（机械电子工程专业论文）一种大型捏合机控制系统的研究与设计.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 一种大型捏合机控制系统的研究与设计 姓名 连海洲 申请学位级别 硕士 专业 机械电子工程 指导教师 赵英俊 2001 1 1 华中科技大学硕士学位论文 摘要 捏合机是固体推进剂生产混合工序的关键设备 传统的混合工序因自动 化程度低 缺乏状态监测手段等原因 容易发生爆炸 造成人员 财产的重 大损失 为了扩大生产 消除安全隐患 某厂决定对一台大型捏合机进行全 面的技术改造 因此需要研制一套自动化程度高 安全 可靠的捏合机控制 t 系统 i 一一 本文首先对国内同类设备的技术状况和控制形式进行了详细地分析和比 较 针对企业的实际情况 全面地分析本控制系统的功能需求 明确了其主 要技术指标 在此基础上 本着先进实用 安全可靠的原则 提出了以m o d i c o n t s xq u a n t u mp l c 为核一t l 的控制方案 提出并对捏合机控制系统的软 硬 件设计进行了具体的分析和论证 利用双p l c 的主 备自动切换和双机双 缆冗余的通讯网络 可以极大地提高控制系统的可靠性 利用专用网络连接 现场设备与p l c p l c 和h m i i p c 实现远程操作 配合防爆设计 能够 明显改善系统的安全性 随后 本文对现场信号的检测与传输 主电机调节 混合锅恒温控制等影响系统性能的关键技术进行了细致的研究 捏合机控制系统经过安装和分部调试 进行了三次整机带料试车 最长 连续运转时间达2 0 小时 试验数据和产品检验结果均表明 本捏合机控制 系统操作方便 安全可靠 故障判断及时准确 达到了预期设计目标 一 关键字 捏合机 固体推进剂 p l c 防爆 a b s t r a c t k n e a d i n gm a c h i n e sa r ek e ye q u i p m e n tf o rs o l i dp r o p e l l a n tm i x i n g b e c a u s e o f l o w l e v e la u t o m a t i o na n da b s e n c eo f c o n d i t i o nm o n i t o r i n g e x p l o s i o n a c c i d e n t s o c c u r r e ds o m e t i m e sd u r i n gt r a d i t i o n a lm i x i n gp r o c e s s e s r e s u l t i n gi nc a t a s t r o p h i c l i f ea n d p r o p e r t y l o s s e s i no r d e rt oi n c r e a s ey i e l da n de l i m i n a t eh i d d e n t r o u b l e s ac h e m i c a lp l a n td e c i d e dt or e b u i l dak n e a d i n gl i n e i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa c o n t r o ls y s t e mf o rt h ek n e a d i n gm a c h i n e f i r s t l y t h i sd i s s e r t a t i o nm a d ead e t a i l e dc o m p a r a t i v es t u d y o i lt e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eo fs i m i l a rd o m e s t i ce q u i p m e n t b a s e d o nf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n dd e t e r m i n a t i o no f m a i ns p e c i f i c a t i o n so f t h e s c h e m e dc o n t r o ls y s t e m t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e dam o d i c o nt s xq u a n t u m p l c b a s e dc o n t r o ls y s t e m t h e n s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m w a sa n a l y z e da n dd e m o n s t r a t e dc o n c r e t e l y t h er e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m c a nb ei m p r o v e dg r e a t l yw i 血ar e d u n d a n tp l ci nh o ts t a n d b ya n dar e d u n d a n t c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l w i t hs p e c i f i cn e t w o r k sc o n n e c t i n gf i e l dd e v i c e sa n d p l c h m ia n di p c b o t hl o c a la n dr e m o t eo p e r a t i o nc a nb er e a l i z e d w i 血 a d d i t i o n a l e x p l o s i o n p r o o fd e s i g n t h es y s t e ms a f e t y c a nb ea l s o i m p r o v e d f i n a l l y s o m ek e yt e c h n i q u e so f t h es y s t e mw e r es t u d i e dt h o r o u g h l y i n c l u d i n g d e t e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no ff i e l d s i g n a l s 删u s t m e n to ft h em a i nm o t o r t e m p e r a t u r e c o n t r o lo f t h e m i x i n g c o n t a i n e r a i l e ri n s t a l l a t i o na n ds u b s y s t e md e b u g g i n g t l l r e e s y n t h e t i c a lt e s t sw i t h m a t e r i a lw e r ec a r r i e d a n dt h em a x i m u m c o n t i n u o u s r u n n i n g t i m ew a sa sl o n ga s 2 0h o u r s b o t hp r o c e s sd a t aa n dr e s u l t so fp r o d u c tt e s t si n d i c a t e dt h a tt h e k n e a d i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mr e a c h e dt h ed e s i g ng o a lw i t hs e v e r a lm e r i t s s u c ha so p e r a t i o n a l c o n v e n i e n c e h i g h s e c u r i t y h i g h r e l i a b i l i t y e t c k e yw o r d s k n e a d i n gm a c h i n e s o l i d p r o p e l l a n t p l c e x p l o s i o n p r o o f i i 第一章绪论 1 1 研究的目的 意义 捏合机是固体推进剂生产的主要设备之一 也是安全生产的关键 不论 是二十世纪六十年代世界各国普遍采用的 s 形桨叶卧式胶化机 还是目 前采用的双桨叶 双行星运动的立式捏合机 由于自动化程度低 缺乏状态 监测手段等原因 都极易发生技安事故 美国锡奥科耳公司的埃尔克顿分公 司 隆霍恩分公司以及美国海军推进剂工厂等企业曾多次发生混合工序着 火 爆炸事故 我国从1 9 6 2 年开始 也先后发生过1 0 多起混合设备的着火 爆炸事故 例如 我国北方某厂的同类设备曾发生过类似的爆炸事故 其原 因即在于此 1 另一方面 推进剂的混合过程一般要持续7 2 小时以上 任何原因导致的混合过程中断都会造成巨大的经济损失 因此 如何保证捏 合机的安全性和可靠性是其设计所必须考虑的首要问题 本文针对固体推进剂混合加工中容易出现的问题 运用现代控制理论和 安全性 可靠性设计的方法 着重研究捏合机的自动控制方法和技术 并结 合具体设备需要 进行捏合机控制系统的设计 使混合设备的生产具有运行 稳定 可靠 安全以及操作维护方便的特点 1 2课题概述 1 2 1 课题来源 本课题来源于华中科技大学机械学院与某化工厂签定的合作改造项目 该项目的主要工作是在恢复捏合机原有功能的基础上 使改造后的系统在自 动化水平和先进性方面具有较高水平 满足运行稳定 可靠 安全 操作 维护方便的要求 1 2 2 课题背景简介 该厂的这台大型捏合机 建造于三十多年前 由于长期闲置 该设备除 机械结构主体能够修复使用外 其它部分 如控制系统 液压系统 气动系 统 细加料系统等 均需重建 本课题的任务就是要根据企业现在的需要 华中科技大学硕士学位论文 采用现代科学技术 对这台大型捏合机进行全面的技术改造 考虑到安全生 产 科学管理等多方面的因素 本次技术改造应该满足如下技术要求 1 生产安全 可靠 选用高质量 名牌元器件 危险场所元 部 件 进行防爆设计 提高单个元 部 件的安全性 可靠性 控制系统 采用双机双缆冗余结构 热后备与冷储备相结合 防止主c p u 模板 故障或电缆损坏造成系统崩溃 2 操作安全 方便 操作界面分级别授权访问 并建立操作人员库 形成有效的安全操作规范 系统多重联锁保护 减少可能误操作 简化操作台按钮 人机界面友好 操作方便 易懂易学 3 维护简单 方便 硬件设备选择具有良好的维护和技术支持能力的 设备 完全采用标准化接口 软件设计采用模块化程序设计方法 计算机自动监测以及故障报警 诊断 自动生成并存储生产工艺流 程历史数据库 方便查找故障原因 4 管理科学化 网络化 生产工艺流程 资料报表实行计算机化管理 利用工业控制计算机 p c 内的以太网卡 可实现工厂乃至整个基 地对设备和生产运行状况的远程实时动态显示 实现网络化生产管 理 1 2 3 研究任务 本文的主要研究内容是 1 从现代化工业生产对控制系统的要求出发 针对固体推进剂生产工 艺的特殊要求 研究大型捏合机自动控制的方法和关键技术 2 结合企业实际 设计一个安全 可靠 控制性能先进的捏合机控制 系统 1 3 相关技术的现状与发展趋势 1 3 1 同类设备控制技术分析 在推进剂生产过程中 为了将大量的固体粉末均匀地分散到超高粘流体 中 需要对物料提供强大的切应力并使物料在混合设备内进行有效的移动和 循环 要完成这种操作 需要使用适用于超高粘流体的特殊搅拌设备 如捏 合机 卧式双轴型捏合机是通用设备 而立式捏合机则是易燃易爆超高粘流 华中科技大学硕士学位论文 体物料搅拌和混合的专用设备 它有两个桨叶作行星啮合运动 具有啮合效 率高 搅拌均匀可实现真空混合的特点 和卧式捏合机相比 立式捏合机由 于桨叶竖立 轴承不浸在物料内 因此更为安全可靠 2 本文中所提及的立式二臂扭框式行星传动捏合机 8l 是我国自行设计 制 造的大型混合设备 初始设计时控制部分采用的是直接继电器控制的方式进 行控制 直接采用继电器进行控制的主要优点是抗干扰能力强 调整维护容 易 造价较低 然而它是具有触点的控制系统 触点较多 组合复杂 容易 损坏 因而可靠性差 目前承担该厂主要生产任务的液压马达传动立式捏合机 是由航空工业 总公司四院4 2 所研制 其控制系统采用p l c 三菱f x 2 1 2 8 m r 进行控 制 通过气电转换系统对混合操作过程实现气 电 液联锁 可实现自动 手动控制和操作 可进行现场 远距离操作 其扭矩 温度 压力等参数的 监测和报警等性能优异 但加料方式仍为手工 不仅劳动强度大 而且存在 安全隐患 航空工业总公司四院4 2 所在早期还为该厂研制过其它的混合设备 主 要有5 0 0 升 卧式 2 5 升 立式 1 0 升 卧式 及1 升 卧式 等设备 均采用直接继电器进行控制 1 3 2 自动控制技术的一般发展 生产过程总是在一定的工艺参数条件下进行的 因此需要对这些参数进 行控制 自从工业大规模生产以后 就伴随着产生了检测和控制技术的发展 人们不能凭视觉和触觉去感受大生产过程中的操作参数的变化 所以必须有 相应的检测工具和控制技术 闭环自动控制系统一般是由被调对象 变送器 调节器和执行器构成的 4 其中被调对象是需要调节其工艺参数的生产设 备 变送器是检测工艺参数并把它转换成标准统一信号的装置 调节器是把 变送器送来的测量信号和给定信号进行比较 偏差信号按照预先设定好的调 节规律进行运算之后 输出一个控制信号去执行器 执行器是把调节器的输 出信号转换成直线位移或角位移 控制阀门的开度以改变物料的多少等等 随着现代化工业的发展 生产装置的规模不断扩大 生产技术及工艺过 程愈趋愈复杂 从而对实现过程自动化的控制系统相应地提出了更高的要 求 控制系统 7 蚣须满足 1 人机界面友好 便于集中操作 监视和管理 2 高度安全可靠 控制算法丰富 功能完善 华中科技大学硕士学位论文 3 能与计算机和常规模拟仪表相兼容 4 模块化系统构成 不仅易于扩展 而且维修简单 5 应具有良好的性能价格比 美国在1 9 4 6 年生产出了世界上第一台电子数字计算机e n i c a 以后 4i 五十年代中期便有人开始研究将计算机用于工业过程控制 1 9 5 9 年 世界 上第一套工业过程计算机控制系统在美国德州的一个炼油厂正式投入运行 开始了工业过程控制的新时代 二十世纪7 0 年代初诞生的微型计算机 标 志着计算机的发展和应用进入了新的阶段 计算机在控制领域中作为一个强 有力的控制工具 极大地推动着自动控制技术的发展 出现了新型的计算机 控制系统 过程工业计算机控制技术的发展 经历了二千世纪五十年代的起步期 六十年代的实验期 七十年代的推广期 八十年代的成熟期和九十年代的进 一步发展期 现在 计算机控制系统已成为现代化的大规模工业生产过程中 必不可少的组成部分 计算机控制系统的典型代表是计算机集散控制系统 d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 简称d c s 和可编程控制器 p l c 控制系统 前者多用于大型流程工业 后者多用于不同规模的离散工业 1 3 3p l c 控制系统 工业用可编程控制器 p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o i i e r p l c 是微机技术 和继电器常规控制技术相结合的产物 它吸取了微电子技术和计算机技术的 最新成果 采用微型机芯片为核心 根据工业生产特点而发展起来的一种专 用计算机 此外 p l c 形式多样 使用灵活 甚至能嵌入到专用设备和系 统中 与机械设备融为一体 p l c 主要用于开关控制和顺序控制 具有可 靠性高 体积小 价格低 易维护 功能完善 编程方便等优点 被广泛应 用于各工业领域 o 1 9 6 9 年 美国数字设备公司 d e c 为美国通用汽车公司 g m 研制 开发并成功应用于汽车生产线上的第一台可编程控制器f 1 91 当时称为p l c 随着微电子技术的发展 二十世纪七十年代出现了微处理器和微型计算机 并将其应用于p l c 中 使计算机功能得到了更大的发挥 1 9 8 0 年正式命名 为p c lw 2 0 l 为和个人p c 机区别 习惯上仍称之为p l c 在二十世纪八十 年代后期开始 p l c 的制造厂家为适应市场需求加迸一些模拟量的采集和 控制功能 并和运动控制相配合 使p l c 从专有性控制器向开放性发展 p l c 是以微处理器为核心的电子系统 与计算机所用电路相类似 其结 4 华中科技大学硕士学位论文 构框图如图1 1 所示 它由中央处理器单元c p u 输入 输出部分和电源 部分组成 1 9 2 1l 接扭 继电器 行程开关 电磁线圈 指示灯 图1 1p l c 控制系统结构图 中央处理单元c p u 由微处理器 系统程序存储器和用户程序存储器构 成 负责处理和运行用户程序 监控系统状态 做出逻辑判断及必要的处理 电源部件是将交流电源转换成供p l c 的微处理器 存储器等电子电路工作 的直流电源 使p l c 正常工作 编程器由键盘 显示器和工作方式选择开 关等组成 操作人员通过编程器输入 检查 修改 调试用户程序 也可监 视p l c 本身的工作状态 输入 输出部分是p l c 与被控设备或控制开关相 连接的接口电路 可编程控制器可以完成 逻辑控制 定时控制 计数控制 步迸控制 a d d a 转换 数据处理 通信与联网 控制系统监控等功能 为适应工 业环境p l c 具有如下特点 2 l 5 i 1 可靠性高 抗干扰性强 p l c 由于在硬件设计上采用了多重抗干扰措施 现场连线一般选用双绞 屏蔽线 同轴电缆或光纤等 可靠性高 2 应用灵活 操作方便 p l c 的特点之一是用户程序可简单而方便地编制和修改 以适应各种工 艺流程变更的要求 3 系统构成简单 通用性强 p l c 的安装和现场接线简便 可按积木方式扩充控制系统规模和增删其 功能以满足各种不同场合的要求 4 设计简单 维修简便 p l c 具有标准化的积木式的硬件结构 品种齐全 门类繁多的u o 模板 和功能模板 以及模块化的软件设计 具有设计简单 与现场装置连接容易 使用维修简便以及调试周期短等优点 华中科技大学硕士学位论文 p l c 在二十世纪六十年代末引入我国时 只用作离散量的控制 其功能 也只是将操作接到离散量输出的接触器等上 最早只能完成继电器梯形逻辑 的操作 随着工业生产的发展 近年来 由于开发了具有智能i o 模块的 p l c 可将顺序控制和过程控制结合在一起 不仅能实现生产过程的控制 而且还可实现运动控制 此外 p l c 以现代网络通信技术和人一机界面技 术为基础 与d c s p c 技术的融合 l 5 t 2 3 2 6 形成的新一代的p c s p r o c e s s c o n t r o ls y s t e m 即具有p l c 功能的新型集散控制系统 和i p l c i n t e g r a t e d p l c 即集成p l c 具有比较强大的模拟量处理能力 被广泛地应用于航天 冶金 轻工 建材等行业 固体推进剂的生产过程既不同于一般的流程工业 又与离散型的制造业 不同 其生产过程既需要连续控制 又有很多需要进行逻辑 n 序控制的地 方 综合考虑各种因素 捏合机控制系统可以选择现代可编程控制器为核心 以更好地满足固体推进剂生产工艺的特殊要求 1 4 本文的主要研究工作 本文主要研究工作包括 1 对目前国内同类设备控制方案进行了分析和研究 对捏合机设备常 用控制系统的现状与发展动态进行分析和比较 2 在对捏合机设备结构及其混合工艺流程进行分析的基础上 提出了 处理超高粘流体物料的捏合机控制系统的总体设计思想及其实施方 案 并给出了该控制系统的软 硬件总体结构 3 结合工程实际 研究大型捏合机控制系统中的若干关键技术 如现 场信号的提取与传输 主电机功率与转速的调节 混合锅的恒温控 制方法等等 4 完成捏合机控制系统的设计 构建与调试 并分析了系统的实际运 行效果 华中科技大学硕士学位论文 第二章控制系统总体设计 捏合机是固体推进剂生产线上的核心设备 也是安全可靠生产的关键所 在 因此 捏合机控制系统的设计 应充分利用微型计算机 p l c 设备状 态监测等新技术 不仅要确保恢复捏合机的原有功能 而且要使改造后的设 备的自动化程度及安全性能上达到一个新的水平 2 1 捏合机及其控制系统 生产现场与控制室相距约2 0 0 米 生产现场可分三层 各层的平面布置 如图2 1 所示 整个系统由液压 气动 粗加料 细加料 热水 主电机子 系统以及音视频监视系统组成 各子系统在现场的位置见图2 1 控制室 图2 1 控制系统平面布置图 生 产 现 场 华中科技大学硕士学位论文 p l c 是捏合机控制系统的核心 它不仅要完成整个系统的各项控制功 能 而且要为上层监视系统提供生产现场设备的数据 2 1 1 混合设备的基本构成 混合设备是一种将固体粉料 液体料与适当的胶化剂进行混匀加工的设 备 其基本加工过程是 根据一定的工艺j 颐序 将药料按 顿序加入混合锅中 由搅拌桨不断地正反转搅拌 直至均匀 并达到某种性能要求 2 1 处理超高粘流体混合设备的搅拌设备有多种 较常见的有捏合机 双螺 杆挤出机及密炼机 在固体推进剂的生产中经常使用捏合机 捏合机又分为 卧式和立式两大类 本处使用的是立式两臂扭框式行星搅拌机 这台搅拌机 除搅拌装置本体外 还包括 搅拌桨的动力驱动部分一 主电机及其辅助设备 混合锅的升降动力部分一液压油缸及其辅助设备 混合锅的恒温系统 热水锅炉及其辅助设备 自动加料部分一粗粉加 料器 细粉加料器及其辅助设备 控制部分 控制器及其扩展模块 各 种开关量 模拟量传感器等等 整个捏合机的基本构成如图2 2 所示 图2 2 捏合机基本构成 其中 现场操作按钮是指现场气动按钮 包括主电机的现场控制按钮 混合锅升降的现场控制按钮以及现场推锅按钮等 2 1 2 混料系统基本工艺流程 因工艺的特殊性 本系统最大的特点是自动与手动相结合 每次生产前 由人工将料加入加料器内 以实现混合生产中的远程自动加料 而液体料目 前仍采用手工加料 此外 在搅拌过程中 控制系统要保证混合锅夹套热水 温度保持恒定 混料基本工艺为 1 工艺参数输入 设定正反转时间 对应转速 设定高 低温热水箱控制温度 设定混合 锅的出水口控制温度 设定加料速度等工艺参数 2 加料混合 开机混合时 提前3 0 m i n 通保温水 以使混合锅内药浆温度达到工艺要 求值 混合锅上升到位后 进入混合工序 具体混合工艺流程如图2 3 所示 混合混合 i 加胶等料 i 包括正车 反型i 加固体料i 包括正车 反到加固体料i l 混合前进行 ji 细粉料 l 启动细粉加料器i 粗粉料 i 混合 混合 混合 望堑垩主 垦翌l 停机清理i 垡堑里圭 垦到停机清理l 鱼堑至圭 垦翌 启动租粉加料器 i 加粗粉料l 启动粗粉加料器i 加液体料l 混合 鬟臻碧嚆蔫矧篇等嚣h 蓊型i 加粗粉料i 启动粗粉加料器i 大清理ii 出料ll 测间隙l 图2 3 混料系统混合工序工艺流程 3 断保温水 并为下锅料的生产做准备 2 1 3 控制系统功能需求分析与定义 捏合机控制系统的功能主要包括功能控制 报警控制和记忆显示输出三 大部分 1 功能控制部分 主电机系统 一主电机的正 反转 启停以及桨叶调速 并实现自动 手动和现 9 华中科技大学硕士学位论文 场的控制功能 空一c 桨的转速在1 2 3 6 r m i n 范围内连续可调 一主电机的控制室和现场及手动和自动操作应能互锁 现场锅间隙 检查时 能够现场控制主电机 实现桨叶慢速点动 紧急报警时主电机的紧急停车 主电机停车时 先停转差离合器 再停电机 启动时 先启动电机再启动转差离合器 液压系统 l 撑 2 油泵电机的启停 过载保护以及电磁阀控制 一托举油缸的油压差超过一定值 液压系统应具有油压自动补偿控 制 混合锅的分阶段变速升降 紧急报警后的混合锅迅速下降控制 即混合锅快速下降一定高度后能够稳定 可靠地快速减速 锅到位开关 锅上升速度转换和锅耳锁紧均采用气动元件 升降 油缸正常快速升降速度1 0 1 5 m m s 慢速升降速度 一3 0 0 m m s 液压系统连续工作时间2 4 小时 加料系统 一加料器到位控制 加料器的启停 振动器的启停控制 气缸的开 启控制 下料速度可调节 加料器到位信息反馈到控制室 并参与控制 粗加料器和细加料器的加料速度调节范围分别为1 0 6 0 k m i n 2 1 2 k g m i n 料斗秤的静态精度优于o 2 量程裕量大于5 0 i i 抗振性强 可靠性高 热水系统 高 低温水箱水温 水位的检测 一锅夹套循环水温的检测 水温 水位控制 热水泵和阀以及电加热器的启停控制 手动 自动 高 低温水箱的温度设定范围分别为4 0 6 0 c 和3 0 4 0 c 达到初 始工作温度时间为6 0 m i n 2 音视频监视 报警控制 主电机机壳温度 转差离合器壳体温度及其冷却水温度 电流 功率 扭矩 转速的显示 监测和报警 生产流程 设备状态的实时监测以及生产 工艺参数的设定 在人机操作界面m m 上进行修改 异常状态报警与紧急 1 0 华中科技大学硕士学位论文 状态下的联锁互动 温度报警 安全门报警及互锁 扭矩 功率 料温 锅 内压力的报警以及系统故障时的报警 生产现场的多角度 多画面监视以及 单画面的高清晰度电视显示 现场与控制室的实时对讲系统 所有报警都应有声光示警 并应自动显示相应的报警内容 3 记忆显示输出系统 实时记忆 含异常报警 流程参数 设备状态 具有显示状态 打印流 程参数和设备状态等功能 流程参数报表和设备状态报表 料温 桨叶转速 扭矩和功率 要求每 锅形成时间曲线 参数设置 显示 记录 打印等均应满足工艺要求 2 2 控制系统总体设计 2 2 1 设计思想 系统的自动化程度应根据企业和同类设备的技术水平而定 以提高企业 的经济效益为目的 如前所述 固体推进剂的生产过程既需要连续控制 又 需要逻辑 顺序控制 就此而言 分析同类设备的不同控制方案 可以确定 采用以新型p l c 为核一1 5 的控制系统是目前比较好的选择 此外 固体推进剂混合生产中发生爆炸事故 因此 控制系统的可靠性 安全性问题是系统选型时需重点考虑的因素 不仅在系统硬件的选购 设计 上要求考虑安全性 可靠性 而且在控制系统的软件设计中也必须考虑对传 感器信号进行处理 如滤波 消抖 联锁保护等 首先 应该选用高性能的计算机承担控制任务 在本系统控制任务中 需处理1 7 8 个输入 输出点 其中开关量比较多 有1 3 7 个 其次 为预防 控制系统出故障 后备装置的设置也是必需的 由于该系统要求一般连续运 行7 2 小时左右 因此采用双机热后备的方式提高系统的可靠性 这样 一 旦系统出现故障 就可将后备系统装置切换到控制回路中 维护生产过程的 正常运行 2 2 2 远程智熊i o t 远程智能i o 模块是以微处理器为基础的功能部件 有很强的信息处理 能力和控制能力 远程智能i o 模块通过 对通讯电缆与p l c 主机相连 可以完成p l c 难以兼顾的功能 这样 可以简化控制系统的设计和编程 华中科技大学硬士学位论文 提高p l c 的适应性和可靠性 完整的远程智能王 o 又称r i o 系统由三个部分组成 即智能i o 前 端 现场网络通讯总线和计算机适配器四 1 如图2 4 所示 图2 4 远程智能i o 的组成 其中计算机通讯适配器完成整个网络的统一协调管理 实现与主控系统 的信息交换 如m o d i c o n 9 0 8r i o 处理器 插入母板插槽 即可对远程智 能i o 网络及前端进行操作 实现现场数据采集和控制功能 现场网络通讯 总线是连接各智能前端和通讯适配器并实现相互通讯的一种总线形式 采用 串行通讯方式 可支持点对点 点对多点 主从式及广播式等工作方式 智 能前端是完成现场信号转换和处理的远程i o 接口装置 完成a d d a 转 换 滤波 去抖 热电偶 热电阻测量变换 工程单位转换及基本处理和运 算功能等 这种控制系统的主要优点如下 1 可靠性高 远程智能 o 采用多i o 前端独立并行工作方式 任何单一的主机故障 或前端故障不会导致系统整体瘫痪 能把故障影响限制在最小范围 由于i o 前端的连接网络采用串行总线 智能前端就地安装 因此能大大提高系统可 靠性和测控精度 2 分散性好 智能前端采用密封式结构 可防尘 防潮 能适应工业现场的温度 湿 度及震动等恶劣环境 因而可在传感器或变送器附近就地安装 使各种信号 就近得到处理 使通讯网络延伸到工艺设备安装现场 成为 现场总线 由此可节省大量的信号电缆 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3p l c 系统选型 根据用户的高可靠性要求m 3 p l c 的c p u 模板和i 0 模板都应采用 热备方式 但考虑到增加i 0 模板热备系统成本会增加很高 因此只考虑c p u 模板热备的方式 对 j o 模板则采用冷储备的方式 即两台p l c 同时工作 一旦主p l c 出现故障 在容许的时间间隔内自动或手动切换到备份p l c 备份p l c 开始进行控制 关于热后备 可以考虑采用两种切换方式 一种是选用成熟的支持热备 份的p l c 另一种是选购市场上支持的能满足所需功能的自动切换设备 为简化系统设计 此处考虑采用第一种切换方式 多家公司的p l c 产品都 支持热备份 如法国s c h n e i d e r 公司的q u a n t u m 系列 德国s i e m e n s 公司早 期的s 5 系列 近期推出的s 7 4 1 7 h 系列等 从性价比来看 法国s c h n e i d e r 公司的q u a n t u m 系列p l c 无疑具有较高的性价比 而且该系列产品推出市 场比较早 技术比较成熟 能实现无扰动的切换 i 0 模板支持带电插拔 方便检修 且其p l c 控制系统已经成功地应用于多个要求高可靠性的工程 项目中 支持热备份的p l c 使用自动切换方式 所有的动作都是自动的 备份p l c 读取存储器模块的系统设备状态信息 断开主p l c 的输入部分和输出部分 再断开主p l c 的强电 备份p l c 开始工作 而使用自动切换设备进行切换 的方式采用的是手动切换方式 在该种切换方式中 主p l c 故障前的设备 状态应由备份p l c 保持 如遇锅在升降 应停止升降 同时上级监视计算 机和报警装置提示主p l c 故障 是否进行人工切换 其操作顺序与自动切 换方式是一样的 本控制系统选用的是自动切换方式 其结构 1 如图2 5 所示 图2 5s c h n e i d e rq u a n t u m 系列p l c 热备自动切换结构 萤雾圜翼圜霎 华中科技大学硕士学位论文 工业控制系统中的通讯涉及到许多不同类型的现场信号 再加上高可靠 性要求 为此本系统中h m i 与p l c 之间 工业控制计算机与p l c 之间均 使用工业控制专用通讯协议m o d b u sp l u s t3 根据系统设计的实际要求 综合考虑可靠性 安全性等因素 决定采用 如图2 6 所示的系统网络结构i 图2 6 双机双缆热备冗余系统网络结构图 其中r i o 分站最多可扩充到3 1 个 2 3 系统总体结构 2 3 1 系统硬件基本组成 整个系统可分为三层结构 设备层 控制层 操作 监视层 其中设备 层与控制层计算机 在本系统中为p l c 的c p u 模板 通过远程i o i u o 相连 组成分布式控制网络 控制层p l c 与操作计算机 在本系统中为h m i 和i p c 通过工业控制专用通讯网络m o d b l l sp l u s 相连 构成控制网络 控 制系统的i p c 中配置有以太网卡 可与厂级计算机局域网相连 能为工厂 1 4 华中科技大学硕士学位论文 有关部门提供反映生产状况的实时数据 控制系统选用s c h n e i d e r 公司的m o d i c o nt s xq u a n t u m 系列p l c 完成整 个控制系统的功能控制 并为上层监视系统提供现场设备实时数据 p l c 的输入包括各种模拟量 控制台 现场操作按钮及其它部件的开关量 输出 包括对各部件的控制与指示灯信号 p l c 通过m o d b u sp l u s 工业控制网络与 计算机监视子系统和h m i 显示终端相联 控制系统的总体结构图如2 7 所示 控制台按扫 i 报警电笛 l 指示灯 显示仪表 h m i 显示终端卜 t 叫i p c 控制室p l c 柜m b 网 p l c 分站l q p n 输 入 输 出 模 块 远 程 吾 通 讯 模 块 p l c 主站l 腓 主备切换控制器 t 程i 0 通讯模自 瑟i 霾l 弱i 弱 鬟i 葬l 銎i 銎 蓥i 蒌l 磊l 磊 斗吲罄l 笑 1 丌 l l c 输入输出模 现场p l c 分站 远程 o 通讯模 l c 输入输出模 l 强电柜 1 2 强电 图2 7 控制系统总体结构图 其中 h m i 显示终端为人机操作界面 使用专用操作系统m a g e l i s 通 过专用h m i 网卡与p l c 进行通讯 二者之间使用m o d b u sp l u s 协议完成数 据交换 h m i 是该控制系统的主要操作站 完成调试状态下设备的操作 各工艺参数的设定以及生产过程的实时监测 参数显示等工作 工业控制计算机 p c 使用过程监测软件f i x 通过s a 8 5 0 0 网卡与p l c 进行通讯 二者之间使用m o d b u sp l u s 协议完成数据交换 i p c 一般不参与 控制 组态软件f i x 主要用于车间设备状态图和监测数据的动态实时显示 历史数据的记录 产量的累加和定期报表的产生 当h m 与p l c 的通讯失 败时 可通过i p c 设定主电机转速 运转时间等重要参数 以保证系统的 继续运行 1 撑强电柜包括对主电机 转差离合器及其控制装置 真空泵电机 保留 加热炉 加热泵电机 高温水泵电机 低温水泵电机以及抱闸装置等的控制 还提供主电机功率 电流的检测等 2 存控制柜包括对液压双联泵电机 电机 保留 清液搅拌电机 保留 液压备用泵电机 气泵电机 隔膜泵 粗加料振动筛 细加料振动电机以及 华中科技大学硕士学位论文 加料系统可控硅装置等的控制 系统的网络配置如图2 8 所示 图2 8 控制系统的网络配置 在此配置方案中 p l c 的c p u 模板为双机热备 r i o 通讯电缆为双缆 华中科技大学硕士学位论文 冗余 主备p l c 与i o 模块间采用远程i 0 通讯 2 3 2 系统软件基本结构 控制系统软件采用模块化结构 子系统的增减或子系统功能的改变只影 响相应的程序模块 因而能很好地适应生产工艺和设备的变化 根据系统特 点 可把整个控制系统分为主电机功能模块 液压功能模块 混合锅恒温控 制模块 气动功能模块 以及粗 细加料功能模块等 控制系统软件的开发环境有三个 即p l c 控制软件c o n c e p t h m i 软 件x b t l 1 0 0 0 和工控机 p c 的生产过程监控软件f i x 控制系统软件的主要结构如图2 9 所示 主程序模块 图2 9 控制系统软件基本结构 1 7 气动功能控制及故障报警模块 混合锅恒温模块 混台锅模块 加料模块液压模块 主电机模块 恒温故障报警模块恒温功能控制模块 混合锅故障报警模块混合锅功能控制模块 细加料模块粗加料模块 液压故障报警模块液压功能控制模块 主电机故障报警模块 主电机功能控制模块 操作台功能控制及故障报警模块 细加料故障报警模块细加料功能控制模块粗加料故障报警模块 粗加料功能控制模块 华中科技大学硕士学位论文 其中 主程序模块主要完成 1 对p l c 各i o 模块进行功能配置 2 实现模拟量信号的工程量程 信号标度的变换以及软件滤波等处理 3 实现控制室操作台上五点锅内料温测点的循环显示 4 对p l c 工作状态的监测 系统时钟的设定等 5 完成捏合机正 反转混合时间的计算等a 6 实现操作台各按钮指示灯的完好性软件检查功能 各子功能模块内部则以梯形图或函数功能图的方式实现其逻辑控制或故 障报警功能 1 8 华中科技大学硕士学位论文 第三章控制系统若干关键技术的研究 捏合机控制系统是一种比较复杂的大型机电控制系统 既包含电机的控 制 又有液压 气动以及远程自动加料的控制 还有 套完整的水系统控制 其技术难点多而且分散 下面就影响系统性能的若干关键技术进行更加深入 的讨论 3 1 现场信号的采集与传输 3 1 1 现场信号的分类 本系统的现场信号如表3 1 所示 表3 i 现场信号的分类 序号信号分类信号类型备注 包括电流 功率传感器变换信号 压 力传感器变换信号 液位传感器变换信号 1 模拟量输入 4 2 0 m a 以及转速表 流量计和温湿度仪表等输出 信号 除温湿度信号测量外 所有温度信号 2热电阻输入p t l 0 0 均采用标准p t l 0 0 热电阻传感器测量 包括现场按钮 气动 转换开关 气 3 开关量输入 d c2 4 v动 行程开关 气动 触点开关 热保 护开关以及压力开关等输出信号 4 模拟量输出 o 5 v 转差离合器速度调节电压信号 包括液压系统所有电磁阀 气缸电磁 5 继电器输出 d c 2 4 v 阀 报警电笛及报警灯等 所有的电机 水泵 加料振动器的接 6 开关量输出a c2 3 0 v触器线圈 热水电磁阀 抱闸装置 热水 锅炉的接触器线圈等 3 1 2 现场模拟量信号的检测与传输 考虑到远距离传输模拟量信号的需要 本系统除温度测量外的所有模拟 量信号均经传感器变换为4 2 0 m a 电流环信号输入到对应p l c 的i o 模板 温度的测量采用p t l 0 0 热电阻变换为电阻变化信号输入到p l c 对应模板 1 9 华中科技大学硕士学位论文 压力 液位 电流 功率以及流量等被测量直接由相应的传感器变换为 4 2 0 m a 信号 转速由o m r o n 公司e 2 e x 5 m e i 接近开关转换成t t l 电平 的频率信号 再由智能转速显示变送仪x m s5 0 0 0 转换为4 2 0 m a 电流信号 重量由梅特勒一托利多s b 1 型 粗粉料 以及m t b 一2 0 0 型 细粉料 称 重传感器测量 再由称重显示仪x k 31 2 3 转换为4 2 0 m a 信号 由于生产现 场易发生爆炸危险 现场温湿度的测量选用奥地利e e e l e k t r o n i k 公司的e e 2 8 系列工业温湿度防爆变送器 其输出信号经显示仪表后输出也 为4 2 0 m a 信号 其它温度信号的测量 如冷却水温度 机壳温度 液压油温度以及热水 温度等 采用p t l 0 0 的热电阻测量 根据不同的使用场所选用对应的传感 器安装形式 其输出信号均为电阻变化信号 为消除连接导线电阻的影响 热电阻信号采用三线制传输 p l c 模板硬件自动矫正偏差 3 1 3 现场开关量信号的检测与传输 在此系统中 现场开关量的检测方法有两种 对于普通的触点开关 热保护开关 压力开关等信号 直接引入p l c 的数字量i o 模板 对于有安全性要求的现场按钮 转换开关 行程开关等信号 则先用气 电转换装置转换为电信号 再引进p l c 的i o 模板 为了保证气电转换装 置的正常工作 气动系统必须维持一定的压力 3 1 4 测量信号的标度变换 因p l c 的模拟量i o 模板的输入 输出均为同一标准信号 如均为4 2 0 m a 电流环信号 电阻信号或0 5 v 电压信号等 但对应的实际信号的工程标称 值的范围或单位却是多种多样的 如是m p a 或是k g 是0 1 0 0 0 k g 或是0 5 0 0 0 k g 等 如何将标准的4 2 0 m a 或o 5 v 信号变换成对应的工程量值 是信号的标度变换要解决的问题 在p l c 控制软件c o n c e p t 中 信号标度变换可通过调用函数库中适当的 函数来完成 3 9 具体操作方法如下 1 新建一个区段 n e ws e c t i o n f b d 2 选库 o b j e c t s f b ds e l e c t i o n l i b r a r y a n ai o 3 通道配置 g r o u p q u a n t u mi oc o r r f i g 在e f bt y p e 中选择对应 q u a n t u mi o 的配置函数 如q u a n t u m d r o p a c l 0 3 0 a v 0 0 2 0 华中科技大学硕士学位论文 等 4 标度变换 选库a n a i o a n a l o gi os c a l i n g 在e f bt y p e 中选择 合适的标度变换函数 如i p h y s i s c a l e o p h y s o s c a l e 等 若在q u a n t u m i oc o n f i g 对应的e f bt y p e 中未找到某个模拟量模板的通 道配置函数 如本系统中使用了1 4 0a c l0 4 0 模板 而在c o n c e p tv 2 2 的 通道配置函数中没有对应的a c l 0 4 0 函数 此时可采用手工配置的方法进行 工程量程变换 具体算法如图3 1 所示 以1 2b 为例 图3 1 手工配置算法示意图 其中 s i g n a l 是需进行标度变换的模拟输入信号 u p p e r l o w e r 为工程 量程的上下限值 o u t 为标度变换后的数值 3 1 5 测量信号的抗干扰与接地 信号干扰是导致系统控制精度降低的一个重要因素 严重的还会使控制 产生误动作 造成严重后果 必须对其给予足够的重视 为了增强系统抗干 扰的能力 可以考虑采取硬件和软件两方面的措施 在硬件处理方面 1 使用光电耦合器可以有效地抑制干扰信号 本系统中采用的q u a n t u m 系列i o 模板均在硬件设计上具备光电隔离的功能 2 使用电流远距离传输模拟信号 远距离传送电压信号时 很