基于现场总线的PLC控制生产系统的监控系统.pdf

2 0 1 0年 1月 第 3 8 卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T 0OL ＆ HYDRAULI CS J a n ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 3 2 基于现场总线的 P L C控制生产系统的监控系统 吴 军 民 上海电机 学院，上海 2 0 0 2 4 0 摘要提出了一种用于镀膜生产控制的基于 C C L i n k现场总线和 P L C控制的监控系统。P L C主要用于采集数据以及实 现自动调节 HD和连续控制策略。另外 ，带有人机界面的三菱 G T D e s i g n e r 软件用于监控动态生产过程。 关键词现场总线 ；P L C；监控系统 中图分类号 T P 2 7 3 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 8 53 A M o n i t o r i ng S y s t e m f o r PLC Co nt r o l l e d M a nu f a c t uring S y s t e m Ba s e d o n Fi e l d bu s WU J u n mi n S h a n g h a i D i a n j i U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A mo n i t o r i n g s y s t e m f o r c o n t r o l l i n g t h e p r o c e s s o f fi l m p l a t i n g w a s p r o p o s e d b ase d o n CC - L i n k fi e l d b u s a n d P r o g r a m- 。 m a b l e L o g i c C o n t r o l l e r s P L C s ．T h e P L C s w e r e m a i n l y u t i l i z e d t o c o l l e c t d a t a and r e a l i z e a u t o - t u n i n g P I D a n d s e q u e n c e c o n t r o l s t r a t e g i e s ．Mi t s u b i s h i G T D e s i gne r s o f t w a r e w i t h a H u man- Ma c h i n e I n t e r f a c e f H MI W as u s e d t o m o n i t o r t h e d y n a m i c a l p roc e s s o f fil m p l a t i n g ． Ke y wo r d s F i e l d b u s ； P L C；Mo n i t o r i n g s y s t e m 0引言 卷绕式镀膜机是真空应用设备中一类应用很广泛 的设备 ，用 该设 备可 在薄 膜上 镀 制锌 和铝 等 。工 作 时，要求其在控制薄膜张力的同时尽可能增加薄膜的 传输速度 。薄膜的张力和传输 速度应 当保持一个参考 值 ，关键是薄膜速 度和张力之 间的匹配。影 响速度的 因素有很多 卷辊的不圆度，薄膜的打滑等 。如果 传输速度产生波动 ，则镀膜层就会变得不均匀 。另一 方面 ，如果 张力控制得不好 ，则会引起薄膜起皱 ，甚 至断裂 。一旦薄膜 断裂 ，操作员需要打开卷绕室进行 操作，这样的话 ，卷绕室的压力就会回到标准气压， 重新调 到 所 要 求 的 工 作 压 力 2 ． 6 71 0 ～ ～1 ． 3 1 0 P a 又需花费 2 0～ 3 0 m i n的时间，工作效率就会 明显下降。因此 ，为了避免薄膜断裂，迫切需要一个 能控 制张力波动 的监控系统 。 C C ． L i n k是一种能进行控制和高速传输信息数据 的现场 网络系统 。使用 C C L i n k可使用户减 少复杂 生 产线 的控制工作量 ，节省配线 。用户可从 由 C C L i n k 支撑的多于 3 5 4个现场设备中选择合适的设备，因 此 ，很容易拓展多厂家设备环境。 C C ． L i n k的高速通信能力可满足传感器高速响应 以及智能站大容量数据信息传送的要求。 作为 C C ． L i n k的特征之一，R A S功能，诸如备用 主站功能、在线更换功能、通信 自动恢复功能等 ，可 使用户在最短时间内修复通信错误和系统故障，其诊 断功能和监视功能可实现状态数据确认 、硬件测试和 线路 测试。图 1 为 C C - Lin k 现场 总线 网络简 图。 R 慷 i p 删U t i t 岫脚 U a i l ， Dm m h 2 c r 6 mmh 。 T t - i 叩_l - 阳蛹 雕 瑚峨 O C t ． m I L 图 1 CC - L i n k网络 简 图 C C Hn k监 视 系统 由主 站 、从 站 、P C机 、转 换 器、伺服电机、远程 I ／ 0站等组成。 为了满足自动化与柔性化的要求 ，许多复杂的生 产系统都采用 P L C控制，因为 P L C控制具有可编程、 模块化、界面友好、成本低等优点。卷绕式真空镀膜 收稿 日期 2 0 0 81 2 3 0 作者简介吴军民 1 9 6 6 一 ，男 ，讲师、工程师，研究方向为机械制造及自动化。电话1 3 7 7 4 3 1 3 6 7 2 ，Em ai l w u j m s d j a ． e d u ． e n 。 8 6 机床与液压 第 3 8卷 机就是一条复杂的生产系统 。 介绍一种 基 于 C C L i n k现 场 总线 的智 能 监 控 系 统 ，由上位 P C机和下位 P L C控制器组成 ，用 于控制 和信息管理。该监控系统采用 了一种基 于 C C L i n k现 场总线的新技 术。 1 监控 系统结构 这种基于现场总线 的监控系统包括现场监视单元 以及控制室里的信息管理和控制单元。所有位于镀膜 机附近的智能监视单元带有微处理器，可进行信号采 样 、A ／ D转换、数据计算等。现场总线是主从站 中 各分散的监控单元之间最重要的连接，模拟信号可转 换成数字信号，实现双向通信，这有利于操作者在控 制室进行控制 、检测 和参数设置 。这种结构一方面增 加 了监控系统的精度 和抗 干扰能力 ，同时也节省 了开 发成本 。 图 2为基 于现 场 总 线技术的监控系统的结 构框 图。下层 为智 能 监 控单 元 ，上层 是 中心 控 制单元 包含带 有控 制 软件 的 P C机 ，能 与 从 站进行通信 。 智能 监控 站 的数 量 信 息管 理 中心计 算机 一 主 站 A 系 列P L C I CC． Li n k l CC． Li n k l 从站I 1 从站l - - _ l 从站 智能 监控 单元 图 2 监控 系统结构框图 根据实际需要确定 。该系统有 5种类型的监控站 ，分 别监控温度 、真空度 、卷辊 直径 、薄膜张力和传送速 度 。 监控 系统能否正常工作 ，在很 大程度上取决于传 感器的运行状况 ，其精度和稳定性直接影响监控系统 的性能。传感 器获 取 的数据 由 P L C处 理 ，并 在人机 界面上显 示出来 ，如图 3 所示 。 图 3 人机界面上显示的监视数据 智能监控模块具有两种功能 一是过滤 、放大和 调整由传感器获得的输出信号，使其达到适合 P L C F X系列处理的数值 ；二是依靠 P L C的通信界面 完成 信号取样 、A ／ D转换 、数据处理 、软 件抗干扰 、 参数计算 ，并将数据传输 到中心控制单元 。 中心控 制 单 元 C C U 是 该 监 控 系 统 的 中心 ， 由 P C机和 R S 2 3 2 接 口组成 ，控制每一个智 能监控模 块的工作状况 ，获取数据及异常信息并储存。上层 的 用户计算机可访问 C C U 。C C U还能利用数据管理和 故障诊断软件对数据进行分析 ，并对卷绕系统进行诊 断。 该监控系统采 用 C C ． L i n k现场 总线 ，C C L i n k由 通信模块以及用作通信介质的双绞线组成 ，最多可连 接 6 4个工作站 。通信模块 与监控 单元 和相 应 的工 作 站连接 。当通信速度为 1 5 6 k b ／ s 时 ，最大通信距 离可 达 1 ． 2 k m。 2 P L C编程 在该卷绕 系统 中 ，选 用 了三菱 A系列 P L C作 为 控制主机来控制整个系统 ，其响应速度 快 ，信息处理 量大 。放膜和收膜 系统采用三菱 F X系列 的 P L C来控 制。整个卷绕系统的操作过程事先由设计人员编入控 制程序 。P L C程序 是整 个 P L C控 制 系统 的基 础。图 4 、 5分别为 P L C控制顺 序 图和整个 P L C控制 系统模 型 。 A c t uat or PLC ● s t at e s out put s De t a i l e d P LC ac t uat or b e h a v i o r s Pr o g r a m PL C S e nS Or s ● i nput s 图 4 P L C控制顺序 图 5 P L C控制系统模型 P L C编程语 言为梯形 图语言 ，由主机终端运行 的 软件工具提供一个设计环境，允许梯形图的编制、检 验 、测试 和诊断 。首先用 梯形 图语言编 制高级程 序 ， 然后将梯形图程序转换成二进制结构码 ，以便能将其 存入 R A M或 E P R O M，由 C P U逐条读取并执行 。C P U 的主要功能是控制存储器和 I ／ O设备的运行 ，并根据 程序指令处理数据 。P L C的每一个输入输出接 口都有 一 个地址 ，用 于确认 I ／ O点位 。 P L C采用对整个程序循环扫描 的工作方式 ，对输 入变量进行周期性的检测。P L C首先扫描系统的输入 信息，并将其存入输人映象寄存器，然后梯形图程序 进行逐级扫描 、逻辑运算，并确定输出状态数据。更 新的输出状态数据存入输出映象寄存器，在程序扫描 结束时，这些数据对 P L C的物理量输出进行设置、 刷新 。 该系统 由主机通 过 R S 2 3 2接 口与 P L C连 接 ，主 机提供 了进行 文件编辑 、储存 、打印以及程序运行监 控的软件环境 。P L C运行程序 的编制过程包括 利用 第 2期 吴军 民基于现场总线 的 P L C控制生产系统的监控系统 8 7 编辑器编制梯 形 图源 程序 ，将 源程 序转 换成 P L C微 处理器能识别的二进制码 ，然后从 P C机将二进制码 通过一系列通信端口传送到 P L C系统，P L C系统在 线控制机器设备 ，监控状态数据 ，检查是否正常运 行。 P L C的显著特性是逻辑控制，它能高效地控制模 拟量 。 1 模拟信息的获取和转换 像压力 、温度等模拟量 的输入 和输 出需要在线检 测。例如，温度首先由铂电阻敏感器获取，然后由信 号转换模块 将获取 的电阻值转换成 电压 值 1 ～ 5 V ， 并将其传送 回 P L C 。 2 P L C控制算法 P L C可将模拟变量转换成控制变量，如设计的卷 绕系统中的温度和压力参数 。控制模 式有两种 ，自动 控制和手动控制。在手动控制模式下，由操作者根据 所期望的要求修正输出数据 ；而在 自动控制模式下 ， 输 出数据按预先设计的控制算法进行 修正。值得一提 的是 ，P L C的输 出量总是 以增量的方式出现。虽然可 以使用 自动调节 P I D控制器 ，但对 于生产 的开始 阶段 进行程序初始值设定时，总是采用手动方式，随后再 将系统切换至自动方式。作者认为，使用基于用户经 验的模糊逻辑控制器 F L C 可进 一步改进生产运 行 状况，因而在该薄膜张力控制系统的 P L C控制 中使 用 了 F L C ，以克 服卷绕 系统 的不确定性 。模糊逻辑运 算由 P L C的基本指令实现 。 对于处理带有固定模型和参数的系统来说，传统 的 P I D是足够的，但固定是相对的，事实上 ，系统参 数 是在一定范 围变化的 ，因此 ，控制器必须具有达 到 高的运行性能 的能力 。基于这 个 目的 ，模糊推理被用 于调节 P I D因数 ，P I D因数根据 系统状态数据 和参 数 的变化得 以调节。 3 伺服 电机控制 薄膜的传输速度在起始阶段较低，随后伺服电机 被加速至设定 的转 速 ，使 卷绕 速度 高 达 1 2 ． 8 7 5 k m ／ s 左右。测压元件检测薄膜张力，并控制伺服电机的速 度 ，以使 张力保持恒定 。控制的 目的不仅仅是 为了保 持薄膜张力恒定 ，而且也是为了使 卷绕速度 在最短 的 时问内达到设定值。因此，如何精确地控制伺服电机 是关键问题。 由于在镀膜过程中 ，张力是恒定 的 ，而放膜辊和 收膜辊半径是一直在变化的 ，因此 ，位于收膜 、放膜 系统 的伺服电机的转 矩需根 据不 断变化 的半径而 随时 调节，卷辊的半径值 由三菱 L E - 4 0 M D卷径演算器计 算。 3人机界面设计 P L C控制生产系统具有 自动监测错误的能力，这 些错误在 P L C储存器里以离散的状态信号体现，这 些离散的状态信号显示了生产系统的运行状态。这些 信号由P L C输入输出接口板与 P c机之间的实时连接 直接获取。 P L C控制生产系统设有自保护警报装置，每一个 警报 由一个 P L C信号或几个 P L C信号的组合来显示。 这些警报可避免生产 系统在 出错 的状态下工作 。在下 列情况下会出现警报 1 卷绕室温度太高 ； 2 卷绕室的压力没有达到足够低 的程度 ； 3 出现错误操作 ； 4 薄膜张力 太大等 。 利用三菱 G T设计软件设计了该人机界面，由下 列模块组成 1 卷绕监视模块 实时监控薄膜 张力、卷辊 直径 、卷 绕速度 。一旦薄膜张力超 出范 围，警报灯将 不停地闪烁 ，位于中心控制室的 P c机进行分析并及 时告知操作员产生错误的原因，以便尽快消除错误。 2 真 空监视模 块 监 控卷 绕室 的真 空度 以及 所有 阀的状态 。前面 已提到 ，镀膜过程需要 一定 的真 空条件 ，否则无法正常运行。因此 ，这个模块对于薄 膜 的质量相 当重要 。这 些阀在起 始 阶段为手 动模式 ， 随后就被切换到 自动模式 。 3 卷绕设定模块在起动之前根据材料的不 同设置不 同的技 术参 数 ，并 当状 况 改变 时可 随 时修 改 。 4 故 障信 息模 块 一 旦 产生 错 误 ，警报 灯 就 不断地闪烁 ，同时故障信息被记录下来。这些信息将 被传送到 P c机进行研究，找出产生错误的原因。 5 冷冻 设定 模块 该 模块 用来 设定 卷绕 室 的 温度 ，并进行实时监控 ，以提供合适的温度。 所有这些实时信息都被显示在触摸屏上，如图 3 所示 。 4结 论 介绍 了基于 现场 总线 和 P L C的镀膜 生 产工 艺 的 监控系统，该系统已成功地应用于实际生产，实际运 行证明 ，该 系统具 有很 大 的优 点 ，并 产生 很 好 的效 益 。 参考文献 【 1 】 X i n g J C ， Wa n g P ， C h e n g B Y ， e t a l ， F i e l d b u s B a s e d D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m[ C] ／ ／ 8 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o n t r o l ， Au t o ma t i o n， Ro b o t i c s a n d V i s i o n Ku n mi n g， C h i n a ， De c e mb e r 69， 2 0 0 4 1 6 9 01 6 9 4 ． 【 2 】S h e n g Q， G a o X Z ， Z h u a n g X Y ． P L C b a s e d C o n t r o l S y s - t e m s f o r I n d u s t ri a l P r o d u c t i o n o f F u e l A l c o h o l [ C ] ／ ／ I E E E I CI T0 2， Ba n g k o k， Th a i l a n d， 2 0 02 8 2 7 8 32． 下转第6 4页 6 4 机床与液压 第 3 8卷 l 8 、2 8 一单向节流阀 1 9 一定差减压阀2 O 一两位四通 电磁换向阀2 l 、2 3 、2 6 一截止阀2 2 一蒸汽箱液压缸 2 4 一定差溢流 阀2 5 一 同步马达2 7 一单向溢流阀 图 4 蒸汽箱同步 回路 工作状态 ，其次将两 位 四通 电磁换 向阀 2 0 a 端 断 电， 高压油 由定差减压 阀 1 9 一 电磁 换 向阀 2 0 P口一 电磁 换 向阀 A 口一单 向节流 阀 1 8中的节 流阀一 截止阀 2 1 一液压缸 2 2的有杆腔，液压缸 2 2无杆腔一截止阀2 3 一 同步马达 2 5 一单向溢流阀 2 7中的溢流 阀一单 向节 流阀2 8中的单向阀一两位四通电磁换向阀 2 0 B口一 油箱 3 5 。此 时蒸 汽 箱处 于 无工 作 回程状 态 。反 之 ， 两位 四通 电磁换 向阀 2 0带 电，高压 油 由定差 减压 阀 l 9减压 至 8 MP a 一 电磁 换 向 阀 2 0 P 口一 电磁 换 向 阀 2 0 B口一单向节流阀2 8中的节流阀一单向溢流阀 2 7 中的单 向阀一 同步马达 2 5 一截 止阀 2 3 一液压缸 2 2无 杆腔；液压缸 2 2的有杆腔一截止阀 2 1 一单向节流阀 1 8中的单向阀一 两位 四通 电磁 换 向阀 2 0 A 口一 油箱 3 5 ，蒸汽箱处 于工作状态 。如 r I ’ s和 D S两端不 同步 ， 则回路两侧的定差溢流阀 2 4将开启将多余的流量溢 流至马达 2 5的入 口处重新分 配。 1 ． 5蒸汽箱节流调速回路 。 一 LS 2 P T r、． 8 M P a l 8 、 叫 l 9 ， 、 2 0 一 I ． ． 一 一 ～ A p T B I 图 5 节流调速回路 2 8 一单 向节流 阀 定差减 压阀 两位 四通 电磁换 向 阀 单向溢 流阀 系统采用 了进油节流调速 回路 ，能够获得更低 的 稳定速度 ，低速时不易阻塞。进油节流调速回路如图 5 。 1 ． 6辅 助 回路 系统要求油 液 的温度低 于 5 0 ℃ ，为 了达到 降温 的要求系统设置了自动冷却回路。动作过程同步冷 却油泵 2 9 一截止阀3 0 一精过滤器 3 1 一冷却器 循环 水冷却 3 2 一 油箱 。油箱 内装有 电接 点温 度计 控制 水阀 3 3的开关 。当油 温升 到 4 0～ 5 0 ℃时水 阀 3 3打 开 ；当油温 升到 2 5～ 3 5 ℃ 时水 阀 3 3关闭 ；为防止过 滤器阻塞影 响系统工作 ，选择了带旁通 阀和污染指示 器的过滤器 3 1 。 2泵控系统工作原理 系统采用 了液压先导外部压力加压控制 同步变量 泵 3 4 ，如图 1 ，主泵压力 1 6 MP a ，流量 1 0 0 L ／ m i n ，冷 却泵压力 0 ． 5 M P a ，流量 3 6 L ／ m i n 。主泵 通过 液 压先 导外部压力 加压控制排量的变化实现执行机构的运动 速度的改变。系统具有极好的微动性 ，使液压系统的 冲击大大减少 ，有利 于保 护液 压系统 和各 液压元 件 ， 使液压元件的使用 寿命得到延长 ；辅助泵用 于冷却循 环；大大提高系统的可靠性和作业效率。 3 结 束语 在液压系统设计的过程中，充分考虑了各种影响 因素 ，使系统具有一定的自我调控能力，满足了系统 的工艺要求 。同时该系统运用电控的方式 ，真正实现 了机 、电 、液一体化和连续压榨作业 的智能化 ，根 据 造纸机动作时要求 、快速常态工作时低流量稳压的特 点 ，采用了系统动态变量供油控制，提高了系统的工 作稳定性和使用寿命，并大大降低了能耗，减少了系 统发热 。 参考文献 【 1 】王秋嫦． 水平式夹网造纸机的特点及应用[ J ] ． 造纸科 学与技术 ， 2 0 0 6 ， 2 5 6 9 4 9 6 ． 【 2 】王明霞， 华品蓝． 3 7 0 0造纸机液压系统及计算机闭环控 制的应用[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 4 2 1 5一l 7 ． 上接第 8 7页 【 3 】H u W， S c h r o e d e r M， S t a r r A G ． A K n o w l e d g e B a s e d R e a l Ti me Di a g n o s t i c S y s t e m f o r P L C C o n t r o l l e d Ma n u f a c t u r i n g S y s t e ms [ C] ／ ／ I E E E S MC 9 9 C o n f e r e n c e P r o c e e d i n g ， 1 9 9 4 4 995 0 4． 【 4 】M a ri a G ． I o a n n i d e s ． D e s i g n a n d I m p l e m e n t a t i o n o f P L C B a s e d M o n i t o ri n g C o n t r o l S y s t e m f o r I n d u c t i o n M o t o r [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s O n E n e r g y C o n v e r s i o n ， 2 0 0 4 ， 1 9 3 4 6 94 7 6 ． 【 5 】 J i a Y M， s u F H， L i u J ． A n O n l i n e I n s u l a t i o n M o n i t o ri n g S y s t e m B a s e d O n F i e l d b u s [ c ] ／ ／P r o c e e d i n g s o f t h e S y m p o s i u m o n E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c I n s u l a t i n g Ma t e r i als a n d Ap p l i c a t i o n s i n S y s t e ms ， J a p a n， 2 0 0 1 7 6 97 7 2 ．