个p l c 电柜，现场安装在原控制柜位置，用p l c 控制柜 取代原控制柜，所有电器元件安装在p l c 控制柜内，p l c 系统设计为一独立的控制 柜，现场设备电缆直接连接到p l c 电柜上的连接器即可。 3 ) 采用i n t e r b u s 总线作为连接控制器与现场设备问的数据枢纽。 4 ) 取消原控制柜的九个温控器，由上位机进行温度设定，用西门子公司功能模块 f m 4 5 5 模块实现温度控制。 5 ) 取消原凸轮装置。改为用三个轴编码器进行相位检测。 6 ) 增加f m 4 5 3 模块完成特定的定位功能。 7 ) 增加一台西门子工控机，用于显示机器状况、故障、运行速度、温度、生产数据 等，同时该工控机还具有数据采集功能，将数采数据送至厂级m i s 系统。 8 ) 选用s e w 公司两台交流电机分别替代主机、辅机的直流主电机，分别用两台变 频器驱动，从而避免定期地对直流主电机的维护。保证了机组的长期运行。 2 3 系统简介 改造后的系统主要由p l c 控制系统、i n t e r b u s 总线网络系统构成的下位机系统 和采用液晶彩色触屏的上位机系统组成。下位机主要任务是通过i n t e r b u s 总线网络 实时采集g d 包装机运行的状态信息，根据工艺流程的逻辑关系，发出正确的控制命 令，控制执行机构的正常动作，保证包装机顺利高效地完成烟支的包装任务，并将不 合格的产品剔除掉。液晶彩色触摸屏作为p l c 控制系统的上位机，具有机组运行时 间和停机时间显示、机器相位显示、速度显示、温度显示、参数修改、机组有效作业 率及产量和材料消耗统计、故障报警及历史记录等功能。p l c 通过m p i 通讯协议与触 摸屏上位机进行数据交换。控制器与现场设备之间通过t n t e r b u s 总线连接。控制系 统结构图如图2 1 。 2 4 设计内容 根据项目的方案要求，作者主要负责p l c 控制系统以下方面内容的设计： ( 1 ) 构建i n t e r b u s 总线网络。主要内容是根据g d 包装机生产现场的传感器和执行 器的分布情况，确定i n t e r b u s 总线系统的网络结构，包括各种总线设备的选择、根 据p l c 的类型选择适当的总线控制器、使用i b sc m d 软件进行组态、i n t e r b u s 总线 网络的诊断、i n t e r b u s 总线数据设址、编程控制p l c 与i n t e r b u s 总线控制器之间的 数据传输。 南京航空航天人学硕1 ：学位论文 3 1 维修方便。由于p l c 系统采用的都是国际上通用的软、硬件，便于工厂技术人员 掌握，同时备品备