（机械工程专业论文）锌锭自动堆码生产线控制系统设计研究.pdf

摘要 锭垛堆码过程过去均由人工完成，工人的劳动强度极大，生产效率低，堆 码质量不高，经常影响捆扎质量，在运输途中散包造成损失。作者针对韶关冶 炼厂锌锭堆码生产过程的实际情况和堆垛要求，确定了堆垛方式，并在总结前 人经验的基础上，将可编程控制器、光机电液技术等相结合，对主要包括生产 线机械组成部分、液压系统和计算机控制系统等三大部分的锌锭自动堆码生产 线进行了如下研究工作： ( 1 ) 设计了一个采用液压传动方式替代许多需要由复杂机构组成的机构传动方 式的高精度、高性能以及运行准确可靠、维护方便的锌锭自动堆码生产线液压 系统； ( 2 ) 采用光电式传感器对锌锭自动堆码生产线中各运动件的运动参数( 指行程、 速度) 和位置进行检测，这不仅有效延长了使检测开关的寿命，而且大大减少了 生产线故障率； ( 3 ) 对反映液压系统油压的压力传感器进行了二传感器信息融合，结果表明， 二传感器信息融合对消除液压系统压力传感器在运行过程中受其它因素干扰的 影响十分有效； ( 4 ) 采用p l c 控制，极大地简化了液压系统，为锌锭自动堆码生产线自动化水 平的提高奠定了坚实的基础。 锌锭自动堆码生产线在韶关冶炼厂上线以后的使用情况表明，锌锭自动堆 码生产线各项性能指标均达到设计要求，在很大程度上提高了锌锭堆码过程的 自动化水平，大大降低了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，并使锌锭堆码 生产线的长周期稳定运行得到了保证，同时也大大减少了生产线维护的成本， 是一条自动化程度很高的锌锭自动堆码生产线，因此，论文的研究和开发设计 具有重要的推广应用价值。 关键词锌锭自动堆码生产线；可编程控制器；信息融合；光电传感器 a b s t r a c t b e f o r et h ez i n ca u t o m a t i cs t a c k i n gp r o d u c t i o nl i n ew a sd e v e l o p e d ，t h ew o r k so fz i n cs t a c k i n g p r o d u c t i o nu s e dt ob ea c c o m p l i s h e db ys o m ew o r k e r s ，w h i c hh a dc a u s e dm a n yp r o b l e m ss u c ha st h e b i gl a b o ri n t e n s i t yf o rt h ew o r k e r s ，l o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , l o wq u a l i t yo fs t a c k i n gp r o d u c t i o n t h a to f t e ni m p a c t e do nq u a l i t yo f p a c k i n gp r o d u c t i o na n dl e dt ol o o s i n gp r o d u c t i o ni nt r a f f i c i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so fz i n cs t a c k i n gp r o d u c t i o n ，b a s e do ni t sf a c t u a lc a s e sa n d s u m m a r i z i n gs o m ee x p e r i e n c e s ，az i n ca u t o m a t i cs t a c k i n gp r o d u c t i o nl i n ei n c l u d i n gt h r e em a i n s u b s y s t e m ss u c h a sm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o na n dc o m p u t e ra u t o m a t i c c o n t r o l l i n gh a sb e e nd e v e l o p e dd u et op r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，h 3 ，d r a u l i ct r a n s m i s s i o n t e c h n i q u ea n do p t o e l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t ，t h em a i na c h i e v e m e n t sa n di n n o v a t i o n so f t h ep a p e ra r e e x p r e s s e d a s ： ( 1 ) ah y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m o fz i n ca u t o m a t i c s t a c k i n gp r o d u c t i o n l i n e 谢t 1 1s u c h c h a r a c t e r i s t i c sa sh i g hp r e c i s i o n ，h i g hc a p a b i l i t y , g o o dc r e d i b i l i t ya n dc o m m o d i o u sm a i n t e n a n c e w a sd e s i g n e db yu s i n go ff l u i dd r i v ew a ys u b s t i t u t i n gm e c h a n i s md r i v ew a yt h a tc o n s i s to fm a n y c o m p l i c a t e dm e c h a n i s m ； ( 2 ) s o m em o v e m e n ta n dp l a c ep a r a m e t e r ss u c ha sd i s t a n c eo fm o v e m e n ta n dv e l o c i t yo fm o t i v e m e c h a n i s m si nt h ez i n ca u t o m a t i cs t a c k i n gp r o d u c t i o nl i n ew e r em e a s u r e db ys o m eo p t o - e l e c t r i c a l t r a n s d u c e r s ，w h i c hh a dp r o l o n g e da v a i l a b l ys e r v i c el i v e so ft h eo p t o e l e c t r i c a lt r a n s d u c e r sa n d r e d u c e df a u l tr a t eo f t h el i n el a r g e l y ； ( 3 ) i no r d e rt oa v o i do t h e rf a c t o r si n t e r f e r i n go u t p u ti n f o r m a t i o no fp r e s s u r es e n s o r si n t h e h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mi nz i n ca u t o m a t i cs t o c k i n gp r o d u c t i o nl i n e ，o u t p u ti n f o r m a t i o nf r o ms o m e d o u b l es e n s o r ss u c ha sp r e s s u r es e n s o r sw e r ef u s e d a n dt h e i rf u s i o ne f f e c t sw e r ev e r yg o o d ； ( 4 ) t h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mw a ss i m p l i f i e db yu s i n go fp l cc o n t r o l ，w h i c hw a sv e r yu s e f u l f o re n h a n c i n ga u t o m a t i o nl e v e lo f z i n ca u t o m a t i cs t o c k i n gp r o d u c t i o nl i n e t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t so ft h ez i n ca u t o m a t i cs t o c k i n gp r o d u c t i o nl i n er e v e a lt h a td e s i g nn e e d s o fi t sc a p a b i l i t yi n d e x e sw e r es a t i s f i e d i t sa u t o m a t i o nl e v e la n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yw e r e e n h a n c e da n di t sl o n gs t a b i l i z a t i o no p e r a t i o nw a se n s u r e d m o r e o v e r , t h em a i n t e n a n c ec o s to ft h e z i n ca u t o m a t i c s t o c k i n gp r o d u c t i o nl i n ew i t hh i g h a u t o m a t i o nl e v e lw a sd e c r e a s e dl a r g e l y t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hi nt h ep a p e ri so fs i g n i f i c a n tg e n e r a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o n v a l u e k e y w o r d sz i n ca u t o m a t i cs t a c k i n gp r o d u c t i o nl i n e ；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 i n f o r m a t i o nf u s i o n ；o p t o e l e c t r i c a lt r a n s d u c e r 中南大学2 0 0 6 年工程硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在经济全球化的今天，中国锌市场随着中国入世而全面融入国际市场，世界锌市场的 变化及国际锌冶金形势的发展对中国锌工业企业有着巨大影响，因此，中国锌工业企业将 面临着前所未有的十分严峻的挑战。对于中国锌工业企业来说，提高产品竞争力除了应该 满足用户对产品质量的要求之外，降低工人的劳动强度，提高锌锭堆码生产率与堆码质量 减少生产线维护的成本和劳动强度也是十分关键因素之一。为此，针对现有工艺流程、生 产设备的情况下，利用可编程控制器、机电控制技术、液压技术以及光电检测技术等相结 合，采用锌锭自动堆码生产线来取代锌锭人工堆码过程，是目前锌冶金企业最为关注并亟 待解决的问题。 1 1 工业过程计算机控制概述 工业生产规模的不断扩大和生产工艺的日益复杂，对生产过程的自动控制提出了越来 越高的要求，不但要求自动控制系统有优越的控制性能、良好的性能价格比、良好的可维 护性等，还要求高可靠性，灵活的构成方式和简易的操作方法。在对以上目标的追求中， 生产过程自动控制技术得到了不断的发展。 近年来，随着计算机技术、超大规模集成电路技术、网络通信技术的进步，工业控制 已逐步从单机监控、直接数字控制发展到以新型工业控制网络、智能化仪表和控制器为主 要支撑技术的，过程自动化与信息管理自动化相结合的计算机综合型控制系统，其本质是 利用计算机技术对生产过程进行监视、操作和管理。 2 0 世纪7 0 年代以来，微型机和微处理器的迅猛发展，为计算机控制系统的发展创造了 有利的条件。如果不考虑以微机为核心的单独的智能装置，把讨论的范围限制于具有一定 规模的控制系统，例如一个具有大量输入输出量和受控设备的过程控制系统，那么从控制 系统的角度来讲，计算机控制系统也经历了如下几个阶段i l - 2 】： ( 1 ) 直接数字控制( d d c d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 系统：( 2 ) 分散控制系统( d c s d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) ； ( 3 ) 现场总线控制系统( f c s f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。 现场总线控制系统本质上仍然属于d c s 系统，只不过是把分散化的思想推进到系统的 底层和末端。 这种控制系统的两个关键性特点是：( 1 ) 一种具有高可靠性、高实时性的通信网络， 即现场总线；( 2 ) 网络通信和智能化达到系统的底层，即系统中的传感器和执行器都是智 能化的，并且能在现场总线上与系统中其它部分交换数据的节点( n o d e ) 。 系统中每个节点都可独立履行本身既定的任务，并以拓扑上平等的地位在现场总线上 中南大学2 0 0 6 年工程硕士学位论文第一章绪论 进行通信，一个节点的出错不至影响其他节点的工作乃至导致系统的崩溃。这种系统体系 导致可靠性的巨大提高和建设成本的下降，具有良好的发展前景。 目前在过程控制系统的设计中应该采用分散控制的思想已是不争的事实。但是从控制 系统中采用的主要控制器来说，则可以有以可编程逻辑控制器( p l c ) 为中心，或以工业计算 机( i p c ) 为中心的区别。这两种控制器都可以形成具有一定规模的分散式过程控制系统，但 是在工作原理、设计方法和手段上有较大的区别。在人们习惯上约定俗成地将以i p c 为中 心的分散控制系统称为d c s l 2 。3 1 。 依据被控制过程的特点，可将其控制策略分为顺序控制和连续控制两类。顺序控制系 统可以以电梯的控制系统为代表，而化工过程则一般具有连续控制的特点。但实际上大多 数工业过程控制系统兼具顺序性控制和连续性控制两种特点。 在计算机控制系统的发展过程中，控制装置和系统的研究者围绕顺序控制和连续控制 分别开发了两类具有明显特色的工控产品。可编程控制器( p l c 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 0 在一开始就是为了解决顺序控制问题而开发的，而基于工业控制计算机0 p c i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e 0 的集散控制系统( d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y a e m ) 则是为解决连 续控制问题而开发的典型过程控制产品。 i p c 具有普通p c 机的特点，满足大量数据快速处理的要求，其硬件结构标准化程度高， 兼容性强：在软件上资源丰富。因此，i p c 在模型复杂、计算工作量大、需要模拟量处理和 回路调节的工业对象的控制中具有一定优势，主要用在连续过程控制。在“智能与风险分 散”思想的引导和网络通信等技术的支持下，以i p c 为中心可形成集散控制系统 ( d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。 p l c 初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。在2 0 世纪6 0 年 代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每 一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新 的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工， 费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1 9 6 9 年公开 招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即： ( 1 ) 编程方便，现场可修改程序：( 2 ) 维修方便，采用模块化结构；( 3 ) 可靠性高予继 电器控制装置；( 4 ) 体积小于继电器控制装置；( 5 ) 数据可直接送入管理计算机； ( 6 ) 成本可与继电器控制装置竞争；( 7 ) 输入可以是交流1 1 5 v ；( 8 ) 输出为交流1 t 5 v ，2 a 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；( 9 ) 在扩展时，原系统只要很小变更： ( 10 ) 用户 程序存储器容量至少能扩展到4 k 。 1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 研制出第一台p l c ，在美国通用汽车自动装配线上 试用，获得了成功【6 】。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠牲商，通用 灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1 9 7 1 年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。我国从1 9 7 4 年开始研制，于1 9 7 7 2 中南大学2 0 0 6 年工程硕士学位论文 第一章绪论 年开始工业应用。 p l c 的可靠性己得到公认，其主要原因是其软件的固件化和扫描执行方式。据有关资 料统计，国外一般中小型p l c 平均无故障时间高达1 0 0 k h 。即使大型p l c 平均无故障时间 也在4 0 5 0k h 之间。因此，制造厂商认为可靠性已不存在问题。就可靠性而言，继电器、 接触器是望尘莫及的。所以在日立、西门子等产品资料中可靠性已不再是一项技术指标。 1 2 可编程控制器概述 由于可编程序控制器仍处在不断发展的发展之中，因此对它下一个确切的定义是困难 的。为了使其生产和发展标准化，美国国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 于1 9 8 2 年颁布了可编程序控制器标准草案，1 9 8 5 年提交了第二版，1 9 8 7 年的 第三版对可编程序控制器作了如下的定义1 7 j ： “可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装 置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、 计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的 机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成一 个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” 总之，可编程控制器也是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。 它具有丰富的输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某 一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控 制要求进行设计编制。 随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，p l c 在技 术和功能上发生了飞跃2 1 。在初期逻辑运算的基础上，增加了模拟量和p i d 调节等功能模 块，形成了数值运算、闭环调节。尤其是p l c 把专用的数据高速公路( h i g h w a y ) 改成通 用的网络，并逐步将p l c 之间的通信规约靠拢，使得p l c 有条件和其它各种计算机系统和 设备实现集成，以组成大型的控制系统，这使得p l c 系统具备了d c s 的形态，使得p l c 的应用拓展到连续过程控制领域，基于p l c 的d c s 系统目前在国内外都得到了广泛的应用 1 1 2 。l4 1 1 2 1 可编程序控制器的特点和优势 p l c 的主要特点可概括如下： 1 2 1 1 可靠性高 1 ) 所有的i o 接口电路均采用光电隔离 1 5 - 2 0 】，使工业现场的外电路与p l c 内部电路之 间电气上隔离：2 ) 各输入端均采用r - c 滤波器，其滤波时间常数一般为1 0 2 0 m s ；3 ) 各模块 1 中南大学2 0 0 6 年工程硕士学位论文 第一章绪论 均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；4 ) 采用性能优良的开关电源；5 ) 对采用的器件进行严格 的筛选；6 ) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，c p u 立即采取有 效措施，以防止故障扩大；7 ) 大型p l c 还可以采用由双c p u 构成冗余系统或有三c p u 构 成表决系统，使可靠性更进一步提高。 1 2 1 2 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型p l c 以外，绝大多数p l c 均采用模块 化结构1 6 - 1 8 1 。p l c 的各个部件，包括c p u 、电源、i ，0 等均采用模块化设计，由机架及电缆 将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 1 2 1 3i o 接口模块丰富 p l c 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉 冲或电位；强电或弱电等，有相应的i o 模块与工业现场的器件或设备，如：按钮；行程开 关；接近开关：传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。 另外，为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络， 它还有多种通讯联网的接口模块【2 0 】，等等。 1 2 1 4 编程简单易学 p l c 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具 备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 1 2 1 5 安装简单，维修方便 p l c 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种 设备与p l c 相应的i 0 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置， 便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用 户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 1 2 2 p l c 工作原理 当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段： ( 1 ) 输入采样 即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下一阶段使用： ( 2 ) 执行程序 然后p l c 按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结果暂时存储起来； ( 3 ) 刷新输出 按第l 阶段的蝓冬状零耷笫2 阶段执行程序中确定的结果，毒夺阶段中对输出予以刷 主壹查堂! ! 塑笙三型堡主堂些丝苎 新。 第一章绪论 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，p l c 的c p u 以一定的扫描速 度重复执行上述三个阶段。p l c 对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出分别在一个 扫描周期的不同时间，进行的方式有助于排除系统中受到的干扰。 1 2 3p l c 可编程序控制器的主要功能和应用 可编程控制器的设计思想是尽可能地利用当前先进的计算机技术去满足用户的需要 2 1 2 5 】，p l c 与继电器接触器控制电路的一个本质区别就是除了必要的与外部物理世界的接 口( 即i 0 点) 外，其它的逻辑功能均在其内部实现。这些逻辑功能不仅可以取代，而且远远 超过诸如中间继电器、时间继电器等硬件逻辑所能达到的功能，从而为p l c 在可靠性和便 利性上形成特色奠定了基础。 p l c 的功能可分类如下【2 7 】：( 1 ) 逻辑控制； ( 2 ) 定时控制；( 3 ) 计数控制； ( 4 ) 步进( 顺序) 控制：( 5 ) p i d 控制： ( 6 ) 数据控制p l c 具有数据处理能力：( 7 ) 通信和联 网：( 8 ) 其它p l c 还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模 块，c r t 模块。 1 3p l c 与其他顺序逻辑控制系统的比较 1 3 1p l c 与继电器顺序逻辑控制系统的比较 最初研制生产的p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者 的运行方式是不相同的2 “7 1 。 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电， 该继电器所有的触点( 包括其常开或常闭触点) 在继电器控制线路的那个位置上都会立即同 时动作。 p l c 的c p u 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线 圈被接通或断开，该线圈的所有触点( 包括其常开或常闭触点) 不会立即动作，必须等扫描到 该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点 的动作时间一般在l o o m s 以上，而p l c 扫描用户程序的时间一般均小于l o o m s ，因此，p l c 采用了一种不同于一般微型计算机的扫描技术，这样在对于i o 响应要求不高的场合，p l c 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 继电器顺序逻辑控制系统有大量的活动触点和元器件，只要其中任一部件或触点故障， 将造成系统的故障。另外，它的体积和重量较大，维修的工作量也较大。p l c 除必要的与 外部物理世界的接口( 即i 0 点) 外，其它的逻辑功能均在其内部实现，即简化为1 8 部的软件 逻辑。诸如中间继电器、时间继电器等硬件逻辑所能达到的功能不仅可以取代，而且性能 s 中南大学2 0 0 6 年： 程硕士学位论文第一章绪论 更为优越。由于减少大量的元件和接线，故障率和维修时间都大大降低。 1 3 2p l c 与计算机控制系统的比较 计算机控制系统是指用单片处理器或工控机组成的计算机控制系统。在可编程序控制 器发展的阶段中，单片处理器组成的计算机控制系统对顺序逻辑控制系统的发展发挥了较 大的作用。但可编程序控制器对此进行了改造。它变通用为专用，降低了成木，缩小了体 积。采用扫描方式工作，有利于顺序逻辑控制的实施。功能分散、危险分散，并适应恶劣 工业应用环境。 集散控制系统( p i s t f i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是专门为工业过程控制设计的过程控制装置。 它主要应用场合是连续量的模拟控制。而可编程序控制器的主要应用场合是开关量的逻辑 控制。 可编程序控制器是按扫描方式工作的。集散控制系统是按用户的程序指令工作的。在 集散控制系统中，可有多级优先级中断的设置，而可编程序控制器通常不采用中断方式。 在存储器的容量上，由于可编程序控制器所需的运算多是逻辑运算，因此所需的容量 较小，而集散控制系统需进行大量的数字运算，所需容量较大。但在运行过程可靠性方面， 两者都是有较高要求的。 为了扩大应用的范围，可编程序控制器正在向分散控制系统靠拢，扩展模拟量的控制 功能。同样，集散控制系统也正在扩展逻辑控制功能，出现综合集成趋势。 1 3 3l p c p l c 混合控制系统 由于计算机技术、控制技术、网络技术和通信技术的迅猛发展，各种自动化手段在发 展的同时相互影响，在今后相当长的一段时间内，d c s ，p l c 将会相互补充、相互促进、 彼此共存于一个系统之中，有人将这种系统称之为混合控制系统【2 8 “。 i p c 的应用与发展是与信息化、数字化、智能化的世界潮流密切相关的。目前p c 机占 通用计算机9 5 以上，其硬软件资源丰富、实时操作和编程语言等较好解决、搞工控的专 家和技术人员自然想赋予i p c 更高的使命，想让它在过程控制、制造自动化、楼宇自动化 等方面扮演重要角色，这是i p c 得到广泛应用的基础。因为工控机产量大、价格低，已经 为广大技术人员熟悉和认可，i p c 的技术水平和应用领域将得到更好更大的发展。 控制系统的软件是整个系统的灵魂，以往计算机控制系统的软件功能( 如实时数据库、 历史数据库、数据点的生成、图形、控制回路以及报表功能的实现) 是靠软件人员通过编程 实现的，工作量大得惊人。这样设计出来的软件通用性极差，对于每个不同的应用对象都 要重新设计或修改程序，这种方法实现的软件功能可靠性也比较低。近年来工业控制组态 软件得到了广泛的重视和迅速的发展。 中南大学2 0 0 6 年工程硕士学位论文 第一章绪论 1 4 传感技术概述 作为现代电子信息产业重要组成部分的传感技术，在现代工业生产过程和科技领域中 占有很重要的地位，几乎无所不在。可以说现代工业生产离不开现代传感技术。实际上在 现代测量与控制技术中，非电量测量与探测占很大一部分。如：机械量( 位移、速度、加速 度、力、扭矩、应变、应力、振动频率等) ，热工量( 温度，压力、流量等) ，化工量( 浓度、 成分、p h 值等) 。由于电学物理信号在传送和应用方面的明显优势，以及电子技术的飞速发 展，大多数传感器的输出信号均采用电学物理形式如电压、电流、频率等。因此，对非电 量的测量与探测都要用非电量测试技术，非电量测试技术就是用电测技术的方法去测量非 电量的物理量，其关键技术就是研究如何将非电量转换成电量的技术传感技术。 而作为非电量测试技术中的一员的光电传感技术则是集光学和电子学于一体的高新技 术，其原理是以光波作为信息的载体，在被检测的物理量作用下，光波的某些参量，如光 强、频率、位相，波长等受到调制，由光电器件接收转换成电信号的变化，进行测量和监 控。其主要特点是灵敏度高，可靠性好，非接触测量等，光电传感技术己广泛应用于生产 过程的自动调节，使被控物理量维持不变或按设置的过程变化，将被控产品按需要进行加 工。它具有耐腐蚀耐高温，抗电磁干扰，在易燃易爆环境下安全可靠，几体形状的适应性 强，可与遥测技术配合实现远距离的测控等一系列优点。在欧美的一些发达国家，光电传 感技术已被用于冶金、化工、石油、电力、建材、机械等工业部门。 1 4 1 光电传感器工作原理 光电传感器0 1 弓3 1 是光电接近开关的简称( 又叫光电开关) ，它是利用被检测物对光束 的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反 射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再 根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。其工作原理如图1 一l 所示。多数光 电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。 加调翻信号驹发射曹 几n 厂 ( a ) 发射器 电潭 中南大学2 0 0 6 年工程硕士学位论文 第章绪论 兜 ( b ) 接收器 图l - l 光电传感器工作原理图 1 4 2 光电传感器的分类 ( 1 ) 漫反射式光电传感器 如图1 2 中( a ) 所示，它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物 体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电传感器就 产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电传感器是 首选的检测模式。 叫翊= l 十十 浸反射光电开关被检测物体 ( a ) 漫反射式 小 杖检蔼物件 ( c ) 对射式 一 1 个 lf 光纤插入式接头光纤线 - 、i 槽式光屯开 f 光纤控锘i 器 ( d ) 槽式 光纤传感器被检测物体 ( e ) 光纤式 + ，。 。， 熙，j 2 光电传感器工作光线示意图 8 圊点翊k 航 中南大学2 0 0 6 年工程硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 镜反射式光电传感器 如图1 2 中( b ) 所示，它亦集发射器与接收器于一体，光电传感器发射器发出的光 线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电传感器就产生了 检测开关信号。 ( 3 ) 对射式光电传感器 如图1 2 中( c ) 所示，它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收 器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光 线时，光电传感器就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电传感器是最可 靠的检测装置。 ( 4 ) 槽式光电传感器 如图1 2 中( d ) 所示，它通常采用标准的u 字型结构，其发射器和接收器分别位于 u 型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过u 型槽且阻断光轴时，光电传感器就产 生了开关量信号。槽式光电传感器比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半 透明物体，使用安全可靠。 ( 5 ) 光纤式光电传感器 如图1 2 中( e ) 所示，它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的 被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 1 4 3 光电传感器性能参数 光电传感器常用性能参数检测示意图如图1 3 所示。 ( 1 ) 检测距离 是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位置( 光电开关的感应表面) 到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。 ( 2 ) 回差距离 动作距离与复位距离之间的绝对值。 ( 3 ) 响应频率 在规定的1 s 的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。 ( 4 ) 输出状态 分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部 的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。 中南大学2 0 0 6 年： 程硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 3 光电传感器性能参数检测示意图图 ( 5 ) 检测方式 根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分 为漫反射式、镜反射式、对射式等。 ( 6 ) 输出形式 分n p n 二线、n p n 三线、n p n 四线、p n p 二线、p n p 三线、p n p 四线、a c 二线、 a c 五线( 自带继电器) 以及直流n p n p n p 常开常闭多功能等几种常用的输出形式。 ( 7 ) 指向角 见光电开关的指向角示意图，即如图1 3 的下部三个小图所示。 ( 8 ) 表面反射率 漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器，所 以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度。粗糙的表面反射 回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度，而且，被检测物体的表面必须垂直于光电 开关的发射光线。常用材料的反射率如表1 1 所示。 表1 - 1 常用材料的反射率 材料反射率材料 反射率 白画纸9 0 报纸5 5 餐巾纸4 7 包装箱硬纸扳6 8 洁净松术7 0 不透明黑色塑料 1 4 黑色橡胶4 黑色布料3 未抛光白色金属表面1 3 0 光泽浅色金属表面1 5 0 1 0 中南大学2 0 0 6 年工程硕士学位论文 第一章绪论 干净粗术板 2 0 透明塑料杯4 0 半透明塑料瓶6 2 不透明白色塑料8 7 不锈钢 木塞 啤酒泡沫 人的手掌心 2 0 0 3 5 7 0 7 5 ( 9 ) 环境特性 光电开关应用的环境亦会影响其长期工作可靠性。当光电开关工作于最大检测距离状 态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至会被一些强酸性物质腐蚀，以至其使用 参数和可靠性降低。较简便的解决方法就是根据光电开关的最大检测距离( ) 降额使用 来确定最佳工作距离。 此外，在使用光电传感器的过程中，还应当注意以下事项： ( 1 ) 红外线传感器属漫反射型的产品，所采用的标准检测体为平面的白色画纸： ( 2 ) 红外线光电传感器在环境照度高的情况下都能稳定工作，但原则上应回避将传感器 光轴正对太阳光等强光源； ( 3 ) 对射式光电传感器最小可检测宽度为该种光电开关透镜宽度的8 0 ： ( 4 ) 当使用感性负载( 如灯、电动机等) 时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交 流二线的光电开关，在这种情况下，请将负载经过交流继电器来转换使用； ( 5 ) 红外线光电传感器的透镜可用擦镜纸擦拭，禁用稀释溶剂等化学品，以免永久损坏 塑料镜； ( 6 ) 针对用户的现场实际要求，在一些较为恶劣的条件下，如灰尘较多的场合，所生产 的光电传感器在灵敏度的选择上增加了5 0 ，以适应在长期使用中延长光电传感器维护周 期的要求； ( 7 ) 为了避免意外事件发生，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额 定值。 1 5 国内外锌锭码垛技术研究现状 所谓码垛就是按照集成单元化的思想，将一件件的物料按照一定的模式堆码成垛，以 便使单元化的物垛实现物料的存储、搬运、装卸运输等物流活动。作为物流自动化领域的 一门新兴技术，近年来，码垛技术获得了飞速的发展【3 4 ”l 。一方面，随着企业的集团化， 生产能力的规模化，对码垛机的工作能力的要求不断提高，使传统的在线式码垛机向高速 化方向发展；另一方面，由于企业产品由卖方市场进入了买方市场，企业生产正在向着多 品种少批量的方向发展，企业不再能够承担一线一产品的代价，往往需要一线多产品的生 产线，这就要求作为后处理设备的码垛机，必须具有处理多种产品的能力，另外，随着大 型物资批发配送中心的出现，需要为成千上万个的用户按定单配送产品，这就要求码垛机 具有混合码垛的能力，所有这些，都为包括锌锭码垛在内的码垛技术的发展提供了前所未 中南大学2 0 0 6 年工程硕士学位论文第一章绪论 有的机会。 国外过去在铸造机械化、自动化方面水平并不高，在金属锭堆垛方面的自动化则更少。 随着大型锌厂的建设和自动化要求的提高，2 0 世纪7 0 年代，日本等发达国家才相继地开发 出堆垛自动线，有的国家才7 f 始开发一些机器人进行复杂和精细的堆垛作业，实现锌锭、 铝锭等的自动堆码，机器人码垛技术的研究开发【3 8 4 2 1 获得了迅速的发展，柔性、处理速度 以及抓取重量不断提高，价格不断下降。 早在2 0 世纪6 0 年代，国内的一些主要锌厂曾先后研制出不同形式的锌锭堆码机，但 却因为其码垛形式复杂，动作频繁，电气控制系统环境适应性差，设备工作环境恶劣等原 因，均未能很好的解决以上问题而中断研制工作。直到2 0 世纪9 0 年代初，随着锌产量的 不断提高和自动化生产的要求，国内的一些主要锌厂 4 3 j ( 如株洲冶炼厂、韶关冶炼厂等) 才又在人工堆码、机器人堆码的基础上开始进行有序的锌锭自动堆码生产线研制和生产试 验，特别注意借鉴之前所有其它同类设备的研制经验和现有设备的特性，结合锌锭外形和 锭重，选择平面编排层，层层堆垛的方法，并重点进行解决垛脚的堆垛形式和整个工序衔 接的灵活性和可靠性，增强锌锭厚薄的处理能力和垛形编排的准确性、简易性方面的研究， 以此来提高堆垛的可靠性和方便操作、维护方面的能力，但总体效果不佳，且仍然存在较 高的故障率。而对于有关基于可编程控制器、光机电液技术等相结合的锌锭自动堆码生产 线控制系统方面的应用研究，目前尚未见到相关报道。 1 6 选题的意义 锌锭堆码过程为具有动态、环境参数变化、非线性等特性以及过程参数难以直接测量 的周期性过程，这给锌锭堆码过程行程参数的检测及控制增加了难度，此外，锌锭堆码过 程中设备自动化程度低，其性能指标方面与国际先进水平相比有较大差距，大有潜力可挖。 而可编程控制器、机电控制技术、液压技术以及光电检测技术在解决上述问题时具有独特 的优越性，并可望为上述问题的解决提供一条新途径。 本论文的研究以韶关冶炼厂“锌锭自动堆码生产线研制”项目为背景，对提高锌锭堆 码过程的自动化水平与劳动生产率( 人均堆码能力) ，降低堆码质量不合格率、堆码过程故 障发生率等均具有重要的指导意义和应用价值。 中南大学2 0 0 6 年工程硕士学位论文 第二章锌锭自动堆码生产线控制系统总体方案研究 第二章锌锭自动堆码生产线总体方案研究 为了便于捆扎、计量、包装、保管及运输，按国际标准和锭垛外形注册要求，韶关冶 炼厂首先需要将所生产的锌锭堆码成如图2 1 所示。在开发此锌锭自动堆码生产线之前，锭 垛的堆码均由人工完成，由于锭块重量大( 约2 5 k e , 块) 、工作现场恶劣( 堆码现场锭块的 表面温度达2 8 0 1 2 ，且粉尘多) ，工人的劳动强度极大，生产效率低，堆码质量不高，影响 捆扎质量，在运输过程中经常发生散包造成损失。而可编程控制器、机电控制技术、液压 技术以及光电检测技术以及它们的相互结合为研究开发一条解决这些问题的新型高效锌锭 自动堆码生产线提供了一条新思路。 图2 - 1 锌锭堆码方式 2 1 锌锭自动堆码生产线总体功能要求 锌锭经铸锭机浇铸成型后，由辊道输送机将锌锭送入堆码系统，经夹紧、翻板( 根据 方式需要设定) 、堆锭、旋转等系列动作进行层的堆码。每码完一层后送入升降机，再经 上升、前进、下降、抽板送锭等一系列动作在垛运机上完成各层的堆码，每码完一垛，垛 运机前进一个垛位，进行下一垛的堆码，同时将码好的锭垛传送至捆扎工作台进行捆扎。 根据设定层的堆码形式和各层的堆垛而顺序动作，可实现锭垛的自动堆码。但为提高 生产效率，以上各种堆剁运动必须互相穿插，工作过程不互相干涉的几个运动可同时进行。 为此，锌锭自动堆码生产线的需要包括锭块输送机、锭块编排装置、堆垛装置、锭垛输送 机、空气压缩机及打包装置、驱动元件( 如，有液压缸、交流异步电动机) 以及负责对液 压缸输送动力的液压站等执行机构，从而致使锌锭堆码自动生产线动作顺序非常复杂。 考虑到锌锭生产属昼夜连续作业，班产1 4 0 0 多块，重达3 5 t 左右，对堆码生产线的工 作可靠性有很高的要求。因此，借助传统机械传动及简单的控制方式( 如机械凸轮式控制 方法、继电器电路控制方法等) 是很难实现以上要求的。故采用可编程控制器、机电控制 技术、液压技术以及光电检测技术相结合，进行新型高效锌锭自动堆码生产线的研究开发 工作。 画一 中南大学2 0 0 6 年工程硕士学位论文第二章锌锭自动堆码生产线控制系统总体方案研究 2 2 锌锭自动堆码生产线