物料輸送線PLC控制系統(tǒng)論文

1、2010屆畢業(yè)生畢業(yè)論文題 目: 物料輸送線plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院系名稱： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)f0604 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 副教授 2010 年 05 月 25日摘 要物料輸送線在工廠生產(chǎn)中占據(jù)主要地位，它關(guān)系到生產(chǎn)是否能夠正常進(jìn)行，因此物料輸送線的自動(dòng)化控制的研究就變的很有必要。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制不僅可以使勞動(dòng)力從重體力勞動(dòng)中解脫出來還可以使生產(chǎn)的過程控制更加準(zhǔn)確。本論文中首先介紹了課題的背景，以及研究?jī)?nèi)容和意義；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、dcs、plc及wincc軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，采用德國(guó)siemens公司的s7200系

2、列plc，運(yùn)用與之相配的step7編程軟件，通過lad編程語(yǔ)言編制了下位機(jī)的控制程序，能夠可靠、準(zhǔn)確地完成控制操作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并且能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的各種突發(fā)事件及時(shí)做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)整套生產(chǎn)、集中及物料輸送系統(tǒng)的全自動(dòng)監(jiān)控，從而提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性與自動(dòng)化程度。該系統(tǒng)中重點(diǎn)設(shè)計(jì)了plc控制系統(tǒng)，plc的設(shè)計(jì)中關(guān)鍵是外圍元器件的選型和i/o口的分配，這兩部分確定好之后就可以進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。本文中利用西門子的plc設(shè)計(jì)了一套輸送線自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵字: 物料輸送線；自動(dòng)控制；plc；變頻器title design of material conveying line

3、using plc control systemabstractconveying line occupies a main position in the factory, it relates to the normal production, so the conveying line automation control becomes very be necessary. automation control can not only make labour heavier physical labor extricate but also it can make more accu

4、rate control of the production process, reduce the error probability.this thesis firstly introduces the background of the subject, and research content and meaning, the fieldbus technology, dcs, plc and wincc software are introduced in this brief.combining with the actual situation the system design

5、 of the overall design scheme, german siemens s7-200 series of plc, using matching step7 programming software programming language, through the lad was compiled under the control of the program, the machine can be reliable, accurately finish operation, real-time monitoring and control of the site ca

6、n promptly respond to emergencies, complete production, concentration and conveying system, automatic control, so as to improve the reliability of the equipment operation and automation. the focus of the system was designing plc control system .the key parts are peripheral component selection and al

7、location of i/o ports in the design of plc, the design of software can be determined after these two parts are completed. this study designs an automation system using a transmission line with siemens plc, which has important theoretical and practical value.keywords: conveying line; automatic contro

8、l; plc; inverter目 次摘 要iabstractii1 緒論11.1 國(guó)內(nèi)外plc的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展11.2 課題的來源以及研究的意義11.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容22 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)32.1 控制系統(tǒng)的分析與確定32.2 總體結(jié)構(gòu)的確定83 輸送線的工藝研究103.1 輸送線的工藝要求103.2 輸送線的工藝設(shè)計(jì)103.3 輸送線的工藝設(shè)計(jì)分析144 輸送線系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)154.1 硬件的選擇154.2 硬件的分析184.3 數(shù)據(jù)通信215 輸送線系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)255.1 s7-200plc軟件系統(tǒng)與step編程軟件255.2 plc控制程序設(shè)計(jì)305.3 人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)346

9、 輸送線系統(tǒng)的抗干擾措施386.1 概述386.2 實(shí)際分析386.3 抗干擾措施分析38結(jié) 論41致 謝42參考文獻(xiàn)43ii1 緒論1.1 國(guó)內(nèi)外plc的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展plc是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信急速而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動(dòng)控制裝置；它具有存儲(chǔ)控制程序的存儲(chǔ)器、能按照控制程序，將輸入的開關(guān)量進(jìn)行邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、和算術(shù)運(yùn)算等處理后、以開關(guān)量的形式輸出，控制 各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。近年來，它在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)電一體化、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)等方面的應(yīng)用越來越廣泛，已廣泛應(yīng)用在機(jī)械，汽車，電力，冶金，石油，化工，交通，運(yùn)輸，輕工，紡織，建材，采礦以及家用電器

10、等領(lǐng)域，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。國(guó)內(nèi)外plc的研究狀況：1994年美國(guó)注冊(cè)生產(chǎn)plc的廠家就有很多，其中著名的有ab(allenb radly)公司，gm(gould modieon)公司，ti(texasinstruments)公司，西屋(westenhouse)公司，ge(generalelectric)電氣公司等。日本有著名的三菱，日立，立石，夏普，安用，東芝，富士等公司。歐洲有著名的德國(guó)西門子公司，bbc公司，aec公司，法國(guó)te公司等等?？删幊坍a(chǎn)品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號(hào)的plc功能和結(jié)構(gòu)均有所不同，但工作原理和組成基本相同?，F(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用最

11、多的是西門子和三菱的。plc發(fā)展趨勢(shì)： plc技術(shù)從問世經(jīng)過上個(gè)世紀(jì)末的高速發(fā)展，功能越來越強(qiáng)大。而且plc技術(shù)也在隨著各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展而繼續(xù)發(fā)展。plc總的發(fā)展趨勢(shì)是向高集成度，小體積，大容量，高速度，易使用，高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一、向小型化、專業(yè)化、低成本方向發(fā)展；二、向大容量，高速度方向發(fā)展；三、向與計(jì)算機(jī)緊密聯(lián)系的方向發(fā)展；四、向多樣化發(fā)展；五、向模塊化方向發(fā)展；六、向增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)與通訊能力的方向發(fā)展；七、向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。1.2 課題的來源以及研究的意義隨著社會(huì)的發(fā)展，各種工廠都應(yīng)運(yùn)而生帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)工廠內(nèi)的物料輸送已經(jīng)很少有人工運(yùn)輸而是用皮帶來代替，因此對(duì)物料輸

12、送線的研究變得很有必要，作為自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生對(duì)這些的研究對(duì)將來的工作將有很大幫助。物料輸送主要用的是皮帶輸送，但現(xiàn)場(chǎng)皮帶控制主要是手工操作，為了提高效率，節(jié)省人力資源，改善工作環(huán)境，將皮帶控制這一塊由手動(dòng)改為全自動(dòng)變得很有必要。從而，節(jié)省人力，提高效率，增長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，工業(yè)企業(yè)為提高自身的競(jìng)爭(zhēng)能力就需要進(jìn)行技術(shù)改造。在我國(guó)，目前國(guó)家興新建項(xiàng)目所占比例較小，而現(xiàn)有企業(yè)的技術(shù)改造勢(shì)在必行。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如何利用現(xiàn)有資金，有效地進(jìn)行企業(yè)的技術(shù)改造是一個(gè)帶有普遍意義的課題。目前我國(guó)的基本建設(shè)投資向農(nóng)業(yè)，水利，交通，節(jié)能，環(huán)保等領(lǐng)域傾斜，而電力，石油，化工，建材等基礎(chǔ)工

13、業(yè)，在近期內(nèi)不會(huì)有新建大型企業(yè)的計(jì)劃，但要使這些企業(yè)的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)能力，使企業(yè)提高生產(chǎn)效益，則比改造現(xiàn)有企業(yè)的任務(wù)還十分繁重。在企業(yè)的改造過程中，工業(yè)流程和設(shè)備是主要的，但也得相應(yīng)地進(jìn)行自動(dòng)化配套改造。要完成現(xiàn)有企業(yè)的自動(dòng)化改造任務(wù)，必須善于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，充分掌握國(guó)外自動(dòng)化及產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)，切實(shí)的結(jié)合本國(guó)，本企業(yè)的具體情況加以應(yīng)用，從而探索一條具有中國(guó)特色的自動(dòng)化道路。本課題著眼于大型控制系統(tǒng)，根據(jù)皮帶運(yùn)輸?shù)碾姎饪刂圃O(shè)計(jì)出一套可行的plc控制系統(tǒng)。該技術(shù)將節(jié)省大量資金，和大大的提高工作效率。1.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容本課題主要是研究plc如何對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，plc如何和上位機(jī)進(jìn)行

14、通信以便讓上位機(jī)對(duì)整個(gè)工廠的生產(chǎn)有一個(gè)全面的控制，現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵有以下幾個(gè)方面:一，通過傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，發(fā)送給plc，由控制器做出正確的判斷以及操作。二，網(wǎng)絡(luò)化比較強(qiáng)，并采用遠(yuǎn)程i/0技術(shù)；用幾臺(tái)計(jì)算機(jī)作為操作站，再將其與plc連接起來組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在眾多的plc中，采用西門子系列中的s7200 plc。通信采取rs一485串行接口標(biāo)準(zhǔn)和profibus現(xiàn)場(chǎng)總線此使用了遠(yuǎn)程i/o網(wǎng)絡(luò)形式，因此，在通信連接方面成存在一定的難度。三，人機(jī)界面上，顯示皮帶的運(yùn)行狀態(tài)，以及掉包、皮帶跑偏等故障的報(bào)警，讓操作者有一個(gè)直觀的觀察。本課題主要涉及硬件與軟件部分。硬件部分有：主要涉及信號(hào)的采集

15、，信號(hào)的傳輸，對(duì)干擾信號(hào)的處理(例如，皮帶運(yùn)行時(shí)要檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使皮帶運(yùn)行速度在所需范圍之內(nèi)，對(duì)干擾信號(hào)的處理等相關(guān)的問題)，及對(duì)信號(hào)的控制和對(duì)車間工藝的控制(包括手動(dòng)和自動(dòng))，這里還涉及遠(yuǎn)程i/o的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)中程序部分；分析皮帶運(yùn)行的相關(guān)條件，及一組皮帶運(yùn)行工藝等。軟件設(shè)計(jì)中人機(jī)界面部分：分析人機(jī)界面的特點(diǎn)，用西門子的wincc來做。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 控制系統(tǒng)的分析與確定2.1.1 集散控制系統(tǒng)dcsdcs為集散控制系統(tǒng)的英文(distributed control system)簡(jiǎn)稱,如圖2.1所示。指的是控制危險(xiǎn)分散、管理和顯示集中。它是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制技術(shù)，通訊技術(shù)圖形

16、顯示技術(shù)，通過某種通訊網(wǎng)絡(luò)將分布在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)附近的現(xiàn)場(chǎng)控制站、檢測(cè)站、操作管理站、控制管理站及工程師站連接起來完成分散控制集中操作的綜合控制系統(tǒng)。圖2.1 dcs系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)上世紀(jì)七十年代中期問世的dcs系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),由控制站、顯示操作站(或稱hml人機(jī)接口)、以及將控制站、顯示操作站連成一個(gè)總體的通信總線共3個(gè)部分組成。隨著微電子、計(jì)算機(jī)、通信尤其是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)及產(chǎn)品的迅速發(fā)展以及工業(yè)應(yīng)用需求的變遷。使現(xiàn)dcs這三個(gè)組成部分的職責(zé)與相互關(guān)系在設(shè)計(jì)理念上有較大的變化。設(shè)計(jì)dcs的初衷是“危險(xiǎn)分散、信息集中”。危險(xiǎn)分散體現(xiàn)于早期的一個(gè)控制站或控制單元僅僅包含8一16個(gè)控制回路。往往要配置多

17、個(gè)控制單元才能滿足現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)機(jī)組或一套生產(chǎn)裝置整體控制要求。小容量控制站使通信總線不但實(shí)施人機(jī)接口與控制站之間非及時(shí)信息的交換，而且還需實(shí)施某些控制站之間為完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置整體控制必需的timelines-及時(shí)性信息交換。擔(dān)負(fù)后一使命使通信總線成為控制系統(tǒng)的“神經(jīng)命脈”，無(wú)疑是des可靠性的主要“瓶頸”之一。然而，現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)，由于采取能量回收措施以及配套的公用工程使工藝流程上、下游各單元設(shè)備之間存在物流與能量流之間的勾連而形成的一套生產(chǎn)裝置或機(jī)組是一個(gè)有機(jī)的整體，該整體的安全平穩(wěn)生產(chǎn)并非能由各控制單元分別實(shí)施局部分割控制所能確保的因此，工業(yè)應(yīng)用要求擴(kuò)大控制站的i/o容量與控制回路數(shù)，使之能覆

18、蓋一套生產(chǎn)裝置(或機(jī)組)的控制需求而實(shí)現(xiàn)局部集中控制。局部集中控制的理念能取代“危險(xiǎn)分散”的初衷，除己具備超大規(guī)模集成芯片以質(zhì)高價(jià)廉姿態(tài)面市這種物質(zhì)條件之外，還在控制站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上作了盡乎完備的考慮。局部集中控制的理念的體現(xiàn)是摒除(可由用戶在系統(tǒng)組態(tài)時(shí)考慮)通信總線在控制站間交換完成控制回路閉環(huán)所需的“及時(shí)性(timelines)”信息，而由各控制站自身完成一套生產(chǎn)裝置或機(jī)組基本控制所需i/0信息的采集與輸出，使通信總線僅在各控制站與顯示操作站(hmi)實(shí)施非及時(shí)性信息交換。這種局部集中控制理念的實(shí)施無(wú)疑是把通信總線從“及時(shí)性”使命中解脫出來!而des(分散控制系統(tǒng))的可靠性與基礎(chǔ)控制功能全仰

19、仗于控制站。于是，為確?？刂普镜目煽啃耘c效能，不但對(duì)其電源供應(yīng)、cpu卡與通信卡及部份i/0卡件采用雙重冗余，甚至出現(xiàn)4個(gè)cpu作雙對(duì)冗余，而且采用一個(gè)cpu芯片對(duì)采樣輸入進(jìn)行預(yù)處理及輸出判斷處理，一個(gè)cpu芯片進(jìn)行控制運(yùn)算等“用空間換時(shí)間與效能”等一系列措施；適用于不同工業(yè)應(yīng)用的控制算法以功能模塊形式常駐于大容量存儲(chǔ)器內(nèi)使之能在無(wú)人干預(yù)的情況下按控制方案預(yù)先組態(tài)好的程序連接，完成各種連續(xù)、批量及程序邏輯控制，使整個(gè)生產(chǎn)裝置或機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行。而顯示操作站除通過通信總線獲得各控制站的所有信息可供操作人員監(jiān)視、操作之外，還可進(jìn)行制等后臺(tái)作業(yè)，也可使其連向全廠的企業(yè)管理網(wǎng)，現(xiàn)代des把信息高度集中

20、，并予以綜合應(yīng)用的潛力可供用戶對(duì)全廠甚或全企業(yè)生產(chǎn)管理調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化使之受益非淺，從而導(dǎo)致其至今仍處于市場(chǎng)主導(dǎo)位置。dcs系統(tǒng)利用了局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將計(jì)算機(jī)處理功能分散到多個(gè)計(jì)算機(jī)上，擴(kuò)展了其功能，而且較好的解決了冗余備份技術(shù)，并且信號(hào)線可以較分散地安裝在不同的i/0控制站上。dcs的突出優(yōu)點(diǎn)包括：高度的可靠性、強(qiáng)大且易擴(kuò)充的功能；漂亮的圖形界面、良好的人機(jī)界面；維修、維護(hù)方便；誘人的性能價(jià)格比、方便的組態(tài)軟件。使得每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)不用再編程，豐富的控制算法幾乎可以使用戶方便地實(shí)現(xiàn)任何復(fù)雜的控制應(yīng)用，開放的連網(wǎng)能力，可以方便地與各層管理網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地連在一起，形成一個(gè)綜合的管理控制一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。dcs由于

21、其顯著的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過幾十多年的發(fā)展和完善，經(jīng)久不衰，并隨著其軟、硬件價(jià)格的下降逐漸向中小型控制系統(tǒng)發(fā)展。目前，我國(guó)的小型dcs系統(tǒng)已投入了工業(yè)生產(chǎn)，大中型系統(tǒng)的優(yōu)化定型己經(jīng)完成并投產(chǎn)，現(xiàn)己在國(guó)家大型石化、冶金、電力工程和全國(guó)各行業(yè)百多個(gè)典型工程中推廣應(yīng)用。然而，置于主控室大機(jī)柜之內(nèi)的控制站，其采樣輸入來自現(xiàn)場(chǎng)而控制信號(hào)則返回現(xiàn)場(chǎng)，每一i/0信號(hào)均需在現(xiàn)場(chǎng)與主控室之間來回穿梭則帶來諸多弊??；信號(hào)電纜耗費(fèi)量極大，一個(gè)大型工廠的信號(hào)電纜總長(zhǎng)達(dá)4-6位數(shù)字的公里數(shù)并非罕見，不但信號(hào)電纜敷設(shè)的一次性投資巨大而且龐大的電纜群維修困難并有損于其使用的整體可靠性。除此之外，各家的dcs不但硬件各異而軟件與通信協(xié)

22、議更是各家專用，無(wú)以兼容而形成眾多的自動(dòng)化孤島，使用戶不能自由擴(kuò)充而受掣于專一的廠家。隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，上述兩個(gè)缺陷導(dǎo)致dcs制造廠商不得不正視用戶的要求而尋求變革。2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)fcsfcs為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的英文(fieldbus control system)簡(jiǎn)稱，如圖2.2所示?，F(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它的關(guān)鍵標(biāo)志是能支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通訊。圖2.2 fcs系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線(fieldbus)是80年代末、90年代初國(guó)際上發(fā)展形成的，用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通

23、訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。如圖22所示，最底層的infranet控制網(wǎng)即fcs，各控制器節(jié)點(diǎn)下放分散到現(xiàn)場(chǎng)，構(gòu)成一種徹底的分布式控制體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意，可為總線形、星形、環(huán)形等，通訊介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、電力線、無(wú)線、紅外線等各種形式。fcs形成的intranet控制網(wǎng)很容易與intranet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)internet全球信息網(wǎng)互連，構(gòu)成一個(gè)完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)三級(jí)體系結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)，己經(jīng)受到世

24、界范圍的關(guān)注，成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣為關(guān)注的焦點(diǎn)課題，國(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)總線的研究、開發(fā)，使測(cè)控系統(tǒng)沖破了長(zhǎng)期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開放發(fā)展的征程，這對(duì)我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個(gè)極好的機(jī)會(huì)，也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的交叉與集成，涉及的內(nèi)容十分廣泛，自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)受計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的。現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛，一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進(jìn)一步融合到現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有：智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)的軟硬件技術(shù)：組態(tài)技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)段互連等；網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)管理軟

25、件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸、人機(jī)接口；軟件技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線屬于尚在發(fā)展之中的技術(shù)，我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域還剛剛起步，了解國(guó)際上該項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向，對(duì)我國(guó)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)、設(shè)備的更新，無(wú)疑具有重要的作用?？傮w說來，自動(dòng)化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)的方向前進(jìn)，這一發(fā)展趨勢(shì)是肯定的。既然是總線，就要向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但出于這一技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廠泛，幾乎覆蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過程自動(dòng)化、制造加工自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等等。大千世界，眾多領(lǐng)域，需求各異，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線體系下可能不止容納單一的標(biāo)準(zhǔn)。另外，從以上

26、介紹也可以看出，幾大技術(shù)均具有自己的特點(diǎn)，已在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì)。加上商業(yè)利益的驅(qū)使，它們都各自正在十分激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中求得發(fā)展。有理由認(rèn)為：在從現(xiàn)在起的未來10年內(nèi)，可能出現(xiàn)幾大總線標(biāo)準(zhǔn)共存，甚至在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)內(nèi)，幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通過路由網(wǎng)關(guān)互連實(shí)現(xiàn)信息共享的局面。在連續(xù)過程自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，今后10年內(nèi)，ff基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線將成為主流發(fā)展趨勢(shì)，lonworks將成為有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，rt作為過渡性產(chǎn)品也能有一定的市場(chǎng)。這3種技術(shù)是從這一領(lǐng)域的工業(yè)需求出發(fā)，其用戶層的各種功能是為專業(yè)連續(xù)過程設(shè)計(jì)的，而且充分考慮到連續(xù)工業(yè)的使用環(huán)境，如支持總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。另外，ff

27、基金會(huì)幾乎集中了世界上主要自動(dòng)化儀表制造商；lonworks形成了全面的分工合作體系。這些因素對(duì)成為這一領(lǐng)域的主流技術(shù)是十分關(guān)鍵的。由于rt建立在目前廣泛采用的模擬系統(tǒng)之上，它可以充分照顧到現(xiàn)有設(shè)備和已有投資的效益，技術(shù)上也充分考慮連續(xù)過程使用環(huán)境的需要。目前它己經(jīng)占有一定的市場(chǎng)份額，其技術(shù)本身還在不斷完善與更新，如提高傳輸速率等。目前用外hart儀表的市場(chǎng)份額還在不斷增長(zhǎng)，呈上升趨勢(shì)，但是它畢競(jìng)是過渡性產(chǎn)品，其生存周期不會(huì)很長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)則由于很多項(xiàng)目都是新項(xiàng)目，所以對(duì)兼容性的考慮較少，而對(duì)先進(jìn)性的考慮較多，相信hart在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)份額不會(huì)很大。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)與國(guó)外市場(chǎng)會(huì)有比較大的差異。一方面國(guó)外市場(chǎng)上

28、占優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品會(huì)不斷滲透到國(guó)內(nèi)：另一方面，由于國(guó)內(nèi)廠商的規(guī)模相對(duì)較小，研發(fā)能力較差，更多的是依賴技術(shù)供應(yīng)商的支持，比較容易受現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)供應(yīng)商(芯片制造商等)對(duì)國(guó)內(nèi)的支持和市場(chǎng)推廣力度的影響。國(guó)內(nèi)目前僅lonworks技術(shù)有實(shí)質(zhì)性的市場(chǎng)活動(dòng)。所以大部分國(guó)內(nèi)廠商將首先將接受lonworks技術(shù)。盡管ff號(hào)稱儀器儀表行業(yè)的未來標(biāo)準(zhǔn)，但是由于沒有明確的市場(chǎng)策略和在國(guó)內(nèi)的積極的市場(chǎng)活動(dòng)，市場(chǎng)份額將會(huì)受到很大影響。而且事實(shí)表明，所有的現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)(ff)會(huì)員在研制符合ff標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，都同時(shí)推出采用lonworks技術(shù)的應(yīng)用，由此可見lonworks技術(shù)的生命力十分頑強(qiáng)。在離散制造加工領(lǐng)域，由于行業(yè)應(yīng)用的

29、特點(diǎn)和歷史原因，其主流技術(shù)會(huì)有一些差別。profibus和can在這一領(lǐng)域具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。他們己經(jīng)在這一領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的主要特點(diǎn)：1，全數(shù)字化通信，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備與控制器之間采用一對(duì)一i/o接線方式，i/o模塊接收或送出4-20ma信號(hào)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)后用一條通信電纜就可以將控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來，信號(hào)傳輸時(shí)是全數(shù)字化的，實(shí)現(xiàn)了檢錯(cuò)、糾錯(cuò)的功能，提高了信號(hào)的可靠傳輸。2，實(shí)現(xiàn)徹底的分散性和分布性，采用現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)fcs,它的控制單元全都可以分散到現(xiàn)場(chǎng)，控制器系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，因此fcs可被認(rèn)為是徹底的分布式控制系統(tǒng)。3，具有較強(qiáng)的信息集成能力，傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制

30、系統(tǒng)控制器獲取的信息是有限的，采用現(xiàn)場(chǎng)總線后，連接的可以是智能化設(shè)備，控制器就可以從現(xiàn)場(chǎng)獲取大量的信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息的一體化傳送。4，降低費(fèi)用，采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制可以節(jié)省連接導(dǎo)線，降低安裝和維護(hù)費(fèi)用。5，具有互操作性和互換性，傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)不開放，系統(tǒng)的軟硬件一般只能使用一家的產(chǎn)品，不同廠家不同產(chǎn)品間缺乏互操作性和互換性。采用現(xiàn)場(chǎng)總線后，可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)設(shè)備間，系統(tǒng)間的信息傳送和溝通，不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備都可以進(jìn)行互換。2.1.3 控制系統(tǒng)方案的確定鑒于對(duì)dcs系統(tǒng)與fcs系統(tǒng)的比較，分析了這兩種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)，從技術(shù)可行、高效節(jié)能、資金利用等多方面全方位的考慮，再

31、結(jié)合plc的特點(diǎn)分析得出用plc更適用作物料輸送系統(tǒng)主控制器。因而設(shè)計(jì)一個(gè)由plc構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，來控制關(guān)于物料輸送的皮帶系統(tǒng)。2.2 總體結(jié)構(gòu)的確定2.2.1 綜述一般情況下，監(jiān)控系統(tǒng)是由現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)設(shè)備、過程控制級(jí)設(shè)備、監(jiān)控管理級(jí)設(shè)備組成多級(jí)體系，它們通過網(wǎng)絡(luò)互相連接。過程級(jí)設(shè)備從過程對(duì)象采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按預(yù)先組態(tài)好的控制策略，接受操作人員的控制指示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過程對(duì)象實(shí)時(shí)控制；操作人員通過監(jiān)控級(jí)設(shè)備，監(jiān)視過程對(duì)象及控制裝置的運(yùn)行情況，并通過網(wǎng)絡(luò)，向過程級(jí)發(fā)出指令，干預(yù)過程對(duì)象的控制，同時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和報(bào)表打??；管理級(jí)設(shè)備可以接受監(jiān)控管理級(jí)按規(guī)定的格式遠(yuǎn)傳過來的數(shù)據(jù)，供統(tǒng)一調(diào)度。本系

32、統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，整個(gè)系統(tǒng)主要由就地控制箱、plc集中控制柜及上位遠(yuǎn)程監(jiān)控終端3部分組成。(1)現(xiàn)場(chǎng)操作控制箱：每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配置一現(xiàn)場(chǎng)就地操作控制箱，用于設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)就地控制和保護(hù)。就地控制箱的設(shè)置主要是考慮到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的的檢修和試運(yùn)行，可以通過就地集中轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)就地控制和集中控制的轉(zhuǎn)換。在就地控制方式下，可以通過控制箱面板上的啟停按鈕，手動(dòng)控制設(shè)備的啟停；在集中控制方式下，通過plc集中控制柜上的按鈕控制整個(gè)系統(tǒng)或者是單個(gè)設(shè)備的啟停。(2)plc集中控制柜：實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的集中控制。實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的啟停故障等狀態(tài)信息，并對(duì)各信息進(jìn)行分析、處理，同時(shí)負(fù)責(zé)將所有信息上傳給上位監(jiān)控機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的實(shí)

33、時(shí)數(shù)據(jù)采集、畫面顯示。接收、處理上位發(fā)來的控制命令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制。(3)上位監(jiān)控終端：主要由一臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)及打印機(jī)等外圍設(shè)備組成，監(jiān)控系統(tǒng)終端安裝西門子wincc上位監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)各狀態(tài)信息的顯示及各設(shè)備遠(yuǎn)程控制、故障報(bào)警、報(bào)表打印、趨勢(shì)圖顯示等。2.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控的要求，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制和上位監(jiān)控的功能，將監(jiān)控系統(tǒng)分成兩大部分：下層的過程控制級(jí)，上層的監(jiān)控管理級(jí)。在過程控制在這一部分的設(shè)計(jì)中，我們采用西門子公司的s7200系列plc。系統(tǒng)采用simatic s7200plc，它是模塊化中小型plc系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。具有模塊化，無(wú)排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實(shí)

34、現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點(diǎn)，因此成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟(jì)的方案，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。物料輸送線通過皮帶側(cè)面的激光傳感器來檢測(cè)輸送線上是否有產(chǎn)品從皮帶上掉下來，在皮帶的側(cè)面安裝距離傳感器來檢測(cè)皮帶的位置是否跑偏及時(shí)將信息傳輸給控制器，在爬坡的皮帶處對(duì)產(chǎn)品的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。電機(jī)通過變頻器進(jìn)行控制，可以使電機(jī)的啟動(dòng)更能夠穩(wěn)定同時(shí)也可以更方便的調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。所有信息都要送到控制器plc中。在控制系統(tǒng)中我們選用cpu-224xp作為控制中心，在cpu-224xp中有兩個(gè)通訊口，分別可以與上位機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)也可以與現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)界面進(jìn)行通信。上層管理級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)物料輸送系統(tǒng)中，經(jīng)常

35、需要對(duì)各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，例如，電機(jī)的輸出速度及相關(guān)的參數(shù)，因此必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。監(jiān)控軟件采用西門子公司的wincc軟件。simatic wincc(視窗控制中心)，是西門子(siemens)在自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和microsoft的強(qiáng)大功能相結(jié)合的產(chǎn)物。它有各種有效功能用于自動(dòng)化過程，是用于個(gè)人計(jì)算機(jī)上的，按價(jià)格和性能分級(jí)的人機(jī)界面?？梢匀菀椎慕Y(jié)合標(biāo)準(zhǔn)和用戶程序生成人機(jī)界面，準(zhǔn)確的滿足實(shí)際要求，它在很多方面的特性使得它優(yōu)于其他的監(jiān)控系統(tǒng)。3 輸送線的工藝研究3.1 輸送線的工藝要求物料輸送系統(tǒng)在運(yùn)行中要實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷還必須要求輸送的可靠工作，輸送可靠工作的條件是：(1)

36、拖動(dòng)皮帶機(jī)的電機(jī)要安全可靠的運(yùn)行1)電機(jī)的功率要滿足輸送負(fù)荷的要求；2)電機(jī)的工作是否正常應(yīng)有檢測(cè)裝置。(2)皮帶機(jī)上的皮帶是否工作正常1)皮帶機(jī)上的皮帶是否打滑；2)皮帶機(jī)上的皮帶是否跑偏。(3)報(bào)警1）電機(jī)速度超過最大極限時(shí)進(jìn)行報(bào)警；2）皮帶跑偏時(shí)進(jìn)行報(bào)警；3）有掉包情況時(shí)進(jìn)行報(bào)警。為此設(shè)置有皮帶的帶速檢測(cè)、皮帶的跑偏檢測(cè)以及皮帶的打滑檢測(cè)、掉包的檢測(cè)等。3.2 輸送線的工藝設(shè)計(jì)3.2.1 控制工藝的流程物料輸送線控制系統(tǒng)的工藝流程圖如圖3.1所示。圖3.1 工藝流程圖在物料的輸送過程中有3部分需要檢測(cè)，物料上皮帶時(shí)要經(jīng)過一個(gè)平的皮帶，然后物料經(jīng)過一段爬坡的皮帶進(jìn)入第三個(gè)皮帶，該皮帶也是一

37、個(gè)平坦的皮帶，經(jīng)過這三段皮帶就可以進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)了。在第一條皮帶的右側(cè)有激光傳感器用來檢測(cè)是否有掉包情況發(fā)生，皮帶的兩側(cè)有行程開關(guān)可以檢測(cè)皮帶是否有跑偏現(xiàn)象，同時(shí)檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度看是否超過最大的運(yùn)轉(zhuǎn)速度防止皮帶打滑。爬坡的皮帶和第一條皮帶有一些區(qū)別，因?yàn)榕榔滤噪姍C(jī)的功率要相對(duì)大一些。在爬坡時(shí)掉包的可能性最大，因此在爬坡時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)是最合適的，在這條皮帶的中間安裝一個(gè)傳感器用來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)。經(jīng)過一條爬坡皮帶進(jìn)入平行皮帶，該皮帶和第一條皮帶的情況是一樣的，各種檢測(cè)量都相同。各條皮帶的電機(jī)都通過變頻器接在plc上，可以在電機(jī)的調(diào)速上更加平滑，同時(shí)可以降低啟動(dòng)電壓對(duì)整個(gè)電網(wǎng)來說是一種重要的保護(hù)，防

38、止對(duì)電網(wǎng)造成干擾。3.2.2 控制系統(tǒng)的硬件(1)控制系統(tǒng)概貌硬件結(jié)構(gòu)包括外設(shè)與plc控制系統(tǒng)的硬件部分。控制對(duì)象主要由皮帶電機(jī)、傳感器；plc控制系統(tǒng)由cpu單元、電源單元、輸入輸出模塊、通訊模塊、操作站及網(wǎng)絡(luò)部件等構(gòu)成，硬件示意圖如圖3.2所示。圖3.2 控制系統(tǒng)硬件示意圖(2)plc控制系統(tǒng)硬件部分根據(jù)物料輸送線工藝的特點(diǎn)及控制任務(wù)，選用了德國(guó)西門子s7200可編程控制器作為本控制系統(tǒng)的主控制器，采用模塊式結(jié)構(gòu)和采用了雙操作站和遠(yuǎn)程i/0通訊技術(shù)，使其通信可靠，便于操作。1)中央控制單元選用cpu224xp作為plc的核心部件，進(jìn)行邏輯和數(shù)字運(yùn)算，協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)各部分的工作。cpu22

39、4xp有如下特點(diǎn)：具有中、大規(guī)模的程序存儲(chǔ)容量：對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算具有較高的處理性能；profibus dp主站/從站接口；可用于大規(guī)模的i/0配置；可用于建立分布式i/o結(jié)構(gòu)；具有六個(gè)30khz的高速計(jì)數(shù)器，用于捕捉比cpu掃描頻率更快的脈沖信號(hào)。2)電源單元cpu單元有一個(gè)內(nèi)部電源模塊，小型plc的電源模塊與cpu封裝在一起，通過連接總線為cpu、擴(kuò)展模塊提供5v的直流電源，如容量許可，還可以提供外部dc24v的電源，供本機(jī)輸入點(diǎn)和擴(kuò)展模塊繼電器線圈使用。這樣便有效的減少了用同一電源所帶來的干擾問題。用于長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。用戶數(shù)據(jù)（如標(biāo)志位狀態(tài)，數(shù)據(jù)塊，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器）可通過內(nèi)部的超級(jí)電容

40、存貯大約5天。選用電池模塊能延長(zhǎng)存貯時(shí)間到200天（10年壽命）。電池模塊插在存儲(chǔ)器模塊的卡槽中。3)輸入輸出單元本身帶有數(shù)字量14輸入/10輸出，模擬量2輸入/1輸出。4)通訊模塊s7-200cpu可支持多種通信協(xié)議，如點(diǎn)到點(diǎn)的協(xié)議（ppi）、多點(diǎn)協(xié)議（mpi）及profbus協(xié)議。這些協(xié)議的結(jié)構(gòu)模型都是基于開放系統(tǒng)互連參考模型的7層通信結(jié)構(gòu)。ppi協(xié)議與mpi協(xié)議通過令牌環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。令牌環(huán)網(wǎng)遵守歐洲標(biāo)準(zhǔn)en50170中的過程現(xiàn)場(chǎng)總線（profbus）標(biāo)準(zhǔn)。他們都是異步基于字符的協(xié)議，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)帶有起始位、8位數(shù)據(jù)、奇校驗(yàn)和一個(gè)停止位。每組數(shù)據(jù)都包含特殊的起始和結(jié)束標(biāo)志、源站地址和目的站地址、

41、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)完整性檢查幾部分。cpu224xp具有兩個(gè)rs485通訊口。(3)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)輸送控制系統(tǒng)以plc控制器為核心，用它來控制所有的皮帶和相關(guān)外設(shè)正常工作，所有的輸入輸出信號(hào)都必須通過這個(gè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的通信部分分為兩部分：第一個(gè)就是和現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)界面進(jìn)行通信，第二個(gè)就是和上位機(jī)的通信。在與現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)界面通信時(shí)，由于距離很近所受到的干擾相對(duì)會(huì)小一些，所以直接用鋪設(shè)電纜的方法就可以，用電纜連接plc和人機(jī)界面。這種方法不僅簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)并且可以節(jié)省資金。在與上位機(jī)的通信中，由于距離較遠(yuǎn)相對(duì)來說就不能直接用電纜進(jìn)行連接，信號(hào)直接傳輸由于信號(hào)太多，電纜要經(jīng)過電纜槽，并且在電纜槽存在大量的強(qiáng)電電纜

42、，這對(duì)于4-20ma、0-5v、l-5v等這些信號(hào)的電磁干擾非常強(qiáng)，因而影響了信號(hào)的可靠性，從而影響了整個(gè)控制系統(tǒng)。因此應(yīng)用遠(yuǎn)程i/o通訊，通過網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上。采用遠(yuǎn)程i/o通訊便可以克服電纜傳輸?shù)娜毕?。信?hào)先進(jìn)入控制系統(tǒng)的一個(gè)分站，再將信號(hào)通過profibus現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸給控制系統(tǒng)，由于profibus現(xiàn)場(chǎng)總線只有兩根，且連接過程中獨(dú)立不經(jīng)過電纜槽，因而避免了電纜槽的電磁干擾，確保信號(hào)的可靠性。并且從經(jīng)濟(jì)上考慮，采用遠(yuǎn)程i/o通訊節(jié)約了大量資金。因而，采用了遠(yuǎn)程i/0通訊。3.3 輸送線的工藝設(shè)計(jì)分析 在工藝上只有檢測(cè)了各種數(shù)據(jù)，輸送線才能安全的進(jìn)行工作。通過采集電機(jī)的速度、皮帶的

43、位置、掉包的信號(hào)傳輸給plc然后做出正確的判斷，及時(shí)的做出準(zhǔn)確的動(dòng)作。在爬坡皮帶上進(jìn)行計(jì)數(shù)可以很直觀的觀察到生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，可以節(jié)省統(tǒng)計(jì)人員。在現(xiàn)場(chǎng)有單個(gè)皮帶的人機(jī)界面，可以直接對(duì)單個(gè)皮帶進(jìn)行觀察，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有直觀的觀察，能夠更及時(shí)的發(fā)現(xiàn)故障的出處。在上位機(jī)上對(duì)工廠的整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)行觀察，進(jìn)行整體的調(diào)度。所有的現(xiàn)場(chǎng)信息都傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上?？梢詫?duì)整個(gè)工廠的生產(chǎn)有一個(gè)全面的把握，不至于因?yàn)橐稽c(diǎn)的錯(cuò)誤而影響整個(gè)的生產(chǎn)。上位機(jī)是整個(gè)工廠的核心。4 輸送線系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1 硬件的選擇4.1.1 控制中心的選擇西門子公司的simatic s7-200系列屬于小型plc，可代替繼電器用于簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，也可用于復(fù)

44、雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于它有極強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。由于模塊式的plc便于維護(hù)，同時(shí)也可以方便根據(jù)工藝進(jìn)行改變控制的方式。系統(tǒng)以數(shù)字量控制為主，帶少量模擬量，對(duì)控制速度沒有太多要求，帶a/d轉(zhuǎn)換、d/a轉(zhuǎn)換、加減運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送功能就可以了；此外系統(tǒng)控制雖然目前不要求實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和進(jìn)行pid運(yùn)算，但以后對(duì)此有要求。因此，s7-200系列plc能滿足物料輸送線自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求。plc與生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過i/o接口模塊來實(shí)現(xiàn)的。plc有許多i/o接口模塊，包括數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出以及其它一些特殊功能模塊，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)它們的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。i/o點(diǎn)數(shù)選擇的

45、內(nèi)容如下：定義plc的i/o點(diǎn)數(shù)，包括數(shù)字量i/o、模擬量i/o以及特殊功能模塊；建立i/o地址分配表。本系統(tǒng)包括三個(gè)變頻器、四個(gè)激光傳感器、六個(gè)行程開關(guān)以及若干個(gè)指示燈，這些構(gòu)成了控制對(duì)象，其中變頻器的輸出為模擬量，其它的為數(shù)字量。手動(dòng)自動(dòng)切換，主電機(jī)開與關(guān)，都是按鈕控制，是數(shù)字量輸入。本系統(tǒng)plc的i/o點(diǎn)數(shù)與類型如表4.1所示。表4.1 plci/o點(diǎn)數(shù)與類型信號(hào)類型輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)數(shù)字按鈕9指示燈6激光傳感器4變頻器運(yùn)行3行程開關(guān)6報(bào)警器1模擬變頻器調(diào)速3合計(jì)1913根據(jù)被控對(duì)象的i/o點(diǎn)數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能、通信要求等方面的考慮，選用simatic s7-200系列p

46、lc的cpu為cpu224 xp。cpu為cpu224 xp具有14個(gè)數(shù)字量輸入i/o接口和10個(gè)數(shù)字量輸出i/o接口，2個(gè)模擬量輸入和1個(gè)模擬量輸出，2個(gè)100khz的脈沖輸出，2個(gè)rs485通信接口。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的數(shù)字量和模擬量的輸入輸出多于plc本身帶的i/o口，所以需要加擴(kuò)展模塊。所以要加模擬量的擴(kuò)展模塊，em232模擬量輸出，2輸出；增加兩塊em221數(shù)字量輸入，每個(gè)em221有4個(gè)入口。這樣就可以滿足系統(tǒng)的要求。s7-200的分封裝圖如圖4.1所示。圖4.1 s7-200封裝圖4.1.2 電機(jī)及變頻器的選擇在工業(yè)中所使用的大部分電機(jī)為感應(yīng)式交流電機(jī)，感應(yīng)式交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度近似地取決

47、于電機(jī)的極數(shù)和頻率。電機(jī)的極數(shù)是固定不變的(為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6)，不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值，所以一般不適合通過改變電機(jī)的極數(shù)來調(diào)整電機(jī)的速度。變頻調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)供電電源頻率進(jìn)行調(diào)速的一種方法，頻率在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、電動(dòng)機(jī)和控制理論的飛速發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有了很大的提高，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，用晶閘管或全控型器件組成逆變器，容量從幾十瓦到幾十千瓦的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)大量投入到工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域中應(yīng)用。因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。變頻調(diào)速器已形成了與電

48、機(jī)相配合的不同功率、不同用途的系列化產(chǎn)品，目前產(chǎn)品己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于石油、石化、鋼鐵、冶金、礦山、機(jī)械、紡織、建筑、造紙等行業(yè)，適用手水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、機(jī)床等產(chǎn)品的電機(jī)調(diào)速。低壓通用變頻器輸出電壓為380650v，輸出功率為0.75400kw，工作頻率為0400hz，它的主電路都采用交一直一交電路，控制方式經(jīng)歷了以下四代：(1)u/f=c的正弦脈寬調(diào)制(spwm)控制方式；(2)電壓空間矢量(svpwm)控制方式；(3)矢量控制(vc)方式：(4)直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc)方式；(5)矩陣式交一交控制方式。西門子公司生產(chǎn)的micromaster系列變頻器是目前市場(chǎng)上技術(shù)比較熟，性能價(jià)格比高的主流產(chǎn)

49、品。本課題選用其中的micromaster 420通用型變頻器。mlcromaster 420變頻器設(shè)有3個(gè)數(shù)字和1個(gè)模擬輸入，1個(gè)模擬輸出，1個(gè)繼電器接點(diǎn)輸出。它可以與simatic s7-200鏈接，或集成到simatic和simotion的tia系統(tǒng)中。micromaster 420通用型變頻器用于驅(qū)動(dòng)普通應(yīng)用對(duì)象時(shí)，只要對(duì)它進(jìn)行簡(jiǎn)單的組態(tài)，就可以滿足對(duì)特定傳動(dòng)系統(tǒng)的控制要求。而且，由于變頻器采用的是模塊化設(shè)計(jì)，可以選用各種選件，非常方便地對(duì)傳動(dòng)裝置進(jìn)行擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)功能。變頻器的原理示意圖如圖4.2所示。圖4.2 變頻器示意圖電機(jī)的選型是根據(jù)該行業(yè)運(yùn)輸線上的功率來考慮的，本系統(tǒng)

50、的電機(jī)分為兩部分，一種是平的輸送線的電機(jī)，功率大概5kw的交流電機(jī)就可以了；第二種是爬坡處的電機(jī)，功率要比平的輸送線要大，功率大概應(yīng)為10kw的交流電機(jī)。4.1.3 傳感器和行程開關(guān)的選擇傳感器是用來采集數(shù)據(jù)的，只有采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確才能做出正確的判斷，做出正確的動(dòng)作。激光與普通光線相比具有能量高度集中,方向性好,頻率單純,相干性好等優(yōu)點(diǎn),是很理想的光源。作為采集信號(hào)的傳感器有更準(zhǔn)確更穩(wěn)定信號(hào)。對(duì)射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等,以相對(duì)的方向裝在中間帶槽的支架上。當(dāng)槽內(nèi)無(wú)物體時(shí),發(fā)光管發(fā)出的光直接照在光敏三極管的窗口上,從而產(chǎn)生一定大的電流輸出,當(dāng)有物體經(jīng)過槽內(nèi)時(shí)則擋住光線,光敏管無(wú)輸出,以

51、此可識(shí)別物體的有無(wú)。適用于光電控制,光電計(jì)量等電路中,可檢測(cè)物體的有無(wú),運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)速等方面。本系統(tǒng)中在檢測(cè)是否掉包和計(jì)數(shù)的地方都用激光傳感器，通過輸入電壓的高低電平來計(jì)數(shù)和檢測(cè)是否有掉包現(xiàn)象。選擇傳感器還得考慮在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的實(shí)際距離，在輸送線上往往都是比較長(zhǎng)的不能選用測(cè)量距離短的傳感器，我在這里選擇了測(cè)量距離為30米的sm31rlqd，工作電壓為10-30v，接線方式為4針euro qd，輸出形式為雙極性。在皮帶的跑偏問題上我選擇行程開關(guān)來測(cè)量，把行程開關(guān)安到皮帶側(cè)面一定的位置，當(dāng)皮帶跑偏到開關(guān)的位置時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)，傳輸?shù)絧lc上，做出相應(yīng)的停機(jī)反應(yīng)。在本系統(tǒng)我們考慮了價(jià)格和精確度等的因

52、素以后，我們選擇了型號(hào)為lx19k的行程開關(guān)，它的額定電壓為5v，動(dòng)作行程為1.5-3mm。lx19b系列行程開關(guān)，適用于交流50-60hz，電壓至380v、直流電壓至220v，發(fā)熱電流為5a的控制電路中，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，作控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)行程和變換其運(yùn)行方向或速度。行程開關(guān)元件采用雙斷點(diǎn)瞬動(dòng)式結(jié)構(gòu)，安裝在金屬外殼內(nèi)構(gòu)成防護(hù)式，在外殼上配有各種方式的機(jī)械部件，組成單輪，雙輪、軸向轉(zhuǎn)動(dòng)等形式的行程開關(guān)。更適合在環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下工作。4.2 硬件的分析4.2.1 中心控制單元(1)i/o地址的分配i/o地址分配直接關(guān)系到硬件的接線圖以及軟件的編程。因此，i/o分配地址很重要。具體的i/o分

53、配如表4.2所示。表4.2 plc i/o點(diǎn)的分配輸入信號(hào)輸出信號(hào)i/o地址功能i/o地址功能數(shù)字量io.o1#激光傳感器1q0.01#掉包指示燈i0.12#激光傳感器2q0.12#掉包指示燈i0.23#激光傳感器3q0.23#掉包指示燈i0.3計(jì)數(shù)激光傳感器4q0.3報(bào)警器i0.41#左側(cè)行程開關(guān)q0.41#變頻起停i0.51#右側(cè)行程開關(guān)q0.52#變頻起停i0.62#左側(cè)行程開關(guān)q0.63#變頻起停i0.72#右側(cè)行程開關(guān)q0.71#跑偏指示燈i1.03#左側(cè)行程開關(guān)q1.02#跑遍指示燈i1.13#右側(cè)行程開關(guān)q1.13#跑偏指示燈i1.2手動(dòng)自動(dòng)開關(guān)11.3啟動(dòng)開關(guān)i1.4停止開關(guān)i

54、1.51#啟動(dòng)按鈕i2.01#停止按鈕i2.12#啟動(dòng)按鈕i2.22#停止按鈕i2.33#啟動(dòng)按鈕i2.43#停止按鈕模擬量aqw01#變頻調(diào)速aqw42#變頻調(diào)速aqw83#變頻調(diào)速(2)plc部分接線圖圖4.3 plc數(shù)字輸入示意圖數(shù)字輸入和輸出，如圖4.3所示。該圖說明了控制中心是如何和外部連接的，能夠更直觀的看清楚之間的關(guān)系。4.2.2 電機(jī)與中心控制單元的聯(lián)系(1)主電路變頻器的l1、l2、l3為輸入端，直接連50hz三相380v交流電源。輸出端u、v、w則直接連到交流電動(dòng)機(jī)上。變頻器的輸出也為三相交流電，但是在變頻器內(nèi)部經(jīng)過了交直變換，之后經(jīng)過逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行了逆變，使得

55、輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電。變頻器的接線圖如圖4.4所示。圖4.4 變頻器電氣控制圖(2)變頻調(diào)速回路根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由plc輸出的模擬量來控制變頻器的輸出頻率。此時(shí)的變頻器輸出頻率與設(shè)定電壓或電流輸入成正比。這里是從plc的v端輸出0-10v的電壓信號(hào)(模擬量)作為變頻器的控制端3的輸入，然后經(jīng)變頻器調(diào)制輸出高頻脈沖給異步電動(dòng)機(jī)。(3)變頻器啟停回路由plc、繼電器ka和變頻器，以及外接24v直流電源組成了變頻器啟?；芈?，這里是由plc的q0.4端口輸出24v的直流電壓信號(hào)(數(shù)字量)到繼電器ka，再由ka控制變頻器的運(yùn)行。4.2.3 傳感器與中

56、心控制單元的聯(lián)系傳感器是通過現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)采集然后轉(zhuǎn)換為控制中心plc能夠識(shí)別的電壓電流信號(hào)輸入控制中心，本系統(tǒng)的激光傳感器在在沒有物體阻擋時(shí)輸出的是低電壓或者是高電壓，當(dāng)有物體通過時(shí)傳感器的輸入電壓就會(huì)改變，同時(shí)控制中心就會(huì)根據(jù)信號(hào)的改變而做出相應(yīng)的改變。行程開關(guān)輸入的也是一個(gè)開關(guān)量，在行程開關(guān)觸點(diǎn)不改變時(shí)輸入控制中心的信號(hào)時(shí)一定，當(dāng)開關(guān)變化時(shí)就會(huì)改變輸入plc的信號(hào)，然后plc根據(jù)信號(hào)就會(huì)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。4.3 數(shù)據(jù)通信4.3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線通信(1)profibus的定義及分類：profibus是processfieldbus的縮寫，是一種國(guó)際性的開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，bpenso 170

57、歐洲標(biāo)準(zhǔn)，目前世界上許多自動(dòng)化生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供profibus接口。它廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。profibus根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分：profibusdp，profibusfms，profibuspa三個(gè)兼容版本。1)profibusdp：經(jīng)過優(yōu)化的高速的通信鏈，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散i/o之間通信設(shè)計(jì)，使用profibusdp模塊可取代昂貴的24v或o-20ma并行信號(hào)線。用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。2)profibusfms：解決車間級(jí)通用性通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，用于紡織工業(yè)、樓宇自動(dòng)化、電氣傳動(dòng)、傳感器和執(zhí)行器、可編程控制器、低壓開關(guān)設(shè)備等一般自動(dòng)化控制。它是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)