码垛机械手控制系统设计-附录

目目 录录 附录附录 1 课题审批表课题审批表 附录附录 2 毕业设计任务书毕业设计任务书 附录附录 3 毕业设计开题报告毕业设计开题报告 附录附录 4 毕业设计计划进程表毕业设计计划进程表 附录附录 5 毕业设计中期检查表毕业设计中期检查表 外文文献外文文献 外文翻译外文翻译 附录 1 课题申请表 毕业设计 论文 课题申请表 学院 机械工程学院 时间 2011 年 11 月 23 日 课题名 称 码垛机械手 PLC 控制系统设计 教师姓 名 张 瑞 职 称 讲师学位博士 教 研室 机电一体 化 课题来源 A 科研 B 生产 C 教学 D 其它 课题类 别 设计 B 论文 A 实施地点校内 起止时 间 12011 年 12 月 2012 年 6 月 上机时数2 18 周 课 题 情 况 拟指导学生数 1 对学生的特殊要求 主 要 研 究 内 容 1 分析码垛机械手的功能及控制要求 2 分析选择 PLC 3 设计控制系统原理图及各部分元件选型 4 设计 PLC 系统控制柜图 5 初步设计系统软件 目 标 和 要 求 码垛机械手 PLC 控制系统设计 达到以下目的和要求 1 了解生产设备电控设计的一般步骤 2 能够进行 PLC 控制系统的搭建 3 熟悉变频器的应用 特 色 综合运用所学 PLC 知识 机构控制知识等 成果形式 设计图纸与编程软件 成果价值 具有实用价值 科室 审批 意见 同意同意 负责人签字 2011 年 11 月 27 日 学院审 批意见 同意同意 主管院长签字 2011 年 11 月 30 日 附录 2 任务书 毕业设计 论文 任务书 由指导教师填写 学生姓名丁金涛学号教师姓名张瑞职称讲师 题 目码垛机械手 PLC 控制系统设计 主要研究 内容 1 分析码垛机械手的功能及控制要求 2 分析选择 PLC 3 设计控制系统原理图及各部分元件选型 4 设计 PLC 系统控制柜图 5 初步设计系统软件 研究与设 计方法 1 系统分析与构建的方法 2 控制系统的设计 3 PLC 程序的设计与编制 4 变频器控制与使用 主要技 术指标 或研究 目标 码垛机械手 PLC 控制系统设计 达到以下目的和要求 1 设计完成码垛机械手 PLC 控制系统硬 软件系统 2 以 PLC 控制完成机械手的工作流程 3 优化路径的计算 主要参 考文献 1 PLC 编程实用指南 宋伯生编著 北京 机械工业出版社 2007 2 工业控制电子学 设备 系统与应用 美 Terry Bartelt 著 姜 绍龙 富晓静 张剑译 北京 清华大学出版社 2005 3 工业控制工程实践技术 付家才主编 北京 化学工业出版社教材 出版中心 2003 4 PLC 编程手册 设计手册 5 从入门到精通 西门子 S7 300 400 PLC 技术与应用 张运刚等 北京 人民邮电出版社 2007 附录 3 开题报告 毕业设计 论文 开题报告 题目名称 码垛机械手 PLC 控制系统设计 学生姓名丁金涛专 业机械工程及自动化班 级4 班 一 选题的目的意义 毕业设计是大学四年来对我们所掌握知识的一个综合考察 所以选择一个合适的毕 业课题是很重要的 而一个既要有硬件设计 又要涉及到软件编程的毕业设计课题是再 好不过的 它可以检验我们在大学期间的学习情况以及综合应用能力 通过实物的制作 可以很好的锻炼我们的动手能力 伴随着机电一体化在各个领域的应用 机械设备的自动控制成分显得越来越重 要 由于工作的需要 人们经常受到高温 腐蚀及有毒气体等因素的危害 增加了工人 的劳动强度 甚至于危机生命 因此机械手就在这样诞生了 机械手是工业机器人系统 中传统的任务执行机构 是机器人的关键部件之一 其中的工业机械手是近代自动控制 领域中出现的一项新技术 它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识 它能部分 地代替人工操作 能按照生产工艺的要求 遵循一定的程序 时间和位置来完成工件的 传送和装卸 能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件 显著地 提高劳动生产率 加快实现工业生产机械化和自动化的步伐 机械手是在机械化 自动 化生产过程中发展起来的一种新型装置 它可在空间抓 放 搬运物体等 动作灵活多 样 广泛应用在工业生产和其他领域内 应用 PLC 控制机械手能实现各种规定的工序动 作 不仅可以提高产品的质量与产量 而且对保障人身安全 改善劳动环境 减轻劳动强度 提高劳动生产率 节约原材料消耗以及降低生产成本 有着十分重要的意义 PLC 控制机械手可按使用要求选购相应的产品完成复杂的逻辑控制 逻辑控制为主 也可以组成模拟量控制系统 软硬件开发工作量较少 输出带负载能力和抗干扰能力强 可靠性好 环境适应能力强 所以从实用性和可靠性出发 设计由 PLC 组成的码垛机械 手控制系统可以使该系统在各种条件下良好的运行 且结构简单可靠 便于操作 二 国内外研究综述 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备 工业机械手的是 工业机器人的一个重要分支 它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务 在 构造和性能上兼有人和机器各自的优点 尤其体现了人的智能和适应性 机械手作业 的准确性和各种环境中完成作业的能力 在国民经济各领域有着广阔的发展前景 机械手是在机械化 自动化生产过程中发展起来的一种新型装置 在现代生产过 程中 机械手被广泛的运用于自动生产线中 机械人的研制和生产已成为高技术邻域 内 迅速发殿起来的一门新兴的技术 它更加促进了机械手的发展 使得机械手能更 好地实现与机械化和自动化的有机结合 机械手虽然目前还不如人手那样灵活 但它 具有能不断重复工作和劳动 不知疲劳 不怕危险 抓举重物的力量比人手力大的特 点 因此 机械手已受到许多部门的重视 并越来越广泛地得到了应用 我国的工业机器人起步与 70 年代初期 经过 20 多年的发展 大致经历了 3 个阶段 70 年代的萌芽期 80 年代的开发期和 90 年代的适用化期 从 90 年代初期起 我 国的国民经济进入实现两个根本转变时期 掀起了新一轮的经济体制改革和技术进 步热潮 我国的工业机器人又在实践中迈进一大步 先后研制出了点焊 弧焊 装 配 喷漆 切割 搬运 包装码垛等各种用途的工业机器人 并实施了一批机器人 应用工程 形成了一批机器人产业化基地 为我国机器人产业的腾飞奠定了基础 在国外机械制造业中 工业机械手运用较多 发展较快 目前主要用于机床 摸锻 压机的上下料 以及点焊 喷漆等作业中 它可按照事先制定的作业程序完成规定的操 作 但是还不具备任何传感反馈能力 不能应付外界的变化 如发生某些偏离时 就将 引起零部件机械手本身的损害 为此 国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能 的机械手 使其拥有一定的传感能力 能反馈外界的条件的变化 做出相应的变更 PLC 作为一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统 它采用了可 变成的储存器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 记数 和算术等面 向用户的指令 并通过数字式或模拟式的输入 输出 控制各种类型的机械或生产过程 标准化编程的出现使机器人更加容易控制 配置和重新配置 与过去昂贵的专利产品不 同 现在的传动控制和可编程逻辑控制 PLC 产品使得工厂可以使用标准的编程语言 来运行机器人 标准化的控制装置带有便于使用的软件安装向导 不需要专门停下来进 行操作员或者程序员培训 三 毕业设计 论文 所用的方法 1 收集相关资料 并对现有的资料进行研究分析 进而分析自己完成本系统 的开发工作还存在那方面的困难 除了现有的知识外还应该具备那些新的知识 2 选定自己适合和熟悉的开发编程工具 对选定的开发工具进行深入学习及 具体实践 3 对电路进行仔细研究 了解电路的工作原理 绘制硬件电路图 4 软件系统的分析 根据要求编写出适合系统的程序 并校验程序的正确性 对整个系统进行虚拟调试 四 主要参考文献与资料获得情况 1 PLC 编程实用指南 宋伯生编著 北京 机械工业出版社 2007 2 工业控制电子学 设备 系统与应用 美 Terry Bartelt 著 姜绍龙 富晓 静 张剑译 北京 清华大学出版社 2005 3 工业控制工程实践技术 付家才主编 北京 化学工业出版社教材出版中心 2003 4 PLC 编程手册 设计手册 5 从入门到精通 西门子 S7 300 400 PLC 技术与应用 张运刚等 北京 人民邮 电出版社 2007 五 指导教师审批意见 自上学期接受课题之后积极开展毕业设计工作 查阅国内外研究文献和相关书籍 前期文献调研工作开展较为深入 对毕业设计课题有较好的认识 结合毕业设计要求 准备相应知识能力 能够较好的完成毕业设计课题的工作要求 准予开题 指导教师签名 2012 年 3 月 27 日 附录 4 计划进程表 毕业设计 论文 计划进程表 学生姓名丁金涛学号教师姓名张瑞职称讲师 题 目码垛机械手 PLC 控制系统设计 时 间工 作 内 容完 成 情 况 第 17 周 第 18 周 第 19 周 第 20 周 本学期 第 1 周 第 2 周 第 3 周 第 4 周 第 5 周 第 6 周 第 7 周 第 8 周 第 9 周 第 10 周 第 11 周 第 12 周 第 13 周 第 14 周 第 15 周 选题及了解设计任务 查阅相关资料进一步了解设计内容 调查研究 收集资料 研读资料 完成文献综述 阅读相关外文文献 进行外文翻译 完成开题报告 查阅有关参考书和技术资料 确定设计方案 系统硬件元件选型 硬件电路设计 绘制硬件电路图 修改并最终完成硬件电路图 系统软件设计 系统软件设计 调试程序 模拟运行 调试程序 模拟运行 编写说明书 编写说明书 完成论文 准备答辩 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 已完成 附录 5 中期检查表 毕业设计 论文 中期检查表 题目名称 码垛机械手 PLC 控制系统设计 学生姓名丁金涛所学专业机械工程及自动化学号 一 已完成的任务 1 认真阅读毕业设计任务书和毕业设计指导书 到图书馆及上网查找和研 读相关文献 对所涉及知识都有掌握 并已找到所需参考书等资料 2 完成外文翻译 文献检索及开题报告工作 3 查阅有关参考书及技术资料 进行分析 比较 论证后确定最佳的设计 方案 4 了解 PLC 变频器 编码器和光电开关等所要用到的硬件元件 并根据 工作要求完成对各个元件的选型 5 用 CAD 绘制 PLC 组成模块图 电动机控制图 输入输出接线图等硬件图 并对其进行修改以满足设计要求和注入自己的设计理念 6 了解 s7 300PLC 编程软件的应用 熟悉及掌握 PLC 编程语言 7 根据系统要求画出控制系统的工艺流程图 8 开始编写程序 基本完成自动控制部分程序的编写 9 熟悉 PLCSIM 仿真软件的使用 试着调试程序 二 存在问题 1 对变频器和编码器的工作原理不是很明白 导致对总的工作过程的实现 有些地方不清楚 2 在 I O 分配表时 对模拟量及数字量输入输出地址不知怎么确定 3 用 CAD 绘制 PLC 组成模块图时不知道各组成模块的各自端子编号 4 绘制 I O 接线图时 没有把模拟量输入输出和数字量输入输出分开 且 对各输入输出的电源提供不清楚 5 电动机正反转控制中 对接触器的理解错误 导致绘制的电路图出现问 题 6 软件方面 对 s7 300 编程软件操作 有些地方不明白 7 自动控制程序中 对于当码垛高度高于原点的情况不知如何解决 8 对手动控制的过程及具体功能不太清所以楚的编程还不知如何下手 9 对仿真软件 PLCSIM 对所编程序的调试还不熟悉 三 拟采取的研究方法和可行性分析 1 查阅有关变频器和编码器元件原理方面的书籍和文献 彻底搞清楚其工 作过程 弄明白控制系统是怎么实现所需的控制功能的 2 通过对 PLC 的进一步了解 确定各输入输出的物理地址 3 查找 PLC 各组成模块的使用说明书 找到各输入输出所对应的模块上的 端子号 4 对模拟和数字输入输出模块分开绘出 并且在绘制数字输入输出元件时 中间辅以中间继电器 起保护 PLC 的作用 5 分清主电路与控制电路 正确画出电动机正反转控制图 6 进一步熟悉编程软件 实现所有的控制功能 7 掌握仿真软件的使用方法 对所编程序进行调试 得到正确的自动及手 动控制程序 四 指导教师对学生劳动纪律 设计 论文 进展等方面的评语 该生工作积极认真 耐心谨慎 认真并准时完成了外文翻译 文献检索及 开题报告等初期任务 当老师指出其中错误之处 其认真听取并及时改正 当 在硬件设计方面遇到问题时 能够查找各相关资料解决硬件选型的问题 在绘 制硬件图时 严格要求自己 以工程实用的标准绘制 不断修改硬件图 以使 其满足电气图绘制要求 指导教师签名 2012 年 4 月 27 日 一套采用一套采用 PLC 及工业无线模块及工业无线模块 构建的工业现场水泵控制试验系统构建的工业现场水泵控制试验系统 Ramazan Bayindir a Yucel Cetinceviz b a 土耳其安卡拉 Gazi 大学技术学院 b 土耳其卡斯特木卡斯特姆大学 机电一体化高等教育职业学院 文章信息 关键词 文章历史 可编程控制器 2010 年 6 月 22 日收到 分布式 IO 2010 年 10 月 14 修订 工业无线局域网 2010 年 10 月 19 接受 工业以太网 摘要摘要 本文设计了一套针对工厂的水泵控制系统 并在实验室完成了该系统的构建 在 这些工厂中的工作环境比较恶劣 如存在化学品 振动和频繁移动部件 从而可能会 损害控制系统的构成部件 电线或电缆 由此 数据不得不通过公共路径进行传输 本文所设计的系统采用了可编程控制器 PLC 及工业无线局域网 IWAN 技术 它是由一个 PLC 一个通信处理器 两个 IWAN 模块 和一个分布式输入 输出模块 以及水泵和传感器组成 该系统以工业以太网和标准的传输控制协议 网际协议 TCP IP 来实现参数 配置和诊断数据的通信的 可编程控制器的主要功能是根据 水罐中的水位控制水泵的启停 水位信号是由压力变送器和多组限位开关获取的 本 文的目的是对于电缆布线不可能的生产过程提供一个可行的解决方案 它还有安装和 维护的成本较低 运行可靠 强大和灵活的结构 适合工业应用的优点 2010 由爱思唯尔公司保留所有 权利 1 简介简介 现代生产过程使用工业自动化系统 在这些过程的自动化是必然的 它能促进高 效率和高质量的生产 对这一级的自动化 一天天的生产任务已迅速取得进展 自动 控制系统使进程运行在一个安全和盈利的方式 这可以通过不断测量工艺操作参数 如温度 压力 流量和浓度水平实现 这些参数可以用来自动进行工艺决策 例如 动阀或泵 和控制加热 以使过程测量保持在理想值 现代制造系统中的抽水设备是许多工业生产活动 尤其是在化学或食品行业的主 要设备 1 抽水系统通常存在于生产厂的外部 它们在恶劣的环境中 可以破坏任何 一中布线 在通信技术的最新进展为这一问题提供了适当的解决方案 数据通信在快速发展的工业化系统中起着重要的作用 工业自动化系统是周边生 产单位运转正常 通过所有可能的产品系统的之间的数据通信 它们也为高层管理提 供来自所有系统的信息 分布式生产或服务需要使用异构网络 包括本地和广域网络 由不同组织调节的有线和无线通信系统 这些组织有控制器区域网络 联络母线 设 备网 网络通信协议 AS 接口和现场总线 2 3 无线局域网技术在办公环境 尤其是 小型办公室及家庭办公室设置中广泛使用 如前所述 传统的网络提供了许多优势 但需要电缆互连设备 由于低的可扩展性和连接器的高失败率 这导致高安装及维修 成本 在制造厂最有前景的创新是无线技术的引进 通过给工厂装上无线系统 大量 电缆将被取代 这将会减少部署和维修成本 由于流动性的增强和更灵活的通信范式 无线系统也能确保新的应用 4 5 出于这个原因 在过去的几年内 无线技术已经在 消费品行业有了巨大的成功 无线解决方案对制造工厂的通信系统变的越来越有吸引 力 此外 在传感器水平采用无线解决方案提供了其它的优点 连续 高分辨率 高 敏感 支持移动性 备份 和紧密 6 在工业领域运用无线通信技术 为这种环境特意设计的产品是可取的 无线解决 方案正越来越多的用于处理厂以满足现代工作实践的需要 无线技术可能有在有线系统不存在的安装成本的节省和一定程度的灵活性 有线 控制系统需要挖沟铺设新线 修复旧线或更换铜线可能非常昂贵 一些具体的盈利功 能的无线网络安装和维护成本更低 物理障碍问题的干扰更小 标准最小化和传输比 特率增加到 54M 7 在使用无线系统时 有几个限制应该仔细考虑 例如 安全问题 可靠性 覆盖 面积和容错 尽管无线网络的优势 对这些问题和解决方案的不充足的资料也可以使 用 8 对于工业无线通信 有几个参数必须加以考虑 就像用于工业无线传输实验的模 型一样 在工业无线通信系统中 对可能影响时间行为和失效模式的相关参数都做了 定义和描述 一些研究已经在工业厂房的无线通信中使用 在 7 中 进行了最显著的分析 在 这项工作中 彻底调查所有工业的要求被提出 成本效益 可扩展性 可靠性 灵活 性 可用性高 抗干扰性 安全性 以及许多其他因素 这些问题在危险和噪杂的环 境中是是至关重要的 现有的无线解决方案进行了审查 而且行业需求和现有的无线 标准之间的工作开发潜能应相匹配 远程自动抄表 AMD 系统是用于给水机构 9 在这项工作中 为实施该系统 磁共振 磁阻 传感器 磁簧开关和 cyble 传感器模 块 以及安装系统的通信 射频和模块都要用到 在 10 中 作者调查了无线通信在 工业应用的问题和相应的解决方案 基本问题 使用现有的无线技术这一特定领域的 应用 并创造混合系统 在 4 无线传感器网络被详细描述 在 11 中 描述了实现 一个接口模块 12M 钻井和批准过程 基于 IEEE1451 标准 本产品模拟了拥有工 业液压模块 MHI 01 的一个系统 在很多作品中都有关于工业无线传感器的研究 12 16 在 17 20 的的研究报告中 无线传感器模块被用于家庭自动化 在 21 中 拥有一个个人数字助理 掌上电脑 一个可编程控制器 一个无线 设备服务器及其驱动程序组成的一个伺服电机远程控制 系统通信由无线网卡的掌上 电脑 无线设备服务器 和 RS 232 端口控制器建立 在 1 中 使用一个可编程控 制器和频率控制对一个小容量泵水系统设计 构造 测试 在这项工作中 系统的通 信是由电缆确立的 在其它作品中 一些用可编程控制器和传统布线系统过程控制的 例子被提出 1 22 30 可编程控制器通常是工业自动控制系统的主要部分 它们用于内部存储指令 执行控制功能 如逻辑 顺序 定时 计数和算术 它们通过模拟数字或模拟输入 输出模块控制各种类型的机械和工艺进程 它也可用于监测和控制植物或设备行业如 电信 能源 水和废物管理 石油和天然气精炼 运输 23 本文在于为工厂布线不 可能的地方提供可行的解决方法 该解决方案应该降低安装成本和维护成本 提供可 靠的运行 并成为强大和灵活的建设工业应用 在这项研究中 我们使用西门子工业 无线局域网 SCALANCE WIWLAN 模块 这是从不同的无线传感器网络 无线传感器 网络 和无线局域网系统中使用以前的研究报告 图 1 控制过程框图 2 系统设计系统设计 系统设计考虑了环境条件和工艺细节 图 1 是一个例证的控制过程 在这个过程 中 过程变量 光伏 31 32 是水箱中的水位 它是由水槽中的一个压力变送器和 限位开关 最高和最低水位 而且这些值输入到一个自动控制器 这个自动控制器 实际上是一个基于水位的驱动泵 如图 1 所示 一个开放的水槽提供水的流入 Q1 来自一个可以控制的水泵 从槽中流出 Q2 由一个根据用户需要调节的手动阀控制 水槽中的水位根据来 自两个限位开关的控制器接到的压力和输入控制 因此 过程控制模式是开关控制 这是一个不连续的形式的控制行为 也被称为双位控制 在这个过程中 当水位处于 最小值时 开关控制器转向打开位 当水位达到最大值时 控制器转向关闭位 图二 是根据环境条件和所需的过程控制设计的系统框图 2 1 硬件结构硬件结构 如图三所示 整个系统由三个不同的单元组成 第一个单元是电脑 电脑运行一 个命名为西门子管理器的项目 它用于认知硬件 如图 5 所示的软件包 STEP7 还有为可编程控制器编写控制程序 这种控制程序通过 MPI 多点接口 适配器通信电 缆下载到可编程控制器 第二个单元是主节点 它由三个部分组成 一个有数字和模 拟模块的可编程控制器 一个 CP 通信处理器 和一个无线接入点 最后一个单 元在客户端节点的边 这个单元位于控制中心的外部 并与控制设备直接相连 无线 客户端模块 分布输入 输出接口模块和电机防护包装 MPP 构成客户端节点 可编程逻辑控制器 PLC 通常情况下 一个可编程逻辑控制器 33 的基本功能 模块有一个处理器 内存 电源供应单元 输入 输出接口部分 通信接口和编程装 置组成 图 4 显示了基本安排 该处理器或中央处理单元 CPU 是包含微处理器的单位的单元 根据存储在内 存中的程序 对输出信号的决定 这翻译输入信号并采取措施 供电单元需要将交流电源电压转变为处理器和电路的输入 输出模块所必须的直 流电压 编程设备用于输入所需的程序到内存的处理器上 这一程序得以在设备中运行 然后转移到内存单元的可编程控制器 内存单元用于微处理器程序的存储 内存单元也从存储进程中的输入数据和缓冲 数据输出 输入和输出部分接受来自外部设备的信息 以及来自外部设备的传达 信息 输入可能来自于开关和传感器 像光电细胞 温度传感器 或者流量传感 器 输出可能与马达启动器线圈 电磁阀 或其他执行机构相连 输入和输出设 备可分为信号的类型 如数字或模拟 通信接口是用来在通信网络上接收和传送数据 它管理设备验证 数据采集 同 步用户应用程序 和连接管理 在这项研究中 我们运用了西门子 S7313C 紧凑可编程控制器 它 24DIs 数字输 入 16Dos 数字输出 5AIs 模拟输入 2AOs 模拟输出 和一个电源 120 230V AC 24V DC 5A 通信处理器 CP 可编程控制器系统的以太网模块是将可编程控制器连接到网 络的通信处理器 29 一个附加的通信处理器是用来允许可编程控制器和工业无 线网之间通过传输控制协议 网际协议进行沟通 我们在工作中的 cp343 1 通信 处理器是专为运行在 S7 300 可编程逻辑控制器设计的 它允许 S7 300 被连 接到工业以太网和支持 PROFINET 输入 输出 工业无线局域网模块 当重新配置系统和加快网络部署时 无线网络能够解决布 线所固有的物理障碍 降低安装成本 提高灵活性 7 工业无线局域网是一个覆 盖功能和机制的总称 代表了增强的 IEEE802 11 标准 即使 802 11 这个标准机 制为其在工业应用提供了一个好的强度程度 然而 就像在 PROFINET 34 所要 求的 工业无线网也也支持要求苛刻的应用 提供了一个特别高的实时性和确定 性调度 在这项研究中 一个工业无线网网络使用来自西门子的新的 SCALANCE W 发电 元件 无线网络用 SCALANCE W788 1PRO 临接入点建立 而以太网客户端模 块 W744 1 PRO 用来连接节点到工业无线以太网 分布式输入 输出模块 当一个系统配置后 输入 输出和从进程往往是集中在综 合自动化系统 ET 200S 分布式输入 输出系统是一个离散化 高度灵活的 DP 它与中央控制器或总线的过程信号相连接 ET 200S 支持总现场类型 PROFIBUS DP and PROFINET IO 本研究采用拥有 4 DIs 2 DOs 4 AIs 和用 于工业以太网总线的两个 24 V 电源模块的 ET200S IM151 3PN 标准 电机防护包装 电动机保护套由一个经典的接触器 热开关 电流测量传感器 CMT 和电压测量传感器 VMT 组成 该电流测量传感器用来测量正弦和 非正弦电流 输入电流 0 到 100A 和 4 到 20mA 的输出回路供电 电压测量传 感器用于 0 20 到 0 440V 的交流电压和 0 10 V 0 4 20 mA 的输出信号 2 2 软件结构软件结构 该控制系统的软件在西门子项目管理器中开发 这是当软件包 STEP7 开 始时 中央窗口变为活动状态 默认设置启动 STEP7 向导 帮助程序员创建 STEP7 项目 程序员可以选择编程模式 梯形图 LAD 功能块图 FBD 和指令列表 STL 36 项目结构是用来顺序存储和安排所有的数据和程序的 系统软件分四个步骤完成 第 1 步 设计解决方案的自动化任务 第 2 步 配置硬件和网络 37 如图 5 所示 第 3 步 创建程序梯形图形式 第 4 步 转移程 序到 CPU 最后 测试软件的输入状态 程序执行 并输出状态 图 5 西门子管理器硬件配置 3 系统实施系统实施 这种水泵控制系统被设计为一个开关控制器 有可编程控制器中的一个存储程序 操作 数据传输控制水泵是通过工业无线局域网模块由可编程控制器 分布式输入 输出 如图 6 所示的 分布式输入 输出是通过工业无线局域网的无线网络系统连接 到西门子中央处理器 一个 Scalance W788 1 临接入点通过一个以太网模块技术服务 单元连接到系统处理器 在客户端 使用了一个 Scalance W744 1 临客户端模块分布 式输入 输出 ET 200S 每一个工业无线局域网下面是一个由 4 DIs 2 DOs and 4 AIs 组成提供 PROFINET 的分布式输入 输出 ET 200 S 周期时间 程序造成的负荷 被指定为 50ms 这导致典型的反应时约 140 毫秒的更新时间 32ms 3 1 系统通信系统通信 系统通信是由三个主要部分 个人电脑侧 接入节点 和客户端 个人电脑通过 一个网络接口连接到主节点 通道和客户端访问节点之间是通过工业应用 IEEE 802 11 6 8 标准通信的 通过高达 11Mbps 的速度和 2 5 兆赫频率的 802 11b g 和 802 11 标准工业无线局域网模块支持射频通信的运行 38 39 图 7 表明在 802 11a b g 标准下最小交易时间为 32 字节数据 到达无线局域网 的小数据包的最小交易时间在用 54 兆位 秒 802 11a or 802 11g 时的 120 s 与用 802 11b 的 1000 s 之间 许多工业系统的要求由这些无线局域网组件提供 40 如图 6 所示 客户端节点是直连接到控制设备通过常规命令组件 通信是由网络 组态软件包 STEP 的一部分通过工业以太网现场总线建立 PROFINET 使分布式现 场设备 如信号模块输入 输出设备 是直接集成在工业以太网 在配置 STEP7 这 些现场设备被分配到中央控制器 输入 输出控制器 现有的模块或设备可以继续使 用 PROFINET 兼容接口或链接 ROFINET 为拥有工业无线局域网的无线通信提供了 新的功能和应用 实现的功能基于通过无线局域网的 ROFINET 网络 如图 8 所示 以下功能使用于通过 PROFINET IO 控制器 CP 获得的 S7 300 CPU 和 PROFINET IO 设备之间用户程序的数据流量 PNIO SEND FC 11 PNIO RECV FC 12 此外 下列功能块可用于诊断 PNIO RW REC FB 52 不能用于此应用程序 PNIO ALARM FB 54 不能用于此应用程序 这些功能块包括在 SIMATIC NET CP 图书馆 FC 11 PNIO SEND 块用于传输过程数据 也被称为用户程序中的循环 过程数 据可作为一个数据块用做内存 FC11 将过程数据传送到 CP 然后再到 PROFINET 输入输出设备 FC12 块 PNIO RECEIVE 用于从 PROFINET 输入输出设备 控制器 输入 接受数据 以及用于将输入输出提供位 IOPS 从 PROFINET 输入输出设备转 移到指定输入区 38 图 6 设计系统图片 图 7 最小执行次数为 32 字节数据 40 3 2 系统操作系统操作 抽水设备也许是用于化工 食品和其它行业的现代制造业和工业生产系统的重要 部分 抽水系统通常存在于生产工厂的外部和可能损害任何一种布线的环境中 因此 设计这个系统的目的是用于无线 工业无线局域网模块的通信和自动控制系统 用一个泵组向大量工厂供水的非常有效的计划是通过一个对所有馈线供水的环形 总线实现 这些系统的控制系统通过监测水位工作 在这项研究中 水位通过一个压 力变送器衡量和最高最低限位开关预防 测量压力的方法 液体高度与一定基础上的压力成正比 如果基本液体压力公式 已经有了 P d g h 1 dwater 1000 kg m 定值 g 9 81 N kg 定值 d 代表液体的密度 它是一个定值 由所用的液体确定 g 是重力加速度 P 1000 9 81 h N m 1 帕斯卡 10 帕 用以上公式 可以获得表 1 中的值 SIMATIC Step 7 V5 4 已用于软件编程 如图 9 所示 流程图完成后 用组织块 功能块 数据块 以及图 10a 所示的带数据块的下属块将程序结构体系创建成图 10b 所示的程序层次 应用功能块包含应用程序信号处理 如缩放 检测报警或控制与计 算 41 符号名字在符号表中给出 例如 压力 高度和控制分贝 如图 10c 所示 使用 STEP7 中的标准库量值压力 电流电压转换模块 图 10d 显示的系统视图程序 系统程序被设定为 当水位下降时开泵 当水箱满时关泵 当油箱是满的 通过无线 工业无线局域网模块 使控制系统的信号泵关闭 为防止溢出 当超过最大位时 水 箱关闭 泵系统工作如下 水通过由用户操作的手动控制阀从水箱流出 当水位引发 低限位开关 一接触关闭和发射器发送数字信号 以及压力变送器 虚拟制造技术和 线程通过无线客户端和接入点发送 4 20 毫安信号到控制器 如果泵电流值不大于 1A 和泵的电压值不小于 220V 可编程控制器的主要功能是发送数字信号到泵 使其打 开并将水箱充满 当水箱装满水时 压力变送器将高位的相关值缩小 或为预防电容 开关一个接触的发射器 和发送 关闭 信号到控制器 然后可编程控制器发送数字 输出到水泵使其关闭 图 8 在 CPU 中 FC11 和 FC12 中的典型序列 图 9 泵控制流程图 图 10 该系统的程序结构 a 下属快 变量数据块 压 力程度快 泵控制功能块梯形图 4 总结总结 工业无线局域网模块和可编程控制器是过程自动和控制的自然技术选择 7 8 无线网络提供了必要的灵活性 低的维护成本 工厂设计及控制的可扩展性 本文 我们讨论了水泵抽水的设计和实施过程 提出的结构和结果表明用工业无线局域网协 议与可编程控制器通信的可行性 该系统使用工业应用进行测试 而且它还有很好的 性能 通常情况下 有线控制系统需要挖沟铺设总线 而修复旧线或更换偷铜线可能 非常昂贵 在这项研究中 水泵控制的无线通信解决了这些问题 而且拥有远超有线 控制系统的明显优势 致谢致谢 这项研究来自于 Gazi 大学科研项目委员会的支持 资助 07 2009 06 参考文献参考文献 1 Ali A Al SoudM Abdallah E Addallah S 泵水系统的变频控制 乔丹期刊机 械及工业工程 2009 3 216 21 2 Mossin EA Pantoni RP Brand o D A 用于训练目的的现场总线模拟器 ISA 转换器 2009 48 132 41 3 Neumann P 通信在工业自动化的应用 怎么回事 控制工程实践 2007 15 1332 47 4 Gungor VC Lambert FC 电力自动化系统通信网络的调查 计算机网络 2006 50 877 97 5 Brevi D Mazzocchi D Scopigno R Bonivento A Calcagno R Rusina F A 第七届国际研讨会关于工业通信系统中 802 11a 连接在工业环境下的分析方法的 讨论 2006 p 165 74 6 Flammini A Ferrari P Marioli D Sisinni E Taroni A 有线和无线传感器网络 的工业应用 微电子学杂志 2009 40 1322 36 7 Egea Lopez E Martinez Sala A Vales Alonso J Haro JG Malgosa Sanahuja J 无线通信的部署行业 查看问题 选择和技术 工业用计算机 2005 56 29 53 8 Gnad A Kr tzig M Rauchhaupt L Trikaliotis S 无线自动化的相关影响关于 工业通信系统的第七届国际研讨会 2008 p 341 8 9 Kim H Ayurzana O 通过传感器的升级改进远程水表的数据接收率 国际控制 自动化和系统杂志 2009 7 145 50 10 Sw ll g A Matheus K Wolisz A 工业网络的无线技术 Proceedings of the IEEE 2005 1130 51 11 Batista EA Silva ACR Gonda L Pereira MC da Silva I Ferreira WM et al 用于工业自动化进程的 IEEE1451 based 多接口模块 I2M 写于传感器应用传 感器 2008 p 220 4 12 Howitt I Manges WW Kuruganti PT Allgood G Gutierrez JA Conrad JM 工业无线传感器网络服务质量评价 框架和服务质量管理 ISA Transactions 2006 45 347 59 13 Ramamurthy H Prabhu BS Gadh R Madni AM 工业无线监测和控制使用智 能传感器平台 IEEE 传感器杂志 2007 7 611 8 14 Gaderer G Loschmidt P Mahmood A 灵活无线自动化实时环境的新方法 In IEEE 关于工厂通信系统的国际研讨会 2008 p 81 4 15 Liu X Goldsmith A 分布式控制的无线网络设计 In IEEE conference on decision and control 2004 p 2823 9 16 Zhuang LQ Goh KM Zhang JB 用于工厂自动化的无线传感器网络 合并 技术和工厂自动化 2007 141 8 17 Yuksekkaya B Kayalar AA Tosun MB Ozcan MK Alkar AZ A GSM 电子 与电气工程师协会汇刊 互联网和语音控制的无线互动家庭自动化系统 电子消费品 52 2006 p 837 43 18 Chung WY JuOh S 用于室内环境的无线传感器模块的远程监控系统 传感器 和执行器 B Chemical 2006 113 64 70 19 Alkar AZ Buhur U 一个基于互联网上的 IEEE 交易无线回家自动化系统的 多功能设备 家用电器 卷 51 2005 p 1169 74 20 Oksa P Soini M Sydanheimo L Kivikoski M Kilavi 无线楼宇自动化平台 能源和建筑 2008 40 9 1721 30 21 Wu RC Wu HC Teng JH Huang CC 可编程序控制器 PLC 通过 PDA 实现 的无线遥控器 图形控制 In IEEE region 10 conference 2007 p 1 4 22 OgawaM Henmi Y 基于啤酒酿造过程自动化应用控制系统在 pc plc 的进 展 In SICE ICASE international joint conference 2006 p 18 21 23 Shankar KG 基于 PLC SCADA 的锅炉操作控制 In