毕业设计（论文）-分布式控制系统

摘要由于时代的飞速发展、人们对生活质量提高的迫切要求，产品的包装越来越受到社会各界的重视，使包装行业得到快速的发展。国内，包装设备的单机控制技术已经进入到实用阶段，但整条生产线的控制的研究还处于刚刚起步状况，造成包装生产线的自动化、智能化程度很低。本课题就是针对这种态势，对包装生产线的整体监控、故障诊断进行了初步研究。为了适应现代包装行业的发展以及提高包装生产线的自动化和智能化程度，本文进行了包装生产线的监控、诊断系统的研究。按照分布式系统的一般设计原则，独立地开发了这套系统。本文的主要内容1生产线上的设备的控制硬件的设计其中，包括控制器件的选型、它们的结构组成以及相互之间的连接；2系统的软件设计主要以VISUALBASIC60为工具，开发了通信、监控软件，基本实现了预期目标；3将模糊故障诊断方法应用到该包装生产线上，以关键设备包装机为主，对它的故障诊断进行了研究。关键词分布式监控、诊断系统，串行通信，PLC，单片机，模糊故障诊断ABSTRACTFORTHERAPIDDEVELOPMENTOFERAANDANXIOUSREQUESTOFPEOPLESIMPROVINGTHEIRLIVINGQUANTITYPEOPLEHAVETHOUGHTMUCHOFPRODUCTIONSPACKINGTHANBEFORETHISMAKESPACKINGINDUSTRYTODEVELOPFASTINOURCOUNTRY,THESTUDYOFMONITORINGANDCONTROLPACKINGLINEISLITTLETHOUGHSIGNALMACHINEINTHELINEHASCONTROLLEDWELLTHEQUESTONTHATTHELINEISNOTAUTOMATIZEDANDINTELLIGENTIZEDEXISTSINORDERTOBESEASONEDWITHTHEDEVELOPMENTOFPRESENTDAYPACKINGINDUSTRYANDIMPROVETHEDEGREEOFPACKINGPRODUCTLINEAUTOMATIZATIONANDINTELLIGENTIZE,IHAVEPROCESSEDASTUDYOFPACKINGPRODUCTLINEDISTRIBUTEDMONITORINGANDCONTROLANDDIAGNOSISSYSTEMINTHISTEXTACCORDINGTOTHESYSTEMSCOMMONDESIGNPRINCIPLE,IHAVEEXPLOITEDTHISSYSTEMINDEPENDENTLYTHEMAINWORKINTHISTEXT1THEDESIGNOFEQUIPMENTSCONTROLLINGHARDWAREINCLUDINGSELECTINGMODELSOFCONTROLLINGAPPARATUSANDTHEIRSBUILDINGCONFIGURATIONANDCONNECTINGTHEM2THEDESIGNOFSYSTEMSOFTWAREIHAVEEXPLOITEDSOFTWAREOFCOMMUNICATIONANDMONITORINGANDCONTROLUSINGVISUALBASIC60IHAVEREALIZEDMYANTICIPATEDAIMSONTHEWHOLE3USINGFUZZYFAULTDIAGNOSISMETHODINTHELINEIHAVEDIAGNOSTICATEDPACKINGMACHINETHATISTHEKEYEQUIPMENTINTHELINEKEYWORDSDISTRIBUTEDMONITORINGANDCONTROLANDDIAGNOSISSYSTEM，SERIALCOMMUNICATION,PLC,SINGALCHIP,FUZZYFAULTDIAGNOSIS目录第1章开题报告411研究的内容和目的412国内外现状及发展趋势513研究的价值和意义614研究方法措施715本文结构8第2章包装生产线分布式监控、诊断系统总体设计821分布式控制系统的结构及特点822分布式系统中常用的控制装置10221可编程控制器（PLC）10222单片微型机11223工业PCIPC1223包装生产线分布式控制系统的总体设计12231系统硬件构成14第3章包装生产线分布式监控、诊断系统硬件设计1431系统所用的PLC14311PLC的通信模块15312FX2N48MT型号PLC1632系统所用的单片机1633RS232C和RS485总线标准1734转换模块及与中央IPC的RS232串行通讯接口的连接1735包装生产线系统各生产设备及其控制简介19351提升机PLC控制子系统简介19352充填机单片机控制子系统简介1936包装机PLC控制子系统简介2337运输、选别机单片机控制子系统简介24第1章毕业论文开题报告学生姓名杨秀清学号050704232专业机电一体化指导教师佘勃2008年04月01日11研究的内容和目的本文以微机控制技术为基础，研究开发一个由两个可编程序控制器（以下简称PLC）和两个单片机为下位机和一个工业控制机（以下简称IPC）为上位机组成的包装生产线分布式监控、诊断系统。在系统中，PLC和单片机功能是对包装生产线各设备（提升机、充填机、包装机、选别机及包装物输送线等）进行信息数据采集和控制，工业控制机功能是给下位机发送运行参数，或从下位机获取实时数据，然后对数据进行统计、分析处理，根据处理结果产生监控数据表或数据曲线，或设备运行动画信息。若生产线运行有异常，则对运行故障进行自诊断，并报警提示，同时通过参数修改对生产线进行维护。另外，通过网络将IPC连接到远程PC上，并且与远程PC建立通信联系，从而使远程PC可以通过网络对包装生产线进行远程监控和诊断。通过对包装生产线分布式监控、诊断系统研究和开发，使系统能实现以下四方面功能1实时接收或查询各子系统运行参数及状态；2运行监控界面（数据表或曲线）、运行动画显示、运行参数修改维护等人机交互；3对包装产量（班产、日产、月产等）、不合格率（破包率、定量不合格率）、定量误差、运行速率（包/分）等运行的生产数据进行统计分析，然后显示或打印；4运行故障自诊断、维护、报警提示。这样一方面提高包装生产线的智能化程度，便于企业管理自动化；另一方面便于系统诊断维护，降低包装生产线诊断维护费用和时间，从而提高包装生产线生产效率，提高生产企业经济效益。12国内外现状及发展趋势在1975由于计算机技术、通讯技术、控制技术、显示技术的发展而使工业控制领域发生了一场革命美国HONEYWELL公司推出了世界第一套集散式（也称分布式）控制系统（DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM，以下简称DCS），至今已经历了20多年的发展。DCS以其可靠性、高性能、分散控制、集中监视和管理的优点赢得工业界广大用户的青睐，成为中大型工业控制系统的发展趋势1。从第1套DCS系统诞生至今,DCS系统已经历了4个发展阶段19751980年为初创阶段，由于软硬件技术的限制,此时的DCS系统性能还不十分完善,硬件结构还不十分成熟；19811987年为第2个阶段，这一时期容错、冗余技术已成熟使用,系统可靠性很高,性能十分优越,各种控制功能十分丰富；19871993年为第3阶段,各厂家的DCS开始向以OSI为基础的MAP协议靠拢,以求达到不同系统的互联；1994年至今为第4阶段,DCS系统在硬件上使用了更先进的CPU及冗余技术,贮存容量及通讯速度大幅度提高,软件上采用通用操作系统2。从计算机控制系统结构的演变来看，多微机系统或多微处理机系统是必然的发展趋势。其中的分布式计算机系统与分布式处理则是重要的发展方向3。另一个方面，从系统管理与控制的实际需要来看，分布式计算机系统的产生也是必然的。控制与管理系统的发展，经常要求对地理位置分散的多个或多台设备进行控制或管理。最初使用一台计算机进行集中式控制和管理，但这时信息的传输及对多个分散设备的控制会造成一定的困难并影响系统的可靠性，特别是当这台计算机出现故障后，会使整个系统全部瘫痪。随着微型计算机的出现和应用，这类较复杂的控制系统便开始采用多台微机分别对各个对象或设备进行控制，而各台微机之间又通过数据通信进行信息交换和相互协调，这就是分布式的计算机控制系统。这种系统已广泛用于工业过程控制或机械加工控制3。新型的现场总线控制系统它突破了DCS系统中通信封闭的缺陷，是基于公开化、标准化的解决方案，将集散的控制结构变成了新型的全分布结构。它是在DCS基础上连续发展起来的，但已经超过了DCS的框架，具有质的飞跃，它打破了传统控制一对一设备连接而将控制模块置入现场设备，其全部功能在现场完成4。分布式监控诊断系统（DISTRIBUTEDMONITORINGANDCONTROLANDDIAGNOSISSYSTEM，简称DMCDS）是针对大型成套设备主机和多辅机功能分布和地域分布的特点，通过工业局域网把分布各局部现场、独立完成特定功能的本地微机互联起来，以达到资源共享、协同工作、分散监视和集中操作、管理、诊断的目的的工业计算机网络系统；同时，该系统可通过远程通信支持远程监视、诊断功能，通过网络互连与生产控制系统、企业MIS网络以及INTERWET联网运行，它是以微型计算机为核心的计算机技术、设备故障诊断技术、网络通信技术、CRT显示技术竟相发展并紧密结合的产物5。受DC（数字控制）技术的影响，90年代以来，设备在线状态监测与故障诊断系统被赋予网络化过程，进入分布式时代。在这一过程中，又以流程工业大型成套、关键设备的在线状态监测与故障诊断首当其冲，通过网络以分散监测和集中操作、管理、诊断的优良特性成功解决了测点数量多、分布广、监测、操作、管理、诊断困难等问题。分布式状态监测与故障诊断技术是一门面向企业大型成套、关键设备或协作密切的设备群的跨学科综合应用技术，已成为设备故障诊断领域的一个迅速发展的分支6。近几年来，国外一些著名的设备状态监测系统公司已相继推出了成套的在线分布式监测系统，国内也有数家科研单位和厂家正在从事这方面的研究和开发工作，但总体而言，还是刚刚起步，处于探索性研究和实验性应用阶段。加强这方面的研究，促使分布式状态监测与故障诊断技术尽快走向成熟，完善和应用到生产实际中，是设备监测诊断领域的迫切任务6。对于包装行业来讲，在国外科技发达先进的国家，对包装生产线的监控和诊断的研究已经开展，但还没有完全成熟的技术去应用到现实生产中；国内,尽管，在单机（指生产线上的某一具体设备）已经实现了自动化控制，但整条包装生产线的智能控制还相当落后，生产线整体的自动化程度极低。目前，对包装生产线的智能控制的研究还处于刚刚起步阶段，对于其上的故障诊断的研究还没有真正意义上的开展。13研究的价值和意义如今，几乎所有的商品在出厂前都要根据不同的要求进行相应的包装，尤其是散状物料（如食品、药物等）。将大宗散料分成质量相同的个体并包装后，有利于商品的流通、储存、运输和使用，还可避免或减缓在销售过程中的失效和变质，以及防止污染及其它有害影响的优点。可见商品的包装对国民经济的发展及人民身体健康、卫生条件的提高都有着深远的意义。以往的人工包装，不但效率低下，而且包装的最后成品的样式不规则，严重影响商品的外部形象，对销售不利，同时也不利于商品的防伪保护；另外，人工影响包装物的卫生状况，不利于它的存储，对于药物、化工产品等物料的包装，会对长期从事包装的人员造成严重的人体伤害，并污染环境。最近召开的十届人大会议特别指出针对近几年人们因为饮食、药物中毒事件的增加，要大力加强食品安全和安全生产监管体制建设；并组建国家食品药品监督管理局，负责对食品、药品、保健品、化妆品（这些关系到人民身体健康的商品）安全管理的综合监督和组织协调工作，并依法组织开展对重大事故的查处。这无形就对我国的食品、药物加工生产行业提出了更高的要求，促进了这些行业的包装自动化的发展，提高了对包装设备的需求。我国包装设备（除烟草包装设备）外，在国际上还处于落后状态这一方面是由于我国国情决定的，我国人口众多，在包装这道工序以前多用人力来代替，以解决劳动力的就业问题。据笔者所了解，90年代初某市一家食品厂在从英国引进一条饼干生产线时，就惟独去掉了该生产线的包装设备，而在当时这条生产线中，只有此包装设备属国际一流水平（当然价格相当可观）。这家食品厂为应付生产，安排一百多人的包装工；另一方面也和国家和人们的认识程度有关，随着生活水平的提高，人们对商品各方面的质量要求越来越高，尤其我国加入WTO以后，为了提高我国产品的国际竞争力，在商品的规范上要和国际接轨。所以目前给包装设备提出了更高的要求，这就要大力提高它们的自动化和智能化程度。只有包装设备更加自动化、智能化才能有效地提高包装机的工作效率，大幅度地降低停机时间，最大程度地减轻人们的工作强度，并才能包装出美观、卫生、坚实、更富有竞争力的产品，直接推动国民经济的迅速发展。总之，对包装生产线分布式监控、诊断系统研究和开发，在包装工程学科和计算机自动控制方面都具重要的学术价值的，在生产实践中有较大应用推广价值，系统的实施和应用必将产生巨大经济效益和社会效益。14研究方法措施首先按照分布式计算机控制系统的一般开发原则和要求，结合本研究的具体情况及特点，对所要开发的控制系统进行总体设计，以搭起一个较为详细和清楚的框架，为下一步的工作指明方向。硬件设计的主要任务是根据系统要求选择PLC及单片机的型号及接口芯片等。实施过程一般分三步首先，绘制原理图、布线；然后，委托生产厂家制作电路板；最后，使用示波器、电压表等工具测试电路板，检验它们是否满足系统设计的要求。15本文结构本文各章的内容安排如下第1章本文所论述的是课题研究的内容和意义，介绍本课题开发的价值，并给出了全文研究的内容和安排；第2章在对分布式控制系统总体分析的基础上，论述了本文所开发的系统的结构以及硬软件的构成；第3章主要讨论了对包装生产线的分布式监控、诊断系统的硬件设计分别对构成的四个控制子系统进行了分析；第2章包装生产线分布式监控、诊断系统总体设计21分布式控制系统的结构及特点DCS是以微处理器为基础的集中分散型控制系统，它的主要特征是集中管理和分散控制。一般的分布式控制系统包括三大组成部分（或基本结构），即分散过程控制装置、操作管理装置和数据通信系统。1分散过程控制装置它是集散控制系统与生产过程间的界面，生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成过程控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波及其他的一些运算。其结构的特征（1）需适应恶劣的工业生产过程环境；（2）分散控制这一点体现了控制分散的系统构成，它把地域分散的过程装置用分散的控制实现，它把监视和控制分离，把危险分散，使得系统的可靠性提高；（3）实时性分散过程控制装置直接与过程进行联系，只有具有实时性强的特点，才能准确反映过程参数的变化，从装置来看，它要有快的时钟，足够的字长；从软件来看，运算的程序要精练，实时和多任务工作；（4）独立性相对于整个集散系统，分散过程控制装置具有较强的独立性。2操作管理装置操作管理装置是操作人员与集散控制系统间的界面，操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行情况，并通过它发出操作指令给生产过程。生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便于操作人员监视和操作。其结构的特征（1）信息量大从硬件来看，它具有大的存储容量，允许有较多的画面可显示，从软件来看，应采用数据压缩技术、分布式数据库技术及并行处理技术等；（2）易操作性操作人员和管理人员要通过操作管理装置提供的输入设备，如键盘、鼠标、跟踪球等来对操作设备的运行；（3）容错性好为防止操作人员的误操作，该设备装置应具有良好的容错特性。只有具有相当权威的人员才能对它操作，为此，要设置硬件密钥、软件口令、对误操作不予响应等安全措施。3数据通信系统通信系统是分散过程控制装置与操作管理装置之间的桥梁，用它来完成两者之间的数据传递和交换。这里的通信系统是指各级的计算机、微处理器与外部的设备通信、级与级之间的通信。对通信系统的要求除了传输速度、误码率等外，主要是开放性和互操作性。系统的“开放”是指允许与其他厂商的产品能通信，即与国际接轨。这就要求通信有一个统一的标准、协议。各厂商的产品的通信也应符合统一的标准。这个通信标准的框架结构是国际标准化组织的开放系统互连参考模型。互操作性是指现场总线的通信标准，它要求不同厂商的智能现场变送器、执行器等可以互换1。分布式控制系统有许多优良特性1单从系统的构成角度来看，分级递阶是它的基本特征分布式控制系统是分级递阶控制系统；2分散控制分散的目的是为了使危险分散，提高设备的可利用性；3自治和协调性分布式控制系统的各组成部分是各自为政的自治系统，它们各自完成各自的功能，相互间又有联系，数据信息相互交换，各种条件相互制约，在系统的协调下工作；4适应性、灵活性、可扩充性好；5一次性投资大。DMCDS具有以下基本特点1分散采集，集中监视、诊断和管理，适应了采集点分散、管理集中的特点；2可靠性高；3扩展灵活，网络互联能力强；4系统功能强5。22分布式系统中常用的控制装置控制系统中的控制装置的选取，应根据市场所能提供的控制装置的类型、特点、价格、使用范围做出决定。目前市场所能提供的控制器主要有可编程控制器（PLC），工业计算机（IPC）、单片微型机。以下对它们分别加以说明。221可编程控制器（PLC）可编程控制器（PLC）作为一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作系统，它采用可编程序的存储器，在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程控制器（PLC）的特点1工作可靠由于PLC大多以单片机作为处理核心，并设计和制造中采用了多层次抗干扰、精选元器件等措施，所以它不易受外界干扰，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作。2组合灵活、运行迅速PLC大多采用模块化设计，每一模块完成一定的功能，便于通过简单的组合来灵活改变控制系统的功能和规模。它安装简便，操作方便。使用时只需将检测器件及执行设备与PLC的I/O端子连接正确，内部不需接线和焊接，系统就可以工作，而且由于每一模块都设有运行和故障指示装置，便于故障查找，操作方便。3编程简单PLC采用其特有的编程方法，如梯形图、级式控制图等。梯形图与电气控制图有许多相似之处，编程不存在语言障碍；级式控制图是完全按照生产的过程顺序进行，即使不懂电气控制图也完全可以进行程序设计。4设计施工周期短使用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和PLC程序设计可同时进行，这样施工周期短，且程序调试和修改都较方便8。222单片微型机外部中断请求线外部输VCC入线VSS外接元件并行I/O线特殊I/O线图21典型的单片机内部结构框图微处理器是在一个硅片上制作几百万个晶体管，而出现的大规模集成电路的中央处理器。再加上大容量的半导体存储器，通用或专用输入/输出（I/O）接口电路、多种型号的I/O的综合外围电路，就构成了单片微型机，简称单片机。目前，单片机在智能仪表、机电一体化技术、实时控制、分布式多机系统及家用电器等方面得到广泛的应用。单片微型机的内部结构及特点如上图21所示单片机内部包含中央处理器CPU、时钟电路和中断控制电路、程序存储器、数据存储器、并行口、定时器以及特殊I/O部件，CPU通过内部总线和其余的模块相连。中央处理器CPU程序存储器数据存储器定时器并行I/O接口特殊I/O接口中断控制时钟电路单片机具有功能强、结构紧凑、系统可靠、体积小、功耗低、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。新型单片机可承担数据与数值分析、信号处理、机器人智能控制,以及图像处理等复杂任务。223工业PCIPCPC即个人计算机，IPC为工业PC。IPC的CPU、RAM、CRT和操作系统四大要素与PC没有很大区别。但IPC与PC又有很大的不同，一是对电源系统进行重新设计，提高它的抗干扰能力；二是对机架和结构进行改造（如取消大底板，把大底板的功能通过采用集成度更高的芯片而集中到一块普通的PC的槽板上，并去掉外面的大盒盖而代之以分离式钢板机壳结构，以提高可靠性与维护性；增加带过滤器的强力风扇和正压机箱，加强散热，以提高系统抗粉尘能力9。），提高防护等级和系统可靠性；三是主板分为有源主板和无源主板（主板上只保留总线，CPU、RAM和外设接口都变成独立的插卡）两类；四是重新开发与工业现场接口的各种模拟量、开关量和特殊功能的插卡；五是在通用的操作系统平台上开发各种用户级的控制软件。由于上述的改进和PC本身具有的特点，IPC的优点是不言而喻的，原来PC的硬件（包含外设）和软件资源都可以充分地利用，大大节省了开发费用缩短了开发周期，尤其是现在在WINDOWS平台开发的控制软件，画面更加逼真生动，操作更加形象简练，界面更加友好，对于大批量的数据采集和处理得心应手，因此就适用于工业控制领域。当然，IPC也有局限性在离散控制为主的现场IPC在系统构成的灵活性、可靠性、经济性都远不如PLC；编程也需要专业为主的计算机软件人员，远不如PLC来得简单方便；在以连续控制为主的大型实时过程控制中，IPC又不如DCS成熟、专业、可靠和方便。IPC的特点1软件支撑特别丰富。由于熟悉PC的人越来越多，开发的PC的支撑软件也越来越多，所以其应用范围越来越广。2CPU功能强，升级容易。3联网极为方便。当前市面上流行的网络多数均可在IPC上运行，因此可方便地形成集散型系统。工业PC的使用范围1各种直接控制，可对工业控制对象直接进行控制。2由于它联网和运算功能强，可以完成初级的控制和管理；同时能够将PLC、单片机等连接起来在车间组成小型分布控制系统9。23包装生产线分布式控制系统的总体设计对于一个由立式间歇包装机为主组成的包装生产线来说，其生产线上的主要设备有提升机、称重定量充填机、生产包装机、称重检测选别机、包装物输送线等组成，要提高整个包装质量，就要对这些设备进行有效的监控，实时监测主要设备的工作运行情况；发生事故，及时报警，并进行故障的有效诊断。结合该包装生产线的实际特点，设计开发小型的分布式监控诊断系统来实现上述功能，DMCDS结构简图如下图22所示。料仓包装机大料仓输道检查RS232RS485远程监控PC机中央PC机RS232RS485单片机控制子系统打印机提升机PLC控制子系统PLC控制子系统单片机控制子系统充填机剔除散装粉粒状物料充填、包装联络协调转换器RS485合格袋不合格袋图22包装生产线分布式控制系统简图从上包装生产线分布式控制系统简图可以看见散装粉粒状物料通过外部运输机构送入大料仓，然后在提升机PLC控制子系统的控制下给小料仓加料，完成包装生产线的上料工作；由单片机控制子系统控制的充填机将物料定量成一定规格的单份物料，然后准备对包装袋进行物料的充填；包装机在PLC控制子系统的控制下通过制袋、充填、封口等工序将物料包装成袋装的产品；称重检测选别、输送机在单片机控制子系统的控制下完成包装成袋产品的输送、称重、选别、剔除等工作，最后将它们运送到装箱点。从通信、监控、诊断角度上讲，在上图所示的包装生产线DMCDS中，中央IPC为上位机，两个单片机和PLC为下位机。上位机利用RS232/RS485转换器与下位机连接通信。上位机给下位机分配任务，并接收下位机在现场检测到的各种资料，经过处理后再次向其下位机发出各种控制命令，以实现对被控对象的监控。本系统采用先进的分散控制、集中管理的网络控制，即采用两个单片机和PLC分别在不同的地点工作（注为了提高包装的质量和速度，其中控制充填机的单片机与控制包装机的PLC要在充填和横封时协调工作，所以，两者时序上需要协调，而不完全独立），互不依靠，并应用网络技术将两个单片机和两个PLC连网，以便收集各地点的信息，进行集中监督管理，做到指挥权集中，控制权分散。通过控制权分散，获得危险分散，最终达到提高系统可靠性的目的。具体地讲中央IPC机起着集中操作和管理的作用；两个单片机和两个PLC控制子系统是分散过程控制装置；它们之间相连的RS485总线就起到数据传输和通信的作用。它们一起构成了整个DMCDS控制系统，整个系统的设计包括硬件和软件两个部分。231系统硬件构成结合市场的购买条件，并根据包装生产线的特点，本系统对所用的PLC、单片机及接口总线进行选型在硬件的选用上，两个可编程序控制器（PLC）采用日本三菱公司生产的FX2系列的PLC；两个单片机采用AT89C52型号，它是美国ATMEL公司生产的；中央PC机选用工业控制机IPC610（如上所述）它带有2个RS232C通信口和输入输出板，便于数据采集和系统故障诊断系统的设计；采用RS485总线来实现分布式测控系统中上下位机之间的串行通信。第3章包装生产线分布式监控、诊断系统硬件设计31系统所用的PLCFX2系列的PLC日本三菱公司近年来推出的高性能小型整体式PLC。它由基本单元、扩展单元和特殊适配器组成。系统的最大I/O点数为128点，利用扩展模块，可以只增加输入点数，或只增加输出点数，从而调节输入与输出点数的比例。FX2系列的PLC的输出电路有继电器型、双向晶闸管型和晶体管型三种。基本单元扩展单元和扩展模块可分别选择不同的输出方式。特殊适配器的电源由基本单元提供，它们接在基本单元左侧的特殊接口上。FX2232AW型双绞线通讯适配器可在远距离配置的两个基本单元之间传送100点开关量信号和10点数据寄存器中的数字。311PLC的通信模块FX2系列的PLC通信模块的作用是在PLC和外部设备之间建立一个数据通道，使操作员可以通过外部设备改变PLC的工作方式，并为PLC输入程序改变状态或将PLC的程序或状态送至外部设备。通信模块一般是一个带有CPU的智能模块，下图31为其的功能结构框图。由图31可见，通信模块插入CPU编程器上，而编程适配器完成模块和CPU的信息交换控制在这个模块中，CPU以及控制电路加上ROM中的控制程序是模块的核心，其它部分的工作均由这个核心控制。它主要完成下列工作（1）根据方式选择开关阵列，决定工作方式，如串行接口的传递速率等；（2）控制模块与CPU信息交换过程；（3）控制串行接口适配器，并进行数据的格式变换，由串行口与外设进行信息交换；（4）为编程器接口提供信息通道，使编程器在必要时仍可操纵CPU。串行接口的电气规范为RS422/485，配上合适的接口变换器，可将其改为RS232C，最高传送速率为192000BPS，通过串行接口与外设通信时，信号要符合一定的规范，即通信规约。与通信模块相连的外设可以是计算机、调制解调器、别的通信模块，或者其他档次的PLC11。可选配的外接电源（直流）PLC的CPU接口PEPROMRAM控制电路RS232串行通信接口编程器接口至PLC的CPU原编程器接口至上位PC或其他PLC图31通信模块功能结构框图通信模块的用法可以编程、检查程序、监控运行状态、改变I/O状态。上述工作都是计算机或外设对PLC而言的，而外设本身又可能是一个复杂而完善的系统，这样，通过这些外设就可以打印各种程序清单、生产报表、显示控制过程的状态，用图形显示器构成的操作模拟台等。将各种功能加以组合，便得到更好的结果。312FX2N48MT型号PLC为了统一规范和型号，本文的两个PLC控制子系统均采用选用输入24点、输出24点的FX2N48MT型号PLC。它是三菱电机的FX2N系列可编程序控制器，且选用AC电源，DC24V电源输入，晶体管输出。FX2N系列是小型化、高速度、高性能的超小型程序装置。系统配置既固定又灵活，可进行16256点的灵活输入输出；编程简单，有27种基本指令，2种步进梯形指令，128种应用指令，包括高速处理指令、便利指令、数据处理指令、特殊用途指令及外部设备通讯指令等；有多种机型，可根据点数、电源及输出形式选择；程序容量内置8000步，有丰富软元件、高速计数器及50S短脉冲读取；可用RS485通信同个人电脑等计算机或其它FX系列PLC连接；多种外部数据存取单元，从简单的单色LCD显示器按键，到功能强的彩色触摸屏。32系统所用的单片机MCS51系列是一种高性能的8位机，由于其性价比高，一直是控制领域的主流。通过分析、比较，本文所选用的是ATMEL公司生产的AT89C52单片机，它是当今世界上新型的电擦写单片机，该产品和INTEL公司的MCS51系列单片机完全兼容，完全可以替代51系列单片机，且不需对外围电路作任何修改。它片内带8K闪电型ROM，256字节的RAM，3个定时器，6个中断源，有超强的加密功能，是一种低电压、低电流、低功耗芯片，整机性能高于MCS51系列单片机。AT89C52的片内采用闪速存储器（FLASHMEMORY）技术制造，编程/擦写全部采用电实现，具有可重复编程，使用寿命长，数据不易挥发，编程擦写速度快等特点。采用低功耗，高速CMOS工艺制造，并且支持两种可选的省电模式休眠模式和掉电模式。在休眠模式下，CPU停止工作，但内部RAM、定时器、串行输入/输出口与中断系统等仍然起作用；在掉电模式下，只保存RAM的内容，振荡器停振，关闭芯片的所有功能，直到下一次硬件复位为止。MCS51系列单片机的开发装置也可用来开发AT89C52应用系统，原来已开发好的MCS51应用程序，可以直接烧入AT89C52。目前，市场上的一些优秀的防真器和编程器等均可对AT89C52进行防真和编程12。AT89C52单片机有三级程序存储器加密，利用该功能可防止别人非法复制程序，从而保护知识产权；它还为用户预置P0、P1、P2、P3四个并行I/O口，为该系统的数据采集和控制提供了足够的端口资源；它还为用户提供一组全双工串行数据传输端口，可用于单片机系统间，及PC机和PLC之间的远程数据信息交换13。33RS232C和RS485总线标准常用串行通信有两种，一种为RS232串行通信，另一种为RS485串行通信。RS232串行通信端口是每台计算机上的必备配置，通常有COM1与COM2两个端口。在用RS232串行通信进行传输时经常会受到外界的电气干扰而使信号发生错误，同时，RS232标准规定，最大通信距离为15M，在要求通信距离为几十米到上千米时，目前广泛使用RS485总线。RS232C是电子工业协会EIAELECTRONICINDUSTRIESASSOCIATION推荐的标准RSRECOMMENDEDSTANDARDS,最后一位“C”表示该标准的版本号,它适用于串行二进制数据通信的数据终端设备DTE和数据电路终接设备DCE之间的通信,它与X25和V24规程在物理层和链路层是兼容的。RS485总线信号传输方式采用平衡发送和差分接收的形式，具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有很高的灵敏度，能检测低达200MA的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。面对噪声较多、传输距离较长的情况时，使用RS485要比RS232好；由于RS485采用“平衡差动式”数据传输特性，工作于半全工方式，所以RS485的串行通信线路可采用最普通的双绞线，且在抗干扰能力和带负载能力方面较其它的串行接口标准有非常明显的优势，比较适用高速率、远距离、多负载的传输。使用RS485总线，用一对双绞线就可以实现多站连网构成分布式系统，它设备简单、价格低廉，能进行长距离通信，在工程项目中，已获得广泛的应用。因此本分布式控制系统就采用RS485作传输接口，上下位机用RS485总线连网。34转换模块及与中央IPC的RS232串行通讯接口的连接本设计所使用的RS485与RS232转换模块为弘格科技的I7000系的I7520模块。1I7520模块此为信号标准电位转换模块，因为RS485与RS232所采用的IC（集成芯片）不一样，它们之间的信号标准电位也不相同使用RS485网络就必须将RS232的电位作一下转换。27520模块的规格如下协议双线式RS485（D，D）协议连接器插卡式螺丝固定的接线盒速度内置“自适应芯片”可改变波特率（范围300BPS115200BPS）没有中继器时一个RS485网络最多允许有256个模块一个RS485网络在配中继器时最多允许有2048个模块隔离电压3000V隔离现场RS232需要中继器4000英尺或超过256个模块电源要求10V30VDC耗电量22W（MAX）下图32是I7520的内部电路示意图。I7520隔离电压3000VDCDTDRGNDV5VVV0VV自适应网络控制器RS485RS232DCDCDCDCRS232端的隔离图32I7520模块的内部电路示意图如上图示要将RS232接到7000系列上从而转换为RS485网络时，其配线仅使用3条线路，这3条线是RS232上的第2脚、第3脚和第5脚（与最简单的传输线路是一样的），上图中的7520使用的DB9接头只是为了方便和计算机作连接，在它内部也只使用了3条线连接。37520模块上的被称为SELFTUNNERCHIP（自适应芯片）的作用在于同一个RS485网络上可存在不同的速率模块，但只需使用同一部计算机的串行端口作处理即可。7520模块实际上只是将计算机端的信号标准电位作一个转换操作，本身并无其他作用，也可以将它看成一个缓冲区；7520模块本身还具备判断数据流向的能力；在实际厂区环境中使用时，经常受到噪声的干扰，7520模块在RS232端与RS485端有一个隔离保护，其耐压高达3000伏（DC），因此将传输网络线上的噪声隔离掉，即使网络上的设备因电压过高而损坏时，也不致影响到监控计算机14。35包装生产线系统各生产设备及其控制简介本包装生产线监控、诊断系统的开发是以江苏丹阳“仅一包装设备”公司的产品为例，即生产线上的主要设备，如包装机，充填机等均采用江苏丹阳“仅一包装设备”公司的产品。下面分别对它们及其控制系统加以简介。351提升机PLC控制子系统简介本包装生产线提升机的作用是将要包装的物料从进料仓源源不断地、及时地运送到充填机的下料料仓中，提升机的型号为TDTGK50/28A，其简图如下33所示。本系统的提升机的控制原理在大料仓和充填机的料仓中都设置了料位传感器，PLC根据两个料位传感器信号工作。当料位低时，加速上料；料位高时，放慢上料速度或停止上料使充填机料仓的料位稳定在设置的高度，便于充填机工作稳定。提升机PLC控制子系统的输入信号大料仓和充填图33提升机简图机的料仓料位检测点各2点，行程上限位置接近开关检测1点，行程下限位置接近开关检测1点，调零电机开关检测1点，润滑油压光电开关检测1点，主电机轴承光电开关检测1点，加速度检测1点，安全门关闭检测1点，速度超速信号1点及其它备用2点，共计14点。提升机PLC控制子系统的输出信号提升机电机启动或停止控制1点，调零电机启动或停止控制1点，润滑油开关启停控制1点，液压站启动或停止控制1点，声光报警控制1点，安全门关闭控制1点，其它备用2点，共计8点。提升机PLC控制子系统的PLC基本单元配制见下包装机PLC控制子系统部分。352充填机单片机控制子系统简介本包装生产线所用的称重充填机和立式包装机分别为“仅一包装设备”公司的系列产品它们的型号分别为高速2000型充填机和雄师2502SF立式包装机（其产品组合简图如图34所示，其中上部为高速2000型充填机，下为雄师2502SF立式包装机）。充填机单片机控制子系统与包装机PLC控制子系统构成了包装机全自动控制系统，它是整个包装生产线的关键控制所在。高速2000型充填机所采用的是一种称为混合式自动定量充填新方法混合式自动定量由单片机控制，采用一次容积式快速加料，一次精确快速静态称重，一次容量式细加料完成一个充填过程。为了讲清楚它们的控制过程，有必要介绍一下混合式自动定量包装原理。3521混合式自动定量包装原理的简介传统的粉粒状产品自动定量包装有2种方式容积式自动定量包装和称重式自动定量包装。容积式自动定量包装是基于容积来计量包装物料的数量，它的特点是结构简单、成本低、定量速度高，但是定量准确度依赖于物料比重的稳定性，受物料松图34充填机与包装机组合图散程度、颗粒大小均匀程度、吸湿性、节块性等物理化学性质的变化影响较大，从而包装准确度差。称重式自动定量包装是以重量来计量包装物料的数量，其特点是结构复杂、成本高、定量速度慢，但是定量准确度高。两者相比，定量式包装准确度较容积式包装准确度高，但包装速度慢，不能满足大量粉粒状产品定量包装15。混合式自动定量包装是在容积式和称重式自动定量包装的基础上发展起来的16，即一次加料过程分为粗加料和细加料，其中，粗加料采用容积式，加入目标量的大部分，再经过称重，以定量式加入剩余部分，从而完成一次加料过程。其系统组成结构如图35。料仓称重传感器1包装机包装机控制子系统充填机控制子系统汽缸粗给料管称重料斗细给料管称重传感器2数据采集处理充填机图35混合式自动定量包装系统组成结构图如上图所示该混合式自动定量包装系统包括（1）由充填机中的料仓、粗细给料管、粗细给料器组成的给料子系统；（2）由充填机中的称重料斗、投料汽缸、称重传感器及其称重数据采集组成的称重子系统；（3）包装机及其控制子系统；（4）充填机及其控制子系统。其自动定量整个过程在包装机控制系统的协调下进行，采用多级给料及静态称重实现。首先由粗给料器采用容积式快速往称重料斗加入目标量的大部分（一般在90左右），稳定一定时间后进行静态称重，而不象称重式自动定量，一边给料一边称重的动态称重，这样可以保证准确称重；然后精确地计算确定剩余的小部分量，最后控制细给料器加料（二次加料），同时控制称重料斗投料汽缸打开投料门，向包装机投料，完成一次混合式自动定量的循环过程17。可见，混合式自动定量包装综合了容积式自动定量速度高和称重自动定量准确度高的优点具体地讲，（1）给料和称重分时进行，以提高加料速度，减少加料冲击和落差对称重的影响；（2）细加料器加料（二次加料）时采用称重式加料，因为这次加料量少，所以加料的误差也就小，从而提高了定量准确度；（3）细给加料器加料后不再称重，在细加料同时就投料，进一步提高了定量速度。3522充填机的控制过程充填机的工作过程是接收到包装机定量充填指令后，首先给粗给料器或粗细给料器一起快速往称量料斗粗加料，加入目标量的大部分，稳定一定时间后精确快速静态称重，确定剩余的小部分量，并换算成细给料器细加料时间，经过稳定称重的短暂时间后，最后向包装机返回物料充填信号，通过细给料器细加料剩余部分，同时控制程重料斗投料机构打开投料门。结束后，关闭投料门，并且在接收到包装机下一个定量充填指令后，进入下一个定量充填循环过程。自动定量充填部分输入信号有充填机料仓位检测1点，安全门关闭检测1点，定量盘称重位检测1点，定量盘投料位检测1点，包装机定量充填指令信号检测1点，备用1点，共计6点。自动定量充填部分输出信号有振动给料器控制加料2点，定量盘称重位和投料位控制1点，声光报警控制1点，返回包装机物料充填信号1点，备用3点，共计8点。因此，单片机控制系统设计有6点输入信号，8点输出信号17。单片机控制系统采用AT89C52单片机。考虑充填机和选别输送机组均有一路高速的称重数据采集和若干位并行输入、输出信号，因此采用相同的硬件系统。单片机控制系统除了单片机外，还包括看门狗定时器、电压监控和EEPROM集一体的X5045芯片、RS485接口转换芯片LBC184、对称重传感器的微弱的电信号进行放大的仪表放大器AD623芯片、14位高速模/数转换器MAX121芯片、输入、输出信号光电隔离器MOC3020、输入反向驱动器MC1413等组成，如下图36所示称重传感器6点输入信号10点输出信号AD623MOC3020MC1413MAX12174HC14MOC3020并行输入口并行输入口并行输出口AT89C52LBC184X5045RS485总线图36单片机控制系统组成框图器件说明114位高速模/数转换器MAX121芯片MAX121芯片低温漂、低信噪比，转换速度快，转换时间仅为29S，读取时间为400NS，输入电压范围5V15V，内置采样保持器和三态缓冲输出器，输入端直接与AD623输出端相连，输出端直接与CPU相连。2对称重传感器的微弱的电信号进行放大的仪表放大器AD623芯片AD623芯片是采用厚模工艺制作对称重传感器的微弱的电信号进行放大的仪表放大器，它具有高输入阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，输入电压范围大，执行时间20S，放大误差小，很好的线性度、温度稳定性、可靠性。3集看门狗定时器、电压监控和EEPROM集一体的X5045芯片X5045芯片存储器部分是COMS的4096位串行EEPROM，它的内部按5128位组织，允许简单的三线总线工作的串行外设接口（SPI）和软件协议。用于存放运行参数如采样速率、采样点数、定量目标重、定量允许误差、传感器量程和标定系数等。4RS485串行通讯接口芯片LBC184TTL/RS485电平转换的芯片有SN75176等，综合考虑芯片的特性，选择TEXASINSTRUMENTS公司生产的SN75LBC184。该芯片引脚与SN75176兼容，但综合性能更好，可靠性更高，对高峰电压有更好的承受能力。该芯片具有高能量的瞬变干扰保护装置，采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰能力，采用一对双绞线实现半双工485网络的连接。36包装机PLC控制子系统简介如上所述,本包装生产线所用的立式包装机为“仅一包装设备”公司的雄师2502SF立式包装机,其产品简图见上图34。立式包装机的工艺过程包括卷膜牵引、打印、袋成型、纵封、充填、横封、剪切及成品记数等。同时自动定量部分完成物料输送、加料、计量及投料等工作。立式包装机采用PLC控制，袋成型、充填、封口包装循环过程为首先向自动定量部分发出定量充填指令，在收到物料充填返回信号，并经定时器定时固定不变一段时间后，再次向自动定量部分发出定量充填指令，在经横封、纵封、打印日期、剪切、成品记数、冷却等过程，最后牵引卷膜袋成型。在协调配合过程中，包装机根据自动定量部分返回物料充填信号定时后，进入横封、纵封等工序。要确保横封既不能过早，这