（机械制造及其自动化专业论文）折页机预置系统的自动控制设计.pdf

摘要 摘要 本文以混合式数字化折页机预置系统为研究对象，从总体方案确定、硬件 设计、软件设计和系统调试等几个方面展开了对混合式折页机预置系统的自动 控制研究。从实际工作流程出发，建立了上下位机的控制模式，以i p c 机为上 位机，数台p l c 为下位机的小型集成系统。 首先，阐述了系统的总体设计。通过对比分析集散控制系统和计算机集中 控制系统各自的特点及使用范围，确定本论文的总体设计方案。该系统总体方 案基于集散控制系统的思想，以集中管理和分散控制为指导原则，选用i p c 和 p l c 构成上下位机的结构形式，从而实现系统控制目标。 其次，介绍了系统硬件设计选用。硬件部分包括上位机设计选用、下位机 设计选用、通信硬件设计选用、传感器选型、步进电机选择、电源的选择和设 计以及系统硬件连接。 通过比较工控机和品牌个人电脑的特点和性能，以及本系统的实际工作环 境和工作要求，决定选工控机作为本系统的上位机。 下位机的功能主要是完成定位控制，考虑到现场控制所受的干扰大，并且 系统控制精度要求较高，通过对比分析选用日本三菱公司的f x l s 系列的p l c ， p l c 的高可靠性可以很好地满足控制要求。 上下位机的通信硬件选用基于r s 2 3 2 r s 4 8 5 的串口通讯，下位机p l c 之间 通信硬件选用三菱公司的f x l 。- 4 8 5 b d 型通讯模板。 从控制精度和感应灵敏度出发，传感器选用霍尔接近型传感器。 参考国内外预置系统的控制，选择了步进电机作为本系统的执行装置。步 进电机选择了优点突出的c r k 系列的五相步进电机。 电源选择和设计，主要是指驱动器、驱动器输入电压、p l c 、传感器等电 源的选择和设计。 再次，论述了系统的软件设计。首先从混合式折页机折页原理、机械结构 出发，确定了1 4 种标准折页模式，并分别给出了各个模式的折页方法、参数大 小。通过折页模式的确定，进行上位机系统的软件设计，主要包括了界面设计 和程序设计两部分。下位机软件设计是p l c 梯形图设计。 最后，介绍了系统的现场调试，通过对各种折页模式输出纸张实际尺寸的 测量数据进行系统性能分析。 关键词折页机；预置系统；上下位机；自动控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t st h er e s e a r c ho fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fc o m p o s i t e f o l d e rp r e p o s i t i o ns y s t e mi nt e r m so fg e n e r a ls y s t e md e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g n ， s o f t w a r ed e s i g na n ds y s t e md e b u g g i n ge r e i te s t a b l i s h e sac o n t r o lm o d e lo f d c p l cf o r mt h ep r a c t i c a lw o r kf l o w , i ti sas m a l li n t e g r a t e ds y s t e mo fi p c h i 曲 c o m p u t e ra n d af e wp l c l o wl e v e lc o m p u t e r s f i r s t l y , g e n e r a ls y s t e md e s i g n ，t h eg e n e r a ld e s i g ns c h e l n ei sd e f i n e db y c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e ma n dc o n c e n t r a t e dc o n t r o l s y s t e mb yc o m p u t e ri np r o p e r t i e sa n du s i n gs c o p e s i ti sb a s e do nt o t a ld i s t r i b u t e d c o n t r o lt h o u g h ta n dd i r e c t e do nd i s p e r s e dc o n t r o la n dc o n c e n t r a t e dm a n a g e m e n t a n di sb ys t r u c t u r em o d e lo fh i 曲l e v e la n dl o wl e v e lc o m p u t e rt o a c c o m p l i s h s y s t e mc o n t r o lg o a l s e c o n d l y , h o wt oc h o o s eh a r d w a r es y s t e m ，h a r d w a r ei n v o l v e st h ec h o i c eo f h i 曲l e v e la n dl o wl e v e lc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o nh a r d w a r e , s e n s o r , e x e c u t i n g f i t t i n g , p o w e rs u p p l ya n ds y s t e mc i r c u i td e s i g n i ti sd e t e r m i n e dt ou s ei n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e rc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c w i mt h ei n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e ra n dp e r s o n a lc o m p u t e ra n dt h ew o r kc o n d i t i o n a n dr e q u i r e m e n ta b o u tt h i ss y s t e m t h ef u n c t i o no ft h el o wl e v e lc o m p u t e ri st oe x e c u t et h ec o n t r o l ，c o n s i d e r i n g g r e a td i s t u r b a n c eo nt h es p o ta n dh i f 咖- p r e c i s i o nr u q u i r m e n t , f x 1ss e r i e sp l cm a d e i nj a p a ni su s e db yc o m p a r e ，w h o s eh i 班r e l i a b i l i t ym e e t st h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s t h es y s t e mo ft h er s 2 3 2 一r s 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni sc h o s e na st h e c o m m u n i c a t i o nh a r d w a r eo ft h eh i g l la n dl o wc o m p u t e r , t h em o d e lo f f x ls 一4 8 5 一b do ft h em t i s u b i s h ic o m p a n yi sc h o s e na st h ec o m m u n i c a t i o n h a r d w a r ea m o n gt h el o wc o m p u t e r s 弧eh a l lp r o x i m i t ys e n s o ri sc h o s e na st h es e n s o ro ft h es y s t e mb e c a u s eo fi t s 1 1 i 曲p r e c i s i o na n dd e l i c a c y w ec h o o s et h es t e pm o t o ra st h ee x e c u t i n gf i t t i n ga c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lo f o v e r s e a sp r e p o s i t i o ns y s t e ma n dt h e nt h ec r ks e r i e ss t e pm o t o ro fi sc h o s e n b e c a u s ei t so u t s t a n d i n gm e r i t 1 1 1 ep o w e rs u p p l y sc h o i c ei n v o l v e st h ec h o i c eo ft h ed r i v e , t h ei n p u t t i n g v o l t a g eo f t h ed r i v e ，p l ca n dt h es c i s s o r t h i r d l y , s o f t w a r ed e s i g n a b o v ea l l ，b a s e do nt h et h e o r yo ff o l d e ra n dt h e s t r u c t u r eo fm a c h i n e ，1 4m o d e l so ff o l d e ra r cc o n f n r n e d , t h ep a r a m e t e ra n dt h e f o l d i n gm e t h o do fe a c hm o d ea r eg i v e n t h e n 、阳d e s i g nt h es o f t w a r eo ft h eh i g h c o m p u t e ra c c o r d i n gt ot h ef o l d i n gm o d ei sc o n f i r m e d , i tm a i n l yi n v o l v e sm e n u d e s i g na n dp r o g r a md e s i g n t h es o f t w a r ed e s i g no fl o wc o m p u t e ri st h el a d d e r d i a g r a md e s i g no ft h ep l c f i n a l l y , w ei n t r o d u c et h ee x p e r i m e n td e b u g g i n go ft h es y s t e m , a n da n a l y z et h e c a p a b i l i t yo ft h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h em e t r i c a ld a t e so ft h eo u t p u t t i n gp a p e ro f e v e r yf o l d i n gm o d e l k e yw o r d sf o l d e r ；p r e p o s i t i o ns y s t e m ；h i 曲a n dl o wc o m p u t e r ；a u t o m a t i cc o n t r o l l i 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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：拗绉日期：硅盟丝至堑 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 课题主要来源于与北人集团的合作研究项目。在合作开发下位机控制系统 的同时自主开发了上位机的通信连接功能。 折页机是一种将印刷后的纸张按照印刷排版秩序、开本的大小进行机械折 页的设备。将印刷好的大幅面书页，按照页码顺序和开本的大小，折叠成书贴 的过程，叫做折页【l 】。在书籍制作过程中，书帖、衬页、封面、插页等的制作 需要进行折页。对于单张结构的印刷品，如游览图、说明书等也需要进行折页， 折页是装订工作的第一道工序，是装订的基础。折页的方法有手工折页和机器 折页两种。随着装订机械化程度的提高，手工折页在书刊印刷厂中用得越来越 少，目前只有印数较少的书籍、零头书页、尾数补救、返修，还有一些特殊折 法的书帖要用手工柬完成口圳。机器折页是把待折的印张按照贞码顺序和规定 的幅面，用机器折叠成书帖。目前常用的折页机都是由给纸装置、折页机构和 收帖机构三个部分组成h 】，其中折页机构是将给纸装置输送来的印制贞按开本 的幅面，依页码顺序折叠成书帖。 北人折页机所示结构先进，制造精密，占地面积小，折页速度快，操作维 修方便。它适合于进行各种十字折、平行折及其混合折大批高速生产。它是印 刷厂装订车间必不可少的重量设备。北人折页机是目前国内接近国际先进水平 的一种机型。预置机构是折页机中的一种重要结构，它有侧挡规( 如下图l 一1 ) 和垂直挡规( 如下图1 2 ) 两种。两种挡规的作用各不相同，垂直挡规的作用是 挡纸、定位，使纸张依规定准确定位，侧挡规的作用是使纸张在侧规处横向定 位并被平稳地输送到折页输纸辊内，即起横向齐纸定位的作用。 图1 1 侧挡规 f i 9 1 1 t h es i d e b a f f l e 围1 也垂直挡规 f i g1 - 2 t h o 9 9 h t b a f f l e 北京工业大学工学硕十学位论文 一 ! i i 鼍 “广泛采用自动化、连续化的设备和手段，逐步改变以手工加工、半机械 化生产的落后状况，从根本上提高最终产品的质量和生产效率，并力争达到国 外先进国家的一般水平”【5 】的2 8 字方针中“自动化、提高效率”是其中的重点。 现阶段北人折页机的预置机构移动采用手动控制，多求助于操作人员的技巧， 而且工作准备时间较长。手动控制具有操作不方便、定位不准确等缺点，已经 远远达不到北入集团使折页机达到国际先进水平的愿望。 本课题的任务就是把北人集团型号为z y h 6 7 0 c 的对开混合式折页机预置 机构原来的手动控制改为自动控制，实现折页机预置机构控制的自动化，能很 大程度的提高折页机的工作效率。该方案实现了折页机预置机构运动的自动化 要求，在国内尚属首例，填补了国内空白，具有一定的现实意义。 1 2 国内外研究现状 为适应短版印刷按需印刷及个性化印刷需求的快速发展，1 9 9 5 年由四十多 家国际著名印刷设备制造企业及经销商发起成立了c i p 3 组织( 印前制版、印刷 及印后加工集成化国际合作组织，后发展为c i p 4 组织) ，该组织的宗旨是致力 促进数字化印刷设备及数字化印刷工作流程技术的研发与实用化，实现印品印 前、印刷及印后加工过程的自动化和数字化集成控制，进而推动整个印刷行业 向着交活期更紧、作业周期更短的方向发展。近年来，国外在计算机直接制版 机( c t p 制版机) 、数字化印刷机、数字化印后加工设备及数字化印刷工作流程 技术方面已发展成熟，并开始提供实用化的数字化印刷设备，具有网络数字化 控制功能的印前、印刷和印后加工设备在国外已进入行业应用阶段。与国外相 比，国内数字化印刷设备的研发还处于起步阶段，技术水平与国外相比差距较 大，短期内尚不能提供同类产品，数字化印刷设备的国内市场份额全部被海德 堡、曼罗兰、利优比、斯塔尔公司等国外公司的产品所垄断。与此同时，国内 印刷行业对数字化印刷设备的需求却呈现出不断增长的趋势。进一步提高国产 印刷设备的自动化程度，开发基于网络环境的数字化印刷工作流程并实现印前、 印刷和印后加工设备的数字化集成控制已成为国产印刷设备的发展方向。 折页加工是印后加工的最重要环节之一，其特点是工序复杂、人工干预环 节多、设备的调整和准备时间长，属于印刷品全加工过程中的低效率环节。为 满足印刷行业发展对新型折页设备的需求，近年来国外公司陆续向市场推出了 适用于不同企业规模、功能各具特点的折页机产品，这些产品呈现出两个重要 的技术特征，其一是自动化程度高，能显著减少人工干预环节和设备的调整准 备时间、降低劳动强度并大幅度提高生产效率。其二是可通过网络资源及数字 化印刷工作流程与印前和印刷设备集成，在高自动化的基础上实现折页机的远 程数字化控制和管理。 第1 章绪论 曼曼曼曼皇曼鼍曼基i i。 i i 皇曼舅皇曼曼曼曼曼曼皇 国外较重要的折页机生产厂家有斯塔尔公司( 德国) 、m b o 公司( 德国) 和正荣公司( 日本) 等，其折页机产品在机械系统方面的共同特点是整机结构 紧凑，各功能部件运行平稳、可靠性高，并能以折页单元、给纸器及收帖器等 为基本模块根据用户的实际需求灵活配置。在控制系统方面，主要采用了总线 控制、纸张预置、在线监控、变频调速、人机交互等技术，对于网络化控制机 型还采用了符合c i p 3 标准和j d f 规范的数字化工作流程接口技术，进而可实 现折页机的远程设定和在线调整。为满足不同的用户需求，目前向市场提供的 产品主要有两大类。一类为高自动化单机，主要面向单机需求型用户；另一类 是网络数字化控制机型，主要面向印前、印刷和印后加工设备数字化、集成化 控制和管理的大中型印刷企业。这两类机型均具有很高的自动化程度并可根据 作业需要通过纸张预置功能自动组配参加工作的折页单元并对其运动进行控 制，从而实现纸张运动路径的自动设定与调整。对于网络控制机型，则是在高 自动化控制功能的基础上增加了网络通讯功能，配置了数字化工作流程接口以 实现远程指令的交互与解释。以斯塔尔公司k d 7 8 ( 栅栏、电控折刀混合配置 型) 折页机为例，该机型的控制系统由中央数字控制系统及给纸、收帖系统的 子控制系统组成，各系统之间的数据传输由c a n 总线实现。系统内置纸张预置 功能软件模块，该模块贮存有8 1 种常用折页模式，选定折页模式及纸张规格后 即可自动组配参与工作的折页单元、设定走纸路径上的各种前、侧挡规的位置， 进而完成折页工作。此外，还可经数字化流程接口并通过数字化印刷工作流程 远程设定、调整折页机参数并组配、控制折页单元完成折页加工。 国内折页机的主要生产厂家有湖南新邵公司、上海紫宏公司及北人力顺公 司等 6 - 9 ，生产的折页机产品种类比较齐全，可基本满足国内市场需求并有部分 产品出口到国外。国产机型与国外产品的最主要差距体现在自动化程度的高低 及网络数字化控制功能方面，国产折页机也采用了p l c 控制、在线监控、变频 调速、触摸屏人机交互等技术，实现了给纸系统、电控刀自动控制，并具有脉 冲频率显示与设定、累加及批量记数、纸张长度、纸间距设定、主电机转速显 示与调整以及检测监控等功能，但由于不具备纸张自动预置功能，未开发和配 置数字化工作流程接口，设备的调整准备时间长、工作效率低，致使国产折页 机在国际市场的竞争力较弱、技术附加值低、出口国外的折页机基本属于中低 端产品。因此，提高国产折页机的自动化水平、开发出全自动折页机产品，实 现基于网络的数字化控制是促进国产折页机发展所面临的主要问题；而纸张自 动预置技术的研发及应用则是进一步提高折页机自动化水平的关键，同时也是 实现折页机网络数字化控制和管理的必备条件。 国外折页机价格较比国内要搞好几倍，所以生产具有市场竞争力的国内产 品势在必行。但随着时代的进步，国内印刷上正面临着越来越短的成品周期和 北京工业大学工学硕士学位论文 越来越高的折页精度，所以自动化程度的提高显得尤为重要。 1 3 折页机的发展趋势 为迎合印刷市场的高速发展，全球主要装订设备生产商以实现活件从印前 到印后的无缝转换为目标，都推出了高自动化的折页设备及适应c i p 3 c i p 4 标 准的折页机生产线【1 0 1 。这些高端折页设备大多具备以下4 个共同特征1 。 ( 1 ) 操作界面更友好，设置方式更便捷。 ( 2 ) 标准化作业的智能化设置，标准化作业的自动设置功能是现代折页设备 的另一个主要特征。 ( 3 ) 与c i p 3 c i p 4 标准相贯通，装订环节中，除切纸机外，c i p 3 c i p 4 标准 很少被成功应用，但是目前已有许多新型折页机正在逐步适应这项标准。 c i p 3 c i p 4 标准将被广泛应用在印后加工流程中，使印前、印刷、印后三大环 节得到最大程度的整合。目前，控制系统可通过网络实现折页机与印前及印刷 设备之间的信息传递；另外，能够直接输出印后加工信息。 ( 4 ) 联机加工功能增多，简单的平行折只能满足市场的一般需要，随着按需 印刷和个性化印刷需求的不断增长，越来越多的印刷企业开始投资带有各种联 机加工能力的折页设备，即在折页的基础上，增加压痕、穿孔、纵切、上胶、 喷墨印刷等工序，以扩大企业的业务范围，减少外加工业务量，降低生产成本， 缩短生产周期。另一方面，客户以电子方式递交p d f 格式文件的业务量增大， 在缩短生产周期，提高经济效益的基础上，也需要投资多功能的印后加工设备。 具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 控制系统 折页机上有多种控制器可供选择，能够自动测定纸张规格，计算吸气长度 和走纸间距，并可对印张的输送过程实施电子监控。控制系统整合了操作系统、 维护诊断系统和多功能批量计数器三大功能。其中，批量计数器的功能可以延 伸到生产监视和报表制作中，自动计算和优化折刀的让刀量，并对折刀进行调 整。 ( 2 ) 作业准备系统 作业准备系统可对折页作业进行自动设置，大幅缩短了作业准备时间。其 主要功能有：自动设置栅栏板；内置多种标准折页方案和多种用户自定义折页 方案；用于设置栅栏板、纵切分纸轴、走纸间距的电子化操作指南；通过终端 和监视器即可完成所有操作。 ( 3 ) 触摸式可视控制系统【1 2 1 触摸式可视控制系统为微处理器控制系统，将机器控制、生产监视和机器 调整三大系统集成为一个控制管理系统。计数器功能、图像操作模式、大幅面 第1 章绪论 折叠插页控制以及r a p i d s e t 系统全部整合在该系统中。 操作员可对机器进行监视控制，并能查阅以p d f 格式存储在系统中的操作 手册、零部件目录、电路图等相关技术资料。而且，还能对较复杂的折叠作业 以简单的方式进行最快速的设置，根据屏幕的提示内容，通过控制面板确定折 页方案，然后输入纸张规格，最后由后台智能化系统对整个机组的速度、纸张 间隙、吸气长度等进行计算和优化设置。 系统中的“实时活件数据”可用于安排、监视和检查每天的生产情况。在 当前的活件进入正常运转以后，可对下一个活件数据进行预置。生产数据返回 系统后，可用于精确核算活件的生产成本，并由此计算出后续工序所需的生产 时间。活件加工完成后，可将实时统计数据发送到硬盘存储器储存，也可通过 电子邮件发送到任何一个地方。在生产过程中，可通过终端，对所有折页设备 进行设置，最大程度地减少停机时间。 通过触摸式可视控制系统，可以采用多种方式创建活件文件，对于再加工 活件可以从数据库中直接读取：对于新活件，可以从设计中心输出、从内存折 页方案目录中选取或从数字化工作流程中获取，也可通过外部光盘或电子邮件 提取。 数据管理器还是一个可用于远程访问和控制的开放式数据库管理系统，建 立在w i n d o w s 操作平台上。利用数据管理器软件，可将m b o 折页机集成到一 个与c i p 3 c i p 4 和j d f 兼容的工作流程中，实现办公室的电脑终端与装订车间 的多台折页机之问的连接。通过j d f 技术或专用的网络，可视控制系统还能与 设备进行对话，交换来自系统或印前环节的活件数据和预设数据。例如，可接 收来自克里奥s y n a p s eu p f r o n tp l a n n e r 排版软件的活件设置指令。这种可视控 制系统是折页机中最先进的作业监视控制系统。 1 4 课题的主要研究内容 基于国内折页机自动化程度不高的现状，本课题以工控机作为上位机，三 菱p l c 作为下位机主控制器对折页机纸张预置机构进行自动控制，因此研究的 重点主要放在以下几个方面： ( 1 ) 系统总体方案的设计及选用 通过各种控制方案的比较，结合国内外自动预置折页机的经验，选择出一 种最适合的自动控制方案。 ( 2 ) 硬件选择和设计 硬件设计选择和设计主要包括：上位机的选用，p l c 的选择，通信元件的 选择，传感器的选择，电源的设计，步进电机驱动器，步进电机以及各种硬件 的组装设计等几部分。 北京t 业大学工学硕七学位论文 ( 3 ) 上位机界面的设计和程序编写 上位机的界面要美观、实用、功能齐全，下位机程序要准确。由于v b 编 程语言简单易懂，所以上位机界面和程序编写采用v b 编程语言。 ( 4 ) 下位机p l c 选用和编程 下位机选用日本三菱公司生产的p l c ，三菱f x 系列p l c 具有扫描速度快， 结构紧凑，价格低廉以及具有标准化和模块化便于编程开发等诸多优点。 下位机程序采用梯形图形式，p l c 梯形图设计采用三菱公司开发的 w i n d o w s 环境下编程软件g x - d e v e l o p e r 中文版进行编写。程序主要包括程序的 初始化编程、回零编程、自动控制编程以及手动控制编程。在p c 机上通过软 件g x - d e v e l o p e r 进行编程，然后把编写好的程序通过s c 0 9 编程电缆写入指定 的p l c 即可。 ( 5 ) 上下位机通信方案的选用及编程 上下位机串行通信程序是微机监控软件中基础、关键的一个环节。我们使 用v b 的通信控件m s c o m m ，通信程序都应该包括下列几部分：异步通信口初 始化，使上位机设置通信口参数与p l c 的上位链接单元设置的通信参数一致； 构成符合三菱专用通信协议格式要求的命令帧；编制校验码子程序，供调用； 解读响应帧；根据响应码进行出错处理。 ( 6 ) 实验调试 实验调试主要包括实验室调试和现场调试两部分组成。实验室调试首先通 过p l c 串口通信调试进行p l c 程序的调试，下位机程序调试完毕后即可和上 位机程序进行调试。现场调试主要是机械联调的调试。 1 5 研究目标 ( 1 ) 自主开发一个使用方便、与下位机能够正常通讯连接、界面美观的上位 机程序。 ( 2 ) 设计一套实现自动预置功能的下位机系统，并在实验室通过调试，并把 下位机部件合理地安置在电器柜中。 ( 3 ) - 与f 家进行机械联调，达到预期的要求。 1 6 拟解决关键问题 ( 1 ) 折页模式的预设，上位机系统的界面设计和程序开发。 ( 2 ) 下位机系统的软件设计和上下位机通讯开发。 ( 3 ) 系统硬件选型和设计。 ( 4 ) 机械联调过程中遇到的其他问题。 第2 章控制系统的总体方案设计 皇皇曼曼曼量曼鲁量鼍曼量曼量喜量量曼曼皇蔓喜曼鼍曼曼曼曼鼍i 昌：i _ i i 量曼量曼曼鼍曼曼曼曼量曼曼舅舅曼量曼皇曹量 2 1 方案对比 第2 章控制系统的总体方案设计 方案对比主要是控制方案和通信方案的比较。通过方案的对比，总结出最 合适本系统的控制系统方案和通信方案。 2 1 1 控制系统方案 结合国外的折页机的自动控制系统，通过比较和总结，适合本系统的控制 系统主要是计算机控制系统和集散控制系统两种控制系统的，两种控制系统的 详细说明如下所述。 2 1 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大部分组成。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。这些功能是由检测变送 装置、控制器、和执行装置来完成的。控制器是控制系统中最重要的部分，它 从质和量的方面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【1 5 1 ，其框图见图2 一l 。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自动控制系统 一样，也有开环和闭环两种。 计算机 被控值 图2 一l 计算机控制系统基本框图 f i g 2 - 1t h eb a s i cp i c t u r eo f c 删m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 控制系统中引进计算机，就可以充分运用计算机强大的计算、逻辑判断和 记忆等信息加工能力。只要运用微处理器的各种指令，就能编出符合某种控制 规律的程序。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产生的，改变控制规律就要 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为数字信号的d 转换器，以及将数字信 北京r 丁业大学工学硕十学位论文 号转换为模拟信号的d a 转换器。 计算机控制系统，从本质上来看，它的控制过程可以归结为以下三个步骤 【1 6 】： ( 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，并按以定的控制规 律，决定迸一步的控制过程。 ( 3 ) 实时控制根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。 上述过程不断重复，使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做出迅速处理。 2 1 1 2 集散控制系统 ( 1 ) 集散控制系统的基本概念 集散控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是以微处理器为基础的集 中分散控制系统【嘏。自7 0 年代中期第一套集散控制系统问世以来，集散控制系 统已经在工业控制领域得到了广泛的应用，越来越多的仪表和控制工程师都已 经认识到集散控制系统必将成为过程工业控制的主流，在计算机集成制造系统 c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 或计算机集成作业系统 c i p s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) q b ，集散控制系统将成为主角，发 挥它们的优势。 集散控制系统的主要特性是它的集中管理和分散控制。而且，随着计算机 技术的发展，网络技术已经使集散控制系统不仅主要用于分散控制，而且向着 集成管理的方向发展，系统的开放不仅使不同制造厂商的集散控制系统产品可 以相互连接，而且使得它们可以方便地进行数据的交换，系统的开放也使第三 方的软件可以方便地在现有的集散控制上应用。 ( 2 ) 集散控制系统的基本结构 v 分散过程控制装置 分散过程控制装置是集散系统与生产过程间的界面，生产过程的各种过程 变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过 分散过程控制装置送到执行机构。在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字 量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤 波及其他的一些运算。 v 操作管理装置 操作装置是操作人员与集散系统间的界面，操作人员通过操作管理装置了 解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产过程。生产过程的各种 参数在操作管理装置上显示，以便于操作人员监视和操作。 v 通信系统 第2 章控制系统的总体方案设计 分散过程控制装置与操作管理装置之间需要有一个桥梁来完成数据之间的 传递和交换，这就是通信系统。 有些集散控制系统产品在分散过程控制装置内又增加了现场装置级的控制 装置和现场总线的通信系统；有些集散控制系统产品则在操作管理装置内增加 了综合管理级的控制装置和相应的通信系统。这些集散控制系统使系统的分级 增加，系统的通信系统对不同的装置有不同的要求，但是，从系统总的结构来 看，还是由三大部分组成的。 ( 3 ) 集散控制系统的特点 集散控制系统能被广泛应用的原因是它具有优良的特性。与模拟电动仪表 比较，它具有连接方便、采用软连接的方法连接容易更改、显示方式灵活、显 示内容多样、数据存储量大等优点；与计算机集中控制系统相比较，它具有操 作监督方便、危险分散、功能分散等优点。 v 分级递阶控制 集散控制系统是分级递阶控制系统。它在垂直方向或水平方向都是分阶的。 最简单的集散控制系统至少在垂直方向分为二级，即操作管理级和过程控制级。 在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分级，它们把数据向上送达操 作管理级，同时接收操作管理级的指令，各个水平级之间也相互进行数据的交 换，这样的系统是分级的递阶系统。集散控制系统的规模越大，系统的垂直和 水平分级的范围也越大。 分级递阶系统的优点是各个分级具有各自的分工范围，相互之间有协调， 通常，这种协调是通过上一级来完成的。上下各分级的关系通常是下面的分级 把该级的及它下面的分级数据送到上一级，由上一级根据生产的要求进行协调， 并给出相应的指令即数据，通过数据的通信系统，把数据送到下层的有关分级。 在集散控制系统中，过程控制级采集过程的各种数据信息，把它们转换成数字 量。这些数据经过计算获得作用到执行机构的数据输出量，然后，经转换成为 执行机构的输入信号，送到执行机构去。可以看到，集散控制系统中，各个分 级有各自的功能，完成各自的操作。它们之间既有分工又有联系，在各自的工 作中完成各自的任务，同时它们相互协调，相互制约，使整个系统在优化的操 作条间下运行。 与模拟电动仪表相比，模拟电动仪表间的协调和制约较难解决，系统控制 方案的更新也较为困难，各级的相互联系虽然可通过信号的串联或并联来完成， 但是它受到输出阻抗和输出功率的限制，并且联系的更改十分困难。 与计算机直接数字控制系统相比，在计算机直接数字控制系统中，组成系 统的某些部件的故障将造成整个系统的瘫痪。由于系统没有分级，因此，系统 中的各个组成部分具有相同等级。各级问数据由同一个c p u 进行处理，虽然可 北京工业大学工学硕士学位论文 以进行优先级别的分配，但是系统的调整是较不方便的。正因为没有分级，系 统的可靠性要求必然需要大大提高，而系统的危险性也相应增大。 v 分散控制 分散控制是集散控制系统的另一特点，分散是针对集中而言的。在计算机 控制系统的应用初期，控制系统是集中式的，即一个计算机完成全部的操作监 督和过程控制。 国外对集散控制系统常称为分散控制系统，即d c s 。其原因是把分散控制 放在十分重要的位置。分散的含义不单是分散控制，它还包含了其他意义。例 如，人员分散、地域分散、功能分散、危险分散、设备分散及操作分散等。分 散的目的是为了使危险分散，提高设备的可利用率。 集中式的计算机控制系统是在中央控制室的基础上发展而来。在中央控制 室，各种过程的参数经检测、变送集中送到中央控制室，并在控制室的仪表盘 上显示或记录，对要调节的参数则通过控制器的运算，输出信号到相应的执行 机构。操作人员在中央控制室通过仪表盘上的仪表来监视和操作。这种集中控 制的方式大大方便了操作，对过程参数的信息管理也有较好的效果。 计算机的出现使人们自然而然地把它应用到过程的控制领域，集中控制式 的计算机控制系统因此而产生。由于在一台计算机上把所有的过程信息的显示、 记录、运算、转换等功能集中在一起，也产生了一系列的问题。首先是一旦计 算机发生故障，将造成过程操作的全线瘫痪，为此，危险分散的想法就提了出 来，冗余的概念也产生了。但是，要采用一个同样的计算机控制系统作为原系 统的后备，无论从经济上还是从技术上都是行不通的。对计算机功能的分析表 明，在过程控制级进行分散，把过程控制与操作管理进行分散是可能的和可行 的。 随着生产规模的不断扩大，设备的安装位置也越来越分散，把大范围内的 各种过程参数集中到一个中央控制室变得不经济，而且操作也不方便。因此， 地域的分散和人员的分散也提了出来。而人员的分散还与大规模生产过程的管 理有着密切的关系。地域的分散和入员的分散也要求计算机控制系统与其相适 应。在集中控制的计算机系统中，为了操作的方便，需要有几个操作用的显示 屏，由于在同一个计算机系统内运行，系统的中断优先级、分时操作等的要求 也较高，系统还会出现因多个用户的中断而造成计算机的死机。 v 自治和协调性 集散控制系统的各组成部分是各自为政的自治系统，它们各自完成各自的 功能，相互间又有联系，数据信息相互交换，各种条件相互制约，在系统的协 调下工作。 在集散控制系统中，分散过程控制装置是一个自治的系统，它完成数据的 第2 章控制系统的总体方案设计 采集、信号处理、计算及数据输出等功能。操作管理装置完成数据的显示、操 作监视和操纵信号得发送等功能。通信系统则完成操作管理装置和分散过程控 制装置间的数据通信。集散控制系统的各部分是各自独立的自治系统，但是， 在系统中它们又是互相协调工作的。 由于整个系统是一个相互协调的系统，因此，虽然各个组成部分是自治的， 但是，任何一个部分的故障也会对其他部分有影响，例如，操作管理装置的故 障将使操作人员无法知道过程的运行情况；通信系统的故障会使数据传送出错； 过程控制装置的故障使系统无法正常工作。应该指出，不同部件的故障对整个 系统影响的大小是不同的，为此，在集散控制系统的选型和系统配置时应考虑 重要的部位设置较高可靠性的部件或有必要的冗余措施等。 分散的基础是被分散的系统应是自治的系统。递阶分级的基础是被分散的 系统是相互协调的系统。 在集散控制系统中，分散的内涵是十分广泛的。分散数据库、分散控制功 能、分散数据显示、分散通信、分散供电、分散负荷等，它们的分散是相互协 调的分散，因此，在分散中有集中的数据管理、集中的控制目标、集中的显示 屏幕、集中的通信管理等等，为分散作协调和管理。各个分散的自治系统是在 统一集中管理和协调下各自分散工作的。 ( 4 ) 集散控制系统的结构分类 集散控制系统有三大部分组成。根据分散过程控制装置、集中操作和管理 装置和通信系统的不同结构，集散控制系统大致分为下列几类【1 8 】： v 模型化控制站+ 与m a p 兼容的宽带、载带局域网+ 信息综合管理系统 这是一类最新结构的集散控制系统。作为大系统，通过宽带和载带网络， 可在很广的地域内应用。通过现场总线，系统可与现场智能仪表通信和操作。 这是一类开放的系统互连的具有互操作性的系统，将成为集散控制系统的主流 结构。是第三代集散控制系统的典型结构。 v 分散过程控制站+ 局域网+ 信息管理系统 由于采用局域网技术，使通信性能提高，联网能力增强。这是第二代集散 v 分散过程控制站+ 高速数据公路+ 操作站+ 上位机 这是第一代集散控制系统的典型结构。经过对操作站、过程控制站、通信 系统性能的改进和扩展，系统的性能已有较大提高。 v 可编程逻辑控制器p l c + 通信系统+ 操作管理站 这是一种在制造业广泛应用的集散控制系统的结构。尤其适用于有大量顺 序控制的工业生产过程。集散控制系统制造商为适应顺序控制实时性强的特点 现已有不少可以下挂各种型号的p l c ，组成p l c + 集散控制系统的形式，应用 于有实时要求的顺序控制和较多回路的连续控制的场合。 北京工业大学工学硕士学位论文 量曼皇舅量皇| 曼量皇量量曼曼笪曼曼曼曼皇曼量曼皇皇置曼曼曼舅曼曼皇舅曼曼曼鼍曼曼i l l 量皇曼皇置曼皇量曼曼曼皇量量皇曼皇昌置曼鼍 v 单回路控制器+ 通信系统+ 操作管理站 这是一种适用于中、小企业的小型集散控制系统结构。它由单回路仪表( 或 双回路、四回路控制器) 作为盘装仪表，信息的监视操作由操作管理站或仪表 面板实施，有较大灵活性和较高性价比。 上述五类属于集散控制系统产品结构类型。 在实际应用中，采用微处理器、工业级微机组成集散控制系统的结构可分 为： v 工业级微机+ 通信系统+ 操作管理机 工业级微机用作为多功能多回路的分散过程控制装置。相应的软件也已有 软件厂商开发。 v 单回路控制器+ 通信系统+ 工业级微机 工业级微机作为操作管理站使用。它的通用性较强。软件可自行开发，相 应的操作管理软件也有产品可购买。 vp l c + 通信系统+ 工业级微机 这种结构适用于顺序为主的场合。 v 工业级微机+ 通信系统+ 工业级微机 工业级微机各有不同的功能，前者作为分散过程控制装置，后者作为操作 管理。相应的机型、容量等也有所不同。 v 智能前端+ 通信系统+ 工业级微机 这是一种简易而通用的集散控制小系统的结构，偶有应用。 可以看到，前五类通常是集散控制系统制造厂商的专利产品。后五类大多 是由通用产品组合而成。但不管哪一类型，集散控制系统都应有三大基本组成， 这是与微机控制系统相区别的。 2 1 2 通信系统 把p c 机连入p l c 网络是为了向用户提供诸如工艺流程图显示、动态数据 画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等多项功能，为p l c 网络提供良好的人机界面【1 9 】。 通常可以通过4 种装置为p l c 网络配置人机界面，它们是编程终端、显示 终端、工作站及p c 计算机。编程终端主要用于编程与调试，其监控功能相对 较弱。显示终端的功能比较单一，主要用作现场显示。工作