（机械电子工程专业论文）彩管玻壳生产中柔性存储输送线的研究.pdf

上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 摘要 本文的柔性存储输送线用于彩管玻壳生产中两道工序之间玻壳的输送，解 决了以往玻壳生产线中需要专用的存储库的问题。本输送线利用玻壳生产中工 序之间输送带带速变化，以线代存，缓解下道工序设备生产能力波动对玻壳输 送的影响，实现生产的平衡和不间断生产。本课题得到国家“8 6 3 ”国家高技 术研究发展计划( 编号2 0 0 2 a a 4 2 0 0 6 1 ) 资助。本课题的研究对提高制造业自动 生产线及自动化仓储系统的技术水平，实现自动化工厂的柔性生产在线存储具 有重要的意义；对提高企业竞争力及经济效益具有重要作用。本文主要介绍了 柔性存储输送线的建模与仿真、模糊控制算法和p l c 控制系统的软硬件设计。 本文首先对物流输送机械进行了概括与总结，对柔性存储输送线机械设备 的布置与功能作了简单介绍。针对玻壳输送过程的离散事件系统( d e s ) 特性，本 文利用p e t r i 网理论对柔性存储输送线进行了建模，设计了模糊控制器；为了 检验与优化模糊控制器，文中利用v i s u a lc + 十编写了仿真系统，并对柔性存储 输送线进行了软件仿真验证。文中阐述了柔性存储输送线控制系统的硬件设计， 讨论了硬件设计中的注意事项。最后阐述了柔性存储输送线p l c 软件系统的结 构和各功能模块，并给出了实验结果。 实验结果表明，该柔性存储输送线运行良好，各项性能指标均达到了预期 的要求。本柔性存储输送线已通过用户的验收与鉴定。 关键词：柔性存储输送线p e t r i 网 模糊控制可编程序控制器 上海大学硕士研究生学位论文 ! ! ! ! 竺垒坚曼墨垒壁型坚! ! 坚坠! ! 殳! ! 望叁璺垒坚垒! ! 璺! ! ! ! 望堕l 一 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ef l e x i b l es t o r i n gt r a n s f e rl i n ea p p l i e dt ot h et r a n s f e ro fg l a s s c o n e b e t w e e nt w ow o r k i n gp r o c e d u r e s ，r e s o l v e st h ep r o b l e m t h a ts p e c i a ls t o r a g ei sn e e d e d i nc o l o rk i n e s c o p e sg l a s s c o n ep r o d u c t i o nl i n e t h et r a n s f e rl i n em a k e su s eo ft h e v e l o c i t yc h a n g eo fc o n v e y e r sb e l tb e t w e e n t w ow o r k i n g p r o c e d u r e s ，a n dm a k e s i t s e l f u s e da st e m p o r a r ys t o r a g e ；s ot l ei n f l u e n c eo ng l a s s - c o n et r a n s f e r r i n gi sm o d e r a t e d w h e nn e x t p r o c e s s i n ge q u i p m e n t st h r o u g h r ) u t f l u c t u a t e s ，a s ar e s u l to ft h i s ， p r o d u c t i v i t yo f t h ee q u i p m e n t s i sb a l m a c e da n dc o n t i n u o u sp r o d u c t i o ni sr e a l i z e d ，t h i s s u b j e c tw e h a v es t u d i e di ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m ( 8 6 3p r o g r a m ) ( n o 2 0 0 2 a a 4 2 0 0 6 1 ) t h er e s e a r c ho ft h i s s u b j e c th a sg r e a ts i g n i f i c a n c e f o r i m p r o v i n g1 e v e l o ft e c h n o l o g yi na u t o m a t i o n p r o d u c t i o n1 i n em a da u t o m a t i cs t o r a g es y s t e mm a dr e a l i z i n go n l i n e s t o r i n gf l e x i b l e p r o d u c t i o n1 i n ei na u t o m a t i cf a c t o r y i ti sa l s ov e r yu s e f u lt oi m p r o v ec o m p e t i t i v e s t r e n g t ho fc o r p o r a t i o na n de c o n o m i cb e n e f i t s m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rt h e f l e x i b l es t o r i n gt r a r t s f e rl i n e f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mm a dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no fp l c c o n t r o ls y s t e ma r em a i n l yp r e s e n t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , m a t e d a lf l o wc o n v e y o re q u i p m e n t sa r ei n t r o d u c e da n ds u m m a r i z e d ，a n d t h e l lt h el a y o u ta n df u n c t i o n so ft h ef l e x i b l es t o r i n gt r a n s f e rl i n ea r eb r i e f l yp r e s e n t e d i nt h i sp a p e lb e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fd i s c r e t ee v e n ts y s t e m s ( d e s ) i nt h e f l e x i b l es t o r i n gt r a n s f e rl i n e ，t h ef l e x i b l e s t o r i n gt r a n s f e rl i n ei sm o d e l e dw i t hp e t r i n e t sa n df u z z yc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d i no r d e rt ov e r i f ya n do p t i m i z et h ef u z z y c o n t r o l l e r , s i m u l a t i o ns y s t e mi sp r o g r a m m e dw i t hv i s u a lc + + a n ds i m u l a t i o n sa n d v e r i f i c a t i o n sa r ei m p l e m e n t e d t h eh a r d w a r ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mo ft h ef l e x i b l e s t o r i n gt r a n s f e rl i n ei sp r e s e n t e d a n ds o m ep r o b l e m si nd e s i g na r ea l s od i s c u s s e d a t l a s t ，t h ep l cp r o g r a m ss t r u c t u r eo ft h ef l e x i b l es t o r i n gt r a i l s f e rl i n e f u n c t i o n so f m o d u l e sa n dt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t sa r eg i v e n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so ft h ec o n t r o l s y s t e ms h o wt h a tt h e f l e x i b l e s t o r i n g t r a n s f e rl i n er u n sw c l la n dh a sf u l f i l l e dt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s t h ef l e x i b l e s t o r i n g t r a n s f e rl i n eh a d p a s s e d t h ec h e c k b yt h eu s e r k e y w o r d s ： f l e x i b l es t o r i n gt r a n s f e rl i n e p e t r in e t s f u z z yc o n t r o l p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r - 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：主劣磊日期盈翌幺：主二； 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上海大学硕士研究生学位论文 ! 竖! 旦坚璺坠些旦坚坚型! 堕! 望查竖! ! ! ! 型! 坠! 丛一 第一章绪论 1 1 课题研究背景、意义： 现代物流设备及其系统按功能可划分为输送系统( o u 各类汽车生产线等) 、分 类拣选系统、存储系统( 如各类自动立体库) 、搬运系统( 包括各类工业搬运车辆， 自动化搬运车系统等) 和信息控制系统。设备广泛用于汽车、大型仓储、制造等 行业，这些行业的快速发展对现代物流设备提出了更高的标准和要求，不仅需要 硬件物流设备，而且要求物料流与信息流实现在线或离线的高度集成，使生产和 物流一体化i ”。 物流输送系统是柔性制造系统中的重要组成部分。以前的刚性输送系统，通 常是在一条线体输送线上，按固定工序。固定节拍，输送工件至各个装配加工工 位，不能根据尘产的变化实时地改变加工节拍、输送速度、输送方向等。但是随 着科学技术的飞速发展产品的生产越柬越趋向于批量化、规模化，这就要求我 们的生产设备必须具有高效自动化，以满足大批量生产的需求：技术更新的速度 越来越快，产品更新替代的周期越来越短，对工厂物流系统及生产线柔性化、智 能化的要求越来越高，即要求生产设备必须具有高效、高柔性，以适应多品种生 产的要求。同时，还必须具备可迅速调整的能力，以适应新产品生产的需要【2 j 【3 1 。 本课题解决以往玻壳生产线需要专用的存储库的问题。由于玻壳生产的大批 量连续生产的特点，设备众多，在工序之间需要有缓冲地带，以解决下道工序设 备生产能力降低时，把玻壳暂存起来，既不影响上道工序的生产，又当下道工序 生产能力恢复后消化存储的玻壳，实现生产的平衡和不间断生产。 物流输送系统担负着柔性制造系统中各加工单元及仓库间的物料输送，它的 性能直接关系到整个制造系统的性能，它的效率，对柔性加工系统的效率有着重 要影响。本课题的研究对提高制造业自动生产线及自动化仓储系统的技术水平， 实现自动化工厂的柔性化生产具有重要的意义：对提高企业竞争力及经济效益具 有重要作用。 本课题是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目。 1 2 国内外输送线机械设备的发展概况与现状： 运输机械通常是指能够将散状物料或成件物料在一定的运送线路上，从装载 点以一定的或变化的速度、连续或间断地进行运送的机械设备。按照其使用功能， 运输机械大致可分为三大类：装卸机械，输送机械和给料机械。 装卸机械是一种具有装卸功能或转载装置和连续装卸功能的机械设备。 输送机械通常是指能够使物料或物品沿着该机的整体或部分布最线路所确 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 定的方向或走向、连续或问断地运行，以实现自动搬运的机械设备。与装卸机械 不同的是物料或物品的运行是沿着输送机所确定的方向或线路运行，不允许随意 变更方向。 给料机械是一种将物料由储料装置送至受料装置中，并同时可以控制物料的 输送速度和流量的机械设备。与输送机械的不同主要在于使用功能和应用场合。 依被运送的物料或物品划分，常见的输送机械有用于输送散粒物料的输送 机、用于输送成件物品的输送机和两者兼可输送的输送机，本章主要讨论成件物 品的输送 4 1 。 1 2 1 成件物品输送机械的分类及常见的输送机械 从成件物品输送机的牵引机构形式上，可以将其分为五大类：自行小车，机 器人，带式输送机，链( 绳) 牵引输送机和刚性输送机。 1 自行小车 自行小车系统能将一定量的工件从一 个地点自动运送到另一个工作地点，所经过 的路线通常是预先设置好的。小车系统完全 由计算机控制。根据导引方式的不同可将 小车系统分成a g v 和r g v 两大类。 在a g v ( a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e s ) 系统 中，a g v 的动作由微处理器控制，决定何 时运行、何时上下料等。a g v 一般用有线制 图1 i 地面有轨小午示意幽 导，小车的两旁各有个传感器使小车定 位。感应的方式最常见的是电磁感应。自动小车系统般比较昂贵，但自动小车 系统具有很大的柔性，有很好的可扩充性，只须在小车上安装不同的装置( r o b o t ， a p c 等) ，就可以适应不同的工作需求。 有轨引导小车( r g v ) 按照运行的空问位置可分为地面有轨小车( 见图1 1 ) 与空中有轨小车如电动葫芦，其外形上和a g v 非常相似，只是引导装置不同， r g v 是由导轨来约束和导引小车运动的，柔性较差。其优点在于运动速度比 a g v 快，可靠性好，技术成熟，且结构控制简单。 2 机器人 机器人传输装置通常用来完成f m s 中较小的传输任务。工业机器人是一种 比较昂贵的输送装置，但由于它的柔性高，而受到大家的欢迎。对于机器人，只 须简单地装载一个新的程序，机器人便可处理一个完全不同的任务。机器人的物 理结构比较复杂。它有大量的控制关节，如手腕、臂、机身等。用来实现升降、 伸缩和旋转的运动功能：控制系统则更加复杂，许多机器人有一个人工输入的软 件包，操作者可以通过编制具体程序使机器人到达一个位置，并记住该位置以及 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a iu n i v e r s i t y 到达该位置的路线。 高架机器人是将机器人和传送带的优点集于一身的一种物料传送装置，通 常，高架机器人是一个沿着高架导轨移动的机械手。这种装置比机器人快，但柔 性却比机器人差些。在高架导轨上可以定义大量的停靠点这样可以让机器人成 功地定位于不同的装卸点上。 3 带式输送机 带式输送机是一种既便宜又可靠的物料输送装置它能同时运送多个工件。 通常在传输带周围有大量的传感器控制装置，这些传感器用束感知托盘( 工件) 的数量和精确位置，以便使其在系统中正确定位，传输带的运行出控制逻辑和传 感器信息传送来控制。传输带式样繁多，常用的有：图1 2 所示的平带输送机，图 1 3 所示的v 形带输送机等。 幽1 1 2 平带输送机1 5 1 型1 3v 形带输送机 4 链( 绳) 牵引输送机 链( 绳) 牵引输送机品种很多，常用的有：板式输送机( 见图1 - 4 ) ，悬挂输 送机( 见图l 一5 ) ，拖式输送机( 图1 6 ) 。 h1 - 4 扳式输送机6 j h1 5 悬挂输送机【7 5 刚性输送机 常见刚性输送机有辊子输送机( 见图1 7 ) 。 辊子输送机结构简单，运行可靠，适应性强，承载能力大，物料可在某些区 段暂时存储。适合固定路径的成件物料输送。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so f s h a n g h a lu n i v e r s i t y 图1 - 6 拖式输送机f b 】图t - 7 辊子输送机【9 】 3 图1 - 8 移行机转载装置 ( 注：1 移行机2 , 3 辊子输送机) 2 幽1 - 1 0v 形带转载装置 ( 注：1 一v 形带转载装置2 一主输送机 3 一相邻输机) 幽1 - 9 转盘转载装覆 ( 注：l 一转盘2 ，3 ，4 一辊子输送机) 幽l ，1 1 转臂式转载装簧 ( 注：l 一转臂推进器2 一转臂3 一主输送机 4 _ 一相邻输机) 还有其它一些物料传送装置，如支架式起重机、物料叉车等，但用于柔性输 送线的较少1 0 j 】。 1 2 2 转向及转载装置的常用结构 对于本身无法转弯或转弯困难的输送机常有如图1 - 8 至图1 - 1 5 所示的转向及 转载装置【9 】f j 2 l 。 4 上海大学硕士研究生学位论文 ! 坚! ! q 翌鱼垦! ! ! 丛! ! 旦! ! ! ! q ! ! 望皇! 璺旦垒! ! 翌! ! 垦! ! ! ! 5 4 到1 1 2v 形带直角转载装置 ( 注：1 一主输送机2 一转载v 形带3 一相邻输送机4 一v 形带驱动装麓5 一升降器) l2 幽1 1 3 侧面推杆转载状置 ( 注：l 一被输送物件2 一推杆3 一主输送机4 一相邻输送机) 幽1 - 1 4 滚子转向输送机幽i - 1 5 转弯皮带输送机 12 _ 3 普通输送线缓冲方式： 1 改变加工节拍：使得加工节拍与物料的输送一致，从而不产生物料的累积。 2 使用环形输送线：多余的物料在环形输送线上，直至被处理或转移。 3 输送线设置缓冲：在输送线建立缓冲区，采用专用存储库或者采用积放式 结构的输送线如辊子输送机等。 4 改变输送线路径长度：如图l ，1 6 所示将多余的物料存放在增加的路径上。 由上可见现在使用的输送线缓冲方式或者改变加工节拍，影响设备的加工 能力，或者增加缓冲容量，占用大量生产空f 白j ，增加设备成本。随着科学技术的 发展，原先恒速运行的输送线可用变速输送来代替，当加工能力下降时，物料暂 存于输送线上，当加工能力恢复时逐渐消化存储在输送线上的物料，实现用变速 输送线来代替缓冲区，在不影响设备加工的情况下减小缓冲空间，降低设备成本。 上海大学硕士研究生学位论文 ! 坚曼呈q 墨! 鱼曼生坚坐垦! 坚婪! 曼q ! 苎望坐盟型型型塑坚一 本文就是基于这一思想来实现的a 图1 1 6 卷烟储存输送系统原理 1 3 柔性输送线控制系统的研究现状 1 3 1 控制理论及分析方法： 至今，控制理论已发展较为成熟，在经典控制进理论中有线性控制系统的时 域分析法，根轨迹法。频域分析法，以及相平面分析方法等。在现代控制理论中 有线性系统的状态空间分析法和动念系统的最优控制方法。在智能控制理论中有 自适应，自组织和自学习控制，人机系统理论，形式语言与自动机，大系统理 论，神经网络理论，模糊集合论，优化理论等。在离散事件系统中有排队网络方 法，摄动分析方法，极大代数方法，p e t r i 网，计算机仿真方法等 1 7 1 。 1 3 2 输送线常用控制： a p i d 控制：它是了早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性 好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制；随着现代控制理论及智能控制理论 的发展，出现了许多新型p i d 控制器，大大拓展了p i d 控制器的应用领域。常 规p i d 控制适合于可建立精确数学模型的确定性控制系统。 b 模糊控制：1 9 6 5 年z a d e h 教授提出模糊集合的概念，随着科技的发展， 模糊控制己大量应用于工业与民用领域。与传统控制不同，基于语言规则的模糊 控制理论不需要对象的精确数学模型，而只需要有关的控制经验和知识束组织控 制决策表，鲁棒性强，适用于非线性、时变、缺乏可用的模型的控制。 c 、神经控制：神经网络技术是利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和 功能的一种技术。神经网络与其他控制理论相比有其独特的优点：神经网络能够 充分逼近任意复杂的非线性关系：神经网络对信息采用分布形式存贮；神经网络 对信息的处理具有自组织、自学习的特点：神经网络对信息的处理及推理的过程 具有并行的特点。用神经网络设计的控制系统，具有高度的自适应性和鲁棒性， 对于非线性和不确定系统可以取得满意的控制效果。 6 上海大学硕士研究生学位论文 ! 坚! ! 旦! ! 鱼堡垒旦! 垒! ! ! 坚! ! ! ! 旦! ! 坚垒垡璺璺垒! ! ! ! ! 坠! ! ! d 专家控制：它是使系统的构造和运行都基于控制对象和控制规律的各种专 家知识，而且要以智能的方式来利用这些知识，求得受控系统尽可能地优化和实 用化。专家控制系统运行在连续的实时环境之中，使用实时信息处理方式监控系 统的动态性能，并给出适当的控制作用。专家控制系统适合操作环境频繁或剧烈 变化、在有限时问间隔内必须做出决策结果、需要专家经验，采用符号逻辑解决 问题的场合，或者数学模型不存在或不充分的、结构不清楚的过程，以及用常规 算法实现需很大计算量和高昂代价的复杂问题【2 0 1 1 2 1 2 2 1 【2 3 】。 1 33 控制系统硬件： 控制系统是整个装置的核心部分，它决定了整个系统性能的优劣。控制系统 要求有高的可靠性，以及较高的性能价格比。控制系统结构主要有计算机直接远 程控制、继电器控制、单片机控制、工控机控制、p l c 控制和集散控制。 计算机远程控制主要缺点是环境适应性很差，不易在较差的环境连续工作， 抗二f 扰能力差，受通讯距离的影响。难以进行实时控制，输入输出线比较多，无 法满足实时可靠的工业要求。 继电器控制系统早期用来实现顺序控制而利用继电器组成的控制系统，灵活 性差，可靠性低，故在用微电子技术改造传统产业的过程中，传统的继电器控制 系统大多数将被可编程序控制器取代。 单片机控制系统体积小，功能强，功耗小，价格低，但电路十分复杂，设计 和维修都很不方便，对设计维修等工作人员要求也很高，更重要的是这样的控制 系统可靠性差，性能不稳定，对环境的要求苛刻且抗干扰能力不强。一般适用于 可靠性要求不高，较简单的系统控制中。 工业控制计算机由通用微型机发展而来，硬件结构方面总线标准化程度高， 兼容性好，软件资源丰富，有实时操作系统的支持，故对要求快速实时性强，模 型复杂，计算工作量大的工业对象的控制占有优势。一般应用于复杂的单机控制 或作为工业控制的上位机。 可编程序控制器采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算， 顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入 和输出控制各种机械或生产过程。它是一台专用计算机，专为工业环境下应用而 设计，使用可编程序控制器不必考虑硬件与软件方面的抗干扰措施。可编程序控 制器能完成如下功能：( 1 ) 逻辑功能；( 2 ) 定时控制：( 3 ) 计数控制：( 4 ) 步进 控制；( 5 ) a d ，d a 转换；( 6 ) 数据处理；( 7 ) 通讯与联网；( 8 ) 对控制系统 监控。它的特点有：( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强：( 2 ) 接口模块功能强，品种 多；( 3 ) 适应性强，使用面广：( 4 ) 编程方法简单直观；( 5 ) 体积小重量轻，功 耗低。 集敞控制系统( d c s ) 由单回路仪表控制系统发展而来，在模拟量处理，回 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s i t y 路调节方面具有优势，一般用于过程控制。随着科学技术的发展，集散控制系统 既有回路控制系统功能，也有了顺序控制功能，但顺序控制功能现阶段只是对其 系统的扩充。 1 3 4 常用控制系统的比较 可编程序控制器与继电器控制系统相比，控制方式由硬件改为软件控制，方 便了设计和维护，控制功能由简单的逻辑控制改为能完成复杂运算直接数字控制 ( d c c ) 系统。增强了系统的控制能力，为复杂过程控制奠定了基础。 可编程序控制器与工业控制计算机相比，由于硬件模块化设计，增强了抗干 扰能力，更适合于工业现场控制，程序设计的简化，调试手段的增强，易学易懂， 为其在工业控制中广泛应用开辟了道路。一般可编程序控制器充当分层式控制处 理系统的中下层设备，应用极为广泛，从单机自动化到整条生产线的自动化，乃 至整个工厂的生产自动化，从柔性制造系统，工业机器人到大型分散控制系统， 可编程序控制器均承担着重要角色。可编程序控制器由继电器逻辑控制系统发展 而来，在数字处理，顺序控制方面首选p l c 系统【2 4 】【2 5 】【2 6 】【2 7 】。 由此可见，本课题采用p l c 控制较为合适。 1 4 本学位论文的主要研究内容、难点和任务： 1 4 1 主要研究内容： ( 1 ) 作为离散事件系统的输送线的建模。 ( 2 ) 模糊控制算法的研究。 ( 3 ) 系统的计算机仿真研究。 1 4 2 存在难点： 由于柔性存储输送线具有离散事件系统的性质，因此本系统的建模与控制算 法是本课题的难点。 1 4 3 应达到的目标： 实现输送线的柔性存储输送；使原来等速传送的输送线，变成变速传送，根 掘生产的波动自动调整输送速度，实现线上存储。达到如下要求：利用速度变化， 使线上动态平衡能力达3 0 个。对2 1 的玻壳，可在前端完全堵塞的情况下，支持 正常运行超过3 分钟。 1 5 本章小结 本章主要对本课题的研究背景以及国内外输送线机械设备和控制系统的研 究发展现状做了介绍；说明了本论文的主要研究内容、难点和任务。 8 上海大学硕士研究生学位论文 ! 望! ! q ! ! g 墨垒旦! 丛! ! 坚! ! ! ! q ! ! 坚垒堡垒型皇! 型翌! ! ! 墨! 望盟l 一 第二章柔性存储输送线系统总体方案 2 1 引言 1 输送线方案设计时需要考虑众多因素，主要有： ( 1 ) 物料传输的距离、速度、频率； ( 2 ) 所传输物料的体积和重量； ( 3 ) 工件定位的精度要求： ( 4 1 厂房的空间位置约束和总体布局型式： ( 5 ) 物料系统运动路线的柔性和可扩充性； ( 6 ) 必须满足经济预算。 2 一般的选择策略： ( 1 ) 如果物料传输的距离长，工件的体积较大，两次装载的时间间隔较大， 用a g v 比较恰当。 ( 2 ) 如果物料传输的距离长，工件的体积较大，两次装载的时间间隔较小， 用托盘比较恰当。 ( 3 ) 如果传输的频率较高，传送的路线比较固定，则可选择传输带装置。 ( 4 ) 如果传输时间比较短，零件的几何尺寸较小，传输距离比较短，可以选 择机器人。 ( 5 ) 如果传输时需要在线上暂存，可以选择辊子传输装置【1 2 】。 2 2 输送线机械系统总体方案 2 2 1 输送线机械系统组成 通过对原来刚性的吊篮输送方式的考察，发现原来刚性的吊篮输送在安全 性、空间利用率、柔性化等方面均不理想。考虑到以上所述的各项因素，确定输 送线机械系统由两台取锥机器人、投锥输送带、步上机、空中缓冲带1 7 、下降 斜道、三条进研磨滚道和升降机构等组成，输送线的平面布置如图2 1 所示。 2 2 1 1 取锥机器人、投锥输送带与步上机 两台取锥机器人将传送带上的玻壳( 每排六个) 搬运至投锥输送带，从而将 玻壳变成串行方式；然后由步上机将玻壳从较低的投锥输送带搬运到较高的空中 缓冲带。取锥机器人、投锥输送带与上升斜道构成了由低到高，输送调整系统。 考虑到投锥输送带水平运行，采用v 型带输送机降低成本。 2 2 1 2 空中缓冲带和下降斜道 空中缓冲带由1 7 段组成，长度为4 0 米，为可变速传送带。考虑到经济与工 艺因素它们均采用v 型带输送；由于玻壳从水平转为下降时有冲击，为保护玻 壳不受损伤，下降斜道采用平带输送，同时也保证了玻壳下降过程中不会因为摩 擦力小而发生滑动。 9 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g f u d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n l v e r s i t y o 团哪梧旧牛蛊搽蝴镰颦忙掣眯忑匝 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 2 2 1 3 进研磨滚道、转弯转载装置与人工装箱下降斜道 e b 于滚子输送线是典型的具有积放功能的缓冲输送线，这罩进研磨滚道采用 普通动力滚子输送机，以组成该输送线的缓冲区，即从人工交叉到研磨机前的部 分；滚道转载装置采用v 形带直角转载装置：人工装箱转弯装置采用转弯皮带 输送机；人工装箱下降斜道采用平带输送。 2 2 1 4 升降机构 为了匹配进研磨滚道与研磨机的高度，考虑到生产线的空间位置约束，这罩 升降机构由移载机和升降台组成。移载机将玻壳从进研磨滚道上移到升降台上， 由升降台将玻壳降至研磨机所需要的高度。 2 3 输送线控制系统总体方案 2 3 1 输送线控制系统要求 本输送系统的运行过程为：取锥机器人将玻壳从输送带搬运到投锥输送带： 在投锥输送带上，玻壳到达终点位置后，出步上机搬送至较高位置的空中缓冲带； 玻壳在空中缓冲带上运行，然后由下降斜道进入辊子缓冲区；在辊子缓冲区由控 制器根据研磨机及缓冲区的玻壳分靠，决定进入辊子缓冲区的玻壳向研磨机运动 的路径：若缓冲区已满，则玻壳通过v 形带直角转载装置进入转弯皮带输送机， 由人工在下降斜道上将玻壳移走。在辊子缓冲区的末端，移载机将玻壳从滚道上 移到升降台上，由升降台将玻壳降至研磨机所需要的高度。 由于本输送线为2 4 小时不停机输送，故可靠性要求非常严格。 本输送线设备众多，为了监控玻壳的运行状念，需要在输送线上布置大量的 光电传感器、接近开关等传感器，因而系统的输入输出信号较多。 由于在辊子缓冲区，控制器决定玻壳运动的路径，因而要求系统能够可靠地 进行逻辑控制。 2 3 2 可编程序控制器简介及特点 可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 是计算机技术与继电器 控制概念相结合的一种新型控制器，是以微处理器为核心，用作数字控制的专用 计算机。p l c 出现在本世纪6 0 年代，作为一种比继电器更为可靠，功能更齐全， n 向应速度更快的工业通用控制器而出现。进入8 0 年代以来，随着微电子技术的迅 猛发展，促使可编程控制器的发展有了新的突破。 国际电工委员会o e c ) 于1 9 8 7 年2 月通过了p l c 的定义：可编程序控制器是 一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用一类可编 程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算 术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输a 输出控制各类型的机械或 生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按照将有关工业控制系统联成一 个整体，易于扩充其功能的原则设计。从工业控制的角度来看，它是一种通用机。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 其结构紧凑坚固、可靠性高，有很强的抗干扰能力，能在恶劣的环境下可靠地工 作。其编程语言简单，多采用梯形图编程方式及命令语句方式，语言形象，编程 时完全可以不考虑微处理器内部的复杂结构，不必使用各种计算机使用的语言 而把p l c 内部看作由许多“软继电器”等逻辑部件组成，采用面向过程的控制 语言，因而即使不懂计算机的人也能方便地运用p l c 语言。它可以根据用户系 统的要求选配各式模块，灵活组合扩展方便，可适应各类系统的用户要求，而 用户只需改变存入在p l c 的r o m 中的用户程序，通过数字量或模拟量的输入及 输出接口，便可满足工业控制系统的具体要求。同时，p l c 本身还有较强自诊断 功能，因而国内外f 在迅速普及和发展p l c 。从最初以替代继电器的局部应用而 扩大到可进行模拟量控制、位置控制等方面特别是远程通讯功能的实现，使柔 性加工和制造系统成为可能。因此p l c 被称为现代工业控制的三大支柱( p l c 、 机器人和c a d c a m ) 之一 2 8 】。 p l c 作为用于工业生产过程控制的专用计算机，与商用、家用微机不同。由 于控制对象的复杂性、使用环境的特殊性和工作运行的连续性，使p l c 在设计 上有许多特点： 1 、可靠性高，抗干扰能力强。p l c 以单片机为核心，在硬件和软件上采取 大量的抗干扰措施，使p l c 的平均无故障时间达到3 0 万小时以上，使用寿命长。 2 、控制功能强，适应性好。 3 、丰富的i o 模块。 4 、编程简单、直观。 5 、采用模块化结构。 6 、系统设计调试周期短。 7 、维修方便f 2 9 】。 经过二十多年的发展，p l c 由于这些特点已经渗透到工业控制的各个领域。 而且功能越来越完善不仅有逻辑控制、定时控制、顺序控制，还具有p i d 控制， 数掘处理及通讯和联网等能力。可见p l c 控制系统能够充分满足本输送线的要 求。 2 3 3 控制系统结构设计 p l c 控制系统结构一般有五种：单机控制系统、 集中控制系统、分散控制系统、远程i o 控制系统和 就地( l o c a l ) p l c 擦制系统。 1 单机控制系统 ip l c l 输入“输出 l控制对象 用一台p l c 控制一台设备的系统是最一般的控制 削2 2 单机控制系统 系统，输入输出点数少和存储器容量比较小，控制系统的构成简单明了。图2 - 2 所示是典型的单机控制系统，任何类型的p l c 都可选用，但不宜将功能和i o 上海大学碰士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 点数、存储器容量等裕量留得过大。 2 集中控制系统 集中控制系统是用一台p l c 控制多台被控设备。该控制系统多用于各控制对 象所处的地理位置比较接近，且相互之间的动作有一定联系的场合。图2 - 3 所示 是集中控制系统。使用集中控制系统，某一个控制对象的控制程序需要改变时， 必须停运p l c ，其他的控制对象也必须停止运行，这是集中控制系统的最大缺点。 因此，该控制系统用于由多台设备组成的流水线上比较合适。当一台设备停运时， 整个生产线都必须停运，从经济方面考虑是有利的。 圈2 - 3 集中控制系统圈2 - 4 分散控制系统 采用集中控制系统时，必须注意将i ( 3 点数和存储器容量选择裕量大些，以 便增设控制对象。 3 分散控制系统 图2 - 4 所示为分散控制系统。每个控制对象设置一台p l c ，各台p l c 之间可 通过信号传递进行内部联锁、响应或发令等，或由上位机通过数据通信总线进行 通信。 分散控制系统多用于多条机械生产线的控制，各生产线间有数据连接。由于 各控制对象都由自己的p l c 控制，当某一台p l c 停运时，不需要停运其他的p l c 。 与集中控制系统具有相同的i o 点数时，虽然分散控制系统多用了一台或几台 p l c ，导致价格偏高，但从维护、试运转或增设控制对象等方面看，其灵活性要 大得多。 4 远程i o 控制系统 远程i o 控制系统就是i o 模块不是与p l c 放在起，而是远距离地放在被 控设备附近。过远程i o 通道与p l c 之间通过同轴电缆连接传递信息。选用p l c 时必须要注意不同厂家的不同型号的p l c 所能驱动的同轴电缆长度的限制。 图2 5 所示为远程i o 控制系统，其中使用3 个远程i o 通道( a 、b 、c ) 和一个本地i o 通道( m ) 。远程i o 通道适用于控制对象远离集中控制室的场合。 一个控制系统需要设置多少个远程i o 通道，要视控制对象的分散程度和距离而 ! 坚! ! q ! ! 垒坠里! 皇! ! ! 婪! ! ! ! q ! ! 婪垒堕堡坚垒! ! ! ! ! 兰墨! 望盟上一 定，同时受所选p l c 能驱动y o 通道数的限制。 5 就地( l o c a l ) p l c 控制系统 远程i o 控制系统中，远程i o 通道仅装i o 模块，没有程序，所有控制程 序都存储在控制器的存储器内。如果一台p l c 代替远程y o 通道，则构成了就 本地i o 通道 远程i 0 通道 图2 - 5 远程i 0 控制系统剀2 - 6 就地p l c 控制系统 地p l c 控制系统如图2 6 所示。 在这种控制系统中，每个控制对象( 或邻近的几个控制对象) 设置一台具有 控制程序的p l c ，然后用一台主p l c 通过同轴电缆与就地p l c 连接。就地p l c 的功能是执行控制任务并将控制信息送给主p l c 。主p l c 接收各就地p l c 的 信息后，进行管理性质的综合控制，而不直接控制对象。就地p l c 控制系统适 用于像图2 - 6 那样的加工或装配生产线的控制。在这个系统中，就地p l c 控制 各子线的机械运行，而主p l c 则跟踪主线上的目标，同时按照主线和子线的关 系进行综合控制。 由于本输送线主要为逻辑控制，且带输送部分硬件较简单，线缆较少，因此 适合采用集中控制系统。输送线传感器的布置如图2 7 所示。 2 3 4 系统的主要硬件设备 现在国内外有数百家公司在生产各种型号的p l c ，其中主要的有：s i e m e n s 、 德国通用电气( a g e ) 、法国t e ( t e l e m e c a n i q u e ) 、f u j i 、o m r o n 、 m i t s u b i s h i 等公司，其中m i t s u b i s h i 公司的p l c 因其可靠的性能，先进的 技术，大中小型号齐全，优秀的编程软件g p pf o rw i n d o w s ，并且可以在程序中 模拟p l c 的运行，故在国内应用较多：a n s q n a s 系列p l c 应用了m i t s u b i s h i 公司的新技术，使得运算速度更快，功能更强大。m i t s u b i s h i 公司的a n s q n a s 系列p l c 主要有以下特点： 1 技术先进。该系列p l c 使用了三菱公司专用顺控芯片m s p ，它可以提供大 型p l c 的速度和功能。 2 高速处理。比如：a 2 u s h c p u s 1 处理顺序指令的速度高达o 0 9 微秒，步， 其他指令如算术运算，数据处理，数据转换等指令也有极高的速度，因此可将扫 描时间降到最少。 3 拥有p i d ，浮点运算，三角函数等高级指令。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a lu n i v e r s i t y 匦删姆稚镱迎好蝴簿颦忙趔帐，n匝 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 4 有多种输入输出模块。 5 有多达5 0 种特殊功能模块忙。 由于以上特点，本文选用m i t s u b i s h i 公司的p l c 。 根据图2 1 中机械系统结构和图2 7 中各传感器稀置，可见本控制系统主要 由以下电气设备组成：p l c 、按钮丌关、光电丌关、接近开关、指示灯、l e d 、 报警器、变频器和电磁阀等等。控制系统硬件原理图如图2 8 所示： ic p u 输入模块输出模块 幽2 - 8p l c 控制系统硬件原理幽 2 4 本章小结 本章简要地介绍