（航空宇航制造工程专业论文）基于profibus现场总线的protos控制系统的设计(1).pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 可编程控制器( p l c ) 是以继漱器逻辑控制浆统为基础，逐步发展为以处理器 秀中心，鼹辩吴有各炎运算、控麓、霭络等臻莪熬控裁系统，凭诺夷努懿稳定往帮 强大的功能，使得在制造工业、电力、运输等领域有着广泛的应用。 国内众多老的设备采用了电路檄卡加继电器的控制方式，急需采用新的控制系 统对其遴符更薪换代，本文以设计p r o t o s 卷接枧生产线静p l c 控制系统梵铡，提 供了在藤控麓系统萋销上重薪设计靛翻系统静蘩本设计愚憨帮设计方法。论文主要 内容如下： l 、分析了原电路板卡加继电器的控制系统，确定新的p l c 控制系统需爰实现的 翼僖磅麓以及其实瑷方法； 2 、裉据现场情况选用合适的p l c 功能模块、现场总线，设计出了新控制系统的 整体架构； 3 、运用西门子的s t e p7 软件设计和编制了p l c 控制软件，实现了原霄控制系 统兹冬矮功韪； 4 、使用西门子的缎态软件编制濂控程序，蜜现了对生产线的监视和控制，并提 供了较强大的数据统计功能。 关键词：可编程控制器、现场总线、组态、w i n c c 基于p r o f i b u s 现场总线的p r o t o s 控制系统的设计 a b s t r a c t p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o ll e r ( p l c ) i sb a s e do fr e l a yl o g i cc o n t r o l s y s t e m ，t o d a yi th a sd e v e l o p e d i n t oa p o w e r f u l c o n t r o l s y s t e mw i t h t h e c e n t r a lo fp r o c e s s o ra n d h a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha sa 1 1k i n d so fc a l c u l a t i o n s ， c o n t r o la n dn e t w o r k w i t hi t se x c e l l e n ts t a b i l i t ya n dp o w e r f u lf u n c t i o n s ， p l ci sn o ww i d e l yu s e di nm a n u f a c t u r ei n d u s t r y ，e l e c t r i cp o w e rf i e l d ，t r a f f i c f i e l da n de t c m a n yo l dt y p e so fe q u i p m e n ta d o p t st h ec o n t r o ls y s t e mw i t hc i r c u i tb o a r d s a n dr e l a y s ，i t si nd i r en e e do fan e wc o n t r o ls y s t e mt ou p d a t i n gt h eo l d o n e a ne x a m p l eo fd e s i g nap l cc o n t r o ls y s t e mf o rt h ep r o t o sp r o d u c tl i n e i sg i v e ni nt h i sp a p e r ，i to f f e r sa ni d e ao nd e s i g n i n gn e wc o n t r o ls y s t e m t os u b s t i t u t et h eo l do n e t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 t oa n a l y z et h eo r i g i n a lc o n t r o ls y s t e mo fc i r c u i tb o a r d sa n dr e l a y s ， c o n f i r m e dt h ef u n c t i o n st h a tw o u l db ea c h i e y e db yp l c 2 t os e l e c tt h ea p p r o p r i a t ep l cf u n c t i o nm o d u l e sa n df i e l db u s ，a n d d e s i g nt h ew h o l ef r a m ef o rt h en e wc o n t r o ls y s t e mw i t ht h ef o u n d a t i o no f t h es t a t u so nt h ep o r t ， 3 。t od e s i g nt h ep l cc o n t r o ls o f t w a r eu s i n gs i e m e n ss t e p7 ，a n dt oa c h i e v e t h ef u n c t i o n sr e a l i z e db yt h eo r i g i n a lc o n t r o ls y s t e m 。t od e s i g nt h es u p e r v i s i o nc o n t r o ls y s t e mt h o u g hw h i c ht h ew o r k e r sc a n s u p e r v i s ea n dc o n t r o lt h ep r o d u c t1 i n e ，a n di ta l s oo f f e r sap o w e r f u ld a t u m s t a t i s t i cf u n c t i o n 。 k e y w o r d s ：p l c ，f i e l d b u s ，c o n f i g u r a t i o n ，w i n c c 瓣窳靛空兢天大学硕士学经途文 第一章概述 1 1 可编程控制器简介 霹缡稷羧涮器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 麓稼惫p c 或p l c ，跫o 每我 末发明的王始控制器件。日本电气控制学会曾对可编程控制器作了一个定义：可编程 控制器是将逻辑运算，顺序控制，时序和计数阱殿算术运算等控制稷序，用一串指令 的形式存放到存储器中，然后檄据存储的控制内容，经过模拟，数字等输入输出部件， 对生产设餐羊生产过程进行掇制的装置。 踅c 怒溱予诗算撬技术积囊秘控秘理论发暴露泉麴，宅甄不弱予蘩遗翡诗篓瓠， 叉不蠢予般静诤算襁控麓系绞，终为一静特豫形式翡跨算褪控翻装鬣，它在系统结 构，硬件缀成，软件结构以及i o 通道，用户界丽诸多方面都有其特辨性。 从原理上说，可编程控制器年h 计算机是一致的，为了和工业控制相通应，p l c 采 用扫描原理来工作，也就是对熬个程序进行一遍又遍的扫描，直到停机为止。之所 以采用这样懿工作方式，是嚣为p l c 是由继电器控制茨鼹丽寒的，瓤c p u 镌招籀羁户 翟疗熬跨瓣遮逯矮子缝电器瓣韵律嚣阗，只要采翘糖醛羟接羧办法藏霹激黟决荬中愆 矛蓐。循环拯籀的工作方式是p l c 区别予普通的暑中锋祝控制系统的一个羹要方面。 可编稷序控制器实质上是一种用于自动控制的专用计算机，它把逻辑运算、顺序 控制、定时、计数和算术运算等控制功能以一种系统指令的形式存储在存储器内，然 后根据存储器的程序通过数字凝或模拟量的输入输出口对生产过程进行测试和控 裁，以徽处瑷嚣为孛心豹控裁装嚣。 虽熬器晕孛p l c 的缝残冬不稳圈，整是在结摘一曼楚蕊奉裙嗣豹，一般蠢c p u 、存德 器、输入输出设备( i o ) 和其他w 选部件组成。其他的可选部件包括编稷器，外存储 器，模拟i t o 盘，通信接口，扩展接口等。c p u 是p l c 的核心，它用予输入各种指令， 完成预定的任务，起到了大脑的作用，自诊断、预测控制和模糊控制等先进的控制算 法也已经在c p u 中撂到了应用；存储器包括蘧枫存德器r a m 和其读存储器r o m ，通常 搀程痔戳及掰有熬霾定参数嚣豫在r o m 孛，r a m 粼必程痔运孬箍筷了存辕实辩鼗舞与 计算中阍交簸的空间；输入输滋系统( i o ) 使过繇状态和参数输入劐p 的通道竣 及实时控制信号输出的通道，遮然通道可以有模拟爨输入、模拟量输出、开关量输入、 开关量输出、脉冲量输入等，使p l c 的应用十分广泛。 早期的p l c 主要用于顺序控制上。所谓顺序控制，就是按照工艺流稷的顺序，在 控割信号熬终璃下，使褥生产过糕豹各个挽幸亍规擒囊动速按照矮序动佟。p l c 豹应爆 大大捷送了滚寒线鼓寒静笈鼹。 今天的p l c 已经开始用予黼环控制，不仅如此，随着其扩展能力和遄信能力的发 展，它也懑来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。p l c 自1 9 6 9 年问世以来， 它按照成熟而又有效的继电器控制概念和设计思想，不断利用新科技，新器件，尤其 基于p r o f i b u s 现场总线的p r o t o s 控制系统的设计 和现猩飞速发展的计算机技术相联系，逐步形成- - f l 较为独立的新兴技术和具有特色 的各种系列产最，同时也逐步发展成为一类解决自动讫问题的肖效丽且便捷的方式。 p l c 鑫赛其毒豹完善懿功簸，模块纯戆缝褥，淡及牙发容娶、搽僚方覆、毪戆稳定、 可靠谯离麴特点帮较高麓髂价比，使其在工藏艇产中魏应磊裁黎越发看磐，雨疑随整 集成电路的发展和网络时代的到来，p l c 必将能够有更大的用武之地。 现在的主要的p l c 的厂商都集中在欧美等发达国家，国内生产和制造p l c 的工艺 技术都还落后于这些国家。作为实现工业自幼化的不可缺少的部分，大力发展p l c 对于我国来讲是缀重要驰，也有深远翡意义。 1 2 现场总线简介 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 系统之间的种串行、数簪式、多点通信的数据总线。现场总线的出现使基于传统的 现场仪裘所构成的工业擦俸4 系统的体系结构发生了根本的变革。 现场蕊线控制系统是熬予瑗场总线技拳豚狡残翡开放的全分露式戆控裁系统。该 系绞斌鼷以集溺量控锈调节等功链子一身餐辘浚备俸为基搴单元，通过现场总线遴： 亍 互连，构成了一个工业现场级的或单元级的测撩网络：再通过工渡以太网与车闸级或 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般控制系统。所姒说 现场总线控制系统是综台了智能仪表技术、计算机与微控制器技术，计算机通信与计 算机嬲络技术，工业控制技术等多方成栗的现代化工监控制系绕。 魏场蓦线控裁系绞豹筑患： j 、系统的开放性，嚣搡僚性与互连往 总线的通信协议致公开，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w 以互连互换。用户可以根据需要和资盘投入，自由选择最 优性熊价格比的不同厂窳的产品进行系统黎成，给用户更大的选择权利。 2 、觋场设餐智能纯，系绞功能分数他，系绫褊裁模块纯 戮徽茳爨嚣为孩，豁筑瑗场设蚤功藐凳翔宪善，可实褒多耱功麓，使系统兹控 制功能本地化，分散化，提高了系统的可纛性、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 现场总线系统的张线简单，连接器 串少殷标准傀，因此撩工周翘短，维护容 器，敬海定位建碜，撵狳敛簿逐速，大大减稳设薅安装瀑谈鼹麓，援乡维护费矮。 4 、系统为全数字纯系缆，抗于抗熊力强，潦信可靠 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。系统内部信息为全部为数字信号，传输距离远， 数据通信具有很强的纠锗功能和错误重发功能，抗干扰能力强。保证了信息的实 时w 赣传输，提高了系统的可靠性。 2 塑塞塾至堕丕奎兰竺主堂垡堡壅 1 3 目前在我国流行的几种现场总线 1 、基金会现场总线( f f ) 1 9 9 4 年由i s p 基金会和w o r l df i p ( 北美) 两大集团合并成立f f 基金会，其宗旨 在于开发出符合i e c 和i s o 标准的、唯一的国际现场总线( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 。 目前，f f 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 、p r o f i b u s p r o f i b u s 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。 p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a n z e dp e r i p h e r y ) 、 p r o f i b u s - p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n )、p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 。 p r o f i b u s d p ：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p r o f i b u s - d p 可取代办2 4 v d c 或4 - 2 0 m a 信号传输。 p r o f i b u s - - p a 适用于p r o f i b u s 的过程自动化。p a 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，p a 可用来替代4 2 0 i i l a 的模 拟技术。 p r o f i b u s - - f m s 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 p l c 、p c 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 、c a n b u s 现场总线 c a n b u s 现场总线已由i s 0 t c 2 2 技术委员会批准为国际标准l o s1 1 8 9 8 ( 通讯速 率小于i m b p s ) 和i s o1 1 5 1 9 ( 通讯速率小于1 2 5 k b p s ) 。c a n b u s 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、楼字自动化等场合均有所应用。 4 、i n t e r b u s 现场总线 i n t e r b u s 总线是德国p h o e n i xc o n t a c t 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p l c 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 4 项目简介 p r o t o s 7 0 型卷烟机是8 0 年代末引进德国虹霓( h u a n i ) 公司设计制造的世界著名 的卷接机组，目前是我国许多大中型卷烟厂的主流机型。由于原进口机采用了继电器 和分立元件组成的逻辑电路板系统进行控制，大量的各类继电器以及电子线路板构成 基于p r o f i b u s 现场总线的p r o t o s 控制系统的设计 了繁杂的电气逻辑系统，维护成本很高；加上系统长年运行，设备电气故障频繁出现， 排除故障相当困难，在一定程度上严重影响了卷烟厂的生产效率和产品质量；另外现 在很多该机器的配件已经停止供应，所有这些都决定了对现有电气控制系统进行重新 的设计已势在必行。 从2 0 0 1 年开始德国虹霓重新开发了新的总线方案机型：p r o t o se - 8 ，采用 i n t e r b u s 总线型方案，我国玉溪集团2 0 0 2 年末引进了该设备。根据中国的国情一一 s i e m e n s 设备较多，德国虹霓2 0 0 2 年又开发了p r o f i b u s 总线方案的机型，2 0 0 3 年推 出，目前我国正在商谈引进事宜，全部技术文档和资料转让费用为8 0 0 0 多万人民币。 本课题的主要内容是：设计某卷烟厂的p r o t o s 卷烟机控制系统，以替换现有的 采用控制板卡加继电器的控制系统，并增加友好的人机交换界面，数据采集及数据统 计等功能。设计的主要内容有下面几个方面： ( 1 ) 分析、研究p r o t o s 卷烟机的运行和控制机理，了解香烟卷接生产的工艺过 程，以便为下步设计提供第一手必备资料。 ( 2 ) 研究、探讨原控制系统中各部分的功能，选择合适的模块来替代现有系统 中的各控制模块，同时确定新控制系统所采用的总线类型。 ( 3 ) 设计新控制系统的电气系统及电控系统，包括各部件、模块的安装位置及 总线的架构设计。 ( 4 ) 编制及模拟调试新控制系统的控制、通讯、人机交互界面的程序。 ( 5 ) 现场安装新的控制系统并进行综合调试。 本论文将按对以上各部分分别进行阐述。 1 5 项目意义 在我国烟草行业引进卷烟机设备中，p r o t o s 7 0 系列卷烟机占有相当大的比例，已 成为目前国内各家卷烟厂的主流卷烟机机型，其控制系统由继电器和分立元件组成的 逻辑电路板构成，这些控制系统逐步显示出一些不利于卷烟生产企业发展的因素，其 主要表现在： 1 、受电路板和继电器控制技术控制本身特点的限制，生产现场的各种接口非常 多，各种各样的接线凌乱的分布在现场，系统出错时，排除故障很不方便。 2 、原有控制系统采用的板卡全部依靠进口，价格较高，且这些板卡很多现在已 经停产，一旦损坏将给企业造成重大损失； 3 、使用原有的控制系统进行生产，工人必须对机器相当熟悉，需要进行大量的 岗前培训，而且工作量较大： 4 、生产时如机器出现故障t 只能依靠面板上的指示灯显示出故障，无法准确定 位故障位置，以便及时排除故障； 5 、原系统无数据统计功能。由于采用逻辑电路控制方式，其生产的各项数据无 法用软件进行采集，而只能靠原始的手工抄写数据并进行统计。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 综合以上情况，作者与合作方开发了p r o t o s 卷烟机的p l c 控制系统，该控制系 统可大大提高p r o t o s 卷烟机整体的稳定性，同时具有如下优点： 1 、机器故障率低，由于p i c 系统具有防尘、防震、抗干扰等优点，所以大大提 高了系统稳定性能，平均无故障时间可达十万小时以上； 2 、操作界面友好，操作方便。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、提供产量和原材料消耗的查询便于生产资料调度，同时以图形方 式直观显示故障、报警信息； 3 、出现故障时维修方便，在系统出现故障时p l c 控制系统能显示出现故障的具 体位置及故障原因，大大提高了排除故障的效率； 4 、机器备件暂无后顾之忧，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，同时各个备品均可在国内选购。 5 、由于采用了现场总线，新的控制系统能够很好地满足工厂自动化以及c i m s 系 统的信息集成要求，可实现底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态 监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完 成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级m i s 系统数据库提供数据；同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行 之。 基于p r o f i b u s 现场总线的p r o t o s 控制系统的设计 第二章项目介绍及设计方案 2 ip r o t o s 介绍 p r o t o s 7 0 是引进德国虹霓( h u a n i ) 公司设计制造的世界著名的卷接机组，是机、 电、仪一体化具有高生产率、高可靠性的将烟丝喂料、卷烟、滤嘴接装等集于一体的 滤嘴烟支自动生产线，是具有8 0 年代末、9 0 年代初先进水平的大中型卷烟厂的主要 生产设备，由v e 供料部分、s e 卷烟部分、m a x 滤嘴接装等三个部分组成，就控制系 统而言，v e 7 0 、s e 7 0 、 i i a x 7 0 的控制系统相互独立。其中v e 7 0 负责从烤烟车间接收 烟丝经预分配器、烟丝贮存区、计量槽，最后靠吸丝带的抽吸力通过抽吸通道送给 s e ，s e 卷烟部分的工作是自动提供卷烟盘纸并且将来自v e 的烟丝条包上后切成双支 长卷烟，送往m a x 接嘴机，m a x 7 0 部分的工作是在烟支接装过程中，完成自动供滤嘴、 供水松纸、供胶水、温度控制、烟支质量检测与取样、废烟剔除、机器状态监视、生 产过程数据采集等功能，从而实现滤嘴烟支的生产，在以上三部分中都配有一定的装 置用来剔除不合格的产品。 2 2 s e 7 0 的组成及生产原理 s e 7 0 部分主要实现烟丝的包装过程，并将切好的双倍长烟条通过传送装置传送至 m a x 7 0 部分，由l a x 7 0 完成香烟生产的下一道工序。s e 7 0 主要控制模块有：纸盘转换 控制、自动接纸控制、烟纸张紧力控制、印刷位置控制、断纸监测、烟枪温度监测、 传 图2 is e 7 0 功能块示意图 6 南京航空航天大学硕士学位论文 上胶凝置控制、烟条封口器控制、烟条导向器控制、烟条直径控制、烟条蠊测器、传 送装谶控制等，s e 7 0 控制系统中还附有一终矮他的辅助功能，如；照明、生产线感 动势童、生产速度显示、众嚣捡溅、各类获警等等。戳上各令部分熬控萋l 穗鼹独立， 虽大多备部分豹控制功麓都在各自独立豹电路板上实现。 下丽将按卷烟生产的顺序( 原材料的流动方向) 简要介绍机器的主要部分，说明 它们备自的位置和功能，如图2 1 ： l 、艋纸转换装置其稍髑个纸盘转轴，新擞纸装在右转轴上，操作人员应将煺纸 鲍爨巍斌窘过各辊，并燎煺予连接翅纸盼驳繁敖鬣裂规定位置。将爱爱尽鼹鑫纸上测 下鹣纸鏊氡动遥控裁纸纛麓嚣转：当l 强弱卷纸豹剩余量黉达一定稷度薅，盘羝霞转投 转动，并提醒生产入员甏换新盘纸，当旧的擞纸快用完时，自动启动接纸装置使用新 的盘纸继续卷烟生产过獠： 2 、接纸器接收到接纸信号后通过气闽控制用一片胶带把娥的两端联接起来，同 时切除烟纸的自由端，从蕊完成自动接纸动作； 3 、矮纸段检测嚣霹黢溅密烟纸生产孛竣卷耀生产中产生鹣援缀段，豢青矮纸毅 静潮交将被控制系统跟踪并在m a x 部分作为废烟予以瓤除； 4 、烟纸张紧力控制系统的作用是在所脊遮率下保持烟纸的张紧力不变，它能自 动补偿烟纸拉伸长度的变化； 5 、印刷器在馏纸上印刷产品品牌，双色印刷需要安装两个毽i 刷嚣，有的还需要 安装涂衾粉的装置； 6 、露羁篷萋控铡系绫绦涯印弱在葳有遮攀下都篷将产晶晶瓣印秘在娲支上豹茏 确位鬣上，它琵自动校正谯不同速率下印刷产生位移的倾向； 7 、断纸监测器监测烟纸的断开，在烟纸断开时，自动使p r o t o s 生产线停止运行； 8 、烟枪把来自v e 的爝熊条包在烟纸中形成烟条，它直接决寇了香烟烟条的直径 和形状； 9 、上胶装置恕冷却鼓热融狡涂在淫纸戆滚缘上，霹爨经耀黢狻袋旋转鑫上羧， 上胶党事后封日器使濯稔獯部收墨，并通过嬲热使上胶静菝缝抉遮干燥； 1 0 、烟条导向器在机器起动的时候把烟条切断并将其前端导入捆描装置，在停机 时，它把烟条切断并将其剩余段导入废品箱； 1l 、扫描装置检查所嫩产卷烟的各项指标，它包括了以下一热梭测器： 8 、直径篮测器测鬣烟条的壹径； b 、娲条毙检测系统( o r i s ) 稿撬器擒褒港矮表瑟是否套滋蠢； c 、核扫攒器铡鬣烟祭的密度； 1 2 、刀头的作用是把熬支长烟条切成双储长的卷烟； 1 3 、烟条监测器探测烟条的起动信号，并暇测双支长卷烟的通过和传送； 1 4 、v 槽阀门在起动h 寸把v 形导槽中的碎腾溥除干净，它还剔除开始生产时头几 支不合撩器求静卷烟； ， 基于p r o f i b u s 现场总线的p r o t o s 控制系统的设计 1 5 、传输装置利用抽吸力从v 槽中吸起双支长卷烟并把它们传送至m a x 。 2 3 控制方案选择 选择魏项鑫豹方案嚣瑟综台援术、经济警备个方面豹透素邀行分辑，馥达到预麓 的目标，下面给出了此次设计的控制系统可以采用以下两种可行的方案： i 、采用工业p c ( 工掇机) 控制系统：通道a o 、o a 、定时、计数等板卡连接外 围控制点，在工控机上编稷实现对外围控制点的控制，操作界面通过编程实现；如图 2 2 为i 控_ l f t 控制系统结构图。 计算机插槽 图2 2 i 控极控制系缆缭梅 藏方案懿控裁系统藩予集中式鼗字控摹l 系统，它采震芏控瓤终赡控餐器，控裁嚣 内部健输的是数字信号，纛服了传统模拟仪表羧涮系统中模拟信譬精度低的缺陷，提 高了系统的抗干扰能力。熊优点是易于根据全周情况进行控制计辣和判断，在控制方 式、控制机制的选择上可以统一调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必 须具谢足够的处理能力釉极离的可靠性，当系统强务增加时，控制器瓣效率和可靠瞧 将急麟下降。 袋麓就方案靖整个控铡系统帮工厂m i s 系统采用局域瓣静涟按方式，网络上可以 传输大批孱的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，缎缺乏实时性。网络 的架设需要专用电缆作为通讯介质，如同轴电缆、光纤等，实现成本较高。 2 、采用p l c 控制系统：通过d i 、a i 、d o 、a o 、p i b 等模块连接外围控制点，甩 专用p l c 缡程软件编程实现对夕 匿控铡点鼢擦涮，操作赛面逶过缀态较传实现， 8 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 3 为常见的p l c 控制系统的示意图( 束采用总线的方案) ，采用总线后系统 将具有更强的灵活性。 图2 3 常见p l c 控制系统结构 采用p l c 控制系统可以利用现场总线技术，组成现场总线控制系统( f c s ) ，它用 现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现 场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。这样 此控制系统实质是一种开放的、可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统。 与上方案比较，通讯线( 现场总线) 连接了自动化最底层的现场控制器和现场 智能仪表设备，网络上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息 等，传输速率低，但实时性高，符合工业控制的要求。其通讯介质的选用也比较方便， 如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本较低。采用现场总线的最大优 点是可大大节约连接导线、维护和安装费用。同时现场总线能够传送多个过程变量。 传统的4 m a 、2 0 m a 控制回路一般只能携带一个信号，通常为过程变量。而采用现场总 线后，在传输变量过程的同时，仪表的标识符和简单的诊断信息也可一并传送。数字 信号的精确性是现场总线的又一个优点，数字信号比4 m a 2 0 m a 模拟信号分辨率高， 因此，可排除过去在模数转换中所产生的误差。远程维护在采用数字通信和现场智 能仪表后也将成为可能。由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能 仪表进行标定、调整及运行诊断，甚至能够在故障发生前进行预测，一个更为重要的 方面是仪表的兼容性可以使用户大大受益。 9 基于p r o f i b u s 现场总线的p i q o t o s 控制系统的设计 综合比较以上两种方案，在设计本控制系统时我选用了第二种方案，理由如下： 1 、抗干扰、稳定性方面：工控机的抗干扰能力比p l c 差，且防尘、防震等方面 也略逊一筹； 2 、1 o 点点数方面：工控机的i o 点受到空间等原因的限制相对较少，扩展比较 不方便，p l c 的i o 点数较多，扩展很方便； 3 、控制速度方面：工控机可以有较快的响应速度( 可以达到微秒级) ，而p l 。c 的 扫描周期基本是在毫米级，其实时性不如工控机，但是p l c 的快速响应模块弥补了 p i c 的这缺陷，从而在实时要求比较高的场合也能使用p l c ； 4 、驱动能力方面：工控机板卡往往不能商接驱动气阀等执行机构，而p l c 配有 可以直接驱动较大功率的执行机构，且模块的电压与工业现场电压匹配； 5 、安装及维护方面：p i 。c 的安装比工控机方便，且有自诊断功能，排错和维护比 较方便。 6 、软件设计方面：工控机软件的设计有相当大的工作量是于控制逻辑关系不大 的操作界面的编程，编程效率较低：而p l c 通过专用编程软件编程，工作量主要集中 于控制逻辑的编程，编程效率很高； 2 4 硬件及软件的选择 本控制系统设计选用了德国西门子公司s 7 4 0 0 p l c 作为控制系统的c p u ，采用 p r o f i u s 总线作为整个现场设备与控制器之间的数据枢纽，采用p r o f i b u s d p 模块用 于设备级控制系统与分散式x o 的通信，连接控制点的i o 模块选用价格较便宜的 s 7 3 0 0 d p 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 时问显示、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，电控柜根据现场空间大小找专业厂家定做，电控柜里放置p l c 控制系统的一些核 心部件，增加系统的稳定性。 在软件方面：采用西门子公司专用的p l c 编程软件s i e m e n ss i m a t i cs t e p7 软 件实现硬件组态、智能模块参数化和控制程序的编制，触摸屏上位机用s i e m e n s s i m a t l cw i n c c 组态。 选择以上的软、硬件的原因有：西门子p l c 是国内所占份额最大的p l c 品牌，使 用西门子p l c 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 p l c ，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；s i e m e n ss i m d 、t i cs t e p7 软件和s i e m e n ss i m a t i cw i n c c 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 南京航空航天大学硕士学位论文 统中采用的p r o f i b u s 总线使得西门子p l c 和p r o f i b u s 均发挥其最大优势。 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现 场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从 而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案，是国际上具有较 大影响的总线标准之一，1 9 9 6 年3 月1 5 日被批准为欧洲标准，即d i n5 0 1 7 0v 2 。 p r o f i b u s 产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位。目前支持p r o f i b u s 标准的产品超过2 0 0 0 种，分别来自国际上2 5 0 多个生产厂家。在世界范围内己安装 运行的p r o f i b u s 设备超过2 0 0 万台。与其它现场总线系统相比，p r o f i b u s 的最大优 点在于具有稳定的国际标准e n 5 0 1 7 0 作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已 应用的领域包括加工制造、过程控制和楼宇自动化等。p r o f i b u s 开放性和不依赖于 厂商的通信的设想，已在1 0 多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧 洲市场中p r o pi b u s 占开放性工业现场总线系统的市场份额超过4 0 。p r o f i b u s 有 国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛 的优质新产品和技术服务。 2 5 设计的基本步骤 由于此次设计是在保留原有卷接机系统机械部件基础上进行的控制系统的重新 设计，所以需要对原有系统的生产过程及控制原理等进行深入理解，以确定设计和实 施此项目的基本步骤。 我将此次设计的基本步骤安排如下： l 、熟悉p r o t o s 卷接机的生产流程；弄清各部分部件的基本功能，各种原材料的 供给及其去向；按照各原材料的流向理清生产全过程；同时熟悉卷接机的基本操作， 包括了解控制台上各种按钮、指示灯等的作用，以帮助我们理解整个流水线的生产流 程： 2 、在上步的基础上找到各传感器、执行机构在p r o t o s 流水线中的具体位置， 并分析出其在控制生产过程中所起的作用； 3 、参考原控制系统的控制原理图、电气接线图等资料并结合实地考察，找出各 传感器及执行机构最终连接在哪些即插件或端子之上，同时标出这些即插件或端子的 实际位置； 4 、分析出新设计的控制系统中对各传感器及执行机构选用的p l c 模块，参考原 生产流水线各种位置图及实地考察，确定新控制系统中各p l c 模块等的安装位置： 5 、参考原控制系统的电气接线图，分析原系统中电源的供给、动力分配等情况， 为新控制系统的电控部分设计提供原始依据； 6 、设计新控制系统的电控柜图纸，将原系统中可以继续使用的变压器、空气开 关等加以保留以最大限度降低成本；电控柜图纸设计的主要内容是l 、设计新控制系 统中各电动机的动力供给和安全保护装置；2 、设计p l c 、p l c 模块、传感器、执行器 基于p r o f i b i j s 现场总线的p r o t o s 控制系统的设计 和指示灯等装置的供电线路；3 、设计电控柜内各元件( 变压器、空气开关、接触器 及p l c 等) 的安装位置； 7 、先确定新控制系统需要的p l c 站点数和各站点的安装位置，根据需要选择各 个站点所需要的p l c 模块，然后设计各站点的电气原理图及接线图； 8 、使用s i e m e n ss i k a t i cs t e p7 对新控制系统进行硬件组态，设计网络的整体 架构，在分析原控制系统的控制原理的基础上编制p l c 程序，并进行模拟调试； 9 、使用s i e m e n 组态软件w i n c c 对现场组态，使新的控制系统具备友好的人机界 面( h m i ) 系统和监控管理( s c a d a ) 系统，其中包括打印报表、历史趋势、报警、系 统安全等。 2 6 小结 在考虑以上控制方案和项目实施步骤的过程中，我们从技术、经济、可行性等方 面作了综合考虑，最终选取了p l c 作为控制系统核心部分的控制方案。在选用p l c 模块时，考虑到用s 7 4 0 0 的模块比较昂贵，我们选用了较便宜的s 7 3 0 0 的模块，同 样实现了s 7 4 0 0 能实现的功能。在设计项目实施步骤时我们没有具体分析每个传感 器或执行器的接线及其与相关继电器之间的联系，而是只找出连接传感器及执行器的 即插件和端子，这样可以避免了分析原控制系统中用大量继电器的连锁关系，我们将 控制中繁琐的电路逻辑直接放到后面p l c 程序中实现，大大提高了设计效率。 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章控制系统设计 鼗次控裁系统黪设诗憝在保蟹原袁卷接枫系统枫棱帮彳牛基旗上进行戆控制系统 静羹凝设计，掰溢需要怼骧寄系统憨生产避裰及控裁漂理等进移深入的分掇帮理解， 以确愆如何设计和实施威项目。本章主要内容包括：原有控制系统介绍、p l c 控制系 统硬件设计，p l c 控制系统软件设计。 3 1 原控制系统介绍 森瑷诗赣控剖系统之蘸，我们必零砖簇羧裁系统有援当戆了解，龟菇原控翻系绫 静总髂絮擒，菪个控隶l 模块浆功麓及控铡藤憨，获及生产揉幸# 入爨麴其体操终多骤等 等。下顾我分别介绍了琢控制系统的整体情况、配电系统以及s e 卷接机的控制部分。 3 1 1 原控制系统概况 p r o t o s 7 0 由v e 供料部分、s e 卷烟部分、m a ) ( 滤嘴接装等三个部分组成，其控制 系统蹩囊多个羲秘互独立又耀互毒关联懿夺羧稍系统鳃或，其功缝粳对集孛，藿3 。l 海冀技铡系统豹分毒示意黼( 顶溃视强) ，幽辫我稻可戳看出原控溺系统嵌入在整祭 生产线的内部，分布予生产线的四周，便于梭豢和维护。其中v e 部分的控制器位于 v e 侧颟下方的柜子里面；s e 部分的控制器位于s e 背部的柜子里磁；m a x 部分的控制 器位于m a x 旁边的控制柜熙；备部分控制系统之间的相互连线都从机器内部走线；众 多的健熊器移执行器不援粼燃分蠢于整条生产线簸各个部经。各令按裁挺( 臻放置迄 1 3 基于p r o f i b u s 现场总线的p r o t o s 控制系统的设计 子控制卡的柜子) 内部有空气开关、接触器、断路器和继电器等，其中继电器大多是 用来实现简单的逻辑功能( 如连锁、互锁等) ，新的设计中只保留了极少数的继电器， 控制逻辑由p l c 来实现，去除继电器后多出来的空间用作放置p l c 的子站点，p l c 子 站点主要包括通讯模块、输入输出模块和特殊功能模块等。 原控制系统嵌入到了机器内部，各个柜子均做了相应的通风、防尘等处理，但 是随着时间的推移，柜子里面的灰尘还是越积越多，柜子内的温度始终维持在一个相 对高的水平，控制系统中的电路板也没有做特别的防护。电路板终年在高温、多灰尘 的环境下工作，加速了电子元件的老化，导致整个控制系统稳定性的降低。采用p l c 控制系统时，我们将原控制系统的电子控制卡去除，其功能由p l c 实现，p l c 的中央 处理器则放于另外设计控制柜内，这样有利于控制系统稳定性的提高。 3 1 2 原系统配电部分分析 这个生产线采用三相五线制供电，图3 2 为其驱动装置配电系统图( v e 和m a x 部分与s e 部分雷同，故略去) 。如图可以看出s e 部分采用三种供电方式：l 、主电源 采用了t n s 三相五线制的交流配电：为t l 、t 2 、t 3 、变压器、主电机、风机、油 泵、纸盘回转电机等提供电能；2 、单相交流配电：由t l 、t 2 、变压器输出的交流电 压为各控制电路、钢印电机、纸张紧力控制电机，磨刀电机提供电能；3 、直流电源 配电：由t 3 、变压器输出的交流电压，经电子箱的稳压电源卡向各电子箱内的各电 子控制卡提供直流电能。 由图可知：这个配电系统采用树形结构，在各个支路上均采用了断路器作为保护， 使支路电流过大时自动截断电源，各个电机的前端相应配备了接触器、电路保护开关 等。原控制系统为了使各种不同的电子控制卡工作，分别根据电子控制卡的需要提供 了不同的电源电压，从而整个系统中同时存在多种电压。变压器t 1 提供了2 2 0 v a c 和1 i o v a c 的电压，经过单极断路器分别为变频器、磨刀电机、纸盘加速电机、纸张 紧力控制电机等提供电源；变压器t 2 提供了5 8 v a c 和1 8 5 v a c 的电压，对钢印调整 电机等提供了电源；变压器t 3 ( 图中未画出) 提供了1 9 4 v a c 、2 8 v f i c 等电压，经过 电子稳压卡变换为需要的直流电压，为电子箱内的众多控制板卡提供了电源。由此可 知：原控制系统中各个控制块需要的电源电压大多互不相同，增加了变压器和稳压电 源模块的数量， 改用新的p l c 控制系统后，由于可以选择不同电压的p l c 模块，并且各个模块都 带有隔离保护装置，各个传感器和执行器的电源供给电压得到了统一，故设计的p l c 控制系统主要采用2 2 0 v a c 、1 i o v a c 、2 4 v a c 和2 4 v d c 几种电压就可以满足需求，直流 电压直接通过开关电源取得，去除了稳压电源卡，提高了电源的稳定性。在设计新的 供电系统时我们借鉴了原供电系统的基本结构，原有的空气开关、接触器、断路器等 得到了保留，其安装位置也基本上保持不变。 南京航空航天大学硕士学位论文 i v l3 2 驱动装配f 乜系统例 3 1 3 卷烟s e t o 控制系统分析 1 5 在设计新的s e 7 0 控制系统时，需要了解原控制系统实现了哪些功能，以及找出 传感器和执行器的具体位簧，以方便以后的布线工作。根据原控制系统各类图纸即现 图3 3s e 7 0 传感执行器分布示意图 场勘查，得出s e 7 0 的传感器和执行器的分布图，如图3 3 。 s e 7 0 中用到的传感器如表3 1 ： 表3 1 部分p r o t o s 传感器执行器列表 类型 按钮 按钮 按钮 开关 计数器 显示器 信号灯 接近式开关 光传感器 接近式开关 接近式开关 接近式开关 限位开关 压力监视器 阀 阀 离合器 功能 紧急停机 辅助驱动装置停机 主驱动装置关停( 程序停机) 。 v e 烟丝进料的开关 显示主驱动装置运行小时数。 显示生产速率c p m ( 每分钟烟支数) 灯亮表示电源接通 盘纸回转板已转入位置。高信号。警告警报：s e 盘纸 遇到接纸段和纸断开时为高信号 接纸胶带架没有在工作位置的信号。程序停机。 烟纸的张力太高。高信号。m 1 i 加快烟纸运行速度。 胶水位降至最低。高信号。警告警报：s e 胶水位 烟枪布带防护罩打开。开关断开。立即停机，h 5 亮。 冷却空气压力太低。开关闭合。立即停机，h 9 亮。 盘纸夹紧装置投入( o n ) 烟纸拼按。( 接纸器投入) 供胶泵 躺黜谢黯册雕啪眦叭|耋嘲黜缸姒三!m h 南京航空航天大学硕士学位论文 p r o t o s 生产线中使用的电机如表3 2 所示 表3 2p r o t o s 电机统计表 序号名称功率( k w )电压( v