（機械電子工程專業(yè)論文）一種大型捏合機控制系統(tǒng)的研究與設計.pdf

華中科技大學碩士學位論文 摘要 捏合機是固體推進劑生產(chǎn)混合工序的關鍵設備，傳統(tǒng)的混合工序因自動 化程度低、缺乏狀態(tài)監(jiān)測手段等原因，容易發(fā)生爆炸，造成人員、財產(chǎn)的重 大損失。為了擴大生產(chǎn)，消除安全隱患，某廠決定對一臺大型捏合機進行全 面的技術改造，因此需要研制一套自動化程度高、安全、可靠的捏合機控制 t 系統(tǒng)。i 一一 本文首先對國內(nèi)同類設備的技術狀況和控制形式進行了詳細地分析和比 較，針對企業(yè)的實際情況，全面地分析本控制系統(tǒng)的功能需求，明確了其主 要技術指標。在此基礎上，本著先進實用、安全可靠的原則，提出了以m o d i c o n t s xq u a n t u mp l c 為核一t l , 的控制方案，提出并對捏合機控制系統(tǒng)的軟、硬 件設計進行了具體的分析和論證。利用雙p l c 的主、備自動切換和雙機雙 纜冗余的通訊網(wǎng)絡，可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。利用專用網(wǎng)絡連接 現(xiàn)場設備與p l c ，p l c 和h m i 、i p c ，實現(xiàn)遠程操作，配合防爆設計，能夠 明顯改善系統(tǒng)的安全性。隨后，本文對現(xiàn)場信號的檢測與傳輸、主電機調(diào)節(jié)、 混合鍋恒溫控制等影響系統(tǒng)性能的關鍵技術進行了細致的研究。 ， 捏合機控制系統(tǒng)經(jīng)過安裝和分部調(diào)試，進行了三次整機帶料試車，最長 連續(xù)運轉時間達2 0 小時。試驗數(shù)據(jù)和產(chǎn)品檢驗結果均表明，本捏合機控制 系統(tǒng)操作方便、安全可靠，故障判斷及時準確，達到了預期設計目標。一 關鍵字：捏合機，固體推進劑，p l c ，防爆 a b s t r a c t k n e a d i n gm a c h i n e sa r ek e ye q u i p m e n tf o rs o l i dp r o p e l l a n tm i x i n g b e c a u s e o f l o w - l e v e la u t o m a t i o na n da b s e n c eo f c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，e x p l o s i o n a c c i d e n t s o c c u r r e ds o m e t i m e sd u r i n gt r a d i t i o n a lm i x i n gp r o c e s s e s ，r e s u l t i n gi nc a t a s t r o p h i c l i f ea n d p r o p e r t y l o s s e s i no r d e rt oi n c r e a s ey i e l da n de l i m i n a t eh i d d e n t r o u b l e s ， ac h e m i c a lp l a n td e c i d e dt or e b u i l dak n e a d i n gl i n e i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa c o n t r o ls y s t e mf o rt h ek n e a d i n gm a c h i n e f i r s t l y ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a d ead e t a i l e dc o m p a r a t i v es t u d y o i lt e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eo fs i m i l a rd o m e s t i ce q u i p m e n t b a s e d o nf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n dd e t e r m i n a t i o no f m a i ns p e c i f i c a t i o n so f t h e s c h e m e dc o n t r o ls y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e dam o d i c o nt s xq u a n t u m p l c b a s e dc o n t r o ls y s t e m t h e n ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m w a sa n a l y z e da n dd e m o n s t r a t e dc o n c r e t e l y t h er e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m c a nb ei m p r o v e dg r e a t l yw i 血ar e d u n d a n tp l ci nh o ts t a n d b ya n dar e d u n d a n t c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l w i t hs p e c i f i cn e t w o r k sc o n n e c t i n gf i e l dd e v i c e sa n d p l c 。h m ia n di p c 。b o t hl o c a la n dr e m o t eo p e r a t i o nc a nb er e a l i z e d w i 血 a d d i t i o n a l e x p l o s i o n - p r o o fd e s i g n ，t h es y s t e ms a f e t y c a nb ea l s o i m p r o v e d f i n a l l y ，s o m ek e yt e c h n i q u e so f t h es y s t e mw e r es t u d i e dt h o r o u g h l y ，i n c l u d i n g d e t e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no ff i e l d s i g n a l s ，刪u s t m e n to ft h em a i nm o t o r ， t e m p e r a t u r e c o n t r o lo f t h e m i x i n g c o n t a i n e r a i l e ri n s t a l l a t i o na n ds u b - s y s t e md e b u g g i n g ，t l l r e e s y n t h e t i c a lt e s t sw i t h m a t e r i a lw e r ec a r r i e d ，a n dt h em a x i m u m c o n t i n u o u s - r u n n i n g t i m ew a sa sl o n ga s 2 0h o u r s b o t hp r o c e s sd a t aa n dr e s u l t so fp r o d u c tt e s t si n d i c a t e dt h a tt h e k n e a d i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mr e a c h e dt h ed e s i g ng o a lw i t hs e v e r a lm e r i t s ， s u c ha so p e r a t i o n a l c o n v e n i e n c e ，h i g h - s e c u r i t y ，h i g h r e l i a b i l i t y ，e t c k e yw o r d s ：k n e a d i n gm a c h i n e ，s o l i d p r o p e l l a n t ，p l c ，e x p l o s i o n - p r o o f i i 第一章緒論 1 1 研究的目的、意義 捏合機是固體推進劑生產(chǎn)的主要設備之一，也是安全生產(chǎn)的關鍵，不論 是二十世紀六十年代世界各國普遍采用的“s ”形槳葉臥式膠化機，還是目 前采用的雙槳葉、雙行星運動的立式捏合機，由于自動化程度低，缺乏狀態(tài) 監(jiān)測手段等原因，都極易發(fā)生技安事故。美國錫奧科耳公司的埃爾克頓分公 司、隆霍恩分公司以及美國海軍推進劑工廠等企業(yè)曾多次發(fā)生混合工序著 火、爆炸事故。我國從1 9 6 2 年開始，也先后發(fā)生過1 0 多起混合設備的著火 爆炸事故。例如，我國北方某廠的同類設備曾發(fā)生過類似的爆炸事故，其原 因即在于此【1 ”。另一方面，推進劑的混合過程一般要持續(xù)7 2 小時以上， 任何原因導致的混合過程中斷都會造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，如何保證捏 合機的安全性和可靠性是其設計所必須考慮的首要問題。 本文針對固體推進劑混合加工中容易出現(xiàn)的問題，運用現(xiàn)代控制理論和 安全性、可靠性設計的方法，著重研究捏合機的自動控制方法和技術，并結 合具體設備需要，進行捏合機控制系統(tǒng)的設計，使混合設備的生產(chǎn)具有運行 穩(wěn)定、可靠、安全以及操作維護方便的特點。 1 2課題概述 1 2 1 課題來源 本課題來源于華中科技大學機械學院與某化工廠簽定的合作改造項目。 該項目的主要工作是在恢復捏合機原有功能的基礎上，使改造后的系統(tǒng)在自 動化水平和先進性方面具有較高水平，滿足運行穩(wěn)定、可靠、安全，操作、 維護方便的要求。 1 2 , 2 課題背景簡介 該廠的這臺大型捏合機，建造于三十多年前。由于長期閑置，該設備除 機械結構主體能夠修復使用外，其它部分( 如控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系 統(tǒng)、細加料系統(tǒng)等) 均需重建。本課題的任務就是要根據(jù)企業(yè)現(xiàn)在的需要， 華中科技大學碩士學位論文 采用現(xiàn)代科學技術，對這臺大型捏合機進行全面的技術改造。考慮到安全生 產(chǎn)、科學管理等多方面的因素，本次技術改造應該滿足如下技術要求： 1 生產(chǎn)安全、可靠。選用高質(zhì)量、名牌元器件，危險場所元( 部) 件 進行防爆設計，提高單個元( 部) 件的安全性、可靠性?？刂葡到y(tǒng) 采用雙機雙纜冗余結構，熱后備與冷儲備相結合，防止主c p u 模板 故障或電纜損壞造成系統(tǒng)崩潰。 2 操作安全、方便。操作界面分級別授權訪問，并建立操作人員庫， 形成有效的安全操作規(guī)范。系統(tǒng)多重聯(lián)鎖保護，減少可能誤操作。 簡化操作臺按鈕，人機界面友好，操作方便，易懂易學。 3 維護簡單、方便。硬件設備選擇具有良好的維護和技術支持能力的 設備，完全采用標準化接口。軟件設計采用模塊化程序設計方法。 計算機自動監(jiān)測以及故障報警、診斷，自動生成并存儲生產(chǎn)工藝流 程歷史數(shù)據(jù)庫，方便查找故障原因。 4 管理科學化、網(wǎng)絡化。生產(chǎn)工藝流程、資料報表實行計算機化管理。 利用工業(yè)控制計算機( p c ) 內(nèi)的以太網(wǎng)卡，可實現(xiàn)工廠乃至整個基 地對設備和生產(chǎn)運行狀況的遠程實時動態(tài)顯示，實現(xiàn)網(wǎng)絡化生產(chǎn)管 理。 1 2 3 研究任務 本文的主要研究內(nèi)容是： 1 從現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)對控制系統(tǒng)的要求出發(fā)，針對固體推進劑生產(chǎn)工 藝的特殊要求，研究大型捏合機自動控制的方法和關鍵技術； 2 結合企業(yè)實際，設計一個安全、可靠、控制性能先進的捏合機控制 系統(tǒng)。 1 3 相關技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 3 1 同類設備控制技術分析 在推進劑生產(chǎn)過程中，為了將大量的固體粉末均勻地分散到超高粘流體 中，需要對物料提供強大的切應力并使物料在混合設備內(nèi)進行有效的移動和 循環(huán)。要完成這種操作，需要使用適用于超高粘流體的特殊攪拌設備，如捏 合機。臥式雙軸型捏合機是通用設備，而立式捏合機則是易燃易爆超高粘流 華中科技大學碩士學位論文 體物料攪拌和混合的專用設備，它有兩個槳葉作行星嚙合運動，具有嚙合效 率高、攪拌均勻可實現(xiàn)真空混合的特點。和臥式捏合機相比，立式捏合機由 于槳葉豎立，軸承不浸在物料內(nèi)，因此更為安全可靠【2 ”。 本文中所提及的立式二臂扭框式行星傳動捏合機【8l 是我國自行設計、制 造的大型混合設備，初始設計時控制部分采用的是直接繼電器控制的方式進 行控制。直接采用繼電器進行控制的主要優(yōu)點是抗干擾能力強、調(diào)整維護容 易、造價較低，然而它是具有觸點的控制系統(tǒng)，觸點較多、組合復雜、容易 損壞，因而可靠性差。 目前承擔該廠主要生產(chǎn)任務的液壓馬達傳動立式捏合機，是由航空工業(yè) 總公司四院4 2 所研制。其控制系統(tǒng)采用p l c ( 三菱f x 2 1 2 8 m r ) 進行控 制，通過氣電轉換系統(tǒng)對混合操作過程實現(xiàn)氣、電、液聯(lián)鎖，可實現(xiàn)自動 手動控制和操作，可進行現(xiàn)場遠距離操作。其扭矩、溫度、壓力等參數(shù)的 監(jiān)測和報警等性能優(yōu)異，但加料方式仍為手工，不僅勞動強度大，而且存在 安全隱患。 航空工業(yè)總公司四院4 2 所在早期還為該廠研制過其它的混合設備，主 要有5 0 0 升( 臥式) 、2 5 升( 立式) 、1 0 升( 臥式) 及1 升( 臥式) 等設備， 均采用直接繼電器進行控制。 1 3 2 自動控制技術的一般發(fā)展 生產(chǎn)過程總是在一定的工藝參數(shù)條件下進行的，因此需要對這些參數(shù)進 行控制，自從工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)以后，就伴隨著產(chǎn)生了檢測和控制技術的發(fā)展， 人們不能憑視覺和觸覺去感受大生產(chǎn)過程中的操作參數(shù)的變化，所以必須有 相應的檢測工具和控制技術。閉環(huán)自動控制系統(tǒng)一般是由被調(diào)對象、變送器、 調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器構成的【4 - “。其中被調(diào)對象是需要調(diào)節(jié)其工藝參數(shù)的生產(chǎn)設 備：變送器是檢測工藝參數(shù)并把它轉換成標準統(tǒng)一信號的裝置；調(diào)節(jié)器是把 變送器送來的測量信號和給定信號進行比較，偏差信號按照預先設定好的調(diào) 節(jié)規(guī)律進行運算之后，輸出一個控制信號去執(zhí)行器；執(zhí)行器是把調(diào)節(jié)器的輸 出信號轉換成直線位移或角位移，控制閥門的開度以改變物料的多少等等。 隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)裝置的規(guī)模不斷擴大，生產(chǎn)技術及工藝過 程愈趨愈復雜，從而對實現(xiàn)過程自動化的控制系統(tǒng)相應地提出了更高的要 求?？刂葡到y(tǒng)7 蚣須滿足： ( 1 ) 人機界面友好，便于集中操作、監(jiān)視和管理。 ( 2 ) 高度安全可靠，控制算法豐富、功能完善。 華中科技大學碩士學位論文 ( 3 ) 能與計算機和常規(guī)模擬儀表相兼容。 ( 4 ) 模塊化系統(tǒng)構成，不僅易于擴展，而且維修簡單。 ( 5 ) 應具有良好的性能價格比。 美國在1 9 4 6 年生產(chǎn)出了世界上第一臺電子數(shù)字計算機e n i c a 以后【4i ， 五十年代中期便有人開始研究將計算機用于工業(yè)過程控制。1 9 5 9 年，世界 上第一套工業(yè)過程計算機控制系統(tǒng)在美國德州的一個煉油廠正式投入運行， 開始了工業(yè)過程控制的新時代。二十世紀7 0 年代初誕生的微型計算機，標 志著計算機的發(fā)展和應用進入了新的階段。計算機在控制領域中作為一個強 有力的控制工具，極大地推動著自動控制技術的發(fā)展，出現(xiàn)了新型的計算機 控制系統(tǒng)。 過程工業(yè)計算機控制技術的發(fā)展，經(jīng)歷了二千世紀五十年代的起步期， 六十年代的實驗期，七十年代的推廣期，八十年代的成熟期和九十年代的進 一步發(fā)展期?，F(xiàn)在，計算機控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)過程中 必不可少的組成部分。計算機控制系統(tǒng)的典型代表是計算機集散控制系統(tǒng) ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，簡稱d c s ) 和可編程控制器( p l c ) 控制系統(tǒng)。 前者多用于大型流程工業(yè)，后者多用于不同規(guī)模的離散工業(yè)。 1 3 3p l c 控制系統(tǒng) 工業(yè)用可編程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o i i e r ) p l c 是微機技術 和繼電器常規(guī)控制技術相結合的產(chǎn)物，它吸取了微電子技術和計算機技術的 最新成果，采用微型機芯片為核心，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)特點而發(fā)展起來的一種專 用計算機。此外，p l c 形式多樣，使用靈活，甚至能嵌入到專用設備和系 統(tǒng)中，與機械設備融為一體。p l c 主要用于開關控制和順序控制，具有可 靠性高、體積小、價格低、易維護、功能完善、編程方便等優(yōu)點，被廣泛應 用于各工業(yè)領域【”o ”。 1 9 6 9 年，美國數(shù)字設備公司( d e c ) 為美國通用汽車公司( g m ) 研制 開發(fā)并成功應用于汽車生產(chǎn)線上的第一臺可編程控制器f 1 91 ，當時稱為p l c ， 隨著微電子技術的發(fā)展，二十世紀七十年代出現(xiàn)了微處理器和微型計算機， 并將其應用于p l c 中，使計算機功能得到了更大的發(fā)揮，1 9 8 0 年正式命名 為p c lw , 2 0 l ( 為和個人p c 機區(qū)別，習慣上仍稱之為p l c ) ，在二十世紀八十 年代后期開始，p l c 的制造廠家為適應市場需求加迸一些模擬量的采集和 控制功能，并和運動控制相配合，使p l c 從專有性控制器向開放性發(fā)展。 p l c 是以微處理器為核心的電子系統(tǒng)，與計算機所用電路相類似，其結 4 華中科技大學碩士學位論文 構框圖如圖1 1 所示。它由中央處理器單元c p u 、輸入、輸出部分和電源 部分組成1 9 - 2 1l 。 接扭 繼電器 行程開關 電磁線圈 指示燈 圖1 1p l c 控制系統(tǒng)結構圖 中央處理單元c p u 由微處理器、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器構 成，負責處理和運行用戶程序，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，做出邏輯判斷及必要的處理。 電源部件是將交流電源轉換成供p l c 的微處理器、存儲器等電子電路工作 的直流電源，使p l c 正常工作。編程器由鍵盤、顯示器和工作方式選擇開 關等組成，操作人員通過編程器輸入、檢查、修改、調(diào)試用戶程序，也可監(jiān) 視p l c 本身的工作狀態(tài)。輸入、輸出部分是p l c 與被控設備或控制開關相 連接的接口電路。 可編程控制器可以完成：邏輯控制、定時控制、計數(shù)控制、步迸控制、 a d 、d a 轉換、數(shù)據(jù)處理、通信與聯(lián)網(wǎng)、控制系統(tǒng)監(jiān)控等功能。為適應工 業(yè)環(huán)境p l c 具有如下特點【2 l 。5 i ： ( 1 ) 可靠性高、抗干擾性強 p l c 由于在硬件設計上采用了多重抗干擾措施，現(xiàn)場連線一般選用雙絞 屏蔽線、同軸電纜或光纖等，可靠性高。 ( 2 ) 應用靈活、操作方便 p l c 的特點之一是用戶程序可簡單而方便地編制和修改，以適應各種工 藝流程變更的要求。 ( 3 ) 系統(tǒng)構成簡單，通用性強 p l c 的安裝和現(xiàn)場接線簡便，可按積木方式擴充控制系統(tǒng)規(guī)模和增刪其 功能以滿足各種不同場合的要求。 ( 4 ) 設計簡單、維修簡便 p l c 具有標準化的積木式的硬件結構，品種齊全、門類繁多的u o 模板 和功能模板，以及模塊化的軟件設計，具有設計簡單、與現(xiàn)場裝置連接容易、 使用維修簡便以及調(diào)試周期短等優(yōu)點。 華中科技大學碩士學位論文 p l c 在二十世紀六十年代末引入我國時，只用作離散量的控制，其功能 也只是將操作接到離散量輸出的接觸器等上，最早只能完成繼電器梯形邏輯 的操作。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，近年來，由于開發(fā)了具有智能i o 模塊的 p l c ，可將順序控制和過程控制結合在一起，不僅能實現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制， 而且還可實現(xiàn)運動控制。此外，p l c 以現(xiàn)代網(wǎng)絡通信技術和人一機界面技 術為基礎，與d c s 、 p c 技術的融合【l 5 t 2 3 , 2 6 】，形成的新一代的p c s ( p r o c e s s c o n t r o ls y s t e m ，即具有p l c 功能的新型集散控制系統(tǒng)) 和i p l c ( i n t e g r a t e d p l c ，即集成p l c ) 具有比較強大的模擬量處理能力，被廣泛地應用于航天、 冶金、輕工、建材等行業(yè)。 固體推進劑的生產(chǎn)過程既不同于一般的流程工業(yè)，又與離散型的制造業(yè) 不同，其生產(chǎn)過程既需要連續(xù)控制，又有很多需要進行邏輯n 序控制的地 方。綜合考慮各種因素，捏合機控制系統(tǒng)可以選擇現(xiàn)代可編程控制器為核心， 以更好地滿足固體推進劑生產(chǎn)工藝的特殊要求。 1 4 本文的主要研究工作 本文主要研究工作包括： 1 對目前國內(nèi)同類設備控制方案進行了分析和研究，對捏合機設備常 用控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)進行分析和比較。 2 在對捏合機設備結構及其混合工藝流程進行分析的基礎上，提出了 處理超高粘流體物料的捏合機控制系統(tǒng)的總體設計思想及其實施方 案，并給出了該控制系統(tǒng)的軟、硬件總體結構。 3 結合工程實際，研究大型捏合機控制系統(tǒng)中的若干關鍵技術，如現(xiàn) 場信號的提取與傳輸、主電機功率與轉速的調(diào)節(jié)、混合鍋的恒溫控 制方法等等。 4 完成捏合機控制系統(tǒng)的設計、構建與調(diào)試，并分析了系統(tǒng)的實際運 行效果。 華中科技大學碩士學位論文 第二章控制系統(tǒng)總體設計 捏合機是固體推進劑生產(chǎn)線上的核心設備，也是安全可靠生產(chǎn)的關鍵所 在。因此，捏合機控制系統(tǒng)的設計，應充分利用微型計算機、p l c 、設備狀 態(tài)監(jiān)測等新技術，不僅要確保恢復捏合機的原有功能，而且要使改造后的設 備的自動化程度及安全性能上達到一個新的水平。 2 1 捏合機及其控制系統(tǒng) 生產(chǎn)現(xiàn)場與控制室相距約2 0 0 米，生產(chǎn)現(xiàn)場可分三層，各層的平面布置 如圖2 1 所示。整個系統(tǒng)由液壓、氣動、粗加料、細加料、熱水、主電機子 系統(tǒng)以及音視頻監(jiān)視系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)在現(xiàn)場的位置見圖2 1 。 控制室 圖2 1 控制系統(tǒng)平面布置圖 生 產(chǎn) 現(xiàn) 場 華中科技大學碩士學位論文 p l c 是捏合機控制系統(tǒng)的核心，它不僅要完成整個系統(tǒng)的各項控制功 能，而且要為上層監(jiān)視系統(tǒng)提供生產(chǎn)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)。 2 1 1 混合設備的基本構成 混合設備是一種將固體粉料、液體料與適當?shù)哪z化劑進行混勻加工的設 備。其基本加工過程是，根據(jù)一定的工藝j 頤序，將藥料按頓序加入混合鍋中， 由攪拌槳不斷地正反轉攪拌，直至均勻，并達到某種性能要求【2 1 。 處理超高粘流體混合設備的攪拌設備有多種，較常見的有捏合機、雙螺 桿擠出機及密煉機。在固體推進劑的生產(chǎn)中經(jīng)常使用捏合機，捏合機又分為 臥式和立式兩大類，本處使用的是立式兩臂扭框式行星攪拌機。 這臺攪拌機，除攪拌裝置本體外，還包括：攪拌槳的動力驅動部分一 主電機及其輔助設備；混合鍋的升降動力部分一液壓油缸及其輔助設備； 混合鍋的恒溫系統(tǒng)熱水鍋爐及其輔助設備；自動加料部分一粗粉加 料器、細粉加料器及其輔助設備；控制部分控制器及其擴展模塊；各 種開關量、模擬量傳感器等等。 整個捏合機的基本構成如圖2 - 2 所示： 圖2 2 捏合機基本構成 其中，現(xiàn)場操作按鈕是指現(xiàn)場氣動按鈕，包括主電機的現(xiàn)場控制按鈕、 混合鍋升降的現(xiàn)場控制按鈕以及現(xiàn)場推鍋按鈕等。 2 1 2 混料系統(tǒng)基本工藝流程 因工藝的特殊性，本系統(tǒng)最大的特點是自動與手動相結合，每次生產(chǎn)前 由人工將料加入加料器內(nèi)，以實現(xiàn)混合生產(chǎn)中的遠程自動加料，而液體料目 前仍采用手工加料。此外，在攪拌過程中，控制系統(tǒng)要保證混合鍋夾套熱水 溫度保持恒定。 混料基本工藝為： 1 工藝參數(shù)輸入 設定正反轉時間、對應轉速；設定高、低溫熱水箱控制溫度；設定混合 鍋的出水口控制溫度；設定加料速度等工藝參數(shù)。 2 加料混合 開機混合時，提前3 0 m i n 通保溫水，以使混合鍋內(nèi)藥漿溫度達到工藝要 求值?；旌襄伾仙轿缓?，進入混合工序。 具體混合工藝流程如圖2 3 所示。 混合混合 i 加膠等料 i ( 包括正車、反型i 加固體料i ( 包括正車、反到加固體料i l ( 混合前進行) ji ( 細粉料) l 啟動細粉加料器i ( 粗粉料) i 混合混合 混合 ! 望塹堊主：墾翌l 停機清理i ! 垡塹里圭：墾到停機清理l ! 魚塹至圭：墾翌 啟動租粉加料器。i 加粗粉料l 啟動粗粉加料器i 加液體料l 混合 鬟臻碧嚆蔫矧篇等囂h 蓊型i 加粗粉料i 啟動粗粉加料器i 大清理ii 出料ll 測間隙l 圖2 3 混料系統(tǒng)混合工序工藝流程 3 斷保溫水，并為下鍋料的生產(chǎn)做準備。 2 1 3 控制系統(tǒng)功能需求分析與定義 捏合機控制系統(tǒng)的功能主要包括功能控制、報警控制和記憶顯示輸出三 大部分： 1 、功能控制部分： 主電機系統(tǒng) 一主電機的正、反轉，啟停以及槳葉調(diào)速，并實現(xiàn)自動、手動和現(xiàn) 9 華中科技大學碩士學位論文 場的控制功能?？找籧 、槳的轉速在1 2 3 6 r m i n 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 一主電機的控制室和現(xiàn)場及手動和自動操作應能互鎖，現(xiàn)場鍋間隙 檢查時，能夠現(xiàn)場控制主電機，實現(xiàn)槳葉慢速點動。 _ 緊急報警時主電機的緊急停車，主電機停車時，先停轉差離合器 再停電機，啟動時，先啟動電機再啟動轉差離合器。 液壓系統(tǒng) _ l 撐、2 # 油泵電機的啟停、過載保護以及電磁閥控制。 一托舉油缸的油壓差超過一定值，液壓系統(tǒng)應具有油壓自動補償控 制。 混合鍋的分階段變速升降、緊急報警后的混合鍋迅速下降控制， 即混合鍋快速下降一定高度后能夠穩(wěn)定、可靠地快速減速。 鍋到位開關、鍋上升速度轉換和鍋耳鎖緊均采用氣動元件；升降 油缸正?？焖偕邓俣? 0 1 5 m m s ，慢速升降速度。 一3 0 0 m m s ；液壓系統(tǒng)連續(xù)工作時間2 4 小時。 加料系統(tǒng) 一加料器到位控制、加料器的啟停、振動器的啟停控制、氣缸的開 啟控制。 _ 下料速度可調(diào)節(jié)、加料器到位信息反饋到控制室，并參與控制。 粗加料器和細加料器的加料速度調(diào)節(jié)范圍分別為1 0 6 0 k m i n ，2 1 2 k g m i n 。 - 料斗秤的靜態(tài)精度優(yōu)于o 2 ，量程裕量大于5 0 i ；i 抗振性強， 可靠性高。 熱水系統(tǒng) _ 高、低溫水箱水溫、水位的檢測。 一鍋夾套循環(huán)水溫的檢測。 _ 水溫、水位控制，熱水泵和閥以及電加熱器的啟?？刂? 手動、 自動) 。 高、低溫水箱的溫度設定范圍分別為4 0 6 0 。c 和3 0 - 4 0 。c ，達到初 始工作溫度時間為6 0 m i n 。 2 、音視頻監(jiān)視、報警控制 主電機機殼溫度，轉差離合器殼體溫度及其冷卻水溫度，電流、功率、 扭矩、轉速的顯示、監(jiān)測和報警：生產(chǎn)流程，設備狀態(tài)的實時監(jiān)測以及生產(chǎn) 工藝參數(shù)的設定( 在人機操作界面m m 上進行修改) ；異常狀態(tài)報警與緊急 1 0 華中科技大學碩士學位論文 狀態(tài)下的聯(lián)鎖互動；溫度報警，安全門報警及互鎖，扭矩、功率、料溫、鍋 內(nèi)壓力的報警以及系統(tǒng)故障時的報警；生產(chǎn)現(xiàn)場的多角度、多畫面監(jiān)視以及 單畫面的高清晰度電視顯示，現(xiàn)場與控制室的實時對講系統(tǒng)。 所有報警都應有聲光示警，并應自動顯示相應的報警內(nèi)容。 3 、記憶顯示輸出系統(tǒng) 實時記憶( 含異常報警) 流程參數(shù)、設備狀態(tài)；具有顯示狀態(tài)、打印流 程參數(shù)和設備狀態(tài)等功能。 流程參數(shù)報表和設備狀態(tài)報表，料溫、槳葉轉速、扭矩和功率，要求每 鍋形成時間曲線；參數(shù)設置、顯示、記錄、打印等均應滿足工藝要求。 2 2 控制系統(tǒng)總體設計 2 2 1 設計思想 系統(tǒng)的自動化程度應根據(jù)企業(yè)和同類設備的技術水平而定，以提高企業(yè) 的經(jīng)濟效益為目的。如前所述，固體推進劑的生產(chǎn)過程既需要連續(xù)控制，又 需要邏輯順序控制，就此而言，分析同類設備的不同控制方案，可以確定， 采用以新型p l c 為核一1 5 , 的控制系統(tǒng)是目前比較好的選擇( 。 此外，固體推進劑混合生產(chǎn)中發(fā)生爆炸事故，因此，控制系統(tǒng)的可靠性、 安全性問題是系統(tǒng)選型時需重點考慮的因素。不僅在系統(tǒng)硬件的選購、設計 上要求考慮安全性、可靠性，而且在控制系統(tǒng)的軟件設計中也必須考慮對傳 感器信號進行處理，如濾波、消抖、聯(lián)鎖保護等。 首先，應該選用高性能的計算機承擔控制任務。在本系統(tǒng)控制任務中， 需處理1 7 8 個輸入、輸出點，其中開關量比較多，有1 3 7 個。其次，為預防 控制系統(tǒng)出故障，后備裝置的設置也是必需的。由于該系統(tǒng)要求一般連續(xù)運 行7 2 小時左右，因此采用雙機熱后備的方式提高系統(tǒng)的可靠性。這樣，一 旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就可將后備系統(tǒng)裝置切換到控制回路中，維護生產(chǎn)過程的 正常運行。 2 2 2 遠程智熊i o t ” 遠程智能i o 模塊是以微處理器為基礎的功能部件，有很強的信息處理 能力和控制能力。遠程智能i o 模塊通過對通訊電纜與p l c 主機相連， 可以完成p l c 難以兼顧的功能。這樣，可以簡化控制系統(tǒng)的設計和編程， 華中科技大學硬士學位論文 提高p l c 的適應性和可靠性。 完整的遠程智能王o ( 又稱r i o ) 系統(tǒng)由三個部分組成，即智能i o 前 端、現(xiàn)場網(wǎng)絡通訊總線和計算機適配器四，”1 。如圖2 - 4 所示。 圖2 - 4 遠程智能i o 的組成 其中計算機通訊適配器完成整個網(wǎng)絡的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，實現(xiàn)與主控系統(tǒng) 的信息交換，如m o d i c o n $ 9 0 8r i o 處理器，插入母板插槽，即可對遠程智 能i o 網(wǎng)絡及前端進行操作，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制功能?，F(xiàn)場網(wǎng)絡通訊 總線是連接各智能前端和通訊適配器并實現(xiàn)相互通訊的一種總線形式，采用 串行通訊方式，可支持點對點、點對多點、主從式及廣播式等工作方式。智 能前端是完成現(xiàn)場信號轉換和處理的遠程i o 接口裝置，完成a d 、d a 轉 換、濾波、去抖、熱電偶、熱電阻測量變換、工程單位轉換及基本處理和運 算功能等。 這種控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點如下： 1 可靠性高 遠程智能o 采用多i o 前端獨立并行工作方式，任何單一的主機故障 或前端故障不會導致系統(tǒng)整體癱瘓，能把故障影響限制在最小范圍。由于i o 前端的連接網(wǎng)絡采用串行總線，智能前端就地安裝，因此能大大提高系統(tǒng)可 靠性和測控精度。 2 分散性好 智能前端采用密封式結構，可防塵、防潮，能適應工業(yè)現(xiàn)場的溫度、濕 度及震動等惡劣環(huán)境，因而可在傳感器或變送器附近就地安裝，使各種信號 就近得到處理，使通訊網(wǎng)絡延伸到工藝設備安裝現(xiàn)場，成為“現(xiàn)場總線”， 由此可節(jié)省大量的信號電纜。 華中科技大學碩士學位論文 2 2 3p l c 系統(tǒng)選型 根據(jù)用戶的高可靠性要求m 3 ”，p l c 的c p u 模板和i 0 模板都應采用 熱備方式，但考慮到增加i 0 模板熱備系統(tǒng)成本會增加很高，因此只考慮c p u 模板熱備的方式，對j o 模板則采用冷儲備的方式。即兩臺p l c 同時工作， 一旦主p l c 出現(xiàn)故障，在容許的時間間隔內(nèi)自動或手動切換到備份p l c ， 備份p l c 開始進行控制。 關于熱后備，可以考慮采用兩種切換方式：一種是選用成熟的支持熱備 份的p l c ；另一種是選購市場上支持的能滿足所需功能的自動切換設備。 為簡化系統(tǒng)設計，此處考慮采用第一種切換方式。多家公司的p l c 產(chǎn)品都 支持熱備份，如法國s c h n e i d e r 公司的q u a n t u m 系列，德國s i e m e n s 公司早 期的s 5 系列、近期推出的s 7 4 1 7 h 系列等。從性價比來看，法國s c h n e i d e r 公司的q u a n t u m 系列p l c 無疑具有較高的性價比，而且該系列產(chǎn)品推出市 場比較早，技術比較成熟，能實現(xiàn)無擾動的切換，i 0 模板支持帶電插拔， 方便檢修。且其p l c 控制系統(tǒng)已經(jīng)成功地應用于多個要求高可靠性的工程 項目中。 支持熱備份的p l c 使用自動切換方式，所有的動作都是自動的，備份p l c 讀取存儲器模塊的系統(tǒng)設備狀態(tài)信息，斷開主p l c 的輸入部分和輸出部分， 再斷開主p l c 的強電，備份p l c 開始工作。而使用自動切換設備進行切換 的方式采用的是手動切換方式，在該種切換方式中，主p l c 故障前的設備 狀態(tài)應由備份p l c 保持( 如遇鍋在升降，應停止升降) ，同時上級監(jiān)視計算 機和報警裝置提示主p l c 故障，是否進行人工切換。其操作順序與自動切 換方式是一樣的。本控制系統(tǒng)選用的是自動切換方式，其結構【”1 如圖2 5 所示： 圖2 - 5s c h n e i d e rq u a n t u m 系列p l c 熱備自動切換結構 螢霧圜翼圜霎 華中科技大學碩士學位論文 工業(yè)控制系統(tǒng)中的通訊涉及到許多不同類型的現(xiàn)場信號，再加上高可靠 性要求，為此本系統(tǒng)中h m i 與p l c 之間，工業(yè)控制計算機與p l c 之間均 使用工業(yè)控制專用通訊協(xié)議m o d b u sp l u s t3 “。 根據(jù)系統(tǒng)設計的實際要求，綜合考慮可靠性、安全性等因素，決定采用 如圖2 - 6 所示的系統(tǒng)網(wǎng)絡結構i “，”】。 圖2 - 6 雙機雙纜熱備冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖 其中r i o 分站最多可擴充到3 1 個。 2 3 系統(tǒng)總體結構 2 3 1 系統(tǒng)硬件基本組成 整個系統(tǒng)可分為三層結構：設備層，控制層，操作、監(jiān)視層。其中設備 層與控制層計算機( 在本系統(tǒng)中為p l c 的c p u 模板) 通過遠程i o ( i u o ) 相連，組成分布式控制網(wǎng)絡；控制層p l c 與操作計算機( 在本系統(tǒng)中為h m i 和i p c ) 通過工業(yè)控制專用通訊網(wǎng)絡m o d b l l sp l u s 相連，構成控制網(wǎng)絡?？?制系統(tǒng)的i p c 中配置有以太網(wǎng)卡，可與廠級計算機局域網(wǎng)相連，能為工廠 1 4 華中科技大學碩士學位論文 有關部門提供反映生產(chǎn)狀況的實時數(shù)據(jù)。 控制系統(tǒng)選用s c h n e i d e r 公司的m o d i c o nt s xq u a n t u m 系列p l c 完成整 個控制系統(tǒng)的功能控制，并為上層監(jiān)視系統(tǒng)提供現(xiàn)場設備實時數(shù)據(jù)。p l c 的輸入包括各種模擬量、控制臺、現(xiàn)場操作按鈕及其它部件的開關量，輸出 包括對各部件的控制與指示燈信號。p l c 通過m o d b u sp l u s 工業(yè)控制網(wǎng)絡與 計算機監(jiān)視子系統(tǒng)和h m i 顯示終端相聯(lián)。 控制系統(tǒng)的總體結構圖如2 7 所示。 控制臺按掃 i 報警電笛 l 指示燈 顯示儀表 h m i 顯示終端卜t 叫i p c 控制室p l c 柜m b + 網(wǎng) p l c 分站l q p n 輸 入 輸 出 模 塊 遠 程 吾 通 訊 模 塊 p l c 主站l 腓 主備切換控制器 t 程i 0 通訊模自 瑟i 霾l 弱i 弱 鬟i 葬l 銎i 銎 鎣i 蔞l 磊l 磊 斗吲罄l 笑1 丌l ? l c 輸入輸出模 現(xiàn)場p l c 分站 遠程o 通訊模： ? l c 輸入輸出模 l # 強電柜| 1 2 # 強電 圖2 7 控制系統(tǒng)總體結構圖 其中，h m i 顯示終端為人機操作界面，使用專用操作系統(tǒng)m a g e l i s ，通 過專用h m i 網(wǎng)卡與p l c 進行通訊，二者之間使用m o d b u sp l u s 協(xié)議完成數(shù) 據(jù)交換。h m i 是該控制系統(tǒng)的主要操作站，完成調(diào)試狀態(tài)下設備的操作、 各工藝參數(shù)的設定以及生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測、參數(shù)顯示等工作。 工業(yè)控制計算機 p c 使用過程監(jiān)測軟件f i x ，通過s a 8 5 0 0 網(wǎng)卡與p l c 進行通訊，二者之間使用m o d b u sp l u s 協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換。i p c 一般不參與 控制，組態(tài)軟件f i x 主要用于車間設備狀態(tài)圖和監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)實時顯示、 歷史數(shù)據(jù)的記錄、產(chǎn)量的累加和定期報表的產(chǎn)生。當h m 與p l c 的通訊失 敗時，可通過i p c 設定主電機轉速、運轉時間等重要參數(shù)，以保證系統(tǒng)的 繼續(xù)運行。 1 撐強電柜包括對主電機、轉差離合器及其控制裝置、真空泵電機( 保留) 、 加熱爐、加熱泵電機、高溫水泵電機、低溫水泵電機以及抱閘裝置等的控制， 還提供主電機功率、電流的檢測等。 2 存控制柜包括對液壓雙聯(lián)泵電機、 電機( 保留) 、清液攪拌電機( 保留) 、 液壓備用泵電機、氣泵電機，隔膜泵 粗加料振動篩、細加料振動電機以及 華中科技大學碩士學位論文 加料系統(tǒng)可控硅裝置等的控制。 系統(tǒng)的網(wǎng)絡配置如圖2 - 8 所示： 圖2 - 8 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡配置 在此配置方案中，p l c 的c p u 模板為雙機熱備，r i o 通訊電纜為雙纜 華中科技大學碩士學位論文 冗余，主備p l c 與i o 模塊間采用遠程i 0 通訊。 2 3 2 系統(tǒng)軟件基本結構 控制系統(tǒng)軟件采用模塊化結構，子系統(tǒng)的增減或子系統(tǒng)功能的改變只影 響相應的程序模塊，因而能很好地適應生產(chǎn)工藝和設備的變化。根據(jù)系統(tǒng)特 點，可把整個控制系統(tǒng)分為主電機功能模塊、液壓功能模塊、混合鍋恒溫控 制模塊、氣動功能模塊、以及粗、細加料功能模塊等。 控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境有三個：即p l c 控制軟件c o n c e p t 、h m i 軟 件x b t l 1 0 0 0 和工控機( p c ) 的生產(chǎn)過程監(jiān)控軟件f i x 。 控制系統(tǒng)軟件的主要結構如圖2 - 9 所示。 主程序模塊 圖2 - 9 控制系統(tǒng)軟件基本結構 1 7 氣動功能控制及故障報警模塊 混合鍋恒溫模塊 混臺鍋模塊 加料模塊液壓模塊 主電機模塊 恒溫故障報警模塊恒溫功能控制模塊 混合鍋故障報警模塊混合鍋功能控制模塊 細加料模塊粗加料模塊 液壓故障報警模塊液壓功能控制模塊 主電機故障報警模塊 主電機功能控制模塊 操作臺功能控制及故障報警模塊 細加料故障報警模塊細加料功能控制模塊粗加料故障報警模塊 粗加料功能控制模塊 華中科技大學碩士學位論文 其中，主程序模塊主要完成： 1 對p l c 各i o 模塊進行功能配置。 2 實現(xiàn)模擬量信號的工程量程、信號標度的變換以及軟件濾波等處理。 3 實現(xiàn)控制室操作臺上五點鍋內(nèi)料溫測點的循環(huán)顯示。 4 對p l c 工作狀態(tài)的監(jiān)測，系統(tǒng)時鐘的設定等。 5 完成捏合機正、反轉混合時間的計算等a 6 實現(xiàn)操作臺各按鈕指示燈的完好性軟件檢查功能。 各子功能模塊內(nèi)部則以梯形圖或函數(shù)功能圖的方式實現(xiàn)其邏輯控制或故 障報警功能。 1 8 華中科技大學碩士學位論文 第三章控制系統(tǒng)若干關鍵技術的研究 捏合機控制系統(tǒng)是一種比較復雜的大型機電控制系統(tǒng)，既包含電機的控 制，又有液壓、氣動以及遠程自動加料的控制，還有套完整的水系統(tǒng)控制， 其技術難點多而且分散，下面就影響系統(tǒng)性能的若干關鍵技術進行更加深入 的討論。 3 1 現(xiàn)場信號的采集與傳輸 3 1 1 現(xiàn)場信號的分類 本系統(tǒng)的現(xiàn)場信號如表3 1 所示。 表3 - i 現(xiàn)場信號的分類 序號信號分類信號類型備注 包括電流、功率傳感器變換信號，壓 力傳感器變換信號，液位傳感器變換信號 1 模擬量輸入 4 2 0 m a 以及轉速表、流量計和溫濕度儀表等輸出 信號 除溫濕度信號測量外，所有溫度信號 2熱電阻輸入p t l 0 0 均采用標準p t l 0 0 熱電阻傳感器測量。 包括現(xiàn)場按鈕( 氣動) 。轉換開關( 氣 3 開關量輸入 d c2 4 v動) ，行程開關( 氣動) ，觸點開關，熱保 護開關以及壓力開關等輸出信號 4 模擬量輸出 o 5 v 轉差離合器速度調(diào)節(jié)電壓信號 包括液壓系統(tǒng)所有電磁閥，氣缸電磁 5 繼電器輸出 d c 2 4 v 閥，報警電笛及報警燈等 所有的電機、水泵、加料振動器的接 6 開關量輸出a c2 3 0 v觸器線圈，熱水電磁閥，抱閘裝置、熱水 鍋爐的接觸器線圈等 3 1 2 現(xiàn)場模擬量信號的檢測與傳輸 考慮到遠距離傳輸模擬量信號的需要，本系統(tǒng)除溫度測量外的所有模擬 量信號均經(jīng)傳感器變換為4 - 2 0 m a 電流環(huán)信號輸入到對應p l c 的i o 模板， 溫度的測量采用p t l 0 0 熱電阻變換為電阻變化信號輸入到p l c 對應模板。 1 9 華中科技大學碩士學位論文 壓力、液位、電流、功率以及流量等被測量直接由相應的傳感器變換為 4 - 2 0 m a 信號。轉速由o m r o n 公司e 2 e x 5 m e i 接近開關轉換成t t l 電平 的頻率信號，再由智能轉速顯示變送儀x m s5 0 0 0 轉換為4 - 2 0 m a 電流信號。 重量由梅特勒一托利多s b 1 型( 粗粉料) 以及m t b 一2 0 0 型( 細粉料) 稱 重傳感器測量，再由稱重顯示儀x k 31 2 3 轉換為4 - 2 0 m a 信號。由于生產(chǎn)現(xiàn) 場易發(fā)生爆炸危險，現(xiàn)場溫濕度的測量選用奧地利e + e ( e l e k t r o n i k ) 公司的e e 2 8 系列工業(yè)溫濕度防爆變送器，其輸出信號經(jīng)顯示儀表后輸出也 為4 - 2 0 m a 信號。 其它溫度信號的測量( 如冷卻水溫度、機殼溫度，液壓油溫度以及熱水 溫度等) 采用p t l 0 0 的熱電阻測量，根據(jù)不同的使用場所選用對應的傳感 器安裝形式，其輸出信號均為電阻變化信號，為消除連接導線電阻的影響， 熱電阻信號采用三線制傳輸，p l c 模板硬件自動矯正偏差。 3 1 _ 3 現(xiàn)場開關量信號的檢測與傳輸 在此系統(tǒng)中，現(xiàn)場開關量的檢測方法有兩種： 對于普通的觸點開關、熱保護開關、壓力開關等信號，直接引入p l c 的數(shù)字量i o 模板。 對于有安全性要求的現(xiàn)場按鈕、轉換開關、行程開關等信號，則先用氣 電轉換裝置轉換為電信號，再引進p l c 的i o 模板。為了保證氣電轉換裝 置的正常工作，氣動系統(tǒng)必須維持一定的壓力。 3 1 4 測量信號的標度變換 因p l c 的模擬量i o 模板的輸入、輸出均為同一標準信號，如均為4 - 2 0 m a 電流環(huán)信號、電阻信號或0 - 5 v 電壓信號等，但對應的實際信號的工程標稱 值的范圍或單位卻是多種多樣的( 如是m p a 或是k g ，是0 - 1 0 0 0 k g 或是0 5 0 0 0 k g 等) ，如何將標準的4 - 2 0 m a 或o 5 v 信號變換成對應的工程量值， 是信號的標度變換要解決的問題。 在p l c 控制軟件c o n c e p t 中，信號標度變換可通過調(diào)用函數(shù)庫中適當?shù)?函數(shù)來完成【3 9 】。具體操作方法如下： 1 新建一個區(qū)段：n e ws e c t i o n - - ) f b d ； 2 選庫：o b j e c t s - - ) f b ds e l e c t i o n - - ) l i b r a r y - - - ) a n ai o ： 3 通道配置：g r o