柔性加工制造系统解读.docx
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柔性加工制造系统解读
毕业设计
题目:
柔性制造加工控制系统设计
所属系、部:
电子信息与电气工程系
年级、专业:
电气自动化121
姓名:
王宇恒
学号:
20120101134033
指导教师:
冉老师
完成时间:
2015年5月
成都纺织高等专科学校
毕业设计任务书
1.毕业设计(论文)的主要内容及基本要求
柔性制造加工控制系统设计
主要内容:
越来越多现代企业已跨入自动化生产线的行列。
利用电气工程学院的柔性加工制造系统实验室中的西门子PLC及其相关教学设备,模拟机械制造生产线现场控制,设计一个与实际生产情况十分接近的联动控制系统。
功能要求:
1)2台工作单元联动,能分析控制要求,选择控制协议,能实施硬件和程序编写;
2)多台工作单元联动控制
说明:
要求:
熟悉西门子PLC、熟悉通信协议,熟悉机械加工工艺过程;
2.指定查阅的主要参考文献及说明
1M801MPS模块化生产制造系统实验指导书
2西门子PLC手册
3西门子工业通信协议手册
3.进度安排
设计(论文)各阶段内容
起止日期
1
查阅相关资料或调研市场上的选座产品
2015年3月6日----3月25号
2
设计方案分析,比较各种方案的优缺点
2015年3月26日——4月1日
3
系统的框架和硬件选型及电路设计
2015年4月2日——4月8日
4
程序编写和调试
2015年4月9日——5月8日
5
论文撰写和修改
2015年5月9日——5月15号
摘要
柔性制造加工控制系统系统完成一个工件的拆卸、分拣工作,模拟一个生产流水线的生产过程。
首先由供料站提供原料,运输站将其送至加工站加工,然后送至装配站进行安装,最后由分拣站进行分拣。
设计以送料、加工、装配、输送、分拣等工作单元作为自动生产线的整体设计,构成一个典型的自动生产线的机械平台,系统各机构的采用了气动驱动、变频器驱动和步进(伺服)电机位置控制等技术。
本系统根据电气工程学院现有实验实验室布局进行了实验和改造设计,多台工作单元联动控制,能分析控制要求,选择控制协议,能实施硬件和程序编写希望对教学或实验能有所帮助。
关键词:
西门子PLC;协议;自动化生产线
Abstract:
Theflexiblemanufacturingcontrolsystemcompleteaworkpiecedismantling,sorting,thesimulationoftheproductionprocessofaproductionline.Firstbythefeedingstationtoproviderawmaterials,transportstationwillbesenttotheprocessingoftheprocessingstation,andthensenttotheassemblystationswereinstalled.Finally,bysortingstationforsorting.Designedtofeed,processing,assembly,transport,sortingandotherunitsofworkasanautomaticproductionlineoftheoveralldesign,constituteatypicalautomaticproductionlineofmechanicalplatform,theagenciesofthesystembygasdrive,inverterdrivesandstepper(servomotorpositioncontroltechnology.
本系统根据电气工程学院现有实验实验室布局进行了实验和改造设计,多台工作单元联动控制,能分析控制要求,选择控制协议,能实施硬件和程序编写希望对教学或实验能有所帮助。
ThesystemaccordingtotheElectricalEngineeringCollegeoftheexistingexperimentallaboratorylayoutofexperimentandimprovementdesign,multiunitlinkagecontrol,analysisandcontrolrequirements,selectthecontrolprotocol,cantheimplementationofhardwareandprogrampreparedhopetobehelpfulforteachingandexperiment.
Keywords:
SiemensPLC;Deal;Automatedproductionlines
目 录
前言1
1柔性制造系统的产生和发展2
1.1柔性制造系统的产生2
1.2柔性制造系统的功能2
1.3柔性制造系统的发展3
1.4自动生产线基本组成3
2组网协议分析5
2.1基本概念5
2.2可用通讯协议 分析6
3方案设计及系统分析7
3.1方案7
3.2系统分析8
3.2.1Profibus-DP分层体系8
3.2.2Profibus-DP的传输技术(物理层)9
3.2.3Profibus电缆规格要求-RS485(A型电缆)9
3.2.4不归零编码NRZ11
3.2.5Profibus-DP的总线拓扑结构11
3.2.6S7-300与S7-200通信12
3.2.7TD400C的特点14
3.2.8Profibus总线访问方式14
3.2.9数据链路的协议15
3.2.10Profibus报文格式15
5软件调试17
6系统评价19
6.1系统的优点19
6.2系统需要改进的地方19
7结论19
8谢辞20
前言
实现基于Profibus-DP现场总线的SiemensPLCS7-300控制系统设计及组态,包括PLC控制系统设计、上位机管理和监控系统设计。
对于总线协议的研究可以更深入的掌握PROFIBUS的通信机制。
PLC控制系统与现场总线技术的结合,实现了系统高速实时通信的目的,增强了系统的稳定性,安全性和实时性,二十世纪以来,为了实现自动化,人们研究和制造了成千上万种自动控制系统,极大地推动了生产劳动、社会服务、军事工程和科学研究等活动。
随着自动化技术的发展,这是机械化、电气化和自动控制相结合的结果,处理的对象是离散工件。
早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。
20世纪60年代以后,由于电子计算机的应用,出现了数控机床、加工中心、机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等。
研制出适应多品种、小批量生产型式的柔性制造系统(FMS)。
以柔性制造系统为基础的自动化车间,加上信息管理、生产设备自动化,出现了采用计算机集成制造系统(CIMS)的工厂自动化(FA)。
电子信息技术的飞速发展又给自动化工业控制系统带来了深刻的变革。
逐步形成了现在的以网络集成自动化为基础的企业信息系统。
它具有开放、数字化、容易进行数据交换的特点。
它利用现场总线连接智能现场设备和自动化系统形成数字式、双向传输、多分支结构网络特色的自动控制系统。
这样,现场总线成为当今3C(ComPuter、Control、Communication)发展的结合点,也是过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术发展的交汇点,而且是信息技术、网络技术的发展在控制领域的集中体现,是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。
因此,现场总线控制系统及时一个开放的通信网络,又是一种分布式控制系统,它作为智能设备的联系纽带,把挂接在总线上作为控制节点的职能设备连接为网络系统,并进一步构成自动化控制系统。
它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化控制系统得到越来越广泛的应用。
1柔性制造系统的产生和发展
1.1柔性制造系统的产生
柔性制造系统(FMS)的雏形源于美国马尔罗西(MALROSE)公司,该公司在1963年制造了世界上第一条加工多种柴油机零件的数控生产线。
FMS的概念由英国莫林斯(MOLINS)公司最早正式提出,并在1965年取得了发明专利,1967年推出了名为“Multisystem-24”(意为可24小时无人值守自动运行)的柔性制造系统,使FMS正式形成,至今已发展了30多年。
柔性制造技术是管理技术和制造技术的有机集合,换句话说它是以数控技术为核心,以计算机技术、信息技术、检测技术、质量控制技术与生产管理技术相结合的先进制造技术,因而被世界各国所重视,并在发达国家的制造业中得到了广泛的应用。
FMS的出现和应用,成功解决了占机械制造业70%以上多品种、中小批量生产的效率低、成本高、质量差等弊病,很好地适应了产品生命周期短、市场竞争激烈、用户要求多样化的需求特点。
FMS柔性生产系统的应用,解决了近百年来传统批量生产中固有的生产率同生产柔性,加工批量同制造成本之间的固有矛盾,使生产技术的潜力有了质的飞跃。
1.2柔性制造系统的功能
柔性制造系统是一种由两台以上加工中心或NC机床、一套功能完善的刀具和工件运输与存储系统,在计算机控制下能完成零件的整个制造过程的系统。
虽然这种系统结构复杂、投资巨大,但是由于它能够适应中小批量多品种零件的加工要求,受到了制造厂商的普遍欢迎,是一种能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。
柔性制造技术高效、灵活的特性使其曾经是实施敏捷制造、并行工程、精益生产和智能制造的基础,且应用日益广泛,现己成为整个机械制造领域的核心技术。
FMS的工艺基础是成组技术,它按照成组的加工对象确定工艺过程,选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料储运系统,并由计算机进行控制,故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产(即具有“柔性”),并能及时地改变产品或产品的各项属性以满足市场需求。
FMS兼有加工制造和生产管理两种功能,因此能综合地提高生产效益。
FMS的工艺范围正在不断扩大,可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。
采用FMS的主要技术经济效果是:
能按装配作业配套需要,及时安排所需零件的加工,实现及时生产,从而减少毛坯和在制品的库存量,及相应的流动资金占用量,缩短生产周期;提高设备的利用率,减少设备数量和厂房面积;减少直接劳动力,在少人甚至无人看管条件卜实现昼夜24小时的连续生产,提高产品质量的一致性和稳定性。
柔性制造系统按机床与搬运系统的相互关系可分为直线型、循环型、网络型和单元型。
加工工件品种少、柔性要求小的制造系统多采用直线布局,虽然加工顺序不能改变,但管理容易;单元型具有较大柔性,易于扩展,但调度作业的程序设计比较复杂。
柔性制造系统有很多优点:
1)机床连续24小时运行;
2)减少直接劳动工人数量,在FMS中,加工、换刀、装夹、测量和物料搬运,全部由计算机自动控制,只需工人负责观察运行情况,进行工件装卸和维护;
3)减少在制品库存; 4)减少刀具和夹具; 5)柔性高。
柔性是FMS最大的特点,具体表现在:
1)能够加工比较宽的零件带,包括并不相似的零件; 2)能够适应变化的零件批量、零件品种的混合; 3)能够迅速响应设计、工艺的变化; 4)有能力适应生产计划的突然变化; 5)系统本身易于扩展、重新配置和改变。
1.3柔性制造系统的发展
经过近30多年的努力和实践,FMS技术已日趋完善,进入了实用化阶段,形成了高科技产业。
随着科学技术的进步以及生产组织与管理方式的不断更换,FMS作为一种生产手段也将不断适应新的需求,不断引入新的技术、不断向更高层次发展。
FMS近期的主要发展趋势有:
1)向小型化、单元化方向发展; 2)向模块化、集成化方向发展; 3)单项技术性能与系统性能小断提高; 4)重视人的因素; 5)应用范围逐步扩大。
总之,FMS是为解决多品种、中小批量生产效率低、周期长、成本高以及质量差等问题而出现的,作为应付市场激烈竞争的主要手段,FMS己在各国特别是工业发达国家中得到了广泛的应用。
但是,FMS要实现自动化加工,必须具有仓储管理功能。
仓储信息管理系统成为FMS的一个不可或缺的子系统,其目的就是及时而准确地控制库存,以便在维持较好的设备利用率的前提下,生产出所需的合格产品。
1.4自动生产线基本组成
自动生产线由安装在铝合金导轨式台面上的供料单元、加工单元、装配单元、输送单元和分拣单元5个单元组成。
其外观如图2-1所示。
图2-1自动生产线外观
其中,每一工作单元都可自成一个独立的系统,同时也都是一个机电一体化的系统。
各个单元的执行机构基本上以气动执行机构为主,但输送单元的机械手装置整体运动则采取步进电机驱动、精密定位的位置控制,该驱动系统具有长行程、多定位点的特点,是一个典型的一维位置控制系统。
分拣单元的传送带驱动则采用了通用变频器驱动三相异步电动机的交流传动装置。
位置控制和变频器技术是现代工业企业应用最为广泛的电气控制技术。
设计中应用了多种类型的传感器,分别用于判断物体的运动位置、物体通过的状态、物体的颜色及材质等。
2组网协议分析
2.1基本概念
串行通信与并行通信
串行通信和并行通信是两种不同的数据传输方式。
并行通信就是一个8位数据(或16位、32位)的每一个二进制位采用单独的导线进行传输,并将传送方式和接收方式进行并行连接,一个数据的各二进制位可以在同一时间内里一次传送。
例如:
老式打印机的打印口和计算机的通信就是并行通信。
并行通信的特点是一个周期里可以一次传输多位数据,其连线的电缆多,因此长距离传送时成本高。
串行通信就是通过一对导线将发送方与接收方进行连接,传输数据的每个二进制位,按照规定顺序在同一导线上依次发送与接收。
例如:
常用的U盘的USB接口就是串行通信。
串行通信的特点是通信控制复杂,通信电缆少,因此与并行通信相比,成本低。
串行通信是一种趋势,随着串行通信速率的提高,以往使用并行通信的场合,现在完全或部分被串行通信取代,如打印机的通信,现在基本被串行通信取代,再如个人计算机硬盘的数据通信,现在已经被串行通信取代。
异步通信与同步通信
异步通信与同步通信也称为异步传送与同步传送,这是串行通信的两种基本信息的上传送方式。
从用户的角度上说,两者最主要的区别在于通信方式的“帧”不同。
异步通信方式又称起止方式。
它在发送字符时,要先发送起始位,然后是字符本身,最后是停止位,字符之后还可以加入奇偶校验位。
异步通信方式具有硬件简单、成本低的特点,主要用于传输速率低于19.2Kbit/s以下的数据通信。
同步通信方式在传输数据的同时,也传输时钟同步信号,并始终按照给定的时刻采集数据。
其传输数据的效率高,硬件复杂,成本高,一般用于传输速率高于20Kbit/s以上的数据通信。
单工、双工与半双工
单工、双工与半双工是通信中描述数据传送方向的专用术语。
单工(Simplex):
指数据只能实现单向传送的通信方式,一般用于数据的输出,不可以进行数据交换。
全双工(FullSimplex):
也称双工,指数据可以进行双向数据传送,同一时刻既能发送数据,也能接收数据。
通常需要两对双绞线连接,通信线路成本高。
例如,RS-422就是“全双工”通信方式。
半双工(HalfSimplex):
指数据可以进行双向数据传送,同一时刻,只能发送数据或者接收数据。
通常需要一对双绞线连接,与全双工相比,通信线路成本低。
例如,RS-485只用一对双绞线时就是“半双工”通信方式。
OSI参考模型
OSI是OpenSystemInterconnect的缩写,意为开放式系统互联。
国际标准组织(国际标准化组织)制定了OSI模型。
这个模型把网络通信的工作分为7层,分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
1至4层被认为是低层,这些层与数据移动密切相关。
5至7层是高层,包含应用程序级的数据。
每一层负责一项具体的工作,然后把数据传送到下一层。
PPI通信
PPI是一个主从协议,主站向从站发出请求,从站作出应答。
从站不主动发出信息,而是等候主站向其发出请求或查询,要求应答。
主站通过由PPI协议管理的共享连接与从站通信。
PPI不限制能够与任何一台从站通信的主站数目,但是无法在网络中安装32台以上的主站。
西门子的S7-200系列PLC可以支持PPI通信、MPI通信(从站)、Modbus通信、USS通信、自由口协议通信、PROFIBUS-DP现场总线通信(从站)、AS-I通信和以太网通信等。
2.2可用通讯协议 分析
PPI协议:
PPI是西门子公司为s7-200而设计的协议,是主-从协议通信,主-从站在一个令牌环网中,主站发送要到从站器件,从站器件响应,从站不发送信息,只是等待主站发出要求并执行。
触摸屏(TD400C)与s7-200可实现简单的PPI网络。
PPI是一个主从协议,主站向从站发出请求,从站作出应答。
从站不主动发出信息,而是等候主站向其发出请求或查询,要求应答。
主站通过由PPI协议管理的共享连接与从站通信。
PPI不限制能够与任何一台从站通信的主站数目,但是无法在网络中安装32台以上的主站。
西门子的S7-200系列PLC可以支持PPI通信、MPI通信(从站)、Modbus通信、USS通信、自由口协议通信、PROFIBUS-DP现场总线通信(从站)、AS-I通信和以太网通信等。
要将每套系统的8个独立单元组建成一套完整的系统,我们可以通过DP网络、工业以太网、MPI网络、PPI网络等诸多不同方法实现。
Profibus—DP协议:
即数据处理(dataprocessing),(DP)是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输。
Profibus-DP是专为现场及控制系统与分散I/O的高速通信而设计的,可用于大多数工业领域。
两台PLC(s7-200与s7-200)之间也可以构成DP网,实验室实现较为简单。
工业以太网:
所谓工业以太网,是指技术上与以太网(即IEEE802.3标准)兼容,但在产品设计上、材质选用、产品强度和实用性方面能够满足工业现场需求的以太网技术。
由于以太网是为办公自动化设计的,没有考虑到工业自动化应用的特殊需求,所以具有延时不确定的缺点,难以满足工业控制中的通信实时性要求。
但工业以太网同样具有:
1)软件资源丰富;2)硬件成本低廉;3)传输速率高;4)可持续发展潜力大;5)易于Internet连接等优点。
诸多时间证明,通过采用适当的系统设计和流量控制技术,以太网可在较大程度上满足工业自动化领域的通信要求。
MPI网络:
MPI是一个函数库,我们一般用它实现两个电脑之间的信息传递。
用它的前提是有网络,有网络才能实现多个电脑上的信息交换。
3方案设计及系统分析
3.1方案
制造系统大多是离散量的控制,实验室有16台PLC226,控制速率要求不高,所以选用基于Profibus-DP的柔性加工制造系统实现加工单元联动控制。
速率12mb,节点可以多至127个。
加工单元供料传输单元
装配单元
由以上三个单元通过Profibus-DP网络连接成为一个工作流水线。
3.2系统分析
3.2.1Profibus-DP分层体系
Profibus-DP是用于现场层的高速数据传输,数据传输范围在9.6kbps---12Mbps之间,每次传输的数据量多达244个字节,采用周期性通信方式,响应时间为毫秒级,可用于大多数工业领域。
3.2.2Profibus-DP的传输技术(物理层)
RS485传输技术
依据RS485异步不归零传输
波特率9.6kbps---12Mbps
双屏蔽电缆
每段32个站,最多允许126个站
有中间继电器距离可延长到10公里
9针,D型插头
3.2.3Profibus电缆规格要求-RS485(A型电缆)
参数A型电缆
*电缆设计屏蔽双绞电缆
*浪涌阻抗135—165Ω
*回路电阻110Ω/km
*线径0.64mm
*线截面积>0.34mm
*每单位长度的电容<30pF/m
9针D型连接器的针脚分布
针脚号
信号名称
信号含义
1
Shield
电缆屏蔽地
2
M24
24V输出电压地(辅助)
3
RxD/TxD-P
接受发送信号P
4
CTRL-P
信号传输方向控制P
5
DGND
数据信号地
6
VP
总线供电
7
P24
正24V输出电压(辅助)
8
RxD/TxD-N
接受发送信号N
9
CTRL-N
信号传输方向控制N
实验设备连接实图
3.2.4不归零编码NRZ
信号电平的一次反转代表1,电平不变化表示0,并且在表示完一个码元后,电压不需回到0。
优点:
不归零制编码是效率最高的编码
缺点:
存在发送方和接收方的同步问题
RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差
3.2.5Profibus-DP的总线拓扑结构
3.2.6S7-300与S7-200通信
通过EM277模块,将S7-200作为从站集成到Profibus-DP网络中
设置站点地址,连接线缆如图:
EM277
TD400C
3.2.7TD400C的特点
*读取并显示PLCCPU的信息
*为CPU设置日期和时间
*改变程序变量,强制和取消强制I/O点的能力
*可以单独供电(使用DC24V),也可以由PLCCPU通过TD/CPU电缆供电
3.2.8Profibus总线访问方式
3.2.9数据链路的协议
令牌传递方式:
令牌总线是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”(token)作为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。
在采用令牌总线方法的局域网中,任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据。
令牌按照站点地址的序列号,从一个站点传送到另外一个站点。
这个令牌实际上是按照逻辑环而不是物理环进行传递。
在数字序列的最后一个站点将令牌返回到第一个站点。
这个令牌并不遵照连接到这条电缆的工作站的物理顺序进行传递。
可能站点1在一条电缆的一端,而站点2在这条电缆的另外一端,站点3却在这条电缆的中间。
在逻辑环中,令牌在规定的时间内按照地址的升序在各主站中依次传递,具有最高站地址主站例外,它只传递令牌给具有最低总线地址的主站,以此使逻辑令牌环闭合。
主从站点数目最多为126,127为广播地址,主站地址最多32个。
主从方式:
网络中的主站拥有从站时,该主站一旦获得总线访问权(令牌),就可以向从站发送或索取信息。
主站下传命令,从站给出响应,配合主站完成对数据链路的控制,一个主站应与相关的多个从站建立一条数据链路,从站可以发送多个信息帧直到从站没有信号帧发送、本次发送帧的数目已达到最大值、或从站被主站停止,在下一个扫描周期内重复执行上述操作。
3.2.10Profibus报文格式
Profibus的特征码由11位组成,即1个起始位(起始位总为0),8个数据位,1个校验位和一个停止位(停止为总为1)。
5软件调试
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