基于现场总线的车间生产监控原型系统研究与设计毕业论文.docx
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基于现场总线的车间生产监控原型系统研究与设计毕业论文
1引言
随着科技的迅速发展，自动化技术和先进控制技术在工业生产中得到了广泛的普及。
常规的经典控制理论始终发挥着相当大的作用，它在解决简单的自动控制系统设计方面一直是非常有力的工具。
近年来这方面的控制理论、控制模式和研究日臻成熟，它们在工业生产部门的影响相当大，并且形成了标准化和系列化的产品。
由于工业控制系统的发展的方向是分散化、网络化、智能化，现场总线技术的发展正是顺应了这一方向，并成为全球工业自动化技术行业的热点，受到业界的普遍关注。
1.1现场总线国内外发展现况
自20世纪80年代中期现场总线技术问世以来，在十几年中行业中出现了两百多种现场总线技术。
其中常见的现场总线技术有十几种，它们分别在不同的领域得到了广泛的应用，如Profibus，Interbus，CAN，FF，Bitbus，P-Net，LonWorks等。
在种类繁多的自动化行业的应用需求之下，没有哪一种现场总线能够完全符合生产需要，各种现场总线在相应的领域发挥着各自的特长，一种现场总线标准在某些领域中是适用的，超出这些领域可能就不是最优的，因此多种现场总线将在很长一段时间内共存。
目前有40多种现场总线技术在世界上得到了广泛应用，而各个公司定义的现场总线标准更是不计其数。
在加拿大渥太华召开的现场总线标准会议中通过了IEC61158是现场总线的国际标准的决定，其中有8种类型的现场总线可以作为国际标准，这8种类型分别是：
（1）ControlNet（美国Rockwell公司支持）
（2）Profibus（德国Siemens公司支持）
（3）Interbus（德国PhoenixContact公司支持）
（4）FFHSE（Fisher-Rosemount公司支持）
（5）SwfitNet（美国Boeing公司支持）
（6）WorldFIP（法国Alstom公司支持）
（7）P-Net（月麦ProcessDate公司支持）
再加上IECTL7B通过的3种现场总线国际标准，分别为SDS（SmartDistributedSystem）。
ASI（ActuatorSensorInterface）和DeviceNet。
另外ISO还有一个ISO11898的CAN（ControlAreaNetwork）。
所以一共12种之多。
随着计算机网络技术的飞快发展，Ethernet和TCP/IP技术也运用到了工业现场。
高速Ethernet具有诸多优点，例如结构简单、开放性、成本低、广泛的应用软硬件支持，非常适用于工业标准的监控网络。
为了连接现场各种各样的设备和用于监控的系统设备，作为工厂底层控制网络的信息传输主干的Ethernet已经被许多控制系统设备提供厂商采用。
而为了实现网络控制的一体化并保护现有的投资，利用以太网的网关将FF和Profibus现场控制系统、DCS现场控制系统连接起来。
TCP/IP协议的采用，真正实现了Internet/Intranet／Infranet测控管一体化网络，使得车间的管理深入到控制现场，操作人员不用到车间就可以通过Internet监控工业生产的过程，实现了远程系统调试和设备故障诊断。
现场总线技术是控制系统发展的方向，我们必须紧跟现场总线发展的步伐，确保在未来的竞争中保持领先。
PROFIBUS凭借其严谨的定义，完善的功能和标准通用的技术成为开放式系统的典范，它是在众多现场总线标准中能提供一个从现场传感器至生产管理层的全方位透明的网络的现场总线系统。
目前，PROFIBUS已经在许多方面证明了其强大、灵活的功能，在很多领域都得到了成功的应用，如生产自动化、过程自动化、驱动技术等，在世界上诸多现场技术中处于领先的地位。
同时，PROFIBUS通过便捷的协议、较高的性价比以及采用RS485的传输技术控制了它的成本，适合我国的国情，应该在生产中广泛采用。
1.2课题的内容和目标
本课题基于现场总线技术，研究并建立新一代车间生产监控系统的方案，完成一个基于Profibus现场总线和西门子PLC平台的车间生产监控系统原型的设计及部分开发工作。
（1）基于现场总线的车间生产监控系统的总体方案设计；
（2）车间生产监控系统硬件选型设计；
（3）车间生产监控系统软件设计；
（4）车间生产监控系统的部分开发与调试。
1.3论文的组织结构
本文研究的目的是实现真空等离子焊接的自动化控制，应用基于PROFIBUS现场总线的集散型系统代替传统焊接方式，实现等离子焊接工艺流程中的设备运行参数的检测，记录设备运行过程和状态，并可直观指导操作人员生产管理工艺的全过程。
（1）上位机系统进行实时监控，主要是整个加工过程的设备运行状态，然后将这些对设备运行的实时监控参数记录下来，从而分析数据的变化，方便操作人员及时发现运行中的情况，诊断、发布和实施预警。
（2）下位机系统主要进行逻辑运算、数据采集、执行闭环控制输出的工作。
对真空等离子焊接设备，真空泵和充氩系统，并能实时处理情况，对设备的运行和工作时间和强度能够很好的控制，达到设备的最大化利用。
（3）上下位机通过网络通讯系统将之间连接起来，使现场控制站数据能正确、及时的反应在上位机上，而上位机的控制信号也能及时传达到下位机，实现远程监控。
全文分为五章，各章内容如下：
第一章：
介绍了现场总线技术的国内外发展状况，本课题的内容及目标。
第二章：
介绍了PROFIBUS现场总线控制技术的主要特点，采用的协议结构，传输技术以及存取协议。
第三章：
介绍了TIG焊、等离子焊接的原理和特点，针对等离子焊接的实际环境，对多种网络形式进行比较分析，提出基于PROFIBUS的现场总线网络在等离子焊接生产中的应用、配置及通信软件设计等关键环节。
第四章：
真空等离子焊接系统选择的硬件型号和等离子焊接系统监控PLC和充氩过程监控PLC的性能、参数的监控。
第五章：
真空等离子焊接系统的上位机软件开发和设计，对真空等离子焊接和充氩过程PLC控制的实现。
2PROFIBUS现场总线控制技术的特点
2.1现场总线控制系统的结构
监控和组态计算机、现场总线系统、现场智能仪表和控制器三部分主要组成了现场总线控制系统。
由于这里的仪表、控制器、计算机连接到网上的方式是通过现场总线网卡及通信协议软件，所以现场总线控制系统的基础是现场总线网卡和通信协议软件。
现场总线控制系统应包括有数据组态和控制算法组态的组态技术，从而实现真正的分布式控制，组态技术生成的参数及算法可以在控制器和远程I/O或智能设备上运行，在智能仪表及执行机构中，现场总线标准定义的功能块也可以进行运算。
线形、总线形、星形、环形等网络拓扑结构是现场总线控制系统常采用的网络拓扑结构。
由于线形结构对网络供电和防爆等问题有很好的解决措施，且现场总线一般采用的结构是线性结构，它的支路电源负载是可以确定的，同样可以确定的是沿总线的电源电压，所以一般情况下采用线形结构。
同轴电缆、双绞线、电话线、光导纤维电缆、无线等都是常用的网络通讯介质。
电气隔离和电磁兼容性这两个因素是选择传输介质时主要考虑的因素。
为了满足本质安全和防爆要求，常采用廉价的双绞线作为数据传输线，同时使得现场设备可以利用数据通信线来供电。
2.2PROFIBUS现场总线控制技术的应用
PROFIBUS现场总线控制技术是一种国际性的开放的现场总线控制标准。
从1995年德国颁布FMS至今，经历了十余年，该标准现已被全世界接收，其应用覆盖机械加工、过程控制、电子交通及楼宇自动化的各个领域。
PROFIBUS于1995年成为欧洲标准，1999年成为国际标准、2001年10月，它被批准为中华人民共和国工业自动化领域标准中的现场总线控制标准。
目前，世界上许多自动化产品生产厂家的设备都提供PROFIBUS接口。
PROFIBUS在众多的现场总线控制标准中以超过40%的市场占有率稳居榜首，其产品每年增长20%～30%。
以著名的西门子公司为例，它可以提供上千种PROFIBUS产品，应用于中国的许多自动化控制系统中，其控制范围如图2.1所示:
图2.1Profibus控制范围图
PROFIBUS根据应用特点可以分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA3种兼容版本，如图2所示。
PROFIBUS-DP属于设备总线，主要用于复杂现场设备和分布式I/O。
其物理结构为RS-485，传输速率为9.6Kb/s～12Mb/s。
PROFIBUS-FMS属于系统总线，应用于车间级网络监控。
其物理结构为RS-485，传输速率为9.6Kb/s～12Mb/s。
PROFIBUS-PA属于设备总线，主要应用于两线制供电和本安过程控制仪表，传输速率为31.25Kb/s。
它在保持DP协议的同时，增加了对现场仪表的馈电功能，执行标准是IEC61158-2。
图2.2Profibus应用图
分散式数字化控制器分为主站和从站，该系统可通过PROFIBUS从现场底层到车间级进行网络化。
主站决定了总线的数据通信。
在没有其他设备数据通信的情况下，当主站获得总线控制权即令牌时，同样可以发送信息。
从PROFIBUS协议方面的定义，主站也称为主动站。
一般的从站都由驱动器、阀门、I/O装置和测量发送器组成，它属于外围设备。
从站没有总线控制权，仅确认接收到的信息；或当主站发出请求时，向它发送信息。
因为它只占总线协议的一小部分，所以从站实施起来相当的经济[4]，。
2.3协议结构
PROFIBUS协议的结构根据ISO7498国际标准以开放系统互联网络OSI为参考模型，如图2.3所示。
图2.3PROFIBUS协议结构图
PROFIBUS-DP使用第1、2层和用户接口，第3层～7层未加以描述。
PROFIBUS-FMS第1、2、7层均加以定义。
应用层包括现场总线控制信息规范和低层接口。
PROFIBUS-PA数据传输采用的是扩展的PROFIBUS-DP协议，根据IEC61158-2标准，这种传输技术使现场设备通过总线供电，从而确保其安全性。
PROFIBUS-PA设备使用分段式耦合器能很方便地集成到PROFIBUS-DP网络。
PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS这两套系统可在同一根电缆上同时操作，他们使用了同样且统一的传输技术和总线访问协议。
2.4传输技术
现场总线控制系统选用的传输技术在很大程度上取决于了它的应用范围，因为既要考虑总线的要求，譬如传输的距离，传输的可靠性和速度，又要考虑简便而又费用低廉的机电因素。
数据和电源在涉及过程自动化时的传送必须在同一根电缆上。
PROFIBUS提供了以下3种类型：
DP和FMS的RS-485传输、PA的IEC61158-2传输和光纤传输来满足所有的传输技术。
RS-485传输通常称为H2，是PROFIBUS最常见的一种，共用一根导线对，采用屏蔽双绞铜线电缆。
它适用设施简单而又便宜而且需要高速传输的各个领域。
RS-485传输技术的特性如下：
1网络拓扑：
两端有带电源的总线终端电阻的线性总线，短截线的波特率<1.5Mb/s。
2介质：
取决于环境条件（EMC），可采用屏蔽双绞电缆，或者取消屏蔽。
3站点数：
每段32个站，不带转发器。
带转发器时，最高可到127站。
4插头连接器：
9针D插头连接器为佳。
RS-485传输的总线结构可以增减站点，可分步投入，并且对其他站点的传输操作不会产生影响。
传输速率一般选用9.6Kb/s，一旦投入运行，所有设备需选取一样的传输速率。
传输速率取决于电缆的最大长度，如表2.1所示
表2.1传输距离与速度示意表
波特率/（Kb/s）
9.6
19.2
93.75
187.5
500
1500
12000
距离（段）/m
1200
1200
1200
1000
400
200
100
PA的IEC61158-2传输技术在石化工业生产上能得到很好的应用，因为它的本质安全性可很好保持其并且这些现场设备可通过总线供电运行。
此项技术是一种可进行无电流的连续传输的位同步协议，通常称为H1。
IEC61158-2传输技术的原理如下：
（1）总线不需要由站发送信息时供电。
（2）现场总线设备所用的电流是常量稳态基本电流。
（3）主总线两端的作用是无源终端线。
（4）每段只需要一个供电装置；
（5）线型、星型和树型网络可允许使用。
（6）设计时冗余总线段的运用，提高了设备可靠性。
（7）现场设备的作用相当于无源的电流吸收装置。
IEC61158-2传输技术的特性如表2.2所示。
表2.2IEC61158-2传输技术特性表
数据传输
数字式，位同步，曼彻斯特编码
传输速率
31.25Kb/s，电压式
数据可靠性
预兆性，采用起始和终止限定符来避免误差
电缆
双绞线（屏蔽或非屏蔽）
远程电源
通过数据线，可选为附件
防爆型
可进行本质安全和非本质安全的操作
拓扑
线型或树型，或者两者结合型
站数
每站最多32个，最多126个
转发器
可扩展至最多四个
PROFIBUS系统也可使用光纤导体来增加高速传输的最大距离，在电磁干扰很大的环境下应用。
传输距离在50m以内时使用便宜的塑料纤维导体，在1Km内时使用玻璃纤维导体。
专用的总线插头可由许多厂商提供，将RS-485信号转换成光纤信号，或将光线信号转换成RS-485信号，这是一套十分方便的开关控制方法[6]，适用于同一系统上使用RS-485传输技术和光纤传输技术。
2.5总线存取协议
PROFIBUS的DP、FMS和PA通过OSI参考模型的第2层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理，它们都使用单一的总线协议。
在PROFIBUS中，现场总线控制数据链路为第2层。
控制数据传输的程序由介质存取控制。
PROFIBUS协议的设计的目地是满足介质存取控制的基本要求[7]。
在确定的时间内中必须保证通信任务的完成由任何一个站点来处理，这是对于自动化系统（主站）间通讯；而在程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信，快速且简便地完成传输任务是最主要的。
因此，主站与从站之间的主从方式和主站从站间的令牌传递方式是PROFIBUS采取的总线存取协议。
令牌传递程序确保了每一个站能够在一个精确给定的时间内从框架得到总线访问权限。
令牌是一种特殊的消息,它在整个一周的最长循环时间是之前就规定好的。
PROFIBUS总线令牌只在每一台主机间的通讯使用。
在PROFIBUS中，令牌只在各主站之间通信时使用。
主站在得到总线存取令牌时与从站通信是由主从方式允许的，从站发送或索取信息均可向每个主站索取，通过这种方法可实现下列系统配置：
纯主—从系统、纯主—主系统（带令牌传递）和混合系统。
根据主-从关系表站通信，在这段时间内参照可以主—从关系表与所有的关系表。
令牌环链是接待单位的地址,根据主站构成逻辑链路。
在这个过程中,令牌在规定的时间里按照地址的升序在每个主站按照次序传递。
上层协议通过第二层的服务存取点是在PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA中使用的第二层服务不同子集，详见表2.3。
在PROFIBUS-FMS中，逻辑通讯地址的关系表是由这些服务存取点来建立；在PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA中，每个存取点都定义了明确的功能。
在主站和从站中，可同时存取多个服务存取点[9]。
表2.3Profibus第二层子集表
服务
功能
DP
PA
FMS
SDA
发送数据要应答
SRD
发送数据不需要回答
SDN
发送数据不需要回答
CSRD
循环性发送和请求回答的数据
3真空等离子焊接的原理及应用
真空等离子焊接生产技术目前得到了越来越多的重视，现在主要应用于钛合金自耗电极制备的生产，熔炼中的生产效率、冶金质量和其控制系统的可靠性和稳定性相关。
随着科学技术的不断发展，等离子焊接技术得到了相当大的发展，在自动控制技术发展基础上，整个焊接过程的监控正朝着智能化和网络化的方向发展。
3.1TIG焊（惰性气体钨极保护焊）
气体保护焊是利用外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法，其优点是电弧和熔池可见度好，操作简便，很少或几乎不产生熔渣，也不需要在焊后清理熔渣。
但在室外作业时需采取专门的防风措施。
气体保护焊可分为不熔化极（钨极）气体保护焊和熔化极气体保护焊。
不熔化极（钨极）气体保护焊包括等离子弧焊、钨极惰性气体保护焊和原子氢焊。
目前生产中已经很少采用原子氢焊；等离子弧焊将在下一节介绍；本节内容仅限于钨极惰性气体保护焊。
钨极惰性气体保护焊英文简称TIG（TungstenInertGasWeiding）焊。
它是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一种焊接方法。
在焊接的时候，焊枪的喷嘴中喷出保护气体，并在电弧外形成气体保护层从而隔绝空气，从而可获得优质的焊缝。
氩气、氦气或氩氦混合气体都可作为气体保护层的气体。
用氩气作为保护气体的称为钨极氩弧焊，用氦气的称钨极氦弧焊，由于氦气价格比较昂贵，在焊接上钨极氩弧焊的应用要比氦弧焊广泛得多。
3.2等离子焊接的原理
等离子焊接是TIG焊的升级。
等离子焊接又称等离子弧焊焊接，等离子弧焊是借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法。
等离子弧焊的作用方式是电极和焊件之间的压缩电弧（转移电弧）来进行焊接的，它是一种不熔化、极电弧焊。
钨极是最常用的电极，氩气、氦气、氮气或者这几种气体的混合气都可作为产生等离子弧的等离子气，同时喷嘴喷出惰性气体用来保护等离子气。
焊接时可以外加填充金属，也可以不加填充金属。
等离子弧焊焊接的特点是电弧穿透力强，因为其电弧能量密度大并且挺直。
等离子弧焊焊接时能产生的小孔效应，对于一定厚度范围内的大多数金属可以进行I形坡口对接，并能保证熔透和焊缝均匀一致。
因此，等离子弧焊的优点是生产率高、焊接质量好。
但等离子弧焊设备比较复杂，对焊接参数的控制要求高。
TIG焊可焊接的大多数金属，都可用等离子弧焊进行焊接。
与之相比，对于1mm以下的极薄金属的焊接，用等离子弧焊较易进行。
图3.1等离子焊接：
PIG焊的升级
3.3等离子焊接的特点
等离子焊接与TIG焊十分相似，它们的电弧都是在尖头的钨电极和工件之间形成的。
但是，通过在焊炬中安置电极，能将等离子弧从保护气体的气囊中分离出来，随后推动等离子通过孔型良好的铜喷管将弧压缩。
通过改变孔的直径和等离子气流速度，可以实现三种操作方式：
1、微束等离子：
0.1A～15A
在很低的焊接电流下，也能使用微束等离子弧。
即使在弧长变化不超过20mm时，柱状弧仍能保持稳定。
2、中等电流：
15A～200A
在较大的15A～200A电流下，等离子弧的过程特点与TIG弧相似，但由于等离子被压缩过，弧更加挺直。
虽然可提高等离子气流速度来增加焊接熔池的度深，但会造成在紊乱的保护气流中，混入空气和保护气体的风险。
3、小孔型等离子：
大于200A
通过增加焊接电流和等离子气流速度，可产生强有力的等离子束，与激光或电子束焊接一样，它能够在材料上形成充分的熔深。
焊接时，随着焊接熔池的流动，金属穿过小孔被切割后在表面张力作用下形成焊道。
单道焊时，该过程可用于焊接较厚的材料（厚度不超过10mm的不锈钢）。
图3.2真空等离子焊接的功率
由于等离子电弧的能量密度非常高，温度及刚直性（能量密度可达10000w/平方厘米到100000w/平方厘米，弧柱中心温度可达18000K到24000K以上，焰流速度可达250m/s以上），等离子电弧具有以下优点：
（1）能量密度很大，穿透能力强，电弧方向性强，在相同的情况下，等离子焊接速度要比钨极氩弧焊快的多。
（2）焊缝质量对弧长的变化不敏感。
这是由于等离子弧的发散角很小，形态接近圆柱形，加热斑点的面积因为弧长的变化对其产生的影响很小，很容易获得很好焊缝形状和焊接质量。
电弧的断面变化在20%时,钨极氩弧焊的焊炬高度在±0.12mm的范围内变化,而等离子焊接在±1.2mm的范围内变化，这对保证焊缝的成形和均匀质量都十分有利。
（3）焊缝金属产生夹钨的现象可以很好的解决，这是由于钨极在喷嘴内部，不与工件接触。
此外，电弧的搅动性和熔池温度也对释放熔池内气体很有利。
（4）等离子电弧在电流很小时仍能保持稳定，这是由于热电离度较高和压缩效应的优点所致。
（5）焊缝的深宽比大,热影响区小,适合焊接某些可焊性差的材料和双金属等。
（6）焊接成本低，与一般氩弧焊相比，可省电1/3～1/2,省气1/2～2/3，且在焊接厚度较小的情况下，无需填丝。
根部焊道
手工电弧焊接
手式TIG焊接
等离子焊接（PAW）
板材焊前准备
坡口+钝边
坡口+钝边
2.5-8mm
无需坡口+钝边
装配
相对困难（间隙）
困难（小间隙）
容易
焊工技术要求
熟练
熟练
一般
焊接速度
非常慢
非常慢
相当快
操作难度
困难
非常困难
较容易
焊后质量
好/但外观不美
好
极好
特别问题
焊条过热，质量难以控制，工件变形
焊工易疲劳，质量难以控制，工件变形
无
表3.1几种焊接方式的比较
3.4真空等离子焊接的工艺流程与工作原理
真空等离子焊接系统的主要构件是真空焊箱。
真空焊箱包括炉室、真空系统、压缩空气系统、电控系统、冷却系统、观察系统、焊接电源和焊枪系统、炉内移动台车和夹具、氩气流量控制系统等。
炉室为两端设有炉门的不锈钢结构,。
前后炉门均用气动夹具锁紧进行打开和闭合,从而对系统进行连锁式控制,也方便对炉室的清扫和装出炉,为了保证炉内的真空，在关闭前炉门的时候，炉体上有四个气缸将炉门拉紧。
中间有两个等离子枪接口和抽真空设备的接口,。
炉体上设有焊接观察窗。
工作原理:
首先按照工艺要求把电极放到夹具上进行组合,然后锁紧夹具。
把装好组合电极的夹具放到炉内台车上,关上炉室抽成真空。
当炉室内压力小于6Pa时,停止抽真空,并充入氩气,直到炉内氩气压力达到大概600Pa时,在水冷、铜制焊枪中通入氩气,然后控制焊枪自身的正极弧,起弧后焊枪周围的氩气会被电离并形成等离子体,此时焊接电源切换电流通路，焊枪为负极、夹具为正极的,夹在夹具上的电极块在等离子弧的高温加热下被熔化。
在整个焊接过程中,通过炉内台车的纵向运动、夹具的旋转运动和焊枪的上下运动的配合来实现电极的焊接。
图3.3真空等离子焊接系统结构简图
3.5针对真空等离子焊接系统PROFIBUS网络研究
4.2真空等离子焊接系统的硬件连接分析
硬件设计如图4.1所示。
该系统采用西门子S7-300PLC，上位硬件采用研华工控机，实现各参量的记录、监控、设置等功能。
通过现场总线控制技术，将控制系统和焊接系统的监控系统组成PROFIBUS-DP网络，实现各个设备之间的联络，并将这些设备的故障监控和数据传输。
图4.1真空等离子焊接系统控制图
5软件设计
5.1上位机软件设计
“组态王”是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它的操作系统平台为Windows98/Windows2000/WindowsNT4.0操作系统，它具有图形功能完备，易学易用，界面友好的特点。
该软件包由工程浏览器、工程管理器、画面运行系统三部分组成。
本课题中采用的是MPI通讯卡通讯方式，一般适用于一台PC和多个PLC进行通讯的场合；或者多台PC和PLC进行连接。
安装STEP7-Micro/WIN32和STEP75.0+ServicePack5,运行PG/PC-interface
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