（控制理论与控制工程专业论文）基于mps的离散控制系统的仿真实现与研究.pdf

硕 士 论 文 abs tract t h 1s p aperm ain1y de s crib e s th e d es i gnan d r e al izat1o n o f th e s imul 叭 o n s ys t e 扣w h ich i s b a s ed o nthemp sc o n tr o l sys t e n l . u n d er con s i d e r a ti o nof t h eth es i tuation abo u t c hin e s ec olle g e1 ab andth ed e r n a n do fo u rc o untiy for the p e o p 1 ew i th a u t 0 ma t 1 o n te c hno lo g y ， acc o r d in gt oth e r 闪u ir e r o e n t and瀚o f au to it 坦 ti on la bandtr ai ni n g instituti on，the auth o r com p 】 et e s the w h o l e d e s i gn o f th e si m u l 毗o n s y s t e mand pla t fo rm the p aperanal y s esth e c h ar a c 1e ri s ti c s o f m p s ( 功 o dularp r oc es s s y stem ) o f f e s to c o . ，th en u s e sthe d c sc o n tr 0 1 s y st em id e a ， an d胡 o p tss im仃 (p 灿t s im u la ti on s o ft w are ) ， win c c ( c o n fi g u r a 石 on s o ft w ar e)， s t e p 7 ( p r o gra m n 刀 叮 g s o few ar e 为 f s 正me n s ， fl u id s lm(p n eu mati c s o ft w ar e ) 0 f fe s t o and pr0 f ibu s fl e ldbu s t e c hn0 fo gytoc o n sti u cta su n u lation in d u s trial s y s temw hi c hc o m b in e sth ec ontrol ，s u pe rv is al，co n 仃 0 1 p lant . m ean w h il e ， th eau th o r u se s th e fl a s hteehoo lo g ydesi gn 功 g th e m a n age m e n t p l a t fo n 刀 tore al i z e the n 以 n a g e m e n t and t r a l1 s fen n atio no f the mp s si mu l ation s y s t e n 1in th een do f th e p aper， th eau th ordi s cu s s e s th e p ro b le m s d u ri n gth er 已 习 lz atio nand a p p li c ation ofthe s imu l atio n s y s t em the r e a li za t10 n o f th e 滋 m u 1atio n s ys te ms o 1v e s the p r 0 b 1e mo f equ ip men t l ac kne s s in the lab， al s oes tabll s h a c onv ient exp e n r q e n t pl a tfo n nfor the a u to m a ti o nte c 助o l o gy l e 田 me r . k e y w ord s : m p s ， d i s c r e t e c o n trol s y s te m ， s im u lationr ea li za ti on， a p p ll cati o n re s e a rc b 声明 本学位论文是我在导师的 指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学 位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已 在论文 中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : .皇蜜址， 词年7 月 /o 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档， 可以 借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向 有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和 程序处理口 研 究 生 签 名 ; 一里 - 垫一翔 7 年7 月 / 口 日 南京理工大学硕士学位论文基于侧 田 5 的离散控制系统的仿真实现与研究 1 绪论 l l 自 动化技术概 迷 自 动化技术是一种运用控制理论、 仪器仪表、 计算机和其他信息技术， 对生产过 程实现检测、 控制、 优化、 调度、 管理和决策的 技术。 作为 一种广泛的先进的技术手 段，自 动化技术在提高劳 动生产率、 减轻工人劳动强度、改 善劳动条件、 提高和稳定 产品 质量、降 低能 源消 耗等方面发 挥着巨 大作用。 冈 自 动化技术应用于社会的各行各业中，其中又以自 动化生产线的应用最为广泛。 自 动化生产线具有效率高， 应用灵活， 工作精度高， 运行平稳等特点， 并且节省了人 力 物力， 大大提高了生 产率。目 前， 自 动化生产线在我国工 业生产领域及其他诸多领 域应用广泛并且有着十分广阔的应用前景。 如工业生产加工自 动化系统， 是离散制造 业领域的重要组成部分， 可以自 动实现生产流水线中的送料、 加工、 输送、检验、 分 拣 送库等 环节的自 动化 控制，以 其为原型的m p s( m edu l ar卜 ro c es s s y s te m ) 模块加 工系统是一套模拟实际工业生产中大量复杂控制过程的教学培训装置， 它充分地整合 了诸多自 动化技术， 既可以控制基础操作， 也可以控制复杂操作， 为自 动化技术人才 的培养提供了不可多得的教学培训自 动化系统模型。 i j自 动化技术教学培训开展状况 1 么1 开展自 动化技术教学与培训的 重要性 在自 动化领域新技术迅猛发展的 今天，如何培养工程技术人员迅速地掌握新技 术、 新设备， 并有效地应用于生产实际当中， 是自 动化行业面临的问题之一。由于我 国的商等教育( 尤其是 工科教育) 长期以 来， 基本上遵循了 一条“ 应试教育” 的路线， 因 此， 由 学校所培养出 来的大学生， 大多数与现代化工厂企业以 及现代化工程建设相 脱节， 学生毕业后， 不能很好的胜任工程师的职责， 有的甚至要重新进行工程师的教 育与培训， 这就大大阻碍了我国自 动化技术前进的步伐。 基于以 上原因， 在高校中开设有关工业控制系统及技术的课程已 经非常普遍， 如 p l c技术及应用、 工业控制网络等课程， 这些课程在培养学生工业控制系统及技术的 理论方面发挥了明显的 作用， 但它们作为工程实践性很强的课程， 实验环节是必不可 少的。 实验室中开展工业控制技术实践环节对于学生更快更好地掌握工业控制技术发 挥着巨大作用。 通过实验环节， 能激发学生的学习兴趣， 将理论知识转化为实践成果， 了 解工业控制系统中的常见问题，学习正确的系统设计方法。 1 第 1 章 绪论硕士论文 i j j实脸室开展自 动化技术教学的方法 自 动化技术快速发展的今天， 社会对技术全面、 专业突出的工程人员的需求越来 越迫切， 实验室中对自 动化人才的培训也越来越多地突出 控制系统的设计与实现等方 面的能力， 但是在控制系统的设计过程中， 由于被控对象的短缺， 制约了实验的开展。 而模型研究方法是人类最古老的研究自 然界的科学工程方法之一， 用适当的模型来仿 真控制系统中的被控对象， 以检验其正确性和可靠性， 己 成为有效的开发手段。 因 此 为了能让学生对工业控制系统有更真实及完整的了解与学习， 许多高校开始采用仿真 技术进行实验室建设。目 前实验室中主要的仿真方式有以下几种: 1 .全物理仿真 用真实的执行器、传感器和真实的控制器建立一个控制系统模型，如图1 .2. 1 所 示。 真实的被控对象是用实物来模拟控制现场的生产执行设备， 它通过对真实的被控 对象的操作来模拟现场输入设备的操作， 同时观察被控对象的执行状态， 整个系统对 现场的模拟是直观的， 这样就可以大致地、定性地检验系统的正确性。 但其缺点是成 本极高，重用性、灵活性、可靠性差，接线复杂且工作量大。 图1 .2. 1全物理仿真方式 全物理仿真技术是伴随着仿真技术的发展而一起进步的。 面对自 动化技术教学与 培训的极大需求， 国内外很多优秀的公司研制开发了针对自 动化教学方面的模型。目 前实验室中常用的全物理仿真系统有很多种， 如德国凡s to公司开发的工业自 动化教 学培训系统、 m p s模块化加工系统、 过程控制实验系统、 气液压台实验系统等。这 些教学模型以真实的自 动化控制系统中的被控对象为模型， 完全仿真设计了适用于实 验室教学的微型工业控制系统生产线， 其中比 较具有代表意义的是德国凡s id公司开 发的mp s 模块化加工系统。 m p s( m odu l ar卜 ro 。 昭 s s y s tel n ) 模块 化加工系 统是 德国f 留 切公司 所开发的工 业 自 动化教学培训系统的一个重要组成部分。 它是结合现代工业特点开发 研制的 模拟自 动化生产过程， 集机械、电子、 通讯为一体的机电信息一体化的实验装置，涵盖了机 械设计、传感器技术、自 控技术、信息技术和计算机技术等多项学科的内容。州 田 5 的每个单元均为根据设定的任务， 选择相应功能和技术参数的气动元件、 传感器、 电 器元件及标准型材集成而成。 由 于以上一些特点与优势， mp s系统己 经广泛地应用于全国众多高校自 动化教 学实验室以 及自 动化技术培训机构，而m p s 系统也在教学及培训过程中发挥了不可 小觑的作用。 窗京理工大学硕士学位论文 基于翻 口 5 的离散控制系统的仿真实现与研究 2 .半物理仿真 在控制系统调试过程中， 完全依靠全物理仿真被控对象而进行实验的 缺点是显而 易见的，因此提出了半 物理仿真的概念，如图 1 .2 2 。 最早出 现的半物理仿真方式是 利用真实的控制器和仿真计算机建立的仿真系统。 图1 .2.2半物理仿真方式 其中接口 板作为控制器与仿真监控计算机的数据通讯桥梁并一次设计到位， 通过 在软件仿真被控对象计算机上设计不同的仿真被控对象模型来实现有着不同调试任 务的被控对象， 而无需多次重复开发专用的全物理仿真被控对象。 这种系统能较好地 仿真现场情况， 解决了 接线复杂问 题， 且灵活性、 重用性较好， 可以 大量节约成本和 人力。 不足之处是接口 板的设计会影响系统数据采集与处理的 速度， 实时性有待提高。 3 . 计算机仿真 近年来， 数字计算机、 数值分析技术和软件技术发展很快， 使数字计算机仿真技 术日 趋成熟， 应用领域不断 扩大， 已 成为计算机仿真的主流。 现己出 现了 许多针对机 电系统的仿真软件和软件平台， 如世界著名的技术培训系统lab 一 v o l t ， b y t r o n ic h t 。 ” a 加幻川 开发的l a d s im， f es to工业自 动 化教学 培训系 统中 的e as y 叭5 软 件 包等。计算机仿真方式的结构如图1 .2. 3 。 图1 一2. 3计算机仿真方式 这些软件的优点是可以 节约硬件成本， 且开发周期缩短， 开发方便; 但缺点是通 用性较差， 缺少其它公司产品的技术支持， 且所开发的虚拟被控对象不能完全达到工 程实际中被控对象的技术指标。 i j论文的 背峨及作者所傲的 研究工作 i j .1论文的背且 在自 动化控制与新技术飞速发展的 形势下， 培养具有高理论水准， 高技术水平的 工程人员是当今大学教育及技术培训机构的重要任务; 工业技术的发展日 新月异， 如 何建设规范化、 标准化、 工程化的实验室，从而跟上国际工业技术发展的步伐， 与国 际标准接轨， 以 及如何培养出 适应当今技术发展水平的工程人员， 也是实验室建设中 不可忽视的问题。 目 前， mp s在高校实验室及培训机构中的广泛应用，证明 它的优势与价值已越 第 i t 绪论硕士论文 来越多地被自 动化技术领域的工作者们认可， 但同时也有很多因素制约着它更广泛的 使用和更有效地发挥作用。 主要制约因素有以下两点: 1 .受训人员众多， 而实验设备价格昂贵 ( 尤其是全物理仿真设备，以 某高校自 动化实验室为例， 一套六个工作单元( 全套九个单元) 的mp s 设备花费达几十万元)， 导致当前大学实验室及技术培训机构中不可避免地存在着需要培训人员众多与实验 设备短缺的供需矛盾; 2 .现有的实验室对工业自 动化技术的培训模式并不能完 全满足培养一个高技术 水准的工程人员的要求。 现有的全物理仿真实验设备更多地侧重培训受训人员的单一 自 动化技术， 其结果是受训人员只见树木， 不见森林， 未能完全把握一个自 动化控制 系统的概念及结构层次，也不清楚如何设计一个完整的工业控制系统。 本文正是为了解决以上问题，依托基于mp s的离散控制系统的 仿真实现而展开 论文研究工作的。 1 3 )作者所做的 研究工作 基于以上考虑，本文以 全物理仿真系统 ( mp s模块化加工系统)为被控对象模 型，构建基于m ps 的控制系统，并以此控制系统为参 考， 利用计算机仿真技术，设 计基于m p s的控制系统的仿真系统，通过对仿真系统中各结构模块的详细设计、研 究以及最终调试， 验证本仿真系统的可行性、 有效性， 从而为实验及培训搭建一个良 好的工业技术仿真实验平台。因此作者的主要研究工作如下: 1 . 调研当前工业自 动化技术在实验室及培训机构中的应用现状， 提出解决方案: 2 . 研究分析本文的真实被控对象模型， 在熟悉使用m p s 模块化加工系统的六个 工作单元的前提下，总结其特点、结构组成及工艺流程等: 3 .针对m p s 控制系统特点，制定本文中mp s 控制系统的设计方法，提出控制 系统的总体构架设计，以及以 此控制系统为参考的仿真系统构架设计; 4 . 对仿真系统中的被控对象( 六个工作单元) 采用s n d lt与r u i d s im 两种仿真 平台进行分析与建模: 5 .设计实现仿真系统中六个工作单元的控制程序; 6 .对仿真系统中 六个工作单元采用v 汽 刀 c c组态软件进行监控组态; 7 .采用r 韶 h 技术设计实现仿真系统的综合管理平台; 8 .对仿真系统 进行多种方式的调试， 并重点对其 在调试和应用过程中的若干工 程性问题进行研究。 本文将在后续章节中对以上内容进行详细深入的讨论。 南京理工大学硕士学位论文 基于翻 口 5 的离散控制系统的仿弃实现与研究 z mp s 模块化加工系统分析 n 田 5( m 仪 lu 恤r 加 留 s s y s 记 m ) 即 模块化加工系统， 它是典 型的 离散 事 件系统的 全物理仿真教学装置模型， 也是本文中控制系统及其仿真系统的 被控对象原型。 本章 将对南京某高校自 动化教学实验室的m p s 模块化加工系统做详细分析与介绍。 2. 1 离徽事件系统与生产线撅迷 系统可分为离散系统和连续系统。 离散事件系统的状态在分散的时间点上瞬间地发生改变， 其活动和状态变化仅在 离散时间点上发生。 这类系统的 状态仅与离散的时间点有关， 当 离散的时间点上有事 件发生时， 系统状态才 发生 变 化。 闭 如果离散事件系统的活动和状态处于频繁变动的动态过程， 就将其称为离散事件 动态系统。 如制造系统、 交通系统、 库存系统、 生产线系统等都属于离散事件动态系 统。 从管理学上讲， 生 产线是在产品 专业化基础上发展起来的一种生产组织形式， 也 就是 按 产 品咖工 对 蜘布 置 组 织 封闭 工 段 或 车 间 ) 14 在 一 条 生 产 线 上 拥 有 完 成 某 种 或某几种产品的加工任务所必需的生产设备， 这些设备的排列和工作场地的布置由生 产线上主要产品或多数产品的工艺路线和工序劳动量的比例决定的。 其最初形式为流 水生产线。而目 前学术界普遍认为现代意义的流水线起源于福特制。 福特制的 主要内 容可以 概括为以 下两 个方面: t41 1 .实施零件以及产品标准化、设备以及工具的专用化和工厂职业化; 2 .创造了流水作业的生产方法，建立了传送带式的流水生产线。 计算机、数控机床、 f 加 1 5 等的出现和发展使现在的生产线极大地超越了 福特制 流水线，其应用遍及各个行业，其内涵亦早己突破原有的生产组织形式的概念. 从总体上讲， 生产线是一种制造系统， 是一种复杂的离散事件系统。 应用系统的 观点， 对于生产线的研究总体来讲可以分为外部机制和内部机制。 从生产线设计的角 度来讲， 外部环境的作用决定了 生产线的生产组织方式， 进而决定了 生产线的硬件结 构和软件结构。 它利用外部环境输入的 物质和信息， 通过系统内 部机制的作用向 外部 输出产品和废物。 生产线的内部机制是以 按较为固定的工序生产某种或某几种产品为 特征的 加工设备、 传输设备、 控制系统、 人以 及相应的 物质流和 信息流的总 和。 阎 第 2 章 州 田 5 摸块化加工系统分析硕士论文 2 3mp s 棋块化加工系统组成分析 2 3) mp s 模块化加工系统主要由九个单元组成，分别是供料单元、检测单元、加工 单元、 提取单元、 工件暂存单元、 机器人组装单元、 冲压单元、 成品 检测单元、分装 单元。 在学习mp s 的过程中，作者根据不同的生产任务，对m p s 的各单元进行组合， 并通过了控制与调试。通过实验，总结出以下几种组合方案: 1 . 最小组合: 满足最小的生产任务， 工艺过程中的最基本部分，如供料与加工; 2 .最大组合:完成产品从原料到成品的加工，如九个单元的连接组合; 3 . 满足一般教学大纲需要的组合: 可以使学生掌握一个较完整的工序， 如供料、 检测、加工、提取、分类的组合; 4 .提取和组装:对州 田 5中比较有代表性的两个单元进行组合; 5 .小型装配线:mps 中的亮点为机械组装单元，以此为中心，构建一个从供料 到成品分类的小型系统。 由以上实验的组合方案可以看出， 在某种意义上mp s已 经成为f m s( 柔性生产 加工系统) 。 z j j元件组成分析 mp s 的九个工作单元均有着不同的元件构造。 各单元安装在方形带槽的模板上， 这些单元靠模板依次组装固定在一排，由一台空气压缩机提供动力气源。 通过对每个 单元分解， 可以分析到， 在控制系统中除可编程序控制器以外的内容统称为外围设备， 包括: 外围电器、 驱动单元、 传动机构、 驱动对象、 传感器、 指示器、 开关调节器等。 1 .外围电器 mp s的外围电器要包括一些接口电路和功率放大电路，它能根据p l c传来的信 号驱动外围设备。 同时， 对传感器传来的信号进行调理， 再传给p l c 。 在有些场合不 需要外围电器，p l c能直接驱动某些执行元件，如电 磁阀、微电 机、指示器等。 2 .驱动单元 驱动单元是指能产生运动的一些设备。 按动力源的不同， 驱动单元的驱动方式可 分为液压、气动和电 动三种。 mp s中使用了大量的气动装置，如: 气缸、电动机、 电磁铁等。 不管何种驱动方式， 驱动单元的整体功能是相同的: 根据可编程控制器的 输出量的状态来判断运动部件的位置是否需要变化和怎样变化。 3 .传动机构 南京理工大学硕士学位论文 基于mf s 的离敬控制系统的仿真实现与研究 传动机构把驱动单元的运动用适当 方式传递到工作对象上， 例如: 气抓手、 半旋 转执行元件、 真空吸盘等。 当然在有些场合传动机构是不需要的， 驱动单元可以 直接 作用在工作对象上。 4 。驱动对象 驱动对象是指一 些工作对象， 如各种工件等。 值得注意的是有些既是驱动对象又 是传动机构的一部分。比 如说， 驱动单元通过传动机构先作用在驱动对象 a上，然 后再由 驱动对象a作用在驱动对象b上，也就是说，要使驱动对象b被驱动不仅要 求驱动单元有相应动作，而且要求驱动对象a必须在适当位置。 5 .传感器 传感器是用来对所测的量产生响应并提供可用的电 信号的器件， 即 把输入信号变 成不同形式的输出 信号的 装置。 洲 田 5 系统中便用了 大量的各类传感器，主要有对射 式传感器、 反射式传 感器、光电 式传感器、电 感式传感 器、电容式传感器、 漫射式传 感器等， 分别用于检测系统中工件的有无、 材质、 颜色等一系列特性。 它们能把驱动 单元、传动机构、驱动对象的运动情况及时反馈到控制器中。 6 .独立的控制设备 p l c是mp s中的独立控制设备， 通过下载已经编译好的州 田 5 的控制程序到p l c 中， 可以实现对mps的 工作顺序及过程的 控制。 在本论文的设计过程中， 选择使用 西门子c p u313 c 一zdp 作为独立的控制设备。 2 月h 灯 拐模块化加工系统工艺流程分析 m p s 模块化加工系统的 最基本特点 是模块化，即 每个单元均独立存在，有自己 独立的工艺流程，同时单元间有统一接口 标准，各单元可以自由 组合。一般情况下， 按照工业生产加工流程， 它们的组装顺序安排如图2. 4. 1 所示，而在培训过程中，可 以按照不同需求自由 组合生产加工系统。 而 图2 .41九个单元的工作流程图 第2 章 mp s 摸块化加工系统分析硕士论文 各个单元完成不同的生产任务: 1 .供料单元完成送料工作，将工件从料仓送到检测单元: 2 .检测单元对工件的材质和颜色进行检测，并对工件的尺寸进行测量，以此来 判断该工件是否合格， 合格工件被送到加工单元， 不合格工件作为 废品处理， 放于废 品库; 3 .加工单元中，合格工件通过机加工和加工精度测量 ( 如进行钻孔加工，并检 测孔的直径和深度等尺寸)来判断加工精度是否合格; 4 .提取单元将不合格产品放于废拌库，将合格产品送到下一单元; 5 .工件暂存单元主要由 传送带组成，它将上一单元工件向 下一单元传送，在传 送过程中， 根据下一单元的工作反馈情况， 来确定工件的传送与否，以 达到与下一单 元在时间和工序上的配合; 6 .冲压单元对工件进行冲压成形，如果有工件，伸缩气缸把工件送到液压缸位 置， 液压缸向下冲压工件， 并且达到设定的压力值， 工件从液压缸位置送到机器人组 装单元的抓取位置; 7 .机器人组装单元主要为机械手臂的动作，对上一单元传送的合格工件进行组 装，并将组装产品送到下一单元; 8 .成品检测单元对工件的尺寸和规格进行检测，以此来判断该工件是否合格， 不合格工件作为废品处理， 放于废品库，合格产品送入成品分类单元; 9 .分类单元根据产品的颜色、材质进行分拣。 本文的研究对象为九个单元中满足一般教学大纲需要的六个单元的组合，即供 料、检测、加工、提取、传送、分类单元。由于篇幅问题， 本节中以供料单元为例， 对其工艺流程进行分析，其余单元流程图见附录a 。 图2. 4. 2 所示为供料单元的工艺流程，供料单元完成送料工作，将工件从料仓送 到下一单元。图中“ 下站” 的概念即为下个单元，而这个单元是不固定的， 在最小组 合例中， 供料单元中“ 下站”即为提取单元，而提取单元的“ 下站” 可自由选择。九 个单元中每个单元均有“ 下站” 概念存在， 单元与单元间就是通过这样的信号实现联 网，从而组合为不同生产任务的工艺流程的。 南京理工大李硕士学位论文 基于mp s 的离肚控制系统的仿真实现与研究 图2 ，4 . 2供料单元工艺流程 2 3小结 本章对离散事件系统与生产线进行了 概述， 并主要对本文的被控对象州 田 5 模块 化加工系统进行了分析， 包括其特点、 组成及工艺流程， 通过本章的分析，明确了需 要仿真的内容与对象，为后续设计莫定了基础。 第3 章 菇于m洲 的离散控制系统仿真实现的总体设计硕士论文 3 基于mr s的离散控制系统仿真实现的总体设计 系统总体设计是系统设计中的一个重要步骤，本文主要任务是对一个基于 m p s 的控制系统进行仿真设计与实现。 因此， 系统的总体设计主要包 括两部分， 一是基于 州 田 5的控制系统的总体设计， 二是 基于m p s 的 控制系统的仿 真实现的总体设计， 其 中第二部分也是本文设计的重点。 3. 1 孺求分析 3. l i 仿真系统设计目 的 实验室教学不仅仅是教给学生软件编程方法， 更重要的是帮助学生建立实际的控 制系统概念，使学生正确地掌握控制系统的组成，了解各部分的作用及其相互关系， 为学生在今后的自 动化技术应用中打下扎实的控制系统的总体及软硬件设计基础。 本文的设计以实际mps 加工系统为背景，按照实际工程项目开发步骤与方法， 对控制系统及其仿真系统进行构建， 目的在于使学生在培养训练过程中在以下六个方 面得到实质性的提高: 1 .分析、分解、研究被控对象的能力。即通过对mp s 工艺流程、电 路、气路、 传感器、执行器等多个方面的学习，建立起控制系统的概念; 2 .系统总体设计能力。包括系统硬件设计与软件设计; 3 .系统硬件设计能力。包括系统中硬件部分与网络结构的设计等; 4 .系统软件设计能力。 包括应用程序设计、被控对象设计、监控程序设计，其 中应用程序设计包括运用和训练编程软件的编程方法及不同的编程语言的能力: 5 .系统调试及系统应用能力.包括仿真调试与实际调试的方法与技巧，对所学 控制系统理论技术的 综合应用训练; 6 .发现、分析、解决工程问题的能力。 3. 1 2仿真系统设计思想 根据以上仿真系统的设计目的 可以 看到， 由于仿真系统的最终目 标为培训受训人 员的实际工程技能， 因此在仿真系统的设计方面应从实践出发， 结合实际工程项目 的 设计方法， 按照工 程化、 标准化、 规范化的设计原则开展完成， 为 受训人员提供一个 成熟规范的设计模板与平台。 通过对仿真系统的学习，以及对仿真平台的应用， 学习 自 动化技术， 并最终掌握控制系统的设计与调试。 考虑到仿真平台的设计原则， 作者 南京理工大学硕士学位论文羞于初昭的离触控制系统的仿真实现与研究 在仿真系统的设计过程中采用了以下设计思想: 1 .为了 解决实验被控对象设备不足的问题，以 全物理仿真系统 ( 州 田 5 模块化加 工系统) 为模型， 在同 一台实验计算机上使用计算机仿真技术建立一个仿真工业控制 系统，使多人同时做实验成为可能: 2 .为了 使受训人员对工业控制系统有完整的认识，仿真系统设计从真实工业控 制系统设计的角度出发， 进行mp s 计算机虚拟仿真系统的设计， 包括工艺流程学习、 系统总体设计、 被控对象仿真设计、 系统控制及监控设计、系统调试等方面，并建立 仿真系统的管理平台; 3 . 在m ps仿真 控制系统的设计的过程中， 采用当 今具有国 际标准的网络及编程 技术以及较为流行的工业软件及气动仿真软件， 同时采用新兴的仿真软件， 开发被控 对象仿真界面及气动电气仿真系统， 并将上述技术及软件平台 整合之后， 组成一个完 整的虚拟仿真工业控制系统。 3. 1 3仿真系统设计方 法 要设计一个控制系统， 首先要了 解控制系统的设计方法。 一般控制系统设计的主 要步骤如图3. 1 . 1 所示. 在实验室中，由于环境和条件的 特殊性， 硬件设施一般都已固定， 无需进行硬件 设计及选型等步骤，因 此对于本文中基于mps 的控制系统及其仿真系统的设计，其 步骤经过简化后，主要包括: 1 .分析m p s 被控对象的特性及工艺; 2 .设计控制系统及其仿真系统的总体构架及网络层次; 3 .根据仿真系统的总体构架， 对其中的各模块进行设计，即 被控对象仿真模型 设计、被控对象气动原理设计、 控制程序设计以及上位机监控系统设计等等; 4 .按照系统总体构架， 对控制系统进行统调; 5 .整理技术文件. 在后续章节中将按照以上五个步骤对仿真系统进行设计实现。 第3 章 荃于mp s的离散控制系统仿真实现的总体设计 硕士论文 图3. l i一般控制系统设计的主要步骤 3 j系统总体设计 在第二章中， 已 经对m p s 作了较全面的分析。 根据上节中 控制系统的设计方法， 作者在本节中 将对控制系统总体构架进行设计。 本文的设计选用mp s中的供料单元、检侧单元、 加工单元、 传送带、 提取单元、 分类单元六个单元组成生产系统， 作为控制系统中被控对象。 以 实验室现有硬件资源 西门子57一 oop l c系列， 软件资源西门子公司s t 卫 p 口( 编程软件) 、 w 功 c c( 监控组 态软件) 、 s u 以 万 ( 被控对象仿真软件) 及f 留 加公司r u i d s 砚 ( 被控对象气动原理仿 真软件)为平台， 通过对以上软件的工程应用设计、 接口 问 题 研究、组网技术讨论， 将软件资源整合并 最终搭建控制系统及其仿真系统的总体构架。图3 2 .l所示为系统 总体设计所包括的内容: 南京理工大学硕士学位论文 荃于mf s 的离放控制系统的仿真实现与研究 系统总体构架设计 基于m p s 的控制系统的仿 真系统构架设计 基于即5 的控制系统 构架设计 各单元的系统 构架设计 联网情况下 系统构架设计 各单元的系统 构架设计 联网情况下 系统构架设计 234 图3. 2 1系统总体设计内 容 本节主要对上图中1 、 2 、 3 部分进行设计， 其中第3 部分为设计重点， 第4 部分 将作为本文的工程应用问题在第六章中进行详细研究. 知.1荃于乡 n 巧的控制系统的总体设计 3 j . l l 各单元的系统构架设计 一般情况下，控制系统由监控部分、控制部分及现场执行部分组成。 基于 m p s 的控制系统中各单元构架从上到下由 监控计算机、 p l c控制器、 mps 单个工作单元 三个层次组成，其系统构架如图3 .2.2 所示: 广 -一一一 一份一-一一 一 -一-一一 一 一 ， 图3. 1 2各单元的系统构架 1 5 第3 章 基于mp s的离散控制系统仿真实现的总体设计硕士论文 监控计算机部分运行监控软件v 石 n c c ，对系统运行及状态 进行监 控;p l c控制 器部分包括cpu模块及其数字量输入输出 扩展模块， 对被控对象模块进行读写控制， 此部分采用西门子5 7 一 3 00p l c系列， 与监控计算机部分采用m p i 的通讯方式:最底 层为mp s 的任一工作单元， 它包括操作面板和执行部分， 对于n 田 5 的每个单元， 执 行部分又可分为机械、气动、电气三部分， 此部分与 p l c控制器部分采用直接 f o 连接; 三个层次组成m p s 单个工作单元的 控制系统构架。 3 么1 2联网 情况下系统总体构架设计 不同的单元控制系统设计完成后， 构架如图3 .2.3 所示: 操作员站 可对m p s的六个单元进行联网实验，其系统 工程师站 控层 _ 型 几 色 控制层 一呱划。 供 检 童 圈鬓 1 了 0 加1 ! 提1 1 传 分1 套 圈矍 日套 日誊 现 场 层 石 !1 ， 117 l ll ， 石1 图3. 2. 3联网 情况下系统总体构架图 从功能上来说，该系统分为三部分: 1 .现场层 现场层中州 田 5的六个单元间通过传感器或是备用的f o口 进行通讯，传输单元 与单元间的接口 信号， 如下个单元是否准备好、 上个单元是否完成任务等信号，以此 协调整个m ps 的工作过程。 2 .控制层 控制层与现场层的通讯采用p l c与各单元继电器f o口 直接连接的方式，完成 输入输出信号的传输。 3 .监控层 监控层包括工程师站与操作员站。 工程师站计算机上运行s t e p7 编程软件， 通过m p i 网 络及协议与 控制层p lc 通 讯。m r l 是多点接口的简称，每个5 7 一 3 00c p u都集成了多点接口 通信协议， 在工程 1 6- 南京理工大学硕士学位论文 葵于侧 田 5 的离散控制系统的仿其实现与研究 师站中 通过州 于 1 下载或上载p l 刀控制程序。 操作员站计算机上运行v 汤 n c c监控软 件，它与六个单元p l c间的通讯采用p r o r b us 通讯。 pro 曰 b u s 是目 前国际上通 用的 现场总线标准之一， 特别适合于p l c与现场级分布式设备之间的通信，主站之 间的通信为令牌方式， 主站与从站之间为主从方式， 以及这两种方式的混合。 在本系 统中， p l c 与， 西 n c c进行通讯时上位机需要带有d p口， 因 此上位机主板插有c p 5 6 13 板卡， 作为系统中d p 主站，带有d p口的六个p l c作为智能d p 从站， 通过这样的 网络方式对各 个单元的工作状态与情况进行监控。 一般在实 验室情况下，由 于六个单元所用输入输出口 数量并不多，因此用一台 p l c即 可完成相同控制功能， 节约了 硬件成本， 此部分将作为本文的 工程性问题在第 六章中详细研究。 3 2 )羞于加 n ， 5 的控制系统的仿真 系统总体设计 仿真系 统的总体构架设计是基于 m p s的控制系统构架下设计完成的。 图 3. 2 .4 所示为仿真系统的总体构架，通过实际控制系统与实验计算机上仿真系统的对应设 计，体现其对真实控制系统仿真的完整性、可行性、有效性。 - 圈3. 2. 4 m p s 仿真系统总体构架 在图3 2 a中， 左边部分为实际 控制系统组成示意图， 其总体构架同图3 .2 .2 : 右 第3 章 墓于栩 田 5 的离教控制 系统仿真实现的总体设计硕 士论文 边部分为运行于实验计算机上的 仿真系统， 仿真系统与实际系统构架相同， 均由监控、 控制、 被控对象三个层次组成， 但仿真系统的三个层次功能均在同一台实验计算机上 完成。 犯么1 仿真系统构架下各模块分析 1 .监控层 监控层包括两部分: s t e 脚 编程部分、 v 八 n c c监控部分。 s t e p 7编程软件用于 西门子s im六 t ic s 7 、 m 7 、 c7 和基于咒 的v 万 ” a c ， 是供它们编程、监控和参数设 置的标准工具. v 入 力 c c是西门子公司用于数据采集监控系统的软件平台工具，是工 业应用软件的一个组成部分. 监控层的实际控制系统中工程师站与操作员站分别运行s t e p 7 与win c c软件， 一般情况下先在s t e 脚 编程软件平台上进行控制程序编程， 将程序下载到控制器后， 通过 私n c c监控软件对系统运行及状态进行监控。但在仿真系统中，工程师站与操 作员在同一台计算机上实现，提高了 实验室环境下实验计算机的工作效率。 2 . 控制层 控制层为p lcs im 调试仿真软件， 它用于在计算机上模拟5 7 一 3 00 和57份 4 0 0的功 能，可以在开发阶段发现和排除错误，从而提高用户程序的质量和降低试车的费用。 实际控制系统中， 控制程序直接下载到p lc 控制器中运行，在本仿真系统中， 用p l c s 孤 代替左边部分中5 7 . 3 (x)p l c的功能， 以 软p l c 代替硬p l c ， 实现控制层 中的软控制器功能。 软控制器通过与s t e p7与v 石 n c c的通讯与数据交换， 完成控制 层与监控层间的程序编写、下载、执行以及仿真系统的监控任务。 一般情况下p l c s im 与s t e p 甲 编程软件集成在一起， 程序编写完成后，可直接 下载至p l c s 砚 中，不需进行其它配置步骤; v 汽 n c c监控软件在组态过程中有不同 的驱动通道选择， 其中 选择任一通道均可与p l c s 孤 建立通讯， 并在此通道下建立外 部变量，解决了两种软件间的 接口 及通讯问题。 3 .被控对象层 ( 现场层) 被控对象层包括两类:s n 喊 件被控对象仿真与r ui dsim 被控对象气路仿真。 5 孤万是西门 子公司新进入中国 工控领域的被控对象仿真软件， 它主要对被控对 象的特性、 动作进行仿 真， 通过采集控制器的输入输出 信号实现被控对象的动作过程 和执行功能; r u i ds砚 是f 忱to公司对气路原理进行仿真实验与验证的气路仿真软件， 它符合d in电 气一 气动回路图 绘制标准， 且可对基于元件物理模型的回路图进行实际 仿真，使回路图绘制和相应气动系统仿真相一致。 实际控制系统中， 被控对象的 执行器及传感器功能以 及操作功能主要由机械物理 部分、气动部分与电气部分共同协调工作，在本仿真系统中， 用 5 琳rr 软件所开发 一 1 冬 南京理工大学硕士学位论文 羞于州 田 5 的离教控制系统的仿x实现与研究 的仿真被控对象代替m p s 各单元模块中的机械部分， 用r u l d s im 软件所开发的仿真 被控对象代替其气动电气部分。 s u 讨 仃软件中 有不同的网关用来与控制器通讯， 如p l c s im、 州 田 1 、 o p c等。 在 仿真系统中，由 于控制器由p l c s im 代替，因此采用h 刀s im 网关作为两种软件间 的通讯网关完成通讯任务。 f 留 to公司v s w i 枕 h软件集成了d d e通信功能，其可使 r 山 d s im 与五种不同的 对象进行 d d e通信， 通过系统配置，可建立 r u l d s im 与 p l c s im 间的通讯连接，解决了不同公司的两种软件间的接口问题。 3 j j j仿真系 统构架 特点 按照上述总体构架来实 现州 田 5 控制系统的 仿真， 主要有以 下两方面的 特点: 1 .仿真系统中最核心的部分为仿真被控对象部分。5 加灯 方式开发的仿真对象 平台基于界面动画的方式，更为直观，明了; r u i dsim 方式开发的仿真对象平台则 基于被控对象的气路及电气工作原理， 主要以气路电路图的形式显示其工作过程， 更 为基本、 深刻。 两种仿真形式的提出目的在于给受训人员以直观和原理相结合的训练 思想，不仅知其然，也知其所以然。 2 .仿真系统设计的另一重要思想为:仿真系统设计完成后，若受训人员在其上 进行的实验可以 通过， 那么用实际的控制系统代替仿真系统后， 受训人员的实验设计 仍是可行和有效的。 因 此， 仿真系统的构架设计过程中， 除了 考虑在同一台实验计算 机上实现整个控制系统构架与设计外， 也充分考虑实验室教学及培训的需求， 实现了 仿真系统与实际控制系统的交叉互补使用。 设计中在实验计算机上安插c p 5 6 13板卡， 与真实p l c间使用p r o f 田 u s 或m p i 协议建立通讯联系， 为实验计算机与真实控制 器的连接调试打好硬件基础。 3 3 小结 本章在分析了 仿真设计的目 的、原则及思想的基础上，设计了基于n 田 5的控制 系统单站与联网 情况下的总体构架，最后重点介绍了 基于m p s 控制系统的仿真实现 的总体设计，并 详细分析总体框架下各层次的功能特点。第三章是全文的重点之一， 后续各章节是对第三章中各层次的详细设计与实现。 第4 章 荃于侧 田 5 的离散控制系统仿真实现中被控对象设计与实现硕士论文 4 墓于mp s的离散控制系统仿真实现中被控对象设计与实现 根据上一章中控制系统的设计方法，作者在本章中将对仿真被控对象层 ( 即 m p s ) 进行设计。基于m ps 的控制系统的 仿真系统构架下， 被控对象的 仿真分为两 部分: 一是s imrr环境下mp s的仿真实现， 二是ru i dsim 环境下h 4 p s的仿真实现. 两种不同的仿真工具与实现形式所要完成的任务及目的是相同的，即建立仿真平台， 替代真实被控对象，不同点在于前者通过界面及动画方式直观动态地表现被控对象， 后者对被控对象进行原理剖析， 深刻、 专业地突出了被控对象中执行器及传感器等的 工作方式及过程。本章分别以mp s中的供料单元与提取单元为例，对两种仿真方式 与技术进行详细说明、 研究， 其他四个单元的设计与此类似， 不做详细说明， 部分设 计见附录b 。 4. 1 仿真技术及应用 仿真的基本概念是针对复杂的 现实系统，经过一定的抽象和简化，形成系统的模 型。 通过动态运行此模型， 获取有关的系统性能数据. 仿真是通过系统模型来对系统 的 实 验去 研究 一个存 在或 者设 计中 的 系统， 仿真原 理图 如 图4. 1 . 1 。 朗 图4 . 1 1仿真原理图 现代仿真技术的发展与控制工程、 系统工程及计算机技术的发展密切相关。 控制 工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用， 而计算机的出现及计算技术的发 展则为仿真提供了 一个强有力的手段和工具。 因此， 计算机仿真在仿真中占 有越来越 重要的地位. 仿真技术发展的主要原因是它所带来的重大的社会和经济 效益。 从技术发展的历 程来看， 先进制造技术的应用与发展， 为计算机仿真的应用提供了 新的舞台， 提出了 更高的要求， 也使得计算机仿真己 经进入了