（机械制造及其自动化专业论文）wmbps系统软件设计及测试策略研究.pdf

摘要 w m b p s 系统是钢管测长、称重、涂色环、打标、喷标系统，它由相应的 五个工位组成，每个工位负责不同的功能。本论文围绕天津钢管有限公司的 w m b p s 系统改造，提出了工业控制软件设计方法。并提出了一种基于c 语言的 状态转移图( s f c ) ，用来描述系统的控制流程。论文还探讨了控制软件的测试技 术。在硬件条件无法满足测试的情况下，采用软件仿真模拟来代替各种硬件进 行系统测试，并在实践中取得了成功。 第一章介绍改造项目的来源，提出了原系统的不足，解释了改造的必要 性。 第二章介绍了w m b p s 系统各个工位的硬件组成和工作原理，并进行了电 气和相关软件的总体设计。 第三章提出了基于c 语言的状态转移图。通过c 语言和状态转移图的结合， 普通的状态转移图就具有了c 语言简练、灵活的特点，各种复杂的控铡系统的 描述就变得相对的简单。本章以这种新的状态转移图为基础，详细设计t p l c 的程序流程。 第四章详细设计了上位机监控软件。上位机监控软件总共有三个程序组 成，它们是w l n c c 程序、控制程序和数据库程序，本章论述了西f 1 - t - w e q c c 组态软件的优缺点，分析了上位机软件多程序工作的必要性，并设计了各个程 序以及它们之间的的接口。 第五章提出了软件的测试方法，并设计了三个相关的测试程序。个是共 享内存监控程序，用来监视上位机软件各程序的相关数据及接口；另一个是上 位机模拟程序，用来模拟p l c 程序的运行，以协助上位机软件系统的联合调 试：最后一个是p l c 仿真程序，用来调试p l c 的源程序。本章最后给出了浏试 的经验总结。 第六章上要介绍现场调试过程中遇到的一些问题，以及解决各种问题所用 的方法。最后介绍了调试完成后系统的性能。 第七章对本次改造所做的工作进行总结，归纳出改造成功的因素。 a b st r a c t w m b p s s y s t e mi su s e di ns t e e lt u b e sl e n g t hm e a s u r e 、w e i g h tm e a s u r e 、c o l o r b a n d 、p i ns t a m pa n dc h a r a c t e rs t e n c i l b a s e do nw m b p ss y s t e mr e c o n s t r u c t i o ni n s t e e lc o m p a n y ，t i a n j i a n g ，m sp a p e rb r i n gf o r w a r d ad e s i g nm e t h o do fs o f t w a r eu s e d i ni n d u s t r yc o n t r 0 1 b yu s eo fak i n do ff l o wc h a r t 锵c a n e a s i l ya n dc l e a r l yd e s c r i b e m a n yc o m p l e x e d c o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e ra l s op r o b ei n t o t e s t i n gt e c h n i q u eo f i n d u s t r yc o n t l 0 ls o f t w a r e w h e nh a r d w a r ec a n tm e e tt h en e e do ft e s t 。w ec a r lr e f e r t os o f t w a r es i m u l a t e t h ef o l l o w i n gi st h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o n i nc h a p t e ro n e ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c et h ew m b p s s y s t e mr e c o n s t r u c t i o n a n d e x p l a i nt h en e c e a s i t yo fw m b p ss y s t e m r e c o n s t r u c t i o n i nc h a p t e rt w o ，h a r d w a r ec o m p o n e n t sa n di t s r e s p e c t i v et h e o r yi nw m b p s s y s t e r nj si n t r o d u c e di bd e t a i l 。t h i sc h a p t e ra l s om a k e o u tt h ew h o l ed e s i g no ft h e s o f t w a r e i n c h a p t e rt h i n e aj ( i n d o ff l o wc h a r tw h i c hj sc a l l e dc b a s e d s f ci s i n t r o d u c e di nd e t a i l t h i sk i n do ff l o wc h a r tw h i c hc o m b i n ec l a n g u a g ew i t hs f c f l o wc h a r ti so f g r e a tf l e x i b i l i t ya n d u s e f u l n e s sa n dc a l lb eu s e di nm a n yc o m p l i c a t e d s y s t e m h s o f t w a r e u s e di nw m b p s s y s t e m a l s oa d o p t t h i sk i n do f f l o wc h a r t i nc h a p t e r f o u r ，s u p e r v i s i n gs o f t w a r ei ni n d u s t r yp c i sd e s i g n e d s o f t w a r ei np c i sc o m p o s e do ft h r e ep r o g r a m ，t h e ya r ew i n c cs o f t w a r e 、c o n t r o ls o f t w a r ea n d d a t a b a s es o f t w a r e ，b yt h ew a yo fp o i n t i n go u tt h ee x c e l l e n c ea n ds h o r t c o m i n go f w i n c c ，t h i sc h a p t e re x p l a i nw h y w es e l e c tc o o p e r a t i o no fm u l t i - p r o g r a m a tl a s t ，t h e i n t e r a c t i o no f m u l f i - p r o g r a mi sa l s oi n t r o d u c e d i nc h a p t e rf i v e ，t h r e et e s t i n gp r o g r a ma r ed e s i g n e d t h ef i r s tp r o g r a mc a l l e d s h a r em e m o r ym o n i t o rc a nb eu s e dt ov i e wa n de d i tt h ed a t aa n dt h ei n t e r r a c eo f w m b p ss o f t w a r e t h es e c o n d p r o g r a m w h i c hs i m u l a t et h ep l c p r o g r a m i su s e f u li n d e b u g g i n gw m b p s s o f t w a r e ，t h et h i r di su s e f u li nd e b u g 乎n gp l cp r o g r a m ，s o m e d e b u g g i n ge x p e r i e n c ei sa l s og i v e n i nt h i sc h a p t e r i n c h a p t e rs x ，s o m ep r o b l e mm e ti n l o c a e i s d e b u g g i n gp r o c e s s a n di t s r e s p e c t i v e s o l u t i o ni si n t r o d u c e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mw h e na p p l i e di n p r a c t i c ei s a l s oi nt h i sc h a p t e r i nc h a p t e rs e v e n ，t h ew o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m e du p ，t h i sc h a p t e rp o i n to u t t h ef a c t o rw h i c hl e n dt os l d c c e s so ft h ew m b p ss y s t e mr e c o n s t r u c t i o n ， 堑堑盔堂亟望些迨塞 第一章绪论 1 1 项目简介 天津大无缝是天津钢管有限公司的简称，它是一座专业生产无缝钢管的现代化大型冶 金企业，是目前我国最大的石油管材生产基地。天津钢管有限公司始建于1 9 8 9 年，是国家 “八五”重点建设项目。公司主要技术设备分别从德国、意大利和美国成套引进，拥有完 备、先进的在线和离线检测设备以及技术分析手段，几年来持续不断的技术改造和创新，使 技术装备始终保持了世界先进水平。 公司的主要产品之一是石油套管，石油套管主要用在油井中，用来保护井壁和输送石 油。只要有一根石油套管出现问题，整口油井就要报废。因此，石油套管的技术要求非常 高。为了提高公司产品在国内外市场上的竞争力，天津大无缝于2 0 0 2 年1 1 份对石油套管精 整线进行了全面改造，以满足用户对钢管质量越来越严格的要求。石油套管精整线主要用于 无缝钢管的精加工。 在这次精整线改造过程中，我们负责了w m b p s 系统的改造。w m b p s 系统是钢管精加 工生产线中的个子系统。w m b p s 系统( w e i g h t 、m e a s u r e 、b a n d 、p i n s t a m p 、 s t e n c i l ) 的中文译名是钢管称重、测长、涂色环、打标、喷标系统。w m b p s 系统可以实 现钢管的称重、测长、各类信息( 包括钢管长度和重量) 的打标和喷标功能。 我们在对原w m b p s 系统进行消化吸收的基础上，成功的完成了改造任务。w m b p s 系 统改造历时4 个月，前3 个月是前期准备，最后一个月是安装调试。从2 0 0 2 年1 1 月2 5 日开始， 新系统正式投入运行。经过一个多月的实践证明，新系统运行稳定可靠，操作方便灵活，各 项技术指标都达到或超过原设计指标。改造双方对新系统都非常满意。 1 2w m b p s 系统介绍 1 2 1w m b p s 系统简介 原w m b p s 系统由美国的t e l e s l s 公司设计制造，主要由五个工位组成，这五个工位分 别如下： ( 1 ) 测长工位 ( 2 ) 称重工位 ( 3 3 涂色环工位( 空工位) ( 4 ) 打标工位 第l 页 逝堑盔堂亟生些迨窒 ( 5 ) 喷标工位 原w m b p s 系统各工位的布置图参见图1 1 。 图1 1w m b p s 系统工位布置图 进料工位也称上料工位，它是w m b p s 系统的辅助工位，主要用来为w m b p s 系统的测 长工位输送钢管。上料工位中的钢管是由缓冲台架提供的。缓冲台架中可以放置多根钢管， 缓冲台架中的第一根钢管会自动送入到上料工位中。 在测长工位处，覆有橡胶的定位辊推动钢管前进到定位挡板处对齐。与此同时，成对 的高精密光敏传感器监控钢管的头和尾的通过，并测出其长度值，长度值可传递到计算机， 以提供喷标的长度信息。 在称重工位处，钢管被平放在刚性的称重桥上，钢管停稳后，经重量电信号转换装 置将重量值汇总，所测重量值可传递到计算机中，以提供喷标的重量信息。 在涂色环工位处，钢管被涂上标志钢管等级的色环。w m b p s 系统改造中取消了涂色环 工位，所以此处是空工位，w m b p s 系统不对空工位的钢管进行处理。 在打标工位，打标机等钢管停稳以后，在钢管的表面上打印出钢管产地、级别等信 息，这种信息是不可擦除的。 在喷标工位，下料装置带动钢管，使钢管沿轴向运行，当钢管通过喷标机后，喷标机 就在钢管表面喷上钢管的重量、长度、生产日期、钢级等信息。在喷标工作进行的同时，钢 管就已经进入了涂漆工位，并开始喷漆。 各个工位上钢管的搬运工作是由步进梁来完成的，步进梁是一个四连杆机构，它只能 一个方向运动。步进梁每运动次，喷标工位以外的其他工位上的钢管就会依次移入到下工 位中。喷标工位上的钢管则由下料装置送入到涂漆工位去。当喷标工位的钢管没有完全离开 喷标工位时，步进梁是不能移动的。同样，当上料工位正在上料的过程中，步进梁也不能移 动。 w m b p s 系统的工作是并行的，即钢管的测长、称重、打标、喷标是同步进行的，一个 第2 页 逝迤盔堂亟生些迨童 工作循环的时间由这几个工位中完成最慢的个工位决定，另外步进梁把钢管移位所需的时 间也要包括在工作循环时间内。 1 2 2w m b p s 系统在生产线中的地位 套管线的w m b p s 系统是套管的外围精加工系统之一。它与套管线的其他精加工系统有 一定的联系。为了更加深入地了解w m b p s 系统所处的地位，下面对套管精加工生产线做 一个简单的介绍。套管精加工工艺流程图可以参考图1 2 。 套管加工线所需要的管体由移送分配车从中间仓库运来，以层的形式放到套管加工线 的上料台架上，拨料装置将钢管逐根拨到链式运输机上，送去进行涡流钢级鉴别，经鉴别确 认合格的钢管，再送到双工位磁粉探伤装置处进行管端探伤，然后用链式移送机将两端经过 磁粉检查，需要切头的钢管送到1 # 切管机和2 # 切管机切除两端。 。 链式移送机把切头后的钢管及不经切头直接运送过来的管子运n 1 # 车丝机前，车丝机 的步进梁式输送台将钢管放到车丝机的中，i i , 线上，卡盘卡紧，由车丝机对钢管进行铣端面、 倒棱、车外锥并车丝。车丝机工位完成后，输送台再将钢管放回到链式移送机上。 链式移送机输送钢管经过三个检查位置，在第一个检查位置先由人工检查丝扣部分， 再检查丝扣的螺距、齿高和尾扣。在第二个检查位置检查丝扣锥度，在第三个位置上用工作 环规检查丝扣的紧密距。 经丝扣检查合格的钢管由输送机向前移送到接箍预拧机上，管端定位后，钢管被放到 接箍预拧机的中心线上，卡盘夹紧后提升装置把涂有丝扣油的接箍拧到管端上，接着再把带 有接箍的钢管放到拧紧机拧紧到要求的扭矩。然后，链式移送机把钢管送到冲洗位置，将钢 管里面的氧化铁皮等脏物冲出，再进行通径和水压实验，确认合格的管子在2 # 车丝机上将 钢管的另一端再加工成为丝扣。 以上各工序结束后，在钢管的两端拧上内、外保护环，以免钢管的丝扣在运输或储存 过程中被损坏。接f 来的工作就是我们所改造的w m b p s 系统：钢管测长、称重、打标、喷 标，然后钢管涂漆，进烘干炉，最后再打捆入库。 第3 页 图1 2 套管精加工工艺流程 在图1 2 中，w m b p $ 系统只包括钢管的测长、称重、打标和喷标。涂色环工位由于工艺 上的原因，已经前移到其它精加工系统中。由于原系统设计时存在涂色环工位，所以当涂色 环工位前移后，在原先的w m b p s 系统中留下了一个空工位。 w m b p s 系统处于拧保护环工位之后、涂漆工位之前。在整条生产线上，w m b p s 系统 与上述两个精加工子系统会发生关联。比如当钢管在拧保护环工位上没有拧上保护环时，在 w m b p s 系统中就要把这根钢管当成不合格管。如果w m b p s 系统发现某钢管的长度或重量 超过限定值，那么该根钢管也要作为不合格管。w m b p s 系统把不合格钢管的信息通知给涂 漆工位的控制器。这样，涂漆工位就不会对不合格钢管进行表面涂漆工作。 在整个套管精加工生产线上，只要有一个子系统出现问题，那么整个生产线就会处于 停止状态，给厂家造成巨大损失。在加工任务繁忙的时候，生产线每停产l 小时，厂家就损 失几十万。从生产线的角度考虑，所有的子系统都是一样重要的，w m ：b p s 系统也不例外。 w m b p s 系统同其他子系统一样，是套管精加工生产线上的一个重要环节，稳定性和可靠性 是评价w m b p s 系统最重要的因素。 第4 页 1 3 改造的必要性 改造前的w m b p s 系统虽然能够正常工作，但它却有明显的不足。主要表现在以下几 点： ( 1 ) 钢管表面质量问题 由于原系统采用下料辊道方式将钢管输送到涂漆工位，钢管表面会留下两条污痕，这 会产生涂漆不均的现象。 ( 2 ) 打标字迹模糊，打标设备出故障率高 原打标设备是美国t e l e s i s 公司的早期产品，只能打, q 4 , 7 x 5 的标准点阵，因而字迹比较 模糊。同时，原打标设备非常复杂，出故障率也很高。 ( 3 ) 控制软件存在b u g 原系统的控制软件存在许多b u g ，经常出各种问题，给生产带来许多不便。 ( 4 ) 软件操作方便性不好 原软件是由美国工程师十年前编写的，那时候还没有w i n d o w s 操作系统，原控制软件 是在低版本的d o s 环境下运行，因此操作很不方便。 ( 5 ) t e l e s i s 公司不再提供一些备件 1 由于有些设备已经比较早了，所以t e l e s i s 公司不再提供一些备件。如果设备出现问题 并需要更换时，很难找到合适的配件。 由于以上原因，w m b p s 系统的改造工作势在必行。 1 4 改造的主要任务 w m b p s 系统改造主要有两方面的任务。一方面是机械上的改造，另一方面是电气上的 改造。机械上的改造较少，基本上保持原机械部分不动。但电气则完全撤除原系统上的电 气，电气上的改造是非常彻底地，与电气相关的所有程序也完全重新编写。 总的来说，这次改造要实现以下几个任务： ( 1 ) 下料装置的机械改造。原w m b p s 系统的喷标工位下料装置采用了辊道方式，新 w m b p s 系统的下料装置则采用了链传动。通过下料方式的改造，可以解决涂漆不均的现 象。 ( 2 ) 打标机的改造。原w m b p s 系统的打标机是t e l e s i s 多年前的产品，性能已经落 后。这次改造，我们选用q t e l e m s 的新产品t m p 3 1 0 0 系列打标机，并解决了原设备存在的 问题。 ( 3 ) 4 3 对测长光电传感器的更换。原w m b p s 系统的测长光电传感器集成性不好。改 造时，我们采用了集成性好的光电传感器，并制作了用于安装光电传感器的高精度光电盒。 第5 页 逝婆丕堂塑坚些迨塞 ( 4 ) 其他传感器的更换。除了测长光电传感器以外。这次改造还更换了其他的传感 器。包括测长光电编码器，各工位钢管到位检测传感器以及喷标工位的同步光电编码器 等。 ( 5 ) 控制部件的更换。采用了上位机和p l c 共同控制方式。上位机采用了西门子的p c 工控机，而p l c 采用了西门子的s 7 3 0 0 系列p l c 。 ( 6 ) 所有与电气控制相关的程序全部重新编写，包括p i e 程序与上位机程序。对于改 造项目来说，只有充分了解原系统的接口与特点，才能编写出比原系统更好的程序。因此程 序的编写是改造项目中任务最多、最难的一个部分。 ( 7 ) 大量模拟测试软件的编写。由于机械和电气部分上的改造需要2 0 天左右，而整个 安装调试时间是1 个月，最后留给程序调试的时间只有1 0 天左右。因此，系统最后调试的时 间就非常紧张。为了保证程序的正常工作，我们编写了大量的模拟测试软件，用来调试系统 程序。 1 5 论文的主要内容 天津大无缝w m b p s 系统改造涉及到多学科、多专业的有关知识。主要包括机械、电 气、液压、计算机、光学等各学科的专业知识。其中机械部分的改造主要是由天津大无缝负 责，而电气、计算机程序部分的改造由浙江大学精益机电技术工程公司负责t 在这次改造过程中，我主要负责上位机的软件设计部分。本论文的侧重点主要放在系 统软件设计以及软件的模拟调试过程，对硬件方面则稍有介绍。论文的结构如下： 第一章主要介绍了项目的来源，以及w m b p s 系统在生产线中的地位与作用。并论证了 w m b p s 系统改造的必要性。 第二章为w m b p s 系统的总体设计。总体设计分成两部分，一部分为硬件设计，详细介 绍了w m b p s 系统在每一个工位上的硬件组成及工作原理；另一部分为软件设计，主要讲述 了软件的功能分块与接口设计 第三章主要讲述t p l c 程序的设计方法。提出了基于c 风格的s f c 流程图设计，并在此 基础上设计了p l c 程序。 第四章主要论述了上位机软件的设计方法。重点介绍了组态软件w i n c c 、具有相对独 立性的控制程序以及完全分开的数据库程序。根据软件设计要求和功能特点，设计了上位机 程序界面。 第五章主要讲述了上位机软件的模拟调试方法。在这一章中，主要讲述了三个测试程 序的设计与实现方法。这三个程序对整个软件系统的调试起了很大的作用。 第六章主要归纳了在现场中遇到的f q 题及解决的办法，总结t t 程实践的经验。 第七章主要讲述了对改造的认识和一些想法。 第6 页 逝婆盔麴坚些迨塞 第二章w m b ps 改造系统总体设计 w m b p s 系统共有五个工位，改造后的工位布置图见图2 1 。这五个工位分别是测长工 位、称重工位、空工位、打标工位和喷标工位。上料工位和涂漆工位是w m b p s 系统的前继 工位和后继工位。通过步进梁的移位，钢管从上料工位依次进入测长工位、称重工位、空工 位、打标工位，最后钢管进入到喷标工位的下料链条上。通过下料链条运动，钢管移入到涂 漆工位。除了空工位，w m b p s 系统的其他四个工位分别负责钢管的测长、称重、打标和喷 标。 一一一一一一一一一一雠一一一一一 避藿蓬整i ti 一一 i i i i i i j f i l l l l f f ，i l l l l i i i il ； 固圃曲国 画画画画 图2 1w m b p s 系统各工位布置图 w m b p s 系统改造的主要任务是电气部分的改造以及相应的控制软件的编写。由于机械 部分基本上保持原有设备不变，对机械部分的改造则相对较少。本章首先详细介绍了 w m b p s 系统各工位的硬件组成与工作原理，然后进行了电气系统的总体设计，最后部分进 行了软件系统的总体设计。 2 1 测长系统介绍 w m p s 系统测长工位系统构成见图2 2 ，介绍如下： ( 1 ) 七组v 型辊道。每组v 型辊道都由一台1 5 k w 的电机驱动。钢管放在v 型辊道上， 当v 型辊道旋转时，由于磨擦作用，钢管就会在v 型辊道上运动。 ( 2 ) 光电传感器。光电传感器成对使用，分别安装在v 型辊道的两边。在对齐挡板右 边，设置0 号基准光电管，即测长的基准位置。然后，每隔一段距离设置一组光电盒，本系 统共设置6 组，每组光电盒包括1 个发射光电盒和1 个接收光电盒。每组光电盒中有七对光电 第7 页 丹侣n 口口口几口口口一蚕 逝堑盔堂亟生些迨窒 传感器，包括0 号基准在内，总共有4 3 对光电传感器。 ( 3 ) 光电脉冲编码计数器。它安装在磨擦轮上，当钢管在磨擦轮上滚动时，脉冲编码 器进行计数。由脉冲编码器和光电管配合进行钢管测长。 ( 4 ) 对齐挡块和液压缓冲装置。当钢管到达位置b 处后，由于位置b 处有传感器，所以 辊道停止运行。但钢管由于惯性，仍会推动对齐挡板运动到位置a 附近。这时候油缸进行反 推，将钢管对齐在位置b 处，这过程称之为对中返回过程。 发射光电管盒 图2 2 测长工位组成示意图 测长原理参见图2 3 ，测长原理描述如下：p l c 启动测长工位的辊道，测长辊道推动钢 管在测长工位上向0 号基准光电管前进，由于摩擦作用，管子带动光电编码器旋转并计数。 管尾每经过一对光电管，编码器计数值清一次零，然后重新计数。当钢管管头经过0 号基准 光电传感器的瞬间，p l c 记录当前编码器的数值和4 3 组光电管的状态并保持。当测长完成 后，p l c 所保持的编码器计数值相对应的长度就是长度l c ，零位基准距离每组光电盒的第 一个光电管的距离分别为l o 、l l 、l 2 、l 3 、l 4 、l 5 ，当光电盒安装完成后，这六个值就 确定下来了。光电盒内部光电管的距离为定值1 英尺，也就是3 0 4 8 m m 。 以图2 3 为例，测长完成后钢管长度值计算公式如下：l = l 4 + 3 0 4 8 2 一l c ( m m ) 值得注意的是，在测长过程中，钢管尾部至少要经过一对光电管，即编码器计数值需 要清过零以后，所测的长度才是正确的。如果在测长过程中编码器计数值没有清过零，那么 所测长度值是无效的。 第8 页 ： l 5 l 4 7 l 3 ： 。11-l l 2 1 u ) i 巧藏莉 麟雠l 搠揣 、一r f 愆鍪濯嘲辫麟潮鼬辫涮趱麟赫黪灞瓣涮豳蝌囊簿川 a川匝面匝盘匝圃畦圃匠圃匝面 渊姚8 圳均分一一一每崩疆尾部恿j = 耐篼 感、 雠 q 卿蓟拍嬲揣_ 7 一一 图2 3 测长原理图 2 2 称重系统介绍 图2 4 称重示意图 第9 页 堑堑太堂亟坐些迨塞 称重系统由称重底座、称重传感器、 重传感器，组成支点，其中2 个为固定式 为t 5 0 0 英磅。 称重梁和钢管v 型支架构成。称重梁下设置4 个称 另外2 个为半浮动式。每个称重传感器额定载荷都 称重传感器下部与称重底座连接，上部与称重梁连接。称重梁上部有7 个v 型支架，v 型 面上固定有尼龙板，减少冲击，也可防止划伤钢管外壁。 称重工位工作过程如下： 当无缝管到达称重工位后，传感器将电信号传送到称重二次仪表，称重二次仪表进行 信号放大和信号处理。通过r s 2 3 2 传输，计算机从称重二次仪表中读取重量值。称重工位采 用瑞士m e t i l e rt o l e d o 公司称重产品，具有稳定可靠的特点。 2 3 打标系统介绍 图2 5 打标不意图 打标工位由v 型支架、打标机和气源等组成。打标机由机架、升降气缸、打标头、打标 控制器等组成。当钢管到达打标工位时，气缸下降，可调撑脚压在钢管上。打标控制器控制 打标针移动，在扣标针移动的过程中，气源驱动打标针高频冲击钢管表面，从而在钢管表面 形成由密集点阵组成的字符或图形。当字符打印完成后，气缸上升，带动打标头和打标针离 开钢管表面，打标过程结束。 可调撑脚用来调整打标针到钢管的距离，以改变打标字符的深度。打标工位的打标字 符是由计算机通过r s 4 8 5 传送给打标控制器，打标开始信号f l j p l c 通过i o 接口信号发给打标 控制器。 打标采用t e l e s i s 公司的新产品t m p 3 1 0 0 浮针气动打标机。它具有打标速度快、字迹清 楚的特点。它由控制器、打标头、气源以及相互连接用的配管等组成，以下是t m p 3 1 0 0 的 第l o 页 堑堑丕堂亟生些迨塞 实物图。 图2 6 打标头与打标控制器 2 4 喷标系统介绍 喷标工位由链传动机构、喷标机、气源等组成。喷标枫由机械支架、升降气缸、同步 轮、同步编码器、喷标头、喷标控制器等组成。原w m b p s 系统喷标工位的下料装置传动方 式为辊道传送，改造后下料装置采用采用链传动方式，链条上有v 型支撑架，用于支撑钢 管。链传动示意图如图2 7 。 糌鱼 图2 7 喷标工位链传动示意图 采用辊道传送方式时，辊道会在钢管的两侧留下两道痕迹，在涂漆工位上就会出现涂 漆不均匀的缺点。采用链传动以后，管子外表面的质量得到了保证。 喷标工位示意图见图2 8 第1 1 页 图2 8 喷标工位示意图 p l c 检测到钢管到达喷标头下方以后，控制喷标气缸下降，带动同步轮压住钢管。当钢 管直线运动时，同步轮在钢管表面上滚动，同步轮驱动同步编码器旋转。喷标控制器接收到 同步编码器信号后，可确定钢管的位置。喷标控制器根据编码器信号和要喷印的字符，控制 喷标头和泵柜工作。泵柜通过加压，向喷标头提供油漆和清洗剂。只有钢管移动时，喷标 头才在钢管表面上喷出字符。字符喷标工作完成后，气缸带动喷标头上升，喷标过程完成。 喷标采用日本m a r k t e c 公司p j 一1 喷标产品。p j - 1 使用专用油漆进行喷字，字符色彩与 母材反差强烈，母材质地完全被字符漆点遮盖。喷标后字符不易褪色和脱落，抗环境能力极 强。油漆颜色包括标准色白色、黑色和红色。p j 一1 在喷标中也使用清洗剂，以防止油漆堵 塞。 p j l 在喷印标准字符时，可以实现1 2 0 m 分的高速印字。p j 一1 由喷标头、喷标控制器、 泵柜以及相互连接用的配管、电缆所组成。图2 9 是喷标头、喷标控制器和泵柜的实物图。 喷标头喷标控制器泵柜 图2 9 喷标头、喷标控制器和泵柜实物图 2 5 电气设备总体设计 第1 2 页 ( t 打标m p 3 1 头0 0 ) l | 际赢 ( ) l 啼标婆 打标控制器 e t 2 0 0 m ( d p 4 ) 喷标控制器 e t 2 0 0 m ( d p 3 ) p l c 编程p c c p 5 6 1 1 ( m p i m p i s 7 3 0 0 p l c 主站 ( d p 2 ) 黔 二级v e x 计算机 r s 4 2 2 称重- - 次仪表 1 r s 2 3 2 c p l l 4 c p 5 6 1 1s i m e n s ( d p i ) lp c p r o f i b u s 总线 操作台( p b # 3 ) io 叫操作台( p b 9 2 ) 测长模块 图2 1 0 电气控制设备示意图 w m b p s 系统电气控制设备由s 7 3 0 0 p l c 控制系统、p l c 编程p c 、s i m e m sp c 机、打标 控制器、喷标控制器、称重二次仪表等组成，见图2 1 0 。w m b p s 控制系统采用上位机和 p i _ c 共同工作方式。上位机负责称重、打标和喷标信息的传送，p l c 贝i j 负责具体的工作过 程。 p l c 控制系统包括一个s 7 _ 3 0 0 p l c 主站和两个e i r 0 0 m 从站。每个站点之间通过 p r o f m u s 总线连接。p r o f i b u s 现场总线通讯具有信号传输距离远、传输速度快、信号稳 定等特点。p r o f i b u s 总线采用的波特率为1 5 m b p s ，模式为d p 模式。 p l c 系统主站由1 个p s3 0 71 0 a 的电源模块、1 个c p u 3 1 5 - 2 d p 的c p u 模块、4 个d 1 1 6 2 4 v 输入模块、2 + d 0 1 6 2 4 v 0 5 a 输出模块和一个高速计数模块f m 3 5 0 1 组成；从站1 由1 个p s3 0 75 a 的电源模块、3 + d 1 1 6 x 2 4 v 输入模块和2 个d 0 1 6 2 4 v 0 5 a 输出模块组成；从 站2 f 1 3 1 个p s3 0 75 a 的电源模块、2 + d 1 1 6 x 2 4 v 输入模块和2 个d 0 1 6 2 4 v 0 5 a 输出模块组 成。 p l c 编程p c 机安装有s t e p 7 编程软件，可以与p l c 进行m p i 方式的通讯，m p i 通讯的波 特率为1 8 7 5 k b p s 。编程p c 机可以在线写入p l c 程序，也可以在线监控p l c 的运行。 s i m e m sp c 机为西门子工控机，具有稳定可靠的特点。s d 以e n s 工控机内装有w i n c c 组态软件，用于系统的监控。工控机上安装有c p 5 6 1 1 卡，采用p r o f i b u s 总线与s 7 3 0 0 p l c 进行通信。在工控机上安装有m o x a c p l l 4 口扩展卡，所有与其他设备的通讯都 通过工控机的串口或串口扩展卡来完成。c p l l 4 卡具有四个串口扩展口，分别设置成2 个 r s 2 3 2 口，一个r s 4 8 5 口与一个r s 4 2 2 d 。上位机采用r s 2 3 2 与称重二次仪表进行通讯，采用 第1 3 页 逝堑盔堂亟望些途塞 r s 2 3 2 与喷标控制器进行通讯，采用r s 4 8 5 与打标控制器进行通讯，采用r s 4 2 2 与二级v e x 机进行通讯。上位机的打印并口用于连接台打印机，用来打印钢管的信息。 二级v e x 机是早期的服务器，负责数据的采集与处理。由于工艺要求，w m b p s 系统改 造后保留了二级v e x 机。 称重二次仪表采用瑞士m e t r l e rt o l e d o 的称重产品，具有抗干扰、稳定性高等特 点。 w m b p s 系统只是生厂中的一个环节，它与生厂线上的其它系统也有信号接口。比如与 控制下料链条装置的p l c 系统的通讯等。 2 6 w m b p s 软件系统设计 w m b p s 软件系统组成示意图见图2 1 。 图2 1 2w m b p s 系统软件组成 w m b p s 软件系统由p l c 程序和上位机程序组成。p l c 程序和上位机程进行相互协调， 共同控制w m b p s 系统的运行。p l c 程序主要负责底层的工作，而上位机程序则主要负责协 调工作。从图2 1 中，我们知道上位机程序分成三部分，这三部分程序是w n c c 程序，控制 程序和数据库程序。之所以需要把上位机软件设计成三部分，主要是由w i n c c 的特性决定 的。 上位机程序是基于西门子公司的w i n c c 技术开发的，w i n c c ( w i n d o w sc o n t r o l c e n t e r ) 是西门子公司委托微软公司开发的一套组态软件，主要用于在标准p c 和 w i n d o w sn t 环境下实现l 硼( 人机界面) 的功能。w i n c c 可以很方便地与西门子s 7 系列 p l c 实现通讯，并可以设计人机操作界面。它内带有一套标准a n s ic 编译系统，具有方便 灵活的特点。但是w i n c c 也存在着一些弱项，如在串口通讯、复杂报表设计等方面存在不 足。为了弥补w 矾c c 的弱项，我们利用了w i n c c 可以调用动态链接库( d l l ) 的功能，将 控制程序和数据库程序从w i n c c 中独立出来。控制程序采用了c + + b u i l d e r 5 0 进行开 发，并制做成动态链接库( d l l ) 型式，供w i n c c 程序调用。数据库程序则利用d e l p h i 6 0 的强大方便的数据库功能进行设计。 在上位机软件正常运行的情况下，只有w i n c c 程序和数据库程序具有操作界面。 w i n c c 程序负责主操作界面，处于前台工作，而数据库程序负责数据库操作界面，处于后 第1 4 页 堑婆盔堂亟圭望些途塞 台工作。当用户需要对数据库进行操作，数据库程序可以切换到前台进行工作。控制程序由 于采用了d u 苈式，已经完全溶于w i n c c 程序之中，因此控制程序无需界面。 p l c 程序和上位机程序所实现的功能大部分相互有联系，所以我们就按照各工位来介绍 两者的作用。 ( 1 ) 测长工位 o p l c 程序负责钢管的具体测长过程。当钢管在挡住0 号基准光电管的瞬间，p l c 程 序记录4 3 对测长光电传感器的通断状态和测长编码器的计数值并保持，最后将钢管对齐。 上位机程序负责钢管长度的具体计算过程。上位机程序在自动流程中检测到p l c 完 成测长后，读取4 3 对测长光电传感器的通断状态和测长编码器的计数值。上位机程序根据 这些数据和一些已知系统参数，就可以计算出钢管的长度值。 ( 2 ) 称重工位 p l c 程序负责通知上位机程序称重工位钢管到位信号。 上位机程序负责钢管重量的读取。当上位机程序检测到称重工位有钢管的时候， 上位机程序就与称重二次仪表进行r s 2 3 2 通讯，读取重量值。 ( 3 ) 空工位 p l c 程序和上位机程序均不对钢管作任何处理。 ( 4 ) 打标工位 p u ：程序负责钢管的具体打标过程。p l c 程序在检测到上位机完成了相应的工作后， 才开始打标工作。 上位机程序负责发送钢管的打标信息。当钢管在打标工位时，上位机程序发送对应 的打标信息给打标控制器，并将打标工位钢管属性发送给p l c 。p l c 需要根据钢管属性来判 断钢管是否要打标。 ( 5 ) 喷标工位 p “耀序负责钢管的具体喷标过程。p l c 程序在检测到上位机完成了相应的工作后， 才开始相应的喷标工作。 上位机程序负责发送钢管的喷标信息。当钢管在喷标工位时，上位机程序发送对应 的喷标信息给喷标控制器，并将喷标工位钢管属性发送给p l c 。p l c 需要根据钢管属性来判 断钢管是否要喷标。 除了在上述各工位的作用外，p u 耀序和上位程序还分别完成一些其它的功能。分别描 述如下： ( 1 ) p l c _ 程序的其他功能： 负责步进梁的移位 在上位机允许信号下，p l c 可以移动步进梁，将钢管从一个工位搬移到下一个工位，进 行一轮新的循环。 负责与其他p 段：系统的信息传送 第1 5 页 逝选盔堂亟生些迨塞 由于w m b p s 系统只是生产线中的一个环节，所以必须要有与外界系统交换信息的能 力。比如说给涂漆工位的p l c 提供钢管的属性，以控制涂漆工位是否要进行涂漆工作。另 外，由于下料链条是由其他系统的p l c 所控制的，所以还必须要给出允许下料链条动作的信 号。 负责整个w m b p s 系统的保护 w m b p s 系统的保护完全由p l c 程序负责。当p l c 程序检测到系统故障后，需要自动报 警并启动保护程序，以保护w m b p s 系统的硬件设备不被损坏。 手动功能 除了自动功能以外，p l c 程序还要考虑到故障恢复措施。在自动运行出现故障后，p l c 程序能够利用手动功能，修复故障，以便重新达到自动运行的要求。 ( 2 ) 上位机程序的其他功能： 负责钢管数据采集 w m b p s 系统每过一根钢管，上位机程序测出钢管的长度和重量，将钢管的信息保存到 数据库中，并将钢管的参数信息在打印机上打印出来。 传送钢管数据n - 级v e x 机 原w m b p s 系统中，数据的采集工作是e h - - 级i x 机完成的。二级v v x 机是- - 种t l 较古 老的服务器。改造系统虽然实现了上位机的数据采集与保存，但是根据生产工艺，我们还是 要求保留二级v e x 机。w m b p s 系统在完成了数据采集工作以后，通过r s 4 2 2 通讯将钢管数 据信息传送到二级v e x 机上。 数据库管理 上位机软件还负责数据库管理工作，能实现数据的查询、修改、添加等功能。上位机 软件还负责打印出各种报表。 通讯检测 上位机软件要跟打标控制器、喷标控制器、称重二次仪表、p l c 、二级v e x 机进行通 讯，检测这些通讯到底是否有错误由上位机软件负责。如果通讯出现错误，上位机软件必须 要检测出来。但是，上位机软件同样需要避免通讯的误报警。 上位机软件的功能是由三部分程序共同来完成的，上位机软件三部分程序的功能分块 图如下： 第1 6 页 塑堑丕堂亟望些迨塞 图2 1 3 上位机软件程序功能分块图 2 7 w m b p s 系统测试软件设计 软件测试在软件开发中具有非常重要的作用。w m b p s 系统测试软件的主要作用是对 w m b p s 系统的软件进行各种测试，以实现w m b p s 软件系统的稳定性和可靠性。p l c 程序 和上位机程序是w m b p s 系统正常工作时的必要软件。测试软件用于调试p l c 程序和上位机 程序，它是软件调试成功的根本保证。 在w m b p s 系统软件的开发过程中，我们主要使用了三个测试软件进行系统的测试。 ( 1 ) 共享内存监控程序 ( 2 ) p l c 程序的上位机模拟程序 ( 3 ) p l c 仿真程序 这三部分测试程序是在不同的阶段，为实现不同的功能而设计的。具体情况可以参照 第五章的软件测试一节，以下仅简单地说明一个这三个程序的功能。 ( 1 ) 共享内存监控程序是在程序设计的初期进行规划和设计的，它与w m b p s 软件系统是 同步开发的，它的主要作用如下： 监视w i n c c 程序与控制程序的接口。 监控数据库程序与控制程序的接口。 监控w i n c c 程序与眦程序的接口。 监控各程序的相关数据。 ( 2 ) p l c 程- 序的上位机模拟程序是在上位机各程序基本完成时开发的，它的的主要作用