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寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
所在學(xué)院
機(jī)電學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)
08機(jī)6(本)
學(xué)生姓名
沈玉萍
學(xué)號(hào)
08141010626
指導(dǎo)教師
龔方
題 目
基于UG CAD/CAM的箱體wl制造
一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容與基本要求：
箱體零件為大批量生產(chǎn)。在對(duì)箱體零件進(jìn)行零件圖分析和工藝分析的基礎(chǔ)上，制定零件加工工藝規(guī)程，設(shè)計(jì)1-2套工裝夾具，數(shù)控編程。
具體要求：
1．查閱文獻(xiàn)資料不少于12篇，其中外文資料不少于2篇。文獻(xiàn)翻譯不少于2000字，文獻(xiàn)綜述不少于3000字。
2．繪制箱體零件和毛坯圖。
3．制定零件加工工藝規(guī)程。
4．設(shè)計(jì)工序加工中所采用工裝夾具1-2套，繪制2D、3D-CAD裝配圖及部分主要零件圖。
5．?dāng)?shù)控加工需手工或自動(dòng)編制數(shù)控加工程序。
6．撰寫1萬字以上設(shè)計(jì)說明書一份，繪圖量為三張A0圖紙。
二、畢業(yè)論文進(jìn)度計(jì)劃
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 2011 年 07 月 01 日至 2012 年 02 月 01 日
其中：1、2011年09月，開學(xué)前完成文獻(xiàn)資料查閱。翻譯外文論文，撰寫文獻(xiàn)綜述。
2、2011年09月20日，提交開題報(bào)告。
3、2011年11月01日，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一稿。
4、2011年12月01日，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第二稿。
計(jì) 劃 答 辯 時(shí) 間： 2011 年 04 月 01 日
三、專業(yè)（教研室）審批意見：
審批人（簽字）：
目 錄
1 緒論
1.1 課題背景及目的
7
緒論
1.1課題背景及目的：
本課題是基于UG CAD/CAM的箱體wl制造，箱體零件的加工屬于典型零件加工，由于箱體零件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工工藝也相對(duì)比較復(fù)雜，通常都是采用鑄鐵材料。一般先將材料鑄造成毛坯，然后經(jīng)過時(shí)效處理后在進(jìn)行加工，大多采用先面后孔的加工路線。
箱體零件加工具有典型性，對(duì)于我們機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的學(xué)生來說，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅能夠復(fù)習(xí)、運(yùn)用在這四年里所學(xué)過的知識(shí)，而且還能讓我們把所學(xué)到的所有知識(shí)都統(tǒng)一起來，融會(huì)貫通。這讓我們更全面的了解箱體類零件加工工藝過程和夾具設(shè)計(jì)等。
機(jī)械制造技術(shù)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)機(jī)械工程類專業(yè)學(xué)生應(yīng)職應(yīng)崗能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，它要求學(xué)生能全面綜合地運(yùn)用所學(xué)的理論和實(shí)踐知識(shí)，進(jìn)行零件機(jī)械加工工藝規(guī)程和工藝裝備的設(shè)計(jì)。其基本目的是：
（1） 培養(yǎng)工程意識(shí)。
（2） 訓(xùn)練基本技能。
（3） 培養(yǎng)質(zhì)量意識(shí)。
（4） 培養(yǎng)規(guī)范意識(shí)。
1.2國內(nèi)外研究狀況：
“十五、十一五”期間，由于國家采取了積極穩(wěn)健的財(cái)政貨幣政策，固定資產(chǎn)投資力度加大，特別是基礎(chǔ)建設(shè)的投資，使冶金、電力、水泥、建筑、建材、能源等加快了發(fā)展，因此，對(duì)減速機(jī)的需求也逐步擴(kuò)大。隨著國家對(duì)機(jī)械制造業(yè)的重視，重大裝備國產(chǎn)化進(jìn)程的加快以及城市化改造進(jìn)程的加快，減速機(jī)行業(yè)仍將保持快速發(fā)展態(tài)勢，尤其是齒輪減速機(jī)的增長將會(huì)大幅度提高，這與進(jìn)口設(shè)備大多配套采用齒輪減速機(jī)有關(guān)。因此，業(yè)內(nèi)專家希望企業(yè)抓緊開發(fā)制造齒輪減速機(jī)，尤其是大、中、小功率硬齒面減速機(jī)，以滿足市場的需求。
目前，國內(nèi)外動(dòng)力齒輪傳動(dòng)正沿著小型化、高速化、標(biāo)準(zhǔn)化、小振動(dòng)、低噪聲的方向發(fā)展。
1.3課題研究方法：
本課題的主要研究箱體對(duì)象是小型渦輪減速器，因此，在著手研究時(shí)，先要對(duì)這種減速器的箱體結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)有一個(gè)大致的了解。
渦輪減速器箱體類零件的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：有一對(duì)和數(shù)對(duì)要求嚴(yán)、加工難度大的軸承支承孔；有一個(gè)或數(shù)個(gè)基準(zhǔn)面及一些支承面；結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，壁薄且壁厚不均勻；有許多精度要求不高的緊固用孔。
渦輪減速器箱體類零件的主要技術(shù)要求是對(duì)孔和平面的精度和表面粗糙度的要求；支撐孔的尺寸精度、幾何形狀精度和表面粗糙度；孔與孔的軸線之間的相互位置精度（平行度、垂直度）；裝配基準(zhǔn)面與加工時(shí)的定位基準(zhǔn)面的平面度和表面粗糙；各支承孔軸線和平面基準(zhǔn)面的尺寸精度、平行度和垂直度。這些技術(shù)要求是保證機(jī)器與設(shè)備的性能與精度的重要措施
1.4論文構(gòu)成及研究內(nèi)容：
能構(gòu)成一篇完整的論文必須要有好幾部分組成，其中包括畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述、圖紙及相關(guān)資料、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）正本、外文資料譯文與原文等。
本篇論文所要研究的內(nèi)容就是關(guān)于渦輪減速器的箱體的零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這類零件的工藝規(guī)程設(shè)計(jì)，夾具的設(shè)計(jì)及其定位方案等等。其中在這類箱體零件的工藝規(guī)程設(shè)計(jì)這一塊，就需要研究很多方面。
完成一篇論文需要查閱很多資料，要從研究的課題的各個(gè)方面收集相關(guān)資料，從而完善課題研究的內(nèi)容，更好的完成論文。
第2章零件分析
2.1 零件的特點(diǎn)、作用
箱體類零件，其形狀較為復(fù)雜，有比較多的平面與曲面且有內(nèi)表面。各個(gè)面的精度要求不一樣。在進(jìn)行機(jī)械加工工藝制訂的時(shí)候需要充分考慮工件的正確裝夾與定位。
論文所給定的零件是渦輪減速器箱體。由它將機(jī)器和部件中許多零件連接成一個(gè)整體,并使之保持正確的相互位置,彼此能協(xié)調(diào)地運(yùn)動(dòng).常見的渦輪減速器箱體零件有:各種形式的機(jī)床主軸箱.減速箱和變速箱等.
各種渦輪減速器箱體類零件由于功用不同,形狀結(jié)構(gòu)差別較大,但結(jié)構(gòu)上也存在著相同的特點(diǎn)。
2.2工藝分析
2.2.1零件圖樣分析
1）?180+0.035 0mm孔軸心線對(duì)基準(zhǔn)軸心線B的垂直度公差為0.06mm。
2）?180+0.035 0mm兩孔同軸度公差為?0.06mm。
3）?90+0.027 0mm兩孔同軸度公差為?0.05mm。
4）箱體內(nèi)部做媒油滲漏檢驗(yàn)。
5）鑄件人工時(shí)效處理。
6）非加工表面涂防銹漆。
7）鑄件不能有砂眼、疏松等缺陷。
8）材料HT200。
2.2.2零件工藝分析
1）在加工前，安排劃線工藝是為了保證工件壁厚均勻，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)鑄件的缺陷，減少廢品。
2）該工件體積小，壁薄，加工時(shí)應(yīng)該注意夾緊力的大小，防止變形。例如：精鏜前要求對(duì)工件壓緊力進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，也是確保加工精度的一種方法。
3）?180+0.035 0mm與?90+0.027 0mm兩孔的垂直度0.06mm要求，由T68機(jī)床分度來保證。
4）?180+0.035 0mm與?90+0.027 0mm兩孔孔距100±0.12mm，可采用裝心軸的方法檢測。
3工藝規(guī)程設(shè)計(jì)
3.1確定毛坯的制造形成
因?yàn)橹圃燧S承座所選用的材料為HT200，屬于灰鑄鐵，因此選用鑄件；又根據(jù)鑄件的加工精度較高，加工余量大，適用于各種工件尺寸，工件形狀比較復(fù)雜，機(jī)械性能較好，適用單件大批量生產(chǎn)等，渦輪減速器箱體它的生產(chǎn)批量大，故前機(jī)體毛坯宜用壓鑄方法鑄造。
3.2基面的選擇
基準(zhǔn)：基準(zhǔn)是用來確定生產(chǎn)對(duì)象上幾何要素的幾何關(guān)系所依據(jù)的那些點(diǎn)、線、面?；鶞?zhǔn)根據(jù)其功用的不同可分別為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)。
在工件工序圖中，用來確定本工序加工表面位置的基準(zhǔn)，加工表面與工序基準(zhǔn)之間，一般有兩次核對(duì)位置要求：一是加工表面對(duì)工序基準(zhǔn)的距離要求，即工序尺寸要求；另一次是加工表面對(duì)工序基準(zhǔn)的形狀位置要求，如平行度，垂直度等。
工件定位時(shí)，用以確定工件在夾具中位置的表面（或點(diǎn)，線）稱為定位基準(zhǔn)，定位基準(zhǔn)的選擇，一般應(yīng)本著基準(zhǔn)重合原則，盡可能選用工序基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)，工件在定位時(shí)，每個(gè)工件的夾具中的位置是不確定的，一般是限制工件的六個(gè)自由度，分別是指：沿三坐標(biāo)軸的移動(dòng)自由度，和繞三坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。
基面的選擇是工藝規(guī)程設(shè)計(jì)的重要工作之一，基面選擇正確合理，可以使加工質(zhì)量的到保證，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，生產(chǎn)效率得到提高。否則，會(huì)使加工困難，甚至造成加工零件報(bào)廢。
(1) 粗基準(zhǔn)的選擇
粗基準(zhǔn)選擇原則：選擇粗基準(zhǔn)，主要是選擇第一道機(jī)械加工工序的定位基準(zhǔn)，以便為后續(xù)工序提供精基準(zhǔn)。為了方便地加工出精基準(zhǔn)，使精基準(zhǔn)面獲得所需加工精度，選擇粗基準(zhǔn)，以便于工件的準(zhǔn)確定位。選擇粗基準(zhǔn)的的出發(fā)點(diǎn)是：一要考慮如何合理分配各加工表面的余量；二要考慮怎么樣保證不加工表面與加工表面間的尺寸及相互位置要求，一般應(yīng)按下列原則來選擇：
1) 若工件必須首先保證某重要表面的加工余量均勻，則應(yīng)優(yōu)先選擇該表面為粗基準(zhǔn)。
2)若工件每個(gè)表面都有加工要求，為了保證各表面都有足夠的加工余量，應(yīng)選擇加工量最少的表面為粗基準(zhǔn)。
3)若工件必須保證某個(gè)加工表面與加工表面之間的尺寸或位置要求，則應(yīng)選擇某個(gè)加工面為粗基準(zhǔn)。
4)選擇基準(zhǔn)的表面應(yīng)盡可能平整，沒有鑄造飛邊，澆口，冒口或其他缺陷。粗基準(zhǔn)一般只允許使用一次。
小型渦輪減速器箱體機(jī)械加工工藝過程卡：
工序號(hào)
工序名稱
工序內(nèi)容
工藝設(shè)備
1
鑄
鑄造
2
清砂
清砂
3
熱處理
人工時(shí)效處理
4
涂漆
涂紅色防銹底漆
5
劃線
劃?180+0.035 0mm、?90+0.027 0mm孔加工線、劃上、下平面加工線
6
銑
以頂面毛坯定位，按線找正，粗、精銑底面
X52K
7
銑
以底面定位裝夾工件，粗、精銑頂面，保證尺寸為290mm
X52K
8
銑
以底面定位，壓緊頂面按線?90+0.027 0mm兩孔側(cè)面凸臺(tái)，保證尺寸為217mm
X62K
9
銑
以底面定位，壓緊頂面按線找正，銑?180+0.035 0mm兩孔側(cè)面，保證尺寸為137mm
X62
10
銑
以底面定位，按?90+0.027 0mm孔端面找正，壓緊頂面。粗鏜?90+0.027 0mm孔至尺寸為?88 0 -0.5mm粗刮平面保證總長尺寸215mm為216mm，刮?90+0.027 0mm內(nèi)箱面，保證尺寸35.5mm
T68
11
鏜
將機(jī)床上工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)90o，加工?180+0.035 0mm孔尺寸到?178 0 -0.5mm粗刮平面，保證總厚136mm，保證與?90+0.027 0mm孔距尺寸100+0.12 -0.12 mm
T68
12
精鏜
將機(jī)床旋轉(zhuǎn)回零度，調(diào)整工件壓緊力（工件不動(dòng)），精鏜?90+0.027 0mm至圖樣尺寸，精刮兩端面至尺寸215mm
T68
13
精鏜
將機(jī)床上工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)90o，精鏜?180+0.035 0mm孔至圖樣尺寸，精刮兩側(cè)面保證總厚135mm，保證與?90+0.027 0mm孔距尺寸100+0.12 -0.12 mm
14
劃線
劃兩處8×M8、4×M16、4×M6各螺紋孔加工線。
15
鉆
鉆、攻各螺紋
Z3032
16
鉗
修毛刺
17
鉗
煤油滲漏試驗(yàn)
18
檢驗(yàn)
按圖樣檢查工件各部尺寸及精度
20
入庫
入庫
3.3制定工藝路線
（1）熱處理工序的安排
加工工藝不安排熱處理，因此鑄件一般不另進(jìn)行熱處理，使用狀態(tài)極為鑄態(tài)。
（2）定位基準(zhǔn)的選擇
粗基準(zhǔn)如果選擇其他面，則由非加工面到加工面多個(gè)尺寸就不一定能保證準(zhǔn)確度達(dá)到圖紙要求。
精基準(zhǔn)加工時(shí)支靠面不選擇最大平面，因?yàn)榧庸r(shí)穩(wěn)定性差一些，加工精度就受到了影響，角向定位也是這樣。
（3）前機(jī)體的檢驗(yàn)
前機(jī)體零件加工到工序時(shí)，已加工好全部表面，此時(shí)安排檢驗(yàn)，接著是該零件所屬組件組合，這樣安排較好。
精度檢驗(yàn)的內(nèi)容有：表面幾何形狀精度、尺寸精度、各表面的相互位置精度。所用量具有專用卡規(guī)、百分尺、游標(biāo)卡尺、塞規(guī)、對(duì)表環(huán)、表架等。
通過對(duì)工件進(jìn)行檢驗(yàn)，不僅可以確定工件的加工質(zhì)量是否能滿足設(shè)計(jì)使用上的要求，而且可以發(fā)現(xiàn)影響加工質(zhì)量關(guān)鍵所在，以使在誤差分析的基礎(chǔ)上采取有效措施，從而提高加工質(zhì)量。
3.4零件加工工序的工藝安排
由于生產(chǎn)類型為大批生產(chǎn)，應(yīng)盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率，除此之外，還應(yīng)降低生產(chǎn)成本。
機(jī)械與電氣工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯
所在學(xué)院： 機(jī)電學(xué)院
班 級(jí)： 08機(jī)自6班
姓 名： 沈玉萍
學(xué) 號(hào)： 08141010626
指導(dǎo)教師： 龔方
合作導(dǎo)師：
2011年 12 月 9 日
原文：
DCS-Based Process Control Simulating System
Abstract: A distributed control system (DCS) based on two-layer networks for experimental teaching is presented in this paper. Three sets of equipments are used as process objects with their parameters such as pressure, temperature, level and flow rate being controlled variables. This system has multiform training functions. Students can not only set up basic experiments about the process control, but can also design complicated control system. The result of 4 years' use shows: it is an ideal engineering simulating system for students major in industrial automation.
Key Words: DCS, process control, simulating system, experimental teaching, network
1.INTRODUCTION
Control education is an integral part of the community's activities and one of its most important mechanisms for transition and impact. In 1998, the National Science Foundation (NSF) and the IEEE Control Systems Society (CSS) jointly sponsored a workshop in control engineering education which made a number of recommendations for improving control education . One of them is about experiments. Experiments continue to form an important part of a control education and projects should form an integral part of the curriculum for both undergraduate and graduate students . The idea of using distributed control system for process control emerged in the 1970s. Now it is widely used in manufacturing,chemicalindustry,papermaking, textile, food processing,power,etc.DCS integrating advanced computer, control, communications and CRT technologies has played an important role in raising technological level, reducing cost, and making production more flexible and integrated. So, it is very important to establish a DCS simulating system in university. We have set up the system in 2002. The system can bring more understanding of real-world problems to the students.
2.SYSTEM BUILDUP
Most modern industrial process control system adopts two-layer network topological structure. The lower one- field bus comes close to the process and the upper one-Ethernet mainly locates inside control room. Such structure disperses control and centralizes management and operation. Our system bases just this structure with the benefits of letting students familiar with current industrial network control. As shown in Figure 1, our system consists of 16 operator stations, one I/O station and 3 sets of process equipments.
2.1 The Distributed Computer System
From Figure 1 we can see that the distributed computer system is connected by two-layer networks. The monitoring network is implemented via 10M/100M pen Ethernet. The TCP/IP protocol is used. The buses connected by I/O stations and operator stations are information channels for plantwide supervision and control. According to the specifications of a process, the web server linked to Internet can also be set to achieve remote monitor. This network is arranged redundantly so the system proves reliable. The field network interconnected by I/O station and its I/O modules uses Profibus-DP and transmits a variety of information and parameters in real time.
The operator stations are general-purpose PCs. They act as engineering stations when used for off-line configuration, so 16 students can program at the same time. While for on-line use the students can monitor and control the process on these PCs. The I/O station is a domestic product developed by Beijing Hollysys Co., Ltd. Its design adopts standardization and modularization.The I/O station based on high-performance microprocessors and mature control algorithms can response as soon as possible to the internal and external events. It has 5 local modules i.e. two FM148 analog input cards, one FM151 analog output ard, one FM161 digital input card and one FM171 digital output card. Each card has particular microprocessor responsible for its control, test, calculation and diagnosis, thus, enhancing its selfcontrol level and dramatically improve its reliability and safety. The station or modules can be shifted without disturbance in case of trouble. Therefore, the system is able to control in real time and with high quality.
2.2Process Equipments
Process control is an important course of automatic major . After learning the theories in the classroom, the students have an eager for digesting and understanding. The control community has a strong history of impact on many important problems and industry involvement will be critical for the eventual success of the future directions. How to imitate industrial process is an important concern. We have built 3 sets of equipments representing pressure process, level process, temperature and flow rate process individually. The three sets of equipments can also be used for normal instrumentation control or direct digital control. All the connections are wired to the panel, so does the I/O station. The process equipments can be flexibly linked to different controller by plug contacts on the panels. There are different kinds of transducers installed on the process to provide a variety of signals such as tempera-ture, level, pressure and flow rate .These signals are analog inputs to DCS. The final operating elements include electric heater, switching components and control valves . DCS outputs analog or digital signals to the elements. The combination of the process equipments with the distributed computer system explores the frontiers of control, including increased use of computing, communications and networking, as well as exploration of control in application domains
3.SOFTWARE CONFIGURATION AND OPERATION
In the computer-control field, it has been customary to overcome some of the programming problems by providing table-driven software. A user of the DCS is provided with a configuration package that allows the user to generate a DCS system simply by configuring, so very little effort is needed to program. The package providing device, database, control scheme, graph and report forms configuration is run off-line on the engineering station. Configuration of the DCS is implemented from up to down by conforming to hardware structure. It is divided into the following 5 steps :
Devices registration to configure system hardware, including: the number of I/O stations or operator stations along with their network addresses and each I/O station's hardware such as data transmission card, I/O card;
Database configuration to define signal points and parameters set;
Control scheme configuration classified as conventional configuration which provides many control blocks like feedback, cascade, ratio and self-defined one that is programmed in real time control language similar to BASIC;
Graph configuration to make various pictures such as survey, standard display, adjust, control, trend, flow chart, alarm displayed on high-resolution color CRT and compound windows more abundant and menu-function more live; this configuration to configure diagrams for operator to monitor and control the process in real-time;
Report forms configuration to provide statistic report of the process. Before running the software, all the configurations must be compiled, linked and downloaded to the operators where several networked PC sharing the overall workload are able to monitor and control all aspects of process from a variety of live displays and friend interactions. Or the operator will run the system downloaded last time. The operator is extended with flat sealed film keyboard, touch screen, and global mouse to let operations easier. Through the man-machine interaction the process data can be collected, analyzed, recorded and controlled in real time; the system structure and configure loops can be modified on line; local breakdown can be fixed on line. Once the process is abnormal, the hardware will self diagnose and inform the operator stations that personnel around the field find the breakdown and that the indicator lamps on cards on I/O station shows the fault location. Such dual means of indication together with breakdown alarm and hot plug-in plug-out make it possible to fix breakdown on line and to run system safely and reliably.
4 .EXPERIMENTAL PROJECTS
Our DCS simulating system can train 16 students at the same time. The training functions are versatile from hardware and software configuration to complicated system design and debug. By I/O station 11 inputs from the 3 sets of equipments are measured and controlled, 7 control valves and 1 electric heater of the processes are manipulated in real time to implement temperature, pressure, level and flow rate control, breakdowns are detected and the system is maintained. Live measured values and status indications reveal the current situation. Process operators monitor and control the long-distance processes from their own consoles . The students operate the system as if they are in the real-world industrial automation. The flow chart of temperature and flow rate control sys-tem is shown in Figure 2. T1, T2 are measured temperature of the inner and outer water tank. FT1, FT2 are flow rate of the water into the inner and outer tank. WVL1 and WVL2 are two outputs from the I/O station to change the open range of the valves. ZK is a switch for turning on or off the electric heater. This system control is made up of 2 single variable closed-loops (T1-control and FTI Control),1cascade (T1-T2) and 1proportion(FT1-FT2) loop.All loops adopt normal PID which parameters can be dynamic adjusted from the operator station. The four control loops and main chart of the system can be easily shifted by pressing the buttons on the bottom of the graph as shown in Fig 2.
5 .CONCLUSION
The result of 4 years' use for both undergraduate and graduate shows: experimental training is especially efficient to help students understand the technique of industry process, the dynamic characters of the control system and to improve students' ability to operate and control the process. The convenient hardware connections make the DCS teaching system easily operated and the effortless software configuration renders different control algorithms implemented flexibly. Besides basic experiments about the process control, students have also designed complex control system to meet stricter product specifications.
譯文：
基于DCS過程控制仿真系統(tǒng)
摘要
本文提出的是一個(gè)建立在實(shí)驗(yàn)教學(xué)雙層網(wǎng)絡(luò)上的分布式控制系統(tǒng)（DCS）。其中配備三套設(shè)備，用于監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程對(duì)象中自身的流量、水平、溫度的次數(shù)變量。該系統(tǒng)具有多種形式的培訓(xùn)職能，學(xué)生不僅可以設(shè)立有關(guān)控制程序的基本實(shí)驗(yàn)，而且還可以設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。經(jīng)過4年的使用結(jié)果表明：DCS過程控制仿真系統(tǒng)是一個(gè)非常理想的工程模擬系統(tǒng)，我們可以利用它做工業(yè)自動(dòng)化的學(xué)習(xí)研究。
關(guān)鍵詞：DCS、過程控制，仿真系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)，網(wǎng)絡(luò)
1. 緒論
控制系統(tǒng)的教育機(jī)構(gòu)是社會(huì)體系中的組成部分，在有舉足輕重的位置，它是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)變和影響機(jī)制。在1998年，美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和電氣和電子工程師控制系統(tǒng)協(xié)會(huì)（CSS）聯(lián)合舉辦教育控制工程教育研討會(huì)，本提出了如何改善控制系統(tǒng)的教育機(jī)構(gòu)的若干建議，其中就有關(guān)于實(shí)驗(yàn)的提議。研究人員表明DCS過程控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)始終作為控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)的重要組成部分，應(yīng)作為對(duì)本科生和研究生課程的組成部分。上世紀(jì)70年代，分布式控制系統(tǒng)就出現(xiàn)在過程控制應(yīng)用之中。到現(xiàn)在，它被廣泛用于制造，化工，造紙，紡織，食品加工，電力等各種領(lǐng)域。分布式控制系統(tǒng)結(jié)合了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，控制，通信和CRT技術(shù)，為生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高，減少成本起到重要的作用，使得生產(chǎn)更具有靈活性和綜合性。如此看來，我們在大學(xué)期間，建立一個(gè)DCS仿真系統(tǒng)是非常重要的。在2002年，我們成功建立了這個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建立，可以讓學(xué)生更多的了解實(shí)際遇到的問題。
2. 系統(tǒng)建立
大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)過程控制系統(tǒng)都是采用兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用一個(gè)較低的現(xiàn)場總線來關(guān)閉進(jìn)程，用一個(gè)以太網(wǎng)來控制整個(gè)系統(tǒng)操作，使用這種分散式結(jié)構(gòu)控制和集中管理和運(yùn)作。我們的系統(tǒng)就是基于這樣的機(jī)構(gòu)上，可以更有利于學(xué)生熟悉目前的工業(yè)控制。如圖1，我們的系統(tǒng)包括16個(gè)操作站，一個(gè)I / O站和3套加工設(shè)備
2.1分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
我們從圖1的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以看出，分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由2層網(wǎng)絡(luò)連接組成。該監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是通過10M/100M以太網(wǎng)實(shí)施控制，并在TCP / IP協(xié)議下使用。系統(tǒng)由總線連接各個(gè)I/O站點(diǎn)，操作員站連接所有信息渠道，可以在整個(gè)系統(tǒng)范圍進(jìn)行監(jiān)督和控制。依據(jù)整個(gè)過程的結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器鏈接到互聯(lián)網(wǎng)的
條件下，也可以設(shè)置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。該網(wǎng)絡(luò)采用冗余安排，以便使得系統(tǒng)絕對(duì)的可靠。外部網(wǎng)絡(luò)通過I/O總站連接到系統(tǒng)，并在I/O模塊中使用現(xiàn)場總線段落準(zhǔn)確的傳輸各種信息和參數(shù)
操作站作為工程總站，通過主機(jī)的控制，在不在現(xiàn)場的情況下，可以讓16名學(xué)生同時(shí)進(jìn)行工程訓(xùn)練，而且學(xué)生可以使用電腦程序通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些操作進(jìn)程監(jiān)視和控制。該系統(tǒng)I/O控制站是基于北京和利時(shí)發(fā)展有限公司的產(chǎn)品，它的設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。該I / O站的基于高性能微處理器和成熟的控制算法，能盡快回應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種操作。它由5個(gè)本地模塊組成，即兩個(gè)FM148模擬輸入卡，一FM151模擬輸出卡，一卡FM161數(shù)字輸入和一個(gè)FM171數(shù)字輸出卡。每個(gè)卡都具有其特定的微處理器，負(fù)責(zé)不同的控制，測試，計(jì)算和診斷，由此來加強(qiáng)系統(tǒng)自身的控制水平，大大提高了它的可靠性和安全性。在糟糕的情況下，這樣的控制站可以一直啟動(dòng)無干擾模式。由此可見，這樣的系統(tǒng)可以保證高品質(zhì)的且非常準(zhǔn)確的控制
2.2工藝設(shè)備
過程控制是一個(gè)非常重要并且艱巨的工程。學(xué)生通過課堂理論學(xué)習(xí)之后，需要進(jìn)一步去消化和理解。而這個(gè)控制系統(tǒng)在過去很多年里影響到很多重要事件，
而在未來的發(fā)展方向主要與各個(gè)行業(yè)的合作，這將是最終取得成功的關(guān)鍵。如何去模仿工業(yè)過程是一個(gè)重要的問題。我們已建立3個(gè)獨(dú)立設(shè)備，分別用于代表壓力加工設(shè)備，工藝水平，溫度和流量水平。并且這3套的設(shè)備也可用于正常儀表控制或直接數(shù)字控制。所有設(shè)備都通過線路連接到控制面板，同時(shí)也連接到I/O站點(diǎn)，并且可以自由的與控制面板上的任何插頭連接。在過程控制系統(tǒng)中安裝有各種不同的傳感器，用于監(jiān)測如溫度，真實(shí)姿態(tài)，液位，壓力和流量，給控制站反饋多種信息。這些信息通過模擬輸入到DCS，然后通過電熱水器，開關(guān)元件，和控制閥等操作元件控制整個(gè)過程，形成一個(gè)反饋系統(tǒng)。然后集散控制系統(tǒng)輸出模擬或數(shù)字信號(hào)的元素。這套控制系統(tǒng)設(shè)備是與分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合而進(jìn)行的前沿探索，包括增加使用的計(jì)算，通信和網(wǎng)絡(luò)，以及在應(yīng)用程序的控制等等。
3. 軟件配置和運(yùn)行
在計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域，已經(jīng)克服了驅(qū)動(dòng)軟件編程的一些問題。DCS系統(tǒng)為用戶提供一個(gè)配置包，允許生成一個(gè)簡單的DCS系統(tǒng)配置，所以用戶可以很輕松的設(shè)計(jì)方案。這個(gè)提供有設(shè)備，數(shù)據(jù)庫，控制計(jì)劃，圖形和報(bào)表配置的系統(tǒng)包在工程站內(nèi)可以離線運(yùn)行，DCS的配置是順應(yīng)硬件結(jié)構(gòu)從上網(wǎng)下實(shí)現(xiàn)的。它分為一下5個(gè)步驟：
設(shè)備登記系統(tǒng)硬件配置，其中包括跟蹤其網(wǎng)絡(luò)的I / O站或操作站地址和每個(gè)I / O站的硬件，如數(shù)據(jù)傳輸卡，I / O卡
數(shù)據(jù)庫配置來定義信號(hào)點(diǎn)和參數(shù)設(shè)置
控制計(jì)劃配置列為常規(guī)配置，提供許多反饋控制塊，梯級(jí)，比率和自定義，這是類十余BASIC語言的實(shí)施控制程序。
用圖像來顯示各種諸如調(diào)查，標(biāo)準(zhǔn)顯示，調(diào)整，控制，趨勢，流程圖的數(shù)據(jù)，然后用高分辨率彩色顯像管和更豐富的復(fù)合窗口和菜單功能顯示操作現(xiàn)場，用此配置來配置運(yùn)行圖，一檢查和控制實(shí)時(shí)處理。
報(bào)告提供的統(tǒng)計(jì)表格配置的進(jìn)程。在運(yùn)行該軟件下，所有的配置都將被編譯，鏈接并下載到運(yùn)營商，這個(gè)運(yùn)行商必須有幾個(gè)聯(lián)網(wǎng)的電腦用于共享整體工作情況，以便可以監(jiān)視和控制現(xiàn)場展示各種進(jìn)程的所有方面?；蛘呓?jīng)營者將運(yùn)行系統(tǒng)下載最后一次。經(jīng)營者擴(kuò)展了平面密封薄膜鍵盤，觸摸屏和鼠標(biāo)，讓所有行動(dòng)更容易。通過人機(jī)互動(dòng)的過程中可以收集數(shù)據(jù)，分析，記錄和實(shí)時(shí)控制;該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置的循環(huán)可以被修改，在線，本地故障可在線修復(fù)。一旦這個(gè)過程是不正常的，硬件會(huì)自動(dòng)診斷并通知操作員站，現(xiàn)場工作人員圍繞故障進(jìn)行查找，并在卡片上我指示燈/ O站顯示故障位置。這種雙重手段的跡象說明具有連接故障報(bào)警和熱插件插件可以實(shí)現(xiàn)在線修正線路故障，使得系統(tǒng)運(yùn)行的更加安全可靠。
4. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
我們的DCS仿真培訓(xùn)系統(tǒng)可以讓16名學(xué)生同時(shí)操作。培訓(xùn)職能對(duì)硬件和軟件配置復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試都是通用的。I / O站的11個(gè)輸入點(diǎn)由3臺(tái)進(jìn)行測量和控制的設(shè)備，7個(gè)控制閥和一個(gè)電加熱器的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的。用于實(shí)時(shí)操作執(zhí)行溫度，壓力，液位，流量的控制和故障檢測和系統(tǒng)的維護(hù)?，F(xiàn)場測量值和狀態(tài)的跡象表明目前系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。自身的操作站可以處理系統(tǒng)運(yùn)行的過程監(jiān)控和控制，學(xué)生操作該系統(tǒng)，猶如他們是在現(xiàn)實(shí)工業(yè)自動(dòng)化操作中。溫度和流量控制系統(tǒng)，透射電鏡流程圖如圖2所示：T1和T2用來測量的內(nèi)，外水箱的溫度。FT1和FT2 用來顯示內(nèi)外水箱的水流流速。WVL1 and WVL2 是兩個(gè)從I/O站輸出的數(shù)值，控制閥門開啟程度。ZK是一個(gè)打開或關(guān)閉電加熱器的開關(guān)。該系統(tǒng)的控制是由2個(gè)單變量閉合回路（T1控制和FTI控制）、一個(gè)串聯(lián)(T1-T2)、一個(gè)比例循環(huán)(FT1-FT2)構(gòu)成。所有的回路采用從操作站動(dòng)態(tài)調(diào)整的常規(guī)PID。四個(gè)控制回路和系統(tǒng)的主要圖表可以很容易地轉(zhuǎn)向按本圖底部的按鈕，如圖2所示。
5.結(jié)論
在4年的本科和研究生的使用結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)可以非常有效的讓學(xué)生了解產(chǎn)業(yè)的工藝技術(shù)，而這個(gè)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，更可以提高學(xué)生的操作和控過程的能力。便捷的連接，使DCS的硬件教學(xué)系統(tǒng)操作非常簡便，同時(shí)簡便的軟件配置使得實(shí)施不同的控制算法變的非常靈活。除了對(duì)于過程控制的基本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們還設(shè)計(jì)了復(fù)雜的控制系統(tǒng)，以滿足更嚴(yán)格的產(chǎn)品規(guī)格。