（航空宇航制造工程专业论文）基于profibus现场总线focke包装机电控系统的研究与设计.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘要 可编程逻辑控制器是以处理器为中心，同时具有各类逻辑运算、控制、网 络等综合功能的控制系统。现场总线为实现双向串行数字通信的系统，使得系 统通讯能够实现开放式、数字化、多点通信技术。 本文分析了原有控制系统的缺陷、介绍了新的控制系统。阐述了可编程逻 辑控制器在控制系统中的优点，通过介绍 profibus 现场总线阐述了现场总线 通讯的优势。以改造 focke 包装机为例，主要内容如下： 1、通过熟悉原有控制系统的工作流程，分析了原 s5 系列可编程逻辑控制 器的控制系统，确定新的可编程逻辑控制器控制系统需要实现的具体功能以及 其实现方法； 2、在本系统数据交互中，通过介绍 profibus 现场总线原理协议，论述了 现场总线在工业通讯中的优点； 3、下位机硬件设计上使用西门子可编程逻辑控制器控制系统，软件平台采 用西门子 step 7，设计和编制了 focke 包装机控制软件，实现了原有控制系 统的各项功能； 4、本系统对温度要求严格，采用温控仪表控制温度不能满足系统要求，而 且温控仪表操作和维护都不方便， 因此采用 fm455 温度控制模块进行温度控制， 满足了系统对温度的要求，同时又有效地避免了温控仪表在操作和维护上的缺 陷； 5、在监控系统上，使用 intouch 组态软件设计了系统的监控界面，从而实 现了对生产线的实时监控，并且可以通过界面设置系统的一些参数，同时提供 了较强大的报警功能。 关键词：关键词：可编程逻辑控制器，现场总线，组态，intouch，focke 基于 profibus 现场总线的 focke 包装机电控系统的研究与设计 ii abstract programmable logic controller（plc） is a kind of control system which bases on the processor and possesses comprehensive functions such as boolean calculation, control and network. by adopting a bidirectional serial digital communication system, the field bus enables the system communication to realize an open digital and multi- spots communication goal. this article mainly analyzes the disadvantage of the original control system and introduces the new one as well as the advantage of the programmable controller in the control system. at the same time, it also illustrates the superiority of this kind of communication by introducing the profibus field bus. take the transformation of focke packaging machine as an example, the main content is as follows: 1st, to analyze the plc control system of s5 series, and determine the concrete functions that the new plc control system hopes to achieve as well as how to achieve the goal through studying the work program of the original one; 2nd, to demonstrate the advantage of the field bus in the process of digital alternation by introducing the principle agreement of field bus profibus; 3rd, to achieve each function of the original control system through using siemenss plc control system in the design of hardware and step 7 in the software as well as designing and compiling control system of focke packaging machine; 4th, to use fm455 for controlling temperature not only can meet the systems severe request for temperature and efficiently avoid many demerits of the temperature control instrument but also can bring convenience for operation and maintenance; 5th,to use the intouch configuration software to compile monitor and control program can accomplish the goal for real-time surveillance and control of the production line, while setting some parameters can provide a powerful alarming function. keywords: plc, field-bus, configuration, intouch, focke 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的 其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查 阅和借阅,可以将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。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 基于 profibus 现场总线的 focke 包装机电控系统的研究与设计 vi 图表清单 图 2.1 focke 包装机整体结构原理.9 图 2.2 plc 控制系统结构.11 图 2.3 s7-300.13 图 2.4 s7-400.14 图 2.5 s7-400 cpu.15 图 3.1 profibus 协议结构图.19 图 3.2 3 个主站、7 个从站构成的 profibus 系统.23 图 4.1 focke 包装机原机控制系统结构示意图.33 图 4.2 硬件组态的流程图.38 图 4.3 plc 控制系统硬件配置.39 图 4.4 step7 符号编辑器.40 图 4.5 使用 step7 的基本步骤.43 图 4.6 350 部分 plc 的 ob1 流程.46 图 4.7 fm455 基本结构图.49 图 5.1 应用程序设置.54 图 5.2 应用程序浏览器.55 图 5.3 监控界面关系图.56 图 5.4 350 部分监控界面.57 图 5.5 350 安全功能界面.58 图 5.6 windowviewer 属性.59 图 5.7 350 部分相位设置.60 图 5.8 应用程序脚本.62 表 4.1 主要硬件配置.39 续表 4.1 主要硬件配置.40 表 4.2 s7 功能块.44 表 4.3 fm455 配置.49 续表 4.3 fm455 配置.50 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 第一章 概述 1.1 引言引言 纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统的推出都是针对 老一代控制系统的不足而给出更完善的解决方案，最终在用户需求和市场竞争 两大因数的推动下占领市场的主导地位，现场总线和基于现场总线控制系统的 产生也不例外。 随着控制、计算机、通信、网络等技术的不断发展，信息交换的范围和能 量也得到了不断的扩展，特别是在工业自动化控制领域中。在这种情况下，传 统工业自动化控制系统的通讯方法已远远不能满足信息传输提出的要求。随着 系统的大型化、复杂化，一种新型的以智能式分布自动系统为基础的企业管理 控制系统正在逐步形成。现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。 从 70 年代开始，传送模拟信号的传统电动仪表逐渐暴露出其自身的缺点。 这是由于模拟信号变化缓慢，抗干扰能力差，要提高自身计算精度的难度较大。 所以，人们开始用数字信号取代模拟信号，用一台计算机取代控制室的几乎所 有仪表盘， 出现了直接数字控制系统 （data distribution center） 。 不足的是， ddc 对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性，当系统任 务增加时，控制的效率和可靠性将急剧下降。但当时计算机可靠性差，计算机 的一个故障会造成所有控制系统回路瘫痪、生产停产的严重后果，这种集中系 统结构很难为生产过程接受。 随着计算机性能的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器，可编程 逻辑控制器（plc）以及由多个计算机阶梯构成的集中、分散相结合的集散控制 系统。这就是 dcs 系统。在 dcs 系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而 它是一种模拟数字混合系统。它在功能、性能上可实现装置级、车间级的优化 控制。但是，dcs 并不是完全意义上的分散控制系统。而是在 dcs 系统形成的 过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭缺陷影响，各厂家产品自成系 统，不同厂家设备不能互联，难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享 的网络系统存在很多困难。 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格急剧下跌，计算机和计算机 基于 profibus 现场总线 focke 包装机电控系统的研究与设计 2 网络系统得到迅速发展。 自封闭式的集散系统已使自动化系统成为 “信息孤岛” 。 要实现整个企业的信息集成，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、性能可靠的、造价低廉的通信系统，形成工厂低层网络，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生产现场与 外界的信息交换。现场总线控制系统就是在这种实际需要的驱动下应运而生。 作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互 联通信网络，现场总线沟通了生产过程现控制设备之间以及其与更高控制管理 层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。在这个新 型系统中，测控任务被分散到现场设备中，所有设备都采用数字信号通过标准 通信协议进行信息交换；总线上每一个现场设备都易于控制，设备扩充方便， 系统的安装、调试、维护、升级操作简便，即使当某些现场设备离控制室很远， 也只需要很少的中继器即可将其与系统相连接；系统对外开放，不同厂家的产 品完全集成在一个应用环境中，系统可以在以太网连接甚至可接入国际互联网 络，使信息得到充分利用和传播。 从现场总线的应用前景来讲，由于现今的工业企业处在一个市场竞争异常 激烈的年代，为了提高自身生产力，提高生产效率，生产工艺甚至部分生产线 都会随着市场的需要而经常进行改进。而现场总线技术在这方面的独特优势显 现无疑。同时，由于现场总线系统模块化强，各个设备使用方便，即使是对全 部生产线的改进也会事半功倍。 现今的工业企业又处在一个网络化、信息化的时代，传统的大量企业管理、 运营工作已被企业信息管理系统所取代，为了充分利用企业生产、销售等各部 门的信息流，同时大量节省人力物力，也使得整个企业运营数字化资源合理配 置，节约大量成本。现场总线系统由于其开放性、机构模块化的特点，成为企 业运营信息管理系统中不可或缺的部分。 1.2 可编程逻辑控制器简介可编程逻辑控制器简介 可编程逻辑控制器（plc，本文以下简称 plc）是以微处理器为基础，综合 运用了计算机技术、自动控制技术盒通讯技术，从 80 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 经广泛应用于工业生产过程盒装置的自动控制中。随着微电子技术、电力电子 南京航空航天大学硕士学位论文 3 技术、计算机技术、通讯技术、控制技术的发展，plc 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 plc 出世的阶段。各个厂家的 plc 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 plc 体积庞大。 第二阶段是 plc 功能初步发展阶段。1972 年，intel 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。plc 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 plc 的 cpu，这是 plc 硬件和软件结构上的一次革命。为进一步 扩展 plc 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。 plc 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。plc 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 plc 的普及打下基 础。 第四阶段是 plc 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，plc 完全计算机化，全面使用 8 位、16 位微处理芯片，高速计数、a/d、 d/a 等功能引入 plc，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 plc 向规范化、系列化发展。 第五阶段是 plc 全面使用 16 位和 32 位的微处理芯片，有的已使用 risc（ 精简指令集）芯片的阶段。plc 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 cpu 技术。已经开发出了各 种智能化模块、触摸式屏幕；整体式 plc 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。 plc 之所以能成为当今增长速度最快的工业自动化控制设备，是由于它具 基于 profibus 现场总线 focke 包装机电控系统的研究与设计 4 备了许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域普遍关心的可靠、安全、 灵活、方便、经济等问题。 plc 始终为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制手段。就 plc 实施控制而言，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换用于物 理实现。出入变换、物理实现可以说是 plc 实施控制的两个基本点。根据 plc 实施控制的两个基本点的分析，plc 采用了典型的计算机结构，主要是由 cpu、 ram、rom 和专门设计的输入输出接口电路等组成2。 在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 plc，但这 种趋势也许不会继续发展下去。随着软 plc(softplc)控制组态软件技术的诞生 与进一步完善和发展， 安装有 softplc 组态软件和基于工业 pc 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 plc 供应商在思想上已经发生了 戏剧性的变化，在传统 plc 的技术发展与提高方面做出更加开放的高姿态。对 于控制软件来讲，这是 plc 控制器的核心，plc 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 plc 融入更加开放的工业控制行业。 plc 技术将继续向开放式控制系统方向转移， 尤其是基于工业 pc 的控制系 统。后者除了在灵活性方面比传统 plc 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。 1.3 现场总线简介现场总线简介 现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一，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。有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微 机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统，也有人把它称为开放式、 数字化、多点通信技术，可被广泛应用于制造业、流程工程、楼宇、交通等处 的自动化系统中。 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装 置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。现场总线的出现使基 南京航空航天大学硕士学位论文 5 于传统的现场仪表所构成的工业控制系统的体系结构发生了根本的变革。现场 总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使他们各自具有了数字计 算和数字通信能力，成为能独立承担某种控制、通信任务的网络节点。他们分 别通过普通双绞线等多种传输介质进行信息联络，把多个测量控制仪表、计算 机等作为节点连接成网络系统，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，共同完成自动控制任 务的网络系统与控制系统它给自动化领域带来了巨大的变化，如同计算机网络 和英特网给计算机带来的变化等等。如果说，计算机网络把人类引入到信息时 代，那么现场总线则使自动控制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 场总线技术的出现说成是标志着一个自动化新时代的开端并不过分。 现场总线控制系统是基于现场总线技术所构成的开放的全分布式的控制系 统。该系统底层以集测量控制调节等功能于一身智能设备作为基本单元，通过 现场总线进行互连，构成了一个工业现场级的或单元级的测控网络；再通过工 业以太网与车间级或工厂级的控制中心和管理部门互连，形成以现场总线为基 础的工业控制系统。所以说现场总线控制系统是综合了智能仪表技术、计算机 与微控制器技术，计算机通信与计算机网络技术，工业控制技术等多方成果的 现代化工业控制系统。 现场总线控制系统的优点： 1、系统的开放性，互操作性与互连性 总线的通信协议一致公开，不同厂家遵照相同通信协议开发的产品可以互 相交换信息，产品本身可以互连互换。用户可以根据需要和资金投入，自由选 择最优性能价格比的不同厂家的产品进行系统集成，给用户更大的选择权利。 2、现场设备智能化，系统功能分散化，系统构成模块化 以微控制器为核心的现场设备功能更加完善，可实现多种功能，使系统的 控制功能本地化，分散化，提高了系统的可靠性、实时性，简化了系统的结构。 模块化的系统结构使系统的扩展，变更，拆装更加灵活便利。 3、减少了设计、安装、维护、排故的时间和费用 基于 profibus 现场总线 focke 包装机电控系统的研究与设计 6 现场总线系统的布线简单，连接器件少且标准化，因此施工周期短，维护 容易，故障定位准确，排除故障迅速，大大减低设计安装调试周期，减少维护 费用。 4、系统为全数字化系统，抗干扰能力强，通信可靠 现场总线的协议充分考虑了工业系统的环境，在抗干扰方面采取了一系列 措施，并可满足本质安全防爆要求。系统内部信息全部为数字信号，传输距离 远，数据通信具有很强的纠错功能和错误重发功能，抗干扰能力强。保证了信 息的实时可靠传输，提高了系统的可靠性。 目前流行的总线有以下几种： 1、基金会现场总线（foundation field-bus） 1994 年由 isp 基金会和 world fip(北美)两大集团合并成立 ff 基金会，其 宗旨在于开发出符合 iec 和 iso 标准的、唯一的国际现场总线。目前，ff 现场 总线的应用领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、 油田等行业。 2、profibus profibus 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。 广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自 动化。 profibus 由 三 个 兼 容 部 分 组 成 ， 即 profibus-dp(decentralized periphery) 、 profibus-pa(process automation) 、 profibus-fms(field-bus message specification)。 profibus-dp 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式 i/o 的通信。使用 profibus-dp 可取代办 24vdc 或 4-20ma 信号传输。 profibus-pa 适用于 profibus 的过程自动化。pa 将自动化系统和过程 控制系统与压力、温度和液体位置变送器等现场设备连接起来，pa 可用来替代 4-20ma 的模拟技术。 profibus-fms 的设计旨在解决车间监控级通信。在这一层，可编程序控 制器（如 plc、pc 机等）之间需要比现场层更加大量的数据传送，但通信的实 时性要求低于现场层。 3、canbus（controller area network-bus）现场总线 canbus 现场总线已由 iso/tc22 技术委员会批准为国际标准 ios 11898（ 南京航空航天大学硕士学位论文 7 通讯速率小于 1mbps）和 iso 11519（通讯速率小于 125kbps） 。canbus 主要 产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型 i/o。另外在 电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。 4、interbus 现场总线 interbus 总线是德国 phoenix contact 公司推出的现场总线产品，是一种 经济、简单、开放的传感器执行器总线。主要用于生产现场设备与 plc 控制系 统之间的互联，构建具有较高实时性要求的工业现场控制网络，它是一种广泛 应用于制造业和机器加工业等各种领域的工业局域网1。 基于 profibus 现场总线 focke 包装机电控系统的研究与设计 8 第二章 第二章 项目介绍及设计方案 2.1 项目简介项目简介 在我国烟草行业所使用的包装设备中， 德国 focke 公司生产的硬盒包装机 占有相当的比例，并已成为目前国内各家卷烟厂的主流包装机机型。该类机型 采用了 siemens 公司 s5 系列可编程逻辑控制器系统进行控制，而且必须使用 多个 cpu 的协同操作才可以完成控制，这样每个 cpu 的处理能力太差。并且 siemens 公司已经从上世纪九十年代中期开始停止了 s5 系列可编程逻辑控制 器的生产，备品生产也非常少，再加之主驱动都采用直流电机，因此 focke 包 装机的维护成本很高；系统长年运行后设备电气故障频繁出现，且排除故障相 当困难，所以在一定程度上严重影响了烟草企业的生产效率和产品质量。 可见， 依靠我国国内的技术力量对原有的 focke 硬盒包装机在保留原机械 设备的基础上，进行新的电气系统设计，是提升设备档次、减少设备维护成本 的有效途径。面对这样的形势，国内很多企业自上世纪九十年代开始，抓住了 国内自动控制领域迅猛发展的契机，投入大量人力、财力开展对主流包装机型 电控系统 plc 的重新设计，其中也包括 focke 包装机新的电气系统设计项目。 focke 包装机新的电气系统设计需要对整个 focke 包装机的生产流程、原控 制系统的控制原理图、电气接线图进行熟悉，并能保证原功能的基础上进行设 计。包括对控制系统的重新设计、上位机软件的重新编写、组态软件的重新设 计等。 2.2 focke 包装机组的组成和生产过程简介包装机组的组成和生产过程简介 focke 包装机的生产线大致分为小包包装机（350 部分） 、储烟器（802 部 分） 、小包透明纸机（401 部分） 、大条包装机（408 部分）等四个部分组成，分 别编号为 350、802、401、408 的部分。其中 802 为一个存储的装置，另外 3 部 分处理包装部分。其中把 350 和 802 叫做主机，401 和 408 称为辅机。主机主要 完成把上游送过来的一支支香烟包装成一包包香烟，辅机是把包装好的小包包 装好透明纸，并包装成条3。 南京航空航天大学硕士学位论文 9 350 部分是包装生产线的第一部分，它连接着上游的卷烟机。上游从卷烟机 通过传送带向包装机传送单支香烟，350 部分是把香烟包装成每 20 支一小包。 802 是一个存储装置，存储多余的小包装香烟。生产繁忙时，350 出来的小 包装香烟下游机 401 来不及消化，就在 802 储存下来。当上游机 350 发生故障 时，就把 802 储存的小包装香烟提供给 401 继续生产，这样就不会使整条生产 线停产。 401 也是包装装置， 它的功能是把 350 送过来的小包装香烟表面包上塑料薄 膜纸和封口金线，同时把包装好的香烟传送到下游机 408。 408 是生产线的最后一部分， 它的功能是把 401 送过来的小包装香烟包装成 一条，并给每条香烟包上塑料薄膜纸和封口金线，最后把包装好的香烟送上传 送带，由传送带把成品香烟送往库房。整体结构如图 2.1： 图 2.1 focke 包装机整体结构原理 350 部分主要完成小盒烟包的外包装工序，包括铝箔纸，内卡纸和商标纸的 成型包装，并检测相应工序的质量完成情况。它的上游机一般为 focke 公司所 提供的烟支卸盘机（317 部分） ，下游机为小包透明纸包装机（即 401 部分） ，相 互间有联机信号和速度信号的传递。 802 部分只是 350 部分把合格烟包向 401 部 分输送过程中的一个缓冲环节。当上游的卸盘机把卷接好的烟支输送到 350 部 分，350 部分利用烟支的自重和导烟辊动作，将烟支引入下烟道的槽内，下滑道 基于 profibus 现场总线 focke 包装机电控系统的研究与设计 10 托烟板上经过三个推烟板的作用按“7-6-7”顺序分三层排列，然后进入烟支输 送通道。烟支在经过输送通道的过程中，依次经过烟支导向输送、铝箔纸折叠、 内卡纸折叠、硬盒纸折叠，最终完成内有铝箔纸、内卡纸保证完整的烟包。经 过烘干之后送到下游机 401 进行玻璃纸包装。 401 部分完成将上游机（350 部分）传送过来的合格烟包进行玻璃纸包装、 加热粘合的工序，并检测相应工序的完成质量情况，在包装过程中还进行撕带、 透明纸等检测。合格的烟包传送给下游机大条包装机（408 部分） 。 401部分输送过来的合格烟包在408部分上先按10包一组包上大条包装纸， 然后再包上大条玻璃纸，并加热粘合，其间检测相应工序完成的质量，最后将 合格的条烟送往烟条提升机。 2.3 新的控制系统硬件及软件的选择新的控制系统硬件及软件的选择 新的控制系统设计选用德国西门子公司 s7-400plc 作为控制系统的 cpu， 采用 profibus 总线作为整个现场设备与控制器之间的数据枢纽，采用 profibus-dp 模块用于设备级控制系统与分散式 i/o 的通信， 连接控制点的 i/o 模块选用价格较便宜的s7-300dp模块， 采用西门子液晶彩色触摸屏作为上位机， 实现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； plc 通过 mpi 通讯协议与触摸屏上位机进行数据交换。控制系统在原有系统除 去所有逻辑电路板的基础上新增一个电控柜，电控柜里放置 plc 控制系统的一 些核心部件，增加系统的稳定性。 软件平台采用西门子公司专用的 plc 编程软件 siemens simatic step 7 软件实现硬件组态、智能模块参数化和控制程序的编制，上位机触摸屏监控软 件采用 intouch 进行组态。 选择以上的软、硬件的原因是：西门子 plc 是国内所占份额最大的 plc 品 牌，使用西门子 plc 可以及时得到强有力的技术支持，且各种配件均可直接在 国内采购，为以后系统的维护提供了方便；现在新引进的卷烟生产线的控制系 统均采用西门子 plc，这样保持了设备更新的一致性，使技术人员的培训更为 方便，技术人员更具专业性；siemens simatic step 7 软件和 intouch 组态软 件具有相当强大的功能，为控制系统软硬件设计提供了便捷之路，能大幅度提 南京航空航天大学硕士学位论文 11 高设计进度，且由于软硬件均为同一公司产品，其兼容性也相当高，从而保证 了系统的稳定性；控制系统中采用的 profibus 总线使得西门子 plc 和 profibus 均发挥其最大优势。profibus 现场总线将在第三章详细叙述。 2.4 plc 控制系统控制系统 一个基本的控制系统主要由控制器和控制对象所组成，可编程控制器控制系 统也包括这两个组成部分，西门子 plc 控制系统中还包括了人机界面、网络等 其他部分，大大增强了控制系统的实用性，如图 2.2 就是一个典型的西门子控制 系统，西门子将控制系统中的各个功能加以模块化，用户在使用 plc 进行控制 时可以很方便的选择自己需要的模块，西门子的 plc 系统中，各个模块的通讯 就是通过 profibus 现场总线进行数据交互的。 图 2.2 plc 控制系统结构 可编程控制器是一种特殊的工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算 机工作原理的基础上，通过输入模块从外部读入控制对象的一些信息，在 plc 内部经过用户编制的控制程序的处理后，通过输出模块实现对外部控制对象的 控制，这个过程在 plc 运行过程中周而复始地进行着，因此 plc 的工作过程是 基于 profibus 现场总线 focke 包装机电控系统的研究与设计 12 一个不断循环的顺序扫描的过程，属于串行工作方式。每一次扫描所用的时间 称为扫描周期或工作周期。在 plc 扫描周期中当出现一些中断（如定时等）时， plc 可以立即执行中断程序，这使 plc 具备了一定的快速响应能力。plc 的工 作全过程可分为三部分： 1、 上电处理， 机器上电后对 plc 系统进行一次初始化， 包括硬件初始化，i/o 模块配置检查及其它初始化处理；2、扫描过程，plc 上 电处理完成后进入扫描工作过程，先完成输入处理，其次完成与其它外设的通 信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当 cpu 处于 stop 方式时，转入执 行自诊断检查。当 cpu 处于 run 方式时，还要完成用户程序的执行和输出处 理，再转入执行自诊断检查；3、出错处理，plc 每扫描一次，执行一次自诊断 检查，确定 plc 自身的工作是否正常，如 cpu、电池电压、程序存储器、i/o 和通讯等是否异常或出错，如检查出异常时，cpu 面板上的 led 及异常继电器 会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，cpu 被强制为 stop 方式，所有的扫描过程便停止1。 可编程控制器的性能主要看 cpu 的运算速度、扫描周期的长短、i/o 点数 等等。运用可编程控制器的控制系统的性能与用户应用程序的长短及编程方式 与技巧等有关。 可编程控制器与其他一般计算机或单片机等在编程上也有差别，可编程控 制器的输入和输出均采用了映像区的方法，因而不需要进行消除抖动的处理。 在可编程控制器运行阶段，读取外部输入信号时，输入映像区跟外界完全隔离， 无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶 段，才重新刷新输入端的新内容。所以一般来说，输入信号的宽度要大于一个 扫描周期，否则很可能造成输入信号的丢失。输出控制信号时，输出映像区中 所有的输出继电器状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输 出，驱动外部执行器等负载。 2.5 西门子西门子 plc 模块模块 典型的 s7-300 控制系统如图 2.3 所示， 图中包含了各种常见的 s7-300 模块， 他们分别是： 南京航空航天大学硕士学位论文 13 图 2.3 s7-300 1、电源模块（power supply modules(ps)） ：电源模块，给 cpu 和其他各模 块提供电能； 2、中央处理器（cpu） ：控制系统中的核心部分； 3、信号模块（signal modules (sm)） ：包括数字量输入模块（di） 、数字量 输出模块（do） 、模拟量输入模块（ai）和模拟量输出模块（ao） ； 4、接口模块（interface modules (im)） ：通过接口模块可以连接总线上各层 站点，使各个站点之间可以相互通讯； 5、哑元模块（dummy modules (dm)） ：其功能是为暂时还没有使用或配置 参数的模块保留插槽，当相应模块可以使用时将 dm 取出插入相应模块即可使 用； 6、功能模块（function modules (fm)） ：这些模块用于实现特殊功能，如计 数模块、闭环控制模块等等； 7、通讯处理器（communication processors (cp)） ：提供了点对点的网络连 接，如连接到 profibus 总线和连接到工业以太网（industrial ethernet） 。 如图 2.4 所示为典型的 s7-400 控制系统，s7-400 和 s7-300 的很多模块在种 类差不多，只是性能上比 s7-300 的模块优越一点，模块的排列方式有一点差异， 且接口的物理形状不一样，不可以直接互换使用。本控制系统设计时考虑到性 能因素， 选用了 s7-400 dp 模块， 利用 profibus 总线连接到 s7-400 cpu 上6。 基于 profibus 现场总线 focke 包装机电控系统的研究与设计 14 图 2.4 s7-400 2.6 s7-400 中央处理器中央处理器 目前大量使用的西门子 plc 的 cpu 主要为 simatic s7-300 和 simatic s7-400。 simatic s7-300 是一种通用型的 plc， 能适合自动化工程中的各种应用场 合，尤其是在生产制造工程中的应用。模块化、无排风扇结构、易于实现分布 式的配置以及用户易于掌握等特点，使得 s7-300 在很多工业部门中实施各种控 制时，成为一种即经济又切合实际的解决方案。 simatic s7-400 是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。模块化及无 风扇的设计、坚固耐用、容易扩展和广泛的通讯能力、容易实现的分布式结构 以及用户友好的操作，使 simatic s7-400 成为中、高档性能控制领域中的首选 的理想解决方案。 在本控制系统设计中考虑到 s7-300 的处理速度达不到控制要求，所以选用 了 s7-400。 目前 s7-400 有 7 种 cpu， 分别为 cup 412-1、 cpu 412-2、 cpu 414-2、 cpu 414-3、cpu 416-2、cpu 416-3 和 cpu 417-4dp，它们的性能依次增强，方 便了用户选用适合的 cpu，大大增加了性能级别的可用性。simatic s7-400 中 南京航空航天大学硕士学位论文 15 央控制器最多能连接 21 个扩展单元，因而用户不必担心随着应用的扩大而出现 系统扩展问题。由于 simatic s7-400 有很高的电磁兼容性和抗冲击、耐振动性 能，因而能最大限度的满足各种工业标准，模板能带电插、拔。 图 2.5 中显示了两种 s7-400 cpu，它们包括了以下部分： 图 2.5 s7-400 cpu 1、模式选择开关，通过模式选择开关可以使 plc 分别处于停止、运行、在 线调试 3 种模式下。在停止模式下没有程序运行，输出被禁止；运行模式下程 序运行，通过编程器可以读取 plc 中的各类数据、寄存器值，但是不能进行修 改；在线调试模式下，程序运行通过编程器可以读取或修改 plc 中的各类数据、 寄存器值； 2、启动类型选择开关，可以选择 plc 是冷启动还是热启动； 3、后备电池，电池的作用是备份 ram 中的数据，保持数据在没有外部电 源供给时也不会丢失； 4、mpi 接口，其作用是为编程器或其他设备提供连接接口； 5、dp 接口，在 413-2dp, 414-2dp, 416-2dp 和 417-2dp 几种 cpu 中才有， 通过 dp 接口可以直接将分布的 i/o 点连接至 cpu。 6、存储卡插槽，插槽为 ram 或 flash