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上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 1 摘摘 要要 随着时代的发展，人们对纺织品的要求也已经不再仅仅局限于实 用。追求美观、舒适、安全的纺织品才是现在人们的目标。因此，世界 纺织业被带入了一个前所未有的新时期，激烈的国际竞争逼使纺织企业 采用高新技术重视绿色工艺，开发环保产品则已成为新世纪市场竞争的 新焦点。欧共体的 Eco-label 倡导的是全生态的概念，欧盟委员会 （2002/371/EC）生态标准中，在纺织纤维中列出腈纶纤维的考核指标： 原料纤维中丙烯腈的残留量应低于 1.5mg/kg。 丙烯腈是一种有毒物质，且有致癌作用。其极毒，对温血动物的毒 性约为氰化氢的 1/30。丙烯腈不仅蒸气有毒，而且附着于皮肤上也易经 皮肤中毒。长时间吸入稀丙烯腈蒸气，则能引起恶心、呕吐、头痛、疲 倦和不适等症状。由此可见，丙烯腈直接危害着人们的健康。 本文依照欧盟（2002/371/EC）生态标准对腈纶纤维中丙烯腈残留 量的控制，通过试验论证，确立了采用顶空固相微萃取和色质联用技术 （HSSPMEGC/MS），由此建立腈纶纤维中丙烯腈残留量的测定方法。 该方法具有操作简单，便捷，灵敏度高，准确性好的优点，而且仪器价 格适中，便于推广。本文实验所使用的方法检测限低于 0.5mg/kg，回收 率在 86.298.6%之间。 关键词：关键词：腈纶，丙烯腈，残留量，气相色谱/质谱 行间距 1.5 倍。 黑体加粗三号字居中。段前、 段后均为 0 行。标准字间距。 与页眉线之间空一行，与下 面之间也空一行。 中文摘要 内容，400 左右汉字。 宋体四号 字，1.5 倍 行距，标 准字间距。 宋体四号字。词与词之间用 全角逗号分隔。 “关键词： ”三字宋体加粗四号字，顶 格打印。 用插入页码的方式以此 页作为首页与正文一起 编页码（页码居中） 。 空两个字符。 与摘要之间空一行。行间距均为 1.5 倍。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 2 基于工业现场总线的选料生产线基于工业现场总线的选料生产线 丁丁晓晓君君 164A07123 0 引言引言 可编程控制器（PC）已被誉为 70 年代的一场工业革命。自从 PC 问 世以来的短短期间内，给工业控制带来的以前做梦都想不到的非凡变化。 使用 PC 的工业控制系统与传统的用继电器的工业控制系统相比，在操作、 控制、效率和精度等各个方面都具有无法比拟的优点。 随着网络技术的发展，Internet 正在把全世界的计算机系统、通信 系统逐渐集成起来，形成信息高速公路，形成公用数据网络。在此基础 上，传统的工业控制领域也正经历一场前所未有的变革，开始向网络化 方向发展，形成了新的控制网络。控制系统的结构也从最初的 CCS(计算 机集中控制系统)，到第二代的 DCS(集散控制系统)，而在此基础上形成 了新的现场总线控制系统(Fieldbus Control System FCS)综合了数字通 信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术 手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字模拟 信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、 多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也 发生了较大 的变化。 1 1 任务分析任务分析 1.11.1 设计目标设计目标 要求完成器件加工生产流水线的选料、激光加工和产品检测工作过 程的控制，其工作过程为：送料电 一级标题， 宋体加粗 小三号字。 段前、段 后均为 0 行。1.5 倍 行距。汉 字与标号 间空一个 字距。与 上面的学 生姓名之 间空一行。 一级标题， 宋体加粗 小三号字。 1.5 倍行距。 汉字与标 号间空一 个字距。 一级标题 顶格打印。 一级标题与上面的内容之间空一行。 二级标题，宋体加粗四 号字。1.5 倍行距。汉字 与标号间空一个字距。 顶格对齐打印。两数字 间用插入符号中的圆点。 黑体加粗三号字，居中。段前、段后 均为 0 行。标准字间距。与页眉线之 间空一行。与学生姓名之间也空一行。 用楷体小四号打印学生姓名，空一 格，再打印学生完整学号。均居中。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 3 机将待加工材料推入传送带，当送料观点检测开关检测到代加工材料到 位后，启动传送带电机和分拣机构。代加工物品经过金属/非金属传感器 检测后，将非金属材料剔除，金属材料继续输送至转盘，同时对非金属 材料进行计数。当工位检测传感器接收到第一个信号后，转盘电机启动 旋转 60 度，继续送料；当工位检测传感器接收到第二个信号后，转盘电 机启动再旋转 60 度，启动激光加工，此后依次对送到转盘电机上的物品 进行加工；当地一个完成加工的物品在转盘电机上旋转两个工位后进行 产品检测，同样要依次完成转盘电机上的所有物品的加工检测；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。 1.21.2 控制要求控制要求 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 2 现场总线控制网络系统现场总线控制网络系统 2.12.1 工业控制系统的发展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。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 4 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 CAN Bus、Profit Bus、InterBusS、Mod Bus、FOUNDATION Fieldbus 等等。 2.22.2 现场总线的国际标准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（International Electrical Committee）标准和现场总线基金会 FF（Field bus Fundation）的定义 为：现场总线（Field bus）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 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 5 会 ISA SP50（Instrument Society of America Standard and Practice）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。 2.32.3 现场总线的优点现场总线的优点 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 4-20 mA。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。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 6 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。 2.42.4 PROFIBUPROFIBU 现场总线的构成现场总线的构成 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(Decentralized Periphery） 、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification),如图 1.1 所示。 图 1.1 PROFIBUS 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 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 7 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。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 8 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 512 bit/s 输入和 512 bit/s 输出，在 12M bit/s 时只需 1 毫 秒。 3 3 可编程控制器的原理可编程控制器的原理 3.13.1 可编程序控制器的工作原理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。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 9 3.23.2 西门子西门子 PLCPLC 组成组成 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 1.2 S7-300 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。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 10 图1.3 S7-300PLC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1999，定时器的定时范围为10ms9990s。 只需要扩展一个机架，可以使用价格便宜的IM 365 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 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-3006ES7 307-1BAOO-OAAO； CPU模块： CPU-314C-2DP6ES7 314-6CF00-0AA0； 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 11 分布式 I/O 模块 ET200M： ET200MIM153-16ES7 153- 1AAO3-OXBO； 4.14.1 基于工业现场总线的选料生产线基于工业现场总线的选料生产线CPUCPU模块模块 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S7-300 CPU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。 DC 5V（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2 Hz 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）。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 12 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 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 13 复位，最后“STOP”LED 一直亮。 4.24.2基于工业现场总线的选料生产线的电源模块基于工业现场总线的选料生产线的电源模块 PS 307 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10A 3 种。电源 模块安装在DIN 导轨上的插槽1，如图 所示。 4.34.3 基于工业现场总线的选料生产线的分布式基于工业现场总线的选料生产线的分布式I/OI/O模块模块 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S7-300 I/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, 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 14 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 SIMATIC S7/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ET200M 4.4 基于工业现场总线选料生产线基于工业现场总线选料生产线PROFIBUSPROFIBUS现场总线的设计现场总线的设计 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：9.6K bit/s12M bit/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。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 15 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 5.4.2 PROFIBUSPROFIBUS 现场总线连接器现场总线连接器 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 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 16 1SHIELD 屏蔽或功能地 2M24 24V 输出电压地（辅助电源） 3RXD/TXD-P 接受和发送数据正 B 线 4CNTR 方向控制信号 P 5DGND 数据基准电位 6VP 供电电压正 7P24 正 24V 输出电压（辅助电源） 8RXD/TXD-N 接受和发送数据负 A 线 9CNTR-N 方向控制信号 N 5 5 基于工业现场总线选料生产线的软件设计及实现基于工业现场总线选料生产线的软件设计及实现 5.15.1 基于工业现场总线选料生产线的端口分配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 上海工程技术大学毕业设计（论文） 基于工业现场总线的选料生产 线 17 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(g/g)实测量(g/g) 000 20.4000 未检出 2.50.50000.4880 30.60000.6001 3.50.70000.6881 40.80000.7895 4.50.90000.8815 51.00000.9766 图1. 丙烯腈的添加量和实测量的线性关系 y = 0.9791x + 0.0026 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 00.511.5 丙烯腈添加量（ug/g） 丙烯腈实测量（ug/g） 图 4.1 丙烯腈的添加量和实测量的线性关系 4.1.24.1