（控制理论与控制工程专业论文）基于s7300顺序逻辑控制仿真系统的设计与研究.pdf

硕士论文 基于s 7 3 0 0 顺序逻辑控制系统的仿真设计与研究 摘要 本文依托于某高校p l c 实验室建设中模块化加工实验系统虚拟仿真设计而开展的 研究工作。根据p l c 逻辑控制实验室仿真实验的建设要求和目的，考虑到高校的实验 室状况以及社会对自动化人才需求的要求，从实验室教学及技能培训角度出发，设计了 基于s 7 3 0 0 顺序逻辑控制仿真系统。 笔者通过分析真实的模块化加工实验系统的工艺流程和控制参数，利用西门子 s t e p7 编程软件、s i m i t 仿真软件、f e s t o 公司f l u i d s i m p 气动电气仿真软件以及d d e 通讯软件v s w i t c h ，模拟出真实的模块化加工实验系统的工作过程，搭建了一个集控制 和被控对象仿真为一体的虚拟仿真工业控制系统，并利用f l a s h 软件设计了仿真系统的 管理平台。同时，本文对p l c 逻辑控制实验室的建设进行了整体性的规划，对设计与 应用中出现的若干问题进行了探讨与研究，并提出相应的解决方案。在文章的最后，笔 者对未来网络化实验室建设和未来模块化进行了展望。 仿真系统的实现解决了实验室建设中建设经费不足和设备不足的问题，并为实验室 训练人员全面的自动化技能提供了良好的模板与规范的仿真实验平台，可以一步一步地 让学生对系统设计有所掌握，对于培养学生良好的工程意识、较强的实践能力和较高的 综合素质发挥了一定的作用。 关键字：仿真系统，逻辑控制，工程研究，模块化 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd e s c r i b e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h el o g i cc o n t r o ls i m u l a t i o n s y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h em o d u l a rp r o c e s ss y s t e m a c c o r d i n g t h eb u i l d i n gr e q u i r e m e n t s a n da i mo fp l cc o n t r o ls i m u l a t i o nl a b o r a t o r ya n dt h ed e m a n do fo u rc o u n t r yf o rt h ep e o p l e w i t ha u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ea u t h o rc o m p l e t e st h ew h o l ed e s i g no ft h el o g i cc o n t r o l s i m u l a t i o ns y s t e ma n dp l a t f o r mb a s e do ns 7 30 0p l c b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r o c e s sa n dt h ec o n t r o lp a r a m e t e r so ft h er e a lm o d u l a r p r o c e s ss y s t e m ，t h ea u t h o ru s e ds i e m e n st h es t e p 7p r o g r a m m i n gs o f t w a r e ，t h es i m i t s i m u i a t i o ns o f t w a r e ，f e s t oc o r p o r a t i o nf l u i d si m pa i ro p e r a t e de l e c t r i c i t ys i m u l a t i o n s o f h v a r ea sw e l la sd d ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ev s w i t c h ，s i m u l a t e st h er e a l m o d u l a r p r o c e s s i n ge x p e r i m e n ts y s t e m sw o r kp r o c e s s ，h a sc o n s t r u c t e da s i m u l a t i o ni n d u s t r i a ls y s t e m w 1 1 i c hc o i t l b i n e st h ec o n t r o la n dt h ec o n t r o lp l a n t ，a n du s i n gf l a s hs o f t w a r ed e s i g ns i m u l a t i o n s y s t e m - sm a n a g e m e n tp l a t f o r m m e a n w h i l e ，t h ea u t h o r d i s c u s s e st h ep r o b l e m sd u r i n gt h e r e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h es i m u l a t i o ns y s t e m a tt h ee n do ft h i sa r t i c l e ，t h ea u t h o rh a s c 抓e do n 也ef o r e c a s tt ot h ef u t u r ew e bl a b o r a t o r yn e t w o r k c o n s t r u c t i o na n df u t u r em o d u l a r t h er e a l i z a t i o no ft h es i m u l a t i o ns y s t e ms o l v e st h ep r o b l e mo ft h ei n a d e q u a t ee q u i p m e n t a n df u n di nt h el a b o r a t o r yb u i l d i n g ，a l s oe s t a b l i s hag o o ds t a n d a r de x p e r i m e n tp l a t f o r mt o p r o v i d ec o m p r e h e n s i v ea u t o m a t i o ns k i l l st r a i n i n gf o rt h ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g yl e a r n e r s o t h es t u d e n t sc a nm a s t e rt h ed e s i g no fs y s t e m ，a n dc a nb et r a i n e dt oh a v eg o o de n g i n e e r i n g s e n s ea n ds t r o n gp r a c t i c a la b i l i t ys t e pb ys t e p k e y w o r d s ：s i m u l a t i o ns y s t e m ，l o g i cc o n t r o l ，a p p l i c a t i o nr e s e a r c h ，m o d u l a r n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 沙彦年7 月e t 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：醢丝笙加暮 年- 7 月f 日 硕士论文基于s 7 3 0 0 顺序逻辑控制仿真系统的设计与研究 1 绪论 ：i t 1自动化技术发展概况 1 9 4 6 年，美国福特公司的机械工程师d s 哈德最先提出“自动化 一词，并用来描 述发动机汽缸的自动传送和加工的过程。自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化 的重要条件和显著标志。随着自动化技术的发展，控制理论也在不断发展作为一种广 泛的先进的技术手段，自动化技术在提高劳动生产率、减轻工人劳动强度、改善劳动条 件、提高和稳定产品质量、降低能源消耗等方面发挥着巨大作用。 近十多年来，国家有关部门有计划地部署了系列国家级重点科技项目，有力地促 进了我国自动化技术的发展与应用，如：8 6 3 计划机械制造技术领域的现代集成制造系 统和智能机器人两个主题，“九五 国家科技攻关计划的工业机器入产业化开发、现场 总线控制系统开发、现场总线智能仪表研究开发、新一代全分布式控制系统研究与开发 血莹 寸o 2 0 0 0 年，“九五”国家科技攻关计划现代集成制造系统主题有十多个相关重点项目 完成了任务，并通过了验收。综合各项目取得的成绩，可以看到，自动化技术领域的大 多数科技攻关成果获得了应用或产业化，为制造业的技术升级和高新技术的产业化做出 了重要贡献。智能机器入主题在特种机器人、工业机器人和机器人化机械等方面取得了 6 0 0 0 米水下机器人、面向生物工程的微操作系统、室外移动机器人等重大成果，开发出 7 个系列的工业机器人产品和9 类机器人化工程机械产品，完成了1 0 0 多项工业机器人 应用示范工程，提高了我国汽车、电子、摩托车等行业的制造水平【37 1 。 西门子有限公司自动化与驱动集团自动化系统部总经理斐德思在自动控制的逼 近里指出，“产品生命周期管理的目的是优化产品和流程，减少上市时间，降低成本， 更高的灵活性，和提高计划流程质量 。在全球化发展的今天，产品设计和开发国际合 作，产品制造跨国生产，制造商在生存环境中的竞争变得越来越激烈。企业的压力不仅 仅限于同领域厂商的竞争，还有来自上游和下游的挤压，而企业的核心竞争力就是来自 于企业的工艺技术和自动化技术的应用程度【3 q 。 2 0 0 6 年，德国电子电器制造协会的调查，全球电子自动化市场增长了6 。专家们 的预测，在接下来的几年里，自动化技术的发展趋势大体可概括为：分散系统更深度的 发展；以太网向现场总线的渗透：现场装置及驱动产品的自动化；新型的、低成本的传 感器；无线网络通讯；设计和研发的系统集成标准化、组件的自动化和嵌入式技术以及 公司大范围的网络过程的垂直统一管理，数字化工厂或细微加工技术等p 6 1 。 目前自动化技术应用已经深入到社会的各行各业中，其中又以自动化生产线的应用 最为广泛。如图1 1 1 ，即是某工业现场自动化加工生产线： 第1 $ 绪论 顿论文 幽111 粟工业蜕场目动化加工生产线 自动化生产线具有效率高、应用灵活、工作精度高、运行平稳等特点，并且节省了 人力物力，大大提高了生产率。本文的仿真对象模块化加工系统，它是一套实际工业生 产线的物理仿真模型。它充分整合了诸多自动化技术，既可以控制基础操作，也可以控 制复杂操作，为自动化技术人才的培养提供了不可多得的教学培训自动化系统模型。 1 2 论文背景及现实意义 随着自动化技术在社会生产中起到了越束越重要的作用，社会也对自动化人才的需 求量越来越大! 实验教学作为高等学校教学体系的重要组成部分，是培养具有良好理论 水准和技术水平的工程人员的重要途径。在自动化控制与新技术飞速发展的形势下，工 业技术的发展日新月异。为了培养符合社会要求，具有高素质的工程研究应用型人才， 实验室应当厦时吸收科学技术和社会发展的成果，将先进的技术应用到实验室建设中， 从而跟上国际工业技术拉展的步伐，加强实践教学中的综合性和设计性，建设规范化、 标准化、工程化的实验平台让学生在第一时间感触到技术的革新并掌握工程研究应用 的技术。但是，目前在实验室建设方面，学生的培养计划和教学内容由于诸多因素制约， 滞后于社会对技能型人才的要求，尤其是实训环节。 主要制约因素有以下两点： 1 受训人员众多，而实验设备价格昂贵，尤其是全物理仿真设备，例如一套p l c 2 队蔷昌 v 羹 硕士论文 基于s 7 3 0 0 顺序逻辑控制仿真系统的设计与研究 立体型仓库设备花费达四十万元，而一套f e s t om p s 训练系统更是高达八十多万，导 致当前大学实验室及技术培训机构中不可避免地存在着需要培训的人员众多与实验设 备短缺的供需矛盾； 2 现有的实验室对工业自动化技术的培训模式并不能完全满足培养一个高技术水 准的工程人员的要求。现有的全物理仿真实验设备更多地侧重培训受训人员的单一自动 化技术，其结果是受训人员只见树木，不见森林，未能从整体上完全把握一个自动化控 制系统的概念及结构层次，也不清楚如何设计一个完整的工业控制系统。 笔者的工作正是为了解决以上问题，加强高校自动化实验室中p l c 逻辑控制实验 室建设，方便学生进行p l c 控制系统设计训练而利用软件仿真技术对模块化生产系统 进行仿真设计，围绕搭建顺序逻辑控制仿真系统而进行设计与研究。 1 3 主要研究工作 基于以上考虑，本文以全物理仿真系统为被控对象模型，构建基于s 7 3 0 0 顺序逻 辑控制仿真系统，利用计算机仿真技术对仿真系统中各结构模块进行详细设计、研究并 最终完成调试工作，验证本仿真系统的可行性、有效性，从而为实验及培训搭建一个良 好的工业技术仿真实验平台。作者主要研究工作如下： 1 调研当前工业自动化技术在实验室及培训机构中的应用现状，提出解决方案； 2 研究分析本文的真实的被控对象模型，在熟悉使用模块化加工系统的工作单元 的前提下，总结其结构组成及工艺流程等； 3 针对顺序逻辑控制系统特点，制定本文中顺序逻辑控制仿真系统的设计方法， 提出控制仿真系统的总体构架设计； 4 对仿真系统中的可视化部分的被控对象采用s i m i t 软件进行分析与建模； 5 对仿真系统中的气动电气部分的被控对象采用f l u i d s i m p 软件进行分析与建模： 6 设计实现仿真系统中工作单元的控制程序以及s t e p7 、s i m i t 、f l u i d s i m 软件 之间的网关设计： 7 对仿真系统进行多种方式的调试，并重点对其在调试和应用过程中的若干工程 性问题进行研究。 8 利用f l a s h 软件和批处理文件，搭建一个仿真系统的管理软件平台。 1 4 论文内容安排 笔者将本文分成九个章节进行论述。 第一章阐述自动化技术发展概况以及论文依托的项目背景和笔者的主要工作。 第二章是对真实的模块化加工系统进行分析，包括系统的特点、组成、工艺流程图 和控制参数，明确了需要仿真的内容与对象，为后续设计奠定了基础。 3 第1 章绪论 硕：七论文 第三章节在分析了仿真设计的目的和原则的基础上论述了顺序逻辑控制仿真系统 的总体方案设计，设计了控制系统单站与联网情况下的软件总体构架，并根据实验室建 设的方案，给出了实验室建设的整体构建图，并详细分析总体框架下各层次的功能特点。 第三章是全文的重点之一，后续各章节是对第三章中各层次的具体设计与实现。 在接下来的第四章、第五章、第六章主要在第三章仿真系统整体搭建方案的基础上， 具体的利用相关软件实现各个组成部分的设计，分别列举了仿真系统中的某一个工作站 并详尽的叙述了系统设计中的被控对象可视部分的对象仿真开发过程，气动电气仿真开 发过程和控制程序的开发过程。 第七章首先描述s t e p7 与s i m i t 之间的网关以及s t e p7 与f l u i d s i m 之间的网关 是如何搭建的，接着概述了系统的整体实现以及管理软件平台的设计。 第八章则是主要针对调试过程中所遇到的各个软件的自身问题以及设计问题进行 了一些讨论，最后对系统功能扩展方面和利用p l cs 7 2 0 0 实现的可能性进行一定的讨 论。 第九章是对网络实验室设计和未来模块化的一些展望。 4 硕士论文 基于s 7 3 0 0 顺序逻辑控制仿真系统的设计与研究 2 顺序逻辑控制仿真系统仿真对象分析 系统仿真实质上应包括三个基本要素：系统、系统模型和计算机，基本活动则包括： 模型建立、仿真模型建立和仿真实验【1 7 】。而仿真模型的建立首先需要对仿真对象进行分 析，包括其特点，工艺流程，控制参数等，并以分析数据为依据，从而开始建立仿真模 型。本文的任务是对控制系统进行仿真设计，所以首先应当对仿真对象进行分析，使得 仿真能够与真实的被控对象相符合。 2 1 控制系统发展概述 自动化控制系统的历史大致可以分为四个阶段 1i 】： 1 模拟仪表控制系统 2 0 世纪5 0 年代前后，系统的仪表和自动化设备提供的都是模拟信号，这些模拟信 号统一送往集中控制室的控制盘上，操作员可以在控制室中集中观测生产流程各处的状 况。模拟仪表控制系统于2 0 世纪6 0 - - - 7 0 年代占主导地位。其缺点是：模拟信号的传递 需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，计算速度和精度都难以保证，信号传输的抗干 扰能力也较差，传输距离也比较短。 2 集中式控制系统 集中式控制系统于2 0 世纪7 0 8 0 年代占主导地位。它采用单片机、p l c ( 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 ) 或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字量，因 此克服了模拟技术的缺陷，延长了通信距离，提高了信号的精度和抗干扰性。集中4 式 数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机器 的选择上可以统一调度和安排：不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处 理能力和极高的可靠性，当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降【2 2 】，而 一旦中心计算机出现故障，就会导致整个系统的瘫痪。 3 。集散式控制系统 随着计算机技术的发展，计算机的可靠性不断提高，价格也大幅度的下降，在7 0 年 代后出现了p l c 及多个计算机构成的集中和分散相结合的集散式控制系统 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 。集散式控制系统于2 0 世纪8 0 9 0 年代占主导地 位。它弥补了传统的集中式控制系统的缺陷，实现了“分散控制、集中管理 ，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，各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 捌。这种系统在功能、 性能上较集中式控制系统有了很大进步，实现了控制室与d c s 控制站或p l c 之间的 网络通信，减少了控制室与现场之间的电缆数目。但是在现场的传感器、执行器与d c s 5 第2 章顺序逻辑控制仿真系统被控对象分析 硕士论文 控制站之间仍然是一个信号一根电缆的传输方式，电缆数量很多，信号传送过程中的干 扰问题仍然很突出。而且，在d c s 形成的过程中，不同的d c s 厂家为达到垄断经营 的目的而对其控制通信网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的d c s 系统之间以及 d c s 与上层i n t r a n e t ( 企业内部网) 、i n t e m e t 信息网络之间难以实现网络互连和信息共 享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布式 控制系统，目前d c s 造价昂贵l z 2 j 。 4 现场总线控制系统 随着智能芯片技术的发展成熟，设备的智能化程度越来越高，成本在不断下降，因 此，在智能设备之间使用基于开放标准的现场总线技术构建的自动化系统逐渐成熟，通 过标准的现场总线通信接口，现场的i o 信号、传感器及变送器的设备可以直接连接到 现场总线上，现场总线控制系统通过一根总线电缆传递所有数据信号，替代了原来的成 百上千根电缆，大大降低了布线的成本，提高了通信的可靠性。 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 是2 0 世纪8 0 年代中期在国际 上发展起来的一种崭新的工业控制技术【2 2 1 ，是在集散控制系统( d c s ) 的基础上产生的， 和d c s 相比有许多的优点，它一方面突破了d c s 系统采用专用通信网络的局限，采 用了公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷：另一方面，把d c s 的 集中与分散相结合的集散系统结构，变成新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现 场。与传统的控制系统相比，它具有体系结构开放、系统集成灵活方便、硬件智能化、 传输数字化、控制计算高品质化的特点。 1 9 9 6 年西门子公司提出的“t o t a l l yi n t e g r a t e d a u t o m a t i o n ( 全集成自动化) 概念就 是其中的一个典型。全集成自动化是自动化任务的一种创新的解决方案，仅在一个平台 下就可以提供全部功能通过西门子提出的全集成自动化概念， 拥有共同的数据管理、 组态、编程和通讯，利用标准化开放式的产品结构将功能各异的产品整合在一起，更加 轻松，安全地实现生产及过程自动化，可为客户度身定制解决方案。t i a 意味着共同 的组态和编程、共同的数据库管理和共同的通信。对生产过程进行信息化管理，实现从 生产控制到信息管理集于一体，能使企业的生产作业过程与信息管理系统( m i s 、e r p 等) 信息集成，从而提高制造业生产过程的效能。 6 论女基f $ 7 - 3 0 0 顺序逻* # 制仿真系统的设计与研究 凹2 1 1 茔粜成目动化的整怀垢荆目 这个理念内涵了西门子公司多年对其全线产品、服务的长期连续改进及其在各行业 中的应用经验。2 0 0 2 年1 2 月9 日“s i e m e n s2 0 0 2 年自动化系统新产品发布会”在1 6 个城市举办了巡展，重点推广西门子全集成自动化技术t , i a 。2 0 0 5 年1 0 月西门子公司 举办了“同一辆车”活动，并在全球各地巡回举办，可以说它是t i a 的一个缩影。 2 2 顺序逻辑控制仿真系统被控对象分析 2 2 1 仿真对象整体组成 顺序逻辑控制仿真系统是依托机电一体化教学装置模块化加工系统而设计的 系统设计训练平台，模拟了实际工业生产过程中所具有的大量复杂逻辑控制。 模块化加工系统，是一套模拟了现代工业中自动化生产线生产过程，集机械、电子、 通讯为一体的实验装置，涵盖了机械设计、传感器技术、自控技术、信息技术和计算机 技术等多项学科的内容。一个较完整的模块化加工系统包括九个单元，如图2 21 所示。 它包含了工业自动化系统中不同复杂程度的培训装置，为教师和学生提供了一套符合实 际情况的模拟教学环境，解决了学生不能在实际生产线上操作训练的问题。自模块化加 工系统进入市场以来，在高校实验室及培训机构中得到了广泛的应用，证明它的优势与 价值已越来越多地被自动化技术领域的工作者们所认可。 第2 辛t 哦序逻辑控制仿真系统被控对尊分析 硕士论立 图2 , 21 模块化加工系统模块化加工系统外形凹 模块化加工系统主要具有以下几个重要特点”6 ： 1 最大限度的接近实际工业生产 模块化加工系统是对一个针对大型自动化生产线的全物理仿真，相当于一个微缔型 的生产线，因此真实的再现了在实际自动化生产加工流水线的工业过程。它的每一个工 作站的课程和训练任务均来自实际的自动化生产线上实际的运用。它的每个工作站根据 设定的任务所选择的相应功能和技术参数的气动元件、传感器、电器元件及标准型材也 都采用了实际的工业元件，从而最大限度保证了接近实际工业生产。据公司工程人员介 绍，模块化加工系统虽是一套自动化教学培训系统，但在原料配套及适当的情况下，它 就成为一套具有一定的实际生产能力的加工系统。 穗霞 纛 图2 22 模块化加工系统模埭部分组和器件图 2 具有良好的扩展性 模块化加工系统采用模块化的结构设计，各单元均采用标准化的接口和模块化的结 构设计。模块化的结构设计就是把系统划分为若干个模块每个模块完成一个特定的功 能然后把这些模块汇集起来组成一个整体，用以完成指定的功能e 硕士论文 基于5 7 - 3 0 0 顺序逻辑控制仿真系统的设计与研究 每个单元自成体系，功能独立，同时也可自由组合搭配。一般情况下，模块化加工 系统可以按照一般工业加工流程完成从原材料到成品分类的工作，同时在培训过程中， 也可根据需要对各单元进行不同组合，组成不同流程的控制系统，从而完成不同侧重点 的技能培训。 3 机电技术紧密结合 现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域 的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向 机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、 生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由机械电气化迈入了“机电一体化 为特征的发展阶段。 机电一体化是从系统的观点出旋综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、 计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及 软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能 单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系 统最优化。机电一体化技术的应用给传统制造业带来了革命性的变化而且随着机电一体 化技术的不断发展和应用领域的扩大，极大地提高了效率，提高了产品的质量和档次， 缩短了生产周期提高了市场竞争能力。它对国计民生的一系列重要行业的发展起着越来 越重要的作用【j 。 模块化加工系统在设计的时候就很好的将机电技术结合到该加工系统的设计中，这 样学员培训时就能够通过不同层次的培训，很好学习软件编程、传感器、电气控制、机 械设计等技能知识。如图2 2 3 所描绘的，通过它可以更全面清晰地认识模块化加工系 统的机电技术特点【1 2 1 。 图2 2 3 模块化加工系统模块涵盖技术总览 2 2 2 仿真对象单个工作站的硬件组成和相关技术 2 2 2 1 工作站的硬件组成 9 第2 章顺序逻辑控制仿真系统被控对象分析 硕士论文 f e s t o 公司生产的模块化加工系统一共包括九个工作单元，且各自均由不同的元件 构造。各单元安装在方形带槽的模板上，这些单元靠模板依次组装固定在一排，由一台 空气压缩机提供动力气源。通过对每个单元分解，可以分析到，在控制系统中除可编程 序控制器以外的内容统称为外围设备，包括：外围电器、驱动装置、传动机构、驱动对 象、传感器、指示器、开关调节器等。 1 外围电器 模块化加工系统的外围电器包括一些接口电路和功率放大电路，它能根据p l c 传 来的信号驱动外围设备。同时，对传感器传来的信号进行调理，再传给p l c 。在有些场 合不需要外围电器，p l c 能直接驱动某些执行元件，如电磁阀、微电机、指示器等。 2 驱动装置 驱动装置是指能产生运动的一些设备。按动力源的不同，驱动装置的驱动方式可分 为液压、气动和电动三种。模块化加工系统中使用的主要是气动装置，如：气缸、电动 机、电磁铁等。不管何种驱动方式，驱动装置的整体功能是相同的：根据可编程控制器 的输出量的状态来判断运动部件的位置是否需要变化和怎样变化。 3 传动机构 传动机构把驱动装置的运动用适当方式传递到工作对象上。当然在有些场合传动机 构是不需要的，驱动装置可以直接作用在工作对象上。 4 驱动对象 驱动对象是指一些工作对象，如气抓手，真空吸盘等。值得注意的是有些既是驱动 对象又是传动机构的一部分。 5 传感器 传感器是用来对所测的量产生响应并提供可用的电信号的器件，即把输入信号变成 不同形式的输出信号的装置。模块化加工系统中使用了大量的各类传感器，主要有对射 式传感器、漫射式传感器、光电式传感器、电感式传感器、电容式传感器、反射式传感 器等，分别用于检测系统中工件的有无、材质、颜色、位置等一系列特性。它们能把驱 动单元、传动机构、驱动对象的运动情况及时反馈到可编程逻辑控制器中。 6 控制器 p l c 是模块化加工系统中的控制器，通过下载已经编译好的模块化加工系统的控制 程序到p l c 中，可以实现对模块化加工系统的工作顺序及过程的控制。在本论文的设 计过程中，选择使用西门子c p u3 1 2 c - - 2 d p 作为控制器。 2 2 2 2 单个工作站所涉及的自动化技术 顺序逻辑控制仿真系统的仿真对象模块化加工系统是作为培训装置而设计的， 其课程及训练内容来自于实际工业现场的实际应用，所以它的主要作用就是对受训人员 进行多方面综合的自动化技术能力的培训，因此无论是它的整个系统还是单个的工作站 1 0 碗论文 基于s 7 - 3 0 0 顺序逻辑制仿真系统的设* 与研究 都集中了丰富的自动化技术 传动技术 传感器拄术 电 ，电子技术 装配技术 、 p l q i 术 调试运行 自控技术 质量保证 气动拉术 机械技术 通讯技术 机械手犍取工 件 故障诊断及 维修，保养 圈2 24 模块化加工系统涉及的自动化技术示意图 如图224 所示，以提取单元为例，涉及到机械技术领域：气动技术领域；传感器 技术领域：p l c 控制软件编程技术领域；p l c 通讯技术领域和电工电子技术领域。每 个工作单元均有独特的技术侧重点，都不同程度地针对以上技术对受训人员进行培训a 例如，检测站主要侧重于传感器技术，加工站则是纯电气技术单元，而提取站则是比较 综合的训练单元。 2 2 3 仿真对象工作站组合情况 模块化加工系统由于采用模块化的结构设计，各单元均采用标准化的接口和模块化 的结构设计，所以既可阻实现将九个工作站连接成一个大型的生产加工系统，又可以取 其中的若干个工作站连成一个局部的生产过程或者小型的加工系统。具体组合情况如图 2 25 所示： 谚i 紫；耀 圈2 25 仿真对象工作站的组合情况 第2 章顺序逻辑控制仿真系统被控对象分析硕：i 二论文 从图中可以看出，由于统一的接口，可以将工作站组合成多种加工生产系统，从最 小化模式的供料站和加工站的组合到最大化模式的整个加工生产系统的组合，由以上实 验的组合方案可以看出，模块化j j n q - 系统已经成为f m s ( 柔性生产加工系统) 。而这得 益于模块化的硬件设计和统一的接口设计，对于这点亦是笔者在接触这个实验室建设课 题研究时最深的感触。 2 3 顺序逻辑控制仿真系统被控对象工艺流程分析 由于模块化加工系统具有统一的接口和模块化的机械结构，所以可以搭配出多种组 合的模式。但是一般情况下，按照工业生产加工流程，它们的组装顺序安排如图2 3 1 所示。 图2 3 1 模块化加工系统的整体的工作流程图 可以看到，图中各个工作站分别有自己的生产任务，然后整体由组合成为一个大的 生产系统。本文的主要研究工作是为了高校p l c 实验室建设，搭建顺序逻辑控制仿真 系统，方便学生进行p l c 控制系统设计训练。所以针对不同的工作站，笔者都需要对 它们的工艺流程进行分析。但是由于篇幅的限制，这里笔者仅给出加工站的工艺流程图， 如图2 3 2 所示( 见本文1 4 页) 。 2 4 小结 本章对控制系统的发展进行了概述，并主要对本文的仿真对象模块化加工系统 进行了分析，包括其特点、所涉及的技术领域，单站的组合情况和整体组合情况及工艺 流程。通过本章的分析，明确了需要仿真对象的工艺流程和控制参数要求，为后续设计 奠定了设计基础。 1 2 硕士论文基于s 7 3 0 0 顺序逻辑控制仿真系统的设计与研究 图2 3 2 加工站工艺流程图 第3 章顺序逻辑控制仿真系统总体设计 硕士论文 3 顺序逻辑控制仿真系统总体设计 系统总体设计是系统设计中的首要步骤，对系统进行总体设计时，需要考虑到系 统的完整性，以及各个实现部分具体功能和具体实现方案的可行性，后续具体设计实 现工作都是以总体设计的框架为依据而具体展开实施的，因此本章是全文的工作基础 和工作重点之一。 3 1 仿真技术及应用概述 计算机仿真技术是- - f 7 以数学为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利 用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的- - i j 综合技术，已经成为对许 多复杂系统进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。 作为信息技术核心的计算机技术自其诞生之日起，经历了5 0 多年的发展，已广 泛应用于国民经济和社会生活中。而作为计算机技术重要组成部分的计算机仿真技 术，因其有效性、经济性、安全性、直观性等特点而受到广泛的应用。据最新统计资 料表明，计算机仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一，虚拟现实( v r ，v i r t u a l r e a l i t y ) 是计算机世界最热门的一个词汇。 计算机仿真技术更多的时候一般是指系统的仿真。系统仿真是建立在控制理论， 相似理论和计算机技术等理论之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利 用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家的经验知识，统计数据和信 息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策的- f - j 综合性与试验性的学科。要进 行仿真试验，系统和系统模型是两个主要因素，同时由于复杂系统的模型处理和模型 求解离不开高性能的信息处理装置，计算机就责无旁贷地充当了这一角色，所以，系 统仿真实质上应包括三个基本要素：系统、系统模型和计算机，基本活动则包括：模 型建立、仿真模型建立和仿真实验【1 7 】。按照参与仿真的模型的种类不同，系统仿真分 类如表3 1 1 所示： 1 4 硕士论文基于s 7 3 0 0 顺序逻辑控制仿真系统的设计与研究 表3 1 1 系统仿真表分类 仿真类型模型类型计算机类型经济性 物理仿真 物理模型模拟计算机费用很高 ( 模拟仿真) 半物理仿真 物理数学模型混合计算机费用中等 ( 混合仿真) 计算机仿真 数学模型数字计算机 费用不高 ( 数字仿真) 物理仿真：按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行 试验研究。直观形象，逼真度高，但代价高，周期长。在没有计算机以前，仿真都是 利用实物或者它的模型来进行研究的。例如，对于本文的仿真对象，模块化加工生产 系统即是全物理仿真模型，因为它的仿真对象是实际的大型工业加工生产线。 半物理仿真：即物理数学仿真，一部分以数学模型描述，并把它仿真计算模型， 一部分以实物方式引入仿真回路，如北京化工大学的m p c e 系统。针对存在建立数 学模型困难的子系统的情况，必须使用此类仿真，如航空航天、武器系统等研究领域。 数字仿真( 计算机仿真) ：首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化为仿真 计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代计算机仿真由仿真系统 的软件硬件环境、动画与图形显示、输入输出等设备组成【2 。本文中则是利用计算 机软件，对模块化加工生产系统进行数字仿真，以期能够达到减少实验室建设经费， 满足实验室培训学生实践动手能力的目的。 随着计算机发展，利用计算机对系统进行仿真越来越受到人们的重视，对系统仿 真的理论方法和应用技术的研究也逐步深入，计算机仿真技术的发展与控制工程、系 统工程及计算机工程的发展也变得越来越紧密。一方面，控制工程、系统工程的发展， 促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展，又为 仿真技术的发展提供了强大的支撑。计算机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减 少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。 3 2 顺序逻辑控制仿真系统需求分析 3 2 1 仿真系统设计目的 实验教学作为高等学校教学体系的重要组成部分，是培养学生创新意识和实践能 力的重要途径。为了培养有特色的高素质的工程研究应用型人才，加强实践教学环节 第3 章顺序逻辑控制仿真系统总体设计 硕上论文 中综合性和设计性实验，实验室应该及时吸收科学技术和社会发展的成果，让学生在 模拟的工业环境下锻炼实际动手能力和创新能力，因此建立有特色的综合实验平台就 显得很有必要了。但是由于实验室硬件设施和建设资金等诸多问题，使得不能够完全 在硬件上满足学生对技能培训的要求，于是笔者利用软件的可重用性和低成本的优 势，利用工业软件对被控对象进行仿真，并将对象仿真和控制程序相互连接，在一定 程度上再现了真实系统的流程，达到增加学生感性认识，培养学生自己动手能力的目 的。更重要的是通过实验，可以帮助学生建立实际的控制系统概念，使学生正确地掌 握控制系统的组成，了解各部分的作用及其相互关系，为学生在今后的自动化技术应 用中打下扎实的控制系统的总体设计及软硬件设计基础，而改变了以往学生进行教学 实验“只见树木不见森林”的弊端。 通过在顺序逻辑控制仿真系统上进行系统设计实验，学生在实验教学的过程中可 以在以下几个方面得到实质性的提高： 1 分析研究被控对象的能力：通过对模块化加工系统工艺流程、电路、气路、 传感器、执行器等多个方面的学习，能够较为直观地感触到真实生产线的流程和组合 模式，增加学生对工业控制系统的感性认识。 2 对控制系统整体把握的能力：通过分析顺序逻辑控制仿真系统的整体架构以 及网关的设计，了解真实系统的不同模块之间是如何通讯和协同工作的，从而对整个 的控制系统有一定的把握，对以后自己控制系统设计有一定的指导意义。 3 工控软件编程能力：包括控制程序设计、被控对象设计和监控程序设计。一 方面，学生可以通过分析仿真系统中控制程序，被控对象仿真程序以及网关设置程序 等，学习运用编程软件的编程方法及不同的编程语言的能力；另一方面，由于是按照 实际控制要求和工艺流程设计的，学生可以通过下载自己的p l c 控制程序到p l c s i m 中，来锻炼自己控制程序的设计能力。 4 系统调试及系统应用能力：包括仿真调试与实际调试的方法与技巧，对所学 控制系统理论技术的综合应用训练。 5 发现问题，分析问题以及解决问题的能力。 3 2 2 仿真系统设计流程 根据以上仿真系统的设计目的可以看到，由于仿真系统的最终目标为训练学生的 实际工程技能，因此在仿真系统的设计方面应从实践出发，结合实际工程项目的设计 方法，按照工程化、标准化、规范化的设计原则开展完成，为受训人员提供一个成熟 规范的设计控制系统的模板与平台。通过对仿真系统的学习，以及对仿真平台的应用， 学习自动化技术，并最终掌握控制系统的设计与调试。 那么仿真系统应该如何设计呢? 就像笔者在仿真技术的概述中所描述的，系统仿 1 6 硕士论文基于s 7 3 0 0 顺序逻辑控制仿真系统的设计与研究 真实质上应包括三个基本要素：系统、系统模型和计算机，基本活动则包括：模型建 立、仿真模型建立和仿真实验。其中建立模型( 建模) 是仿真的第一步，也是十分重 要的一步。在传统仿真技术中，要建立一个仿真系统，首先要建立系统的数学模型( 一 次仿真模型) ，然后将其改写成适合计算机处理的形式( 仿真模型) 。建立仿真模型后， 才能书写相应的程序。仿真基本上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验，了 解系统中变量之间的关系，观察系统模型变量变化的全过程。此外，为了对仿真模型 进行深入研究和结构优化，还必须进行多次运行及系统优化等工作，因此，良好的人 机交互性是系统仿真的一个重要特性【8 】。 对于本文所要设计的仿真系统，笔者首先根据已有的模块化加工生产系统的产品 资料熟悉它的实际操作，然后依据资料和实际的操作流程，分析模块化加工系统的特 性，工艺流程以及i o 口的信号。这些都为笔者后来的系统的总体设计提供了设计基 础和理论依据。笔者也正是依据这些数据和资料的分析完成其仿真系统的总体构架及 网络层次，然后再按照整体的系统架构，依次完成控制程序，可视化部分的对象仿真 和气动电气回路的仿真，并依次完成各个部分程序的调试，最终对仿真系统进行整体 调试，将整个系统实现并整理技术文章，帮助实验室编排具体的实验和实验指导书， 具体设计过程如图3 2 1 所示： 1 7 第3 章顺序逻辑控制仿真系统总体设计 硕士论文 熟悉仿真对象 上 1 分析工艺流程和系统特性 上 总体方案设计 图3 2 1 顺序逻辑控制仿真系统的设计流程 3 3 顺序逻辑控制仿真系统总体设计 无论是联网模式下的仿真系统总体的框架设计还是单站模式下的单个工作站仿 真系统的框架设计，都是依据现实中的实际物理模型在联网模式或单站模式是如何架 构的。下面，本文将分别对单站模式和联网模式两种情况下的仿真系统的搭建进行分 析。 硕论文萋f $ 7 - 3 0 0 顾牟逻辑制仿真系统设* 与研究 3 3 1 单站模式下总体设计 实际的模块化加工生产系统由控制部分和现场执行部分两个部分组成，现场执行 部分既包括可以直接观察的到的可视化部分，例如气抓手的运动；又包括需要分析之 后才了解到的气路电气回路部分，例如气缸内部的运动以及电气回路。 但是，一般情况下，控制系统是由监控部分、控制部分及现场执行部分组成的， 为了系统的完整性笔者在这里加入利用w i n c c 软件设计的监控里面，所以对于完 整的模块化加工生产系统它的硬件实际结构图如图3 3i 所示。 h 刮羽 _ = 三三三_ = j 二二 f 。= _ 二_ = r 一 分一瓢 墨 铀锶m 一一喾爹： 一n 一震n +， 圉3 3i 模块化加工系统单站的系统措建图 图中w i n c c 监控部分运行监控软件q c c ，对系统运行状态进行监控：p l c 控 制器包括c p u 模块及其数字量输入输出扩展模块，对被控对象模块进行读写控制， 此部分采用西门子s 7 3 0 0p l c 系列，与监控计算机部分采用m p i 的通讯方式；最底 层为模块化加工系统中的任一工作单元，它包括操作面板和执行部分，对于每个单元， 执行部分又可分为机械、气动、电气三部分此部分与p l c 控制器部分采用直接i 0 1