（机械电子工程专业论文）基于profibus的生产物流系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着社会对专业人才需求不断增长，要求高校能培养出更多懂理论、熟悉实 践的毕业生。因此，各高校非常重视校内实训基地和工程环境的建设，要求校内 工程环境既要接近工程实际，又能反映出当前新技术的发展方向。经济全球化和 信息技术的飞速发展，现代物流业正在全世界范围内广泛兴起。随着人们对于物 流价值认识的深入，生产物流受到工业界越来越多的重视并成为研究的热点。 本文根据当今生产物流和自动化的发展趋势，在现有m p s 系统的基础上设 计了存储单元和传输单元，扩充了系统功能，组成了一套既有生产加工功能又有 物流系统特点的生产物流系统，供实验教学与科研使用。存储单元和传输单元上 分别采用了立体仓库和传送带两种典型的物流系统设备，文中给出了这两个单元 的设计方案和硬件选型。控制系统除了选用西门子s 7 3 0 0p l c 和l o g o 控制器 外，还应用了目前较流行的基于p c 的控制技术，用w i n a c 软p l c 承担控制系 统中数据处理任务。分析了工业通信网络的结构，选用p r o f i b u s d p 方式组成 控制网络。文中还研究了控制系统的硬件组成，通信网络的组态方案，介绍了用 s t e p7 软件组态硬件、网络通信的步骤和编写用户程序的方法。论文最后介绍 用组态软件w i n c c 组态上位机的过程。 关键词生产物流；立体仓库；p r o f i b u s ；p l c a b s t r a c t w i mt h ec o m m u n i t y sg r o w i n gd e m a n df o rp r o f e s s i o n a l s ，c o l l e g e sa n d u n i v e r s l t l e s m u s tb r i n gu pm o r eg r a d u a t e sw h ou n d e r s t a n dt h e o r y a n df a m i l i a rw l t hp r a c t l c e t h e r e f o r e ，c o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e sa t t a c hg r e a ti m p o r t a n c et o t h ec o n s t r u c 乜o no t c 0 1 1 e g et r a i n i n gb a s ea n dp r o j e c t se n v i r o n m e n t 。t h e yr e q u i r e t h e i re n g m e e n n g e n v i r o n m e n tc l o s et ot h ea c t u a lp r o j e c t ，a n da l s or e f l e c tt h ec u r r e n td i r e c t i o no 士t h e d e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g i e s w i t he c o n o m i cg l o b a l i z a t i o na n dt h er a p l d d e v e l m e n tq fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，m o d e ml o g i s t i c si n d u s t r y l sw i d e l yn s l n g w o r l d w i d e 。a sp e o p l eb e c o m ed e e p l yu n d e r s t a n dt h ev a l u eo fl o g i s t i c s ，m a n u f a c t u r i n g l o g i s t i c sw a s m o r ea n dm o r er e c o g n i z e db yi n d u s t r ya n db e c o m e ah o tr e s e a r c n t l l i st h e s i sb a s e do nt h e c u r r e n tm a n u f a c t u r i n gl o g i s t i c s a n da u t o m a t l o n d e v e l o d m e n tt r e n d ，d e s i g n e dt h es t o r a g es t a t i o na n d t r a n s m i s s i o ns t a t i o no nt h eb a s l s o ft h ee x i s t i n gm p ss y s t e m ，e x t e n d e dt h es y s t e mf u n c t i o n ，a n dc o m p o s e das e t o t m a n u f a c t u r i n gl o g i s t i cs y s t e mw h i c hh a s b o t hp r o c e s s i n gf u n c t i o n sa n dl 0 9 1 s t l c s s v s t e mc h a r a c t e r i s t i c sf o re x p e r i m e n t a lt e a c h i n ga n dr e s e a r c hu s i n g s t o r a g es 触0 n 锄dt r a i l s m i s s i o ns t a t i o nu s e dt h r e e d i m e n s i o n a lw a r e h o u s ea n d c o n v e y o rt w ot y p l c a l l o g i s t i c ss y s t e me q u i p m e n t i nt h i st h e s i s ，w ep r o v i d e dd e s i g na n d h a r d w a r es e i e c t l o n o ft h e s et w os t a t i o n s b e s i d e ss i e m e n ss 7 - 30 0p l ca n dl o g o ，c o n t r o ls y s t e mu s e d c u “e n t l yp o p u l a rt e c h l o l o g yo fp c b a s e dc o n t r 0 1 w e u s e dw i n a cs o f t p l ct ot a l c e o nd a t ap r o c e s s i n gt a s k sa n da n a l y z e dt h es t r u c t u r e o fi n d u s t r i a lc o m m u n l c a t l o n n e t w o r k c h o i c ep r o f i b u s d pt ob u i l d u pt h ec o n t r o ln e t w o r k w ea l s o r e s e a r c h e d h a r d w a r ec o m p o s i n go fc o n t r o ls y s t e ma n dc o n f i g u r a t i o np l a no fc o m m u m c a t l o n n e t w o r k ，p r e s e n t e ds t e p s o fc o n f i g u r i n gh a r d w a r ea n dn e t w o r k ，a n d m e t h o d so f p r o g r a m m i n g u s e rp r o g r a mb yu s i n gs t e p7s o f t w a r e ，a n df i n a l l yi n t r o d u c e dp r o c e s s o fc o n f i g u r i n gu p p e rc o m p u t e rb yu s i n gw i n c c c o n f i g u r a t i o ns o k e yw o r d sm a n u f a c t u r i n gl o g i s t i c s ；t h r e e d i m e n s i 。n a l w a r e h o u s e ；p r o f i b u s ； p l c h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：墨坐金霉 日期： 迎2 年固刁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垄里金丕 导师签名： 日期：2 丝星缝堇国i 第1 章绪论 lul|i i 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 随着经济全球化和信息技术的飞速发展，现代物流业正在全世界范围内广泛 兴起。工业网络与信息技术的结合，使生产加工与物流实现了统一化。人们对于 物流价值的认识逐渐深入，生产物流受到工业界越来越多的重视并成为研究的热 点。我国对生产物流的研究起步较晚，与发达国家的差距较大，因此相关技术的 研究就显得格外迫切。 近年来，各工科院校都在着手素质教育，在提高授课质量的同时，非常重视 校内实训基地和工程环境的建设，要求校内工程环境既要接近工程实际，又能反 映出当前新技术的发展动向。社会对专业人才需求的不断增长，要求高校能培养 出更多既懂理论，又有一定工程实践能力的毕业生。自动化专业教学中极其重要 的一环就是要让学生能够参与生产自动化控制的实践，把实际生产与理论教学紧 密地联系起来，更好的为教学服务。国内一些院校自动化专业的教学实践由于受 到商业保密的限制或出于人身安全的考虑，仍是以演示实验或校外参观实习为 主，达不到理想的教学效果。 针对这种情况，我学科部设计并制作了一套基于p r o f i b u s 的生产物流实 验系统。该系统采用模块化设计，涵盖了气动、自动控制、传感器技术、现场总 线和软p l c 技术等多个领域，根据实际工况选择工业元器件，实现生产物流系 统的全部功能，以尽可能满足专业教学的要求，使工业自动化专业的学生能及时 了解生产物流的发展动向，掌握新技术的应用，为学生提供一个在学校就可以模 拟生产物流现场的实验、实训平台，提高学生对自动化技术的学习兴趣和工程实 践能力，从而提高学生毕业后的社会和经济价值，同时也可为教师提供一个教学、 科研平台。 1 2 技术现状和发展趋势 1 2 1 生产物流系统 生产物流系统是联系生产制造各环节成为有机整体的纽带【l 】。随着计算机技 术的飞速发展，使得物流有了计算机网络和信息技术的支撑，应用了先进的管理 技术和组织方式，将原本分离的商流、物流、信息流和采购、运输、仓储、代理、 配送等环节紧密联系起来，形成了一条完整的供应链，通过计划、管理、控制， 把物流的各个环节加以组合，最终达到降低产品流通费用的目的 2 1 。 生产物流系统的结构特点是；点多、线长、面宽、规模大 3 1 。传统的生产物 流是分散的、割裂的和相互独立的，缺乏集成化和系统化。如果说传统生产物流 北京工业大学工学硕士学位论文 ! 曼曼曼苎曼! 曼曼皇! 曼曼i i ii i i m i i i 一一i i m i 曼 设备落后，搬运效率低下是影响生产整体效益提高的主要原因之一的话，那么传 统生产物流的分散化和个体化则是牵制生产发展的另一主要原因。现代生产物流 是把生产和物流系统有机地联系起来，看成一个整体，从系统化、集成化的概念 出发去设计、分析、研究和改进，不追求系统内个别系统的高效和优化，而是力 求整体系统的优化和高效。现代化生产物流系统的另一特点是，把物流系统与生 产制造系统融为一体，使之形成完整的生产系统，以提高生产的整体效益。 目前生产物流的发展方向主要有以下几方面： ( 1 ) 自动化：就是要建立信息引导系统、自动分检系统、条码自动识别系 统、语音自动识别系统、射频自动识别系统、自动存取系统、货物自动跟踪系统。 ( 2 ) 智能化：就是要建立物流专家系统、物流预测系统、库存水平系统、 运输路径选择系统、自动导向车作业控制系统、自动分拣机的运行系统、物流配 送中心管理决策系统。 ( 3 ) 柔性化：是以顾客为中心，真正地根据消费者的需求组织生产，安排 物流活动。柔性化的物流正是适应生产、流通与消费者的需求而发展起来的一种 新型物流模式。可满足消费者“多品种、小批量、多批次、短周期”的需求【4 】。 生产物流现代化的基础，首先是采用快速、高效、自动化的物流设备。最典 型的现代化物流设备有： ( 1 ) 自动化立体仓库：改平面堆放为立体、空间堆放。既有利于物料的周 转，有利于自动化的管理，又节约了库房面积。 ( 2 ) 自动引导运输车( a g v ) ：快速、准确的运输。运输路径柔性化，便于 计算机管理与调度。 ( 3 ) 自动上下料机器：装卸料采用机器入，与加工设备同步协调。安全、 便捷，便于计算机管理与控制。 ( 4 ) 其他上下料及中转运输设备：传送带、集放链等【3 ，5 1 。 1 2 2 自动化控制系统发展 近些年来，随着自动控制、计算机、通信、网络技术的发展，企业的信息管 理系统的覆盖范围正在逐渐地从传统的经营、管理信息扩展到工厂的主控信息及 现场的控制信息，对于企业而言，将整个工厂的生产流程和自动化控制系统纳入 到统一的信息管理平台上已不再是一个梦想。借助于强大的工业通信网络，企业 的信息管理平台不仅可以对市场信息和管理信息进行处理，还可以囊括从原料采 购、生产加工到成品贮运的全部生产流程，这意味着通过与工厂中强大的工业通 信网络的集成，企业的信息管理系统可以实现对生产、物流、销售和管理信息的 统集成处理，为企业管控一体化功能的实现提供了坚实的基础。强大的工业通 信网络与信息技术的结合彻底改变了传统的信息管理方式，将企业的生产管理带 入到一个全新的境界。 第1 蕈绪论 曼曼寰! 曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! i i 一i i qi i i；i 曼曼曼 自动化控制系统的发展和工业通信技术的不断成熟是相辅相成的。自动化控 制系统的发展给工业通信提出了新的要求，工业通信技术的进步也极大地提升了 自动化控制系统的性能。自动化控制系统的历史大致可分为三个阶段： ( 1 ) 集中式控制系统 2 0 世纪5 0 年代前后，现场的仪表和自动化设备提供的都是模拟信号，信号 的传递需要一对一的连接，信号变化缓慢，传输的抗干扰能力差，传输距离比较 短。为了解决这些缺点，一部分模拟信号被数字信号所取代，通过使用数字技术， 克服了模拟技术的缺陷，延长了通信距离，提高了信号的精度。不过，由于当时 计算机技术的限制，中心计算机并不可靠，一旦中心计算机出现故障就会导致整 个系统的瘫痪。 ( 2 ) 集散式控制系统 随着计算机技术的发展，计算机的可靠性不断提高，价格也大幅度地下降， 出现了可编程序控制器( p l c ) 和集散式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ， d c s ) 。集散式控制系统在功能、性能上较集中式控制系统有了很大进步，实现 了控制室与d c s 控制站或p l c 之间的网络通信，但是在现场的传感器、执行器 与d c s 控制站之间仍然是一个信号一根电缆的传输方式，电缆数量多，信号传 送过程中的干扰问题仍然很突出。而且，在d c s 形成的过程中，各厂商的产品 自成系统，难以实现不同系统间的互操作。 ( 3 ) 现场总线控制系统 随着智能芯片技术的发展成熟，设备的智能程度越来越高，成本在不断下降， 因此，在智能设备之间使用基于开放标准的现场总线技术构建的自动化系统逐渐 成熟。通过标准的现场总线通信接口，现场的i o 信号、传感器及变送器的设备 可以直接连接到现场总线上，现场总线控制系统通过一根总线电缆传递所有数据 信号，代替了原来的成百上干根电缆，大大降低了布线的成本，提高了通信的可 靠性。现场总线技术的出现，彻底改变了自动化控制系统的面貌，工业通信网络 的概念逐渐深入人心，覆盖全厂范围的工业通信网络逐渐成形【6 j 。 1 2 3p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，符合国际标准i e c 6 1 1 5 8 ，是目前国 际上通用的现场总线标准之，并以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放 的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，成为现场级通信网络的最优解 决方案，其网络节点数已突破1 0 0 0 万个，在现场总线领域遥遥领先【6 j 。 p r o f i b u s 提供三种通信协议类型：d p 、p a 和f m s 。 p r o f i b u s 。d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r a l ) 是一种经过优化的高速通信连接， 专为自动控制系统和分散i o 设备之间通信设计，主站和从站之间采用轮询的通 信方式，传输速率最高可达1 2 m b p s ，主要应用于制造业自动化系统中现场级的 北京工业大掌工掌硕十学位论文 曼曼! 曼! 曼曼曼曼舅! 曼鼍量曼曼! 曼! 曼曼曼曼! ! 曼皇曼蔓曼曼i i i i i = ； 一i 曼! 皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼 通信一j 。 p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 电源和通信数据通过总线并行传输， 专为过程自动化设计，提供标准的本质安全传输技术，用于对安全性要求较高的 需要总线供电的场合【i o _ 1 。 p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 定义了主站和从站之间的 通信模型，主要用于自动化系统中车间级通信任务，提供大量的通信服务，完成 中等速度的循环和非循环通信任务【1 2 - 1 3 1 。 1 2 4 基于p c 的控制系统 随着f c s 的不断推广，近几年出现了一种新型的自动化系统控制策略，即 由工业计算机( i p c ) 、i o 装置、监控装置、控制网络等组成的基于p c 的控制 系统( p c b c s ) ，它正迅速进入工业控制领域，成为实现低成本工业自动化的重 要途径【l4 1 。p c b c s 的优点可概括为：对各种控制及业务应用、信息的存取均很 简单；软件向新的硬件平台的可移植性优良；控制、人机界面及编程功能易于集 成；易于将过程控制、逻辑控制、批量控制以及运动控制等合为一体：不依赖于 各种专有的控制系统【l5 1 。目前，采用p c b a s e dc o n t r o l 思想的产品比较多，如： s i e m e n sw i n a c 基本型( b a s i s ) 实时型( r 1 x ) 插槽型( s l o t ) ，w i n c a t ， v i s u a ll o g i cc o n t r o l l e r ，s o f i l o g i x ，f a c t o r y s u i t e i n c o n t r o l ，p a r a d y m 一31 等。 1 3 研究内容 为了实现资源共享，在原有模块化生产加工系统( m p s ) 的基础上，自行设 计了存储单元及传输单元，加入到m p s 系统中，使之成为既具有生产加工系统 的功能又具有物流系统特点的生产物流系统。主要研究内容如下： ( 1 ) 完成存储单元和传输单元的方案设计，选择元器件，加工及组装调试； ( 2 ) 设计生产物流系统的控制方案和网络通信方案，并加以实现； ( 3 ) 制定各单元的i o 分配表和状态转移图，编写控制程序； ( 4 ) 组态上位机界面，完成对现场的实时监控： ( 5 ) 系统调试 1 4 本章小结 本章对生产物流系统、自动化控制系统、p r o f i b u s 现场总线以及基于p c 的控制系统作了简要介绍，阐明了研究基于p r o f i b u s 的生产物流系统的现实 意义，同时介绍了本文的研究内容。 第2 章存储单元和传输单元研制 第2 章存储单元和传输单元研制 m p s ( m o d u l a rp r o c e s s i n gs y s t e m ) 是德国f e s t o 公司提供的一套供教学使 用的模块化生产加工系统，由8 个单元组成，分别为供料单元，检测单元，加工 单元，提取单元，缓冲单元，装配单元，功能检测单元和分拣单元。它可以完成 红色塑料、黑色塑料和白色金属三种不同材质的模拟单作用气缸，从供料、检测 材质、钻孔加工、装配，到气密性检测，最终根据材质不同分拣到三个存储槽中 的全过程，并可由i n t o u c h 软件组态的上位机监控界面进行生产过程的实时监控。 m p s 系统到产品分拣即结束了整个生产过程，产品进入分类存储槽中就无 法再进行自动处理。为了使学生能在实验室中亲历生产物流系统的运行，了解生 产物流系统的关键技术和发展动向，我们在m p s 系统的基础上研制了能体现物 流功能的存储单元和传输单元。保持m p s 系统前七个单元不变，用存储单元替 换分拣单元并加入了传输单元，组成了功能更加完善的新系统。该系统除了可以 完成生产加工功能，还实现了货物存储，出库供货，运输的物流功能，成为既具 有生产加工功能又具有物流系统特点的生产物流系统。 2 1 存储单元研制 2 1 1 方案设计 自动化立体仓库是集机械、电子、计算机、通信网络、传感器和自动控制等 多种技术为一体，以搬运机械化、控制自动化、管理微机化、信息网络化为特征 的现代化物流系统中产品生产与储存的枢纽。其具有以下优点： ( 1 ) 仓库作业全部使用机械和自动化设备，运行和处理速度快，提高了劳 动生产率，降低了操作人员的劳动强度。同时能方便的纳入企业的物流系统，使 企业物流更趋合理化。 ( 2 ) 采用高层货架存储货物，能充分利用空间，减少占地面积，提高了空 间利用率。 ( 3 ) 采用计算机对各种信息进行存储和管理，不但能够实现作业过程的自 动控制，而且能够准确无误地进行信息处理，因此能减少货物处理和信息处理过 程中的差错【1 6 】。 存储单元包括一个立体仓库和一个搬运机械手，立体仓库分为上、中、下三 层货架，分别存放白色金属、黑色塑料、红色塑料三种材质的气缸，每层货架有 六个库位。货物入库时，搬运机械手可将气缸从进料斗中取出，根据材质不同放 入相应货架的库位中。出库时，根据所需气缸的材质从不同货架中取出送到下一 单元中。 北自i n i # * z 212 详细设计 目前的立体仓库一般都采用基于直角坐标系的框架结构，这种结构设计简 单，运行可靠但是会浪费一定的空间。为了与m p s 各单元外形尺寸一致，将 立体仓库设计成即节约空间又保证功能的圆弧形结构。搬运机械手采用基于圆柱 坐标的机械装置，机械手的底部为一个旋转机构，控制整个机械手在水平面的旋 转动作。旋转机构上部安装一个垂直放置的直线伺服驱动装置，实现机械手竖直 方向的运动。直线伺服驱动装置上沿水平方向安装一个两点定位的气动直线导向 装置，导向装置其前端安装一个气爪。导向装置带动气爪实现伸出和缩回动作， 气爪用以完成对工件的抓取和释放。由于旋转运动使工作空间增大，所以圆柱机 器人的操作适应性和灵便性大大增加7 】。存储单元的结构如图2 - 1 所示。 1 伺m b 选2 一直线伺服电机3 气动直线 向* i 4 一气m5 一弧形货架6 i 件 图2 - 1 存储单元结构图 f i g u r e 2 - ls t r l l c m r e o f s t o r a g es t a t i o n 另外，该搬运机械手的驱动方式并没有采用单一的电动或气动方式，而是根 据实际情况采用了电动伺服和气动相结合的驱动方式。将气动元件结构简单、成 本低廉、简便易用阻及环保等优点与电动伺服控制定位精度高的优势相结合。此 外采用气、电结合的方式也可以使学生接触更广的知识。控制方式如图2 - 2 所 示。 一 量：茎至鉴量至堡2 ：塞耋垩! ! 型 咏：茎 7 霸 曼嚎 圈2 - 2 控制方案简吲 f i g u r e2 - 2d i a g r a mo f c o n t r o jm o d e 2 l3 硬件选型 由于是气动和电伺服控制相结合，所以气动执行元件和电动伺服执行元件是 系统中最重要的执行元件也是该单元机械结构的主体部分。考虑到本单元与 m p s 系统的兼容性以及整体性能和外观，决定主要部件都选用f e s t o 的产品。 2l31 伺服马达由文献1 8 何知，m t k - d c i ，4 2 一g 1 4 型伺服马达的性能如下： 理论输出扭矩为0 6 到33 n m 径向负载2 3 0 n 。轴向负载8 0 n 。其内置一个1 4 倍速比的齿轮变速箱以及光学编码器，并与一个伺服马达控制器集成在一体。控 制及接线简单，对其的全部控制只用7 路数字信号( 5 八2 出) 。参数可以通过 控制面板进行设置或使用配置软件包f c t ( f e s t o c o n f i g u r a t i o n t 0 0 1 ) 在p c 上 通过r s 2 3 2 接口进行设置。技术参数如表2 一l 所示。 表2 - im t r d c i 1 2 - g 1 4 型伺服马达 t a h i e 2 1m t r d c i - 4 2 - g 1 4s e r v o m o t o r 特性技术参数 控制器操作模式p w m m o s f e t 电源输出模块 转子位置传感器光学编码器 额定马选功率 额定电压 额定电机电流 峰值电流 参数配置接口 r $ 2 3 2 ( 9 6 0 0 b a u d ) 霪 北京t 业大掌丁学硕一t ：学位论文 实验台主要用于教学，工作时负载较小，而且工作不频繁，该电机能满足各 项要求，所以选用m t r d c i 4 2 g 1 4 型伺服马达。 2 1 3 2 直线电机由文献【1 9 可知，s l t e 1 6 1 5 0 型电动滑块的主要性能如下： 可用负载最高可以达到7 2 9 9 ，本系统须由滑块带动的负载小于6 0 0 9 ，最大速度 为2 1 0 m m s ，最小速度为2 m r n s ，在实际工作中我们将速度定为2 0 m m s 。综合 考虑这些因素，该电动滑块的各项性能均能满足使用要求，因此选用s l t e 1 6 1 5 0 型电动滑块。技术参数如表2 2 所示。 表2 - 2s l t e 1 6 1 5 0 型电动滑块 t a b l e2 - 2s u 飞1 6 1 5 0s l i d e 特性技术参数 工作行程 1 5 0 m m 定位精度 o 1 m m 设计结构机电式直线定位轴，带滑动丝杆 马达类型d c 伺服电机 额定工作电压 d c 2 4 v 产品重量 2 1 9 6 9 该电动滑块由s f c 马达控制器控制，s l t e 和s f c d c 之间的连接只需一根 电缆。s f c 马达控制器驱动方式简单，通过数字量i o 来实现，控制只需8 路 数字信号( 6 入2 出) ，参数可以通过控制面板进行设置或使用配置软件包f c t 在p c 上通过r s2 3 2 接口进行设置。技术参数如表2 3 所示。 - 表2 - 3s f c d c 马达控制器 t a b l e2 3s f c d cm o t o rc o n t r o l l e r 特性技术参数 控制器额定功率 7 5 w 额定电源d c 2 4 v 负载额定电压 d c 2 4 v 负载额定电流3 a 负载峰值电流 5a 逻辑额定电流 o 1 a 逻辑峰值电流 0 8 a 产品重量 6 0 0 9 2 1 3 3 气动直线导向单元s l f s l f 1 6 8 0 p a 型气动直线导向单元是气动执行 元件，主要用于机械制造领域。在许多行业中得到了应用：譬如包装、电子行业 等。由于采用滚珠轴承，因此动作精度高，运行平滑，负载能力强。s l f 外形扁 平，配有l 形滑块，采用s m x 。1 0 接近式传感器进行位置感测。 - 8 ! ：丝：2 i i ：i ! ! 两端各安装一个对射式光电传感器，用于检测货物在传送带上的位置。 l 传送* 2 - - 光电传感器 3 一直流电机4 - - 抖斗 图2 0 传输单元结掏图 f i g u r e2 - 3s t r u c t u r eo f t r a n s m l s s i o ns t a t i o n - ，- 1 1j7 、 图2 4 控制方案简图 f i g u r e 2 - 4d i a g r a m o f c o n t r o l m o d e 223 硬件选型 2 23l 直流电机传输单元中，直流电机需要驱动传送带将工件平稳匀速的运送 雷菇轳爹一 哺蔗 北京工业大掌工学帧十学位论文 ! i i ：i i：= iii i i 曼皇曼! 曼皇曼曼! 曼曼鼍曼曼曼 到料斗位置，速度与转矩要满足系统要求，传送带运行速度为2 0 m m s ，工件质 量为2 5 9 。f e s t o2 4 v 直流电动机具有永久固定可逆蜗轮，电机轴和传动轴的位 置成直角，齿轮电机可由附在涡轮边上的三根螺丝调整。综合考虑以上因素，该 电机适合在传送带上使用；技术参数如表2 8 所示。 表2 毡直流电机 t a b l e 2 8 d cm o i o f ， 特性技术参数 额定电压 2 4 v 额定电流1 5 a 额定转速 7 5 r p m 额定转矩 l n m 重量 4 5 0 9 2 2 3 2 限流器为了避免电机启动和停止时产生的感应电动势影响其他设备的 运行，传输单元需要配置限流器以隔离电机的2 4 v 供电和其他设备的供电。 限流器是将一个继电器和一个电子的电流限制器整合在一个线路板上。需要 注意的是限流器模块只能用于操作在现行规定为1 a 的最大静态电流，限制作用 不得用于连续变化电流。技术参数如表2 - 9 所示： r 表2 - 9 限流器 t a b l e2 - 9e l e c t r i c i t yr e s t r i c t i o n d e v i c e 特性技术参数 控制电压 2 4 v d c 电流 1 a 限制电流 2 a 最大限制时间 5 0 m s 2 2 3 3 光电式传感器在传送带前端需要有传感器检测是否有工件，然后决定是 否启动电机开始运输，传送带末端要有传感器检测工件是否已经运走，来决定是 否停止电机。于是选用了f e s t o 的s o e g l q 3 0 pas 2 l 型光纤设备和 s o e z l l k r t - 2 ，0 m 4 型光纤电缆作为传感器。 该传感器为对射式传感器，配有偏振滤波器，确保只对由特殊反射器反射回 的光线产生响应。反射器根据三棱镜原理设计。光纤电缆由一束玻璃纤维或由一 条或几条合成纤维组成。光纤能将光从一处传导到另一处，甚至绕过拐角处。技 术参数如表2 1 0 和2 1 1 所示。 第2 章存储单元和传输单元研制 表2 1 0 对射式光电传感器 t a b l e2 10o p p o s i t ep h o t o e l e c t r i cs e n s o r 特性技术参数 电信号输出方式p n p 最大测量范围 1 2 0 m m 测定工作电压 d c 2 4 v 最大开关频率1 0 0 0 h z 产品重量 1 8 9 表2 - 1 1 光纤 t a b l e2 - 11l i g h tf i b r e 特性技术参数 测量方式对射式 尺寸m 4 调节范围的上限4 0 0 m m 产品重量 2 0 9 2 3 本章小结 本章提出了将m p s 系统中加入存储和传输两个单元组成生产物流系统的方 案，重点介绍了新增存储单元和传输单元的机械结构、控制方案和硬件选型，并 说明了它们的设计特点。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章控制系统方案设计 3 1 控制系统组成 为保证模块化特点，系统采用分散式控制结构，每个单元都配备一个控制器。 这样不仅可以整个系统运行，而且为了教学实验，可以将系统拆开单个单元运行， 供多组同学同时进行实验，或选出几个单元组成小型系统运行，增强了灵活性， 并锻炼了学生的创新能力。 控制系统采用西门子公司s i m a t i c 系列自动化产品，下位机主要使用 s 7 3 0 0 系列p l c ，配合使用l o g o 控制器和w i n a c 控制器，上位机使用组态软 件w i n c c 开发。 m p s 系统中的7 个单元使用的是7 台s 73 1 5 2 d p 型c p u ，根据输入和输出 点数的需要配备1 5 个8 d i 8 d o 的s m 3 2 3 数字量模块和2 个2 a ix1 2 b i t 的s m 3 3 1 模拟量模块。 存储单元为本实验室自行研制，综合考虑性能和价格等因素，选用s 7 31 3 c 2 d p 紧凑型p l c 。其集成的d p 接口可以进行p r o f i b u s d p 通信，还集 成了一个1 6 d i 1 6 d o 的数字量i o 模块 2 0 - 2 2 】，能满足本单元对i o 点数的使用要 求，无需再扩展i o 模块。 s 7 3 0 0 是西门子p l c 的中端产品，在汽车、食品、烟草和塑料加工等行业 有着非常广泛的应用基础。它将先进控制思想、现代通讯技术和i t 技术集于一 身，在c p u 运算速度、程序执行效率、故障自诊断、联网通讯以及冗余技术等 方面取得了公认的成就【2 引。 传输单元被控对象和传感器较少，逻辑也很简单，控制器如果选用p l c 很 不经济，因此选用l o g o 控制器。其主机上集成的8 d i 4 d o 已经可以满足点数 的需要，无需再扩展i o 模块。l o g o 内部集成了6 个基本功能模块和3 0 个特 殊功能模块，编程软件提供功能块和梯形图两种编程方式，用户可随意在两种方 式之间切换【2 4 】。选用l o g o 不仅节约成本，而且使所有工作简单、快速和方便， 节省了开发的时间。 生产物流系统是一套柔性系统，在一条生产线上可同时生产三种不同材质的 单作用气缸，其中黑色塑料气缸的缸径和高度小于另两种气缸的，三种工件如图 3 - 1 所示，工件尺寸如表3 1 所示。对于工件材质的检测是在检测单元进行的， 而后面的每一个单元都要用到这个信息。因此，不仅工件在系统的各单元上传递， 工件的材质信息也要跟着在控制系统的各p l c 中传递，从而形成了与物料流同 步的信息流。 r 1 l 一一 图3 - i 工件 f i g u r e3 - 1w o r k e 表3 - 1 工件尺寸 t a b l e3 - 1d i m e n s i o no f w o r k p i e c e 尺寸 红色塑料c r a m ) 黑色塑料( r a m )白色金属( r a m ) 外径 内径1 6 高度 本系统中将数据处理这一功能提取出来专门开发了信息单元，负责对数据进 行收集、存储和发送。信息单元的数据块中存储着所有执行单元上的工件材质信 息并随着生产过程实时更新，也就是说信息流是在信息单元中传递的。系统运 行时，当工件从单元a 传到下一个单元b ，信息单元数据块中的材质信息也会 从一个存储区转移到下一个存储区，并且将材质信息发送给单元b ，使单元b 知道刚从单元a 送来的工件的材质。为了体现控制系统的先进性和多样性，信 息单元采用w i n a c 软件开发。 s i m a t l cw i n a c 是西门子公司开发的基于p c 控制的核心组件，特别适台 用于处理大量数据的任务，以及必须利用p c 平台才能解决的高速工艺功能。它 将p l c 控制、数据处理、通讯、可视化及工艺集成于一台p c 机上，并可以方便 地与非西门子组件交互，通过标准o p c 接口集成到办公环境中口“。w i n a c 控制 器使用s t e p7 标准软件进行组态和编程，方法与s 7p l c 完全相同用户程序 可以根据需要选择在p l c 或p c 机上运行保护了对现有软件的投资并且在 s t e p7 上积累的大量经验可以在w i n a c 上得到充分利用”。 w i n a c 包括三种类型产品： ( 1 ) w i n a c b a s i s 基本型运行于标准w i n d o w s n t 。它适用于除控制任务 外还有大量的p c 任务的场台，用于组成对实时性和响应时间的要求不高的系统， 成本较低。 ( 2 ) w i n a cr t x 实时型，基于m i c r o s o f tw i n d o w sn t 实时扩展内核 v e n t u r c o m 是针对具有确定性能的控制任务、运动控制、视频控制、快速1 o 、 快速闭环调节的解决方案。 ( 3 ) w i n a cs l o t 插槽型，属于硬件型w i n a c ，适用于对确定性、宴时性、 北京工业大学工学硕上学位论文 高可靠性有较高要求的场合【2 8 五引。 本系统是一套实验教学系统，对实时性要求不高，因此选用w i n a cb a s i s v 4 1 ，由文献 3 0 可知，技术参数如表3 2 所示。 表3 - 2w i n a cb a s i sv 4 1 技术参数 t a b l e3 - 2w i n a cb a s i sv 4 1t e c h n i c a lp a r a m e t e r s 特性技术参数 集成r a mp c 可用存储空间 i o1 6 1 6 k b 位存储器 2 k b s 7 定时器计数器 5 1 2 5 1 2 位操作执行时间 o 0 1 3 u s 整数操作执行时间 o 0 2 5 u s 浮点数操作执行时间 0 0 2 5 u s 参照平台 p 42 4 g h z 编程软件s t e p 7 v 5 2 以上 m p s 系统的上位机是在i n t o u c h 软件中开发的，为了让学生能接触到更多的 主流上位机组态软件，本系统的监控单元使用w i n c c 开发。w i n c c 组态软件将 在第五章中介绍。 p c 与p l c 通信时需要使用通信设备，主要的通信设备有： ( 1 ) p c 适配器 一端连接p c 的r s 2 3 2 口或u s b 口，另一端连接p l c 的m p i 口或d p 口， 它没有网络诊断功能，通信速率最高为1 5 m b i t s ，价格较低。 ( 2 ) c p 5 6 1 1p c i 卡 用于台式电脑编程和通信，此卡具有网络诊断功能，通信速率最高可达 1 2 m b i t s ，价格适中。 ( 3 ) c p 5 6 1 3p c i 卡 除具有c p 5 6 1 1 卡的功能外，还带有处理器，可保持大数据量通信的稳定性， 一般用于p r o f i b u s 网络，同时也具有m p i 通信功能，价格相对较高。 为保证系统数据通信的稳定性，使用性能较高的c p 5 6 1 3 通信卡。 3 2 网络通信方案 3 2 1 企业通信网络结构 企业的通信网络可划分为三级： ( 1 ) 企业级通信网络 企业级通信网络用于企业的上层管理，为企业提供生产、经营、管理等数据， 第3 苹控制系统方案设计 通过信息化的方式优化企业的资源，提高企业的管理水平。 在这个层次的通信网络中，i t 技术的应用十分广泛，如i n t e r n e t 和i n t r a n e t 。 ( 2 ) 车间级通信网络 车间级通信网络介于企业和现场级之间。它的主要任务是解决车间内各需要 协调工作的不同工艺段之间的通信，从通信需求角度来看，要求通信网络能够高 速传递大量信息和少量控制数据，同时具有较强的实时性。 对车间级通信网络，所使用的主要解决方案是工业以太网。 ( 3 ) 现场级通信网络 现场级通信网络处于工业网络系统的最底层，直接连接现场的各种设备，包 括i o 设备、传感器、变送器、变频器和驱动等装置，由于连接的设备千变万化， 因此所使用的通信方式也比较复杂。而且，由于现场级通信网络直接连接现场的 设备，网络上传递的主要是控制信号，因此，对网络的实时性和确定性有很高的 要求 6 1 。 对于现场级通信网络，p r o f i b u s 是主要的解决方案。同时，在通信、组态、 编程中还需使用其他一些通信技术。 ( 1 ) m p i ( m u l t i p o i n ti n t e r f a c e ，多点接口) 协议 m p i 通信用于小范围、小点数的现场级通信。m p i 是为s 7 m 7 和c 7 系统提 供的多点接口，它设计用于编程设备的接口，也可以用来在少数c p u 之间