（机械电子工程专业论文）机场自动行李分拣机行李导入系统研究.pdf

中国民航大学硕士学位论文 摘要 随着机场行李自动分拣系统运行规模的不断扩大，为适应我国机场行李运输业的良 好发展趋势，必须保证在行李输送过程中对行李现场状况的实时了解，因此需要有更合 理和完善的实时监控系统。由于机场行李分拣系统的庞大、复杂，和机场旅客流与行李 流的实时性特别高，所以本文选择其子系统自动行李导入系统，作为研究课题。目 前，国内在民航机场自动行李分拣机领域的研究刚刚开始，在国际上，也只有少数几家 大型公司掌握机场自动行李分拣机的核心技术，但由于其设备种类繁多，往往自成系统， 无法进行互换性的监控和管理。本论文结合首都国际机场t 2 行李分拣系统的实际情况 与设计要求，通过对行李导入系统数据通讯设计、行李导入系统有限元模型分析、机电 控制模型分析和监控系统等四个方面的研究，实现了行李导入系统的一般性设计。 本文首先介绍了机场自动行李分拣系统的概况和发展，根据对系统的控制分析，结 合首都国际机场他行李分拣系统，采用基于p r o f i b u s 数据通讯技术采集现场数据的 系统结构，改变了传统的现场层设备与控制器之间的一对一i o 连接方式，从结构上实 现了现场设备的远程监控、参数化及故障诊断等问题。 其次对行李导入系统采用有限元方法，按照实际行李导入系统的机械结构通过 p r o e 软件建立三维模型，并将模型通过数据接口导入a n s y s 有限元分析软件中，对 行李导入系统的动态性能进行仿真。 再次，建立导入系统的数学模型，通过理论计算，得出变频器、电动机运行的速度、 加速度、时间等运行参数，为采用西门子p l c 设备构建行李导入系统的机电控制建立 了理论模型。 最后，对于其监控系统，采用w i n c c 组态软件与s 7 3 0 0p l c 编程软件s t e p 7 的 模块化程序设计方法，将高级语言的面向对象技术应用到了此监控系统的程序设计中， 实现了控制系统各种资源( 设备、标签量、画面等) 的配置和编辑。 关键词：机场行李分拣现场总线模态分析有限元法 中国民航大学硕士学位论文 a b s t r a c t b h s ( b a g g a g eh a n d l i n gs y s t e m ) i sac o m p l i c a t e dc o n t r o ls y s t e mw h i c hc o n d u c t s r e c o n c i l i a t i o na n da u t o m a t i cs o r t i n gs e r v i c ef o rp a s s e n g e r s b a g g a g e s t oe n s u r et h er e a l t i m e c o n t r o lo fb a g g a g et r a n s p o r t ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s hm o r er a t i o n a lc o n t r o ls y s t e mt o f o l l o wt h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo fc h i n a sa i r p o r tb a g g a g et r a n s p o r t a t i o n t l l i st h e s i sc h o o s e st h es u b s y s t e mo fb h s - - - b a g g a g ei n d u c t i o ns y s t e ma sr e s e a r c h s u b j e c t p r e s e n t l yd o m e s t i cr e s e a r c ho nb h su s e di na i r p o r t sj u s tb e g i n s o n l ys o m eo v e r s e a s l a r g e - s c a l ec o m p a n i e sh a n d l et h ec o r et e c h n i q u e so fb h s n e v e r t h e l e s s ，v a r i o u sk i n d so f e q u i p m e n t sa n di n d e p e n d e n ts y s t e mp r o d u c e db yd i f f e r e n tc o m p a n i e sc a n n o tm a k eb h s c o n t r o la n dm a n a g em u t u a l l y b a s e do l la c t u a ls i t u a t i o na n dd e s i g nd e m a n do fc a p i t a l i n t e r n a t i o n a la i r p o r t ，t h et h e s i sc o n s t x u c t sb a g g a g ei n d u c t i o ns y s t e mo nd e s i g n i n gd a t a c o r n m t m i c a t i o na n da n a l y z i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，e l e c t r i c a lc o n t r o lm o d e l ，a n dm o n i t o r s y s t e m t l l i sd i s s e r t a t i o nt 陆s t l yi n t r o d u c e sg e n e r a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do fb h s t h e n a n a l y z i n gt h ec o n t r o lf u n c t i o no ft h i ss y s t e m ，t h et h e s i sa d a p t st h es y s t e ms t r u c t u r ew h i c h a p p l i e sp r o f i b u sd a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u et of u l f i l lt h ec o l l e c t i o no ft e r m i n a ld a t a , w h i c hc h a n g e st r a d i t i o n a lp o i n t - t o - p o i n ti oc o n n e c t i o nm o d eb e t w e e no p e r a t i n ge q u i p m e n t s a n dc o n t r o l l e r ，a n dr e a l i z e st h e s ef u n c t i o n so fl o n g - d i s t a n c ec o n t r o l ，p a r a m e t e rm a n a g ea n d f a i l u r ed i a g n o s i so fo p e r a t i o n a le q u i p m e n t s i na d d i t i o n ，t h et h e s i se s t a b l i s h e sm a t h e m a t i cm o d e lf o rb a g g a g ei n d u c t i o ns y s t e m ， w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a lm o d e lt oe s t a b l i s he l e c t r o m e c h a n i c a lc o n t r o lm o d e lo fb a g g a g e i n d u c t i o ns y s t e m 、析ms i e m e n sp l c p r o d u c t s f i n a l l y ，a p p l y i n gw i n c cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dm o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m i n g d e s i g nm e t h o do fs t e p 7s o f t w a r e ，t h et h e s i si n t r o d u c e so b j e c t - o r i e n t e dt e c h n i q u es p e c i a lf o r a d v a n c e dl a n g u a g ei n t op r o g r a m m i n gd e s i g no fc o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r em a k e sa l ls o r t so f r e s o u r c e s ( e q u i p m e n t s ，t a g s ，p i c t u r e se t c ) i nc o n t r o ls y s t e mc o l l o c a t e da n de d i t a b l e k e y w o r d s ：a i r p o r t ，b a g g a g eh a n d l i n gs y s t e m ，p r o f i b u s ，m o d a la n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s - i i - 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得中国民航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。 研究生签名： 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权中国民航大学研究生部办理。 研究生签名： 生嗥 中国民航大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 我国民航事业的发展令世人注目，其以总周转量年均增长1 8 ，旅客运输年平均增 长1 6 ，货物运输量年平均增长1 6 高速发展，2 0 0 6 年全行业航空运输总周转量达3 0 3 亿吨公里，比上年度增长1 6 ，根据发展规划，到2 0 1 0 年，中国航空运输总周转量将 达5 0 0 亿吨公里，客流量将达2 7 亿人次，货运量将超过5 7 0 万吨。中国目前已成为世 界上第二大航空运输系统，仅次于美国。 1 2 本文研究背景及意义 首都机场、白云机场、浦东机场都采用丹麦f k il o g i s t e x 公司的托盘式行李分拣系 统。白云机场的行李处理系统按照新机场的实际情况进行功能设计，可满足旅客年吞吐 量2 5 0 0 万人次，高峰小时旅客吞吐量9 3 0 0 人次、出港航班4 0 个的需要，可以实现在 任何一个值机柜台办理任何一个航班的行李托运，同时提前为旅客办理交运行李手续。 在建的首都机场三期工程，其行李输送及分拣系统设计出发行李处理能力每小时1 9 2 0 0 件、中转行李处理能力每小时8 0 0 0 件。 我国目前几大机场所使用的行李分拣系统和在建的系统都是全套购买国外的产品， 价格昂贵，技术上受人制约。自云机场行李分拣系统媒体公开报道价格是2 2 0 0 万美元， 首都机场t 3 航站楼的行李分拣系统投资是2 0 亿人民币。目前只有成都民航二所开展自 动行李分拣系统的研究，我国急需有自主知识产权的自动行李分拣产品，来降低建设成 本，构建我国完整的民航产业体系【5 ，6 1 。 1 3 国内外研究现状 由于国外的民航业发展较早，民航产业体系结构完整，在自动行李分拣系统的研究 上采用的研究方法也比较多，取得了突出的成绩，而且中国大型机场的绝大多数自动行 李分拣设备都采用进口，大致的工作方式有两种：推杆式行李分拣系统和翻碟式行李分 拣系统。翻碟式行李分拣系统的处理能力强，适用与特大型枢纽机场；推杆式行李分拣 系统构成简单，适用于中、大型机场。 中国民航大学硕士学位论文 丹麦是世界上生产民航分拣机最多的国家，该国的c r i s p l a n t 公司又是最大的分拣 机生产公司，该公司从2 0 世纪9 0 年代以来，完成了最先进的直线电机驱动的智能型翻 碟式分拣机。c r i s p l a n tf k il o g i s t e x 圆公司是全球领先的自动化物流解决方案提供商， 其自动行李分拣机主要分为四大部分： 1 、主机驱动部分( 包括直线电机及其控制) ； 2 、整机的集散控制系统( 包括计算机实时集散控制技术，红外线通信、收发技术) ： 3 、行李分拣小车运动及控制系统； 4 、行李导入系统： 该系统除采用先进的直线电机技术以外，还采用了计算机实时、集散控制技术，红 外通信技术及p l c 通讯、联动控制技术等。因此，该系统的分拣能力是一般分拣机的3 5 倍以上，且其他性能指标，如准确率、工作环境、智能化程度等均大大提高。而且对 直线电机采用p 删方式控制速度，可实现缓慢启动、缓慢停车，降低电力负荷增强设备 运行的稳定性。 在国内，目前只有成都民航总局第二研究所与荷兰v a n d e r l a n d e 公司合作，开展机 场行李自动处理系统的研发工作，其首个项目成都双流国际机场北指廊行李自动分拣系 统于2 0 0 4 年9 月2 8 日正式启用。运行状况良好，达到了设计要求，能完成旅客行李的 交运、传送和自动分拣，该控制系统具备自主知识产权填补了国内空白嘲。 1 4 行李自动分拣系统概论 行李自动分拣系统( b a g g a g eh a n d l i n gs y s t e m ) ，又称b h s j 是对旅客托运的行李进 行快速地自动识别和分拣，分送至正确的航班。包括出港行李系统和进港行李系统两部 分。 首都机场t 2 行李自动分拣系统运行过程如下：出港旅客在值机岛交运的行李被贴上 条码标签，通过传送带和行李导入系统送入翻碟式分拣机，自动条码阅读器通过1 2 个 扫描器组成扫描阵列，可在六个方位扫描到行李上的条码。每个扫描器将扫描过的行李 条码数据送至主机系统和分拣系统。经自动条码阅读器后，条码信息被读取并通过主控 计算机确定该行李所在航班对应的行李滑槽，运载行李的翻盘会自动将每一件行李倒入 相应的滑槽，每个分拣口处的小车将行李运往各航班飞机。进港行李通过传送带被送往 行李提取大厅的不同转盘，旅客可根据转盘上方的显示牌提示的航班号提取各自行李。 进、出港系统由行李自动分拣控制系统统一管理和监控，由两级系统组成。顶层监 控计算机系统负责管理行李在分拣系统内移动和监视各种传输设备运行，底层设备级控 制器负责对传输带系统和翻碟式分拣机进行实时控制，整个系统是由服务器、操作员工 作站、分拣机控制计算机、人工编码站、桥路、网关等组成的以太局域网，并且通过与 机场运行数据库联网得到行李自动分拣机正常运行所必需的航班信息及行李源信息。另 中国民航大学硕士学位论文 外，系统还配有一套c c t v 电视监控系统，对重点部位进行实时监控。一旦行李系统的 传感器发现行李堵塞、相应位置的景像就会自动转换到监视器上，工作人员可以根据屏 幕提示发现行李堵塞点，及时进行处理n 们。 1 4 1 行李分类与实物行李流 对于行李自动分拣机来讲，行李既可以从值机柜台进入，也可以作为来自进港航班 的转运行李进入，但所有的行李都应有条形码行李牌。 为便于行李自动分拣机对行李的识别，通常将机场行李分为如下几类： l 、中转行李：根据机场运营管理模式和中转旅客数量来决定是否配置中转行李系 统，对于服务水平较高的机场，中转行李可以直接在行李房内处理，不必由旅客拎着行 李再办理值机手续。 2 、早到行李：提早办理登记手续，早到行李贮存在行李分拣系统中。 3 、团体行李：航站楼设置固定的团体行李交运点，团体行李集中交运。 4 、迟到行李：迟到行李主要是中转航班晚点后的行李，在行李房要统一保管贮存， 等到合适的航班再行转运。 5 、大件行李：不应混在正常行李中输送的大型超尺寸行李。 6 、不安全行李：要有处理措施、设备、场地等，再行李分拣系统中给予考虑。 7 、问题行李：指无标签行李、无效标签行李、航班起飞后被送到分拣系统的行李、 延误航班行李、损坏行李等，要有专人处理该行李。 来自孽磐台的 转运行李 行李 r j e l j 于 问题行李 行李被分拣行李被分拣 问题行李 图1 - 1实物行李流 来自值机柜台的行李先经过一个第一级行李扫描检查站，行李的跟踪从这一点开 始。关于转运行李，跟踪从转运行李与登记行李合并处开始( 在行李进入行李分拣系统 之前，假设转运行李已经通过第一级和第二级行李扫描检查) 。如果行李没有通过第一 中国民航大学硕士学位论文 级行李扫描检查，将对它们将进行第二级检查。进入行李大厅后，行李牌由自动行李牌 读取机辨认。在自动行李牌读取机之后，行李将进入以下3 个地点之一： l 、至第三级检查，如果： 一行李没有通过第一级和第二级行李扫描检查 一行李是高危险航班的 一行李在自动行李牌读取机不读取，并且在时间表中有高危险航班 一行李有一个未知行李牌，并且在时间表中有高危险航班 一行李在第一级检查和自动行李牌读取机间的输送带上迷路 2 、分拣机1 入口 3 、分拣机2 入口 以可以预见的最短输送时间为基础，行李自动分拣系统决定行李是进入分拣机1 还 是分拣机2 。这两个分拣机有相同的分拣目的地，因此分拣机的选择只是个最小化运输 时间的问题。 未清除行李和高危险航班的行李被送至第三级行李扫描检查。通过第三级检查的行 李在手工编码站被手工识别，并且被送至分拣机导入口。未通过第三级检查的行李将被 从输送带上取下，进行行李分拣系统之外的人工检查( 第四级行李扫描检查) 。 1 4 2 行李属性 在自动行李导入口处的行李将进入分拣机，并且将直达它们的最终滑槽。在合适的 时间，早到行李系统的行李将会再次进入分拣机，并且被分拣至它们的最终滑槽。在再 次进入分拣机之前，自动行李牌读取机将扫描来自早到行李系统的行李。在自动行李牌 读取机没有被成功地识别的早到行李会被转移至手工编码线进行识别。 行李处理如表1 1 所示：( 行李有3 种属性，属性可能为以下值) 表1 1 行李处理属性表 属性值描述 编码无，行李没有编码 i n t e r l i n e ， 行李有i n t e r l i n et a g f a l l b a c k , 行李有f a l l b a c kt a g 航班识别行李的手工航班识别 滑槽行李的手工滑槽识别 检查无没有检查的行李，或未通过最后检查的行李： 行李扫描检查无响应 未通过h b s 级别l 检查 未通过h b s 级别2 检查 级别1 2 通过行李通过级别1 2 检查 级别3 通过行李通过级别3 检查 来源 登记来自登记的行李 转运来自转运的行李 中国民航大学硕士学位论文 1 5 主要研究内容 本课题以首都国际机场2 号航站楼行李分拣系统为研究对象，主要研究以下几个方 面的内容： 1 、构建p r o f i b u s 模式下的性能分析系统的总体框架，详细论述了行李分拣系统内 部的数据通讯方式，及通讯数据容错处理和数据存储等方法。 2 、建立行李导入系统数学分析模型，列写出导入皮带长度、速度、加速度等方程。 3 、行李导入系统动态有限元分析模型，行李导入系统的三维建模，动态有限元模 态分析、有限元分析结论。 4 、行李导入系统监控软件的实现，以s i m e n ss t e p 7 和w i n c e 组态软件作开发工具， 运用面向对象的编程方法，利用组态界面，仿真行李导入系统在线监控软件，通过 p r o f i b u s 网络，构成运行监控管理子系统。 1 6 本文主要创新点 l 、推导出行李导入系统的数学分析模型。 2 、建立行李导入系统三维模型，采用有限元分析软件a n s y s 计算结构的低阶模态。 3 、编写行李导入系统工作状态监控软件，通过对多组传感器状态分析，及其之间 的联动逻辑，实现对违规行李( 重量、尺寸超标行李) 处理、设备运行出错的报警处理， 保证系统工作的可靠性，最大限度地降低因导入系统导入违规行李造成后段行李翻盘分 拣错误。 1 7 本文结构安排 本文共分六章，各章内容如下： 第一章：简单介绍了一下课题背景及意义，自动行李分拣系统综述及本文的创新点。 第二章：构建p r o f i b u s 模式下的性能分析系统的总体框架，详细论述了行李分拣 系统的数据通讯方式，及通讯数据存储等方法。 第三章：分析研究行李导入系统动态有限元模型，并计算得出机架的前五阶频率和 相应振型。 第四章：建立行李导入系统皮带运动的数学模型，并基于此数学模型构建了行李导 入系统的控制方案。 第五章：以s i m e n ss t e p 7 和w i n c c 等面向工程语言软件作开发工具，运用面向对 象的编程方法，利用可视化的组态界面，构成运行监控、管理子系统。 第六章：全文结束语，总结了本文的工作、方法和取得的结论。 中国民航大学硕士学位论文 第二章行李导入系统的数据通讯设计 2 1p r o f i b u s 现场总线概述 根据国际电工委员会工i e c1 1 5 8 定义，现场总线( f i e l d b u s ) 是“安装在生产过程 区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、多点 通信的数据总线。 或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制 设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络 系统与控制系统。其中，“生产过程”应包括断续生产过程和连续生产过程两类，现场 设备、仪表指位于现场层的传感器、驱动器、执行机构等设备。因此，现场总线是面向 工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术乜1 捌。 2 1 1 现场总线技术的结构特点 现场总线打破了传统控制系统的结构形式，传统模拟控制系统采用一对一的设备连 线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控 制器与位于现场的执行器、开关、电动机之间均为- 对一的物理连接n 3 瑚一。 现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s ( 分布式控制系统) 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，加上现场设备具有通 信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能 能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。现 场总线控制系统( f c s ) 与传统控制系统( d e s ) 结构对比如图2 - 1 所示。 传统的模拟仪表 图2 - 1f c s 与d c s 结构比较 由于采用数字信号替代模拟信号，因而现场总线控制系统可实现一对电线上传输多 个信号，如运行参数值、多个设备状态、故障信息等，同时又为多个设备提供电源，现 场设备以外不再需要模拟数字、数字模拟转换器件。这样就为简化系统结构、节约硬 中国民航大学硕士学位论文 件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 2 1 2p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 是作为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线，i s o o s i 模型也是它的参考模型。由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s - f m s 、p r o f i b u s - p a 组成了p r o f i b u s 系列。 现场总线p r o f i b u s 技术概要： 1 、p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即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 y ) 、 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 ) 、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 ) 。 p r o f i b u s - d p 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i o 通信， p r o f i b u s - p a 专为过程自动化设计，并有本征安全技术规范。p r o f i b u s f m s 用于车间级 监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。 2 、p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际标准，以开放式系统互联网络( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n s 1 0 ) 作为参考模型。p r o f i b u s - d p 、f m s 、p a 定义了第一、二、七层 和用户接口。第三到六层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的 应用功能，定义了现场设备行为的行规。 3 、p r o f i b u s 传输技术 p r o f i b u s 提供了四种数据传输类型：用于d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输、用于p a 的 i e c l1 5 8 2 传输及光纤、红外传输。 4 、设备类型：二类主站( d p m 2 ) 指可进行编程、组态、诊断的设备。一类主站( d p m l ) 是可编程序控制器，如p l c 、p c 等，从站是指带开关量或模拟量的现场设备，如驱动器、 阀门等。 5 、电子设备数据文件( g s d ) 为了将不同厂家生产的p r o f i b u s 产品集成在一起，厂家必须提供g s d 文件( 电子 设备数据库文件) ，描述产品的功能参数。p r o f i b u s 组态工具可根据将厂商提供的g s d 文件将其设备集成在同一总线系统中。 2 2 用于现场层的p r o f i b u s - d p p r o f i b u s d p 用于传感器及驱动器级的高速数据传送。在这一级，控制器如p l c 通过高速串行线同分散的外设交换数据。同这些分散的外设的数据交换是周期性的。中 央控制器( 主站) 读取设备的输入信息并发布输出信息。 2 2 1 系统配置与设备类型 p r o f i b u s d p 允许构成单主站和多主站系统，使系统有多种组态方式，同一总线 中国民航大学硕士学位论文 上可连接最多1 2 6 个站点( 主站或从站) 。每个p r o f i b u s d p 系统都包括不同类型的 设备，这些设备按照不同的应用主要分为以下三种： 1 、第一类d p 主站( d p m l ) ：指中心控制器，它在预定的周期内与从站交换信息。 典型的设备是p l c ，c n c ，r c 。 2 、第二类d p 主站( d p m 2 ) ：指能对系统编程、组态或进行诊断的设备。在系统 构成时用它进行系统组态。 3 、第三类d p 从站：指那些进行输入或输出的外围设备( 传感器或执行器) 。典型 的d p 从站是开关量输入设备、2 4 v 或2 3 0 v 电压输出设备、模拟量输入设备、模拟量 输出设备、计时器等等。目前大多数的d p 从站只有3 2 b y t e 的输入和3 2 b y t e 的输出数 据。 主站( 1 类) 地址1 主站( 2 类) 地址2 主站( 1 类) 地j q l ：3 从站地址4从站地址5从站地址6从站地址n 图2 2 典型d p 系统的组成结构 在多主站组态当中，总线上有几个活动主站，它们或是与各自的从站构成相互独立 的系统，或是作为网上附加的组态或诊断设备如图2 2 所示。任何一个主站均可读取输 入和输出的映像，只有一个主站允许对d p 从站写入输出数据，这个主站在系统组态时 被指定。多主站系统的总线周期比单主站系统的要长一些。 2 2 2 系统特性 p r o f i b u s d p 系统的特性主要取决于d p m l 的状态，这些状态由本地的或远程的 组态设备控制。d p m l 设备在一个预先设定的时间间隔内，以广播方式将其状态发送到 每一个有关的从站，通常有以下几种状态： s t o p ：在这种状态下，d p m l 与d p 从站之间没有数据传递； c l e a r ：d p m l 读取d p 从站的输入信息，并保持输出信息； o p e r a t e ：这是d p m l 的数据传送状态，d p m l 按循环方式对d p 从站进行读写。 数据传送过程中如果发生错误，系统将作出反应，例如：一个d p 从站是否退出系 统，可根据d p m l 的组态参数“a u t o c l e a r 确定，如果此参数为真，d p m l 将所有有 关的d p 从站的输出数据转入安全保护状态，这意味着这些d p 从站将不能发送有效数 中国民航大学硕士学位论文 据，在这之后，d p m l 转入c l e a r 状态；如果“a u t o c l e a r 为假，则d p m i 在这个 d p 从站出错时停留在o p e r a t e 状态，由用户决定做出何种反应。 l 、d p m l 和d p 从站之间的数据传递 用户数据在d p m l 和有关d p 从站之间的传递由d p m l 控制，按照确定的递归顺序 自动进行。在对总线系统时，用户定义d p 从站与d p m l 的关系，并且确定哪些d p 从 站被纳入信息交换的循环。d p m l 和d p 从站间的相互作用，可分为参数设定、组态及 数据交换等几个阶段。在参数设定和组态阶段，每个d p 从站将自己的实际组态数据和 从d p m l 接收到的组态数据进行比较。只有系统检查通过后，d p 从站才能进入数据传 递阶段。在自动进行用户数据传输的同时，也可以根据用户的需要向d p 从站发送用户 定义的参数。当改变组态时，设备类型、数据格式、长度及输入输出数量必须标识，以 防止由于组态过程中的错误造成对系统的检查错误。 2 、d p m l 和d p m 2 之间的数据传递 p r o f i b u s d p 允许主站之间进行数据交换，即组态或编程设备( d p m 2 ) 与d p m l 之间的数据交换。该功能主要用于通过总线对各站进行组态。除加载和卸载功能外，通 过主站之间的数据交换将改变d p m l 的操作方式，动态地允许或禁止d p m l 与一些d p 从站之间交换数据。 3 、同步与锁定模式 d p 主站设备可以向单独的d p 从站、从站组或全部从站发送控制命令，这些控制 命令是通过广播方式发送的。使用该功能将打开d p 从站的同步及锁定模式，这些模式 允许对从站进行同步驱动。主站发送同步命令后，所选定的从站进入同步模式。在同步 模式中，所选定从站的输出数据锁定在当前状态下，在这之后的数据交换周期中，从站 存储接收到的数据，但输出数据保持不变。当接收到下一个同步命令时，锁存接收到的 数据，但输出数据仍保持不变。当再接收到一个同步命令时，所存储的数据才输出并作 用到外部设备上，用户可以通过解除命令退出同步模式。同样，锁定命令使得所选定的 从站进入锁定模式。锁定模式将从站的输入数据锁定在当前状态下，直到接收到下一个 锁定命令时才可以刷新，用户可以通过解除命令退出锁定模式睁。 2 3 行李导入系统控制方案的确立 行李导入系统其实就是一套具有连锁控制关系的多变频器连续调速控制系统。变频 器作为一种新型的调速控制系统，具有节能、调速手段多、保护手段多等特点，广泛应 用于各种大型的自动化生产线，以及各类控制电机速度的生产过程中。例如，本论文中 的行李分拣系统。变频器本身能用手动操作进行运行参数的设定、发送运行命令、读各 类运行数据。但采用手动操作过程复杂，容易出错，尤其是在多台变频器共同构成的调 速系统中，如果采用手动操作进行单台控制，容易产生控制不统一等问题。 中国民航大学硕士学位论文 在本设计的监控系统中，行李导入系统的变频调速能以两种速度运行，还可以对现 场的故障进行及时的报警和显示。根据故障指示代码确定故障原因，可缩小故障查找范 围，大大减少故障查找时间。变频器配备的多种通讯接口，能进行远程的参数设定和远 程控制，还能读取其故障及复位故障。所以采用p l c 与变频器的通讯进行远程的集中 控制，将大大降低变频器的控制难度，能统一设定频率，改变速度，及时获得故障信息， 能实现统一的管理和监控。 在此控制系统中，采用西门子的p l c 和变频器，西门子公司为它的产品提供了多种 连接到p r o f i b u s d p 的现场总线上的接口模块和通信模块，使得变频器与p l c 能方便的 组成通信网。p r o f i b u s d p 作为传感器及驱动器级的高速数据传输协议，完全可以满 足系统响应时间的要求。因此我们将采用p r o f i b u s d p 构建一个多主站系统：即由p l c 作为一级主站d p m l ，在预定的信息周期与分散的d p 从站( 变频器) 交换信息，对变频 器进行多种控制。p c 机作为人机对话的控制端，动画显示系统状态和报警，通过与p l c 的点对点通讯，完成各站点的故障数据读取，系统配置，运行频率的设定，以控制和监 控系统，s 7 3 0 0 配上通信模块c p 4 4 3 - 1 便可以通过以太网t c p i p 协议与p c 通讯。s 7 3 0 0 配上通信模块c p 4 4 3 - 5 便可联接至u p r o f i b u s d p 上实现与变频器的远程通讯，从而形成 通信网络。如图2 3 所示。 人机对话控制端dp主姑 图2 3 行李导入系统d p 控制系统结构图 1 、当要改变皮带机的运行频率或其他运行参数时，可以用d p 主站设备p l c 通过广 播的方式向所有的d p 从站变频器发送控制命令，改变运行频率或各种参数。使用这一 功能时，所有d p 从站将进入同步及锁定模式，从而达到对所有变频器的同步驱动。 2 、当d p 主站对所有d p 从站进入监控时，将采用点对点的通信方式。d p 主站周 期性的对所有d p 从站进行点对点通信，逐一读取各变频器的运行信息或故障信息，将 信息代码存入p l c 中相应的通信区域。则p l c 可以根据此信息代码，获知变频器是否 运行良好，或发生什么故障，作出相应处理，同时将运行信息或故障信息写入与p c 通 信的全局数据区域。 中国民航大学硕士学位论文 3 、上位p c 机不断读取p l c 全局通信数据区域中的数据，提取其中的信息，动画 显示运行状态并显示故障报警信息，通知工作人员注意。p c 机作为上位机，也可以对 变频器进行频率或参数设定。但p c 不直接与变频器通讯，而是通过与p l c 通讯实现， p c 机主要利用其人机界面实现人机对话。 p r o f i b u s 作为一种广泛应用的现场总线标准，在控制系统中占有极其重要的地 位。本设计的行李导入控制系统，采用西门子s 7 3 0 0 系列p l c 和m i e r o m a s t e r ( 6 s e 6 4 4 0 ) 系列变频器，它们之间的数据交换能力以及兼容性可极大的提高我们控制系统的设计水 平和产品扩展性n 3 18 2 羽。 2 4 本章小结 本章构建了p r o f i b u s 通讯模式下的性能分析系统的总体框架，详细论述了行李分 拣系统内部的数据通讯方式p r o f i b u s 通讯规范，及通讯数据容错处理和数据存储等 方法。并确定采用p r o f i b u s - d p 的通讯模式作为行李导入系统的控制方案。 中国民航大学硕士学位论文 第三章行李导入系统动态有限元分析模型 3 1 有限元法介绍 3 1 1 有限元法基本知识 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是5 0 年代在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方 法，随后很快就广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法 分析计算的思路和做法可归纳如下： 1 、物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元划分。离散后 单元和单元之间利用单元的节点相互连接起来：单元节点的设置、性质、数目等应视问 题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定( 一般情况，单元划分越细则描述变形 情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大) 。所以有限元法中分析的结构已不是 原有的物体或结构体，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样， 用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数多而又合理，则所获得的 结果就与实际情况相符合m 。羽。 2 、单元特性分析 ， ( 1 ) 选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基 本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合 法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限元法中位移法应用范围最广。 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元中的一些物理量如位移、 应变和应力等用节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数 的近似函数予以描述。通常，有限元法中我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这 种函数称为位移模式或位移函数，如y = q ，其中q 是待定系数，是与坐标有 i = 1 关的某种函数。 ( 2 ) 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力 和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步，此时需要应用弹性力学中的几何方 程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本 步骤之一。 中国民航大学硕士学位论文 ( 3 ) 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是，对于实际 的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而；这种作用在单元边 界上的表面力，体积力或集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来 代替所有作用在单元上的力。 3 、单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各单元按原来的结构重新联接起来，形成整体 的有限元方程： 砀= f ( 3 1 ) 式中，k 是整体结构的刚度矩阵；q 是节点位移阵列；f 是载荷列阵。 4 、求解未知节点位移 解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方 法。 通过上述分析，可以看出，有限元法的基本思想是“一分一合 。分是为了进行单 元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析。 3 1 2 结构动力学问题的有限元法 1 、结构的动力学方程 用有限元法也可以分析结构振动问题以及动态响应问题，即在动载荷下物体的应 力、变形问题。 动力学问题的有限元法也同结构静力学问题一样，要把物体离散为有限个数的单元 体。不过此时在考虑单元特性时，物体所受到的载荷还要考虑单元的惯性力删矿和 阻尼力删y 等因素，其中，p 是结构材料的密度；1 ，是线性阻尼系数。 在静力学问题中有d = n q ，占= b q ，仃= d b q ，只有当单元数目增多，使有足够 的节点位移，式d = 岣才是位移函数的近似的表达式。单元的刚度矩阵k 8 ，质量矩 阵m 。及阻尼矩阵c 8 分别为： k e = i b t d b d v 以= i r p n d v ( 3 2 ) c e = p t v n d v 一般说来，阻尼系数 ，与频率有关，常用的近似是采用瑞雷阻尼，令 中国民航大学硕士学位论文 c 。= a m 。+ 胚。 ( 3 3 ) 单元的k 。，m 。，都要用来组集全结构的k ，m ，c 。于是在不考虑体积力时，整 个结构的动力方程为： 碍+ c 雪+ k q = 厂 ( 3 4 ) 当f = 0 ，c = 0 时得自由振动时的无阻尼动力方程： 聊+ k q = 0 ( 3 5 ) 对简谐振动，有 q = 8 s i n m t ( 3 6 ) 上式中，万是节点位移g 的节点振幅列阵( 或称振动模态) ；t d 是频率；，是时间。 可得： ( 一t 0 2 m + k ) 8 = 0 ( 3 7 ) 按自由振动理论，n 阶自由度系统的自由振动方程式应有n 个固有频率奶， ( i = 1 , 2 ，以) 并且可以由频率行列式决定，即自 i k - w 2 m i = o ( 3 8 ) 求得刃后，再把巧代入( 一万2 m + k ) 万= 0 即可求出特征向量( 振动模态) 万。 方程式中，k 矩阵和m 矩阵的组集与结构静力分析的有限元法中的组集方法相同。 2 、系统的动力响应 结构系统的动力响应，主要是解系统的动力方程式 碍+ c o + k q = p ( t ) ( 3 9 ) 以求得系统产生的位移，速度和加速度的值。 目前有两种方法用的较多：一是振型叠加法，二是逐步积分法。 ( 1 ) 振型叠加法 将n 阶自由度系统的动力方程，经振型模态矩阵变换，化为互不耦合的n 个单自由 度