4116基于现场总线的车间生产监控原型系统研究与设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页 目 录 1 引言 . 1 现场总线国内外发展现况 . 1 课题的内容和目标 . 2 论文的组织结构 . 2 2 场总线控制技术的特点 . 4 场总线控制系统的组成 . 4 场总线控制技术的应用 . 4 协议结构 . 6 传输技术 . 6 总线存取协议 . 8 3 真空等离子焊接的原理及应用 . 10 等离子焊接的原理 . 10 等离子焊接的特点 . 11 真空等离子焊接的工艺流程与工作原理 . 13 针对真空等离子焊接系统 络研究 . 14 4 硬件选型 . 16 硬件连接 . 16 真空等离子焊接系统的硬件连接分析 . 16 5 软件设计 . 17 上位机软件设计 . 17 真空等离子焊接 制的实现 . 19 充氩过程 制的实现 . 21 结束语 . 24 致 谢 . 25 参 考 文 献 . 26 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 32 页 1 引言 随着 科技 的 迅速 发展，自动化 技术 和先进控制 技术在工业生产中得到了广泛的普及 。常规的经典控制理论 始终 发挥着相当大的作用 ，它 在解决简单的自动控制系统设计 方面 一直 是 非常 有力的工具。近 年来这 方面的控制理论、控制模式和研究 日臻成熟 ，它们在工业 生产部门 的 影响相当大， 并且 形成了标准化和系列化的产品。 由于 工业控制系统 的 发展的方向 是 分散化、网络化、智能化， 现场总线技术 的发展正是顺应 了 这一方向，并 成为全球工业自动化技术 行业 的热点，受到 业界 的普遍关注。 现场总线国内 外 发展现况 自 20 世纪 80 年代中期现场总线技术问世以来， 在十几年中行业中出现了 两百多种现场总线技术。其中 常见的现场总线技术有十几种，它们分别 在不同的领域得到了广泛的应用，如 。 在 种类繁多的自动化行业的应用需求 之下， 没有 哪一 种现场总线能够完全 符合生产需要 ，各种现场总线 在 相应的 领域 发挥着各自的特长 ， 一种 现场总线标准在某些领域中是适用的，超出这些领域可能就不是最优的，因此多种现场总线将在很长一段时间内共存。 目前 有 40 多种现 场总线 技术在世界上得到了广泛应用 ，而各个公司定义的现场总线 标准 更是不计其数 。 在加拿大渥太华召开的现场总线标准会议 中通过了 中有 8 种类型的现场总线可以作为国际标准，这 8种类型分别 是： （ 1） 国 司支持） （ 2） 国 司支持） （ 3） 国 司支持） （ 4） 司支持） （ 5） 国 司支持） （ 6） 国 司支持） （ 7） 月麦 司支持） 再加上 过的 3 种现场总线国际标准，分别为 和 另外 有 一个 所以一共 12 种之多。 随着计算机网络技术的 飞快 发展， P 技术 也运用到 了工业现场。 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 32 页 高速 有 诸多 优点， 例如 结构简单 、开放性、成本低、 广泛的 应用软硬件支持 ，非常 适用于工业标准的监控网络。 为了 连接 现场 各种各样的 设备 和用于监控的系统 设备 ， 作为工厂底层控制网络的信息传输主干 的 经被 许多控制 系统设备提供厂商 采用。 而为了 实现 网络控制 的 一体化 并 保护 现 有的投资 ，利用 以太网 的 网关将 场控制系统 、 场控制系统连接起来 。 P 协议的采用，真正 实现 了 控管一体化网络 ， 使得 车间 的管理深入到控制现场 ， 操作人员不 用到车间 就可以通过 控工业生产 的 过程，实现 了 远程系统调试和设备故障诊断 。 现场总线 技术 是控制系统 发展的方向 ，我们必须紧跟现场总线发展的步伐， 确保在 未来 的竞争 中保持领先 。 借其 严谨 的定义，完善的功能 和 标准 通用的技术成为开放式系统的典范 ，它是 在众多现场总线标准中 能 提供一个从现场传感器至生产管理层的全方位透明的网络 的现场总线系统 。目前， 经在许多方面证明了其强大、灵活的功能 ，在很多领域都得到了成功的应用， 如生产自动化、过程自动化、驱动技术等， 在世界上诸多现场技术中处于领先的地位 。同时， 高的性价比以及 采用 传输技术 控制了它的成本， 适合 我国的国情，应该在生产中广泛采用 。 课题的内容和目标 本课题基于现场总线技术， 研究并建立新一代车间生产监控系统的方案，完成一个基于 (1) 基于现场总线的车间生产监控系统的总体方案设计； (2) 车间生产监控系统硬件选型设计； (3) 车间生产监控系统软件设计； (4) 车间生产监控系统的部分开发与调试。 论文的组织结构 本文研 究的目的是实现真空等离子焊接的自动化控制，应用基于 场总线的集散型系 统代替传统焊接方式，实现等离子焊接工艺流程中的设备运行参数的检测，记录设备运行 过程 和 状态 ， 并 可直观指导操作人员 生产管理 工艺的全 过程 。 （ 1）上位机系统进行实时监控，主要是整个加工过程 的设备运行状态 ，然后将这些对设备运行的实时监控参数记录下来 ， 从而分析数据的变化 ， 方便操作人员 及时 发 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 32 页 现运行中的情况，诊断、发布和实施预警 。 （ 2）下位机系统 主要进行 逻辑运算 、数据采集、执行闭环控制输出的工作。 对 真空等离子焊接 设备， 真空泵和充氩系统 ， 并能 实时处 理情况 ， 对 设备 的运行和工作时间和强度能够很好的控制，达到设备的最大化利用。 （ 3）上下位机 通过 网络通讯系统将之间连接起来，使现场控制站数据能正确、及时的反应在上位机上，而上位机的控制信号也能及时传达到下位机，实现远程监控。 全文分为五章，各章内容如下： 第一章：介绍了现场总线技术的国内外发展状况，本课题的内容及目标。 第二章：介绍了 场总线控制技术的主要特点，采用的协议结构，传输技术以及存取协议。 第三章：介绍了 、等离子焊接的原理和特点， 针对 等离子焊接 的实际环境，对多种 网络形式进行比较分析，提出基于 现场总线网络在 等离子焊接生产中 的应用、配置及通信软件设计 等 关键环节 。 第四章：真空等离子焊接系统选择的硬件型号和等离子焊接系统监控 充氩过程监控 性能、参数 的监控 。 第五章：真空等离子焊接系统的上位机软件开发和设计，对真空等离子焊接和充氩过程 制的实现。 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 32 页 2 场总线控制技术的特点 场总线控制系统 的结构 监控 和 组态计算机 、 现场总 线系统 、 现场智能仪表 和 控制器 三 部分 主要组成了 现场总线控制系统 。 由于 这里的 仪表、 控制器、计算机连接到网上 的方式是 通过现场总线网卡及通信协议软件 ，所以 现场总线控制系统的基础 是 现场总线网卡 和 通信协议软件。现场总线控制系统 应 包括 有 数据组态 和 控制算法组态 的 组态技术， 从而 实现真正的分布式控制 ，组态技术 生成的参数及 算法 可以在控制器 和 远程 I/O 或智能设备上运行， 在 智能仪表及执行机构中 ， 现场总线标准定义的功能块 也 可以进行运算 。 线形、总线形、星形、环形 等 网络拓扑结构 是 现场总线控制系统 常采用的 网络拓扑结构 。由于线形结构 对 网络供电和防爆等问题 有很好的解决措施，且 现场总线 一般采用 的结构是线性结构，它的 支路 电源负载是 可以 确定的， 同样可以确定的是 沿总线的电源电压 ，所以 一般情况下采用线形结构 。 同轴电缆、双绞线、电话线、光导纤维电缆、无线等 都是常用的 网络 通讯介质 。 电气隔离和电磁兼容性 这两个因素是 选择传输介质时主要考虑 的因素 。 为了 满足本质安全和防爆要求 ， 常 采 用 廉价的双绞线 作为数据传输线， 同时使得 现场设备 可以 利用数据通信线 来 供电 。 场总线控制技术的 应用 场总线控制技术是一种国际性的开放的现场总线控制标准。从 1995年德国颁布 今，经历了十余 年，该标准现已被全世界接收，其应用覆盖机械加工、过程控制、电子交通及楼宇自动化的各个领域。 1995 年成为欧洲标准， 1999 年成为国际标准、 2001 年 10 月，它被批准为中华人民共和国工业自动化领域标准中的现场总线控制标准。目前，世界上许多自动化产品生产厂家的设备都提供 口。 众多的现场总线控制标准中以超过 40%的市场占有率稳居榜首，其产品每年增长 20% 30%。以著名的西门子公司为例，它可以提供上千种 品，应用于中国的许多自动化控制系统中，其控 示 : 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 32 页 工 厂 管 理 系 统M M S , T C P / I P 骨 干 网门 电 路P C C N 器P L 设 备P R O F I B U S - F M S P R O F I B U S - P 器P R O F I B U S - D P P R O F I B U S - F M S P R O F I B U S - P 设 备变 送 器传 动装 置传 感 器I / 管 理 级总 线 循 环时 间 1 0 8 0 m 级总 线 循 环 时 间 1 0 8 m 级总 线 循 环 时 间 1 0 m 制范围图 据 应 用 特 点 可 以 分 为 兼容版本，如图 2 所示。 于设备总线，主要用于复杂现场设备和分布式 I/O。其物理结构为 输速率为 s 12Mb/s。于系统总线，应用于车间级网络监控。其物理结构为 输速率为 s 12Mb/s。 于设备总线，主要应用于两线制供电和本安过程控制仪表，传输速率为 s。它在保持 议的同时，增加了对现场仪表的馈电功能，执行标准是 图 用图 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 32 页 分散式数字化控制器分为主站和从站 ， 该系统 可通过 现场底层到车间级 进行 网络化 。主站决定 了 总线的数据通信 。 在 没有 其他设备数据通信的情况下，当主站 获得 总线控制权 即 令牌 时， 同样可以 发送信息。 从 议方面 的定义，主站 也称为主动站。 一般 的从站 都由 驱 动器 、 阀门 、 I/O 装置 和测量发送器 组成，它属于外围设备 。 从站 没有总线控制权，仅确认 接收到的信息 ；或当主站发出请求时，向它发送信息。 因为它 只 占 总线协议的一小部分 ，所以 从站实施起来 相当的 经济 4， 。 协议结构 议的结构根据 际标准以开放系统互联网络 参考模型，如图 示。 图 议结构图 用第 1、 2 层和用户接口，第 3 层 7 层未加以描述。 1、 2、 7 层均加以定义。应用层包括现场总线控 制信息规范和低层接口。 据传输 采用的是 扩展的 议，根据准，这种传输技术使现场设备通过总线供电 ，从而确保其安全性 。备使用分段式耦合器能很方便地集成到 络。 两套系统可在同一根电缆上同时操作 ，他们 使用了同样 且 统一的传输技术和总线访问协议 。 传输技术 现场总线控制系统选用的传输技术 在 很大程度上取决于 了它的应用范围 ， 因为 既 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 32 页 要考虑总线的要求 ，譬如 传 输的距离 ， 传输的可靠性和 速度 ，又要考虑简便而又费用低廉 的机电因素。数据和电源 在 涉及过程自动化时的传送必须在同一根电缆上。供了以下 3 种类型： 输、 1158输和光纤传输 来满足所有的传输技术 。 输通常称为 是 常 见 的一种 ，共用一根导线对 ， 采用屏蔽双绞铜线电缆 。它适用设施简单而又便宜 而且 需要高速传输 的各个领域。 特性如 下： 网络拓扑 ： 两端有带电源的总线终端电阻 的线性总线， 短截线的波特率 s。 介质 ： 取决于环境条件（ 可采用屏蔽双绞电缆，或者取消屏蔽。 站点数 ： 每段 32 个站，不带转发器。带转发器时，最高可到 127 站 。 插头连接器 ： 9 针 D 插头连接器 为佳。 输 的 总线结构 可以 增减 站点， 可分步投入，并且 对 其他站点的 传输操作不会 产生 影响。传输速率 一般 选用 s，一旦投入运行， 所有 设备 需选取 一样的传输速率。传输速率取决于电缆的最大长度，如表 示 表 传输距离与速度示意表 波特率 /（ Kb/s） 00 1500 12000 距离（段） /m 1200 1200 1200 1000 400 200 100 1158输技术 在 石化工业 生产上能得到很好的应用 ， 因为 它 的 本质安全性可 很好 保持其并 且这些 现场设备 可 通过总线供电 运行 。此项技术是一种可进行无电流的连续传输 的 位同步协议 ，通常称为 1158输技术的原理如下： （ 1） 总线不 需要由 站发送信息时供电。 （ 2） 现场 总线 设备所 用的电流是 常量稳态基本电流。 （ 3） 主总线两端 的作用是 无源终端线 。 （ 4） 每段只 需要 一个 供电装置； （ 5） 线型、星型和树型网络 可 允许使用。 （ 6） 设 计时 冗余 总线段 的运用， 提高 了设备 可靠性。 （ 7） 现场设备的作用 相当于 无源的电流吸收装置。 1158输技术的特性如表 示。 表 1158输技术特性表 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 32 页 数据传输 数字式，位同步，曼彻斯特编码 传输速率 s，电压式 数据可靠性 预兆性，采用起始和终止限定符 来 避免误差 电缆 双绞线（屏蔽或非屏蔽） 远程电源 通过数据线 ， 可选 为 附件 防爆型 可 进行本质安全和非本质安全 的 操作 拓扑 线型或树型，或 者 两者结合型 站数 每站最多 32 个， 最多 126 个 转发器 可扩展至最多四个 统 也 可使用光纤导体 来 增加高速传输的最大距离 ， 在电磁干扰很大的环境下应用。传输距离在 50m 以内时使用便宜的塑料纤维导体，在 1时使用玻璃纤维导体 。专用的总线插头可 由 许多厂商提供 ， 将 号转换成光纤信号，或将光线信号转换成 号， 这是 一套十分方便的开关控制方法 6，适用于 同一系统上使用 输技术 和光纤传输技术 。 总线存取协议 过 考模型的第 2 层实现 ， 包括数据的可靠性以及传输协 议和报文的处理 ，它们都 使用单一的总线协议 。在 ，现场总线控制数据链路 为 第 2 层 。控制数据传输的程序 由 介质存取控制 。 目地是 满足介质存取控制的基本要求 7。 在确 定 的时间 内 中必须 保证 通信任务 的完成由 任何一个站点 来处理，这是对于 自动化系统（主站）间通讯 ； 而 在程序控制器和简单的 I/O 设备（从站）间通信， 快速且简便 地完成 传输 任务是最主要的 。因此，主站与从站之间的主从方式 和 主站从站间的令牌传递方式 是 取的 总线存取协议 。 令牌传递程序 确保了 每 一 个站 能够在 一个 精确 给定的 时间内 从 框架得到总线访问权限。令牌是一种特殊的消息 ,它 在整个一周的最长 循环 时间 是 之前就 规定 好 的 。在 牌只在各主站之间通信时使用。主站在得到总线存取令牌时与从站通信是由主从方式允许的，从站发送或索取信息均可向每个主站索取，通过这种方法可实现下列系统配置：纯主 从系统、纯主 主系统（带令牌传递）和混合系统。 根据主 这 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 32 页 段时间内参照可以 主 从关系表 与所有的关系表。令牌环链是接待单位的地址 ,根据主站构成逻辑链路。在这个 过程中 ,令牌在规定的时间 里 按照地址 的 升序在每个主站 按照次序 传递。 上层协议通过第二层的服务存取点 是 在 使用 的 第二层服务 不同子集，详见表 在 ，逻辑通讯地址的关系表 是由 这些服务存取点 来建立；在 ，每个存取点都 定义 了明确的功能。在主站和从站 中，可同时存取多个服务存取点 9。 表 二层子集表 服务 功能 A 送数 据要应答 送数据不需要回答 送数据不需要回答 环性发送和请求回答的数据 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 32 页 3 真空等离子焊接的 原理及应用 真空等离子焊接 生产技术目前得到了越来越多的重视，现在主要应用于 钛合金自耗电极制备 的生产， 熔炼 中 的生产效率 、 冶金质量 和其 控制系统的可靠性 和 稳定 性相关 。随着 科学技术的 不断 发展 ， 等离子焊接技术 得到了相当大的 发展，在自动控制技术发展基础上 ， 整个焊接过程的监控正朝着智能化和网络化的方向发展。 （惰性气体钨极保护焊） 气体保护焊是利用外加气体作为 保护介质的一种电弧焊方法，其优点是电弧和熔池可见 度 好，操作 简 便 ，很少或几乎不产生熔渣 ， 也不需要在焊后清理熔渣 。但在室外作业时需采取专门的防风措施。 气体保护焊可分为不熔化极（钨极） 气体保护焊和熔化极气体保护焊。 不熔化极（钨极）气体保护焊 包括 等离子弧焊 、 钨极惰性气体保护焊和原子氢焊。目前生产中 已经 很少 采 用 原子氢焊 ；等离子弧焊将在下一 节 介绍；本 节 内容仅限于钨极惰性气体保护焊。 钨极惰性气体保护焊英文简称 。它是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种 焊接方法 。 在焊接的时候，焊枪的 喷嘴中 喷出 保护气体， 并在 电弧 外 形成气体保护层 从而 隔绝空气， 从而可获得优质的焊缝。氩气、氦气或氩氦混合气体 都可作为气体保护层的 气体 。用氩气作为保护气体的称 为 钨极氩弧焊 ，用氦气的称钨极氦弧焊，由于氦气价格 比较昂贵 ，在 焊接 上钨极氩弧焊的 应用要比氦弧焊广泛得多。 等离子焊接的原理 等离子焊接是 的升级。等离子焊接又称等离子弧焊焊接，等离子弧焊是借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法。等离子弧焊 的作用方式是 电极和焊件之间的压缩电弧 (转移电弧 )来进行焊接的，它 是一种不熔化 、 极电弧焊 。 钨极 是最常用的 电极 ，氩气、氦气 、 氮气 或者这几种气体的混合气都可作为产生 等离子弧的等离子气 ，同时 喷嘴喷出惰性气体用来保护等离子气 。焊接时可以外加填充金属， 也 可以不加填充金属。 等离子弧焊焊接 的特点是 电弧穿透力强 ，因为 其电 弧能量密度大 并且挺直 。等离子弧焊焊接时 能 产 生的小孔效应，对 于 一定厚度范围内的大多数金属可以进行 I 形坡 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 32 页 口对 接，并能保证熔透和焊缝均匀一致。因此，等离子弧焊的 优点是 生产率高、 焊接质量好。但 等离子弧焊设备比较复杂，对焊接参数的控制要求高。 可焊接的大多数金属， 都 可 用等离子弧焊 进行 焊接。与之相比，对于 1等离子弧焊较易进行。 图 离子焊接： 的升级 等离子焊接的特点 等离子焊接与 十分相似，它们的电弧都是在尖头的钨电极和工件之间形成的。但是 ，通过在焊炬中安置电极，能将等离子弧从保护气体的气囊中分离出来，随后推动等离子通过孔型良好的铜喷管将弧压缩。通过改变孔的直径和等离子气流速度，可以实现三种操作方式： 1、微束等离子： 15A 在很低的焊接电流下，也能使用微束等离子弧。即使在弧长变化不超过 20，柱状弧仍能保持稳定。 2、中等电流： 15A 200A 在较大的 15A 200A 电流下，等离子弧的过程特点与 相似，但由于等离子被压缩过，弧更加挺直。虽然可提高等离子气流速度来增加焊接熔池的度深，但会造成在紊乱的保护气流中，混 入空气和保护气体的风险。 3、小孔型等离子：大于 200A 通过增加焊接电流和等离子气流速度，可产生强有力的等离子束，与激光或电子束焊接一样，它能够在材料上形成充分的熔深。焊接时，随着焊接熔池的流动，金属穿过小孔被切割后在表面张力作用下形成焊道。单道焊时，该过程可用于焊接较厚的材料（厚度不超过 10不锈钢）。 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 32 页 图 空等离子焊接的功率 由于等离子 电弧 的 能量密度 非常 高 ，温度及刚直性（能量密度可达 10000w/平方厘米 到 100000w/平方厘米，弧柱中心温度可达 18000K 到 24000K 以上，焰流速度可达 250m/s 以上），等离子电弧具有 以下 优点： （ 1） 能量密度 很 大， 穿 透能力强，电弧方向性强，在相同的情况下，等离子焊接速度要 比 钨极 氩弧焊 快的多 。 （ 2） 焊缝质量对弧长的变化不敏感。这是由于 等离子弧的发散角很小，形态接近圆柱形，加热斑点的面积 因为 弧长 的 变化对 其产生的 影响很小， 很 容易获得 很好 焊缝形状 和焊接质量 。 电弧 的 断面变化 在 20%时 ,钨极氩弧焊的 焊炬 高度 在 范围内变化 ,而 等离子焊 接在 范围内变化， 这对保证焊缝 的成形和均匀质量都十分有利 。 （ 3） 焊缝金属产生夹钨 的 现象 可以很好的解决，这是由于 钨 极 在 喷嘴 内部， 不与工件接触 。 此外 ，电弧 的 搅动性 和 熔池温度 也对 释放 熔池内气体 很有利 。 （ 4） 等离子电弧 在 电流 很 小时仍 能保持 稳定 ，这是由于 热电离度较高 和 压缩效应 的优点所致 。 （ 5） 焊缝的深宽比大 ,热影响区小 ,适合焊接某些可焊性差的材料和双金属等。 （ 6） 焊接成本低，与一般氩弧焊相比，可省电 1/3 1/2,省气 1/2 2/3，且在焊接厚度较小的情况下，无需填丝。 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 32 页 根部焊道 手工电弧焊接 手式 接 等离子焊接 (板材 焊前准备 坡口 +钝边 坡口 +钝边 需坡口 +钝边 装配 相对困难（间隙） 困难（小间隙） 容易 焊工技术要求 熟练 熟练 一般 焊接速度 非常慢 非常慢 相当快 操作难度 困难 非常困难 较容易 焊后质量 好 /但外观不美 好 极好 特别问题 焊条过热，质量难以控制，工件变形 焊工易疲劳，质量难以控制，工件变形 无 表 种焊接方式的比较 真空等离子焊接的工艺流程与工作原理 真空等离子焊接系统的主要构件是真空焊箱。真空焊箱 包括炉室、真空系统、压缩空气系统、电控系统 、冷却系统、观察系统、焊接电源和焊枪系统、炉内移动台车和夹具、氩气流量控制系统等。炉室为两端设有炉门 的 不锈钢结构 ,。前后炉门均用气动夹具 锁紧 进行打开和闭合 ,从而对系统进行连锁式 控制 ,也方便对 炉室 的清扫 和装出炉 ,为了保证炉内的真空， 在 关闭前炉门 的时候， 炉体上 有 四 个气缸将炉门拉紧。 中间有两 个等离子枪接口 和 抽真空 设备的 接口 ,。 炉体上设有 焊接观察窗。 工作原理 :首先按照工艺要求把电极放到夹具上进行组合 ,然后锁紧夹具。把装好组合电极的夹具放到炉内台车上 ,关上炉室抽 成 真空。当 炉 室内压力小于 6 ,停止抽真空 ,并 充入氩 气 ,直到 炉内氩气压力达到 大概 600 ,在水冷、铜制焊枪中通入氩气 ,然后 控制焊枪自身的正极 弧 ,起弧后焊枪周围的氩气 会 被电离 并 形成等离子体 ,此时焊接电源切换电流通路 ， 焊枪为负极、夹具为正极的 ,夹 在夹具上的电极块在等离子弧的 高温 加热下被熔化。在整个焊接过程中 ,通过炉内台车的纵向运动、夹具的旋转运动和焊枪的上下运动 的 配合 来 实现 电极的焊接。 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 32 页 图 空等离子焊接系统结构简图 针对真空等离子焊接系统 络研究 与普通的办公自动化网络相比，用于工业控制 的 通讯网络 要求有高可靠性 、 高实时 性、故障下的高负荷和传输负荷的相对稳定性。当前使用于工业应用的网络主要有部网络、现场总线网络、工业以太网 三种。 某些重要的因素，如 网络大小 、 节点数 、 数据量 、 扩展力 取决了 采用何种网络 来解决生产中的需要 。 真空等离子焊接系统的网络选择 工业以太网是一种 遵循 际标准 、 开放式的、多供应商、高性能区域和单元级网络。工业以太网能够达到 100s 速度 ，从而 实现广泛的、开放的网络解决方案。其特点为：启动快速 、 可靠性高 、 灵活性大 、 无限的通信能力 、 覆盖 广泛的企业应用 ，在整个公司范 围实现通信 、 投资可靠。 较大范围内已经取得了用户和制造商的认可。 开放性 好 能连接不同制造厂商的标准部件。 在业界内 ，已 经 有 几百 家制造商能 开发和提供有 口的现场设备。传输介质 采用的 是双绞线 或 光缆 ， 可实现 本质安全防爆 和 总线供电。 由于西门子 有 口，可以方便地和 C 机连接，而不需要增加额外的通讯模块，可以大大降低成本。 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 32 页 业以太网和 场总线网络 这三个总线 的性价比如图 示。可得出 现阶段选择 性价比较 高的 场总线网络 能满足要求 。 经过 反复的 比较 以及 焊接的 生产实际情况 ，选择 场总线网络作为上位机（ 下位机（ 间的通讯网络。 M P O F I B U 以 太 网性 能价 格 费 用图 几种网络比较示意图 真空等离子焊接系统的 络配置 在本课题研究的真空等离子焊接系统中，选用 电气网络配置形式，将上位监控的工控机、真空系统 为主动站，将真空泵中的软启动器，充氩过程中的变频器以及工艺中应用的智 能传感器和外围 I/O 设备，作为从站。总线节点（主或从设备）采用 P 接口或集成接口的 子和 络连接。网络配置如图所示： 图 空等离子焊接系统的 络配置 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 32 页 4 硬件选型 硬件连接 （ 1）上位机监控 安装动态组态王监控软件，能提供良好的人机界面 ，主要 用来向用户提供如工艺流程图显示、报表编制、趋势图生成、动态数据画面显示、窗口技术及生产管理等多种功能，。 （ 2） 程器采用 口与 线相连。使用 和 些 高性能工具 对 I/O 设备进行组态和参数化 。 通过 ，可修改系统中任一点的用户程序。从系统中的任何点都能进行组态、启动和故障定位。 （ 3）真空箱 氩系统 过通信处理器模版和网络连接，需要直接调用通信模版中的数据功能块（ 编写通信程序，用户必须先对通信模版初始化，然后设置 发送数据区、接收数据区，最后编写初始化、发送、接收功能程序模块。 真空等离子焊接系统 的硬件连接分析 硬件设计如图 示。该系统采用西门子 位硬件采用研华工控机，实现各参量的记录、监控、设置等功能。通过现场总线控制技术，将控制系统和焊接系统的监控系统组成 络，实现各个设备之间的联络，并将这些设备的故障监控和数据传输。 P L 接 口C B 1 5变 频 器焊 箱真 空 泵 值P R O F I B U S 总 线图 真空等离子焊接系统控制图 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 32 页 5 软件设计 上位机软件设计 “组态王 ”是在 上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它 的操作系统平台为 作 系统 ， 它 具有图形功能完备， 易学易用 ， 界面友好 的特点。该软件包由工程浏览器 、 工程管理器 、画面运行系统三部分组成。 本课题中采用的是 讯卡通讯方式，一般适用于一台 多个 行通讯的场合；或者多台 行连接。安装 行 用户界面配置为 式。在组态王中的具体设计如图 11 所示： 图 组态王连接设置图（ a） 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 32 页 图 组态王连接设置图（ b） 并设定如下通讯参数：波特率 9600据位 8 位，停止位 1 位，偶校验。在设定 效地址时小数点前面的数字为有效地址 地址（即站号），小数点后为数字 2，所设定的地址范围为 中 地址可通过编程软件 14。 在组态王的数据字典中定义相关变量，选择变量类型为 I/O 型，并选择连接设备和 所访问的寄存器名及寄存器类型。将制作好的画面进行动画连接，即可建立实时通讯，得到一个反应工业控制现场的监控画面。 图 真空等离子 焊接 监控画面图 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 32 页 真空等离子焊接 制的实现 真空等离子焊接选用 7 300依据估计得到的输入和输出点数 ，配备 3 个模拟输入模块（ 31 2 个开关模拟量输入模块（ 21 2 个开关量输出模块（ 22 ， 1 个通信模块 采用 （ ， 1 个电源模块采用 07 5A。 （ 1）模拟量输入 31 块 一般包含 8 个 12 位 的 模拟量输入通道，分别接电流 、电压 变送器 、功率变送器、 真空泵 压力变送器、气体 流量计、压力计 、 输入 电压、 电流、真空泵电流、功率、炉内压力等检测项目。 （ 2）开关 量 输入 块 一般都 含有 16 个输入点， 这些输入点 构成一组，带电隔离，直流24V 为 额定 的 输入电压 。分别接气体阀手动 /自动转换开关、气体阀开启开关、气体阀关闭开关、气体阀启停开关，真空泵手动 /自动转换开关、真空泵启停开关、设备维护复位开关。 （ 3）开关量输出 一个 块含有 以 8 点构成一组 的 16 个输出点，输出控制信号如 2 台气体阀开启、关闭、停止控制信号、气体阀故障灯、真空泵故障灯、真空泵的两个主接触器。 采用 件包进行 件设计。 编程软件允许结构化用户程序，可将大规模程序分解为单个、自成体系的任务，使程序标准化，调试和维护更为简单。 户程序中有组织块（ 系统功能块（ 功能块（ 功能（ 系统功能（ 数据块（ 中类型的块。本控制系统中设计了 14 个逻辑块。下面分别介绍各块的功能及程序实现方法。 （ 1） 体阀控制功能块，用于气体阀控制调用。接受调用时传送的气体阀关闭、开 启、停止信号，执行 相应功能程序段。包括气体阀启动、关闭、停止、互锁程序段，监控程序段（气体阀启动 3S 后，无上、下限开关信号到来，则停真空泵，气体阀故障灯亮），气体阀启动次数计算程序段，维护信息及复位信号检查程序段等。生成 ，生成 个数据块，并指定为参考 ，分别存放在与两个气体阀相关的背景数据。 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 32 页 （ 3） 于循环程序处理的组织块。 是一个按照工艺进行的顺序控制过程 ， 生成 才 生成 执行内部初始化，然后对炉内电流、运行部件的电流、功率及状态实施巡回检测。 所 得的 测参量与设定 的 标准值进行比较，对超 过 限量 的数据进行 自动报警并 运行 故障 诊断 程序。对采集的炉内气体压力分别做数字平均值滤波。将内存中保存的 5 个压力历史值，采用移位指令去掉最早的数据，在加进最新采集的数据，做算术平均。求出前后压力差，为了避免在压力差临界值处，频繁启停设备，如测得压力大于 6，启动真空泵，压力降到 6下，马上就停止真空泵。所以设计停止压力这个设定值。设停止压力为 6启动真空泵后，只有压力降至 6，才会停止真空泵。同样设定启停气泵的压力分别为 600后测试正在运行 的点击的运行参数，若有故障，则进入故障处理服务。 （ 4） 别为 信程序中的初始化模块（ 发送模块（ 发送数据区（ 接收模块（ 接收数据区（ 真空等离子焊接监控系统 制流程图如下： 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 32 页 图 真空等离子焊接监控系统 制流程图 充氩过程 制的实现 真空等离子焊箱的 ， 采用 1 个模拟输入模块（ 31 一个开关量输入模块（ 21 一个开关量输 出模块（ 22 ， 电源模块采用 075A，通信模块选用 430。 （ 1）模拟量输入 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 32 页 一个 31 块含有 8 个 12 位模拟量输入通道，分别接电流变送器、电压变送器、功率变送器、压力变送器、气体流量计、压力计，输入电网电压、电流、真空泵电流、功率、炉内压力等检测项目。 （ 2）开关量输入 块 一般都 含有一组输入点， 采用 直流 24V 为 额定 的 输入电压 。分别接气体阀手动 /自动转换开关、气体阀开启开关、气体阀关闭开关、气体阀启停开关，真空泵手动 /自动转换开关、真空泵启停开 关 、设备维护复位开关 。 （ 3）开关 量 输出 块 包含以 2 组输出点， 8 点一组 一共 16 个输出点 ，输出控制信号 如真空泵 工作指示 灯、真空泵故障 显 示灯、手动 /自动方式 显 示灯。 户 的 程序中 包含共 8 个逻辑块 ,分别为 中 别为 信程序中的初始化模块，发送模块（ 发送数据区（ 接收模块（ 接收数据区（ 一般 用于处理循环 结构 程序的 模 块 。先执行 程 序的 初始化，然后对电流、真空泵的电流、压力 及 功率 进行逐一 检测。 将 测得的所有参数和标准值一个个的比较 ，对超 过 限量 的数据运行诊断程序诊断同时进行自动报警 。然后采集氩气测定仪送到模拟量输入模块的数据，做加权平均运算后，
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