滑块厚度综合检测平台控制系统软件部分开题报告

南 京 理 工 大 学 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 学 号： 专 业 ： 测控技术与仪器 设计 (论文 )题目 ： 滑块厚度综合检测平台 控制系统软件部分 指 导 教 师 : 2005 年 4 月 2 日 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2开题报告内容 必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 15篇（不包括辞典、手册）； 4 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2004 年 3 月 15 日”或“ 2004-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 滑块是空气压缩机及空调中的一个关键性部件，其几何尺寸、表面粗糙度、形位公差等精度的高低，严重影响空调的制冷制热效果的好坏。如今随着市场对空调及空气压缩机的需求的扩大，对滑块的需求量也越来越大，精度要求也越来越高。目前，在加工生产后，主要依靠人工检测的方法，对滑块是否合格进行检验。 由于检测精度很高，检测成为制约生产的关键性一环。人工检测的方法存在检测速度慢、效率低、 人为因素影响大等问题，为此，由宁波市科技局与南京理工大学合作研制了这套滑块自动化检测系统。本课题主要是针对滑块厚度进行检测。 本文主要介绍滑块厚度检测综合检测平台的控制系统，以西门子公司 S7-200 系列PLC 和工业控制计算机为核心，将 PLC 驱动能力强、高可靠性、优良的性价比、使用方便等特点与工业控制计算机数据处理能力强、人机界面友好、管理水平高的特点结合起来，构成了滑块厚度综合检测平台测控系统，实现了滑块厚度检测和分类全过程的自动化，提高了工厂生产的自动化水平，取得了良好的经济效益。 1、 PLC 的应用状况 可编程控制器 (PLC)是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它将计算机技术、自动控制技术和通讯技术融为一体，成为实现单机、车间、工厂自动化的核心设备。 PLC 的控制功能由简单的逻辑控制、顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制，并将微机的数据处理能力强和网络通信能力也集成在一起，成为自动化领域的三大技术支柱 (PLC、机器人、 CAD/CAM)之一 1。 随着微电子技术的发展， PLC 的功能更加完善和丰富，但成本却在下降。目前在国内外， PLC 已广泛应用于钢铁、采矿、建筑、石油、化工、电力、机械制造、汽车 、纺织、环保和娱乐等行业 16。 在工业自动化应用方面，广泛使用 PLC 实现运动控制、过程控制、顺序控制、数据处理和与其它智能控制设备组成分布式控制系统的通信网络。在现场控制领域， PLC以其抗干扰能力强、可靠性高、结构简单和通用性强的特点，广泛用于实现生产过程的 自动化。 在机电系统中， PLC 作为底层控制命令的执行者，执行管理层的命令。尤其是在工业生产过程中，控制驱动系统比如：电机控制，具有控制精确性高、使用方便的优点。例如：有的使用 PLC 对机床主轴实现脉动定位控制，实质是对电动机进行脉动控制。通过使电动机的 转速稳定在一个较低的平均速度下实现主轴定位，大大提高了定位系统的可靠性，取得很好的定位效果 19。有的以交流异步电动机的 PLC 逻辑控制、位置控制、过程控制、变频控制、数据处理和数据通信的典型应用实例，阐述了 PLC 在交流异步电动机自动化控制领域的广泛应用和重要作用 20。有的使用 PLC对三相异步电机进行控制，提高了可靠性，减小了控制电路的体积 21。 还有很多文章是基于 PLC 的计算机集散控制系统 22。计算机集散控制系统 (简称DCS)， DCS 以其分散控制、集中监控的独特优势迅速得到了企业界的认可，并得 以大规模的推广应用。 DCS 采用分级递阶结构，即从系统工程出发，考虑功能分散、危险分散、提高可靠性、强化系统应用灵活性、减少设备的复杂性与投资成本。尤其在一些流程工业复杂控制对象的控制中，计算机集散控制系统的作用十分明显。利用 PLC 构成集散控制系统，将计算机管理能力强的优点与 PLC 成本低、控制功能强的特点结合起来，取得了良好的效果。 将 PLC 应用于生产过程的监控，也是 PLC 的重要应用之一 23。运用计算机控制技术与 PLC 和回路调节器相配合，按照工艺流程的要求，对整个生产线中的各种电机、阀门等开关和温度、压力 、液位等模拟量进行检测控制。用计算机对生产工序进行自动监控和管理提高了企业的生产管理水平和竞争能力。 在本项目中， PLC 作为直接的控制命令执行者，不但要对系统运行过程中的各种状态进行检测，还要精确控制后级分料机构的电机的输出相位。因此、这就需要对 PLC的输出进行编程。在 Simens 公司生产的 S7-200 系列小型 PLC 中，专门集成了针对步进电机的控制方式 PTO（高速脉冲输出）。这样，只需要用户软件编程就实现了对步进电机的精确控制，大大简化硬件电路的构成 24。 2、项目概况 滑块厚度综合检测平台主要由自 动检测平台、分类机构和控制部分三部分组成。滑块的测量和数据处理在上位机完成，控制系统主要完成滑块的传送和分类。本测控系统是基于微机 -PLC 模式构成的一个集散控制系统。一般来说，集散控制系统可分为三层。 顶层管理层，其任务是实现对整个系统的管理工作。中间层为集中监控层，其任务是实现对整个系统的监视、控制、调度等工作。底层是分散执行层。其任务是完成局部的控制工作。在本系统中，工控机作为监控管理层承担了顶层和中间层的任务； PLC 作为控制执行层，承担底层控制任务。工控机把管理决策、控制任务、控制参数和调度命令通过通信 电缆传送给控制层 PLC， PLC 也要通过电缆把控制过程的参数、控制进程和控制数据传送给管理层。 控制系统的上位机软件设计采用面向对象的 windows 应用程序，用 Bland C+编译器编写，可在 Windows 98/2000/xp 下运行，具有很好的可扩充性、可维护性和可靠性。PLC 的控制软件采用 STEP7-Micro/WIN32 编程软件编写。 STEP7-Micro/WIN32 编程软件是基于 Windows 的应用软件，由西门子公司专门为 S7-200 系列可编程控制器设计开发。它功能强大，主要为用户开发程序使用， 同时也可以实时监控程序的执行状态。 本系统经加工、安装、调试证明系统设计合理，具有适应性强、智能化自动化程度高、移植性通用性强的特点，并且软件采用模块化设计，通过软件升级可实现多台测量平台的网络化，构成网络化测控系统，具有很高的升级空间。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 1. 滑块厚度综合检测平台的总体设计 滑块厚度综合检测平台主要由自动检测平台、分类机构和控制部分三部分组成。本测控系统是基于微机 -PLC 模式 构成的一个集散控制系统。在本系统中，工控机作为监控管理层承担了顶层和中间层的任务； PLC 作为控制执行层，承担底层控制任务。工控机把管理决策、控制任务、控制参数和调度命令通过通信电缆传送给控制层 PLC， PLC也要通过电缆把控制过程的参数、控制进程和控制数据传送给管理层。整个系统的功能框图如图 1 所示。 图 1 系统整体结构 1.1 自动检测平台 自动检测平台由测量平台和传动机构组成。测量平台是滑块几何量测量的基准，其精度远高于滑块的精度。滑块测量过程中，相对于工作台作滑动运动。为保证传送过程中的平稳性，避免传动机构的震动引入附加的测量误差，造成测量结果的失真。传动测量机构采用了分体结构的设计，将测量工作台与传动机构分离，从而大大减少了传动机构对测量过程的影响。滑块的每一表面要测量两对角线上五个点（中心交叉处可看作一个）。因此，滑块在运动中不但要做 90 度旋转，还要翻转 180 度。通过在测量平台上刻画合适的曲线使滑块能够按照预先设定的轨迹作适当的角度旋转。滑块的 180 度翻转，则通过设计流水线的空间结构来实现。 1.2 分类机构 滑块通过一个滑道传送至分类机构。分类机构由 PLC 依据接收到的分类信息控制步进电机旋转相应的角度，将滑块分类出去。 PLC 对电机的控制是通过 PTO（高速脉冲串PC/PPI 控制信号 分类 /控制信号 状态信息 脉冲输出控制 传感器信号 测量工作平台 工 控 机 RS-232 PLC RS485 分类控制系统 电机 1 电机 2 状态信息 输出）的方式。 PTO 方式中，可输出多个脉冲串，并允许脉冲串排队，以形成管线。依据管线的实现方式分为单段管线和多段管线。本系统中采用多段管线的方式，通过在变量存储区建立包络表的方式，控制输出脉冲的周期和脉冲数，从而达到对步进电机的速度和转动角度精确控制的目的。 在分类的过程中， PLC 通过对安装在系统中的感应开关来判断分类过程中的各种状态。如：滑块到达、定位信号、分类完成等等。如果发现非正常状态，则向工控机发出相应的报警信号告知工作 人员，以方便排除故障。 1.3 控制部分 控制部分是以 PLC 为控制核心，通过与工控机的通信，执行工控机的命令。在工控机与 PLC 接口时，由于 PLC 采用的是 RS-485 标准与工控机 RS-232 标准不兼容，必须通过 PC/PPI 电缆进行转接。工控机是整个系统的管理者，控制测量传感器测量流水线上滑块的几何参量，并通过计算得出滑块分类信息。 PLC 是整个系统的控制执行核心，主要完成系统驱动控制、状态检测、命令执行等功能。 PLC 通过接收工控机的分类信息和控制信息控制分类机构和传动机构的运行。 2、 控制系统的总体设计 2.1 系统的 控制要求 为使整个系统完成滑块的检测、传送和正确分类，要求系统应完成如下功能： (1)能完成滑块在流水线上稳定传送，保证滑块在流水线上按进入流水线的先后形成的队列传送，并且要充分保证队列的有序性和完整性。 (2)前级传动机构的速度不应快于后级分类机构，且至少应保证在分类机构没有完成分类时，没有滑块进入分类机构。 (3)保证分类机构能够自动复位，当步进电机失步时，分类机构能够自动复位。 (4)当出现有多于一个滑块进入分类机构时，要告知工作人员系统故障，同时，能判断分类电机的工作是否正常，输出角位移是否正确。 (5)系统应有一定的容错能力，当出现一般性错误时，系统能够自我修复，不影响系统的正常工作。当出现严重错误时，能够提示错误的可能种类或者故障的大致方位。 2.2 控制系统的工作原理 控制系统主要是由 PLC 为中心的电机驱动部分、通信部分、状态检测部分和报警部分组成。控制系统框图如图 2。 2.2.1 步进电机与驱动部分 步进电动机是将 PLC 输出的电脉冲转换成与电脉冲成正比的角位移或直线位移的执行元件。前级传动部分步进电机主要完成流水线的速度控制，后级分类机构则要精确控制步进电机的输出角位移和方向。步进电机在运 行时可能会出现失步现象，可在后级增加光电编码器对电动机的输出相位做出控制，以确保与实际的输出相一致。后级分类电机采用正转反转定位的方式，以消除电机的累计误差，保证电动机每次都从零位置起输出一定的角度。 图 2 控制系统 2.2.2 状态检测及报警设计 通过安装在系统各个位置的感应开关判断系统运行过程中的状态，是否与已设定的状态一致。当出现异常时，系统应发出警报。报警方式设计为声光报警的方式，依据错误的严重性而不同。 2.2.3 PLC 与上位机的通信 PLC 与上位机的通信通过对 PLC 的通信口编程来 实现，主要包括波特率、校验位、数据帧的长度等的统一。在本系统中，通信协议充分考虑了各种情况，将各种状态分别编码。数据帧的长度定义为一个字节，其高两位为 A7A6 特征位， A7A6=00 时，表示为正常分类状态； A7A6=01：表示为控制代码； A7A6=10：错误种类； A7A6=11：备用。 3、 系统的软件设计 上位机软件采用面向对象的 windows 应用程序，用 Bland C+编译器编写，具有精美的人机交互界面和多级菜单设计，操作十分简单。可在 windows 98/2000/xp 下运行，具有很好的可扩充性、可维护性和 可靠性。 PLC 的控制软件采用 STEP7-Micro/WIN32 编程软件编写。 STEP7-Micro/WIN32 编程软件是基于 Windows 的应用软件，由西门子公司专门为 S7-200 系列可编程控制器设计开发。它功能强大，主要为用户开发程序使用，同方向控制 PC/PPI I0.2I1.7 I0.0 I0.1 Input PLC 226 Output Q0.5 Q0.2 Q 0.1 Q0.0 电机驱动器 电机 1 电机驱动器 电机 2 报警指示 状态检测传感器 手动输入控 制 通信口 PC N N Y Y N Y N 启动电机 2进行复位 Y N Y 系统初始化，自检正常 启动传送电机 1 传感 I8 是否有信号？ 查询分类号，并启动电机2 旋转 i 角度。 Q4失电，弹出滑块。 电机 反转 i，复位。 结束 I2.0=1? I1.7=1? 滑块堆积报警 分类接收传感器 i是否收到？ 停机？ 电机 1 停机 电机 1 停机 分类错误报警 时也可以实时监控程序的执行状态。上位机软件和 PLC 控制软件通过定义统一的通信协议完成双方的信息交换、状态指示等。 2.1 PLC 主控软件设计 PLC 控制软件结构上可分为主程序 Main、正 常 分 类 程 序 Micro_Sort 、 自 动 复 位 程Auto_Reset、中断处理程序 Interrupt、初始化程序 Ini_Install 和 错 误 及 故 障 处 理 程 序Error_Dispose 等。各子程序统一由主程序依据工控机或外部命令决定其是否被调用。其主要控制流程框图如图 3 所示。 系统上电后，首先调用初始化程序完成对整个系统的初始化及各感应开关的扫描，并依此判断系统状态是否正常。如否，则向工控及发出初始化失败信息，并等待操作人员处理；如正常，则在初始化完成后，向工控机发出准备就绪信号，工控机收到后，启动系统工作。工作过程中，PLC 不断扫描各感应开关，监控整个系统的工作状态，当有滑块到达分类机构依据工 控机发出的分 图 3 控制流程框图 类信号，控制分类机构将滑块分类出去。由于多个分类的存在，可能出现因电机失步而导致误分类。因此，在弹出滑块后， PLC 要依据分类信息和收到的分类完成信号，判断他们是否一致。如一致，则表明分类正确；否则应报警，告知分类错误，同时中止系统的运行