芯片包装带控制系统的设计与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.29MB 69 页 15积分
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摘 要
信息技术的飞速发展，引起了自动化领域传统控制系统结构的变革，逐步形
成以网络集成自动化为基础的企业信息系统。因此，网络控制成为整个工业控制
的发展趋势。
本文针对3M漕河泾工厂芯片包装带生产线的工艺特点，采用罗克韦尔公司
的ControlLogix5561控制系统、EtherNet通信模块、FactoryTalk监控软件等设计了
一个基于EtherNet的现场总线控制系统，实现了罗克韦尔自动化公司产品在芯片
包装带生产线上的成功应用。
该系统上位集成部分由工控机与监控软件FactoryTalk的组合，下位分散控制
部分选用了ControlLogix系列PLC，组态软件与PLC之间的通信采用多点结构。
随着以太网技术的发展，以太网的实时性和抗干扰方面也有了很大的提高，因此
本系统控制层与设备层也采用了EtherNet通信。在完成硬件选型的同时，通过编
程软件RSLogix5000完成PLC的程序设计，使其满足自动生产的功能，再对
FactoryTalk进行了界面编程，以使监控、配方以及动态调整参数等功能得以实现。
张力控制与伺服同步控制是本文需要解决的关键问题，在对生产线深入了解
的情况下，提出了利用张力辊来实现卷绕机的张力控制。虽然与采用张力传感器
的方案相比，精度及反应速度稍差，但仍然可以满足现场生产的需要。对工艺站
的成型机与冲孔机要求速度同步，罗克韦尔的伺服驱动器及伺服电机与运动控制
模块的配合完美的解决了这个问题。
生产线现已投入实际运行，本系统不仅实现了对芯片包装带生产过程的全自
动监控，而且提高了系统的安全性、可靠性及自动化水平。这也证明了用现场总
线技术与PLC集成形成的控制系统是切实可行的，且具有潜在的市场影响力。这
种集成控制系统在3M漕河泾工厂芯片包装带生产系统中的成功运用，对于其它
领域的自动化应用也具有一定的参考价值。
关键词：Ethernet 可编程控制器 张力控制 伺服
ABSTRACT
With the rapid development of internet, causing a structural change of the
traditional field of automation control system, and gradually form the integrated
automation of network-based Enterprise Information Systems. Therefore, the network
control has become the development trend of the industrial control.
In this paper, the 3M Caohejing factory chip packaging with the technological
characteristics of the production line, to Rockwell ControlLogix5561 control system,
the EtherNet communication module, FactoryTalk monitoring software design of a
fieldbus control system based on EtherNet Rockwell automation products in the chip
packaging with the successful application of the production line.
Integrated part of the upper of the system by the combination of IPC and
Monitoring Software FactoryTalk, decentralized control part of the selection of the
ControlLogix family PLC, configuration software and PLC communication between
the multi-point structure. With the development of Ethernet technology, Ethernet
real-time and anti-jamming has been greatly improved, this system is the control layer
and device layer EtherNet communication. Complete hardware selection,
programming software RSLogix5000 complete PLC program design to meet
automatic production function, on the FactoryTalk interface programming, monitoring,
formulation and dynamic adjustment of parameters function can be achieved.
Tension control servo synchronization control of the key issues need to be
addressed in this article, in-depth understanding of the situation on the production line,
the tension roller to the winding machine tension control.Compared with the tension
sensor program, the accuracy and speed of response somewhat less, but still meet the
on-site production needs. Craft station forming machine and punching machine for
speed synchronization the Rockwell servo drive and servo motor and movement
control module with the perfect solution to this problem.
The production line has been put into practical operation, the system has not only
realized the chip packaging with automatic monitoring of the production process, and
improve system security, reliability and automation level. This also proves that the
formation of integrated fieldbus technology and PLC control system is feasible, and
has a potential influence on the market. This integrated control system with the 3M
Caohejing factory chip packaging successfully used in the production system for
automation applications in other areas also have some reference value.
Key Word：Ethernet, PLC, Tension control ,Servo
8
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论......................................................1
§1.1 课题背景及国内外研究现状..................................1
§1.2 本课题的研究内容..........................................2
第二章 生产工艺及设备.............................................4
§2.1 生产工艺简介 .............................................4
§2.2 生产线设备 ...............................................4
第三章 控制系统硬件设计...........................................8
§3.1 网络规划 ..................................................9
§3.1.1 设备层组建方案 .......................................9
§3.1.2 控制层组建方案 .......................................9
§3.1.3 信息层组建方案 ......................................10
§3.2 控制层的硬件组建 ........................................11
§3.3.2 PLC 选型 ............................................12
§3.3.3 伺服驱动器 ..........................................15
§3.3.4 伺服电机 ............................................15
§3.3.4 以太网交换机 ........................................16
§3.3 系统总体硬件结构 ........................................16
第四章 控制系统软件设计..........................................18
§4.1 PLC 程序设计 .............................................18
§4.1.1 PLC 软件的使用 ......................................18
§4.1.2 程序设计 ............................................22
§4.1.3 程序结构 ............................................25
§4.2 网关通讯软件.............................................31
§4.2.1 RSLinx 简介 .........................................31
§4.2.2 RSLlinx 以太网通讯组态 ..............................32
§4.3 人机界面的设计...........................................34
§4.1.1 系统总览.............................................34
§4.1.2 挤出机工艺段 ........................................35
§4.1.3 工艺站工艺段 ........................................37
§4.1.4 卷绕工艺段 ..........................................37
§4.1.5 配方界面 ............................................39
§4.1.6 维修界面.............................................40
§4.1.7 PID 设置界面 ........................................41
§4.1.8 快速诊断界面 ........................................42
§4.1.9 卷绕软限位界面 ......................................42
§4.1.10 工程师界面 .........................................43
§4.1.11 报警界面 ...........................................44
第五章 控制系统中的关键问题......................................45
§5.1 张力控制.................................................45
§5.1.1 张力控制系统概述 ....................................45
§5.1.2 张力的产生原理 ......................................46
§5.1.3 张力控制设备 ........................................48
§5.1.4 反馈方式的选择 ......................................48
§5.1.5 控制算法 ............................................49
§5.1.6 控制方案 ............................................49
§5.2 伺服控制.................................................51
§5.2.1 伺服控制特点 ........................................51
§5.2.2 伺服控制策略选择.....................................52
§5.2.3 组态运动轴 ..........................................54
§5.2.4 控制方案 ............................................57
第六章 现场投运及评价............................................61
第七章 总结与展望................................................64
参考文献.........................................................65
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果...................67
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景及国内外研究现状
中国塑料机械工业是为高分子材料（俗称塑料）成型制品在航空航天、国防、
石油化学、汽车、电子信息、建筑材料、农业及轻纺等工业领域应用提供重要装
备的产业。其产品关联度大、综合性强，在国民经济中日益显示出极为重要的作
用。塑料机械工业的发展，在一定程度上反映出一个国家和地区的国民经济及技
术发展水平。
80年代之前，我国塑料机械企业多数分布在原轻工、机械和化工三大系统，
规模较小、装备落后、技术力量薄弱。技术上以对引进的样机进行测绘和仿制为
主，产品品种少、水平低、模具使用及开发能力低、缺乏成套供应能力。
80年代后期，随着塑料产品的大量应用，市场对塑料成型、加工设备的需
求大量增加。许多企业通过与国外塑料机械制造企业的合资、合作，从国外引进
先进的技术和设计进行消化吸收，使我国塑料机械制造水平有了明显的提升，产
品开始能够满足塑料加工工业的要求。进入 20 世纪 90 年代，由于塑料新型材料
的不断涌现，塑料的应用领域已从一般民用、农用向几乎所有工业领域，如航空
航天、国防、石化、汽车、家电、建筑、包装、通讯、计算机等产业快速扩展。
我国塑料机械工业在取得快速发展、长足进步的同时，也要客观地审视与发
达国家和地区相比所存在的差距。
我国的塑料机械行业生产水平较低，目前所能生产的塑料机械主要满足中、
低端用户的要求，在中、低端的市场上有一定的竞争能力。国产塑料机械的技术
水平能够达到或者接近台湾同类设备的水平，在不发达国家中处于前列，但在国
际上只能算是二、三流水平。我们与国外先进的塑料设备之间的主要差距表现在
生产效率、微型化、精密化、大型化以及自动化水平等诸多方面。
1.单机生产速度上的差距
2008 年国际橡塑展上 Husky 公司展出的 Hylectric 400 注塑机是目前世界上
产能最高的塑料瓶盖生产装备，最高每分钟可以生产 1986 个瓶盖，如果工作时
间每年按 8000 小时计算，则每年可以生产 9.5 亿个。国外的超高速注塑机可以
生产厚度为 0.6mm 的光盘，每个光盘的成型周期不到 4s。国外吹塑工艺成型
250ml 饮料瓶的单机产量可以达到 15000~20000 个/h，最高速度可达 50000 个/h，
而国内的设备最高产量为 6000~8000 个/h。国内生产的螺杆直径为 90 毫米的单
芯片包装带控制系统设计与实现
2
螺杆挤出机生产 HDPE 的产量在 500kg／h以下，而德国 Krauss Maffei 公司的同
规格单螺杆挤出机的产量可以达到国产设备的接近两倍。国产 SHJ-132H 同向平
行双螺杆挤出机的最大产量为 1500～4000 kgm，而德国 Coperion MAP公司的
ZSKl253 的产量可以高达 11000 kg/h。尽管国内设备的价格较低，还不到进口设
备价格的 1/3，但由于国内设备的生产速度较低，使得单位产品在人工和能耗上
消耗过大，所以国产设备劣势明显。
2.精度上的差距
日本Nissei公司生产的的ES系列注塑机，质量偏差可以控制在0.001329mm以
内，温度控制精度可达±0.5℃；美国Precision Extrusion公司的医学导管设备的温
度控制精度在±0.5℃以内，管材外径偏差可以控制在±0.0125mm以下，已经达到
机械加工的精度。与此同时，大部分国产设备的制造精度不及国外产品的1/10。
虽然与国外技术水平存在巨大差距，但国内企事业单位和科研院所也在不断
追赶国外的先进技术。北京化工大学已经开展精密挤出成型装备的研究工作将近
10年，通过科研人员的不断努力，取得了一系列的创新成果。精密挤出装备在光
纤、医用导管、多层燃油管、精密液压管等生产线上采用，生产线的整体水平已
经达到国际先进水平。
3.大型装备上的差距
目前，我国的大型塑料机械大部分要依靠进口，国产厂家只能生产一些中小
型设备，不能参与到大型设备的竞争当中。比如为为乙烯工程配套大型造粒机组
全部依赖进口，该设备的市场完全被德国、日本、美国等国的生产厂家所垄断。
由于大型塑料装备一些核心、关键技术仍依赖国外，全部国产化面临着设计、制
造、材料等一系列系列难点，我国整体自主生产大型塑料装备任重而道远。
随着科技的不断发展，企业生产规模的不断扩大，企业必然对装备的制造精
度和生产可靠性提出新的要求，无人值守的自动控制生产必然成为成为企业的唯
一选择。
针对上述情况并结合工厂实际，本文设计了一条以聚酯切片为原料的芯片包
装带生产线，实现了生产线的自动控制，提高了产品质量和劳动生产率。在这个
控制系统中，涉及到了直流电机调速，变频调速，伺服控制，温度控制等综合自
动化技术，工业以太网和PLC结合，各个PLC控制系统通过工业以太网连接，充
分发挥了PLC和以太网的优势，有利于提高控制过程的网络化、智能化、实时性
和灵活性。
第一章 绪论
3
§1.2 本课题的研究内容
本文以上海3M公司芯片包装带生产线为研究对象，结合现有生产线存在的
问题以及控制技术的发展状况，本系统设计了一个集PLC(可编程逻辑控制器)、
触摸屏、伺服控制系统、现场总线于一体的控制系统方案。本系统的性能特点有
以下几点：
(1)既包含PLC的可靠性高，抗干扰能力强、以及灵活性、通用性强、使用方
便、功耗低等优点，又能够兼容4~20mA的模拟量信号和开关量信号，从而增强
了系统的控制能力。
(2)结合了现场总线的开放性、系统结构的高度分散性、互可操作性和对现
场环境的适应性等特点，这从整体上提高了系统的可靠性与稳定性，为化工厂的
安全、稳定的生产提供了有力保证。
(3)可扩展性也是系统要重要考虑的内容。在系统设计时，为将来升级预留
了足够的接口模块，通过对现场总线的扩展，甚至可以加入一个并行的系统。可
扩展性为以后工厂升级提供了足够的准备。
从控制特点来看，本系统类似于集散型控制系统。“集中管理，分散控制”
在本系统中得到了完美体现。同时，现场总线技术的加入，提高了整个系统的自
动化水平，为将来的技术改造升级或功能扩展提供了必要条件。
本文主要研究以下内容：
第一章主要介绍了课题背景和国内外塑料机械的发展现状，并阐述了主要工
作与安排。
第二章主要介绍了生产工艺流程及现场设备。
第三章在分析了控制系统需求的基础上，设计了控制网络的组建及硬件配置。
第四章以挤出机控制为例，详细描述了控制程序的编制方法及人机界面的设
计。
第五章详细阐述了设计中的关键问题，卷绕机的张力控制和工艺站的同步伺
服控制及 PID 算法在控制中的实现。
第六章介绍了生产线现场投运的一些情况。
第七章是总结与展望，对研究工作做了一个总结同时对控制系统进一步改造
提出了初步设想。
摘要：

6摘要信息技术的飞速发展，引起了自动化领域传统控制系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化为基础的企业信息系统。因此，网络控制成为整个工业控制的发展趋势。本文针对3M漕河泾工厂芯片包装带生产线的工艺特点，采用罗克韦尔公司的ControlLogix5561控制系统、EtherNet通信模块、FactoryTalk监控软件等设计了一个基于EtherNet的现场总线控制系统，实现了罗克韦尔自动化公司产品在芯片包装带生产线上的成功应用。该系统上位集成部分由工控机与监控软件FactoryTalk的组合，下位分散控制部分选用了ControlLogix系列PLC，组态软件与PLC之间的通信采用多点结构。随着...

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