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当转盘电机接收到六个待加工材料后,停止送料;
当非金属存储工位满后停止送料。
1.2控制要求
1)、主要硬件上采用西门子S7-300型PLC,其CPU为314-2DP和ET200M分布式I/O模块;
2)、要求用PROFIBUS现场总线实现对整个流水线的控制;
3)、完成系统的PROFIBUS总线外部硬件连接和个从站的设置
4)、完成系统的程序设计,达到整个流水线的工艺过程要求的设计目标。
2现场总线控制网络系统
2.1工业控制系统的发展
本世纪六十年代,数字计算机进入控制领域,产生了第一代控制系统CCS(计算机集中控制系统)。
在CCS中,数字计算机取代了传统的模拟仪表,从而能够使用更为先进的控制技术,但由于控制简单,直接面向控制对象,并未形成控制网络体系。
CCS在集中控制的同时也集中了危险,系统可靠性很低。
由于只有一个CPU工作,实时性差。
系统越大,上述缺点越突出。
真正意义的工业控制网络体系是七十年代出现的第二代计算机控制系统——分散型控制系统DCS(也称集散控制系统)。
这种控制系统的特点是“集中管理,分散控制”。
其基本控制功能在过程控制级中,工作站级的主要作用是监督管理。
分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到很低的程度,加之各种软硬件技术不断走向成熟,极大地提高了整个系统的可靠性,因而迅速成为工业自动控制系统的主流。
为了克服DCS系统的技术瓶颈,进一步满足现场的需要,现场总线技术应运而生,它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络,也被称为现场底层设备控制网络(INFRANET)。
和Internet、Intranet等类型的信息网络不同,现场总线直接面向生产过程,因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。
现场总线在发展的最初,各个公司都提出自己的现场总线协议。
IEC组织于1999年12月31日投票,确定了8大总线作为国际现场总线标准,其中包括CANBus、ProfitBus、InterBusS、ModBus、FOUNDATIONFieldbus等等。
2.2现场总线的国际标准
现场总线起源于欧洲,也被称为现场底层设备控制网络。
1984年IEC就开始着手制定现场总线的国际标准。
现场总线是现场仪表或设备与控制室的控制系统之间的一种开放的、全数字化、双向通信和多站的通信系统。
现场总线国际电工委员会IEC(InternationalElectricalCommittee)标准和现场总线基金会FF(FieldbusFundation)的定义为:
现场总线(Fieldbus)是应用于现场控制的、连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多节点的底层通信网络。
美国仪表协会ISASP50(InstrumentSocietyofAmericaStandardandPractice)对现场总线的定义是:
现场总线是一种串行的数字数据通信链路,它沟通了过程控制领域的现场即基本设备之间以及与更高层次的自动化设备(车间级设备)之间的联系。
从现场总的定义中,我们可以看出现场总线的基本特征是开放式、数字化、集成化、分布式、多节点通信,是一种先进的工业控制技术和数字通信协议。
2.3现场总线的优点
现场总线的优点很多,他的出现可以说在自动化领域内,是继DCS以后的又一里程碑,可是他的应用却没有像DCS那样得到迅速而全面的推广。
基于现场总线的控制系统FCS的技术与标准是公开的;
而DCS
制造厂商的技术与标准却是各有各的专利,是封闭的。
不同厂商DCS之间的通信需要网关。
DCS的主机虽然是数字的,但现场仪表则还是利用了模拟技术,目前国际标准的信号制为直流4-20mA。
因此,DCS是一个数模混合的系统;
而FCS则是一个全数字化的系统,现场仪表与主机之间用不到模/数(A/D)和数/模(D/A)的转换,从而减少了I/O卡件,缩小了I/O柜的体积,并可提高精度,缩短响应时间。
在DCS内变送器向主机发送信号,只能是单向的,而主机下达给执行器的控制信号也只能是单向的,因此变送器与执行器虽然属于同一控制回路,彼此之间不能直接通信;
而在FCS内,主机与变送器、执行器之间或变送器与执行器之间均可直接进行双向通信。
在FCS中,一条现场总线(一根双绞线)可以连接多台现场仪表,然后只要用一根电缆通向主机;
而DCS中主机与每台现场仪表中能只用一根2芯或4芯电缆一对一地连接,因此用电缆的根数要多得多。
FCS中不同厂商所生产的主机或现场仪表之间都可以相互通信或操作,而在DCS中则往往需要接口和驱动软件来实现。
FCS有丰富的功能模块,而且可以将模块植入到现场仪表,如将PID等模块植入到现场仪表后,即可在现场实现自主调节(当然还受到主机的监控),从而提高系统的可靠性。
2.4PROFIBU现场总线的构成
PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。
广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。
PROFIBUS由三个兼容部分组成,即PROFIBUS-DP(DecentralizedPeriphery)、PROFIBUS-PA(ProcessAutomation)、PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification),如图1.1所示。
图1.1PROFIBUS的组成部分
PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。
可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络,从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
PROFIBUS-DP允许构成单主站或多主站系统。
在同一总线上最多可连接126个站点。
系统配置的描述包括:
站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。
每个PROFIBUS-DP系统可包括以下三种不同类型设备:
一级DP主站(DPM1):
一级DP主站是中央控制器,它在预定的信息周期内与散的站(如DP从站)交换信息。
典型的DPM1如PLC或PC。
二级DP主站(DPM2):
二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板,在DP系统组态操作时使用,完成系统操作和监视目的。
DP从站:
DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备(I/O设备、驱动器、HMI、阀门等)。
单主站系统:
在总线系统的运行阶段,只有一个活动主站。
多主站系统:
总线上连有多个主站。
这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。
每个子系统包括一个DPM1、指定的若干从站及可能的DPM2设备。
任何一个主站均可读取DP从站的输入/输出映象,但只有一个DP主站允许对DP从站写入数据。
PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信,用于设备级控制系统与分布式I/O的通信。
使用PROFIBUS-DP可取代办24VDC或4-20mA信号传输。
传输技术:
RS-485双绞线、双线电缆或光缆。
波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s总线存取,总线上最多站点(主从设备)数为126。
通信:
点对点(用户数据传送)或广播(控制指令)。
循环主从用户数据传送和非循环主主数据传送。
运行模式:
运行、清除、停止。
同步:
控制指令允许输入和输出同步。
同步模式:
输出同步;
锁定模式:
输入同步。
速率:
在一个有着32个站点的分布系统中,PROFIBUS-DP对所有站点传送512bit/s输入和512bit/s输出,在12Mbit/s时只需1毫秒。
3可编程控制器的原理
3.1可编程序控制器的工作原理
可编程序控制器作为一种专用的工业控制计算机,采用了周期性循环扫描的工作方式,以满足生产过程实时控制的需要。
从输入到输出的整个执行时间称为扫描周期,每一个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。
输入采样:
在程序执行前把PLC全部输入端子的通断状态读入输入映像寄存器,当程序执行时,输入映像寄存器的内容不会因为输入端状态的变化而发生改变,经过一个周期进入下一个输入采样阶段才能将输入端个变化状态读入。
程序执行:
PLC根据用户程序存储器中的指令将有关软件的通、断状态从输入映像寄存器或其他软元件的映像寄存器读出,然后按照从上到下、先左后右的步序进行顺序运算或逻辑运算,并将运算结果存入有关的映像寄存器。
也就是说,各软元件的映像寄存器中所寄存的内容是随着程序的执行而不断变化的。
输出刷新:
输出刷新也称为输出处理,在程序执行完毕后,将输出映像寄存器中的输出寄存器通、断状态向输出锁存器传送,成为PLC的实际输出,并通过隔离电路、功率放大电路驱动外部负载。
3.2西门子PLC组成
S7-300的CPU模块(简称为CPU)都有一个编程用的RS-485接
口,有的有PROFIBUS-DP接口或PtP串行通信接口,可以建立一个MPI(多点接口)网络或DP网络,其基本结构如图1.2所示。
图1.2S7-300的基本构成
S7-300属于模块式PLC,主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成,控制系统示意图如图1.3所示。
图1.3S7-300PLC控制系统示意图
功能最强的CPU的RAM为512KB,最大8192个存储器位,512
个定时器和512个计数器,数字量最大65536,模拟量通道最大为
4096。
有350多条指令。
计数器的计数范围为1~999,定时器的定时范围为10ms~9990s。
只需要扩展一个机架,可以使用价格便宜的IM365接口模块对。
数字量模块从0号机架的4号槽开始,每个槽位分配4个字节的地址,32个I/O点。
模拟量模块一个通道占一个字地址。
从IB256开始,给每一个模拟量模块分配8个字。
4基于工业现场总线选料生产线的硬件设计
基于工业现场总线的选料生产线的主要硬件为:
电源模块:
PS-300——6ES7307-1BAOO-OAAO;
CPU模块:
CPU-314C-2DP——6ES7314-6CF00-0AA0;
分布式I/O模块ET200M:
ET200M——IM153-1——6ES7153-
1AAO3-OXBO;
4.1基于工业现场总线的选料生产线CPU模块
中央处理单元CPU是可编程序控制器的控制中枢,一般有控制电路、运算器和寄存器组成,他们被封装在一个集成的芯片上,通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接,其作用为:
诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误;
采集现场的状态或数据,并送人PLC的寄存器中;
逐条读取指令,完成各种运算和操作;
将处理结果送至输出端;
响应各种外部设备的工作请求。
西门子S7-300CPU的面板如图所示,指示功能为:
1)、状态与故障显示LED
SF(系统出错/故障显示,红色):
CPU硬件故障或软件错误时亮。
BATF(电池故障,红色):
电池电压低或没有电池时亮。
DC5V(+5V电源指示,绿色):
5V电源正常时亮。
FRCE(强制,黄色):
至少有一个I/O被强制时亮。
RUN(运行方式,绿色):
CPU处于RUN状态时亮;
重新启动时以2Hz的频率闪亮;
HOLD(单步、断点)状态时以0.5Hz的频率闪亮。
STOP(停止方式,黄色):
CPU处于STOP,HOLD状态或重新启动时常亮。
BUSF(总线错误,红色)。
2.模式选择开关
(1)RUN-P(运行-编程)位置:
运行时还可以读出和修改用户程序,改变运行方式。
(2)RUN(运行)位置:
CPU执行、读出用户程序,但是不能修
改用户程序。
(3)STOP(停止)位置:
不执行用户程序,可以读出和修改用
户程序。
(4)MRES(清除存储器):
不能保持。
将钥匙开关从STOP状
态搬到MRES位置,可复位存储器,使CPU回到初始状态。
复位存储器操作:
通电后从STOP位置扳到MRES位置,“STOP”LED熄灭1s,亮1s,再熄灭1s后保持亮。
放开开关,使它回到STOP位置,然后又回到MRES,“STOP”LED以2Hz的频率至少闪动3s,表示正在执行复位,最后“STOP”LED一直亮。
4.2基于工业现场总线的选料生产线的电源模块
PS307电源模块将120/230伏交流电压转换为24V直流电压,S7-300/400、传感器和执行器供电。
输出电流有2A、5A或10A3种。
电源模块安装在DIN导轨上的插槽1,如图所示。
4.3基于工业现场总线的选料生产线的分布式I/O模块
ET200M是高密度配置的模块化I/O站,保护等级为IP20。
它可用S7-300可编程序控制器的信号,功能和通讯模块扩展。
由于模块的种类众多,ET200M尤其适用于复杂的自动化任务。
可插入模拟量HART的输入和输出模块意味着,ET200M适用于过程工程.它也适宜于与冗余系统一起使用。
ET200M是在PROFIBUS-DP上的被动站(从站)。
最大数据传输速率为12M位/S。
ET200M也可以在运行过程中,在有电源情况下配置S7-300I/O模块的有源总线模块。
ET200M由以下部分组成
IM153接口,用于与PROFIBUS-DP现场总线的连接;
各种I/O模块,用总线连接器连接或插入在有源总线模块内,系统运行时可更换模块;
S7-300自动化单元的所有I/O模块,都可应用(功能和通信模块只用于SIMATICS7/M7主设备);
最多可扩展8个I/O模块;
每个ET200M的最大地址区:
128字节输入和128字节输出;
PROFIBUS-DP和ET200M之间的隔离;
数据传输速率最大为12M位/S;
诊断数据的集中和分布的分析可运行两种型式的ET200M4.4基于工业现场总线选料生产线PROFIBUS现场总线的设计
5.4.1基于工业现场总线选料生产线的通信方式
基于工业现场总线的选料生产线数据传输采用的是RS485通信电缆,电缆是屏蔽双绞铜线。
RS-485为半双工,只有一对平衡差分信号线,最多可以有128个站。
RS-485传输技术基本特征:
网络拓扑:
线性总线,两端有有源的总线终端电阻。
传输速率:
9.6Kbit/s~12Mbit/s
介质:
屏蔽双绞电缆,也可取消屏蔽,取决于环境条件(EMC)。
站点数:
每分段32个站(不带中继),可多到127个站(带中继)。
插头连接:
最好用9针D型插头。
RS-485传输设备安装要点:
全部设备均与总线连接。
每个分段上最多可接32个站(包括主站)。
每段的头和尾各有一个总线终端电阻,确保操作运行不发生误差。
两个总线终端电阻必须永远有电源。
当分段站超过32个时,必须使用中继器用以连接各总线段。
串联的中继器一般不超过3个。
5.4.2PROFIBUS现场总线连接器
基于工业现场总线的选料生产线的CPU具有集成的DP接口,整个系统的PROFIBUS现场总线控制采用PROFIBUS专用电缆、专用插头实现站点的链接,如图所示。
图专用电缆、专用插头实现站点的链接
PROFIBUS现场总线连接器如图所示,采用的是9针D型连接器,D型连接器插座连接总线站,D型连接器插头与总线电缆相连,起针脚定义如表所示。
图PROFIBUS现场总线连接器
表
针脚号
信号名称
设计含义
1
SHIELD
屏蔽或功能地
2
M24
24V输出电压地(辅助电源)
3
RXD/TXD-P
接受和发送数据——正B线
4
CNTR
方向控制信号P
5
DGND
数据基准电位
6
VP
供电电压——正
7
P24
正24V输出电压(辅助电源)
8
RXD/TXD-N
接受和发送数据——负A线
9
CNTR-N
方向控制信号N
5基于工业现场总线选料生产线的软件设计及实现
5.1基于工业现场总线选料生产线的端口分配
要进行程序的编写,首先要根据工艺要求对各控制部分的输入输出端口进行定义,基于工业现场总线的选料在生产线的输入输出端口分配如表所示。
输入设备
输入端口编号
输出设备
输出端口编号
启动
I20.0
送料电动机启动
Q10.0
停止
I20.1
送料电动机方向
Q10.1
送料前限位
I11.2
传送带电机
Q10.2
送料后限位
I11.3
转盘电机
Q10.3
送料光电
I10.4
激光加工
Q13.0
金属检测
I10.5
产品检测
Q13.1
工位检测
I10.6
计数器
Q13.2
转盘位置检测
I10.7
分拣
Q13.3
存储检测
I13.0
表4.1丙烯腈标准溶液添加量和实测量的线性关系数据
目标丙烯腈倍数
添加量(μg/g)
实测量(μg/g)
0.4000
未检出
2.5
0.5000
0.4880
0.6000
0.6001
3.5
0.7000
0.6881
0.8000
0.7895
4.5
0.9000
0.8815
1.0000
0.9766
图4.1丙烯腈的添加量和实测量的线性关系
4.1.2回收率和精度的分析
采用添加法,即分别对腈纶纤维添加0.5μg/g,1.0μg/g浓度的标准物质。
按照本方法进行回收测定,每水平单独测定10次,从而计算其回收率和精密度。
……
由同一操作者使用相同的设备,按相同的测试方法,并在短时间内对同一被测对象相互独立进行的测试,获得的两次独立测试结果的绝对差值不大于这两个测定值的算术平均值的10%是可以达到的。
参考文献
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[5]唐波,葛介超,王春先,等.金属氧化物纳M材料的制备新进展[J].化工进展,2002,21(10):
707~711.
附录
1丙烯腈标准物气相色谱—质谱图
2******
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