附件：外文资料原文及翻译译文基于 PLC控制的生产机械的系统设计

2016 届本科毕业设计(论文)外文文献翻译学 院： 常熟理工学院 专 业： 自动化 姓 名： 梅杰 学 号： 1601112112 外文出处： Smart Product Engineering 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。附件1：外文资料翻译译文基于 PLC控制的生产机械的系统设计摘要：PLC控制的专业化生产通常都是采用自动化客户特定的生产工艺进行生产。其中顺序工程过程经常被用来设计这些机械设备，为了减少大量的时间和精力，并行化的不同的学科以及增加对已有的模块重复利用都被必须考虑。这些活动都来源于系统设计阶段。因此，在并行的科学中需要更详细的工程资料来分析顺序设计工程。在系统设计阶段的附加要求是从系统设计阶段本身和设计专业生产时的特殊情况和特点的进行设定的。根据这些要求，如何满足这些要求实现的方法。关键词：PLC 系统设计 系统工程 专业机械 模仿 模块化1引言随着产品生命周期的缩短导致在短时间内将产品推向市场成为很大的挑战。所以人们尽可能的将产品的个性化进行提高而且用机械来生产产品来提高产量。由于个性化的产品原因，生产产品的设备的制造工艺就必须适应个性化需求。这致使机械制造商们面临巨大的挑战，在短时间内制造出满足客户需求的特定的生产设备。当运用顺序工程时，各种学科在特定的阶段并不能缩短工程时间。但是为了缩短工程周期，各个阶段的并行化也被采用。另外的一种方法是供应商利用模块的设计思想，将开发过程分成一个个模块，进行开发和依靠订单进行开发。在这种情况下，供应商通过组合不同的模块来制造出客户所需要的特定产品的设备。出于这个原因，内置最小模块的数量是有必要确定的。但是有些产品需要客户特定的生产技术，这样的机械生产设备就不是不同模块进行组装就能完成的。因此特殊的产品设备被生产。基于非标准客户特定的生产技术和实际上产品高度依赖生产过程中，只有极个别的这类机械可以进行内置。2专业化生产设备的当前工程过程专业化的生产设备是由零件和机械工件组成，其中零件由供应商自己进行购买例如电机、传感器等，机械部分是设计者自己进行设计然后再将图纸发送给生产商进行加工。设计者们使用PLC控制设备使其能够自动运行。当前的设计过程是由对客户关于机械设备的要求开始设计的。在设计此种设备时最重要的问题是对于满足客户指定的循环周期时间对于完成一个工作流程。基于这个指定的循环周期问题，电气工程师开始设计各种解决方案来实现这个要求。然后手工测绘机械图纸其中拥有设备运行的各种信息以及零件的几何描述，定义设备运行中的运动关系和模块组成。这个解决的方法对于工程设计方面和对于其他学科有着重大的影响。设计设备的下一个阶段是机械设计过程中详细说明在机械CAD系统（MCAD），其中的装配组，首先定义不同的几何部件。这种详细的工程在运动学的定义下齐头并进如驱动理念、大量数据处理以及这个过程中的运动状态。使用执行器计算从这些定义运动状态之间所需要的运动时间。最后一个工程阶段涉及到不同的部件和组件的详细任务。指定的传感器和执行器的电气部分标志着从机械部分电气部分转换。在这里，电气工程师的创建的功能在机械的CAD 机械系统中，其中传感器和执行器由电气工程师进行选型。在这个阶段，每个传感器和执行器都可以在电路图中以符号的形式显现。跟进一步的是工程师必须知道传感器和执行器的运行的步骤和顺序。例如如果两个气缸应当在同一时间延伸，然而它们只能被控制在一个公共的阀岛时。根据这些信息，电气工程师进行设计电气图纸。 一旦被使用的设备和机械的结果（机械设计，运动信息等）的所有信号接口已被转移，自动化部门开始定义的各种机器状态，这些运动状态有气缸的伸出和关联转换、此外，运动转换状态的条件是机械和电气通过对传感器的接口信息的定义。详细的工程增加了额外的状态和转换条件与安全功能，如联锁状态。这台机械设备终于组装完成，工程师们完成客户的委托。如前所述，基础的解决方法对于学科之间拥有重大的影响。为了更好的实现机电一体化的解决方案，所有的学科应该被联合起来。通常根据客户个人的需求和实际情况 ，机械工程师往往并不知道这个模块是否已经被开发出来，一旦有模块被发展的原因就是此模块被频繁的使用。对于模块的重复的使用的能力是通过对解决方案定义的。为了减少这样一个过程中的时间，应该尽可能再利用模块以及工程师开发新模块并联为了实现这个目标，为了实现这两个目标，需要一个设计概念的方法，各学科并行启动详细的工程设计。3 系统设计的工程和方法工程专业化生产机械设备的特点是开发一个机电一体化系统，其中工程机械是领先学科。在这种情况下，机器本身可以被看作是一个机器制造商的产品。提出几点一体化的开发方法，它主要包括三个重要的阶段。一阶段是它从一个概念或系统设计，所有的学科都参与其中，二阶段是其中详细的机械、电气/电子设备和软件工程是并行执行。最后的阶段是系统的整体集成。使用宏过程作为基础，本文的重点是已经被导出来的概念与设计系统阶段。并行学科便于机器的机电组件的重用和考虑由客户指定的周期时间。此外，更具体地为系统设计说明的一般方法。根据要求，关键问题被抽象，一个功能结构制定并用于这些功能的解决方案中搜索。主要的方法被评估和常规的机械电子系统的跨学科的概念被定义。这个基本过程也用于9和14为系统设计，但重点还是机械工程。对于这里的功能结构，它被定义为通过能量、信息或物质流彼此连接的功能。在此基础上，各种基础的解决方案被确定为不同的功能，合并，然后一个有关基础方法作出决定。1适应这一宏观过程PLC的发展控制的机器，通过添加逻辑依赖关系中的函数模型的序列之间的过渡条件。 这些依赖关系和规则进行识别传感器和执行器的信息和能量流的产生的结果，使自动化部门开始详细的工程工作。 1 还考虑了机器的模块化，但不是在重复使用用各种模块同机电一体化方式的。相反，它定义了并行运行的详细内部设计工作的工作包。此外，基于功能描述限定的传感器和致动器是过于抽象，以至于不允许在一个电路图符号被映射到它们。这代表了一个缺口，电气工程部门无法下手详细的工程设计。6也提到选择基于功能描述一个原理方法不足以启动详细的工程。因此，所谓的特征模型可以使用，如机械系统草图并附着在原理解决方法。6还引入了分配原则的解决方案直接到单个的功能。5延伸通过限定动词 - 名词 - 动词组合和分类对于他们来说，在一个数据库中有关的存储原理的解决方案自动搜索的执行这种方法。在引言中提到的机械制造方法也用这个词功能。然而表明，17在这种情况下，术语功能被理解和使用不同于在先前讨论的方法。术语功能密切相关的一个功能，执行诸如输送机。当然，输送机仅仅是一个抽象的可以订购一个组件的描述。抽象层次（在这些方法中，术语功能）可与他们相比，其对应于一个原则方法的名称。这个级别称为在下面的逻辑等级可以在7-8和16，这里的重点是重用模块以及基于库工程数据中找到。4在系统设计中的要求如果打算将开发过程的情况考虑到,开始是需求和跨学科的系统设计阶段的需要,最后是 在具体的学科并行运行的详细工程过程，然后要求定义的抽象是必需的，这又便于打开进行搜索字段。工程设计在不同学科中的工程流程中第2节中已经介绍。基于这些工作流程需要开始的信息，可以看到一个非常详细的面向组件的视图，可以提供并行的详细工程。另外，在系统设计阶段的一般要求可以从在前面的章节中所描述的情况得到。一个跨学科的描述需要允许所有学科的参与。周期循环时间是这样的机器设备的关键要素，所以也必须被考虑。图1是从所有的这些要求放置在系统的设计阶段的图形。图1 PLC控制系统的设计要求5对于PLC控制非标机械设备的系统设计17提到系统工程由三个阶段组成的。需求分析、功能结构的定义、设计的架构的链接。传送这些活动到图1，定义本机械设备的要求等同于在系统工程的第一个阶段。可以理解为模块化和抽象定义的组件，这需要在逻辑级的设计架构。这导致了系统设计阶段的2个主要阶段：定义功能性的体系结构和逻辑层的设计架构。在这2个层次的具体步骤和它们之间的过渡描述如下。5.1 功能性说明功能描述桥梁的要求和设计架构之间的差距。这是一个跨学科的描述，可以用于分析预期的项目，并指定接口。 17 这些特性使工程师能够缩小机器上的一般要求，以创建设计架构。定义功能描述的第一步是一个关键问题的抽象化。如例子，如果这台新机器是“从一个传送带上取一个盒子，然后把它放在一台机器上” 关键的问题是“提供产品”。 在这里，一个抽象的术语“盒子”是通过取代它与现实中的“产品”，这是与开放的原则解决方案，如在 15 中提到的广泛的领域。这同样适用于在之前的抽象化单词“放置”。此外，“拾取功能”是经常被忽略的，因为主要功能是“提供产品”。 其结果是，“选产品”功能可以被包含到一个功能层次，下面讲的是“提供产品”功能。这个层次的描述，可以实现通过问的问题：“功能怎样做了得？”。基于该要求规范，附加功能可包括诸如“放产品”。这导致了功能的层次结构，如示于图2图2绘制功能层次在典型的工程方法里，如1，6和9，相互连接起来的不同功能与三个主要流类型的关系：能源，材料和信息。有些联系是相当明显的，如“库存产品”和“配置产品”之间的物质流关系。当考虑一个简单的例子，可以看出，添加了不同功能之间的这样一种关系来缩减可能的原理解决方案的数量。图3显示了基于一个夹持器的系统的原理方法。在这种情况下，“检查状态”和“抓产品”之间的关系，实现依赖于“校验功能”的位置。可以看出，如果“检查状态”功能直接在该位置执行，则该夹持器可以此位置抓取该产品，而不需要物质流的关系，相反，如果在该抓取位置之前执行“检查状态”，则必须添加一个物质流关系。根据关系的结论，决定是否选择1是一个潜在的解决方案一或不。其结果中看来的是，从限定的功能结构，然后评估可能的原理解决方案用自上而下的方法是没有用的，还是必须使用迭代过程。基于特定的制造过程，它是很容易定义的时间之间的依赖关系的功能，在不知道的流量类型的情况下，例如，“检查状态”必须在“抓取产品”之前进行。此外，上述图不必考虑规划的周期时间。在这种情况下，最重要的信息，需要做的功能，在一个连续的方式或可以并行地进行。这个信息是以甘特图的形式提供。如果一个解决方案，例如一个实现“检查状态”功能的条形码阅读器，是已知的和持续时间可以被分配，例如基于经验或测试，它是可能的，打破了所需的周期时间为功能，如图4所示。由于所确定的功能结构和结构设计之间的依赖，甘特图不能完全定义使用自上而下的方法。这意味着，“甘特图”创建要反复，这迫使工程师考虑的周期时间和实现，可以实现在给定的时隙中的所需的工艺步骤。这也有助于工程师们看，例如，如果不同的功能可以并行或如果能从以前的功能，可以使用（由蓝色虚线表示图4）。在图3中，关于2的替代方案，将时间分配给“检查状态”和“抓取产品”之间的“物质流”是合适的。然而，定义时间行为使用甘特图要求这种关系被建模为一个单独的功能，时间可以分配和可视化。因此，这三种类型的流量相对于时间谨慎地解释，但显示的功能所需的接口，例如能量输入或输出。图3. 功能和基础解决方案（设计架构）之间的依赖关系 图4. 打破循环时间为函数的甘特图5.2 过渡到逻辑层基于功能描述的原理解决方案。这可能是通过使用创造性的方法9 手动或采用自动搜索在数据库中 5 17 。其中 17 使用层次化的语义定义的措辞。识别不同的解决方案的功能可以在一个形态可视化逻辑框 9 。如果使用自动搜索，该框可以使用一个预定义的软件系统。然而，基于工程师的创造力也应该有可能增加新的原则解决方案。当仔细看形态的框图，它是可以找到原则解决方案，实现不同的功能，例如，“输送”是“移动产品”或“放入产品”。 基于这种情况，决策如果有不同的功能可以被集成到一个单一的原理解或如果它是利用同样的原理解决了不同功能的基本方案中。不同功能的整合导致了一个个函数之间的关系和基本解决方案。如果一个函数是使用一个单独的解决方案来实现的，那么这是一个直接的1:1的关系。关于模块化，功能建模和基本的解决方案之间的关系在没有n：个这样的一种方式来进行：将显示功能和基本解决方案之间的关系。否则，模块的系统的边界不能被清楚地识别，这使得它难以再利用的机电模块。选择的基本解决方案后，该功能结构具有对于循环时间和其它要详细和验证约束。为了与参与详细的工程设计等部门沟通，这是组织基本的解决方案非常有用。关于8，所述材料流动是一个模块化的工程方法中的首先定义之一的方法。因此，这可以被视为对结构化原则解成层次结构的标准。相比，图3，输送机可以是一个“电源模块”的子模块。建立这样一个结构是非常相似的功能结构，其中电气工程师在ECAD工具开始详细工程工作时使用。如前所述，发现一个基础的解决方法不足以启动详细的工程。至于图1而言，这样的基本的解决方案具有使所有的所需的信息是在右侧示出为在一个方式描述。至于所需的信息而言，三种主要类型的信息可被定义为：1.几何形状和运动学，2.执行器和传感器具有信号接口，3.操作序列。关于第一类的信息通常是由一个MCAD工具提供。通过分配有关分类的传感器和致动器的信息，其可以被映射到在一个电路图一个符号信息，看来这种结构，可直接使用作为起点在ECAD电气工程。在PLC硬件的信号定义代表了自动化和电气工程学科之间的接口。因此，除了在状态和转移条件，信号也应的操作序列中所述。以提供有关设置或读取的信号的影响的信息，信号和致动器之间的连接应该作为上下文信息。上操作的顺序的另一个要求涉及机器循环时间。用于执行不同的运动的最大时间被打破所需循环时间的函数，并使用1限定关系获得：1中，n：1和1：N的基本的解决方案。在与有关的几何位置，开始和运动的结束和移动的众多信息相结合，致动器可以精确地计算为实现所需的循环时间。这又需要用于操作的顺序基于时间的说明中，对循环时间分解成不同的基础的解决方案的运动，并直接影响致动器的选择。很多描述语言，可以定义序列。如CAN从图4中看出，甘特图有基于时间的描述和输入的操作转换它们可以被解释称为状态。黑色箭头指示转换。信号和转移条件可被可视化，如果是可以添加的信号和条件这些箭头，4介绍了其他语言。在脉冲图，传感器/执行器和信号之间的联系是显而易见的，根据现有的资源。转换条件必须被添加到箭头绘制的信号。PERT图没有时间轴像甘特图或脉冲图，但以状态分配的开始和结束时间。逻辑网络，顺序功能图和状态图没有对时间的信息，没有关于连接到传感器和执行器的信号信息。所需的所有其他信息是直接在这些描述语言的可视化。可以看出，脉冲图表示的最适合用于描述的操作的序列的基础的解决方案，它必须被扩展到信号箭头的添加条件上去。关于导出的基础的解决方法的描述要求PLC控制，非标准的生产机器，几何/运动学MCAD模型的组合，与传感器和执行器的逻辑结构，它已被分类和脉冲图包含所有相关的所需的信息来启动并行工程的机器。6 实施要考虑 8 系统设计阶段的要求，必须通过仿真予以支持。因此，机电一体化概念设计可用于结合一个仿真模型的可视化运动NX序列为特定的机器模块的几何模型和运动学模型。这种几何模型与机械学科中所使用的几何模型是一样的。所以这可以直接用于详细说明。要执行的模拟，用于定义的运动的致动器，基于位置和速度的约束的基础上增加。检测，如果一个几何零件到达一个位置，传感器可以被添加。 12 为跨学科的系统设计阶段提供一个工具，满足上述章节所示的要求，该模型应是由脉冲图控制。这些可以做的描述，序列设计，它提供的可能性，以产生直接可编程代码。连接这两种工具，序列设计师的行动导致的运动，通过执行器执行。因此，精确的几何位置被映射到给定的序列设计者的状态。这解决通过定义的状态和执行器，这是负责达到这个状态之间的关系。在机电一体化概念设计的传感器的动作之间的过渡的信号。将它们映射到序列设计器中的给定信号，定义了不同的动作之间的转换。要做到这一浓缩和映射的应用程序开发。使用这一点，它可以提供一个模拟工具，在系统设计阶段，拥有足够的信息，开始详细说明在自动化和力学学科。如果是通过增加传感器和执行器的详细分类关于扩大机电一体化概念设计师传感器和执行器信息的可能性，也电业部门将能够开始详细说明。7 总结对设计专门生产机器时减少时间和相关的成本，这是不可能的，通过提出的分割工程过程3。为了减少时间，必须有可能重复使用该已设计模块，以及各学科都进行并行化。这可以根据13的宏观过程来完成。因此，分析当前的顺序过程来定义开始所有参与平行的学科的所需的信息。系统设计阶段的附加要求是来自于这个阶段的一般特性。可编程控制器控制的专用机械的设计过程主要是在4个步骤中进行的，分别为：1。要求的功能性故障，2。与类之间的依赖关系添加功能：时间依赖性（甘特图）、物质、信息和能量，3。对功能的基础的解决方案的搜索和选择，考虑到集成和重用，4。制定一个逻辑结构，包括连接学科的具体说明，机械，传感器和执行器已被分类的电气系统和脉冲图的自动化的几何/运动学。基于这种方法，周期时间可以被连续地计划到一个单一的轴的运动。此外，所有的信息需要在不同的学科开始详细工程。为了支持这一阶段的应用程序开发的连接工具的机电一体化概念设计师和序列设计师。参考书：1. 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Witte, M.: 系统工程，植物工程和功能模型。软件技术的发展趋势，齐根（2012）（德文）附件2：外文原文System Design of PLC-Controlled Specialized Production MachinesAbstract. PLC-controlled specialized production machines are usually employed to automate customer-specific production processes. Sequential engineering processes are frequently used for designing these machines. To reduce the time and effort, parallelization of the different disciplines as well as increasing the reuse of already designed modules has to be considered. Both of these activities originate in the system design phase. Therefore, the sequential design process is analyzed to define the information required for starting detailed engineering in parallel. Additional requirements in the system design phase are derived from the characteristics of the system design phase itself and the special situation when designing specialized production machines. A method how these requirements can be fulfilled is shown based on these requirements. Keywords: PLC, System Design, Systems Engineering, Specialized Machines, simulation, modularization.1 IntroductionShorter product lifecycles result in the challenge of achieving short times-to-market for new products. Further, the individualization of products is increasing and machines are needed to manufacture these products. Based on the individualization of the products, the manufacturing technologies employed have to be adapted. This turns into challenges for machine builders to deliver customer-specific machines in a shorter time. When using a sequential engineering process, the different discipline-specific phases cannot be shortened furthermore. However, to still reduce time, the various phases could be parallelized.11. Another approach that some machine-builders are using is a modular-machine design, which separates the development process into a module development process and an order-dependent development process. 3 In this case, the machine is individually adapted to the manufactured product by combining different modules. For this reason, a minimum number of built modules is necessary. But some products require high customer-specific production technology, which cannot be achieved by just combining different modules. Therefore, specialized produc-tion machines are built. Based on the very customer-specific production technology and the fact that the product is highly dependent on the production process, only one or two of these types of machines are built.2 Current Engineering Process for Specialized Production Machines Specialized production machines consist of purchased components such as motors, sensors and mechanical parts, designed by the machine builders themselves. To automate the machine, programmable logical controllers (PLCs) are used. The current design process starts by defining the customers requirements regarding the machine. Here, the most important requirement is the specified cycle time for executing the manufacturing process. Based on this, mechanical engineers start by drafting possible solutions to fulfill these requirements. They are usually sketched by hand and implicitly contain information about the actions required, rough geometrical descriptions of parts, the first definition of assemblies, kinematic dependencies and module states during operation. This definition of a principle solution has a significant impact on the detailed engineering in other discip-lines 2. The next phase of the mechanical design process is characterized by detailing different geometrical parts in a mechanical CAD system (MCAD), where assembly groups are first defined. This detailed engineering goes hand-in-hand with defining the kinematics, the drive concept, the moved masses and the kinematic states within the process. The actuators to be ordered are calculated from these definitions and the required motion time between the kinematic states. The last mechanical engineering phase involves the detailed engineering of the different parts and assemblies. Specifying the sensors and actuators to the electrical department marks the transition from the mechanical engineering to the electrical engineering department. Here, the electrical engineers create what is known as a functional structure in an electrical CAD system (ECAD) and add the sensors and actuators specified by the mechanical engineering department. In this phase, each sensor and actuator can be directly mapped to symbols in the circuit diagram. Further, the engineers must know the sequence of operation for the sensors and actuators, e.g. if two pneumatic cylinders should extend at the same time; however this can only be controlled if there is a common valve for both cylinders. Based on this information, the electrical engineers draw circuit diagrams. Once all of the signal interfaces of the devices being used and the mechanical results (mechanical design, kinematic information etc.) have been transferred, the automation department starts to define the various machine states. These states are generally kinematic states, e.g. “cylinder is extended” and the associated transitions, e.g. “cylinder extends”. Further, the transition conditions between the states are defined using the signal interfaces of the sensors being specified by the mechanical and electrical engineering departments. Detailed engineering adds additional states and transition conditions along with safety functions such as interlocking condi-tions. The machine is finally assembled and commissioned. As mentioned previously, the decision regarding the principle solution has a significant impact on all of the disciplines involved. To obtain the best “mechatronics” solution, all disciplines should be involved in the system design phase 8. Based on the individual customer requirements and the situation, the mechanical engineers frequently do not know whether a module has already been developed that can be used in this project assemblies, once developed, are infrequently reused 10. The decision regarding the ability to reuse modules is also made directly by defining the principle solution. To reduce time within such a process, it should be possible to reuse modules as well as engineer new modules in parallel. To achieve both of these objectives, a method for designing the concept is needed before the various disciplines start detailed engineering in parallel. 3 Engineering and Design Approaches for System DesignEngineering specialized production machines is characterized by developing a mechatronic system, where the mechanical engineering is the leading discipline. In this case, the machine itself can be seen as the product of a machine builder. 13 suggests a development method for mechatronic systems, which is divided into three main phases. It starts with a concept or system design where all of the disciplines are involved, followed by a phase where the detailed mechanical, electrical/electronics and software engineering is executed in parallel. The final phase is the overall system integration. Using this macro process as a basis, this paper focuses on the concept or system design phase with the requirements that have been derived: Parallelizing disciplines, facilitating the reuse of mechatronic assemblies of the machine and considering the cycle time specified by the customer. Further, 13 explains a general method more specifically for the system design. Based on the requirements, the crucial problems are abstracted, a functional structure is drawn up and solutions for these functions are searched for. The main solutions are then evaluated and an interdisciplinary concept of a general mechatronic system is defined. This basic procedure is also used by 9 and 14 for system design, but with the focus on the mechanical engineering. Regarding the functional structure there, it is defined as functions connected to each other through energy, information or material flow. Based on this, principle solutions are identified for the different functions, combined and then a decision about the principle solution is made. 1 adapts this macro process to the development of PLC-controlled machines, by adding transition conditions between functions to model logical dependencies of the sequence between them. These dependencies and the rules for identifying sensors and actuators as a result of the information and energy flow, enable the automation department to start detailed engineering work. 1 also considers modularization of the machine, but not to reuse the various modules in a mechatronic way. Instead, it defines work packages for detailed internal engineering work running in parallel. Further, defining sensors and actuators based on the functional description is too abstract to allow symbols in a circuit diagram to be mapped to them. This represents a gap, and the electrical engineering department is not able to start with detailed engineering. 6 also mentions that selecting a principle solution based on functional descriptions is not sufficient to start detailed engineering. Therefore, what are known as aspect models can be used, such as sketches for the mechanical system and attached to the principle solution. 6 also introduces assigning a principle solution directly to a single function. 5extends this approach by automatically searching for the implementation by defining a verb-noun-verb combination and taxonomies for them, related to stored principle solutions in a databas