基于PLC的热敏气象探空气球生产线自动化控制系统的设计.doc

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1、摘 要本文以热敏化法新型工艺为基础，结合橡胶研究院提出的生产要求，利用成熟的可编程控制技术，对热敏探空气球生产过程的自动化控制进行研究，开发出一套具备手动/自动操作、高性能、高可靠性的热敏气球生产线自动控制系统。该系统的硬件主要由PLC、工控机、触摸屏、球膜、温度控制仪、变频器、制球车、温度/水位传感器等组成。本文主要研究内容有以下几个方面：(1)研究了热敏气球生产线自动控制系统的总体设计。根据热敏化法生产探空气球的新型工艺要求，研究出热敏气球生产线自动控制系统的设备构成和工艺流程。通过对生产线自动控制要求的分析，确定PLC控制方案为热敏气球生产线自动控制系统的实施方案，分析了该自动控制系统的

2、控制原理，并给出了该自动控制系统的主要功能和器件选型。(2)研究了热敏气球生产线自动控制系统的变频调速技术。设计了制球车运动和球膜旋转的变频调速系统，利用USS通信协议实现了PLC与变频器的实时数据通信，实现了制球车运动速度和球膜旋转速度的平滑调节。(3)运用经验法进行了整个控制系统的PLC程序结构设计，并用梯形图编写了整个控制系统的程序。设计了制球车在各个工位的定点识别技术；设计了A/B加热罐对球膜进行喷淋加热的无缝切换控制程序算法；对自动控制系统的抗干扰能力的措施和故障诊断的规律也进行了研究。(4)详细介绍了工业组态软件组态王并运用组态王软件开发了上位机监控程序。利用串行通信，实现了与PL

3、C的实时通信。通过上位机程序的开发，实现了生产线各个设备的运行状况显示、加胶时间/加热时间设置、水位温度显示等功能。另外还实现了制球车动态运行情况的模拟。关键词：可编程控制器；组态软件；变频器；USS通信协议；触摸屏ABSTRACTIn this paper studying sounding balloons thermal production process automation control based on new type heat sensitizing method, with the requirements of the Rubber Research Institute

4、 of production, using sophisticated programmable control technology,Have developed a automatic control system of the production line of heat sensitizing sounding balloon with manual / automatic operation, high performance, high reliability. The system hardware mainly by the PLC, IPC, touch screen, t

5、he ball membrane, temperature control device, frequency converter, temperature / water level sensor components.This paper studies in the following areas:(1) studied the overall design of the thermal balloon production line control system. According to the thermal production of a new type of sounding

6、 balloons requirements developed thermal balloon automatic control system for production line composition and process equipment. Through the production line automation of the analysis to determine PLC control programme for the production line balloon thermal control system implementation plan, the a

7、utomatic control system of the control theory, and given that the main function of automatic control system and device selection .(2) studied the inverter technology of the thermal balloon production line control system. Design a system to the ball movement and ball rotation, PLC and inverter achiev

8、ed real-time data communications used USS communication protocols, the system has the ball speed and ball movement to film a smooth rotation speed regulation.(3)designed the whole PLC programme by using the experience method.Designed the technology of all the car-bit fixed-point identification, desi

9、gn the A / B-heating cans of spray heating membrane to the seamless handover of control procedures algorithm of the automatic control system and anti-jamming capability measures of fault diagnosis also studied.(4) details of the industrial configuration software Kingview and use of the software deve

10、lopment Kingview PC monitoring program. Use serial communication with the PLC to achieve the real-time communication. PC through the development of procedures to achieve the production line operation of various equipment, and plastic Time / heating time settings, such as water temperature display fu

11、nction. It also has system-car operation of the dynamic simulation.Key words: programmable controller; configuration software; inverter; USS communication protocol; Touch Screen目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论1.1 本课题提出的背景、目的和意义11.2 国内外气象探空气球制作的发展及现状11.3 本课题研究的主要内容21.4 PLC控制技术概述21.4.1 PLC系统的基本结构21.4.2 PLC的特点

12、、应用领域和发展趋势31.5 组态软件系统简介41.5.1 组态软件概述41.5.2 组态软件的整体结构5第二章 热敏气球生产线自动控制系统总体设计2.1 热敏气球成型原理72.2 热敏气球生产线的设备构成和工艺流程72.2.1 热敏气球生产线的设备构成72.2.2 热敏气球生产线的工艺流程92.3 热敏气球生产线的控制要求92.4 自动控制系统的方案确定和原理分析112.4.1 系统控制方案确定112.4.2 控制系统硬件组成122.4.3 系统控制原理分析132.5 自动控制系统的主要功能和主要器件选型132.5.1 系统的主要功能132.5.2 系统的主要器件选型142.6 本章小结15

13、第三章 热敏气球生产线PLC控制程序设计3.1 SIEMENS S7-200 系列PLC特性163.1.1 S7-200系列PLC介绍163.1.2 S7-200主要功能模块介绍163.1.3 SIEMENS S7-200 PLC的工作原理173.1.4 本系统PLC程序的设计方法183.1.5 本系统PLC程序的设计语言193.2 热敏气球生产线变频调速系统程序设计203.2.1 变频控制的基本原理203.2.2 变频调速系统总体设计213.2.3 USS通信协议及其在PLC与变频器通信中的应用223.3 制球车行走控制程序设计273.3.1 制球车行走控制程序设计思想273.3.2 制球车

14、行走控制程序设计273.4 加热系统控制程序设计293.4.1 温度控制仪表PID参数设置293.4.2 加热系统控制程序设计思想293.4.3 加热系统控制程序设计303.5 其它部分工位控制程序设计323.5.1 做柄工位323.5.2 换轨车343.5.3 冷却工位353.5.4 加混水工位363.6 系统的抗干扰设计和故障诊断363.6.1 系统的抗干扰设计363.6.2 系统故障诊断373.7 本章小结39第四章 热敏气球生产线自动控制系统上位机的设计4.1 组态王软件介绍404.1.1 组态王软件的组成404.1.2 组态王软件的开发系统414.1.3 组态王的变量定义和管理414

15、.1.4 I/O 设备管理434.2 上位机与SIEMENS CUP226的通信434.3 上位机与温度控制仪表的通信474.4 监控界面的设计484.5 容错性设计514.6 本章小结52第五章 总结与展望5.1 全文总结535.2 今后工作设想和展望53参考文献55致 谢57附录A 攻读硕士学位期间所发表的论文58附录B 热敏气球生产线自动控制系统现场图59第一章 绪 论1.1 本课题提出的背景、目的和意义某橡胶设计院研究成功的热敏化法工艺，是当今最为先进的探空气球生产工艺，成功填补了我国在该行业的技术空白，具有良好的推广应用前景。该工艺的应用，可以提高26000米以下用探空气球的可靠性，

16、使升空高度有效率由原有的70%提高到80%以上，从而提高气象保障条件的可靠性。同时，能满足2600030000米高空探空气球的需要，解决我国气象系统探测这一区间气象要素的难题，完善高空气象要素资料，提供更加可靠的气象条件保障。目前，该试制产品达到了日本热敏化探空气球的技术水平，但还不具备提供批量产品的条件。本课题的研究成功，可建成自动化程度高、质量控制先进的热敏探空气球生产线，形成年产热敏化新型探空气球8万个的生产能力，增加新的品种，实现产品的升级换代，填补我国热敏化新型探空气球生产的空白。该项目改造完成后，预计可新增销售收入1000万元，产值利润率约为20%。1.2 国内外气象探空气球制作的

17、发展及现状气象探空气球是人类研究平流层的重要工具，在气象学发展和天气预报工作中起到了重要作用。今天，虽然更先进的工具（探空火箭、气象雷达、气象卫星等）广泛应用，但探空气球仍是气象研究中不可缺少的工具。我国气象探空气球的生产一直沿用原苏联二十世纪五十年代的浸渍法生产工艺及装备，工艺水平落后、设备陈旧老化，且以手工操作为主，难以保证产品质量的稳定可靠。受工艺条件限制，浸渍法探空气球存在球皮厚薄不均，厚度差最高达0.5mm；经、纬向强度差异较大，因而造成气球的平均升空高度较低且升空性能不稳定。同时，浸渍法工艺以陶土作凝固剂，气球成型脱膜后需将凝固剂清洗干净，排放的废水对水资源造成污染；在生产和保存过

18、程中是以滑石粉作隔离剂，在生产和施放过程中粉尘飞扬，对操作人员的身体健康造成危害，对生产和施放环境造成严重污染，对高空台站的精密仪器造成损害。热敏化法工艺，是当今最为先进的探空气球生产工艺，采用该工艺生产的探空气球球皮厚薄均匀，正圆度和同心度都比较好，没有明显的取向性，升空高度较高且升空性能稳定。目前国内还没有一条基于热敏化法工艺生产气象探空气球的自动化生产线，资料及其缺乏。国外也只有日本具有批量生产热敏气象探空气球的能力。1.3 本课题研究的主要内容本课题研究的主要工作是根据热敏化法新型工艺的要求，研究整个生产线的设备构成及工作流程，以PLC为下位机，研究PLC控制系统的硬件构成和控制技术，

19、编写PLC控制程序，实现生产线全套设备的监控。用组态王软件开发一套界面友好、功能强大、操作方便、运行可靠方便快捷的上位机智能化人机交互上位机系统。最终研制出一套具备手动/自动控制、监控参数实时显示、高性能、高可靠性的智能化热敏气象探空气球生产线的自动控制系统，实现热敏气球整个生产过程的自动化，达到批量生产热敏气球的目的。具体上，本课题可分为一下几个方面的研究内容:1. 研究整个热敏气球生产线自动控制系统的主要设备构成、系统控制要求分析、系统控制方案确立、系统的硬件组成以及该系统运用的控制原理。2. 研究PLC程序设计方法，编制 PLC程序。研究USS通讯协议在PLC与变频器通讯种的应用。3.

20、研究使用组态王软件编写上位机程序，实现自动控制系统的人机交互。研究了组态王软件与PLC和岛电温控仪SR91的通信问题。1.4 PLC控制技术概述PLC（可编程控制器）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，随着技术的发展，现代可编程控制器的功能已经超过了逻辑控制的范围。现代 PLC 不仅能够完全胜任对大量开关量信号的逻辑控制功能，还具有了很强的数学运算、数据处理、运动控制、PID 控制等模拟量信号处理能力。同时 PLC 的联网通信能力大大增强，可以构成功能完善的分布式控制系统，

21、实现工厂自动化管理1。1.4.1 PLC系统的基本结构PLC 是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，它按照用户程序存储器中预先编制的控制程序，通过输入接口采集现场信息，执行逻辑或数值运算，进而通过输出接口控制各种执行机构动作1。PLC 系统主要由中央处理单元（CPU 模块）、信号输入/输出模块、电源和编程器等部分组成，如图 1-1 所示。1.4.2 PLC的特点、应用领域和发展趋势1PLC 的特点1作为一种新型的工业自动控制装置，PLC 具有以下特点：l 高可靠性和强抗干扰能力；l 丰富的 I/O 接口模块；l 绝大多数 PLC 模块化结构,灵活性好；l 编程简单易学；l 系统安装简单，

22、维修方便。2PLC 的主要应用领域由于 PLC 自身的特点和优势，在工业控制中 PLC 已得到了广泛的应用，包括机械、冶金、化工、电力、运输、建筑等众多领域，应用范围也在不断扩大。PLC 主要应用领域包括以下几个方面:(1)逻辑控制逻辑控制是 PLC 最基本的应用，它可以取代传统的继电器控制装置，如机床电气控制、各种电机控制等，可实现组合逻辑控制、定时控制和顺序逻辑控制等功能。(2)运动控制PLC 使用专用的运动控制模块，可对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，实现单轴、双轴和多轴位置控制，并使运动控制和顺序控制功能有机结合在一起。(3)闭环过程控制过程控制是对温度、压力、流量等连

23、续变化的模拟量的闭环控制。PLC 通过其模拟量 I/O 模块，及数据处理和数据运算等功能，实现对模拟量的闭环控制。(4)数据处理现代 PLC 具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可以完成数据的采集、分析和处理等操作。这些数据可以与存储在存储器中的参考值进行比较，也可以用通信功能传送到其他智能装置，或将它们打印制表。(5)通信联网PLC 的通信包括主机与远程 I/O 之间的通信、多台 PLC 之间的通信、PLC与其他智能设备（如计算机、变频器、数控装置等）之间的通信。PLC 与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”式的分布式控制系统。当然，一些小型 PLC 只具有上述的

24、部分功能，但价格较低，而大型 PLC2具备的功能较为完善。3PLC 的发展趋势经过几十年的迅速发展，PLC 的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛，其足迹已遍及国民经济的各个领域，形成了能够满足各种需要的 PLC 应用系统。随着市场需求的不断提高，PLC 的发展体现以下趋势：l 向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展；l 过程控制功能不断增强；l 大力开发智能型 I/O 模块；l 与个人计算机日益紧密结合；l 编程语言趋向标准化；1.5 组态软件系统简介1.5.1 组态软件概述组态软件14是面向监控与数据采集(Supervisory Control and Data Acquisitio

25、n，SCADA)的软件平台工具，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境中，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预先设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI(人机接口软件，Human Machine interface)的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环

26、境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写应用。开发时间长、效率低、可靠性差或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互、升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、数据监控与采集、通讯及联网、开放数据接口、对设备的广泛支持己经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。1.5.2 组态软件的整体结构组态软件功能非常强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，组态软件结构如

27、图1-2所示。图1-2 组态软件整体结构图一般的组态软件从结构上可以分为系统图形界面、系统设备接口(通信接口)和实时数据库三个部分。1. 组态软件系统的图形界面组态软件图形界面是一个进行图形系统生成工作所依赖的开发环境，是工业控制人员与工业现场之间的一座桥梁。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统。生成的图形目标应用系统可在图形运行环境中运行。图形界面是组态软件系统的重要组成部分。构成现场各过程图形的画面被划分成三类简单的对象：线、其它各形状和文本。每个简单的对象均有影响其外观的属性。对象的基本属性包括位置、大小、取向、高度、宽度等。这些属性可以是静态的，也可以是动态的。静态属

28、性在系统投入运行后保持不变，与原来组态时一致。而动态属性则与表达式的值有关。表达式可以使来自设备的变量，也可以是由变量和运算符组成的数学表达式。这种对象的动态属性随表达式值的变化而实时改变。例如，用一个梯形填充体模拟现场的水位，在组态这个梯形的填充属性时，指定代表水位的水位号名称、水位的上限、以及对应填充高度，就完成了水位的图形组态。这个组态过程通常叫做动画连接。在图形界面上还具备报警通知及确认、报表组态及打印、历史数据查询与显示等功能。各种报警、报表、趋势图都是动画连接的对象，其数据源都可以通过组态来指定。这样，每个画面的内容就可以根据实际情况由工程技术人员灵活设计，每幅画面中的对象数量均不

29、受限制。2. 组态软件的设备通信设备接口(通信接口)，是系统用来接收现场的采集数据，形成动态画面，反映工业现场的各种状态，并能够对现场设备进行控制的通信模块。在开发组态软件的过程中，组态软件的通信是一个非常重要的模块，使用组态软件设计出显示画面以后，要接收现场的采集数据，形成动态画面，反映工业现场的各种状态，并能够对现场设备进行控制，这些都依赖于组态软件的通信模块。现场的测控设备大多都采用标准的通信接口，而串行接口是测控设备所采用的最常见的一种通信接口。3. 组态软件系统中的实时数据库早期的组态软件都比较简单，只在图形界面开发环境中增加了简单的数据管理功能，因而不具备完整的实时数据库系统。随着

30、组态软件在工业控制领域的广泛使用，现场的情况也越来越复杂，系统需要一个完整的数据库来支持各种数据的处理。对于目前比较流行的组态软件系统，实时数据库位于设备接口和图形界面的中间层，是组态软件中数据的管理者。实时数据库主要完成组态策略的存储、通信数据的管理、实时数据的处理和计算、历史数据的查询等任务。组态软件在运行的过程中需要频繁地读取、处理和保存数据，因此，实时数据库的性能将直接决定组态软件系统的可用性。PC的处理能力逐渐强大，因此，实时数据库更加充分地表现了组态软件的优点。实时数据库可以存储每个工业现场多年的数据，用户既可以了解当前的情况，也可以根据历史数据来分析各种常见的问题。历史数据是非常

31、有价值的，实时数据库也具备数据档案管理功能。实践告诉我们，现在很难知道将来进行分析时哪些数据是必要的，因此，保存所有数据是时防止信息丢失的最好方法。第二章 热敏气球生产线自动控制系统总体设计本章在分析热敏气球的成型原理的基础上，对热敏气象探空气球生产线自动控制系统进行了总体的设计。2.1 热敏气球成型原理Z图2-1.热敏气球成型原理XYA热敏气球在特制球膜中成型，如图2-1所示，加在球模中的液态热敏橡胶A置于球模的底部。当球模绕X轴慢速旋转时，液态热敏橡胶与球模内壁的粘着力小于重力的作用，A仍然停留在底部。这样球模绕X轴旋转一周，液态橡胶将完全涂抹在圆周上。球模绕Y轴旋转一个角度后，球模仍绕X

32、轴旋转，液态橡胶将涂抹另一个圆周。让球模以一定的转速比同时绕X、Y轴运动，液态橡胶将逐步涂抹满球模内壁。对球模加热，涂抹在球模内壁上的热敏橡胶逐渐固化，形成球囊。而后对球膜冷却、加混水等工序，使球囊脱离球膜，最终成型。除液态热敏橡胶的配方等因素外，在设备方面影响球囊质量的主要因素是：绕X、Y轴旋转的转速和转速比，旋转的平稳性，球模加热的时间与温度关系曲线，球模加热的均匀性，球模内壁几何精度及表面质量球模内壁的清洁度，液态橡胶中不能含气泡、已固化橡胶等等。本系统的设计将在机械结构、传动、电气控制、加热与冷却控制、球模清洁等方面保证球囊质量。2.2 热敏气球生产线的设备构成和工艺流程2.2.1 热

33、敏气球生产线的设备构成根据热敏气球成型原理，本生产线的主要设备或系统构成有制球机、制球车、循环轨道、加热系统、冷却系统、换轨车和空气压缩机等等。另外还有温度传感器、液位传感器、气阀、水阀、蒸汽阀和行程开关等等一些辅助设备。热敏气球生产线总体组成框图见图2-2。图中各部分承担的功能为：(1)制球机：热敏气球成型主要部件，给球模提供二维同心旋转(公转和自转)，完成气球成型。(2)制球车：在其上安装了两台制球机，通过行走电机的驱动，使得制球机能在生产线上运动到各工位。在上面安装有操作按钮和制球车行走按钮以利于操作控制。(3)球模清洗及干燥机构：在加胶前用恒温冷水清洗球模，使球模温度达到工艺要求。并用

34、强力吹风机吹去球模表面水珠。(4)加热系统：通过蒸气给水加热，为加热室提供温度稳定的充足热媒。(5)加热室：分为两个加热室，以75的水为热媒通过喷淋方式给制球机加热。具有良好的透明式水蒸气密封性能，防止水蒸气对工作现场的污染，同时便于观察内部状况。(6)水蒸气排放系统：排出加热室的水蒸气，使其具有良好的能见度，人能够观察加热室内制球机的工作状况。(7)冷却系统：为冷却室提供环境温度的循环水源。(8)冷却室：以环境温度的水为冷媒通过喷淋方式将制球机降温到环境温度。(9)循环轨道：离地面约2米，将多台制球车安装在上面，为它们转移到各工位提供平稳运行轨道。(10)恒温系统：通过控制调节冷媒的供给量，

35、为加胶机、清洗机构等提供恒温环境。冷媒通过制冷机组将水冷却而得到。(11)电气控制柜：提供手动操作平台，同时安装PLC、空气开关等各种电气设备。(12)电力传输系统：为生产线各个设备提供电力供应以及为PLC和各个设备之间的联系提供输入输出线路。(13)变频器：为制球车和制球机的变速、平稳运行提供动力源。(14)PLC控制器：承担整条生产线的运行控制。(15)工控机：生产线中央控制计算机，承担PLC的远动控制，运行参数修改，自动运行、集中控制操作等。(16)组态王：生产线中央控制软件，提供友好的人机界面。2.2.2 热敏气球生产线的工艺流程热敏气球生产线加工工艺流程如图2-3所示：装柄芯加胶合膜

36、/固膜制球柄预转加热冷却加混水膜具外表吹干开膜/出膜膜具内部清洗吹干图2-3 热敏气球生产线加工工艺流程2.3 热敏气球生产线的控制要求热敏气球生产线中包括4台制球车，每台车上装有两个制球机，车子在循环轨道上进行流水线式作业。生产线所分工位以及各工位的控制要求如下：1. 加胶工位。球膜经过清洗和干燥后在这里执行安装柄芯和加胶操作。制球车到达工位时，球柄朝下，由人工安装柄芯。柄芯安装完开始加胶，由于热敏胶与非本体接触后容易产生凝固薄膜，故本过程要求胶的流动快速、连续、尽量不与空气接触，此过程由加胶机或人工完成。人工将加胶机的柔性导管放到下球模的内壁，按下加胶开关，加胶至规定容量时自动停止。移开柔

37、性导管，将上球模与下球模对准合模，用安装在固定下球模机构上的快速装置紧固上球模，由机械结构和球模加工质量保证两半球模的同心。按下小车启动按钮，制球车慢速、平稳运动到下一做柄工位。2. 做柄工位。设计一小型加热装置，为做柄提供热媒，热水温度通过岛电SR91温控仪控制。联结好加热管，启动做柄电磁阀，对柄模通热水，开始做柄计时，做柄时不容许模体受到冲击和振动。继续对柄模通热水，直到计时时间到(做柄计时时间可由上位机设置)，自动停止，发出告警信号。人工卸掉加热管，启动小车，球膜同时预转，转速可调。3. 加热工位。由加热系统提供热媒，当制球车进入加热室时自动打开热水阀门，通过热水加热球模。由于加热时间较

38、长，可把加热室分为两部分，1#加热室加热时间设为4分钟，2#加热室加热时间可调。加热室上方安装水蒸气排放系统，生产过程中可一直使用。加热采用的水介质，由A/B两个加热罐提供，加热罐中水由蒸汽加热，其液位和水温必须受到严格监控。同时两加热罐出水必须做到无缝连接。加热室下方设有热水池，当水满时应立即启动回收泵，使热水循环返回加热罐。加热室两边装有门帘，可自动控制，防止水蒸气外泄以及水珠溅到室外。加热完毕后，制球车自动启动，球膜不停止旋转。图2-4 A、B两处换轨情况示意图4. 1#换轨车。换轨车由汽缸推动，将制球车从轨道A换向轨道B，实现生产线的循环运行。如图2-4所示：5. 冷却工位。当制球车进

39、入冷却室时，自动打开冷水阀门，使球模快速冷却，冷却时间可以设定。冷水池和冷水罐中冷水循环使用。6. 加混水工位。制球车从冷却室出来后，球膜停止旋转，球柄朝上。通过加混水装置，人工加入混水。加完混水之后，球膜必须旋转一周，以便脱模。7. 脱模工位。球柄朝上成60度角，将球膜外表吹干，打开球膜，球囊自由脱落到接球装置。合上球膜，启动制球车，球膜旋转使球柄朝下。8. 清洗工位。用恒温冷水在人工干预下由高压水枪洗模，然后使用高压气枪吹干球膜上的水珠。合上球膜，启动制球车。9. 2#换轨车。同1#换轨车，将制球车从A轨换向B轨，进入加胶工位。整条生产线采用流水线式作业，各个工位所要实现的功能必须通过一个

40、主控单元协调控制。2.4 自动控制系统的方案确定和原理分析2.4.1 系统控制方案确定集散控制系统3（DCS:Total Distributed Control System）是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。自20世纪70年代中期首次推出后，就一直占主导地位的控制系统框架。它的主要特征是集中管理和分散控制相结合，与模拟电动仪表比较，具有连接方便、数据存储量大等优点；与计算机集中控制系统比较，它具有操作监督方便、危险分散、功能分散等优点。因此，一般用在石化、电力等大型工业过程控制的DCS不适合该热敏气球生产线的自动控制。近年来，随着控制技术、计算机技术和宽带网络技术的快速发展，测控技术、

41、计算机控制和通信领域的结合应用已经成为主要发展趋势。目前工业自动化正朝着现场总线控制系统方向发展。现场总线控制系统3（FCS:FieldbusControl System）的基础是现场总线，采用一套标准的通信协议，把测控设备和控制系统完美结合在一起，从而使设备之间的互操作性变的方便、快捷。PLC控制系统既可以控制一台或几台设备的生产线，又可以联网组成工业自动化控制网络，控制管理整个企业的设备运行。随着通信技术和网络技术的发展，PLC的通信和联网能力不断加强。很多PLC支持大多数厂商支持通用的通信协议和通信标准，如现场总线。为了尽量减少用户在通信编程方面的负担，PLC的通信功能日趋完善，使设备之

42、间的通信能够自动周期性地进行，不需要用户为通信编程，用户只需在组成系统时作一些硬件或软件的初始化设置。该热敏气球生产线的控制规模为中小型规模，主要是为了实现流水线作业，制球车到达每个工位执行相应的动作。利用中小型PLC就可以实现可靠、稳定的自动控制系统。整个控制系统的造价低廉，功能强大，实现起来也比较容易。利用PLC可以对生产线大量开关量进行控制，利用通用的通信协议和通信标准对变频器等设备进行通信控制。因此，本课题选用PLC控制方案对该生产线进行自动控制。2.4.2 控制系统硬件组成热敏气球生产线自动控制系统由SIMATIC CPU226(PLC)、工控机、触摸屏、SIMATIC MM420(

43、变频器)、电动机、温度控制仪表、温度传感器、液位传感器、水阀、蒸汽阀、气阀、水泵、球膜定位传感器、手动按钮和行程开关等等组成。热敏气球生产线自动控制系统主要设备结构图如图2-4所示。主控单元制球车行走变频器车号识别行程开关工位识别行程开关液位传感器温度控制仪温度传感器球膜定位传感器制球车启动按钮制球机旋转变频器A/B加热罐进水阀A/B加热罐出水阀A/B罐加热蒸汽阀冷/热水池回收泵换轨车气阀制球车行走电机制球机旋转电机工控机/触摸屏图2-4 热敏气球生产线自动控制系统主要设备结构图做柄开始按钮做柄热水阀电气控制柜手动按钮按钮 系统中PLC(SIMATIC CPU226)做主控单元，对生产线所有设

44、备的运行情况进行控制。液位传感器、行程开关、操作按钮、球膜定位传感器等反馈信号到PLC，PLC做出相应的判断。A/B加热罐水温直接由温度控制仪控制，温控仪反馈信号给PLC。电气控制柜可做手动/自动切换并有手动操作按钮，可实现与自动控制一样的功能。SIMATIC CPU226是整个控制系统的神经中枢，PLC的控制程序就存储在其存储器中。上位机由工控机和触摸屏组成，用工业组态软件组态王开发人机界面。通过人机界面，工作人员可以输入工艺参数、显示设备运行状态和手动控制球膜旋转等功能。SIMATIC CPU226根据工作人员的输入数据、控制命令依照内部程序的顺序执行，操控系统的运行，完成热敏气球生产的任

45、务。2.4.3 系统控制原理分析如果一个控制系统可以分解成几个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行，这样的控制系统称为顺序控制系统，也称为步进控制系统。其控制总是一步一步按顺序进行。在工业控制领域中，顺序控制系统的应用很广，尤其在机械行业，几乎无例外地利用顺序控制来实现加工的自动循环4。在热敏气球生产线自动控制系统中，每个工位的控制是相对独立的，但是必须按照一定的先后顺序才能完成热敏气球的最终成型，如做柄工位的控制必须在加胶工位控制完成之后方可进行。而每个工位的控制也是按照顺序执行的，如加热室工位热水喷淋必须在制球车到达后才能进行。因此本控制系统属

46、于顺序控制系统。2.5 自动控制系统的主要功能和主要器件选型系统在进行电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求，并且与系统的机械运动部件相配合，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性和实用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于操作的热敏气球生产线自动控制系统。2.5.1 系统的主要功能热敏气球生产线自动控制系统的功能主要有：1. 运行方式为手动和自动，可在电气控制柜上自由选择。设备启动前，先打到手动方式，在上位机输入工艺参数如做柄时间、加热时间、冷却时间、球膜转速等；检查制球车是否处在工位上，如果不是，手动将制球车开到相应工位。切换到自动方式，生产线按照系统的控制程序运行

47、。在手动方式下，可在电气控制柜上进行手动操作，可以控制制球车的前进后退、热水喷淋、冷水喷淋、换轨车的前进后退、开启冷/热水池的回收泵等；通过上位机可操作球膜的旋转。另外，手动方式下也可以进行系统调试或紧急情况的处理。2. 热敏气球生产线各个设备的运行情况，如制球车到达某个工位、各种阀门的启停、液位报警、温度等都可以在上位机实时显示。上位机还可以实时模拟制球车和加热室的运行状况，通过动画显示出来。3. 上位机可设置工艺参数，用户操作权限。2.5.2 系统的主要器件选型热敏气球生产线电气系统主要器件包括 PLC、工控机/触摸屏、变频器、异步电动机、温度控制仪、电磁阀、水泵以及按钮等等。它们都是在保证功能的前提下，尽可能选择可靠性高、使用方便、价格合理的产品。各个器件的选型情况具体如下：1. PLC选型1近二十年来，可编程控制器的生产厂家在美、日、德等发达工业国家中迅速增加，PLC 的种类更为繁多。国外 PLC 的主要厂家及其主要产品列举如下：l 美国通用电气公司（GE 公司）：SERIES、GE 等系列。l 美国 A-B：1746/1747/1756/1757/1761/1764/1769/1770/1771 等。l 德国西门子公司（SIMENS）：