（機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)論文）一種大型捏合機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).pdf

華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 捏合機(jī)是固體推進(jìn)劑生產(chǎn)混合工序的關(guān)鍵設(shè)備，傳統(tǒng)的混合工序因自動(dòng) 化程度低、缺乏狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段等原因，容易發(fā)生爆炸，造成人員、財(cái)產(chǎn)的重 大損失。為了擴(kuò)大生產(chǎn)，消除安全隱患，某廠決定對(duì)一臺(tái)大型捏合機(jī)進(jìn)行全 面的技術(shù)改造，因此需要研制一套自動(dòng)化程度高、安全、可靠的捏合機(jī)控制 t 系統(tǒng)。i 一一 本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)同類(lèi)設(shè)備的技術(shù)狀況和控制形式進(jìn)行了詳細(xì)地分析和比 較，針對(duì)企業(yè)的實(shí)際情況，全面地分析本控制系統(tǒng)的功能需求，明確了其主 要技術(shù)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，本著先進(jìn)實(shí)用、安全可靠的原則，提出了以m o d i c o n t s xq u a n t u mp l c 為核一t l , 的控制方案，提出并對(duì)捏合機(jī)控制系統(tǒng)的軟、硬 件設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的分析和論證。利用雙p l c 的主、備自動(dòng)切換和雙機(jī)雙 纜冗余的通訊網(wǎng)絡(luò)，可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。利用專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)連接 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與p l c ，p l c 和h m i 、i p c ，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，配合防爆設(shè)計(jì)，能夠 明顯改善系統(tǒng)的安全性。隨后，本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)與傳輸、主電機(jī)調(diào)節(jié)、 混合鍋恒溫控制等影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致的研究。 ， 捏合機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)安裝和分部調(diào)試，進(jìn)行了三次整機(jī)帶料試車(chē)，最長(zhǎng) 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá)2 0 小時(shí)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果均表明，本捏合機(jī)控制 系統(tǒng)操作方便、安全可靠，故障判斷及時(shí)準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。一 關(guān)鍵字：捏合機(jī)，固體推進(jìn)劑，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 ，刪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 第一章緒論 1 1 研究的目的、意義 捏合機(jī)是固體推進(jìn)劑生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，也是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，不論 是二十世紀(jì)六十年代世界各國(guó)普遍采用的“s ”形槳葉臥式膠化機(jī)，還是目 前采用的雙槳葉、雙行星運(yùn)動(dòng)的立式捏合機(jī)，由于自動(dòng)化程度低，缺乏狀態(tài) 監(jiān)測(cè)手段等原因，都極易發(fā)生技安事故。美國(guó)錫奧科耳公司的埃爾克頓分公 司、隆霍恩分公司以及美國(guó)海軍推進(jìn)劑工廠等企業(yè)曾多次發(fā)生混合工序著 火、爆炸事故。我國(guó)從1 9 6 2 年開(kāi)始，也先后發(fā)生過(guò)1 0 多起混合設(shè)備的著火 爆炸事故。例如，我國(guó)北方某廠的同類(lèi)設(shè)備曾發(fā)生過(guò)類(lèi)似的爆炸事故，其原 因即在于此【1 ”。另一方面，推進(jìn)劑的混合過(guò)程一般要持續(xù)7 2 小時(shí)以上， 任何原因?qū)е碌幕旌线^(guò)程中斷都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何保證捏 合機(jī)的安全性和可靠性是其設(shè)計(jì)所必須考慮的首要問(wèn)題。 本文針對(duì)固體推進(jìn)劑混合加工中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論和 安全性、可靠性設(shè)計(jì)的方法，著重研究捏合機(jī)的自動(dòng)控制方法和技術(shù)，并結(jié) 合具體設(shè)備需要，進(jìn)行捏合機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使混合設(shè)備的生產(chǎn)具有運(yùn)行 穩(wěn)定、可靠、安全以及操作維護(hù)方便的特點(diǎn)。 1 2課題概述 1 2 1 課題來(lái)源 本課題來(lái)源于華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院與某化工廠簽定的合作改造項(xiàng)目。 該項(xiàng)目的主要工作是在恢復(fù)捏合機(jī)原有功能的基礎(chǔ)上，使改造后的系統(tǒng)在自 動(dòng)化水平和先進(jìn)性方面具有較高水平，滿足運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、安全，操作、 維護(hù)方便的要求。 1 2 , 2 課題背景簡(jiǎn)介 該廠的這臺(tái)大型捏合機(jī)，建造于三十多年前。由于長(zhǎng)期閑置，該設(shè)備除 機(jī)械結(jié)構(gòu)主體能夠修復(fù)使用外，其它部分( 如控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系 統(tǒng)、細(xì)加料系統(tǒng)等) 均需重建。本課題的任務(wù)就是要根據(jù)企業(yè)現(xiàn)在的需要， 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，對(duì)這臺(tái)大型捏合機(jī)進(jìn)行全面的技術(shù)改造?？紤]到安全生 產(chǎn)、科學(xué)管理等多方面的因素，本次技術(shù)改造應(yīng)該滿足如下技術(shù)要求： 1 生產(chǎn)安全、可靠。選用高質(zhì)量、名牌元器件，危險(xiǎn)場(chǎng)所元( 部) 件 進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，提高單個(gè)元( 部) 件的安全性、可靠性?？刂葡到y(tǒng) 采用雙機(jī)雙纜冗余結(jié)構(gòu)，熱后備與冷儲(chǔ)備相結(jié)合，防止主c p u 模板 故障或電纜損壞造成系統(tǒng)崩潰。 2 操作安全、方便。操作界面分級(jí)別授權(quán)訪問(wèn)，并建立操作人員庫(kù)， 形成有效的安全操作規(guī)范。系統(tǒng)多重聯(lián)鎖保護(hù)，減少可能誤操作。 簡(jiǎn)化操作臺(tái)按鈕，人機(jī)界面友好，操作方便，易懂易學(xué)。 3 維護(hù)簡(jiǎn)單、方便。硬件設(shè)備選擇具有良好的維護(hù)和技術(shù)支持能力的 設(shè)備，完全采用標(biāo)準(zhǔn)化接口。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法。 計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及故障報(bào)警、診斷，自動(dòng)生成并存儲(chǔ)生產(chǎn)工藝流 程歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，方便查找故障原因。 4 管理科學(xué)化、網(wǎng)絡(luò)化。生產(chǎn)工藝流程、資料報(bào)表實(shí)行計(jì)算機(jī)化管理。 利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)( p c ) 內(nèi)的以太網(wǎng)卡，可實(shí)現(xiàn)工廠乃至整個(gè)基 地對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)運(yùn)行狀況的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管 理。 1 2 3 研究任務(wù) 本文的主要研究?jī)?nèi)容是： 1 從現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)對(duì)控制系統(tǒng)的要求出發(fā)，針對(duì)固體推進(jìn)劑生產(chǎn)工 藝的特殊要求，研究大型捏合機(jī)自動(dòng)控制的方法和關(guān)鍵技術(shù)； 2 結(jié)合企業(yè)實(shí)際，設(shè)計(jì)一個(gè)安全、可靠、控制性能先進(jìn)的捏合機(jī)控制 系統(tǒng)。 1 3 相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1 3 1 同類(lèi)設(shè)備控制技術(shù)分析 在推進(jìn)劑生產(chǎn)過(guò)程中，為了將大量的固體粉末均勻地分散到超高粘流體 中，需要對(duì)物料提供強(qiáng)大的切應(yīng)力并使物料在混合設(shè)備內(nèi)進(jìn)行有效的移動(dòng)和 循環(huán)。要完成這種操作，需要使用適用于超高粘流體的特殊攪拌設(shè)備，如捏 合機(jī)。臥式雙軸型捏合機(jī)是通用設(shè)備，而立式捏合機(jī)則是易燃易爆超高粘流 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 體物料攪拌和混合的專(zhuān)用設(shè)備，它有兩個(gè)槳葉作行星嚙合運(yùn)動(dòng)，具有嚙合效 率高、攪拌均勻可實(shí)現(xiàn)真空混合的特點(diǎn)。和臥式捏合機(jī)相比，立式捏合機(jī)由 于槳葉豎立，軸承不浸在物料內(nèi)，因此更為安全可靠【2 ”。 本文中所提及的立式二臂扭框式行星傳動(dòng)捏合機(jī)【8l 是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、制 造的大型混合設(shè)備，初始設(shè)計(jì)時(shí)控制部分采用的是直接繼電器控制的方式進(jìn) 行控制。直接采用繼電器進(jìn)行控制的主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)整維護(hù)容 易、造價(jià)較低，然而它是具有觸點(diǎn)的控制系統(tǒng)，觸點(diǎn)較多、組合復(fù)雜、容易 損壞，因而可靠性差。 目前承擔(dān)該廠主要生產(chǎn)任務(wù)的液壓馬達(dá)傳動(dòng)立式捏合機(jī)，是由航空工業(yè) 總公司四院4 2 所研制。其控制系統(tǒng)采用p l c ( 三菱f x 2 1 2 8 m r ) 進(jìn)行控 制，通過(guò)氣電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對(duì)混合操作過(guò)程實(shí)現(xiàn)氣、電、液聯(lián)鎖，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 手動(dòng)控制和操作，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離操作。其扭矩、溫度、壓力等參數(shù)的 監(jiān)測(cè)和報(bào)警等性能優(yōu)異，但加料方式仍為手工，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且存在 安全隱患。 航空工業(yè)總公司四院4 2 所在早期還為該廠研制過(guò)其它的混合設(shè)備，主 要有5 0 0 升( 臥式) 、2 5 升( 立式) 、1 0 升( 臥式) 及1 升( 臥式) 等設(shè)備， 均采用直接繼電器進(jìn)行控制。 1 3 2 自動(dòng)控制技術(shù)的一般發(fā)展 生產(chǎn)過(guò)程總是在一定的工藝參數(shù)條件下進(jìn)行的，因此需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn) 行控制，自從工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)以后，就伴隨著產(chǎn)生了檢測(cè)和控制技術(shù)的發(fā)展， 人們不能憑視覺(jué)和觸覺(jué)去感受大生產(chǎn)過(guò)程中的操作參數(shù)的變化，所以必須有 相應(yīng)的檢測(cè)工具和控制技術(shù)。閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)一般是由被調(diào)對(duì)象、變送器、 調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器構(gòu)成的【4 - “。其中被調(diào)對(duì)象是需要調(diào)節(jié)其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設(shè) 備：變送器是檢測(cè)工藝參數(shù)并把它轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)的裝置；調(diào)節(jié)器是把 變送器送來(lái)的測(cè)量信號(hào)和給定信號(hào)進(jìn)行比較，偏差信號(hào)按照預(yù)先設(shè)定好的調(diào) 節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算之后，輸出一個(gè)控制信號(hào)去執(zhí)行器；執(zhí)行器是把調(diào)節(jié)器的輸 出信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移，控制閥門(mén)的開(kāi)度以改變物料的多少等等。 隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)裝置的規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)技術(shù)及工藝過(guò) 程愈趨愈復(fù)雜，從而對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化的控制系統(tǒng)相應(yīng)地提出了更高的要 求?？刂葡到y(tǒng)7 蚣須滿足： ( 1 ) 人機(jī)界面友好，便于集中操作、監(jiān)視和管理。 ( 2 ) 高度安全可靠，控制算法豐富、功能完善。 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 3 ) 能與計(jì)算機(jī)和常規(guī)模擬儀表相兼容。 ( 4 ) 模塊化系統(tǒng)構(gòu)成，不僅易于擴(kuò)展，而且維修簡(jiǎn)單。 ( 5 ) 應(yīng)具有良好的性能價(jià)格比。 美國(guó)在1 9 4 6 年生產(chǎn)出了世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)e n i c a 以后【4i ， 五十年代中期便有人開(kāi)始研究將計(jì)算機(jī)用于工業(yè)過(guò)程控制。1 9 5 9 年，世界 上第一套工業(yè)過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在美國(guó)德州的一個(gè)煉油廠正式投入運(yùn)行， 開(kāi)始了工業(yè)過(guò)程控制的新時(shí)代。二十世紀(jì)7 0 年代初誕生的微型計(jì)算機(jī)，標(biāo) 志著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)入了新的階段。計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域中作為一個(gè)強(qiáng) 有力的控制工具，極大地推動(dòng)著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新型的計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)。 過(guò)程工業(yè)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了二千世紀(jì)五十年代的起步期， 六十年代的實(shí)驗(yàn)期，七十年代的推廣期，八十年代的成熟期和九十年代的進(jìn) 一步發(fā)展期?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中 必不可少的組成部分。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型代表是計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng) ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，簡(jiǎn)稱(chēng)d c s ) 和可編程控制器( p l c ) 控制系統(tǒng)。 前者多用于大型流程工業(yè)，后者多用于不同規(guī)模的離散工業(yè)。 1 3 3p l c 控制系統(tǒng) 工業(yè)用可編程控制器( 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 是微機(jī)技術(shù) 和繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它吸取了微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的 最新成果，采用微型機(jī)芯片為核心，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的一種專(zhuān) 用計(jì)算機(jī)。此外，p l c 形式多樣，使用靈活，甚至能嵌入到專(zhuān)用設(shè)備和系 統(tǒng)中，與機(jī)械設(shè)備融為一體。p l c 主要用于開(kāi)關(guān)控制和順序控制，具有可 靠性高、體積小、價(jià)格低、易維護(hù)、功能完善、編程方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng) 用于各工業(yè)領(lǐng)域【”o ”。 1 9 6 9 年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司( d e c ) 為美國(guó)通用汽車(chē)公司( g m ) 研制 開(kāi)發(fā)并成功應(yīng)用于汽車(chē)生產(chǎn)線上的第一臺(tái)可編程控制器f 1 91 ，當(dāng)時(shí)稱(chēng)為p l c ， 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，二十世紀(jì)七十年代出現(xiàn)了微處理器和微型計(jì)算機(jī)， 并將其應(yīng)用于p l c 中，使計(jì)算機(jī)功能得到了更大的發(fā)揮，1 9 8 0 年正式命名 為p c lw , 2 0 l ( 為和個(gè)人p c 機(jī)區(qū)別，習(xí)慣上仍稱(chēng)之為p l c ) ，在二十世紀(jì)八十 年代后期開(kāi)始，p l c 的制造廠家為適應(yīng)市場(chǎng)需求加迸一些模擬量的采集和 控制功能，并和運(yùn)動(dòng)控制相配合，使p l c 從專(zhuān)有性控制器向開(kāi)放性發(fā)展。 p l c 是以微處理器為核心的電子系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)所用電路相類(lèi)似，其結(jié) 4 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 構(gòu)框圖如圖1 1 所示。它由中央處理器單元c p u 、輸入、輸出部分和電源 部分組成1 9 - 2 1l 。 接扭 繼電器 行程開(kāi)關(guān) 電磁線圈 指示燈 圖1 1p l c 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 中央處理單元c p u 由微處理器、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器構(gòu) 成，負(fù)責(zé)處理和運(yùn)行用戶程序，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，做出邏輯判斷及必要的處理。 電源部件是將交流電源轉(zhuǎn)換成供p l c 的微處理器、存儲(chǔ)器等電子電路工作 的直流電源，使p l c 正常工作。編程器由鍵盤(pán)、顯示器和工作方式選擇開(kāi) 關(guān)等組成，操作人員通過(guò)編程器輸入、檢查、修改、調(diào)試用戶程序，也可監(jiān) 視p l c 本身的工作狀態(tài)。輸入、輸出部分是p l c 與被控設(shè)備或控制開(kāi)關(guān)相 連接的接口電路。 可編程控制器可以完成：邏輯控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、步迸控制、 a d 、d a 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、通信與聯(lián)網(wǎng)、控制系統(tǒng)監(jiān)控等功能。為適應(yīng)工 業(yè)環(huán)境p l c 具有如下特點(diǎn)【2 l 。5 i ： ( 1 ) 可靠性高、抗干擾性強(qiáng) p l c 由于在硬件設(shè)計(jì)上采用了多重抗干擾措施，現(xiàn)場(chǎng)連線一般選用雙絞 屏蔽線、同軸電纜或光纖等，可靠性高。 ( 2 ) 應(yīng)用靈活、操作方便 p l c 的特點(diǎn)之一是用戶程序可簡(jiǎn)單而方便地編制和修改，以適應(yīng)各種工 藝流程變更的要求。 ( 3 ) 系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng) p l c 的安裝和現(xiàn)場(chǎng)接線簡(jiǎn)便，可按積木方式擴(kuò)充控制系統(tǒng)規(guī)模和增刪其 功能以滿足各種不同場(chǎng)合的要求。 ( 4 ) 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維修簡(jiǎn)便 p l c 具有標(biāo)準(zhǔn)化的積木式的硬件結(jié)構(gòu)，品種齊全、門(mén)類(lèi)繁多的u o 模板 和功能模板，以及模塊化的軟件設(shè)計(jì)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、與現(xiàn)場(chǎng)裝置連接容易、 使用維修簡(jiǎn)便以及調(diào)試周期短等優(yōu)點(diǎn)。 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 p l c 在二十世紀(jì)六十年代末引入我國(guó)時(shí)，只用作離散量的控制，其功能 也只是將操作接到離散量輸出的接觸器等上，最早只能完成繼電器梯形邏輯 的操作。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，近年來(lái)，由于開(kāi)發(fā)了具有智能i o 模塊的 p l c ，可將順序控制和過(guò)程控制結(jié)合在一起，不僅能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的控制， 而且還可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。此外，p l c 以現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和人一機(jī)界面技 術(shù)為基礎(chǔ)，與d c s 、 p c 技術(shù)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統(tǒng)) 和i p l c ( i n t e g r a t e d p l c ，即集成p l c ) 具有比較強(qiáng)大的模擬量處理能力，被廣泛地應(yīng)用于航天、 冶金、輕工、建材等行業(yè)。 固體推進(jìn)劑的生產(chǎn)過(guò)程既不同于一般的流程工業(yè)，又與離散型的制造業(yè) 不同，其生產(chǎn)過(guò)程既需要連續(xù)控制，又有很多需要進(jìn)行邏輯n 序控制的地 方。綜合考慮各種因素，捏合機(jī)控制系統(tǒng)可以選擇現(xiàn)代可編程控制器為核心， 以更好地滿足固體推進(jìn)劑生產(chǎn)工藝的特殊要求。 1 4 本文的主要研究工作 本文主要研究工作包括： 1 對(duì)目前國(guó)內(nèi)同類(lèi)設(shè)備控制方案進(jìn)行了分析和研究，對(duì)捏合機(jī)設(shè)備常 用控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析和比較。 2 在對(duì)捏合機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)及其混合工藝流程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了 處理超高粘流體物料的捏合機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想及其實(shí)施方 案，并給出了該控制系統(tǒng)的軟、硬件總體結(jié)構(gòu)。 3 結(jié)合工程實(shí)際，研究大型捏合機(jī)控制系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵技術(shù)，如現(xiàn) 場(chǎng)信號(hào)的提取與傳輸、主電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、混合鍋的恒溫控 制方法等等。 4 完成捏合機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建與調(diào)試，并分析了系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn) 行效果。 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 捏合機(jī)是固體推進(jìn)劑生產(chǎn)線上的核心設(shè)備，也是安全可靠生產(chǎn)的關(guān)鍵所 在。因此，捏合機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分利用微型計(jì)算機(jī)、p l c 、設(shè)備狀 態(tài)監(jiān)測(cè)等新技術(shù)，不僅要確?；謴?fù)捏合機(jī)的原有功能，而且要使改造后的設(shè) 備的自動(dòng)化程度及安全性能上達(dá)到一個(gè)新的水平。 2 1 捏合機(jī)及其控制系統(tǒng) 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與控制室相距約2 0 0 米，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可分三層，各層的平面布置 如圖2 1 所示。整個(gè)系統(tǒng)由液壓、氣動(dòng)、粗加料、細(xì)加料、熱水、主電機(jī)子 系統(tǒng)以及音視頻監(jiān)視系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的位置見(jiàn)圖2 1 。 控制室 圖2 1 控制系統(tǒng)平面布置圖 生 產(chǎn) 現(xiàn) 場(chǎng) 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 p l c 是捏合機(jī)控制系統(tǒng)的核心，它不僅要完成整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)控制功 能，而且要為上層監(jiān)視系統(tǒng)提供生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)。 2 1 1 混合設(shè)備的基本構(gòu)成 混合設(shè)備是一種將固體粉料、液體料與適當(dāng)?shù)哪z化劑進(jìn)行混勻加工的設(shè) 備。其基本加工過(guò)程是，根據(jù)一定的工藝j 頤序，將藥料按頓序加入混合鍋中， 由攪拌槳不斷地正反轉(zhuǎn)攪拌，直至均勻，并達(dá)到某種性能要求【2 1 。 處理超高粘流體混合設(shè)備的攪拌設(shè)備有多種，較常見(jiàn)的有捏合機(jī)、雙螺 桿擠出機(jī)及密煉機(jī)。在固體推進(jìn)劑的生產(chǎn)中經(jīng)常使用捏合機(jī)，捏合機(jī)又分為 臥式和立式兩大類(lèi)，本處使用的是立式兩臂扭框式行星攪拌機(jī)。 這臺(tái)攪拌機(jī)，除攪拌裝置本體外，還包括：攪拌槳的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分一 主電機(jī)及其輔助設(shè)備；混合鍋的升降動(dòng)力部分一液壓油缸及其輔助設(shè)備； 混合鍋的恒溫系統(tǒng)熱水鍋爐及其輔助設(shè)備；自動(dòng)加料部分一粗粉加 料器、細(xì)粉加料器及其輔助設(shè)備；控制部分控制器及其擴(kuò)展模塊；各 種開(kāi)關(guān)量、模擬量傳感器等等。 整個(gè)捏合機(jī)的基本構(gòu)成如圖2 - 2 所示： 圖2 2 捏合機(jī)基本構(gòu)成 其中，現(xiàn)場(chǎng)操作按鈕是指現(xiàn)場(chǎng)氣動(dòng)按鈕，包括主電機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)控制按鈕、 混合鍋升降的現(xiàn)場(chǎng)控制按鈕以及現(xiàn)場(chǎng)推鍋按鈕等。 2 1 2 混料系統(tǒng)基本工藝流程 因工藝的特殊性，本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合，每次生產(chǎn)前 由人工將料加入加料器內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)混合生產(chǎn)中的遠(yuǎn)程自動(dòng)加料，而液體料目 前仍采用手工加料。此外，在攪拌過(guò)程中，控制系統(tǒng)要保證混合鍋夾套熱水 溫度保持恒定。 混料基本工藝為： 1 工藝參數(shù)輸入 設(shè)定正反轉(zhuǎn)時(shí)間、對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速；設(shè)定高、低溫?zé)崴淇刂茰囟?；設(shè)定混合 鍋的出水口控制溫度；設(shè)定加料速度等工藝參數(shù)。 2 加料混合 開(kāi)機(jī)混合時(shí)，提前3 0 m i n 通保溫水，以使混合鍋內(nèi)藥漿溫度達(dá)到工藝要 求值?；旌襄伾仙轿缓?，進(jìn)入混合工序。 具體混合工藝流程如圖2 3 所示。 混合混合 i 加膠等料 i ( 包括正車(chē)、反型i 加固體料i ( 包括正車(chē)、反到加固體料i l ( 混合前進(jìn)行) ji ( 細(xì)粉料) l 啟動(dòng)細(xì)粉加料器i ( 粗粉料) i 混合混合 混合 ! 望塹堊主：墾翌l 停機(jī)清理i ! 垡塹里圭：墾到停機(jī)清理l ! 魚(yú)塹至圭：墾翌 啟動(dòng)租粉加料器。i 加粗粉料l 啟動(dòng)粗粉加料器i 加液體料l 混合 鬟臻碧嚆蔫矧篇等囂h 蓊型i 加粗粉料i 啟動(dòng)粗粉加料器i 大清理ii 出料ll 測(cè)間隙l 圖2 3 混料系統(tǒng)混合工序工藝流程 3 斷保溫水，并為下鍋料的生產(chǎn)做準(zhǔn)備。 2 1 3 控制系統(tǒng)功能需求分析與定義 捏合機(jī)控制系統(tǒng)的功能主要包括功能控制、報(bào)警控制和記憶顯示輸出三 大部分： 1 、功能控制部分： 主電機(jī)系統(tǒng) 一主電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，啟停以及槳葉調(diào)速，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)和現(xiàn) 9 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 場(chǎng)的控制功能?？找籧 、槳的轉(zhuǎn)速在1 2 3 6 r m i n 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 一主電機(jī)的控制室和現(xiàn)場(chǎng)及手動(dòng)和自動(dòng)操作應(yīng)能互鎖，現(xiàn)場(chǎng)鍋間隙 檢查時(shí)，能夠現(xiàn)場(chǎng)控制主電機(jī)，實(shí)現(xiàn)槳葉慢速點(diǎn)動(dòng)。 _ 緊急報(bào)警時(shí)主電機(jī)的緊急停車(chē)，主電機(jī)停車(chē)時(shí)，先停轉(zhuǎn)差離合器 再停電機(jī)，啟動(dòng)時(shí)，先啟動(dòng)電機(jī)再啟動(dòng)轉(zhuǎn)差離合器。 液壓系統(tǒng) _ l 撐、2 # 油泵電機(jī)的啟停、過(guò)載保護(hù)以及電磁閥控制。 一托舉油缸的油壓差超過(guò)一定值，液壓系統(tǒng)應(yīng)具有油壓自動(dòng)補(bǔ)償控 制。 混合鍋的分階段變速升降、緊急報(bào)警后的混合鍋迅速下降控制， 即混合鍋快速下降一定高度后能夠穩(wěn)定、可靠地快速減速。 鍋到位開(kāi)關(guān)、鍋上升速度轉(zhuǎn)換和鍋耳鎖緊均采用氣動(dòng)元件；升降 油缸正?？焖偕邓俣? 0 1 5 m m s ，慢速升降速度。 一3 0 0 m m s ；液壓系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間2 4 小時(shí)。 加料系統(tǒng) 一加料器到位控制、加料器的啟停、振動(dòng)器的啟?？刂?、氣缸的開(kāi) 啟控制。 _ 下料速度可調(diào)節(jié)、加料器到位信息反饋到控制室，并參與控制。 粗加料器和細(xì)加料器的加料速度調(diào)節(jié)范圍分別為1 0 6 0 k m i n ，2 1 2 k g m i n 。 - 料斗秤的靜態(tài)精度優(yōu)于o 2 ，量程裕量大于5 0 i ；i 抗振性強(qiáng)， 可靠性高。 熱水系統(tǒng) _ 高、低溫水箱水溫、水位的檢測(cè)。 一鍋夾套循環(huán)水溫的檢測(cè)。 _ 水溫、水位控制，熱水泵和閥以及電加熱器的啟?？刂? 手動(dòng)、 自動(dòng)) 。 高、低溫水箱的溫度設(shè)定范圍分別為4 0 6 0 。c 和3 0 - 4 0 。c ，達(dá)到初 始工作溫度時(shí)間為6 0 m i n 。 2 、音視頻監(jiān)視、報(bào)警控制 主電機(jī)機(jī)殼溫度，轉(zhuǎn)差離合器殼體溫度及其冷卻水溫度，電流、功率、 扭矩、轉(zhuǎn)速的顯示、監(jiān)測(cè)和報(bào)警：生產(chǎn)流程，設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及生產(chǎn) 工藝參數(shù)的設(shè)定( 在人機(jī)操作界面m m 上進(jìn)行修改) ；異常狀態(tài)報(bào)警與緊急 1 0 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 狀態(tài)下的聯(lián)鎖互動(dòng)；溫度報(bào)警，安全門(mén)報(bào)警及互鎖，扭矩、功率、料溫、鍋 內(nèi)壓力的報(bào)警以及系統(tǒng)故障時(shí)的報(bào)警；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的多角度、多畫(huà)面監(jiān)視以及 單畫(huà)面的高清晰度電視顯示，現(xiàn)場(chǎng)與控制室的實(shí)時(shí)對(duì)講系統(tǒng)。 所有報(bào)警都應(yīng)有聲光示警，并應(yīng)自動(dòng)顯示相應(yīng)的報(bào)警內(nèi)容。 3 、記憶顯示輸出系統(tǒng) 實(shí)時(shí)記憶( 含異常報(bào)警) 流程參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)；具有顯示狀態(tài)、打印流 程參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)等功能。 流程參數(shù)報(bào)表和設(shè)備狀態(tài)報(bào)表，料溫、槳葉轉(zhuǎn)速、扭矩和功率，要求每 鍋形成時(shí)間曲線；參數(shù)設(shè)置、顯示、記錄、打印等均應(yīng)滿足工藝要求。 2 2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2 2 1 設(shè)計(jì)思想 系統(tǒng)的自動(dòng)化程度應(yīng)根據(jù)企業(yè)和同類(lèi)設(shè)備的技術(shù)水平而定，以提高企業(yè) 的經(jīng)濟(jì)效益為目的。如前所述，固體推進(jìn)劑的生產(chǎn)過(guò)程既需要連續(xù)控制，又 需要邏輯順序控制，就此而言，分析同類(lèi)設(shè)備的不同控制方案，可以確定， 采用以新型p l c 為核一1 5 , 的控制系統(tǒng)是目前比較好的選擇( 。 此外，固體推進(jìn)劑混合生產(chǎn)中發(fā)生爆炸事故，因此，控制系統(tǒng)的可靠性、 安全性問(wèn)題是系統(tǒng)選型時(shí)需重點(diǎn)考慮的因素。不僅在系統(tǒng)硬件的選購(gòu)、設(shè)計(jì) 上要求考慮安全性、可靠性，而且在控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中也必須考慮對(duì)傳 感器信號(hào)進(jìn)行處理，如濾波、消抖、聯(lián)鎖保護(hù)等。 首先，應(yīng)該選用高性能的計(jì)算機(jī)承擔(dān)控制任務(wù)。在本系統(tǒng)控制任務(wù)中， 需處理1 7 8 個(gè)輸入、輸出點(diǎn)，其中開(kāi)關(guān)量比較多，有1 3 7 個(gè)。其次，為預(yù)防 控制系統(tǒng)出故障，后備裝置的設(shè)置也是必需的。由于該系統(tǒng)要求一般連續(xù)運(yùn) 行7 2 小時(shí)左右，因此采用雙機(jī)熱后備的方式提高系統(tǒng)的可靠性。這樣，一 旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就可將后備系統(tǒng)裝置切換到控制回路中，維護(hù)生產(chǎn)過(guò)程的 正常運(yùn)行。 2 2 2 遠(yuǎn)程智熊i o t ” 遠(yuǎn)程智能i o 模塊是以微處理器為基礎(chǔ)的功能部件，有很強(qiáng)的信息處理 能力和控制能力。遠(yuǎn)程智能i o 模塊通過(guò)對(duì)通訊電纜與p l c 主機(jī)相連， 可以完成p l c 難以兼顧的功能。這樣，可以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和編程， 華中科技大學(xué)硬士學(xué)位論文 提高p l c 的適應(yīng)性和可靠性。 完整的遠(yuǎn)程智能王o ( 又稱(chēng)r i o ) 系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，即智能i o 前 端、現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊總線和計(jì)算機(jī)適配器四，”1 。如圖2 - 4 所示。 圖2 - 4 遠(yuǎn)程智能i o 的組成 其中計(jì)算機(jī)通訊適配器完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，實(shí)現(xiàn)與主控系統(tǒng) 的信息交換，如m o d i c o n $ 9 0 8r i o 處理器，插入母板插槽，即可對(duì)遠(yuǎn)程智 能i o 網(wǎng)絡(luò)及前端進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制功能?，F(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊 總線是連接各智能前端和通訊適配器并實(shí)現(xiàn)相互通訊的一種總線形式，采用 串行通訊方式，可支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、主從式及廣播式等工作方式。智 能前端是完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理的遠(yuǎn)程i o 接口裝置，完成a d 、d a 轉(zhuǎn) 換、濾波、去抖、熱電偶、熱電阻測(cè)量變換、工程單位轉(zhuǎn)換及基本處理和運(yùn) 算功能等。 這種控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下： 1 可靠性高 遠(yuǎn)程智能o 采用多i o 前端獨(dú)立并行工作方式，任何單一的主機(jī)故障 或前端故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體癱瘓，能把故障影響限制在最小范圍。由于i o 前端的連接網(wǎng)絡(luò)采用串行總線，智能前端就地安裝，因此能大大提高系統(tǒng)可 靠性和測(cè)控精度。 2 分散性好 智能前端采用密封式結(jié)構(gòu)，可防塵、防潮，能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕 度及震動(dòng)等惡劣環(huán)境，因而可在傳感器或變送器附近就地安裝，使各種信號(hào) 就近得到處理，使通訊網(wǎng)絡(luò)延伸到工藝設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)，成為“現(xiàn)場(chǎng)總線”， 由此可節(jié)省大量的信號(hào)電纜。 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 3p l c 系統(tǒng)選型 根據(jù)用戶的高可靠性要求m 3 ”，p l c 的c p u 模板和i 0 模板都應(yīng)采用 熱備方式，但考慮到增加i 0 模板熱備系統(tǒng)成本會(huì)增加很高，因此只考慮c p u 模板熱備的方式，對(duì)j o 模板則采用冷儲(chǔ)備的方式。即兩臺(tái)p l c 同時(shí)工作， 一旦主p l c 出現(xiàn)故障，在容許的時(shí)間間隔內(nèi)自動(dòng)或手動(dòng)切換到備份p l c ， 備份p l c 開(kāi)始進(jìn)行控制。 關(guān)于熱后備，可以考慮采用兩種切換方式：一種是選用成熟的支持熱備 份的p l c ；另一種是選購(gòu)市場(chǎng)上支持的能滿足所需功能的自動(dòng)切換設(shè)備。 為簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，此處考慮采用第一種切換方式。多家公司的p l c 產(chǎn)品都 支持熱備份，如法國(guó)s c h n e i d e r 公司的q u a n t u m 系列，德國(guó)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。從性?xún)r(jià)比來(lái)看，法國(guó)s c h n e i d e r 公司的q u a n t u m 系列p l c 無(wú)疑具有較高的性?xún)r(jià)比，而且該系列產(chǎn)品推出市 場(chǎng)比較早，技術(shù)比較成熟，能實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)的切換，i 0 模板支持帶電插拔， 方便檢修。且其p l c 控制系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于多個(gè)要求高可靠性的工程 項(xiàng)目中。 支持熱備份的p l c 使用自動(dòng)切換方式，所有的動(dòng)作都是自動(dòng)的，備份p l c 讀取存儲(chǔ)器模塊的系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)信息，斷開(kāi)主p l c 的輸入部分和輸出部分， 再斷開(kāi)主p l c 的強(qiáng)電，備份p l c 開(kāi)始工作。而使用自動(dòng)切換設(shè)備進(jìn)行切換 的方式采用的是手動(dòng)切換方式，在該種切換方式中，主p l c 故障前的設(shè)備 狀態(tài)應(yīng)由備份p l c 保持( 如遇鍋在升降，應(yīng)停止升降) ，同時(shí)上級(jí)監(jiān)視計(jì)算 機(jī)和報(bào)警裝置提示主p l c 故障，是否進(jìn)行人工切換。其操作順序與自動(dòng)切 換方式是一樣的。本控制系統(tǒng)選用的是自動(dòng)切換方式，其結(jié)構(gòu)【”1 如圖2 5 所示： 圖2 - 5s c h n e i d e rq u a n t u m 系列p l c 熱備自動(dòng)切換結(jié)構(gòu) 螢霧圜翼圜霎 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 工業(yè)控制系統(tǒng)中的通訊涉及到許多不同類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，再加上高可靠 性要求，為此本系統(tǒng)中h m i 與p l c 之間，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與p l c 之間均 使用工業(yè)控制專(zhuān)用通訊協(xié)議m o d b u sp l u s t3 “。 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，綜合考慮可靠性、安全性等因素，決定采用 如圖2 - 6 所示的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)i “，”】。 圖2 - 6 雙機(jī)雙纜熱備冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 其中r i o 分站最多可擴(kuò)充到3 1 個(gè)。 2 3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 2 3 1 系統(tǒng)硬件基本組成 整個(gè)系統(tǒng)可分為三層結(jié)構(gòu)：設(shè)備層，控制層，操作、監(jiān)視層。其中設(shè)備 層與控制層計(jì)算機(jī)( 在本系統(tǒng)中為p l c 的c p u 模板) 通過(guò)遠(yuǎn)程i o ( i u o ) 相連，組成分布式控制網(wǎng)絡(luò)；控制層p l c 與操作計(jì)算機(jī)( 在本系統(tǒng)中為h m i 和i p c ) 通過(guò)工業(yè)控制專(zhuān)用通訊網(wǎng)絡(luò)m o d b l l sp l u s 相連，構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)?？?制系統(tǒng)的i p c 中配置有以太網(wǎng)卡，可與廠級(jí)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)相連，能為工廠 1 4 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 有關(guān)部門(mén)提供反映生產(chǎn)狀況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 控制系統(tǒng)選用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 個(gè)控制系統(tǒng)的功能控制，并為上層監(jiān)視系統(tǒng)提供現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。p l c 的輸入包括各種模擬量、控制臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)操作按鈕及其它部件的開(kāi)關(guān)量，輸出 包括對(duì)各部件的控制與指示燈信號(hào)。p l c 通過(guò)m o d b u sp l u s 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與 計(jì)算機(jī)監(jiān)視子系統(tǒng)和h m i 顯示終端相聯(lián)。 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如2 7 所示。 控制臺(tái)按掃 i 報(bào)警電笛 l 指示燈 顯示儀表 h m i 顯示終端卜t 叫i p c 控制室p l c 柜m b + 網(wǎng) p l c 分站l q p n 輸 入 輸 出 模 塊 遠(yuǎn) 程 吾 通 訊 模 塊 p l c 主站l 腓 主備切換控制器 t 程i 0 通訊模自 瑟i 霾l 弱i 弱 鬟i 葬l 銎i 銎 鎣i 蔞l 磊l 磊 斗吲罄l 笑1 丌l ? l c 輸入輸出模 現(xiàn)場(chǎng)p l c 分站 遠(yuǎn)程o 通訊模： ? l c 輸入輸出模 l # 強(qiáng)電柜| 1 2 # 強(qiáng)電 圖2 7 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 其中，h m i 顯示終端為人機(jī)操作界面，使用專(zhuān)用操作系統(tǒng)m a g e l i s ，通 過(guò)專(zhuān)用h m i 網(wǎng)卡與p l c 進(jìn)行通訊，二者之間使用m o d b u sp l u s 協(xié)議完成數(shù) 據(jù)交換。h m i 是該控制系統(tǒng)的主要操作站，完成調(diào)試狀態(tài)下設(shè)備的操作、 各工藝參數(shù)的設(shè)定以及生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、參數(shù)顯示等工作。 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) p c 使用過(guò)程監(jiān)測(cè)軟件f i x ，通過(guò)s a 8 5 0 0 網(wǎng)卡與p l c 進(jìn)行通訊，二者之間使用m o d b u sp l u s 協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換。i p c 一般不參與 控制，組態(tài)軟件f i x 主要用于車(chē)間設(shè)備狀態(tài)圖和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示、 歷史數(shù)據(jù)的記錄、產(chǎn)量的累加和定期報(bào)表的產(chǎn)生。當(dāng)h m 與p l c 的通訊失 敗時(shí)，可通過(guò)i p c 設(shè)定主電機(jī)轉(zhuǎn)速、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等重要參數(shù)，以保證系統(tǒng)的 繼續(xù)運(yùn)行。 1 撐強(qiáng)電柜包括對(duì)主電機(jī)、轉(zhuǎn)差離合器及其控制裝置、真空泵電機(jī)( 保留) 、 加熱爐、加熱泵電機(jī)、高溫水泵電機(jī)、低溫水泵電機(jī)以及抱閘裝置等的控制， 還提供主電機(jī)功率、電流的檢測(cè)等。 2 存控制柜包括對(duì)液壓雙聯(lián)泵電機(jī)、 電機(jī)( 保留) 、清液攪拌電機(jī)( 保留) 、 液壓備用泵電機(jī)、氣泵電機(jī)，隔膜泵 粗加料振動(dòng)篩、細(xì)加料振動(dòng)電機(jī)以及 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 加料系統(tǒng)可控硅裝置等的控制。 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置如圖2 - 8 所示： 圖2 - 8 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置 在此配置方案中，p l c 的c p u 模板為雙機(jī)熱備，r i o 通訊電纜為雙纜 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 冗余，主備p l c 與i o 模塊間采用遠(yuǎn)程i 0 通訊。 2 3 2 系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，子系統(tǒng)的增減或子系統(tǒng)功能的改變只影 響相應(yīng)的程序模塊，因而能很好地適應(yīng)生產(chǎn)工藝和設(shè)備的變化。根據(jù)系統(tǒng)特 點(diǎn)，可把整個(gè)控制系統(tǒng)分為主電機(jī)功能模塊、液壓功能模塊、混合鍋恒溫控 制模塊、氣動(dòng)功能模塊、以及粗、細(xì)加料功能模塊等。 控制系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境有三個(gè)：即p l c 控制軟件c o n c e p t 、h m i 軟 件x b t l 1 0 0 0 和工控機(jī)( p c ) 的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控軟件f i x 。 控制系統(tǒng)軟件的主要結(jié)構(gòu)如圖2 - 9 所示。 主程序模塊 圖2 - 9 控制系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu) 1 7 氣動(dòng)功能控制及故障報(bào)警模塊 混合鍋恒溫模塊 混臺(tái)鍋模塊 加料模塊液壓模塊 主電機(jī)模塊 恒溫故障報(bào)警模塊恒溫功能控制模塊 混合鍋故障報(bào)警模塊混合鍋功能控制模塊 細(xì)加料模塊粗加料模塊 液壓故障報(bào)警模塊液壓功能控制模塊 主電機(jī)故障報(bào)警模塊 主電機(jī)功能控制模塊 操作臺(tái)功能控制及故障報(bào)警模塊 細(xì)加料故障報(bào)警模塊細(xì)加料功能控制模塊粗加料故障報(bào)警模塊 粗加料功能控制模塊 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中，主程序模塊主要完成： 1 對(duì)p l c 各i o 模塊進(jìn)行功能配置。 2 實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)的工程量程、信號(hào)標(biāo)度的變換以及軟件濾波等處理。 3 實(shí)現(xiàn)控制室操作臺(tái)上五點(diǎn)鍋內(nèi)料溫測(cè)點(diǎn)的循環(huán)顯示。 4 對(duì)p l c 工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定等。 5 完成捏合機(jī)正、反轉(zhuǎn)混合時(shí)間的計(jì)算等a 6 實(shí)現(xiàn)操作臺(tái)各按鈕指示燈的完好性軟件檢查功能。 各子功能模塊內(nèi)部則以梯形圖或函數(shù)功能圖的方式實(shí)現(xiàn)其邏輯控制或故 障報(bào)警功能。 1 8 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章控制系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究 捏合機(jī)控制系統(tǒng)是一種比較復(fù)雜的大型機(jī)電控制系統(tǒng)，既包含電機(jī)的控 制，又有液壓、氣動(dòng)以及遠(yuǎn)程自動(dòng)加料的控制，還有套完整的水系統(tǒng)控制， 其技術(shù)難點(diǎn)多而且分散，下面就影響系統(tǒng)性能的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行更加深入 的討論。 3 1 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集與傳輸 3 1 1 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的分類(lèi) 本系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)如表3 1 所示。 表3 - i 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的分類(lèi) 序號(hào)信號(hào)分類(lèi)信號(hào)類(lèi)型備注 包括電流、功率傳感器變換信號(hào)，壓 力傳感器變換信號(hào)，液位傳感器變換信號(hào) 1 模擬量輸入 4 2 0 m a 以及轉(zhuǎn)速表、流量計(jì)和溫濕度儀表等輸出 信號(hào) 除溫濕度信號(hào)測(cè)量外，所有溫度信號(hào) 2熱電阻輸入p t l 0 0 均采用標(biāo)準(zhǔn)p t l 0 0 熱電阻傳感器測(cè)量。 包括現(xiàn)場(chǎng)按鈕( 氣動(dòng)) 。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)( 氣 3 開(kāi)關(guān)量輸入 d c2 4 v動(dòng)) ，行程開(kāi)關(guān)( 氣動(dòng)) ，觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，熱保 護(hù)開(kāi)關(guān)以及壓力開(kāi)關(guān)等輸出信號(hào) 4 模擬量輸出 o 5 v 轉(zhuǎn)差離合器速度調(diào)節(jié)電壓信號(hào) 包括液壓系統(tǒng)所有電磁閥，氣缸電磁 5 繼電器輸出 d c 2 4 v 閥，報(bào)警電笛及報(bào)警燈等 所有的電機(jī)、水泵、加料振動(dòng)器的接 6 開(kāi)關(guān)量輸出a c2 3 0 v觸器線圈，熱水電磁閥，抱閘裝置、熱水 鍋爐的接觸器線圈等 3 1 2 現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)的檢測(cè)與傳輸 考慮到遠(yuǎn)距離傳輸模擬量信號(hào)的需要，本系統(tǒng)除溫度測(cè)量外的所有模擬 量信號(hào)均經(jīng)傳感器變換為4 - 2 0 m a 電流環(huán)信號(hào)輸入到對(duì)應(yīng)p l c 的i o 模板， 溫度的測(cè)量采用p t l 0 0 熱電阻變換為電阻變化信號(hào)輸入到p l c 對(duì)應(yīng)模板。 1 9 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 壓力、液位、電流、功率以及流量等被測(cè)量直接由相應(yīng)的傳感器變換為 4 - 2 0 m a 信號(hào)。轉(zhuǎn)速由o m r o n 公司e 2 e x 5 m e i 接近開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換成t t l 電平 的頻率信號(hào)，再由智能轉(zhuǎn)速顯示變送儀x m s5 0 0 0 轉(zhuǎn)換為4 - 2 0 m a 電流信號(hào)。 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( 細(xì)粉料) 稱(chēng) 重傳感器測(cè)量，再由稱(chēng)重顯示儀x k 31 2 3 轉(zhuǎn)換為4 - 2 0 m a 信號(hào)。由于生產(chǎn)現(xiàn) 場(chǎng)易發(fā)生爆炸危險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)溫濕度的測(cè)量選用奧地利e + e ( e l e k t r o n i k ) 公司的e e 2 8 系列工業(yè)溫濕度防爆變送器，其輸出信號(hào)經(jīng)顯示儀表后輸出也 為4 - 2 0 m a 信號(hào)。 其它溫度信號(hào)的測(cè)量( 如冷卻水溫度、機(jī)殼溫度，液壓油溫度以及熱水 溫度等) 采用p t l 0 0 的熱電阻測(cè)量，根據(jù)不同的使用場(chǎng)所選用對(duì)應(yīng)的傳感 器安裝形式，其輸出信號(hào)均為電阻變化信號(hào)，為消除連接導(dǎo)線電阻的影響， 熱電阻信號(hào)采用三線制傳輸，p l c 模板硬件自動(dòng)矯正偏差。 3 1 _ 3 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的檢測(cè)與傳輸 在此系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量的檢測(cè)方法有兩種： 對(duì)于普通的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、熱保護(hù)開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)等信號(hào)，直接引入p l c 的數(shù)字量i o 模板。 對(duì)于有安全性要求的現(xiàn)場(chǎng)按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)等信號(hào)，則先用氣 電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再引進(jìn)p l c 的i o 模板。為了保證氣電轉(zhuǎn)換裝 置的正常工作，氣動(dòng)系統(tǒng)必須維持一定的壓力。 3 1 4 測(cè)量信號(hào)的標(biāo)度變換 因p l c 的模擬量i o 模板的輸入、輸出均為同一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，如均為4 - 2 0 m a 電流環(huán)信號(hào)、電阻信號(hào)或0 - 5 v 電壓信號(hào)等，但對(duì)應(yīng)的實(shí)際信號(hào)的工程標(biāo)稱(chēng) 值的范圍或單位卻是多種多樣的( 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) ，如何將標(biāo)準(zhǔn)的4 - 2 0 m a 或o 5 v 信號(hào)變換成對(duì)應(yīng)的工程量值， 是信號(hào)的標(biāo)度變換要解決的問(wèn)題。 在p l c 控制軟件c o n c e p t 中，信號(hào)標(biāo)度變換可通過(guò)調(diào)用函數(shù)庫(kù)中適當(dāng)?shù)?函數(shù)來(lái)完成【3 9 】。具體操作方法如下： 1 新建一個(gè)區(qū)段：n e ws e c t i o n - - ) f b d ； 2 選庫(kù)：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