自行小车悬挂输送控制系统的研究与实现.pdf

分类号 分类号 学校代码 学校代码 82701 密级 密级 机机 械械 科科 学学 研研 究究 总总 院院 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 自行小车悬挂输送自行小车悬挂输送控制系统的研究与实现控制系统的研究与实现 research and realization of control system for suspended automation vehicle conveying system 培培 养养 单单 位位 北京机械工业自动化研究所 专专 业业 控制理论与控制工程 研研 究究 方方 向向 物流与仓储自动化 研究生姓名研究生姓名 刘晓楠 指指 导导 教教 师师 匡永江 研究员 协助指导协助指导教师 教师 吴双 高级工程师 2014 年年 6 月月 6 日日 万方数据 本论文经答辩委员会全体委员审查 确认符合机械科学研究总 院硕士学位论文质量要求 答辩委员会签名 主席 工作单位职称 委员 导师 万方数据 独 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 据本人所知 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得机械科学研究总院或其他教育 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 学位论文作者签名 日 期 学位论版权使用授权书 本人完全了解机械科学研究总院有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授 权机械科学研究总院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 涉密的学位论文在解密后适用本授权书涉密的学位论文在解密后适用本授权书 作者签名 导师签名 日 期 日 期 万方数据 机械研究总院硕士论文 1 摘 要 自行小车悬挂输送系统作为一种重要的物流输送系统 因其节省空间 灵活性强 工作安全可靠 智能化的控制系统 被广泛应用于汽车制造 工程机械等行业 在流水 作业生产模式下 自行小车悬挂输送控制系统的性能直接关乎企业的生产效益 因此 对自行小车悬挂输送控制系统的研究具有重要的工程应用价值 本文首先介绍了自行小车悬挂输送系统的形成与发展 详细描述了系统的组成 特 点及其优点 突出强调了控制系统的重要作用 接着对自行小车悬挂输送控制系统相关 的控制方式进行了深入探讨 然后介绍了系统中几种常见的缓存区 针对当今企业混流 装配模式下缓存区的调度问题 以排序能力较强的线性缓存区和环形缓存区为例 设计 了启发式算法和遗传算法两种排序算法 在此基础上 以一个典型的自行小车悬挂输送 系统为模型 进行了系统设计 包括系统控制方式设计 模块的设计 模块功能的实现 最后 通过在具体工程实例中的应用 验证了此控制系统的可靠性和优越性 有效 地提高了生产管理的自动化程度和生产效率 关键词关键词 自行小车悬挂输送 缓存区 调度策略 启发式算法 万方数据 机械研究总院硕士论文 2 abstract suspend automation vehicle conveying system is an important logistic transportation system because of its space saving flexible safe and reliable intelligent control system it has widely been used in automobile manufacturing engineering machinery and other industries in the mode of assembly line production the performance of control system for suspend automation vehicle conveying is directly related to the production efficiency therefore the study and research of control system for suspend automation vehicle conveying has important application value first this thesis introduces the formation and development of suspend automation vehicle conveying system highlights the importance of control system then the thesis describes the composition characteristics and advantages of the system studies associated control manners of control system after that the thesis introduces several common buffers in order to solve the scheduling problem of mixed flow assembly model nowadays take the linear buffer and circular buffer with strong ability to sort as an example two algorithms including heuristic algorithm and genetic algorithm have been designed based on these a system including control manners of control system design function module and writing control program is designed for a typical model of suspend automation vehicle conveying system in the end of this thesis the reliability and superiority of the control system are verified by its application in the particular engineering then the automation of production management and production efficiency are also effectively improved liu xiaonan control theory and control engineering directed by kuang yongjiang key words suspend automation vehicle conveying buffer scheduling strategy heuristic algorithm 万方数据 机械研究总院硕士论文 3 目目 录录 中文摘要 1 英文摘要英文摘要 2 第一章 引言 5 1 1 自行小车悬挂输送系统发展趋势 5 1 2 课题提出 7 1 3 主要研究内容 8 1 4 论文组织结构 9 第二章 自行小车悬挂输送系统 10 2 1 自行小车悬挂输送系统定义 10 2 2 自行小车悬挂输送系统构成 10 第三章 控制系统相关控制方式 13 3 1 定位方式 13 3 1 1 行程开关定位 13 3 1 2 认址片定位 13 3 1 3 激光测距定位 14 3 1 4 条码带定位 bps 14 3 2 无线射频识别 rfid 15 3 3 供电方式 16 3 3 1 滑触线供电 17 3 3 2 非接触供电 17 3 4 plc 控制技术 18 3 4 1 plc 的基本结构 18 3 4 2 plc 工作原理 19 3 4 3 plc 的功能 20 3 5 基于 plc 的自行小车控制方式 20 3 5 1 dcs 20 3 5 2 fcs 21 3 5 2 1 profinet 现场总线 22 3 5 2 2 as i 现场总线 24 第四章 控制系统调度策略的研究 26 4 1 缓存区概述 26 4 2 线性缓存区调度策略 29 万方数据 机械研究总院硕士论文 4 4 2 1 进车存储策略 29 4 2 1 1 启发式算法 30 4 2 1 2 线性缓存区排序算法设计 30 4 2 2 出车选择策略 32 4 2 3 仿真验证 32 4 3 环形缓存区调度策略 33 4 3 1 遗传算法 34 4 3 2 遗传算法步骤 36 4 3 3 环形缓存区排序问题的遗传算法设计 36 4 3 4 仿真验证 40 第五章 控制系统的设计与实现 41 5 1 控制系统模型 41 5 2 系统设计 42 5 2 1 需求分析 42 5 2 2 总体设计 43 5 2 3 模块设计 44 5 2 4 模块功能实现 45 5 3 工程实例 54 第六章 总结与展望 58 6 1 全文总结 58 6 2 进一步工作展望 58 参考文献 59 致 谢 61 附 录 62 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 65 万方数据 机械研究总院硕士论文 5 第一章 引言 1 1 自行小车悬挂输送系统发展趋势 在现代化工业企业中 输送装备已经成为生产过程中组成有节奏的流水作业输 送线以及自动化生产流程中工艺过程所不可缺少的组成部分 1 随着现代信息技术 的发展 以及大规模 快节拍 柔性化生产制造的要求 采用自动控制技术和信息技 术 具有自动化 智能化 并具备起重 运输 贮存 组织生产等功能的智能输送装 备得到越来越普遍的应用 自行小车悬挂输送作为现代化工业生产流程中输送装备 与技术的重要组成部分 正在快速发展与崛起 自行小车输送系统最早出现于上世纪 70 年代的欧洲汽车工业中 这些自行小 车承载能力较低 一般为 90 1360kg 早期的自行小车输送形式分为两种 一种骑 在轨道顶部在地面上进行输送 另一种悬挂在轨道下面进行空中输送 之后 随着 柔性生产系统的发展对输送系统提出更高要求 美国 webb 公司研发出双槽钢轨道 自行小车 这种自行小车悬挂输送系统的轨道与积放式悬挂输送机的轨道通用 实 现了自行小车在两种不同的输送系统之间的转换 2 90 年代初 我国汽车行业首先 引进自行小车输送技术并开始研发生产 经过二十多年的发展 自行小车输送系统 在国内汽车整车厂的四大工艺中的主要应用在总装线 焊装线和涂装线上 另外在 发动机装配线 车桥装配线等上游行业的生产线上也有部分应用 因其具有机动性 可靠性 安装简便性 技术先进性等特点 在家电 农机 轻工 化工烟草等诸多 行业也得到了应用 目前国内约 60 以上的汽车整车企业已经运用了自行小车悬挂输送系统 尤其 是近年来所新建的汽车整车厂 3 据近几年的不完全统计 我国自行小车悬挂输送 系统的市场需求量呈逐年递增的趋势 随着我国企业生产装备自动化水平的提高和 智能化程度的提高 以及物流仓储等行业的需求拉动 自行小车悬挂输送系统进入 高速发展阶段 自行小车悬挂输送系统是一种重要的自动化物流输送系统 能够按照作业流程 的需要实现程序控制下的连续或非连续的物件输送 能够及时感知各个部位的相关 信息 及时做出正确的处置和调整 系统发生故障时能够及时应对并发出报警 自 行小车悬挂输送系统的发展经历了两个阶段 4 1 继电器时代 继电器的控制是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作 等组合形成逻辑控制 早期的自行小车控制系统多为继电器和接触器组成的简单控 万方数据 机械研究总院硕士论文 6 制系统 这种系统必须由专人负责操作 自动化程度低 功能单一 搬运过程简单 没有调度 没有数据处理和通信功能 易出现故障 2 plc 时代 plc 是一种专用于工业控制的可编程控制器 最早是为了取代继电器控制而设 计的 plc 用软件取代了继电器控制系统中使用的大量中间继电器和时间继电器 仅剩下与输入和输出有关的少量硬件 继电器的控制采用硬接线方式 而 plc 采用 软接线方式 即要改变控制逻辑 只需改变控制程序即可 随着生产工艺的要求和 控制技术的发展 出现了将 plc 应用到自行小车悬挂输送系统 实现了自行小车的 自动化控制 自行小车和控制器之间通过现场总线相连进行控制 采用 plc 对自行 小车进行控制 控制速度快 精度高 安装 维修和改造方便 提高了系统的可靠 性 增强了系统的功能 在 plc 控制的基础上 自行小车控制系统又分为集中控制和分布式控制 dcs 两种系统结构 集中控制使用一个 plc 对整个系统进行控制 每台自行小车利用继 电器设计一个电气控制箱 通过安装在运行轨道内的滑触线与中央控制柜内的 plc 连接 plc 采集线体上的检测信号 控制导轨内分段滑触线的供电 从而控制自行 小车的运行 由于只采用一个 plc 进行集中控制 当增加自行小车时需要重新设计 控制程序 改造难度较大 分布式控制方式在每台小车上安装一个 plc 并针对每台自行小车编写控制程 序 下载到 plc 中 自行小车 plc 通过总线结构与中央控制器 plc 通讯 系统可 采用条码带定位技术识别小车位置 同时 plc 可以通过对位置信息的转换实现自行 小车速度的智能控制 分布式控制方式是目前比较高端的控制系统 但存在着 plc 控制成本高昂等缺点 自行小车悬挂输送系统是一种集多种自动化控制技术于一体的智能输送设备 越来越多的先进控制技术应用于系统中 在定位方式方面 已出现了旋转编码器定 位技术 激光测距等先进的定位技术 条码带定位技术 在系统控制和通信方面 已应用了性能稳定的现场总线控制技术 profibus profinet as i 总线技术 成功应用于自行小车悬挂输送系统中 在供电系统方面 传统的滑触线供电仍在广 泛应用 先进的无接触供电技术日益成熟 在升降设备方面 电动葫芦有替代传统 吊链的趋势 国外的自行小车悬挂输送系统供应商主要集中在欧盟 日本 美国等制造业发 达的国家地区 典型的代表企业如德国 siemens 公司 sew 公司 vahle 公司 美国 asi 公司 日本大福株式社会等 已研发出了高性能自行小车悬挂输送系统 并得到了广泛应用 我国有不少的科研机构和公司从事自行小车悬挂输送系统的研 发和生产 但由于起步较晚 与国外的先进技术仍存在着一定的差距 万方数据 机械研究总院硕士论文 7 1 2 课题提出 生产物流输送系统主要分地面输送系统和空中输送系统 自行小车悬挂输送系 统是一种典型的空中物流输送系统 它与地面输送系统相比 充分利用了作业空间 可以在不同高度进行输送 通过升降装置实现工件的上挂和下放 形成一个立体的 输送网络 随着自行小车悬挂输送系统的不断发展 其结构形式也呈现多样化 如图 1 1 所示为简单的闭环回路自行小车悬挂输送系统 适用于生产线局部的两点式输送 如图 1 2 所示为输送线路复杂的 带有道岔和缓存区的自行小车悬挂输送系统 这类 系统通过设计不同的调度策略 能够满足不同工艺生产车间的约束条件 满足混流 生产模式下多品种 小批量的生产要求 具有广泛的应用 上件工位 下件工位 图 1 1 闭环回路自行小车悬挂输送系统 下件工位x1 双通道维修工位w1 下件工位x2下件工位x3 缓 存 线 c2 缓 存 线 c1 缓 存 线 c4 q2道岔q1 上件工位a2 道岔p1道岔h1 缓 存 线 c3 q3 上件工位a1 缓 存 线 c8 缓 存 线 c9 p2 p3p4p8 q4q8 h2h3h4 图 1 2 复杂线路自行小车悬挂输送系统 传统的装配线生产模式一般是一条生产线只生产一种产品 但是随着市场经济向买 方市场的转变 产品也面临着多品种多特性的市场需求 现代制造业普遍采用混流装 配生产模式 在不改变生产组织方式的前提下 在同一条流水线上生产出多种不同 万方数据 机械研究总院硕士论文 8 型号 不同数量的产品 产品的品种可以随客户需求的变化而变化 5 6 由于各生 产车间的工艺不同 各车间内部的约束也各有差异 为了满足车间的约束条件 提 高生产效率 降低生产成本 通常在进入车间之前的区域设置缓存区 对工件序列 进行调整以满足下游车间的工艺约束 同时起到存储工件保证生产连续的作用 以汽车装配生产线为例 汽车装配是一个复杂的生产过程 涉及与冲压 焊接 喷涂和涂装四大工艺生产过程的衔接 7 8 通常在流水线上相邻的两个装配车间之 间设置在制品的存放区 即缓存区 避免发生工位堵塞和工位空闲的问题 由于 大规模定制生产的要求 汽车流水线大多是混流生产线 存放在缓存区中的在制品 有多种不同类型 利用缓存区对在制品进行重新排序 以满足缓存区下游装配车间 的生产约束 提高生产效率 降低生产成本 比如汽车装配过程中相互关联的涂装 车间和总装车间 在车辆进入涂装车间之前将相同颜色的车辆排在一起 但是以这 种车辆序列进入下游总装车间不符合总装车间的约束 因此需要对车辆进行重新排 序 汽车发动机装配线 车桥装配线等上游行业的生产线是单独的装配线 装配线 根据生产计划 为了提高工件供应效率 提前把生产过程所需原材料或半成品上挂 自行小车 存放于缓存区中 确保生产过程中工件的及时供应 对于缓存区中的工 件需要按照一定的存储原则进行存储 确保装配工位所需工件能够及时从缓存区中 释放出来 因此 缓存区自行小车的调度主要分为两种 基于单一生产车间的调度策略和 基于关联车间的调度策略 我国是世界上的制造业大国 随着现代化工厂的不断增多 自行小车悬挂输送 系统的市场需求必将越来越大 尤其是目前国内机械制造业正处于高速增长阶段 自行小车悬挂输送系统在装配物流中处于十分重要的地位 需求量大大提高 自行小车悬挂输送系统由上层管理系统 中间层监控系统和底层控制系统组成 管理系统负责下发作业任务和信息的管理 监控系统监视现场设备的运转状态 控 制系统控制具体的机械设备运动 使被控对象按预定要求自动运行 控制系统是三 层系统中非常重要的一个环节 不仅包括对自行小车运动的控制 还包括自行小车 的调度策略 对整个系统性能有直接影响 因此 研制具有高性能的自行小车悬挂 输送控制系统具有重要的意义 本文以输送线路复杂 带有道岔和缓存区的自行小 车输送系统为模型 对其控制系统进行研究 1 3 主要研究内容 对自行小车悬挂输送控制系统的研究主要分为以下两个方面 1 控制系统中相关控制方式的研究 万方数据 机械研究总院硕士论文 9 控制系统中的相关控制方式包括定位方式 信息识别方式 供电方式 基于 plc 的自行小车系统的控制方式 2 工件缓存区调度策略的研究 根据缓存区结构形式的不同 调度策略也不相同 对于线性缓存区 运送工件 的自行小车调度分为进入缓存区时的存储策略和缓存区释放自行小车时的选择策 略 线性缓存区对自行小车的调度在实质上改变了工件进入下游生产车间的顺序 因此 此类调度也可以称为对工件的重新排序 对于环形缓存区 存储于其中的自 行小车沿环形轨道运行 自行小车的调度是依据下游生产车间的约束条件进行重新 排序释放 通常 环形缓存区的排序要满足排序时间最短和排序结果工件种类变化 次数最少两个目标条件的约束 1 4 论文组织结构 本文的主要结构如下 第一章绪论 概述了自行小车悬挂输送系统的发展趋势 提出了课题的研究内 容 说明了课题研究的现实意义 第二章自行小车悬挂输送系统概述 介绍了自行小车悬挂输送系统的定义 功 能特点及组成结构 第三章控制自行小车悬挂输送系统相关控制方式 对自行小车悬挂输送系统运 用到的相关控制方式进行了深入探讨 包括定位方式 信息识别方式 供电方式和 基于 plc 的自行小车控制方式 第四章控制系统调度策略的研究 介绍了缓存区的几种常见形式 比较了各种 缓存区的排序能力 针对线性缓存区的进车存储策略和出车选择策略以及环形缓存 区的排序算法做了深入研究 并做了仿真验证 第五章控制系统的设计及实现 在第三章和第四章研究的前提下 以一个典型 的自行小车悬挂输送系统为模型 对控制系统进行了设计 包括系统控制方式的设 计 模块的设计 模块功能的实现 针对线性缓存区的调度问题给出了控制算法 并 在具体的工程项目中得到了应用 第六章总结与展望 对本文工作进行总结并提出一些需要进一步研究的问题 万方数据 机械研究总院硕士论文 10 第二章 自行小车悬挂输送系统 2 1 自行小车悬挂输送系统定义 自行小车悬挂输送系统是一种集机械 电气 计算机 自动控制于一体的高技 术自动化物料输送系统 它将生产 仓储等过程中的物料通过自行小车装置在预定 的轨道上 按照预定的控制程序进行输送或搬运物料 并保证准确无误 同时 自 行小车按照设定的工艺过程在不同的工位点上 按照计算机的操作指令进行实时的 自动化控制 9 10 自行小车悬挂输送系统是现代化工业生产流程中的一种重要输送系统 结合了 机械 电气 计算机 自动控制四大技术 广泛应用于汽车 工程机械 轻工 烟 草等诸多行业的大批量自动化生产线以及大型物流立体仓储系统 与传统的悬挂链 输送系统相比具有众多优势 其优势主要体现在 1 系统中的各个自行小车自身独立拥有驱动装置 并直接按指令沿输送线轨 道运行或停止 具有较高的控制性和灵活性 2 具有起重 运输 空中贮存 组织生产 自动输送 动态显示 自动认址 自动积放 故障自诊断 远程监控等功能 3 按照工艺布置的要求设置悬挂轨道 悬挂轨道上设有多台自行小车 可自 带可编程控制器 plc 具有变频调速功能 4 系统输送线路由轨道 平移道岔 升降段组成 能够在不同高度进行输送 构成立体输送网络 5 工件抱具系统能按照工件工艺动作的要求自动开闭 自动抓取 准确定位 与积放 工作安全可靠 工件抱具和升降系统还能实现工件的倾斜 摇摆 反转等 功能 满足不同生产工艺的要求 2 2 自行小车悬挂输送系统构成 自行小车悬挂输送系统 如图 2 1 所示 通常包括环形轨道 平移道岔 工件 的上件工位 下件工位 维修工位 自行小车 其中 自行小车一般由车架 驱动 装置 车载控制器等组成 10 根据自行小车悬挂输送系统的功能要求 设计其轨道 线路 道岔的分流 合流 上件工位 下件工位 维修工位的位置 数量以及各工 位点的动作要求 动作时间和自行小车的数量 万方数据 机械研究总院硕士论文 11 图 2 1 自行小车悬挂输送系统布置图 环形轨道是自行小车运行的主体支撑轨道 主要有钢轨和铝合金轨道两种 铝 合金轨道外形美观 耐腐蚀 耐磨损 在轻载自行小车悬挂输送系统中广泛应用 轨道的一侧内嵌安全滑触线 另一侧与轨道的支撑支架相联接 安全滑触线主要由 铜母线 护套 受电器组成 为自行小车提供动力电源 并且作为系统控制信号的 传输介质 平移道岔由固定架 移动架 传动装置 直轨 弯轨 斜轨及限位开关等部分 组成 是一种用来控制自行小车运行路线的轨道部件 按照控制功能平移道岔分为 分流道岔 合流道岔两种 通过控制道岔与轨道的对接位置实现自行小车运行路线 的变化 自行小车悬挂输送系统采用平移道岔可构成复杂的输送线路 满足一些复 杂现场的功能需求 工件的上件工位 下件工位和维修工位属于双通道平移道岔 当自行小车运行到上件工位 下件工位或维修工位 道岔向左或向右平移 后续的 自行小车继续向前运行 避免造成轨道线路的堵塞 自行小车的车架结构由主车 副车 均衡梁 尾积放装置组成 其结构示意图 如图 2 2 所示 主车是整个自行小车的驱动车 它上面装有电机 是整个自行小车 的驱动系统 副车和主车组合在一起起到一个固定支撑 移动的作用 均衡梁连接 主车和副车 起到固定主副车位置和支撑的作用 均衡梁下面是电气控制箱和升降 夹具电机 电气控制箱内装有变频器 继电器和接触器等电器 控制小车的行走和 吊具的动作 实现前进 后退 左右转弯 吊具升降 吊具打开关闭等功能 变频 器具有变频调速功能 可控制电机启动 加速 减速过程的速度 使自行小车动作 平滑 停止位置更加精确 环形轨道 平移道岔 自行小车 万方数据 机械研究总院硕士论文 12 图 2 2 自行小车结构图 按照行走速度 自行小车可分为单速自行小车和变速自行小车 单速自行小车 的速度通常为 15m min 变速自行小车的速度通常为 15 30m min 自行小车速度的 设计是根据生产节拍 输送路程 工位数量等因素来确定 变速自行小车一般设计 有速度控制器实现变频调速 按照自行小车的控制方式 可分为智能型和普通型两 种 智能型自行小车设计有 plc 或智能模块 通过预先设计的控制程序 在执行作 业任务时自动实时调整运行速度 运行路线 普通型自行小车只设计有执行电气 不具有单独 plc 或智能模块 小车的行走和升降装置动作均受中央控制器和工位操 作箱的集散两地控制 尾积放装置的设计是为了提高运输的效率 自行小车可在线 路的任何一点积存输送物品 自行小车在某工位停下来时并不妨碍其他自行小车的 流动和流动顺序 当一辆自行小车停下来后 后续的自行小车就积存在其后面 尾 积放装置起到一个阻挡器的作用 主车 副车 均衡梁 尾积放装置 电动葫芦 吊具 电气控制箱 万方数据 机械研究总院硕士论文 13 第三章 控制系统相关控制方式 随着自动化技术的发展以及现代化工业生产工艺对性能的要求 越来越多的先 进控制技术被应用到自行小车悬挂输送系统 本章对系统相关的控制技术进行深入 探讨 3 1 定位方式 在现代物流系统中 智能输送搬运设备的认址方式有多种 其最终目的都是为 了使搬运输送设备能够按照作业指令准确快速地到达指定的位置 随着现代物流技 术的发展 大型工厂的产品输送线早已不再局限于平面范围内的直线行走 例如在 汽车生产厂 车身悬挂线的输送系统实现了错综复杂的立体交叉式行走 在整个输 送过程中 车身零件不仅要经过许多大大小小的弯道 还要不断地被提升或下降 以提高工厂的空间利用率 这种输送方式的出现给传统的定位技术带来了极大的挑 战 在物流输送系统中 常见的定位方式有以下四类 行程开关定位 认址片定位 激光定位和条码带 barcode positioning system bps 定位 3 1 1 行程开关定位 行程开关定位是一种较为简单的自动定位技术 用行程开关 有触电 感应或 光电开关 来限位小车开 停 当小车运行到定位点或离开定位点后 行程开关向 plc 反馈一个信号 根据预先设定好的程序来控制自行小车行走电机接触器的开 闭 使它停止或前进 这种利用行程开关定位的方法达到了自行小车自动定位的效果 但在实际应用 中仍然存在很多缺点 由于每个上 下件工位都需要安装行程开关 每个行程开关 都要引接电缆 系统布线过于复杂 不利于维护 而且 行程开关定位的方法很难 实现精确定位 不适用于对位置精确度要求高的物流输送系统 3 1 2 认址片定位 认址片定位技术是发展较早 应用比较广泛的一种定位技术 沿着自行小车行 进的方向设置认址片 认址器通过检测有无认址片来判断是否到达预定位置 此方 法虽然简单 但常会出现因干扰而产生的误检测 通常增加旋转编码器校验功能提 高其可靠性 万方数据 机械研究总院硕士论文 14 编码器是一种集光 机 电为一体的数字化检测装置 它具有分辨率高 精度 高 结构简单 体积小 使用可靠 易于维护 性价比高等优点 认址片加编码器的认址方式是以小车水平方向每转产生的脉冲数为基础 对自 行小车悬挂输送系统的每个工位予以编码地址 自行小车运行时 其控制器 plc 根 据目的地址和当前地址的差值 脉冲数 来控制电机的运转 自行小车到达目的地 址后 认址系统进行认址片编码校验 若校验不正确则发出报警 这种认址方式适 用于闭环轨道单路径的自行小车输送系统 对于多路径的自行小车输送系统 由于 小车每次的作业任务不同 起始位置和行进方向经常改变 零点易漂 常常需要定 标 难以适用 3 1 3 激光测距定位 激光测距定位是用测距来定位的 激光测距装置发射一束很细的激光到反射板 测距装置根据从反射板反射回来的信号的时间差来计算这段距离 通讯方式有总线 方式 rs422 方式等 激光测距定位技术应用于自行小车悬挂输送系统 需要在特 定的位置 如上件工位 下件工位 道岔切换处 安装反射板 每辆自行小车安装 激光测距器 激光测距器与小车 plc 控制器相连 将测得的距离信号送入控制器与 预先设定好的距离相比较 如果差值达到允许范围之内 控制器输出开关信号控制 自行小车电机动作 使自行小车在预定位置停止或开动 激光测距精度高 采集速度高达 10 的 8 次方次 秒 远高于自行小车沿轨道运 行速度 因此 在自行小车行进的过程中能及时反映小车的位置 定位准确 使用 激光定位测距技术省去了大量行程开关及相应的连接电缆 避免了小车行进中行程 开关动作的不可靠及信号电缆的易受损 易干扰的状况 仅仅在发射端发射并接受 集束激光进行控制 而没有安装在轨道内 定位系统简洁 可靠 易维护 但是 由于激光测距定位必须是在直线方向上 在轨道拐弯处和道岔切换处不能使用 多 辆自行小车在同一直线轨道上运行会造成激光交叉互相干扰 所以 激光测距定位 系统只适用于直线轨道 单辆自行小车的悬挂输送系统 3 1 4 条码带定位 bps 条码带定位系统 barcode positioning system bps 是一种新型的条码阅读器 由条码读取头和条码带组成 集合了激光测距和旋转编码器的优点 它的工作原理 与普通的条码阅读器一样 是将条码读取头安装在自行小车上 条码带则全程安装 在行走轨道中 通常与拖线槽安装在一起 当自行小车在轨道上行走时 安装在 万方数据 机械研究总院硕士论文 15 自行小车上的条码读取头时时扫描当前的条码 通过内置的解码器将条码信息转换 成距离信息传递给 plc 图 3 1 条码带定位系统图 bps 的解码速度为 500 次 秒 从读取头到条码带之间的空间安装范围为 90 170mm 因此有 80mm 的安装缓冲区域可以忽略行走小车在轨道上左右晃动的问题 小车的最大行走速度可达 7m s 此时 bps 的重复精度为 2mm 响应时间为 16ms 当行走速度在 4m s 以下时 bps 的重复精度可达 1mm 响应时间缩至 8ms bps 读取头内置了加热装置 可使系统在 30 的环境中工作 既可以满足北方地区寒冷 气候下的应用条件 也可以用于冷库环境 bps 系统有 profibus 和 ssi 两种工业 总线方式 另外可选 rs232 和 rs485 接口方式 bps 读取头可同时扫描 4 个条码 然后从这 4 个条码中取一个条码信息来确定当前的位置区域 最终 bps 通过内置软 件的计算将这个位置信息精确到毫米级输出到 plc 中 因此 bps 的测距精度可达 1mm 由于在 4 个条码中取 1 个阅读 避免了自行小车由于垂直方向上的振动造成 的激光线脱码而带来的误差 bps 系统的条码带 bcb 采用的是贴有聚脂薄膜保护层的特殊材料 它具有非 常好的抗紫外线 抗化学溶剂和工业清洗剂的腐蚀能力 bcb 的粘合剂具有超强的 粘合能力 能在 40 至 120 的环境温度下正常工作 bcb 最长达一万米 基本 满足现有的工业测距要求 bcb 条码带通常不需要很精确地贴到轨道上 读取头内 置的 自学习 功能可根据现场情况随意设置参考零点 减少了安装的复杂程度 bps 有着独特的技术优势 弯道定位 移动精确定位 速度控制 克服了传统 定位方式的缺点 被广泛应用在自动化输送系统中 3 2 无线射频识别 rfid 目前 广泛应用的信息识别技术有条码识别技术和 rfid 识别技术 条码技术 万方数据 机械研究总院硕士论文 16 以其可靠性高 采集信息量大 灵活实用 条码设备易于操作 条码标签易于制作 效率高 成本低的特点 在食品 服装 家电 日化 电子物流等行业得到了广泛 应用 条形码易于灰尘污染 容易破损 对使用环境有一定的要求 rfid 技术通 过发送和接收射频信号进行信息识别 可工作于各种恶劣的环境 rfid 是 radio frequency identification 的缩写 即射频识别 是一种非接触式 的信息识别技术 rfid 系统主要由电子标签 读写器 天线和中间件四部分构成 15 其工作原理是 读写器通过天线发送一定频率的射频信号 电子标签进入磁场后接 收到读写器发出的信号 无源标签 passive tag 凭借感应电流所获得的能量发送出 存储在芯片中的产品信息 有源标签 active tag 主动发送某一频率的信号 读写 器读取电子标签中所储存的产品信息并解码后送至与之连接的信息系统进行进一 步的处理 rfid 技术因其特有的非接触性以及可对多个目标同时识别的特性 被 广泛应用于汽车制造 物流 交通和防伪等多个领域 与条码技术相比 rfid 技 术的优点主要体现在以下几个方面 1 条码识别需要手持终端扫描器 属于半自动识别方式 而 rfid 可以通过信 息管理系统实现无人工干预的自动识别和存储 2 rfid 读写器可同时识别多个电子标签 而条形码识别一次只能扫描一个条 码带 3 rfid 抗污染能力高 使用寿命长 rfid 电子标签对水 化学药物等物质 有很强的抵抗性 可以在恶劣的环境下工作 目前耐高温标签已可承受 200 以上 高温 4 电子标签不受尺寸和大小形状限制 5 电子标签存储的数据可以修改 删除 重复使用 6 数据存储量大 一维条形码的容量通常为几十字节 最大为 50b 二维条形 码最大容量为 3000b 电子标签的容量一般为 256 2kb 最大容量可达数兆字节 7 rfid 承载的是电子信息 可通过加密技术提高其安全性 条形码信息是可 视化的 容易被复制 rfid 被列为 21 世纪十大重要技术之一 但是 rfid 的设备较为昂贵 技术成 熟度不高 系统稳定性欠佳 而且没有统一的标准作为支撑 自行小车悬挂输送系 统采用 rfid 信息识别技术对自行小车运送的工件信息控制和管理 无接触识别工 件信息 电子标签可重复使用 提高了输送系统的自动化程度和信息管理程度 3 3 供电方式 万方数据 机械研究总院硕士论文 17 3 3 1 滑触线供电 生产物流系统中最常见的供电技术是滑触线供电 供电滑触线装置由护套 导 体 受电器三个主要部件及一些辅助组件组成 16 护套是一根半封闭的导形管状部 件 其内部可嵌 3 16 根裸体导轨作为供电导线 导体的主要材质是铜 根据其截 面积常用的有 10 平方 16 平方 25 平方 受电器是在导管内运行的一组电刷壳架 通过安装在用电机构上的拔叉带动 与用电机构同步运行 受电器电刷的级数与滑 触线的级数相对应 滑触线供电方式在使用上存在诸如滑动磨损 接触火花 碳积累 不安全裸露 导体等缺点 不仅限制了运动速度 而且还由于摩擦作用损伤了设备 影响了寿命 甚至有时还需要花费高昂代价来检修 维护 在一些恶劣环境下的应用也受到了很 大的限制 3 3 2 非接触供电 随着控制技术 电磁感应技术的发展 以及非接触供电需求的增长 非接触供 电技术应运而生 非接触供电 contactless power supply cps 也称为感应耦合 电能传输 inductive coupled power transmission ictp 技术 其理论依据是电磁 感应原理 17 cps 与传统的滑触线供电方式相比有供电系统和负载之间无任何接触 无摩擦 易维护等优点 正在逐渐的趋于广泛应用 在自行小车悬挂输送系统方面 德国法勒 vahle 公司研发的非接触供电系统已得到成功应用 并证明了其良好 的工作效果 但是 目前 cps 在国内的应用还很少 有待于研究开发 一般自行小车悬挂输送系统的非接触供电装置结构图见图 3 2 17 万方数据 机械研究总院硕士论文 18 图 3 2 自行小车悬挂输送系统的非接触供电装置结构图 自行小车悬挂系统通过采用非接触供电技术 可以有效的解决传统供电方式的 缺点 提高自行小车的运行速度 降低维护和运行成本 减少恶劣的工作环境对系 统性能的影响 3 4 plc 控制技术 可编程逻辑控制器 programmable logic controller plc 是为工业控制应用 而设计制造的 凭借其高可靠性 抗干扰能力强 功能丰富等技术优势 已经成为 自动化领域的主流控制设备 它采用一类可编程的存储器 用于其内部程序存储 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 或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程 18 3 4 1 plc 的基本结构 plc 一般由中央处理单元 cpu 存储器 输入输出接口电路 功能模块 电源 编程设备组成 其基本结构如图 3 3 所示 中央处理单元是 plc 的核心控制 单元 它按照一定的顺序执行系统控制程序中的指令 根据指令的功能产生相应的 控制信号 发送给相应的部件 同时对程序执行过程中产生的数据进行算数和逻辑 运算 并且还具有诊断用户程序错误 功能模块故障的功能 存储器按存储类型 可分为 ram eprom eeprom 存储器按存储内容 可分为系统程序存储器和 用户程序存储器 系统程序存储器即存放系统软件的存储器 包括系统诊断子程序 功能子程序 命令解释程序等 用户程序存储区即存放应用软件的存储器 输入输 万方数据 机械研究总院硕士论文 19 出接口电路包括数字 i o 接口电路和模拟 i o 接口电路 功能模块包括计数模块 通信模块等 编程器属于 plc 外围设备 有专用手持编程器 计算机专用编程下载 电缆 中央处理单元cpu 存储器 电源 输 入 电 路 输 出 电 路 编程器 扩 展 模 块 图 3 3 plc 硬件结构图 3 4 2 plc 工作原理 plc 最初是为了替代传统的继电器控制而研制开发的 两者的工作原理大不相 同 plc 工作过程一般分为三个阶段 输入采样 用户程序执行和输出刷新 如图 3 4 所示 plc 运行时 以一定的扫描速度重复执行以上三个阶段 完成上述三个 阶段称作一个扫描周期 扫描周期一般均小于 100ms 用户程序执行 第n个扫描周期 第n 1个 扫描周期 输入采样 输出刷新 第n 1个 扫描周期 输出刷新 输入采样 图 3 4 plc 工作原理图 输入采样阶段 plc 通过输入模块读取与之连接的外部设备的状态和数据 存 储于输入映像区内 输入采样结束后 无论外部设备的输入状态和数据怎样变化 都不会改变输入映像区内的状态和数据 输入映像区保持这种状态直至此次扫描周 期结束 用户程序执行阶段 cpu 按自上而下的顺序依次扫描用户程序 在扫描每一条 梯形图时 按先左后右 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算 然后根据逻辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统 ram 存储区中对应位的状态 或者刷新该输出线圈在 i o 映像区中对应的状态 或者确定是否要执行该梯形图所 规定的特殊功能指令 zhi ku quan 20150807 万方数据 机械研究总院硕士论文 20 输出刷新阶段 在用户程序扫描完成后 输出 i o 映像区内对应的状态和数据 这时的输出才是可编程逻辑控制器的真正输出 3 4 3 plc 的功能 plc 的功能包括运算功能 控制功能 通信功能 编程功能 诊断功能等 plc 的性能不同 plc 的功能也不相同 1 运算功能 普通可编程逻辑控制器具有逻辑运算功能 比较运算功能 数 据移位功能 计时和计数功能 运功数据传送功能等 大型可编程控制器除了具有 以上运算功能外 还具有 pid 运算和其他高级运算功能 2 控制功能 控制功能包括顺序逻辑控制 前馈补偿控制 pid 控制等 3 通信功能 大中型可编程逻辑控制器支持多种现场总线和标准通讯协议 是一个开放的通信网络 可根据项目需求构成多种主从式通信网络结构 4 编程功能 plc 的编程方式分为离线编程方式和在线编程方式 使用离线 编程方式编程时 cpu 或为编程器服务或为可编程控制器服务 当利用编程器进行 编程时 控制器停止工作 当 cpu 为控制器服务时 编程器不能进行编程 在线编 程方式的编程器和控制器有独立的 cpu 在控制器对设备控制的同时 编程器可以 把编制完成的程序下载到控制器 并且可以对控制器的状态数据进行监控 plc 一 般有五种编程语言 编程语言形式为图形的顺序功能图 梯形图 功能块图 编程 语言形式为文本的指令表和结构文本 5 诊断功能 诊断功能包括硬件诊断和软件诊断 硬件诊断是通过硬件的逻 辑判断确定硬件和 cpu 外接功能模块的故障位置 软件诊断是对 plc 内部的性能 和功能进行的诊断 3 5 基于 plc 的自行小车控制方式 当前 自行小车悬挂输送系统对自行小车的控制方式主要有两种 集散控制系 统 distributed control system dcs 方式和现场总线控制系统 fieldbus control system fcs 方式 11 12 3 5 1 dcs dcs 的核心思想是集中管理 分散控制 即管理与控制相分离 上位机用于集 中监视管理 若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制 上下位机之间用控制 网络互连以实现相互之间的信息传递 集散控制系统从结构上划分 包括管理级 zhi ku quan 20150807 万方数据 机械研究总院硕士论文 21 操作级和过程级 dcs 的基础和核心是通信 通过通信网络把分散的设备连接成一个整体 用分 布式数据库实现系统的信息集成 达到信息共享 12 经过近 30 年的发展 dcs 已 日趋成熟 其软件资源丰富 功能模块和控制功能多种多样 通信网络稳定 可靠 运行性能良好 监控和管理功能强大 在许多行业得到了广泛应用 但是 dcs 系 统的缺点也很明显 1 dcs 系统不是开放的 可集成性差 各个厂家的 dcs 系统的通信方式不 同 通信标准不统一 互不兼容 除现场设备均靠标准 4 20ma 24vdc 连接 其他 软硬件只能使用同一家产品 2 dcs 系统中每台传感器 执行器与控制器之间的信号传输是单向的 需 要一对传输线进行连接 对于大范围的分布式系统 系统接线庞杂 信号线路也比 较长 不仅增加了安装成本 也增加了系统的不可靠性 3 dcs 采用模拟信号进行检测与控制 致使设备与设备之间 系统与系统 之间 系统与外界之间无法进行信息交流 在一定程度上造成 信息孤岛 同时 模拟信号传输精度低 易受干扰 基于 dcs 方式控制的自行小车悬挂输送系统采用集中管理 分散控制的方式 在中央控制柜内安装主 plc 用于控制轨道和道岔 并处理现场控制盒发来的命令 小车控制箱内则安装以微处理器为基础的动作控制集成电路和变频系统 主 plc 和 自行小车控制集成电路之间使用专用系统部件通过轨道滑触线和集电器进行通讯 两部分分工合作 能够实现复杂的控制