（机械设计及理论专业论文）挤出生产线的嵌入式控制系统设计.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t h 7 学科分类号 4 6 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 3 7 6密级 不保密 学位授予单位代 码 ”? 1 0 0 1 0学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名崔战伟学号 2 0 0 4 0 0 0 3 7 6 获学位专业名称机械设计及理论获学位专业代码0 8 0 2 0 2 课题来源 自选课题 研究方向机电一体化技术 论文题目挤出生产线的嵌入式控制系统设计 关键词挤出机控制嵌入式系统w i n c ea r m m c u 论文答辩日期 2 0 0 7 0 6 0 4 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师王伟明 副研究员北京化工大学塑料机械 评阅人1杨明锦教授级高工北京市塑料研究所高分子材料 评阅人2任冬云副研究员北京化工大学塑料机械 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席杨明锦教授级高工北京市塑料研究所高分子材料 答辩委员1 吴大明研究员博导北京化工大学塑料机械 答辩委员2任冬云 副研究员北京化工大学塑料机械 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( c b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类 与代码中查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 挤出生产线的嵌入式控制系统设计 摘要 本文探讨了一种可以应用于塑料挤出生产线的基于w i n c e 操作系 统和a r m 9 芯片的嵌入式控制系统的设计开发过程。系统的特点是高通 用性，高扩展性，高性能价格比，以及控制单元的自主控制和中一t b 控制 台控制相结合的控制方式易于实现系统的串连控制。内容包括，硬件选 择，系统定制，以及c # 应用软件开发，单片机k e i lc 程序设计。热 电阻选型以及单片机电路设计。 系统结构采用c p u 基板和单元控制板相结合的方式，c p u 基板结 构相对稳定，其上运行的w i n c e 系统也相对稳定，c p u 基板和其软件 系统主要实现人机交互，数据存储，以及网络控制功能。 根据被控设备和控制目标的不同，单元控制板采用不同的硬件和软 件，实现对被控设备的操作。 基板和单元控制板之间利用串口进行通讯，基板带有三个串口。可 以实现同时控制三个单元控制板。 c p u 基板应用软件采用c # n e tc o m p a c tf r a m e 编程实现，易于掌 握，开发难度低，效率高。 单元控制板利用k i e lc 编程，已实现具有3 路八位a d c ，1 2 路 开关量输入和八路开关量输出的单元控制板软件设计。 m 单元控制板采用p 8 9 l p c 9 3 6 m c u ，实现了5 v 标准电压的a d 转换。 实现了温度的闭环控制系统。 操作人员可以利用c p u 基板提供的触摸屏，进行温度设定和对子 板的运行状态进行干预。实现了上位机监控功能。 c p u 基板提供通过网络监视和运行的状态的远程控制。 关键词：挤出机控制嵌入式系统w i n c ea r m m c u ! j t h ed e s i g no fe m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mo f e x t r u s i o nm a c h i n e a b s t r a c t t h ep a p e rd i s c u s s e sad e s i g np r o c e s so fp l a s t i ce x t r u s i o np r o d u c tl i n e b a s eo n 、i n c eo p e r a t i n gs y s t e ma n da r m 9c m o sc h i pe m b e dc o n t r o l s y s t e m t h es y s t e m sc h a r a c t e ri sh i g hc o m m o n a l i t y , h i g he x p a n s i b i l i t ya n d h i g l lp e r f o r m a n c e - p r i c e r a t i o ，c o n t r o lu n i ti n d e p e n d e n c ej o i nw i t hc e n t e r c o n t r o lc o n s o l ef o rt h es e r i e sc o n t r 0 1 t h ec o n t e n ti st h ec h o i c eo fh a r d w a r e ， c u s t o m i z a t i o no fs y s t e m ，t h ee x p l o i t a t i o no f c # ，p r o g r a mm c u i nl ( e i lc l a n g u a g e t h es t r u c t u r eo ft h i ss y s t e mi si nb a s eb o a r da n da d do nu n i tb o a r d d i s t r i b u t ew a y t h eb a s eb o a r di st a b l ea n dt h ew i n c es y s t e mi sf i r mt o o t h e a d d e do nb o a r dc a nb ec h a n g ew i t ht h er e q u i r e m e n t t h eb a s eb o a r di sf o r t h ef u n c t i o no fu i t h ea d d e do nb o a r df o rt h ef i e l dc o n t r 0 1 t h eb a s eb o a r da n dt h ea d d e do nb o a r di sc o n n e c t e db ys e r i a l c o m m u n i c a t i o n o nb a s eb o a r dc a nc o n n e c t3a d do nb o a r da tm o s t n eb a s eb o a r d sa p p l i c a t i o ni sp r o g r a m m e di nc 挣，i ti se a s yt om a s t e r , t h ed i f f i c u l to fd e v e l o p i n gi sl o wa n dt h ee f f e c t i v ei sh i g h n ea d do nb o a r d sa p p l i c a t i o ni sd e v e l o p e di nl ( e i lc ，t h eb o a r dw i t h 3c h a n n e la d ca n d1 2c h a n n e ld i g i t a li n p u ta n d8o u t p u ti sf i n i s h e d n e a d do nb o a r du s ep 8 9 l p c 9 3 6a st h eh e a r t t h eo p e r a t o rc a n u s et h et o u c hp a n e lo nb a s eb o a r dt os e tt h e t e m p e r a t u r ea n do t h e ra c t i o nt oc o n t r o lt h ea d do nb o a r d sr u n n i n gs t a t u s t h eb a s eb o a r da l s op r o v i d e st h en e tg u a r df u n c t i o n k e yw o r d s ：e m b e d s y s t e mw i n c e a r mm c ua r m m c u v 目录 第一章绪论1 1 1 传统挤出控制系统3 1 2 计算机控制系统的组成与分类4 1 3 挤出控制系统控制参数以及影响1 0 1 4 本课题的意义及创新点1 3 1 5 小结1 5 第二章嵌入式系统概述1 6 2 1 嵌入式系统i 、l k ( e m b e d d e ds y s t e mi n d u s t r y , e s i ) 的特点。1 7 2 2 嵌入式系统开发需要开发工具和环境1 8 2 3 嵌入式系统硬件1 8 2 4 嵌入式软件1 9 2 5 编译与调试技术2 4 2 6d 、l ；占2 6 第三章控制系统硬件设计方案2 8 3 1 系统需求及系统特点2 8 3 2 系统总体方案设计2 8 3 3c p u 基板的设计。2 9 3 4 单元子板设计3 8 3 5 热电阻选型3 9 3 6 月、结4 0 第四章控制系统软件设计方案4 l 4 1 w i n c e 操作系统详细介绍4 1 4 2c 挣n e tc p u 基板程序设计5 3 4 3 单元控制板程序设计。5 7 4 4 通讯协议的设计5 9 4 5d 、结7 1 第五章结论与研究展望7 1 5 1 结论7 1 5 。2 展望7 2 参考文献7 3 附录7 4 致谢7 5 研究成果及发表的学术论文7 6 作者简介7 7 v c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t r a d i t i o n a le x t r u s i o nc o n t r o ls y s t e m 一3 1 2c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e md e m e n t s 4 1 3p a r a m e t e ro fe x t r u s i o nc o n w o ls y s t e m 1 0 1 4m e a n i n ga n dt h ec m a t i v ep o i n t s 1 3 1 5b r i e fs u m m a r y 1 5 c h a p t e r 2i n t r o d u c t i o no fe m b e d d e ds y s t e m 1 6 2 1t h es t r o n g p o i n to fe m b e d d e ds y s t e m 1 7 2 2t h ed e v e l o p m e n tt o o l sa n de n v i r o n m e n t 1 8 2 3e m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r e 1 8 2 4e m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r e 。厶。1 9 2 5c o m p i l e ra n dd e b u g g i n g 2 4 2 6b r i e fs u m m a r y 2 6 c h a p t e r 3t h ed e s i g no fh a r d w a r e 2 7 3 1t h er e q u i r ea n dc h a r a c t e r i s t i c 2 7 3 2t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g n 2 7 3 3d e s i g no fb a s eb o a r d 2 8 3 4d e s i g no fm o d u l eb o a r d 3 7 3 5t h ec h o o s eo f t e m p e r a t u r es e n s o r 3 8 2 6b r i e fs u m m a r y 3 9 c h a p t e r 3t h e d e s i g no f s o f t w a r e 4 0 4 1t h ei n t r o d u c t i o no fw i n c e 4 0 4 2t h ed e s i g no fb a s eb o a r ds o f t w a r e 5 2 4 3t h ed e s i g no fm o d u l eb o a r ds o f t w a r e 5 6 4 4d e s i g no fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 5 8 4 5b r i e fs u m m a r y 7 0 c h a p t e r 5t h ec o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 7 1 l 天 ， 5 1c o n c l u s i o n 7 1 5 2p r o s p e c t 7 2 ：i i ：j f e r e n c e 7 3 a p p e n d i x 。：，z l a c k n o w l e d g e m e n t 7 5 t h ea c h i e v e m e n ta n dp u b l i s h e dp a p e r s 7 6 a u t h o rb r i e fi n t r o d u c t i o n s 7 7 i x j 噜 北京化工大学硕士学位论文 第一章绪论 在当今世界四大材料体系( 木材、硅酸盐、金属和聚合物) 中，聚合物和金属是 应用最广、最重要的两种材料。以树脂为例，其产量超过了1 亿吨，我国的年产量 也己接近了4 千万吨，而在这些树脂中，大约8 0 都要经过螺杆挤出这一重要的工 艺来加工。其中不仅包括膜、板、管、丝和型材等制品的直接成型，还包括中空吹 塑、热成型等坯料的挤出加工。除此之外，在填充、增强、共混、改性等复合材料 和聚合物合金生产过程中，螺杆挤出在很大程度上取代了开炼、密炼等常规工艺。 还有，在树脂输送、脱水、排气、干燥、预塑和造粒等前处理工序中，无论是大型 的树脂厂，或者是中小型的制品厂，几乎都采用了挤出这一先进工艺。挤出机几乎 成为任何一个与塑料有关的企业或研究所最基本的装备之一。在这里还没有考虑注 塑机几乎都用螺杆来预塑这一重要因素。 如果从1 7 9 7 年j b r a n d 开始用挤出工艺生产铅管算起，挤出工业已经有2 0 0 多 年的历史。1 8 4 5 年，h b e w l g y 改进了r b r o o m 申请的专利，开始用柱塞式挤出机 来生产电缆。1 8 7 9 年m g r a y 取得了世界上第一个螺杆挤出机的专利，至1 8 8 1 年， 英国f r a n c i s s h o w 公司开始生产和销售螺杆挤出机。但直到1 9 3 9 年，p t r o e s t e r 公司 生产的单螺杆挤出机才从蒸汽加热改为电加热并附有空气冷却，长径比也大约只有 1 0 左右。应该说这只是挤出机的初期阶段。 2 0 世纪3 0 年代，热塑性塑料迅速发展，开始了工业化生产，p v c ，p e 和p s 分 别在1 9 3 9 年、1 9 4 0 年和1 9 4 1 年开始采用挤出法来加工，这就促使挤出机水平得到 了很大提高。到5 0 年代，挤出机的长径比己达到了2 0 左右，螺杆无级调速和挤出 系统自动控温已得到比较广泛的应用，膜、板、管、丝和中空吹塑等制品都开始得 到发展。自5 0 年代开始，各种工程塑料如1 9 5 0 年的a b s ，1 9 5 6 年的p o m 聚甲醛) ， 1 9 5 8 年的p c ( 聚碳酸酷) 和1 9 4 9 年的p e t 等也都开始工业化生产。从5 0 年代至7 0 年代末，通用塑料如p e ，p v c ，p p ，p s 等的产量，几乎以每5 年翻一番的速度增长。 螺杆直径小至2 0 m 大至5 0 0 m m 的挤出机均已生产，长径比也增加至3 0 3 5 以上。各 种混炼挤出机、喂料挤出机、排气挤出机以及双螺杆挤出机都得到了广泛的应用。 大部分热塑性塑料都能用挤出法进行加工，具有连续生产、生产效率高应用范 围广等特点，能生产管材、棒材、板材、薄膜、单丝、电缆电线、异型材以及中空 容器等。其中单螺杆挤出机占有相当大的比例【啦l 。目前，欧美国家单螺杆挤出机应 用情况如下表： 表1 1 欧美国家单螺杆挤出机应用情况 绪论 t a b l e1 - 1t h eu s a g eo fs i n g l es c r e we x t r u s i o nm a c h i n e 平膜片材 1 0 异型材 2 0 发泡材 3 0 4 0 吹膜1 0 0 电缆1 0 0 i单丝 1 0 0 据统计，世界上各主要发达国家的塑料制品生产中，以挤出及注射两种工艺生 产的制品约占制品总产量的6 5 左右。因此，一个国家挤出机械的产量及水平在某 种程度上，反映了该国塑料机械产品的先进程度l 引。挤出成型产品广泛应用于各行 各业，与人们的日常生活密切相关，在科技进步日益发展的今天，挤出成型的相关技术 和设备也在不断创新和改进【4 j 。 自五十年代末，我国开始生产塑料挤出机。直至六十年代中期，也仅有大连橡 胶塑料机械厂和上海挤出机厂两家生产挤出机。当时可以配套的辅机也仅有吹塑薄 膜、硬管、软管和造粒四种，且规格不全。六十年代后期，随着我国塑料原料和制 品工业的发展，对塑料机械的需求大幅度增加，供需矛盾极为紧张，迫使一些塑料 厂使用普通钢材和一般的机床制造“土挤出机和辅机。在国家的统一安排下，一 批机械厂改产挤出机械。如武汉塑料机械厂、山东塑料机械厂都是这个时期诞生的， 现在他们都已成为我国生产挤出机及其辅机的骨干企业【7 】。目前，我国生产挤出机 及辅机的主要企业已有2 0 多家。如果包括生产同向旋转双螺杆挤出机的厂家在内， 则接近4 0 家峭j 。 在我国塑料加工业中，几乎1 3 1 2 的塑料制品是通过挤出成型来完成的。作 为塑机的第二大类产品，挤出成型机组的产量和销售额约占塑料机械的2 0 一2 5 ， 其生产厂家分布在机械、轻工、化工、石化、建材、军工等行业；在地域上多集中 在塑料加工业发达地区，如江浙、辽宁、山东、广东等沿海地区，全国1 2 4 家主要 塑机企业工业总产值为3 8 7 亿元，沿海地区就占了7 0 以上。全国生产挤出机的厂 家超过百家，多数为民营或乡镇企业，约占塑机行业厂家的6 0 ，挤出机的品种约 占塑料机械品种的3 0 ，这个比例还有逐年上升的趋势【9 , 1 0 。全国每年能够生产3 0 0 ( 套) 以上挤出机组的厂家仅有三四家，大部分企业只能生产低档次的老产品，难 以达到经济规模，尤其在控制水平、效率、精度、可靠性和成套性等方面与发达国 家相比差距较大，由于专业水平和产业技术含量低，决定了产品的附加值低，从而 使企业的整体效益不高，在国际竞争中处于劣判1 。 上述形势下，高分子材料科学、塑料加工工艺学和塑料机械设计已成为塑料工 程与科学的三大支柱。挤出成型的理论和技术得到不断的深化和拓展；可加工的聚合 物种类、制品结构和制品形式越来越多；挤出工艺得到不断的发展；挤出成型的设备 得以不断改进和创新，设备越来越大型化、高效率化、精密化、智能化及专用化。 2 北京化工大学硕士学位论文 不仅如此在聚合物加工工业中，各种在磁、电、光学基础上的测试仪表、建立在计 算机技术上的自动控制、在线实时的测量反馈系统、c a d 系统和优化技术都已得到 广泛的应用。然而由于挤出成型生产过程的复杂性，仍然存在大量的问题有待解决。 挤出成型设备主要包括主机( 挤出机) 和辅机( 包括机头模具、定型装置、冷却装 置、牵引装置、卷曲装置、切割装置等) 两部分。在挤出制品的加工过程中，为了保 证制品尺寸的精确性和加工过程的稳定性，挤出成型设备的主要控制参数包括机筒 温度、机头温度、熔体压力、主机转速、牵引转速、卷取速度以及不同制品几何尺 寸等的质量指标：如制品的外形尺寸和形状、壁厚及其分布、表面光洁度等。 随着现代电子信息技术和机械加工技术的发展，特别是4 c ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r o l ，c r t ) 和n 技术的广泛应用，使得挤出成型生产装备无论是 在机械结构设计，还是在测控技术，以及相应的数据采集处理方面都有了飞速的发 展。挤出成型设备的控制系统中，各种先进传感器测试技术、先进检测手段、先进 功能的电器工控元件及通信技术，还有先进的控制理论都逐渐被采用。这些技术的 采用，使得挤出成型设备中能够实现整个系统的多功能、多参数闭环反馈控制，控 制精度大大提高。 1 1 传统挤出控制系统 从控制系统的组成来说，传统挤出成型装备的控制系统采用继电器控制系统或 者模拟仪表型控制系统再或者两者结合。继电器控制电路通常针对着某一固定的动 作顺序或者生产工艺而设计的，其控制功能仅局限于逻辑控制、定时、计数等这样 一些简单的控制。对于温度、压力、流量等一些模拟量的检测、显示和控制，继电 器通常无能为力，这时必须通过控制仪表结合传感器和执行器来实现。 图1 1 模拟仪表与继电器结合的控制系统 f i g 1 1a n a l o g a n dr e l a yc o n t r o ls y s t e m 图1 - 1 为模拟仪表与继电器结合的控制系统结构框图。该框图通常可以看成是 由输入电路、控制电路、输出电路和生产现场这四部分组成。其中输入电路部分通 常是由按钮、行程开关、限位开关、传感器等构成，用以向系统传送控制信号；输出 电路部分是由接触器、电磁阀等执行元器件构成，用以控制各种被控制对象，如电 3 。绪论 机的启动停止、加热器的通断等，都是开关量的通断控制；继电器控制电路部分是控 制系统的核心部分，它通过导线将各个分立的继电器、电子元器件连接起来对工业 现场实施控制：生产现场是指被控制的对象或生产过程。 伴随着挤出工业的发展，各种复杂的挤出成型机组越来越多，其主辅机之间的 动作协调关系越来越复杂，因此人们对挤出成型设备中的控制系统提出了更高的要 求。各种先进的控制理论也逐渐被采用，传统的单纯模拟仪表型控制系统和继电器 控制系统已不能满足人们的高要求。这时，以计算机、单片机为控制核心和以p l c 可编程控制器为控制核心的计算机控制系统开始出现在挤出成型的控制中。 1 2 计算机控制系统的组成与分类 计算机控制系统通常是一个实时控制系统，从系统总体角度而言，它应包括硬 件和软件两大部分。 计算机控制系统的硬件一般由控制对象、检测环节、计算机、输入输出通道、 外部设备和操作台组成。计算机是控制系统的核心。计算机只能接受和处理数字量 信号，要想监测和控制工业生产过程连续变化的模拟量，必须与测量元件、变送器、 调节器、执行器、a d 和d a 转换卡等配合使用。计算机根据输入通道发送来的工 业对象的运行情况，按照预先根据控制规律( 数学模型) 设计的控制程序，自动地进 行信息处理、分析和计算，做出相应的控制策略或调节，并通过输出通道发出控制 指令。过程控制的操作员必须能够与控制计算机进行“对话 ，以了解生产过程的状 态，有时候还需要修改控制系统的参数，以及在发生事故时进行人工干预。 计算机的软件系统通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。系统 软件指的是操作系统、程序设计系统等与计算机密切相关的程序。系统软件一般由 计算机生产厂商或各种软件公司提供，带有一定的通用性，不需用户编写。 应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在计算机控制系统 中，每个控制对象或控制任务都要配有相应的控制程序，通常称为应用程序。应用 程序的编制涉及到对控制规律、生产工艺、生产设备、控制工具等的深入理解。 计算机控制系统按照控制方式可以分为：数据采集和数据处理系统、直接数字控 制系统、监督控制系统、分级控制系统几种方式。 计算机用作各种数据的采集和处理时，主要是在计算机的管理下，定期地对大 量的过程参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报 警以及对大量数据进行积累和实时分析等。这种方式，计算机不直接参与过程控制， 对生产过程不会直接产生影响。这种应用方式中，计算机虽然不直接参与控制，但 其作用还是比较明显的。首先，由于计算机具有速度快的特点，故在过程参数的测 量和记录中可以代替大量的常规显示和记录仪表，对整个生产过程进行集中监视。 4 北京化工大学硕士学位论文 同时，利用计算机强大的运算和逻辑判断能力，可以对大量的输入数据进行必要的 集中、加工和处理，并且能以有利于指导生产过程控制的方式表示出来，故对指导 生产过程控制具有一定的指导作用。另外，计算机具有信息存储能力，可预先存入 各种工艺参数的极限值，处理过程中可进行越限报警，以确保生产过程的安全。 直接数字控制系统d d c ( d i r e c td i g j 【t a lc o n t r 0 1 ) 中，计算机通过测量元件对一个 或多个物理量进行巡回检测，经过采样、a d 转换后将其转换为数字量，再根据采 样值和内部按预先编制好的控制规律算法计算出控制量，最后发出控制信号直接去 控制执行机构，使各个被控量达到预定要求。d d c 系统中，计算机直接作为闭环控 制回路的一个部件直接控制生产过程，它不仅能完全取代原来的常规模拟控制器， 实现多回路的p i d 调节，而且不需要改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较 复杂的控制，如前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。 监督控制系统s c c ( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r 0 1 ) ，它是由计算机按照描述生产 过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟调节器或d d c 计算机，最后由模拟 调节器或d d c 计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最优工况。s c c 系统较 d d c 系统更接近生产变化的实际情况，它不仅可以进行给定值控制，同时还可以进 行顺序控制、最优控制等等。监督控制系统有两种不同的结构形式。 一种是s c c + 模拟调节器，另一种是s c c 十d d c 控制系统。生产过程中存在 控制问题，同时也存在大量的管理问题。过去，由于计算机价格高，复杂的生产过 程控制系统往往采用集中控制方式，以便对计算机充分利用。这种控制系统由于任 务过于集中，一旦计算机出现故障，将会影响全局。廉价而功能完善的计算机的出 现，则可以由若干台微处理器或计算机分别承担部分任务，用多台计算机分别执行 不同的控制功能，既能进行控制，又能实现管理。 例如一个生产企业所采用的分级计算机控制系统分为四级：装置控制级、车间监 督级、工厂集中控制级、企业管理级。装置控制级( d d c 级) ，它对生产过程或单机 进行直接控制。车间监督级c s c c 级) ，它根据厂级下达的命令和通过装置控制级获 得的生产过程的数据，进行最优控制。它还负担着车间内各工段间的工作协调控制 以及负担对d d c 级进行监督。工厂集中控制级，它根据上级下达的任务和本厂情 况，制订生产计划、安排本厂工作、进行人员调配及各车间的协调，并及时将s c c 级和d c c 级的情况向上级反映。企业管理级，制定长期发展规划、生产计划、销 售计划，发命令至各个工厂、接收各部门发回来的信息，实行全企业的总调度。 计算机控制系统的分类方法很多，除了上述按控制方式的分类方法外，还可以 按控制规律等形式进行分类。日常学习生活中计算机的接触己经非常普遍了，人们 对计算机的概念也有了较清晰的印象。在工业领域计算机的应用越来越广泛，但人 们对应用在工业上的计算机认识还是比较模糊。工业生产控制中使用的计算机不仅 5 ，绪论 仅包括常见的个人电脑，还包括集散控制系统，数控装置，可编程序控制器( 简称 p l c ) ，单片机，工业p c 机等。 1 2 1 以单片机为核心的控制系统 单片微机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 简称单片机，是将c p u ， r a m ，r o m ( r p r o m ) 、定时器计数器和i o 接口全部集成在一个硅片上。由于它的 控制功能强，体积小，成本低，功耗小，使用方便，可以直接装到仪器设备上，因 此2 0 世纪8 0 年代以来，单片机的发展非常迅速。单片机已成功地应用在智能仪器 仪表、机电设备、过程控制、数据处理、自动检测等各个领域，单片机控制系统在 塑料加工成型中的应用非常广泛。比如时雨、彭勇刚、覃强利用单片机开发了塑料 加工成型中的温度控制系统和逻辑控制系统。直接利用单片机进行控制系统开发设 计需要设计者掌握丰富的软硬件知识，相对比较麻烦和困难。现在各种智能仪器仪 表、数字式直流调速器以及变频调速器等都是用单片机由专业开发设计者开发出来 的，作为普通使用者并不需要深入掌握单片机的原理，只需掌握这些装置的使用方 法，正确使用这些仪器仪表便可以达到很好的控制效果。 1 2 2 以p l c 为核心的控制系统 可编程控制器简称p l c ，是一种数字运算操作的电子系统，是计算机家族中的 一员，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存 储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、 模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关 的设备，都按易于与工业控制系统联成整体、易于扩充功能而设计。从一定意义上 讲p l c 属于微处理器，在功能和原理上与计算机控制是一样的，只是更集成化、专 业化，适合工业化的要求，以p l c 为控制核心构建控制系统时需要根据系统功能选 择不同的功能模块。以p l c 控制伺服系统为例：如果伺服系统工作在速度模式或转 矩模式，则p l c 需配置模拟量i o 模块，如果伺服系统工作在位置模式，则p l c 需配置高速数字量i o 模块，如果希望以通讯方式控制伺服系统，则p l c 需配置通 信模块，等等。 随着p l c 技术的发展，其各种专用模块越来越多，为人们在使用p l c 时提供 了越来越大的挑选空间。p l c 在塑料加工工业中的应用也越来越多。最常见的应用 便是利用p l c 进行的各种启停、开关等逻辑控制。此外还有应用p l c 进行挤出机 生产率控制。温度控制、张力控制、速度控制等。需要一提的是，如果单纯控制几 台逻辑关系并不复杂的电机的启动与停止，或只是为了使用p l c 来控制温度，则我 6 北京化工大学硕士学位论文 们认为在综合考虑成本的情况下，可以不采用p l c 的控制方案。因为p l c 更适合 于那些大型而复杂的机组的控制。目前来说，p l c 的控温精度，没有市场上那些专 用的基于单片机的智能仪表的控温精度副1 2 , 1 3 l 。 下图1 2 即为某一以p l c 为控制核心的控制系统硬件组成图。 图1 - 2p l c 为核心的控制系统 f i g 1 - 2p l cb a s e dc o n t r o l s y s t e m 1 2 3 以p c 机为核心的控制系统 8 0 年代，自i b m 公司推出个人计算机( p c ) 以后，i b m p c 机以惊人的速度发展。 由于其容量大，速度快，软件产品类型多样，品种齐全，软硬件开发环境及有关工 具非常丰富，加上其良好的用户界面，有图形显示功能等，因而p c 机对工业控制 领域产生了很大的吸引力。最初p c 机在工业过程自动化领域的应用，是在p c 机的 扩展槽种插入数据采集卡，对工业现场信号进行采集与处理，同时在p c 机外面加 上厚厚的保护壳以防电磁干扰，在p c 机内部加冷却风扇以降低温度等。但是这些 措施都没有从根本上解决抗干扰和稳定性、可靠性问题。后来人们根据工业现场控 制的要求，在p c 机改进上做出了艰苦努力，在结构设计上、技术工艺上采取各种 措施，制造出专门用于工业现场控制的工业p c 机，使其可以抵抗恶劣、复杂的工 业现场环境。在塑料加工过程中有利用传统p c 机进行控制的，也有利用专业工业 p c 机进行控制的，我们统称为基于p c 机的控制。辅以各种数据采集板卡和组态软 件，p c 机可以实现多种复杂任务的控制。应用较多的是利用p c 机对挤出成型过程 中的一些参数进行数据采集、存储和分析。也有利用p c 机来实现挤出过程中的先 进控制，如模糊控制、变结构控制等。2 0 0 1 年北京化工大学何宾利用p c 机和数采 卡设计了挤出机组的温度控制、速度控制与数据采集。下图1 3 即为典型的以计算 机为控制核心的挤出过程监控系统。 7 绪论 霪 缝 耋 毽 嚣 对 熏 墨堡塑缝匕笺 函雨确行罐 l 锉矍! = 型 匣匦匠习 图l - 3 以计算机为核心的控制系统 f i g 1 - 3p cb a s e dc o n g t o ls y s t e m 1 2 4 其他新型控制系统 没捧 壁薪考 ，瞎 麓翟 髑 d c s 是分散控制系统( 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 ) 的简称，即分布式计算 机控制系统。d c s 是集4 c 技术( c o m p u t e r , c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n , c r t ) 为一体 的高技术系统。c o m p u t e r 同时含有信号处理技术和控制算法；c o n t r o l 同时包含有 传感器、变送器和泵阀等控制部件；c o m m u n i c a t i o n 包含有计算机网络、数据传输 和通信；c r t 是人机交互的重要窗口，换句话说，它是以微处理器为基础的分散型 控制系统，即它是把计算机技术、控制技术、通讯技术、以及图形显示技术结合在 一起的一种新型的控制系统。从广义上讲，d c s 有仪表型、p l c 型和p c 型，但为 什么不叫仪表型d c s 呢? 因为后来仪表型d c s 也有p l c 的功能；而p l c 也有了 p i d 调节功能。目前，习惯上将原先由仪表厂家生产的d c s 叫做传统的或常规的 d c s 。 d c s 从1 9 7 5 年问世以来，约有三次比较大的变革：2 0 世纪7 0 年代操作站的硬 件、操作系统、监视软件都是专用的，有个别d c s 厂家自己开发的，也没有动态流 程图，通讯网络基本上都是轮询式的；到2 0 世纪8 0 年代就不一样了，通讯网络较 多使用令牌方式；2 0 世纪9 0 年代操作站出现了通用系统，2 0 世纪9 0 年代末通讯网 络有了部分遵守t c p i p 协议，有的开始采用以太网。总的来看，主要变化体现在 i o 板、操作站和通讯网络。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的。它是应用在生产现场、在微机化 测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也称开放式、数字化、多 点通信的底层控制网络。它的出现为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。 与传统d c s 的现场控制级设备相比，现场总线具有成本低、互操作性好、系统 扩充和维修投资少、安全性高、可以分布到现场等特点。因此，现场总线技术正在引 8 芹差量控钕 北京化工大学硕士学位论文 起一场自动控制领域的革命。现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型 的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 。 这是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字 控制系统、集散型控制系统后的新一代控制系统。 现场总线技术是工业自动化发展的前沿。国际众多大公司为了技术上的领先地 位，纷纷致力于总线技术的开发。目前国际上大大小小的现场总线多达4 0 几种，每种 总线后面都有一个或几个大的企业集团。比较著名的总线有f f , p r o f i b u s ，l o n w o r k s 及d e v i c c n c t 等。现场总线种类繁多、各具特色，但它们之间互不兼容，这不利于自动 化技术的发展。现场总线的标准化工作早在1 9 8 4 年就开始进行，但由于各个国家及 企业都极力维护自己的利益，意见很不一致，直到1 9 9 9 年底，才通过了经过妥协的 i e c6 1 1 5 8 规范。该规范包括了8 种互不兼容的现场总线。就目前而言，纯粹的现 场总线控制系统在实际中的应用并不是很广泛，这是由于当前的一些客观条件，如总 线标准不统一、现场总线仪表不成熟、现场总线控制系统的可靠性有待进一步检验 等所决定的。 现场总线控制系统的主要技术特点 a ) 现场通信网络： b ) 现场功能块： c ) 现场仪表互连和互操作； d ) 开放式互联网络。 虽然当今的电子技术和工业控制技术飞速发展，但这些高新技术应用在塑料机 械行业例子却非常少。尽管注塑机方面的控制技术已基本完善，但仍处在老式控制 技术的基础之上。这几年也没有什么新的控制技术应用在注塑机上。至于挤出机控 制方面仍是一片空白，没有什么大的发展。 综合型控制系统 对于小型挤出生产设备来一说采用上面的某一种控制核心设备也许便可以实现 所需的控制任务，然而在大型的挤出机组中控制任务更多更复杂，采用单一的设备 往往难以胜任，必须采用多种控制设备相结合的方法来实现。比如将p c 机与智能 仪表相结合、将p c 机与p l c 相结合，将p c 机与可编程计算机控制器( p c c ) 相结合 等等。大型生产企业与实验室使用机组不同，企业不仅仅需要实现设备的自动化控 制，还要实现生产现场与企业管理的信息交换，这些必须借助各种控制设备构建计 算机网络系统以及企业信息管理系统来实现 9 绪论 1 3 挤出控制系统控制参数以及影响 挤出成型是一种高效的成型加工方法，