（计算机应用技术专业论文）85米热定型机计算机控制系统.pdf

、 本课题研制的8 .5 米热定型机计算机控制系统， 参考了国 外先进的 热定型机 控制技术， 应用了高 精度的控制元件和 先进的控制算法， 大大提高了 热定型机的 自 动化程度和控制精度。 在实际生产过程中， 该系统提高了造纸网热定型成品的 质量， 同时使操作人员和维护人员摆脱了繁重的 体力劳动， 从而取得了 较好的经 济 效 益 和 社 会 效 益 。 夕 关键词: 专家智能 面 向 对 象 编 程 p ii d自 整定、 自 适应控制、 模糊控制、 s y n a l l 2 0 0 0 , s c a d a , 尹 abs tract y t h e s u p e r v i s o ry c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m ( s c a d a ) , w h i c h i s m a d e u p o f i n t e l l i g e n t d i s t r i b u t e d d a t a a c q u i s i t i o n e q u i p m e n t s a s w e l l a s d a t a p r o c e s s a n d v i s u a l i z a t i o n s y s t e m s , i s o n e o f t h e m o s t u s e f u l i n d u s t ri a l c o n t r o l s y s t e m s i n i n d u s t r i a l p r o c e s s e s a n d m a n a g e m e n t a u t o ma t i o n . t h e h e a t - s e t t i n g e q u i p m e n t o f p a p e r m e s h , w h o s e c o n t r o l s y s t e m i s a s o p h i s t i c a t e d d i s t r i b u t e d s c a d a s y s t e m t h a t i n v o l v e s s e r i a l c o m m u n i c a t i o n s , t e m p e r a t u r e c o n t r o l , t e n s i o n c o n t r o l , d c m o t o r c o n t r o l , a n d c o m p u t e r s y s t e m f o r d i s p l a y i n g a n d l o g g i n g , a re b u i l t s p e c i a l l y f o r h e a t - s e t t i n g o f p o l y e s t e r p a p e r m e s h . i p c + p l c + i r c o n t ro l m o d e i s s e l e c t e d i n o u r s o l u t i o n f o r s h e n g y a n g c o p p e r me s h c o . , l t d . a s t h a t o f t h e c o n t r o l s y s t e m o f t h e h e a t - s e t t i n g e q u i p m e n t . a n i p c - 6 1 0 i n d u s t r i a l p c o f a d v a n t e c h i n c . i n s t a l l e d w i t h s y n a l l 2 0 0 0 c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e i s u s e d f o r m o n i t o r i n g s t a t u s o f t h e h e a t - s e t t i n g e q u i p m e n t a n d o t h e r o p e r a t i o n s s u c h a s re p o r t i n g a n d q u e ry i n g . t w o a l 8 0 8 i r s a re s e l e c t e d t o i m p l e m e n t t h e t e m p e r a t u re c o n t r o l s y s t e m . f o u r 5 9 0 d i g i t a l c o n v e r te r s a re u s e d t o a d j u s t t h e s p e e d o f d c m o t o r s . a n d a n o m r o n c 2 0 0 h g p l c i s re s p o n s i b l e f o r l o g i c c o n t r o l , t e n s i o n c o n t r o l , a n d s y n c h ro n i z a t i o n o f p a p e r m e s h s t r e t c h i n g . t h e c o n t r o l s y s t e m o f t h e h e a t - s e t t i n g e q u i p m e n t o f p a p e r m e s h i s c o m p r i s e d o f s e v e r a l p a r t s d e s c r ib e d re s p e c t i v e l y a s f o l l o w s . 1 . t h e t e m p e r a t u re c o n t r o l s y s t e m i s m a d e u p o f t h r e e p a r t s . t w o a l 8 0 8 i r s w h i c h c a n a u t o m a t i c a ll y t u n e p i d p a r a m e t e r s o f t h e s y s t e m w i t h e x p e r l i n t e l l i g e n c e , t h y r i s t o r s a s t h e o u tp u t a n d t h e r m o c o u p l e s a s t h e i n p u t . 2 . s p e e d a d j u s t m e n t s y s t e m o f d c m o t o r s e m p l o y s f o u r 5 9 0 d i g i t a l c o n v e r t e r s a s t h e c o n t r o ll e r s o f d c m o t o r s . t h i s s y s t e m h a s t w o c o n t r o l l o o p s , t h e i n n e r c u r r e n t l o o p w i t h a d v a n c e d a d a p t i v e c o n t r o l a l g o ri t h m s a n d t h e o u t e r s p e e d l o o p w i t h a p i r e g u l a t o r . 3 . s y n c h r o n i z a t i o n o f p a p e r m e s h s tr e t c h i n g i s a c c o m p l i s h e d b y s y n c h r o n i z i n g t h e s p e e d o f t w o s t r e t c h i n g d c m o t o r s . t h i s s y s t e m e m p l o y s a h i g h s p e e d c o u n t e r u n i t t o g e t t h e s t r e t c h i n g d i s p l a c e m e n t e r r o r u s e d a s t h e f e e d b a c k o f o n e o f t h e mo t o r . 4 . t h e t e n s i o n c o n tr o l s y s t e m e m p l o y s p - f u z z y - p i c o n t r o l a l g o r i t h m t o g a i n g o o d c o n t r o l e f f e c t . 5 . a n d i n t h e l a s t p a r t , s u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n i n d u s t r i a l p c , s y n a l l 2 0 0 0 s o f t w a r e i s u s e d t o d e v e l o p d d e d r i v e r s a n d a n i m a t i o n p i c t u r e s o f c o n t r o l p r o c e s s . a s a m a t t e r o f f a c t , t h e c o n t r o l s y s t e m o f t h e h e a t - s e t t i n g e q u i p m e n t , w h i c h e m p l o y s h i g h a c c u r a c y c o n t r o l u n i t s a n d a d v a n c e d c o n t r o l a l g o r i t h m s h a v e i m p r o v e d t h e q u a l i t y o f p a p e r m e s h a n d h e l p e d o p e r a t o r s a w a y fr o m h a r d w o r k k e y wo r d s : s e l f - t u n i n g , p i d , a d a p t i v e c o n t r o l , f u z z y c o n t r o l , s c a d a , o b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n g s y s t e m, 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1课题意义和课题来源 造纸网是造纸行业的一种重要的消耗材料， 是用于纸或纸板成形和脱水的织 物。随着造纸行业的不断发展，对造纸网的质量和成本提出了越来越高的要求。 原有的磷青铜丝造纸网 ( 简称铜网) ，由于其成本高，耐磨强度低，渐渐的淡出 了 造纸行业， 取而代之的 是合成纤维织成的插接网， 现在国内 造纸行业使用的造 纸网主要是聚醋网。 由于合成纤维耐磨强度高， 用于代替金属网， 不但寿命可以 延长2 -5 倍，经济效益增长，而且还可以织出多层和更多花纹。 新型的聚醋网 和聚醋干网以其较低成本和优良的性能已经稳稳的占 据了市场。 造纸网的生产一般经过织造半成品网和热定型两道工序， 专门用于半成品造 纸网热定型工艺加工的设备称为热定型机。 目 前， 我国的 造纸网 企业中使用的造 纸网热定型机大多是由国 外 ( 主要是挪威和瑞典) 引进或和国外的企业合作生产 的， 例如， 1 9 9 3 年挪威的p r o 公司与国内 的 厂 家 合作生产了 热空气对流式热定 型机， 幅宽8 .5 米和1 2 米各一台。 但是， 这些造纸网热定型机的造价十分昂 贵， 只为国内的少部分企业拥有。 近年来， 国内造纸行业对于聚醋网需求的急剧增加， 随着造纸网 行业对于热定型技术认识的逐步成熟， 一些有实力的 造纸网 企业联合 国内的科研院所， 研制出具有自 主知识产权的造纸网热定型机。 其中， 西安航空 发动机公司冶金处研制的造纸网热定型机，已经在国内的很多企业成功应用。 随着国内造纸行业的发展， 对于造纸网的生产提出了更高的 要求， 国内研制 的 第一批热定型设备已 经不能满足日 益变化的市场需求， 在技术上也已 经远远落 后于国 外的 热定型设备。 主要原因 是， 在研制的 初期， 国内 对于造纸网的使用还 处于初级阶 段， 对于热定型机的 工艺原理和控制技术认识不太深刻， 研制出的 热 定型机总体技术水平不高， 而且应用的自 动控制系统难于扩展， 不能很好的 适应 新的生产工艺的要求。 所以， 目 前使用这些热定型设备的厂家纷纷寻找有一定科 研实力的院校，共同研制新的控制系统。 沈阳造纸网厂是国内较早使用聚醋网热定型机的企业， 其热定型机是由西安 航空动力公司研制， 该厂使用的8 .5 米造纸网热定型机出现了同 样的问题。 经过 我校机械学院的介绍， 我们自 动控制理论实验室与之签订了项目 实施合同， 项目 金额为2 0 万元。鉴于该项目 具有广泛的通用性，可以较为迅速的推广到各个造 纸网生产企业， 因而具有较高的经济效益和社会效益。 而且， 由于该项目 参考了 国外先进的热定型机生产技术， 应用了较为先进的计算机控制技术，因此， 在国 内的造纸网行业具有一定的领先性。 第一章绪论 正是基于上述的 考虑， 我选定了 该课题， 经过一年多的努力， 在导师的 悉心 指导下，主要完成了以下几方面的工作: 1 、 上位机和下位机通讯链路的 设计 2 、温度控制系统的研制 3 、 直流调速系统的研制 4 、 拉伸同 步控制系统的 研制 5 、 张力控制系统的研制 6 、上位机组态软件及其驱动程序的开发。 1 . 2造纸网热定型工艺原理和设备 1 .2 . 1化学纤维的 热定形理论 为了深人的研究造纸网热定型的机理， 有必要先认识所使用的纤维的结构和 性能， 在此基础上才能认识到织物定型后结构的变化。 当前我国的造纸网一般都 以 聚醋纤维作为原料， 为使其形态得以固 定， 只能利用其热塑性能， 把由 它们织 成的织物在一定的张力作用下进行热处理， 使其尺寸和形态得以稳定。 这种加工 工艺称作热定型。 用于制作造纸网的聚醋纤维虽然在化纤厂已 进行过纤维的延伸热定型加工， 但分子链的取向 还不是很稳定， 只要预热或受到外力的作用， 纤维内 分子振动便 加剧， 外界作用力的能量大于它的初始状态时， 分子便会活化弯曲， 使纤维回 缩 引起织物外形和尺寸的变化。 尤其在造纸网的 制造过程中， 纤维要经过梳理、 纺 线、 织造等多道工序加工， 纤维在受到各种外力作用时不断地被拉伸、 扭转、 弯 曲、压缩等。它们所受到的外力大小不匀，引起纤维内部各个结构单元的位移。 位移的大小受到分子间作用 力的制约，当大分子的刚性 越强或分子间作用力越大 时，由原始状态进人新的状 态所需跨越的能峰越高;而 在新状态下建立新的分子间 的结合，则又会降低新的位 谷高峰，使体系难于逆转而 叮 、 、戊叭诀 扩水了 稳定平衡 位移( x )位移( x ) 图1 - 1 织物稳定态曲 线 稳定在新的状态。 这就更加剧了纤维内部应力变化不匀的倾向。 为了避免因应力 不匀而造成织物的变形， 造纸网都要在前部工序加工结束后，进行热定型处理， 目 的是使其内部应力调整到平衡状态， 织物所处的新能级低于原来的能级， 则织 物在新的状态下更为稳定。只有织物具有了足够的稳定程度才能送亦用户使用。 第一章绪论 织物稳定态曲 线见图1 - 1 0 各种热塑性纤维都有各自 不同的最高熨烫温度、 可塑性开始温度、 软化点温 度、 热定型最适温度、 热强度等于 零的温度和熔融温度。 对其制品作热定型处理， 只能在可塑性开始温度到热定型最适温度区间进行。 如果温度低于可塑性开始温 度则达不到定型的目 的; 若温度超过热强度等于零时的温度， 则该织物的强度反 而会降低， 亦达不到热定形的效果。 因 此热定形的温度必须严格掌握在规定的范 围内， 越接近热定型最适温度， 其定型效果越佳。 在热定型的过程中 还必须保证 温度的 持续稳定， 不能出 现较大的 波动， 不然就会造成成品定型效果上的 差异。 从分子的晶体理论角度看， 纤维在受热过程中， 纤维分子的热振动加剧， 链 段活化。 开始时有些小的晶体会出现熔融， 随着温度的提高， 则互相连接形成较 大的 结晶， 随着温度继续升高， 完整性差的 结晶 继续熔融再结晶， 使结晶 更大。 在此过程中， 晶体完整地向 较大的方向集中， 同时随着张力的提高， 分子链的取 向 度增加。 离开受热区 域后温度迅速下降， 使分子链得以 稳固， 即受热的织物在 热区 形成的尺寸得以 稳定， 完整性得到提高。 在变化过程中， 织物的密度也会发 生变化， 温度越高结构越紧密， 织物的密度增值也就越大. 热定型时织物是松弛 状态还是拉伸状态， 其性能形状变化都会有所不同。 织物经热定型后， 硬挺度增 加， 抗变形能力也增加。 定型温度越高， 织物越板硬。 织物表面出现明显的结晶 颗粒， 说明 局部温度已 达到熔融温度， 手感也更粗糙。 合成纤维的热定型过程是大分子链解冻， 进行扩散和重新调整， 建立新得更 为致密和稳定结构的过程，使织物结构更为密实和稳定，纤维的初始模量增加， 纤维的刚性增加。 在热定型时 施加张力越大或伸长率越大， 所产生的最大弹性恢 复的 最适温度越高， 热回 缩率降低。 多次热定型处理的 叠加效应， 能形成较为稳 定的结果。 1 .2 .2热定型过程 根据化学纤维的热定型理论，我们可以总结出，热定形的作用主要有两个: 第一消除在前道工序加工中产生的积聚在纤维内部的应力， 改善和提高其物理机 械性能。 第二提高造纸网的尺寸稳定性或达到成品的尺寸要求。 造纸网的热定形实际上是在一定温度和一定张力下的紧张定型。 这样可以使 所有的经纱都处在相同的紧张状况， 并达到造纸网的 定型尺寸。 在定型的过程中 施加了 一定的拉伸， 这就不可避免的在消除前段工序产生的应力和高弹形变的同 时，出现新的高弹形变。 所以， 在紧张定型后， 必须经过一段松弛定型， 否则造 纸网的尺寸稳定性就较差。 造纸网的热定型工艺流程可以用下图表示: 第一章 绪论 图 1 - 2造纸网热定型工艺流程图 1 . 2 .3影响 造纸网 定型效果的因素 经过试验分析， 我们总结出以下因素对造纸网的热定形效果有重要影响。 1 .温度 热定型温度必须选择在高于高聚物玻璃化温度， 而低于熔融温度的范围内。 温度高， 所需的 定型时间短， 但温度过高， 将引起纤维强力严重下降。 合适的热 定型温度对提高纤维的结晶度及结晶完整性， 对改善和提高尺寸稳定性至关重 要。 聚醋纤维的 最佳热定型温度为1 8 0 1c -2 3 0 左右。 2 .时间 高聚物结晶过程和松弛过程都需要一定的时间， 时间越长， 结晶和松弛越充 分。 不同的纤维，由其分子结构所决定的松弛时间的长短是不一样的。 对同一种 纤维， 松弛时间视温度而定， 温度越高， 松弛时间越短， 反之亦然。 在热定型机 上， 定型时间体现在造纸网的运行速度和在机时间上。 加热温度高时， 可采用较 快的速度。 3 .含湿率 某些高聚物纤维在干态和湿态的条件下的 定型效果有明 显不同。 在有水分参 与的热定型中， 水分能产生很大的 增塑效应， 即由于小分子水的 存在， 纤维大分 子的运动变得更容易。 可见， 在相同的温度下， 如果纤维含有一定的水分， 将加 速热定型的进行，或者说含湿状态将有利于改善热定形效果。这一点常被忽视。 4 .拉伸率 在热定型时， 对造纸网进行一定的拉伸， 除了可以达到需要的尺寸外， 而且 可以 改善纤维网的分布结构， 增加纤维沿纵向的分布， 这对提高造纸网的拉伸强 度和尺寸稳定性极为有利， 拉伸率的大小也决定于造纸网的 最终尺寸。 但拉伸率 过大， 将会产生新的高弹形变， 影响最终产品的尺寸稳定性。 此外， 张力的存在 会对分子链再折叠过程产生阻碍作用， 影响 其结晶度的提高。 张力越大， 需要的 定型温度也相应提高。 1 . 2 . 4热定型设备 专门用于热定型工艺加工的设备称作热定型设备。 当今国内的厂家使用的热 定形机大都是热空气对流式热定型机， 热空气对流是指将空气加热后， 用强力风 机把热空气吹向造纸网上表面，再在造纸网背面的相对位置安装强力吸风机抽 第一章 绪论 ， 迫使热空气从造纸网中穿过， 回 收再加热循环使用。 只要控制好热空气的温 ， 检测抽吸回来的空气温度， 对加热的温度进行调节， 加工的造纸网即可达到 吸度 最佳的定型状态。 沈阳造纸网厂使用的8 .5 米热定型机就是热空气对流式热定型机。 1 . 3控制系统设计 1 .3 . 1造纸网热定型机计算机控制系统模块设计 根据造纸网热定型的工艺原理， 我们不难看出， 造纸网的热定型过程是一个 复杂的过程， 造纸网的热定型是在很苛刻的条件下进行的。 定型效果取决于定型 温度、 时间和拉伸率， 根据原料的不同， 合理选择定型温度和时间相配合， 才能 达到理想的定型效果， 反之将会产生相反的作用。 考虑到沈阳造纸网厂的 具体情况， 我们总结出 造纸网 热定型的关键点: 首先， 造纸网的热定型必须在适当的温度下 ( 热定形最佳温度) 进行， 在热 定型的过程中要保持温度的恒定，否则难以达到预期的 定型效果。 其次， 在该温度下必须选用合理的定型时间， 使造纸网 纤维再结晶 完整， 这 就要求造纸网均匀受热，因而必须保持一定的速度运行。 最后， 造纸网的热定型必须经过拉伸和拉幅， 用以 消除纤维内 部的 应力和高 弹形变， 同时满足成形网的尺寸要求。 但是造纸网的拉伸和拉幅必须在一定的张 力范围内 进行， 张力不能过大， 否则造成成形网的 拉伸强度较小， 同时在热定型 的松弛阶段，必须保证在合适的张力下进行。 根据以上的三点要求， 我们分析出造纸网热定型机控制系统主要有下面几个 控制模块: 温度控制系统、 直流调速系统、 拉伸同步控制系统、 张力控制系统和 上位机监控系统， 而拉伸同步控制系统和张力控制系统是建立在直流调速系统之 上的。由 此，我们可以绘制出系统的模块结构图，如图1 - 3 : 热定型机计算机监控系统 温度控制系统日拉伸同步控制系统i i张力控制系统 直流调速系统 图1 - 3热定型机计算机控制系统模块结构图 第一章 绪论 1 . 3 . 2 原有热 定型机计算机控制系 统的 分析 沈阳 造纸网厂原有的热定形机控制系统由西安航空动力公司研制， 采用s t d 工业总线集中控制系统，其结构图如图1 - 4 所示。 在该计算机控制系统投人使用的 初期， 国内的 造纸行业对于聚酷网的 使用还 处于初级阶 段， 用户对于聚醋造纸网的 质量要求不高， 为该厂创造了较好的 效益。 随着造纸行业的快速发展， 聚醋网的优良性能逐渐被认识， 造纸行业对于造纸网 的用量显著增加， 同时用户对于造纸网的质量和品种提出了更高、 更多样化的要 求。 现有的 热定型机计算机控制系统， 已 经不能满足日 益变化的市场需求， 而且 随着设备逐渐老化， 也难以适用于新的定型工艺。 归纳起来， 原有热定型机计算 机控制系统，主要有以下几个缺陷: 1 .速度控制精度不高 新的生产工艺要求拉伸和拉幅速度的精度控制在0 .5 毫米级， 原有的直流调 速系统无法达到这个要求。 主要原因是最为速度反馈的编码器采样精度不高， 作 为速度控制输出的 d / a环节输出精度较低，速度控制算法简单，而且只有速度 闭环。 2 .张力控制系统一直处于振荡状态 原有的张力控制系统在造纸网热定型的生产过程中一直处于小幅度的振荡 状态， 造成成形的造纸网 质量难以 保证。 究其原因主要有两点， 一是控制元件的 精度较低， 一是张力控制控制算法较为简单， 仅为开关二元控制， 也就是说， 当 张力达到一定的设定值时就停车，而张力一旦小于这个值，就继续拉伸。 3 . 抗干扰性差 原有的控制系统采用s t d工业总线控制系统， 采用模拟量作为 输人输出 信 号， 缺乏必要的隔离保护， 造成系统的抗千扰性较差。 4 .系统难以 扩展 原有控制系统采用的s t d工业总线控制系统固有的缺点， 导致难于为系统 添加新的功能，以满足新的生产工艺和成品质量的要求。 1 .3 . 3全新的控制系统 造纸网 热定型的生产过程既 有温度控制， 也有过程控制， 这是一个混合型的 制造工业。 根据我们长期的项目 经验， 总结出适合这一类制造工业的控制模式共 有下面几种: 1 . i p c 十 p l c + ii 2 ，即 工业控制计算机+ 可编程序控制器十 智能仪表 2 .迷你型d c s ，即迷你型集散控制系统 3 .模块化控制系统 余铅年霉犷密 票 撰 串长叫比u 端俄裹绷恶礁嘟镇周日ql5招酬调滚星豁喇寸1困 编喊暴划招甚瑞侧 余希年招犷甚 鹰1地占棒侧蛆碧交 农日半留簇 朦 编吸拓城卞澳绷于瑕嘟镇日5 粼圳1 脂密田渺 与莎却蟾 串硕拿比一渊幸渊 蜜钾长握却蟾 串粼尔0、代 澎母软 第一章 绪论 4 . i p c 十 i r c ，即工业控制计算机十 智能调节控制器 5 . e i c一体化 6 .嵌人式控制 7 .现场总线控制新方案 8 . i p c总线控制系统 9 . s t d总线集中 控制系统 根据厂方的要求和现有的技术资料， 我们决定采用i p c + p l c + i r控制模式， i p c采用台湾研华公司i p c - 6 1 0 工业控制计算机 ( 配置p c a - 6 1 5 5 v母板) ， p l c 采用口 碑较好的o m r o n c 2 0 0 h g , i r采用欧陆公司的a l 8 0 8 智能仪表，直流 电机调速器为欧陆的5 9 0 直流驱动器。系统的框图结构见图1 - 5 . 我们设计的 i p c + p l c + i r模式的热定型机计算机控制系统摒弃了原有系统 的诸多缺点，主要优点如下: 1 .抗干扰性较好 系统采用的】 p c , p l c , i r 及5 9 0 直流驱动器都经过长期的工程使用， 证明 有较好的抗干扰性， 同时系统采用数字通讯方式和上位机联系， 也提高了系统的 抗干扰性。 2 .系统扩展性较好 新控制系统的i p c , p l c , i r和直流驱动器都可以 单独工作， 祸合度较低， 任何一台 设备停机， 其它设备都不受影响，因 而可以 很方便地替换损坏的 设备。 系统需要升级，只需替换掉相应的设备即可。 3 .系统运行稳定 i r采用专家智能p i d自 整定算法， 能够自 动辨识控制对象的特征参数，自 动整定p i d参数， 直流驱动器采用速度环和电流环双闭环控制策略， 电流环采用 自 适应控制算法， 直流调速系统响应快， 运行十分稳定。 4 .控制精度高 由 于采用了高效的控制算法和高精度的 控制元件， 系统的精度自 然提高了。 其中 值得一提的是张力控制系统， 我们采用了p - f u z z y - p i 控制算法， 取得了较 好的效果。 5 . 操作简单容易 新的 热定型机计算机控制系统的控制方式有两种: 用户既可以 使用上位机进 行监控， 又可以通过定制的操作台控制热定型工艺过程， 而且任何一种控制方式 都可以单独运行。 而且， 上微机监控系统提供的丰富的图形显示热定型机当前的 运行状态。 编吸藕口祠么国藕 蜜。半留簇 平瑕咪鹅粼蕊寸卜留 酬引钊| 田寒姗端吸层划辐抵七书侧调狡狱娜暴划国十。+曰，1困 巾最华招犷智 幽寸串留骤几幽 少铿喇积众二沸成骡食兰-臻镇半只米二相寸串拐豁宾翻垢侧 0曰dohs叫国q之0已芝0 华明劣哥一 招绷日。19口山1黔志 如寸招智瑞侧 少华牵娜 第二章 通讯协议和通讯链路设计 第二章 通讯协议和通讯链路设计 2 . 1通信协议选择 在分布式控制系 统中， 上位机和下位机的连接是必须解决好的间题， 一般地， 上下位机的连接可以 采用并行方式、 串行方式和通讯控制器方式， 并行连接方式 传输速度快， 每次传输8 位数据， 但当 进行远距离传输时， 布线成本会大大提高， 传输的可靠性也会下降， 因此采用并行连接方式在分布式计算机控制系统中很少 采用， 而大多采用串行连接方式或通讯控制器方式。 目 前广泛采用的串行通讯协 议有r s - 2 3 2 , r s - 4 2 2 和r s - 4 8 5 等， 下面将介绍几种串 行通讯方式的特点. 2 . 1 . 1 r s - 2 3 2 c总线 r s - 2 3 2 c 是一种串 行通信总线标准， 是数据终端设备 ( d t e ) 和数据通信设 备 ( d c e ) 之间的接口 标准，由 美国电子工业协会 e i a公布， r s即推荐标准 ( r e c o m m a n d e d s t a n d a r d ) . r s - 2 3 2 c 标准包括机械指标和电气指标， 机 械指标规定: r s - 2 3 2 c 接口 通向 外部的连接器是一种“ d 型保护壳插头， 有2 5 针的 ( d b - 2 5 ) 和9 针的 ( d b - 9 ) ， 其引脚信号具体定义如下: d b - 9 引脚信号: 引脚功能 1数据载波检测d a t a c a r r i e r d e t e c t ( i n ) 2数据接收r e c e i v e d d a t a ( i n ) 3数据发送t r a n s m i t t e d d a t a ( o u t ) 4数 据 终 端 就 绪d a ta t e r m i n a l r e a d y ( o u t ) 5信号 地s i g n a l g r o u n d 6数据 设备就 绪d a t a s e t r e a d y ( i n ) 7请求 发 送r e q u e s t t o s e n d ( o u t ) 8清除发送c l e a r t o s e n d ( i n ) 9振铃 指 示r in g i n d i c a to r ( i n ) d b - 2 5 引 脚信号: 引脚功能 2数据发送t r a n s m i t t e d d a t a ( o u t ) 3数据接收r e c e i v e d d a t a ( i n) 4请求发送r e q u e s t t o s e n d ( o u t ) 第二章 通讯协议和通讯链路设计 5清除发送c l e a r t o s e n d ( i n ) 6数 据 设备 就 绪d a t a s e t r e a d y ( i n ) 7信 号 地s i g n a l g r o u n d 8数据载波检测d a t a c a r r i e r d e t e c t ( i n) 2 0数 据终端就 绪d a t a t e r m i n a l r e a d y ( o u t ) 2 2振铃指示r i n g i n d ic a t o r ( in) 其余空 ( 不常用) r s - 2 3 2 c串 行通讯协议有 1 个起始位， 5 - 8 位数据位，1 个奇偶校验位，1 个或1 .5 个或2 个停止位， r s - 2 3 2 c串口 的 传送距离为1 5 米， 在波特率较低时， 距离可以远一些。 一般地， 两个标准的r s - 2 3 2 c串口 互联时，只 需三根线，即: 数据发送、 数据接收和信号地，当有特殊要求时， 需连多根线，如下图所示: 图2 - 1 d b 一串口 的 简单连接 r s - 2 3 2 c由于发送器和 接收器之间具有公共信号地， 不可能使用双端信号， 因 此公共噪声会藕合到系 统中， 这是迫使r s - 2 3 2 c 使用高传输电 压的主要原因。 总之， r s - 2 3 2 c总 线缺点很明显， 它适合于传输距离较短、 对于数据传输率要求 不高的 场合。 在本系统中， 上位机和p l c以 及5 9 0 直流驱动器之间的通讯就采 用r s - 2 3 2 c总线， 主要考虑到设备和上位机之间的距离较短 ( 不超过 1 0 米) ， 而且上位机主要不用于实时的监控， 对于数据传输率没有很高的要求。 2 . 1 . 2 r s - 4 2 2 ( 4 8 5 总线 r s - 4 2 2 / 4 8 5 总线 克服了r s - 2 3 2 总 线的 缺点， 它采 用双 线差动传输， 在多点 平衡总线上， 最大传输率为i o m b p s 。 采用差动传输， 便于隔离， 它有较宽的 共 模电压范围，因此具有很强的抗干扰能力，适合远距离传输，在波特率为 1 0 0 k b p s ， 传输距离为 1 .2 k m。由 于具有以 上优点， r s - 4 2 2 / 4 8 5串口 协议已经 在工业控制计算机、 可编程控制器和智能仪表上被广泛地采用。 研华i p c - 6 1 0 工 控机母板上的c o m 2 串口 可以 通过跳线设置通讯方式为r s - 2 3 2 , r s - 4 2 2 , r s 4 8 5 三者之一。 我们所采用的a l 8 0 8 智能仪表通讯协议为r s - 4 8 5 串 行通讯协议， 而 且考虑到上位机和仪表之间的距离较远， 所以 上位机和智能仪表之间通讯采用 r s - 4 8 5 协议。 r s - 2 3 2 , r s - 4 2 2 , r s - 4 8 5 通讯协议各项指标比 较如下表: 第二章通讯协议和通讯链路设计 表2 - 1 r s - 2 3 2 . r s - 4 2 2 . r s - 4 8 5 串行接口 标准比 较 特征参数 rs - 2 3 2 crs - 4 2 2rs 一8 5 工作模式 单端发 单端收 双端发 双端收 双端发 双端收 传输线上允许的驱动 器和接收器数目 1 个驱动器 1 个接收器 1 个驱动器 1 0 个接收器 3 2 个驱动器 3 2 个接收器 最大电 缆长度 1 5 m 1 2 0 0 m1 2 0 0 m 最大速率 2 0 k b / si o m b / si o mb / s 驱动器输出 ( 最大电压) 公 5 vt 6 v一v -+ 1 2 v 驱动器输出 ( 信号电平) 1 5 v带负载 1 1 5 v未带负载 土 2 v带负载 1 6 v未带负载 土 1 .5 v带负载 1 5 v未带负载 驱动器负载阴抗 3 k s 2 - 7 k 仓1 0 0 05 4 仓 驱动器电源开路电流 ( 高阻抗态) v m a x / 3 0 0 f j ( 开路) 土 1 0 0 1 a( 开路)士 1 0 0 1 a( 开路) 接收器输人电压范围 士1 5 v 11 2 v- 7 v-+ 1 2 v 接收器输人灵敏度 t 3 vt 2 o 0 mv t 2 0 0 mv 接收器输人阻抗 2 k t -7 k i j4 w m1 2 k 仓 1画 2 . 1 3多串口卡 由 于工控机系 统串 行通讯端口 数目 较少，我们在这个项目 中 选用了 m o x a 公司的c p 1 6 8 多串口 卡， 提供多达8 个串行连接端口。 该卡可以 非常方便的安 装和配置，在此不做过多的介绍。 2 . 2上位机和下位机通讯实现 2 .2 . 1 智能仪表a l 8 0 8 和上位机的 通讯 1 . 智能仪表和上位机连接方案选择 a l 8 0 8 智能仪表和上位机通讯采用r s - 4 8 5 串行通讯协议， a l 8 0 8 智能仪表 本身配有r s - 4 8 5串 行通讯端口。 上位机一般带有r s - 2 3 2串 行通讯端口，没有 r s - 4 2 2 / 4 8 5 通讯端口， 要实现上位机以r s - 4 2 2 / 4 8 5 方式进行通讯， 有两种方法: 第一种方法是对现有的r s - 2 3 2 c 通讯端口 进行转换，即 通过1 4 8 8 , 1 4 8 9 , 7 5 1 7 4 , 7 5 1 7 5 芯片进行r s - 2 3 2 到r s - 4 2 2 的电平转换，其结构图如图2 - 2 0 第二章 通讯协议和通讯链路设计 图2 - 2 r s - 2 3 2 到r s - 4 2 2 1 4 8 5 电平转换图 这种转换原理简单， 但是实施起来比 较麻烦， 要在机器外部做一些连线。 同 时这种转换方式需要本机占 用一个r s - 2 3 2 串口， 在系统串口 资源比 较紧张的 情 况下不宜采用。 第二种方法是直接使用串口 扩展卡。 使用串口 扩展卡可以 缓解机器串口 资源 紧张的 状况， 同时还可以提供更高的可靠性。 在本课题中， 我们购买了台 湾研华 公司的p c - 7 4 5 双口r s - 4 2 2 / 4 8 5 通讯卡， 下面介绍其特点及使用: ( 1 ) p c l - 7 4 5 的特点 提供两个独立的r s - 4 2 2 / 4 8 5 通讯端口 3 0 0 0 v直流电压隔离 2 5 0 0 v直流电压电涌保护 最大传输率9 2 1 . 6 k b p s v 0地址和中 断可选 支持双线或四 线连接 ( 2 ) p c l - 7 4 5 使用简 介 使用板卡本身的s w1 ( 多位拨码开关) 和s w2( 多位拨码开关) 可以为两 个通讯端口 分别设置v 0地址， 将两个串口 设成本机的c o mi - c o m 4 ， 但要防止 地址冲突。 通过设置跳线j p 1 和j p 2 可以为两个通讯端口 选择中断号， 也要注意 避免中 断冲突。 通过设置跳线j p 6 和j p 9 分别设定两个通讯端口 采用的通讯协议， 该板卡支持r s - 4 2 2 和r s - 4 8 5 两种通讯协议。 p c l - 7 4 5 的 安装十分简单， 只需插在工控机空闲的i s a插槽上， 然后为板载 的两个通讯端口 设置正确的v o地址和中断号即 可。 p c l - 7 4 5 两个通讯端口 采用 d b 9 型插口， 其引脚信号定义见表2 - 2 : 表2 - 2 p c l - 7 4 5 通讯卡端口 引 脚信号 引 脚 功 能一 说 崩 t x + ( d a t a + ) r x十 rx- gnd 发送负 发送正 接收正 接收负 公共地 第二章通讯协议和 通讯链路设计 rl s - rl s + cts + cts - 请求发送正 请求发送负 清除发送正 清除发送负 采用r s - 4 2 2 通讯协议时， 需要四根连线 ( 1 , 2 , 3 , 4 ) ， 为全双工通讯方式。 采用r s - 4 8 5 通讯协议时， 需要两根连线 ( 1 , 2 ) ， 为半双工通讯方式。 2 .智能仪表和上位机连接框图 在本课题中， 智能仪表和上位机的通讯协议为r s - 4 8 5 ， 其连接框图如图2 - 3 : 图2 - 3智能仪表与上位机连接框图 3 .数据通讯协议 智能仪表和上位机之间的数据传输方式为半双工方式， 采用主从式的查询方 式采集数据， 上位机作为主机， 发送查询请求， 智能仪表作为从机响应主机的 数 据查询请求。 它们之间采用简单的 请求一 发送协议进行协商。 每一个智能仪表都 有一个唯 一的 地址码， 范围为0 0 - 9 9 , 智能仪表的参数采用两位a s c ii 字符表示。 协议帧格式如下: ( 1 ) 上位机读数据命令帧格式 e o t 通 讯 地 址 参 数 标 识 e n q ( 1 ) 下位机数据应答命令帧格式 二 参 数 标 识 参 摊 e t x b c c ( 2 ) 上位机写数据命令帧格式 e o t 通 讯 地 址 s t x 参 y 识 参 数 值 。 b c c ( 3 ) 下位机写数据应答 如果下位机写数据成功， 则返回a c k ， 否则返回n a k . 需要说明的是， 命令帧格式中 通讯地址前两位数为仪表地址第一位数的 重复， 后两位数为仪表地址第二位数的 重复。 参数名称为两位a s c ii字符， 代表特定的 通讯参数， 详见a l 8 0 8 技术手册。 4 .上位机串口 设置 ( 1 ) 起始位:1 位 ( 2 ) 数据位:7 位 第二章 通讯协议和通讯链路设计 ( 3 ) 校验: 偶校验 ( 4 ) 停止位:1 位 2 . 2 . 2 5 9 0 直流驱动器和上位机的通讯 欧陆的5 9 0 直流驱动和上位机通讯可以采用r s - 4 8 5 通讯板，但这是可选配 件， 而且价格较为昂