基于現(xiàn)場總線的車間生產(chǎn)監(jiān)控原型系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、目 錄1 引言11.1 現(xiàn)場總線國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況11.2 課題的內(nèi)容和目標(biāo)21.3 論文的組織結(jié)構(gòu)22 profibus現(xiàn)場總線控制技術(shù)的特點(diǎn)42.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的組成42.2 profibus現(xiàn)場總線控制技術(shù)的應(yīng)用42.3 協(xié)議結(jié)構(gòu)62.4 傳輸技術(shù)62.5 總線存取協(xié)議83 真空等離子焊接的原理及應(yīng)用103.2 等離子焊接的原理103.3 等離子焊接的特點(diǎn)113.4 真空等離子焊接的工藝流程與工作原理133.5 針對真空等離子焊接系統(tǒng)profibus網(wǎng)絡(luò)研究144 硬件選型174.1 硬件連接174.2 真空等離子焊接系統(tǒng)的硬件連接分析175 軟件設(shè)計(jì)185.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)185.

2、2 真空等離子焊接plc控制的實(shí)現(xiàn)205.3 充氬過程plc控制的實(shí)現(xiàn)22結(jié)束語25致 謝26參 考 文 獻(xiàn)271 引言 隨著科技的迅速發(fā)展，自動化技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的普及。常規(guī)的經(jīng)典控制理論始終發(fā)揮著相當(dāng)大的作用，它在解決簡單的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面一直是非常有力的工具。近年來這方面的控制理論、控制模式和研究日臻成熟，它們在工業(yè)生產(chǎn)部門的影響相當(dāng)大，并且形成了標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的產(chǎn)品。由于工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展的方向是分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展正是順應(yīng)了這一方向，并成為全球工業(yè)自動化技術(shù)行業(yè)的熱點(diǎn)，受到業(yè)界的普遍關(guān)注。1.1 現(xiàn)場總線國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況自20世紀(jì)80年

3、代中期現(xiàn)場總線技術(shù)問世以來，在十幾年中行業(yè)中出現(xiàn)了兩百多種現(xiàn)場總線技術(shù)。其中常見的現(xiàn)場總線技術(shù)有十幾種，它們分別在不同的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如profibus，interbus，can，ff，bitbus，p-net，lonworks等。在種類繁多的自動化行業(yè)的應(yīng)用需求之下，沒有哪一種現(xiàn)場總線能夠完全符合生產(chǎn)需要，各種現(xiàn)場總線在相應(yīng)的領(lǐng)域發(fā)揮著各自的特長，一種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)在某些領(lǐng)域中是適用的，超出這些領(lǐng)域可能就不是最優(yōu)的，因此多種現(xiàn)場總線將在很長一段時(shí)間內(nèi)共存。目前有40多種現(xiàn)場總線技術(shù)在世界上得到了廣泛應(yīng)用，而各個公司定義的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)更是不計(jì)其數(shù)。在加拿大渥太華召開的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)會議中通

4、過了iec61158是現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)的決定，其中有8種類型的現(xiàn)場總線可以作為國際標(biāo)準(zhǔn)，這8種類型分別是：（1） controlnet（美國rockwell公司支持）（2） profibus（德國siemens公司支持）（3） interbus（德國phoenixcontact公司支持）（4） ffhse（fisher-rosemount公司支持）（5） swfitnet（美國boeing公司支持）（6） worldfip（法國alstom公司支持）（7） p-net（月麥processdate公司支持）再加上iectl7b通過的3種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，分別為sds（smart distrib

5、uted system）。asi（actuator sensor interface）和devicenet。另外iso還有一個iso11898的can（control area network）。所以一共12種之多。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛快發(fā)展，ethernet和tcp/ip技術(shù)也運(yùn)用到了工業(yè)現(xiàn)場。高速ethernet具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)簡單、開放性、成本低、廣泛的應(yīng)用軟硬件支持，非常適用于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。為了連接現(xiàn)場各種各樣的設(shè)備和用于監(jiān)控的系統(tǒng)設(shè)備，作為工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸主干的ethernet已經(jīng)被許多控制系統(tǒng)設(shè)備提供廠商采用。而為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制的一體化并保護(hù)現(xiàn)有的投資，利用

6、以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)將ff和profibus現(xiàn)場控制系統(tǒng)、dcs現(xiàn)場控制系統(tǒng)連接起來。tcp/ip協(xié)議的采用，真正實(shí)現(xiàn)了internet/intranetinfranet測控管一體化網(wǎng)絡(luò)，使得車間的管理深入到控制現(xiàn)場，操作人員不用到車間就可以通過internet監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的過程，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程系統(tǒng)調(diào)試和設(shè)備故障診斷。現(xiàn)場總線技術(shù)是控制系統(tǒng)發(fā)展的方向，我們必須緊跟現(xiàn)場總線發(fā)展的步伐，確保在未來的競爭中保持領(lǐng)先。profibus憑借其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，完善的功能和標(biāo)準(zhǔn)通用的技術(shù)成為開放式系統(tǒng)的典范，它是在眾多現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中能提供一個從現(xiàn)場傳感器至生產(chǎn)管理層的全方位透明的網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。目前，profibus已

7、經(jīng)在許多方面證明了其強(qiáng)大、靈活的功能，在很多領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用，如生產(chǎn)自動化、過程自動化、驅(qū)動技術(shù)等，在世界上諸多現(xiàn)場技術(shù)中處于領(lǐng)先的地位。同時(shí)，profibus通過便捷的協(xié)議、較高的性價(jià)比以及采用rs485的傳輸技術(shù)控制了它的成本，適合我國的國情，應(yīng)該在生產(chǎn)中廣泛采用。1.2 課題的內(nèi)容和目標(biāo)本課題基于現(xiàn)場總線技術(shù)，研究并建立新一代車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的方案，完成一個基于profibus現(xiàn)場總線和西門子plc平臺的車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)原型的設(shè)計(jì)及部分開發(fā)工作。(1) 基于現(xiàn)場總線的車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)；(2) 車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì)；(3) 車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；(4) 車間

8、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的部分開發(fā)與調(diào)試。1.3 論文的組織結(jié)構(gòu)本文研究的目的是實(shí)現(xiàn)真空等離子焊接的自動化控制，應(yīng)用基于profibus現(xiàn)場總線的集散型系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接方式，實(shí)現(xiàn)等離子焊接工藝流程中的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的檢測，記錄設(shè)備運(yùn)行過程和狀態(tài)，并可直觀指導(dǎo)操作人員生產(chǎn)管理工藝的全過程。（1）上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要是整個加工過程的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，然后將這些對設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)記錄下來，從而分析數(shù)據(jù)的變化，方便操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的情況，診斷、發(fā)布和實(shí)施預(yù)警。（2）下位機(jī)系統(tǒng)主要進(jìn)行邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行閉環(huán)控制輸出的工作。對真空等離子焊接設(shè)備，真空泵和充氬系統(tǒng)，并能實(shí)時(shí)處理情況，對設(shè)備的運(yùn)行和工

9、作時(shí)間和強(qiáng)度能夠很好的控制，達(dá)到設(shè)備的最大化利用。（3）上下位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)將之間連接起來，使現(xiàn)場控制站數(shù)據(jù)能正確、及時(shí)的反應(yīng)在上位機(jī)上，而上位機(jī)的控制信號也能及時(shí)傳達(dá)到下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。全文分為五章，各章內(nèi)容如下：第一章：介紹了現(xiàn)場總線技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，本課題的內(nèi)容及目標(biāo)。第二章：介紹了profibus現(xiàn)場總線控制技術(shù)的主要特點(diǎn)，采用的協(xié)議結(jié)構(gòu)，傳輸技術(shù)以及存取協(xié)議。第三章：介紹了tig焊、等離子焊接的原理和特點(diǎn)，針對等離子焊接的實(shí)際環(huán)境，對多種網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行比較分析，提出基于profibus的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)在等離子焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用、配置及通信軟件設(shè)計(jì)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。第四章：真空等離子焊

10、接系統(tǒng)選擇的硬件型號和等離子焊接系統(tǒng)監(jiān)控plc和充氬過程監(jiān)控plc的性能、參數(shù)的監(jiān)控。第五章：真空等離子焊接系統(tǒng)的上位機(jī)軟件開發(fā)和設(shè)計(jì)，對真空等離子焊接和充氬過程plc控制的實(shí)現(xiàn)。2 profibus現(xiàn)場總線控制技術(shù)的特點(diǎn)2.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)控和組態(tài)計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)、現(xiàn)場智能儀表和控制器三部分主要組成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。由于這里的儀表、控制器、計(jì)算機(jī)連接到網(wǎng)上的方式是通過現(xiàn)場總線網(wǎng)卡及通信協(xié)議軟件，所以現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是現(xiàn)場總線網(wǎng)卡和通信協(xié)議軟件。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應(yīng)包括有數(shù)據(jù)組態(tài)和控制算法組態(tài)的組態(tài)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)真正的分布式控制，組態(tài)技術(shù)生成的參數(shù)及算法可以在控制器和遠(yuǎn)程

11、i/o或智能設(shè)備上運(yùn)行，在智能儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)定義的功能塊也可以進(jìn)行運(yùn)算。 線形、總線形、星形、環(huán)形等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)常采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于線形結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)供電和防爆等問題有很好的解決措施，且現(xiàn)場總線一般采用的結(jié)構(gòu)是線性結(jié)構(gòu)，它的支路電源負(fù)載是可以確定的，同樣可以確定的是沿總線的電源電壓，所以一般情況下采用線形結(jié)構(gòu)。同軸電纜、雙絞線、電話線、光導(dǎo)纖維電纜、無線等都是常用的網(wǎng)絡(luò)通訊介質(zhì)。電氣隔離和電磁兼容性這兩個因素是選擇傳輸介質(zhì)時(shí)主要考慮的因素。為了滿足本質(zhì)安全和防爆要求，常采用廉價(jià)的雙絞線作為數(shù)據(jù)傳輸線，同時(shí)使得現(xiàn)場設(shè)備可以利用數(shù)據(jù)通信線來供電。2.2 prof

12、ibus現(xiàn)場總線控制技術(shù)的應(yīng)用profibus現(xiàn)場總線控制技術(shù)是一種國際性的開放的現(xiàn)場總線控制標(biāo)準(zhǔn)。從1995年德國頒布fms至今，經(jīng)歷了十余年，該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已被全世界接收，其應(yīng)用覆蓋機(jī)械加工、過程控制、電子交通及樓宇自動化的各個領(lǐng)域。profibus于1995年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，1999年成為國際標(biāo)準(zhǔn)、2001年10月，它被批準(zhǔn)為中華人民共和國工業(yè)自動化領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)中的現(xiàn)場總線控制標(biāo)準(zhǔn)。目前，世界上許多自動化產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的設(shè)備都提供profibus接口。profibus在眾多的現(xiàn)場總線控制標(biāo)準(zhǔn)中以超過40%的市場占有率穩(wěn)居榜首，其產(chǎn)品每年增長20%30%。以著名的西門子公司為例，它可以提供上千種prof

13、ibus產(chǎn)品，應(yīng)用于中國的許多自動化控制系統(tǒng)中，其控制范圍如圖2.1所示: 圖2.1 profibus控制范圍圖profibus根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)可以分為profibus-dp、profibus-fms和profibus-pa3種兼容版本，如圖2所示。profibus-dp屬于設(shè)備總線，主要用于復(fù)雜現(xiàn)場設(shè)備和分布式i/o。其物理結(jié)構(gòu)為rs-485，傳輸速率為9.6kb/s12mb/s。profibus-fms屬于系統(tǒng)總線，應(yīng)用于車間級網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。其物理結(jié)構(gòu)為rs-485，傳輸速率為9.6kb/s12mb/s。profibus-pa屬于設(shè)備總線，主要應(yīng)用于兩線制供電和本安過程控制儀表，傳輸速率為31.2

14、5kb/s。它在保持dp協(xié)議的同時(shí)，增加了對現(xiàn)場儀表的饋電功能，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是iec61158-2。圖2.2 profibus應(yīng)用圖分散式數(shù)字化控制器分為主站和從站，該系統(tǒng)可通過profibus從現(xiàn)場底層到車間級進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化。主站決定了總線的數(shù)據(jù)通信。在沒有其他設(shè)備數(shù)據(jù)通信的情況下，當(dāng)主站獲得總線控制權(quán)即令牌時(shí)，同樣可以發(fā)送信息。從profibus協(xié)議方面的定義，主站也稱為主動站。一般的從站都由驅(qū)動器、閥門、i/o裝置和測量發(fā)送器組成，它屬于外圍設(shè)備。從站沒有總線控制權(quán)，僅確認(rèn)接收到的信息；或當(dāng)主站發(fā)出請求時(shí)，向它發(fā)送信息。因?yàn)樗徽伎偩€協(xié)議的一小部分，所以從站實(shí)施起來相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)4，。2.3 協(xié)議結(jié)

15、構(gòu)profibus協(xié)議的結(jié)構(gòu)根據(jù)iso7498國際標(biāo)準(zhǔn)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)osi為參考模型，如圖2.3所示。圖2.3 profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)圖profibus-dp使用第1、2層和用戶接口，第3層7層未加以描述。profibus-fms第1、2、7層均加以定義。應(yīng)用層包括現(xiàn)場總線控制信息規(guī)范和低層接口。profibus-pa數(shù)據(jù)傳輸采用的是擴(kuò)展的profibus-dp協(xié)議，根據(jù)iec61158-2標(biāo)準(zhǔn)，這種傳輸技術(shù)使現(xiàn)場設(shè)備通過總線供電，從而確保其安全性。profibus-pa設(shè)備使用分段式耦合器能很方便地集成到profibus-dp網(wǎng)絡(luò)。profibus-dp和profibus-fms這兩套

16、系統(tǒng)可在同一根電纜上同時(shí)操作，他們使用了同樣且統(tǒng)一的傳輸技術(shù)和總線訪問協(xié)議。2.4 傳輸技術(shù)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)選用的傳輸技術(shù)在很大程度上取決于了它的應(yīng)用范圍，因?yàn)榧纫紤]總線的要求，譬如傳輸?shù)木嚯x，傳輸?shù)目煽啃院退俣?，又要考慮簡便而又費(fèi)用低廉的機(jī)電因素。數(shù)據(jù)和電源在涉及過程自動化時(shí)的傳送必須在同一根電纜上。profibus提供了以下3種類型：dp和fms的rs-485傳輸、pa的iec 61158-2傳輸和光纖傳輸來滿足所有的傳輸技術(shù)。rs-485傳輸通常稱為h2，是profibus最常見的一種，共用一根導(dǎo)線對，采用屏蔽雙絞銅線電纜。它適用設(shè)施簡單而又便宜而且需要高速傳輸?shù)母鱾€領(lǐng)域。rs-485

17、傳輸技術(shù)的特性如下： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌簝啥擞袔щ娫吹目偩€終端電阻的線性總線，短截線的波特率1.5mb/s。 介質(zhì)：取決于環(huán)境條件（emc），可采用屏蔽雙絞電纜，或者取消屏蔽。 站點(diǎn)數(shù)：每段32個站，不帶轉(zhuǎn)發(fā)器。帶轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，最高可到127站。 插頭連接器： 9針d插頭連接器為佳。rs-485傳輸?shù)目偩€結(jié)構(gòu)可以增減站點(diǎn)，可分步投入，并且對其他站點(diǎn)的傳輸操作不會產(chǎn)生影響。傳輸速率一般選用9.6kb/s，一旦投入運(yùn)行，所有設(shè)備需選取一樣的傳輸速率。傳輸速率取決于電纜的最大長度，如表2.1所示表2.1 傳輸距離與速度示意表波特率/（kb/s）9.619.293.75187.5500150012000距離（段）

18、/m1200120012001000400200100pa的iec 61158-2傳輸技術(shù)在石化工業(yè)生產(chǎn)上能得到很好的應(yīng)用，因?yàn)樗谋举|(zhì)安全性可很好保持其并且這些現(xiàn)場設(shè)備可通過總線供電運(yùn)行。此項(xiàng)技術(shù)是一種可進(jìn)行無電流的連續(xù)傳輸?shù)奈煌絽f(xié)議，通常稱為h1。iec 61158-2傳輸技術(shù)的原理如下：（1） 總線不需要由站發(fā)送信息時(shí)供電。（2） 現(xiàn)場總線設(shè)備所用的電流是常量穩(wěn)態(tài)基本電流。（3） 主總線兩端的作用是無源終端線。（4） 每段只需要一個供電裝置；（5） 線型、星型和樹型網(wǎng)絡(luò)可允許使用。（6） 設(shè)計(jì)時(shí)冗余總線段的運(yùn)用，提高了設(shè)備可靠性。（7） 現(xiàn)場設(shè)備的作用相當(dāng)于無源的電流吸收裝置。iec

19、61158-2傳輸技術(shù)的特性如表2.2所示。表2.2 iec 61158-2傳輸技術(shù)特性表數(shù)據(jù)傳輸數(shù)字式，位同步，曼徹斯特編碼傳輸速率31.25kb/s，電壓式數(shù)據(jù)可靠性預(yù)兆性，采用起始和終止限定符來避免誤差電纜雙絞線（屏蔽或非屏蔽）遠(yuǎn)程電源通過數(shù)據(jù)線，可選為附件 防爆型可進(jìn)行本質(zhì)安全和非本質(zhì)安全的操作拓?fù)渚€型或樹型，或者兩者結(jié)合型站數(shù)每站最多32個，最多126個轉(zhuǎn)發(fā)器可擴(kuò)展至最多四個profibus系統(tǒng)也可使用光纖導(dǎo)體來增加高速傳輸?shù)淖畲缶嚯x，在電磁干擾很大的環(huán)境下應(yīng)用。傳輸距離在50m以內(nèi)時(shí)使用便宜的塑料纖維導(dǎo)體，在1km內(nèi)時(shí)使用玻璃纖維導(dǎo)體。專用的總線插頭可由許多廠商提供，將rs-485

20、信號轉(zhuǎn)換成光纖信號，或?qū)⒐饩€信號轉(zhuǎn)換成rs-485信號，這是一套十分方便的開關(guān)控制方法6，適用于同一系統(tǒng)上使用rs-485傳輸技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)。2.5 總線存取協(xié)議profibus的dp、fms和pa通過osi參考模型的第2層實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報(bào)文的處理，它們都使用單一的總線協(xié)議。在profibus中，現(xiàn)場總線控制數(shù)據(jù)鏈路為第2層?？刂茢?shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛴山橘|(zhì)存取控制。 profibus協(xié)議的設(shè)計(jì)的目地是滿足介質(zhì)存取控制的基本要求7。在確定的時(shí)間內(nèi)中必須保證通信任務(wù)的完成由任何一個站點(diǎn)來處理，這是對于自動化系統(tǒng)（主站）間通訊；而在程序控制器和簡單的i/o設(shè)備（從站）間通信，快速

21、且簡便地完成傳輸任務(wù)是最主要的。因此，主站與從站之間的主從方式和主站從站間的令牌傳遞方式是profibus采取的總線存取協(xié)議。令牌傳遞程序確保了每一個站能夠在一個精確給定的時(shí)間內(nèi)從框架得到總線訪問權(quán)限。令牌是一種特殊的消息,它在整個一周的最長循環(huán)時(shí)間是之前就規(guī)定好的。profibus總線令牌只在每一臺主機(jī)間的通訊使用。在profibus中，令牌只在各主站之間通信時(shí)使用。主站在得到總線存取令牌時(shí)與從站通信是由主從方式允許的，從站發(fā)送或索取信息均可向每個主站索取，通過這種方法可實(shí)現(xiàn)下列系統(tǒng)配置：純主從系統(tǒng)、純主主系統(tǒng)（帶令牌傳遞）和混合系統(tǒng)。根據(jù)主-從關(guān)系表站通信，在這段時(shí)間內(nèi)參照可以主從關(guān)系表與

22、所有的關(guān)系表。令牌環(huán)鏈?zhǔn)墙哟龁挝坏牡刂?根據(jù)主站構(gòu)成邏輯鏈路。在這個過程中,令牌在規(guī)定的時(shí)間里按照地址的升序在每個主站按照次序傳遞。上層協(xié)議通過第二層的服務(wù)存取點(diǎn)是在profibus-fms、profibus-dp和profibus-pa中使用的第二層服務(wù)不同子集，詳見表2.3。在profibus-fms中，邏輯通訊地址的關(guān)系表是由這些服務(wù)存取點(diǎn)來建立；在profibus-dp和profibus-pa中，每個存取點(diǎn)都定義了明確的功能。在主站和從站中，可同時(shí)存取多個服務(wù)存取點(diǎn)9。表2.3 profibus第二層子集表服務(wù)功能dppafmssda發(fā)送數(shù)據(jù)要應(yīng)答srd發(fā)送數(shù)據(jù)不需要回答sdn發(fā)送數(shù)據(jù)

23、不需要回答csrd循環(huán)性發(fā)送和請求回答的數(shù)據(jù)3 真空等離子焊接的原理及應(yīng)用真空等離子焊接生產(chǎn)技術(shù)目前得到了越來越多的重視，現(xiàn)在主要應(yīng)用于鈦合金自耗電極制備的生產(chǎn)，熔煉中的生產(chǎn)效率、冶金質(zhì)量和其控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，等離子焊接技術(shù)得到了相當(dāng)大的發(fā)展，在自動控制技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，整個焊接過程的監(jiān)控正朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。3.1 tig焊（惰性氣體鎢極保護(hù)焊）氣體保護(hù)焊是利用外加氣體作為保護(hù)介質(zhì)的一種電弧焊方法，其優(yōu)點(diǎn)是電弧和熔池可見度好，操作簡便，很少或幾乎不產(chǎn)生熔渣，也不需要在焊后清理熔渣。但在室外作業(yè)時(shí)需采取專門的防風(fēng)措施。 氣體保護(hù)焊可分為不熔化極（鎢極

24、）氣體保護(hù)焊和熔化極氣體保護(hù)焊。不熔化極（鎢極）氣體保護(hù)焊包括等離子弧焊、鎢極惰性氣體保護(hù)焊和原子氫焊。目前生產(chǎn)中已經(jīng)很少采用原子氫焊；等離子弧焊將在下一節(jié)介紹；本節(jié)內(nèi)容僅限于鎢極惰性氣體保護(hù)焊。 鎢極惰性氣體保護(hù)焊英文簡稱tig（tungsten inert gas weiding）焊。它是在惰性氣體的保護(hù)下，利用鎢電極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。在焊接的時(shí)候，焊槍的噴嘴中噴出保護(hù)氣體，并在電弧外形成氣體保護(hù)層從而隔絕空氣，從而可獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。氬氣、氦氣或氬氦混合氣體都可作為氣體保護(hù)層的氣體。用氬氣作為保護(hù)氣體的稱為鎢極氬弧焊，用氦氣的稱鎢極氦弧焊，由于氦氣價(jià)格比

25、較昂貴，在焊接上鎢極氬弧焊的應(yīng)用要比氦弧焊廣泛得多。3.2 等離子焊接的原理等離子焊接是tig焊的升級。等離子焊接又稱等離子弧焊焊接，等離子弧焊是借助水冷噴嘴對電弧的拘束作用，獲得較高能量密度的等離子弧進(jìn)行焊接的方法。等離子弧焊的作用方式是電極和焊件之間的壓縮電弧(轉(zhuǎn)移電弧)來進(jìn)行焊接的，它是一種不熔化、極電弧焊。鎢極是最常用的電極，氬氣、氦氣、氮?dú)饣蛘哌@幾種氣體的混合氣都可作為產(chǎn)生等離子弧的等離子氣，同時(shí)噴嘴噴出惰性氣體用來保護(hù)等離子氣。焊接時(shí)可以外加填充金屬，也可以不加填充金屬。等離子弧焊焊接的特點(diǎn)是電弧穿透力強(qiáng)，因?yàn)槠潆娀∧芰棵芏却蟛⑶彝χ?。等離子弧焊焊接時(shí)能產(chǎn)生的小孔效應(yīng)，對于一定厚度

26、范圍內(nèi)的大多數(shù)金屬可以進(jìn)行i形坡口對接，并能保證熔透和焊縫均勻一致。因此，等離子弧焊的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高、焊接質(zhì)量好。但等離子弧焊設(shè)備比較復(fù)雜，對焊接參數(shù)的控制要求高。 tig焊可焊接的大多數(shù)金屬，都可用等離子弧焊進(jìn)行焊接。與之相比，對于1mm以下的極薄金屬的焊接，用等離子弧焊較易進(jìn)行。圖3.1 等離子焊接：pig焊的升級3.3 等離子焊接的特點(diǎn)等離子焊接與tig焊十分相似，它們的電弧都是在尖頭的鎢電極和工件之間形成的。但是，通過在焊炬中安置電極，能將等離子弧從保護(hù)氣體的氣囊中分離出來，隨后推動等離子通過孔型良好的銅噴管將弧壓縮。通過改變孔的直徑和等離子氣流速度，可以實(shí)現(xiàn)三種操作方式：1、微束等離

27、子：0.1a15a 在很低的焊接電流下，也能使用微束等離子弧。即使在弧長變化不超過20mm時(shí)，柱狀弧仍能保持穩(wěn)定。2、中等電流：15a200a 在較大的15a200a電流下，等離子弧的過程特點(diǎn)與tig弧相似，但由于等離子被壓縮過，弧更加挺直。雖然可提高等離子氣流速度來增加焊接熔池的度深，但會造成在紊亂的保護(hù)氣流中，混入空氣和保護(hù)氣體的風(fēng)險(xiǎn)。3、小孔型等離子：大于200a 通過增加焊接電流和等離子氣流速度，可產(chǎn)生強(qiáng)有力的等離子束，與激光或電子束焊接一樣，它能夠在材料上形成充分的熔深。焊接時(shí)，隨著焊接熔池的流動，金屬穿過小孔被切割后在表面張力作用下形成焊道。單道焊時(shí)，該過程可用于焊接較厚的材料（厚

28、度不超過10mm的不銹鋼）。圖3.2 真空等離子焊接的功率由于等離子電弧的能量密度非常高，溫度及剛直性（能量密度可達(dá)10000w/平方厘米到100000w/平方厘米，弧柱中心溫度可達(dá)18000k到24000k以上，焰流速度可達(dá)250m/s以上），等離子電弧具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）能量密度很大，穿透能力強(qiáng)，電弧方向性強(qiáng)，在相同的情況下，等離子焊接速度要比鎢極氬弧焊快的多。（2）焊縫質(zhì)量對弧長的變化不敏感。這是由于等離子弧的發(fā)散角很小，形態(tài)接近圓柱形，加熱斑點(diǎn)的面積因?yàn)榛￠L的變化對其產(chǎn)生的影響很小，很容易獲得很好焊縫形狀和焊接質(zhì)量。電弧的斷面變化在20%時(shí),鎢極氬弧焊的焊炬高度在0.12mm的范圍內(nèi)

29、變化,而等離子焊接在1.2mm的范圍內(nèi)變化，這對保證焊縫的成形和均勻質(zhì)量都十分有利。（3）焊縫金屬產(chǎn)生夾鎢的現(xiàn)象可以很好的解決，這是由于鎢極在噴嘴內(nèi)部，不與工件接觸。此外，電弧的攪動性和熔池溫度也對釋放熔池內(nèi)氣體很有利。（4）等離子電弧在電流很小時(shí)仍能保持穩(wěn)定，這是由于熱電離度較高和壓縮效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)所致。（5）焊縫的深寬比大,熱影響區(qū)小,適合焊接某些可焊性差的材料和雙金屬等。（6）焊接成本低，與一般氬弧焊相比，可省電1/31/2,省氣1/22/3，且在焊接厚度較小的情況下，無需填絲。根部焊道手工電弧焊接手式tig焊接等離子焊接(paw)板材焊前準(zhǔn)備坡口+鈍邊坡口+鈍邊2.5-8mm無需坡口+鈍邊

30、裝配相對困難（間隙）困難（小間隙）容易焊工技術(shù)要求熟練熟練一般焊接速度非常慢非常慢相當(dāng)快操作難度困難非常困難較容易焊后質(zhì)量好/但外觀不美好極好特別問題焊條過熱，質(zhì)量難以控制，工件變形焊工易疲勞，質(zhì)量難以控制，工件變形無表3.1 幾種焊接方式的比較3.4 真空等離子焊接的工藝流程與工作原理真空等離子焊接系統(tǒng)的主要構(gòu)件是真空焊箱。真空焊箱包括爐室、真空系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、焊接電源和焊槍系統(tǒng)、爐內(nèi)移動臺車和夾具、氬氣流量控制系統(tǒng)等。爐室為兩端設(shè)有爐門的不銹鋼結(jié)構(gòu),。前后爐門均用氣動夾具鎖緊進(jìn)行打開和閉合,從而對系統(tǒng)進(jìn)行連鎖式控制,也方便對爐室的清掃和裝出爐,為了保證爐內(nèi)

31、的真空，在關(guān)閉前爐門的時(shí)候，爐體上有四個氣缸將爐門拉緊。中間有兩個等離子槍接口和抽真空設(shè)備的接口,。爐體上設(shè)有焊接觀察窗。工作原理:首先按照工藝要求把電極放到夾具上進(jìn)行組合,然后鎖緊夾具。把裝好組合電極的夾具放到爐內(nèi)臺車上,關(guān)上爐室抽成真空。當(dāng)爐室內(nèi)壓力小于6pa時(shí),停止抽真空,并充入氬氣,直到爐內(nèi)氬氣壓力達(dá)到大概600 pa時(shí),在水冷、銅制焊槍中通入氬氣,然后控制焊槍自身的正極弧,起弧后焊槍周圍的氬氣會被電離并形成等離子體,此時(shí)焊接電源切換電流通路，焊槍為負(fù)極、夾具為正極的,夾在夾具上的電極塊在等離子弧的高溫加熱下被熔化。在整個焊接過程中,通過爐內(nèi)臺車的縱向運(yùn)動、夾具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和焊槍的上下運(yùn)

32、動的配合來實(shí)現(xiàn)電極的焊接。圖3.3 真空等離子焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖3.5 針對真空等離子焊接系統(tǒng)profibus網(wǎng)絡(luò)研究 此處省略nnnnnnnnnnnn字。如需要完整說明書和設(shè)計(jì)圖紙等.請聯(lián)系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)下載！該論文已經(jīng)通過答辯4.2 真空等離子焊接系統(tǒng)的硬件連接分析硬件設(shè)計(jì)如圖4.1所示。該系統(tǒng)采用西門子s7-300plc，上位硬件采用研華工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)各參量的記錄、監(jiān)控、設(shè)置等功能。通過現(xiàn)場總線控制技術(shù)，將控制系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)組成profibus-dp網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各個設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)，并將這些設(shè)備的故障監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。圖4.1 真空等離子焊接系統(tǒng)控制圖5

33、 軟件設(shè)計(jì)5.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)“組態(tài)王”是在pc機(jī)上建立工業(yè)控制對象人機(jī)接口的一種智能軟件包，它的操作系統(tǒng)平臺為windows98/windows2000/windows nt4.0操作系統(tǒng)，它具有圖形功能完備，易學(xué)易用，界面友好的特點(diǎn)。該軟件包由工程瀏覽器、工程管理器、畫面運(yùn)行系統(tǒng)三部分組成。本課題中采用的是mpi通訊卡通訊方式，一般適用于一臺pc和多個plc進(jìn)行通訊的場合；或者多臺pc和plc進(jìn)行連接。安裝step7-micro/win32和step7 5.0+servicepack5,運(yùn)行pg/pc-interface parameterisation，將用戶界面配置為cp5611（m

34、pi）方式。在組態(tài)王中的具體設(shè)計(jì)如圖11所示：圖5.1 組態(tài)王連接設(shè)置圖（a）圖5.2 組態(tài)王連接設(shè)置圖（b）并設(shè)定如下通訊參數(shù)：波特率9600bps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，偶校驗(yàn)。在設(shè)定plc有效地址時(shí)小數(shù)點(diǎn)前面的數(shù)字為有效地址plc的地址（即站號），小數(shù)點(diǎn)后為數(shù)字2，所設(shè)定的地址范圍為2.2126.2，其中plc的地址可通過編程軟件step7設(shè)置來實(shí)現(xiàn)14。在組態(tài)王的數(shù)據(jù)字典中定義相關(guān)變量，選擇變量類型為i/o型，并選擇連接設(shè)備和所訪問的寄存器名及寄存器類型。將制作好的畫面進(jìn)行動畫連接，即可建立實(shí)時(shí)通訊，得到一個反應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的監(jiān)控畫面。圖5.3 真空等離子焊接監(jiān)控畫面圖5.2 真空等

35、離子焊接plc控制的實(shí)現(xiàn)真空等離子焊接選用siemens s7 300plc，依據(jù)估計(jì)得到的輸入和輸出點(diǎn)數(shù)，配備3個模擬輸入模塊（sm 331 ai），2個開關(guān)模擬量輸入模塊（sm 321 di），2個開關(guān)量輸出模塊（sm 322 do），1個通信模塊采用（cp5430），1個電源模塊采用ps 307 5a。（1）模擬量輸入sm 331 ai模塊一般包含8個12位的模擬量輸入通道，分別接電流、電壓變送器、功率變送器、真空泵壓力變送器、氣體流量計(jì)、壓力計(jì)、輸入電壓、電流、真空泵電流、功率、爐內(nèi)壓力等檢測項(xiàng)目。（2）開關(guān)量輸入sm321di模塊一般都含有16個輸入點(diǎn)，這些輸入點(diǎn)構(gòu)成一組，帶電隔離，

36、直流24v為額定的輸入電壓。分別接氣體閥手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、氣體閥開啟開關(guān)、氣體閥關(guān)閉開關(guān)、氣體閥啟停開關(guān)，真空泵手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、真空泵啟停開關(guān)、設(shè)備維護(hù)復(fù)位開關(guān)。（3）開關(guān)量輸出一個sm322do模塊含有以8點(diǎn)構(gòu)成一組的16個輸出點(diǎn)，輸出控制信號如2臺氣體閥開啟、關(guān)閉、停止控制信號、氣體閥故障燈、真空泵故障燈、真空泵的兩個主接觸器。采用step 7 v5.0軟件包進(jìn)行plc軟件設(shè)計(jì)。step 7編程軟件允許結(jié)構(gòu)化用戶程序，可將大規(guī)模程序分解為單個、自成體系的任務(wù)，使程序標(biāo)準(zhǔn)化，調(diào)試和維護(hù)更為簡單。s7用戶程序中有組織塊（ob）、系統(tǒng)功能塊（sfb）、功能塊（fb）、功能（fc）、系統(tǒng)功能

37、（sfc）、數(shù)據(jù)塊（db）集中類型的塊。本控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了ob1、ob20、ob21、ob22、fb1、fb2、fb3、db1db7，共14個邏輯塊。下面分別介紹各塊的功能及程序?qū)崿F(xiàn)方法。（1）fb1：氣體閥控制功能塊，用于氣體閥控制調(diào)用。接受調(diào)用時(shí)傳送的氣體閥關(guān)閉、開啟、停止信號，執(zhí)行fb中相應(yīng)功能程序段。包括氣體閥啟動、關(guān)閉、停止、互鎖程序段，監(jiān)控程序段（氣體閥啟動3s后，無上、下限開關(guān)信號到來，則停真空泵，氣體閥故障燈亮），氣體閥啟動次數(shù)計(jì)算程序段，維護(hù)信息及復(fù)位信號檢查程序段等。生成fb1后，生成db1、db2兩個數(shù)據(jù)塊，并指定為參考fb1后，分別存放在與兩個氣體閥相關(guān)的背景數(shù)據(jù)。（3

38、）ob1：用于循環(huán)程序處理的組織塊。ob1中是一個按照工藝進(jìn)行的順序控制過程，生成fb1后才生成ob1。先執(zhí)行內(nèi)部初始化，然后對爐內(nèi)電流、運(yùn)行部件的電流、功率及狀態(tài)實(shí)施巡回檢測。plc將所得的測參量與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，對超過限量的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動報(bào)警并運(yùn)行故障診斷程序。對采集的爐內(nèi)氣體壓力分別做數(shù)字平均值濾波。將內(nèi)存中保存的5個壓力歷史值，采用移位指令去掉最早的數(shù)據(jù)，在加進(jìn)最新采集的數(shù)據(jù)，做算術(shù)平均。求出前后壓力差，為了避免在壓力差臨界值處，頻繁啟停設(shè)備，如測得壓力大于6pa時(shí)，啟動真空泵，壓力降到6pa以下，馬上就停止真空泵。所以設(shè)計(jì)停止壓力這個設(shè)定值。設(shè)停止壓力為6pa，則啟動真空泵后，只

39、有壓力降至6pa時(shí)，才會停止真空泵。同樣設(shè)定啟停氣泵的壓力分別為600pa。然后測試正在運(yùn)行的點(diǎn)擊的運(yùn)行參數(shù)，若有故障，則進(jìn)入故障處理服務(wù)。（4）ob21、ob22、fb2、fb2：分別為plc通信程序中的初始化模塊（ob20、ob21、ob22），發(fā)送模塊（fb2），發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)（db6），接收模塊（fb4），接收數(shù)據(jù)區(qū)（db7）。真空等離子焊接監(jiān)控系統(tǒng)plc控制流程圖如下：圖5.4 真空等離子焊接監(jiān)控系統(tǒng)plc控制流程圖5.3 充氬過程plc控制的實(shí)現(xiàn)真空等離子焊箱的plc，采用1個模擬輸入模塊（sm 331 ai），一個開關(guān)量輸入模塊（sm 321 di），一個開關(guān)量輸出模塊（sm 322

40、 do），電源模塊采用ps 3075a，通信模塊選用cp 5430。（1）模擬量輸入一個sm 331 ai模塊含有8個12位模擬量輸入通道，分別接電流變送器、電壓變送器、功率變送器、壓力變送器、氣體流量計(jì)、壓力計(jì)，輸入電網(wǎng)電壓、電流、真空泵電流、功率、爐內(nèi)壓力等檢測項(xiàng)目。（2）開關(guān)量輸入sm321di模塊一般都含有一組輸入點(diǎn)，采用直流24v為額定的輸入電壓。分別接氣體閥手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、氣體閥開啟開關(guān)、氣體閥關(guān)閉開關(guān)、氣體閥啟停開關(guān)，真空泵手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、真空泵啟停開關(guān)、設(shè)備維護(hù)復(fù)位開關(guān)。（3）開關(guān)量輸出sm322do模塊包含以2組輸出點(diǎn)，8點(diǎn)一組一共16個輸出點(diǎn)，輸出控制信號如真空泵工

41、作指示燈、真空泵故障顯示燈、手動/自動方式顯示燈。plc用戶的程序中包含共8個邏輯塊,分別為ob1、ob20、ob21、ob22、fb1、fb2、db1、db2。其中ob20、ob21、ob22、fb2、fb3分別為plc通信程序中的初始化模塊，發(fā)送模塊（fb2），發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)（db2），接收模塊（fb3），接收數(shù)據(jù)區(qū)（db3）。ob1是一般用于處理循環(huán)結(jié)構(gòu)程序的模塊。先執(zhí)行程序的初始化，然后對電流、真空泵的電流、壓力及功率進(jìn)行逐一檢測。plc會將測得的所有參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值一個個的比較，對超過限量的數(shù)據(jù)運(yùn)行診斷程序診斷同時(shí)進(jìn)行自動報(bào)警。然后采集氬氣測定儀送到模擬量輸入模塊的數(shù)據(jù)，做加權(quán)平均運(yùn)算后，與設(shè)定的氬氣濃度值比較，然后根據(jù)誤差e和誤差變化率，運(yùn)行pid算法，得到變頻器調(diào)節(jié)輸出量，通過profibus網(wǎng)絡(luò)送到變頻器通信模板15。plc控制流程圖為：圖5.5 plc控制流程圖結(jié)束語真空等離子焊接的效益巨大，但運(yùn)行成本高，生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益差。所以應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接工藝的半自動、全自動監(jiān)