包装生产线分布式监控系统硬件设计.docx
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包装生产线分布式监控系统硬件设计
摘要
由于时代的飞速发展、人们对生活质量提高的迫切要求,产品的包装越来越受到社会各界的重视,使包装行业得到快速的发展。
国内,包装设备的单机控制技术已经进入到实用阶段,但整条生产线的控制的研究还处于刚刚起步状况,造成包装生产线的自动化、智能化程度很低。
本课题就是针对这种态势,对包装生产线的整体监控、故障诊断进行了初步研究。
为了适应现代包装行业的发展以及提高包装生产线的自动化和智能化程度,本文进行了包装生产线的监控、诊断系统的研究。
按照分布式系统的一般设计原则,独立地开发了这套系统。
本文的主要内容:
1.生产线的总体设计,面对市场的要求来开发和研究。
2.生产线上的设备的控制硬件的设计:
其中,包括控制器件的选型、它们的结构组成以及相互之间的连接。
3.单片机、PLC、传感器和各控制器之间的连接,以及与中央PC机、工业PC机的连接。
关键词:
分布式监控、诊断系统,PLC,单片机,串行通信。
3.5.2.1混合式自动定量包装原理的简介......................22
3.5.2.2充填机的控制过程..................................23
3.6.1数字湿度传感器......................................28
第1章绪论
1.1研究的内容和目的
本文以单片机控制技术为基础,研究开发一个由两个可编程序控制器(以下简称PLC)和两个单片机为下位机,一个工业控制机(以下简称IPC)为上位机组成的包装生产线分布式监控、诊断系统。
在系统中,PLC和单片机功能是对包装生产线各设备(提升机、充填机、包装机、选别输送机等)进行信息数据的采集和控制,工业控制机给下位机发送运行参数,或从下位机获取实时数据,然后对数据进行统计、分析处理,根据处理结果产生监控数据表或数据曲线,或设备运行动画信息。
若生产线运行有异常,则对运行故障进行自诊断,并报警提示,同时通过参数修改对生产线进行维护。
另外,通过网络将IPC连接到远程PC上,并且与远程PC建立通信联系,从而使远程PC可以通过网络对包装生产线进行远程监控和诊断。
通过对包装生产线分布式监控、诊断系统研究和开发,使系统能实现以下四方面功能:
1.实时接收或查询各子系统运行参数及状态;2.运行监控界面(数据表或曲线)、运行动画显示、运行参数修改维护等人机交互;3.对包装产量(班产、日产、月产等)、不合格率(破包率、定量不合格率)、定量误差、运行速率(包/分)等运行的生产数据进行统计分析,然后显示或打印;4.运行故障自诊断、维护、报警提示。
这样一方面提高包装生产线的智能化程度,便于企业管理自动化;另一方面便于系统诊断维护,降低包装生产线诊断维护费用和时间,从而提高包装生产线生产效率,提高生产企业经济效益。
1.2国内外现状及发展趋势
在1975由于计算机技术、通讯技术、控制技术、显示技术的发展而使工业控制领域发生了一场革命—美国Honeywell公司推出了世界第一套集散式(也称分布式)控制系统(DistributedControlSystem,以下简称DCS),至今已经历了20多年的发展。
DCS以其可靠性、高性能、分散控制、集中监视和管理的优点赢得工业界广大用户的青睐,成为中大型工业控制系统的发展趋势。
从第1套DCS系统诞生至今,DCS系统已经历了4个发展阶段:
1975~1980年为初创阶段,由于软硬件技术的限制,此时的DCS系统性能还不十分完善,硬件结构还不十分成熟;1981~1987年为第2个阶段,这一时期容错、冗余技术已成熟使用,系统可靠性很高,性能十分优越,各种控制功能十分丰富;1987~1993年为第3阶段,各厂家的DCS开始向以OSI为基础的MAP协议靠拢,以求达到不同系统的互联;1994年至今为第4阶段,DCS系统在硬件上使用了更先进的CPU及冗余技术,贮存容量及通讯速度大幅度提高,软件上采用通用操作系统。
从计算机控制系统结构的演变来看,多微机系统或多微处理机系统是必然的发展趋势。
其中的分布式计算机系统与分布式处理则是重要的发展方向。
另一个方面,从系统管理与控制的实际需要来看,分布式计算机系统的产生也是必然的。
控制与管理系统的发展,经常要求对地理位置分散的多个或多台设备进行控制或管理。
最初使用一台计算机进行集中式控制和管理,但这时信息的传输及对多个分散设备的控制会造成一定的困难并影响系统的可靠性,特别是当这台计算机出现故障后,会使整个系统全部瘫痪。
随着微型计算机的出现和应用,这类较复杂的控制系统便开始采用多台微机分别对各个对象或设备进行控制,而各台微机之间又通过数据通信进行信息交换和相互协调,这就是分布式的计算机控制系统。
这种系统已广泛用于工业过程控制或机械加工控制。
新型的现场总线控制系统:
它突破了DCS系统中通信封闭的缺陷,是基于公开化、标准化的解决方案,将集散的控制结构变成了新型的全分布结构。
它是在DCS基础上连续发展起来的,但已经超过了DCS的框架,具有质的飞跃,它打破了传统控制一对一设备连接而将控制模块置入现场设备,其全部功能在现场完成。
分布式监控诊断系统(DistributedMonitoringandControlandDiagnosisSystem,简称DMCDS)是针对大型成套设备主机和多辅机功能分布和地域分布的特点,通过工业局域网把分布各局部现场、独立完成特定功能的本地微机互联起来,以达到资源共享、协同工作、分散监视和集中操作、管理、诊断的目的的工业计算机网络系统;同时,该系统可通过远程通信支持远程监视、诊断功能,通过网络互连与生产控制系统、企业MIS网络以及Internet联网运行,它是以微型计算机为核心的计算机技术、设备故障诊断技术、网络通信技术、CRT显示技术竟相发展并紧密结合的产物。
受DC(数字控制)技术的影响,90年代以来,设备在线状态监测与故障诊断系统被赋予网络化过程,进入分布式时代。
在这一过程中,又以流程工业大型成套、关键设备的在线状态监测与故障诊断首当其冲,通过网络以分散监测和集中操作、管理、诊断的优良特性成功解决了测点数量多、分布广、监测、操作、管理、诊断困难等问题。
分布式状态监测与故障诊断技术是一门面向企业大型成套、关键设备或协作密切的设备群的跨学科综合应用技术,已成为设备故障诊断领域的一个迅速发展的分支。
近几年来,国外一些著名的设备状态监测系统公司已相继推出了成套的在线分布式监测系统,国内也有数家科研单位和厂家正在从事这方面的研究和开发工作,但总体而言,还是刚刚起步,处于探索性研究和实验性应用阶段。
加强这方面的研究,促使分布式状态监测与故障诊断技术尽快走向成熟,完善和应用到生产实际中,是设备监测诊断领域的迫切任务。
对于包装行业来讲,在国外科技发达先进的国家,对包装生产线的监控和诊断的研究已经开展,但还没有完全成熟的技术去应用到现实生产中;国内,尽管,在单机(指生产线上的某一具体设备)已经实现了自动化控制,但整条包装生产线的智能控制还相当落后,生产线整体的自动化程度极低。
目前,对包装生产线的智能控制的研究还处于刚刚起步阶段,对于其上的故障诊断的研究还没有真正意义上的开展。
1.3研究的价值和意义
如今,几乎所有的商品在出厂前都要根据不同的要求进行相应的包装,尤其是散状物料(如食品、药物等)。
将大宗散料分成质量相同的个体并包装后,有利于商品的流通、储存、运输和使用,还可避免或减缓在销售过程中的失效和变质,以及防止污染及其它有害影响的优点。
可见商品的包装对国民经济的发展及人民身体健康、卫生条件的提高都有着深远的意义。
以往的人工包装,不但效率低下,而且包装的最后成品的样式不规则,严重影响商品的外部形象,对销售不利,同时也不利于商品的防伪保护;另外,人工影响包装物的卫生状况,不利于它的存储,对于药物、化工产品等物料的包装,会对长期从事包装的人员造成严重的人体伤害,并污染环境。
最近召开的十届人大会议特别指出:
针对近几年人们因为饮食、药物中毒事件的增加,要大力加强食品安全和安全生产监管体制建设;并组建国家食品药品监督管理局,负责对食品、药品、保健品、化妆品(这些关系到人民身体健康的商品)安全管理的综合监督和组织协调工作,并依法组织开展对重大事故的查处。
这无形就对我国的食品、药物加工生产行业提出了更高的要求,促进了这些行业的包装自动化的发展,提高了对包装设备的需求。
我国包装设备(除烟草包装设备)外,在国际上还处于落后状态:
这一方面是由于我国国情决定的,我国人口众多,在包装这道工序以前多用人力来代替,以解决劳动力的就业问题。
据笔者所了解,90年代初某市一家食品厂在从英国引进一条饼干生产线时,就惟独去掉了该生产线的包装设备,而在当时这条生产线中,只有此包装设备属国际一流水平(当然价格相当可观)。
这家食品厂为应付生产,安排一百多人的包装工;另一方面也和国家和人们的认识程度有关,随着生活水平的提高,人们对商品各方面的质量要求越来越高,尤其我国加入WTO以后,为了提高我国产品的国际竞争力,在商品的规范上要和国际接轨。
所以目前给包装设备提出了更高的要求,这就要大力提高它们的自动化和智能化程度。
只有包装设备更加自动化、智能化才能有效地提高包装机的工作效率,大幅度地降低停机时间,最大程度地减轻人们的工作强度,才能包装出美观、卫生、坚实、更富有竞争力的产品,直接推动国民经济的迅速发展。
总之,对包装生产线分布式监控、诊断系统研究和开发,在包装工程学科和计算机自动控制方面都具重要的学术价值的,在生产实践中有较大应用推广价值,系统的实施和应用必将产生巨大经济效益和社会效益。
1.4研究方法措施
首先按照分布式计算机控制系统的一般开发原则和要求,结合本研究的具体情况及特点,对所要开发的控制系统进行总体设计,以搭起一个较为详细和清楚的框架,为下一步的工作指明方向。
硬件设计的主要任务是根据系统要求选择PLC及单片机的型号及接口芯片等。
实施过程一般分三步:
首先,绘制原理图、布线;然后,委托生产厂家制作电路板;最后,使用示波器、电压表等工具测试电路板,检验它们是否满足系统设计的要求。
1.5本文结构
本文各章的内容安排如下:
第1章本文所论述的是课题研究的内容和意义,介绍本课题开发的价值,并给出了全文研究的内容和安排;
第2章在对分布式控制系统总体分析的基础上,论述了本文所开发的系统的结构以及硬软件的构成;
第3章主要讨论了对包装生产线的分布式监控、诊断系统的硬件设计:
分别对构成的四个控制子系统进行了分析;
第4章主要对通信系统的设计,包括PLC与PC,单片机与PC、IPC的通信联接,FX系列PLC的通讯协议
第5章对全文工作进行了总结,对本文不足之处进行了阐述,并指出了今后的发展方向。
第2章包装生产线分布式监控、诊断系统总体设计
2.1分布式控制系统的结构及特点
DCS是以微处理器为基础的集中分散型控制系统,它的主要特征是集中管理和分散控制。
一般的分布式控制系统包括三大组成部分(或基本结构),即分散过程控制装置、操作管理装置和数据通信系统。
1.分散过程控制装置(单片机,PLC…):
它是集散控制系统与生产过程间的界面,生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据,而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。
在分散过程控制装置内,进行模拟量与数字量的相互转换,完成过程控制算法的各种运算,对输入与输出量进行有关的软件滤波及其他的一些运算。
其结构的特征:
(1)需适应恶劣的工业生产过程环境;
(2)分散控制:
这一点体现了控制分散的系统构成,它把地域分散的过程装置用分散的控制实现,它把监视和控制分离,把危险分散,使得系统的可靠性提高;(3)实时性:
分散过程控制装置直接与过程进行联系,只有具有实时性强的特点,才能准确反映过程参数的变化,从装置来看,它要有快的时钟,足够的字长;从软件来看,运算的程序要精练,实时和多任务工作;(4)独立性:
相对于整个集散系统,分散过程控制装置具有较强的独立性。
2.操作管理装置(IPC,远程PC):
操作管理装置是操作人员与集散控制系统间的界面,操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行情况,并通过它发出操作指令给生产过程。
生产过程的各种参数在操作管理装置上显示,以便于操作人员监视和操作。
其结构的特征:
(1)信息量大:
从硬件来看,它具有大的存储容量,允许有较多的画面可显示,从软件来看,应采用数据压缩技术、分布式数据库技术及并行处理技术等;
(2)易操作性:
操作人员和管理人员要通过操作管理装置提供的输入设备,如键盘、鼠标、跟踪球等来对操作设备的运行;(3)容错性好:
为防止操作人员的误操作,该设备装置应具有良好的容错特性。
只有具有相当权威的人员才能对它操作,为此,要设置硬件密钥、软件口令、对误操作不予响应等安全措施。
3.数据通信系统(PC):
通信系统是分散过程控制装置与操作管理装置之间的桥梁,用它来完成两者之间的数据传递和交换。
这里的通信系统是指各级的计算机、微处理器与外部的设备通信、级与级之间的通信。
对通信系统的要求除了传输速度、误码率等外,主要是开放性和互操作性。
系统的“开放”是指允许与其他厂商的产品能通信,即与国际接轨。
这就要求通信有一个统一的标准、协议。
各厂商的产品的通信也应符合统一的标准。
这个通信标准的框架结构是国际标准化组织的开放系统互连参考模型。
互操作性是指现场总线的通信标准,它要求不同厂商的智能现场变送器、执行器等可以互换。
分布式控制系统有许多优良特性:
1.单从系统的构成角度来看,分级递阶是它的基本特征:
分布式控制系统是分级递阶控制系统;2.分散控制:
分散的目的是为了使危险分散,提高设备的可利用性;3.自治和协调性:
分布式控制系统的各组成部分是各自为政的自治系统,它们各自完成各自的功能,相互间又有联系,数据信息相互交换,各种条件相互制约,在系统的协调下工作;4.适应性、灵活性、可扩充性好;5.一次性投资大。
DMCDS具有以下基本特点:
1.分散采集,集中监视、诊断和管理,适应了采集点分散、管理集中的特点;2.可靠性高;3.扩展灵活,网络互联能力强;4.系统功能强。
2.2分布式系统中常用的控制装置
控制系统中的控制装置的选取,应根据市场所能提供的控制装置的类型、特点、价格、使用范围做出决定。
目前市场所能提供的控制器主要有:
可编程控制器(PLC),工业计算机(IPC)、单片微型机。
以下对它们分别加以说明。
2.2.1可编程控制器(PLC)
可编程控制器(PLC)作为一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作系统,它采用可编程序的存储器,在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
可编程控制器(PLC)的特点:
1.工作可靠:
由于PLC大多以单片机作为处理核心,并设计和制造中采用了多层次抗干扰、精选元器件等措施,所以它不易受外界干扰,可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作。
2.组合灵活、运行迅速:
PLC大多采用模块化设计,每一模块完成一定的功能,便于通过简单的组合来灵活改变控制系统的功能和规模。
它安装简便,操作方便。
使用时只需将检测器件及执行设备与PLC的I/O端子连接正确,内部不需接线和焊接,系统就可以工作,而且由于每一模块都设有运行和故障指示装置,便于故障查找,操作方便。
3.编程简单:
PLC采用其特有的编程方法,如梯形图、级式控制图等。
梯形图与电气控制图有许多相似之处,编程不存在语言障碍;级式控制图是完全按照生产的过程顺序进行,即使不懂电气控制图也完全可以进行程序设计。
4.设计施工周期短:
使用PLC完成一项控制工程,在系统设计完成以后,现场施工和PLC程序设计可同时进行,这样施工周期短,且程序调试和修改都较方便
2.2.2单片微型机
外部中断请求线
外部输VCC入线VSS
外接元件并行I/O线特殊I/O线
图2-1典型的单片机内部结构框图
微处理器是在一个硅片上制作几百万个晶体管,而出现的大规模集成电路的中央处理器。
再加上大容量的半导体存储器,通用或专用输入/输出(I/O)接口电路、多种型号的I/O的综合外围电路,就构成了单片微型机,简称单片机。
目前,单片机在智能仪表、机电一体化技术、实时控制、分布式多机系统及家用电器等方面得到广泛的应用。
单片微型机的内部结构及特点:
如上图2-1所示:
单片机内部包含中央处理器CPU、时钟电路和中断控制电路、程序存储器、数据存储器、并行口、定时器以及特殊I/O部件,CPU通过内部总线和其余的模块相连。
单片机具有功能强、结构紧凑、系统可靠、体积小、功耗低、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。
新型单片机可承担数据与数值分析、信号处理、机器人智能控制,以及图像处理等复杂任务。
2.2.3工业PC-IPC
PC即个人计算机,IPC为工业PC。
IPC的CPU、RAM、CRT和操作系统四大要素与PC没有很大区别。
但IPC与PC又有很大的不同,一是对电源系统进行重新设计,提高它的抗干扰能力;二是对机架和结构进行改造(如取消大底板,把大底板的功能通过采用集成度更高的芯片而集中到一块普通的PC的槽板上,并去掉外面的大盒盖而代之以分离式钢板机壳结构,以提高可靠性与维护性;增加带过滤器的强力风扇和正压机箱,加强散热,以提高系统抗粉尘能力[9]。
),提高防护等级和系统可靠性;三是主板分为有源主板和无源主板(主板上只保留总线,CPU、RAM和外设接口都变成独立的插卡)两类;四是重新开发与工业现场接口的各种模拟量、开关量和特殊功能的插卡;五是在通用的操作系统平台上开发各种用户级的控制软件。
由于上述的改进和PC本身具有的特点,IPC的优点是不言而喻的,原来PC的硬件(包含外设)和软件资源都可以充分地利用,大大节省了开发费用缩短了开发周期,尤其是现在Windows平台开发的控制软件,画面更加逼真生动,操作更加形象简练,界面更加友好,对于大批量的数据采集和处理得心应手,因此就适用于工业控制领域。
当然,IPC也有局限性:
在离散控制为主的现场IPC在系统构成的灵活性、可靠性、经济性都远不如PLC;编程也需要专业为主的计算机软件人员,远不如PLC来得简单方便;在以连续控制为主的大型实时过程控制中,IPC又不如DCS成熟、专业、可靠和方便。
IPC的特点:
1.软件支撑特别丰富。
由于熟悉PC的人越来越多,开发的PC的支撑软件也越来越多,所以其应用范围越来越广。
2.CPU功能强,升级容易。
3.联网极为方便。
当前市面上流行的网络多数均可在IPC上运行,因此可方便地形成集散型系统。
工业PC的使用范围:
1.各种直接控制,可对工业控制对象直接进行控制。
2.由于它联网和运算功能强,可以完成初级的控制和管理;同时能够将PLC、单片机等连接起来在车间组成小型分布控制系统。
2.3包装生产线分布式控制系统的总体设计
对于一个由立式间歇包装机为主组成的包装生产线来说,其生产线上的主要设备有提升机、称重定量充填机、生产包装机、称重检测选别机、包装物输送线等组成,要提高整个包装质量,就要对这些设备进行有效的监控,实时监测主要设备的工作运行情况;发生事故,及时报警,并进行故障的有效诊断。
结合该包装生产线的实际特点,设计开发小型的分布式监控诊断系统来实现上述功能,DMCDS结构简图如下图2-2所示。
图2-2包装生产线分布式控制系统简图
从上包装生产线分布式控制系统简图可以看见:
散装粉粒状物料通过外部运输机构送入大料仓,然后在提升机PLC控制子系统的控制下给小料仓加料,完成包装生产线的上料工作;由单片机控制子系统控制的充填机将物料定量成一定规格的单份物料,然后准备对包装袋进行物料的充填;包装机在PLC控制子系统的控制下通过制袋、充填、封口等工序将物料包装成袋装的产品;称重检测选别、输送机在单片机控制子系统的控制下完成包装成袋产品的输送、称重、选别、剔除等工作,最后将它们运送到装箱点。
从通信、监控、诊断角度上讲,在上图所示的包装生产线DMCDS中,中央IPC为上位机,两个单片机和PLC为下位机。
上位机利用RS-232/RS-485转换器与下位机连接通信。
上位机给下位机分配任务,并接收下位机在现场检测到的各种资料,经过处理后再次向其下位机发出各种控制命令,以实现对被控对象的监控。
本系统采用先进的分散控制、集中管理的网络控制,即采用两个单片机和PLC分别在不同的地点工作(注:
为了提高包装的质量和速度,其中控制充填机的单片机与控制包装机的PLC要在充填和横封时协调工作,所以,两者时序上需要协调,而不完全独立),互不依靠,并应用网络技术将两个单片机和两个PLC连网,以便收集各地点的信息,进行集中监督管理,做到指挥权集中,控制权分散。
通过控制权分散,获得危险分散,最终达到提高系统可靠性的目的。
具体地讲:
中央IPC机起着集中操作和管理的作用;两个单片机和两个PLC控制子系统是分散过程控制装置;它们之间相连的RS-485总线就起到数据传输和通信的作用。
它们一起构成了整个DMCDS控制系统,整个系统的设计包括硬件和软件两个部分。
2.3.1系统硬件构成
结合市场的购买条件,并根据包装生产线的特点,本系统对所用的PLC、单片机及接口总线进行选型:
在硬件的选用上,两个可编程序控制器(PLC)采用日本三菱公司生产的FX2系列的PLC;两个单片机采用AT89C52型号,它是美国ATMEL公司生产的;中央PC机选用工业控制机IPC610(如上所述)它带有2个RS-232C通信口和输入输出板,便于数据采集和系统故障诊断系统的设计;采用RS-485总线来实现分布式测控系统中上下位机之间的串行通信。
第3章包装生产线分布式监控、诊断系统硬件设计
3.1系统所用的PLC
FX2系列的PLC日本三菱公司近年来推出的高性能小型整体式PLC。
它由基本单元、扩展单元和特殊适配器组成。
系统的最大I/O点数为128点,利用扩展模块,可以只增加输入点数,或只增加输出点数,从而调节输入与输出点数的比例。
FX2系列的PLC的输出电路有继电器型、双向晶闸管型和晶体管型三种。
基本单元扩展单元和扩展模块可分别选择不同的输出方式。
特殊适配器的电源由基本单元提供,它们接在基本单元左侧的特殊接口上。
FX2-232AW型双绞线通讯适配器可在远距离配置的两个基本单元之间传送100点开关量信号和10点数据寄存器中的数字。
3.1.1PLC的通信模块
FX2系列的PLC通信模块的作用是在PLC和外部设备之间建立一个数据通道,使操作员可以通过外部设备改变PLC的工作方式,并为PLC输入程序改变状态或将PLC的程序或状态送至外部设备。
通信模块一般是一个带有CPU的智能模块,下图3-1为其的功能结构框图。
由图3-1可见,通信模块插入CPU编程器上,而编程适配器完成模块和CPU的信息交换控制:
在这个模块中,CPU以及控制电路加上ROM中的控制程序是模块的核心,其它部分的工作均由这个核心控制。
它主要完成下列工作:
(1)根据方式选择开关阵列,决定工作方式,
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