（机械制造及其自动化专业论文）柔性生产线物流系统规划与控制策略研究实现.pdf

摘要 摘要 柔性生产线是一种岛度自动化和柔性化的制造系统，对提高制造环节 的生产效率和柔性，适应持续多变的市场竞争环境具有重要意义。本文在 分析了柔性生产线设计的研究现状及存在的问题的基础上，对柔性生产线 的规划设汁与控制策略方面进行了深入研究。 论文主要工作如下： 1 研究了基于可重构单元的柔性生产线规划方法。根据可重构单元的特 点，并利用模块化设计思想，提出了基于可重构单元的柔性生产线结构。 2 分析了柔性生产线控制系统的设计要求以及传统层次= 降制模式的局 限性，提出了递阶分布式控制结构。 3 提出了柔性生产线的设计方案，设计了该系统的控制系统的递阶分 布式控制结构；设计和实现了该柔性生产线的过程监视，主要包括实现了 上位机和下位机数掘通信工作等。 4 对该柔性生产线的生产过程实现了动画仿真。 关键词；柔性生产线，可重构单元，递阶分布式控制系统，过程监视。 a b s l r a c t a b s t r a c t f l e x i b i cm a i l u f a c t n g“n “f m l ) a h i g i i l y a u t o m a t i ca n dn e x i b l e m 柚u 矗c t 耐n gs y s t c i l l ，c a ni m p r o v ep r o d l l c t i v i 砂锄dn e x i b 订i t yo fm 卸u f a c t u r i n g ， a n di sv e r yi m p o n a l l tf 研e n 把叩r i s et oa d a p tt oc h a n g e f u lm a r k e t 。t h i sp a p e r a r i a l y z c dc u r r e mr e a r c hs t a t u so ff m ld e s i g na n di t se x j s t i n gp f o b l e m s ，蛐dt h c | 1 m a d ead e 印r e s e 盯c hi nr e i e v a n tt h e o 嘎a r i d 他a i i z a n o nm e 七h o do ff m lp l a r i f l i n g 、 c o n n o ir n e a s u r e s t b em a i nr e s 船h e si i lt h i sp a p e ra r ea st 0 i l o w s ： 1 s t u d i e df m lp l a n n i n gm e t h o db a s e d0 1 1r e c o n 6 9 u r a b l ec e l l s a c c o r d i n gt 0 t h ed e n n i t i o no f ”c o 瓶g u r a b l ec e l l，p r o p o s e df m la r c l l i t e c t u r eb a 辩do n r e c o n 矗g u r a b i ec e l l sw h h t l i ei d e ao f m o d u i a r i z a t i o nd e s i g n 2 a n a i y z e dd 韶i 蛐n e 甜o ff m lc o n 缸o ls y s t e ma n dl i m i t e d o ft r a d i t i o n c o n t r 0 is y s t e m ，p r o p o s e dad i s t r i b u t e d & h i e r a r c h i c a lc o n t r o la r c h j t e c t l 3 p r o p e s e d ad e s i g n p r o j e c to ff m l ，d e s i g na n d r e a l i z ed i s t r i b u t e d h i e r a r c h i c a lc o n t r 0 1a r c h i t e c t u r e 、 p r o c e s sm o n t o ro ff m l ；l tm a i n i yf e a l i z e c o m m u n i c a 工i o nb e 坩e e np l ca dp c 4 i tr e a i i z ep m c e 鼹s i m u i a t i o nt ow h o l es y s t e m i nt h e 疗n a l i t y ，t l l ep r o b l e m sr e q u i r i n g 如r t h e rs n 】d i e sa 比d i s c l i s s e d ， k e yw o r d s ：f m l r e c o n n g l l r a b kc e l i s ，d i s m b u t e d & h i e r a r c h i 阴lc o n t m i a r c h “e c n e ，p m c e s sm o n j t 【】r i n g 1 i 学位论文版权使用授权书 本人完全，解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论 文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷 本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用 影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按 有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 彳i 以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学位论文作者签名： 砰一无一一等里兰 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名 日 第1 章绪论 1 1 课题来源及其意义 第1 章绪论 1 1 1 课题来源 本课题来源于校重点学科项目。 1 1 2 课题意义 近几十年来，以c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 为代表的各种计算机辅助系 统己经在企业推广普及，产品的设计方法和手段得到了很大的改善，设计周期 得以缩短。另一方面，制造企业在制造部门投入了大鼙的资金，数控机床、加 工中心、柔性生产线f m l ( f 1 e x i b l em a n u f a c t u r i n gl i n e ) 逐渐增多，这些先进 设备的应用大大提高了企业的生产效率。同时，在制造领域陆续地提出了许多 新思想、新概念、新方法，产生了许多新的制造技术和制造系统，如柔性制造 系统f m s ( f 1 e x b l cm a n u f a c t u r i i 】gs y s t e m ) 、计算机集成制造系统 c i 撼( c o 叩u t e ri n t e g r a t e d 斟a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、敏捷制造 m ( a g i l e m a n u i n cl u r i n g ) 、可重组制造r m ( r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n g ) “+ 等，它们对 提高企业生产效率和生产柔性、缩短产品制造周期、降低生产成本、提高企业 对市场的快速响应能力和竞争能力等方面具有重大推动作用，并在实际的应用 中，为企业带来了巨大的经济效益和社会效益。但是，伴随着这些制造技术和 制造系统的应用推广，不少问题逐渐暴露出来，其中最为突 1 1 的问题就是未能 实现制造系统的真i f 柔性。目胁统计表明，9 0 以上的f m s 只能加t 一类零件， 其中6 5 只能加工二至十个品种规格的零件，很难响应市场对新产品的需求，而 且生产中8 0 的加工中心只应用了其2 0 的功能。可见，生产线作为企业实施产 品生产的制造环节。它的生产柔性、生产效率以及设备利用率的高低将直接影 响到企业实施先进制造技术和制造系统的成败。生产线能否具有较高的生产柔 性，并以较高的生产效率和设备利用率运行，关键取决于它的早期设计规划是 否合理。因此，设计规划具有广义“柔性”的生产线一一柔性生产线，对于现 代制造企业至关重要。 第1 章绪论 1 。2 国内外现状及发展趋势 1 2 1 国内外现状 f m s 系统在国内的应用与丌发已有二十多年的历史。北京机床研究所于 1 9 8 5 年l o 月在国内酋次建立伺服电机柔性制造系统j c s f m s 一1 ，该所在1 9 8 8 年为天津减速器总厂研制了减速器机座柔性制造系统j c s f m s - 2 。 目i i ，我国正成为世界制造大国，在汽车、柴油发动机、工程机械、航空、 航天等领域对f m s 的需求同益增强，这也标志着我国有了发展f m s 技术的市 场基础，这就要求甫4 造系统和装备能快速适应不同产品生产的需求，从而使制 造企业快速响应市场变化。但是，我国机械制造业普遍存在经济效率差、自动 化程度低、劳动生产率低等弊端。虽然中小批量的生产已成为制造的主流，但 仍以普通机床生产为主，尽管我国机床拥有量和从业人数是世界上最多的，但 与发达蚓家相比。相同数量的产出需要付出2 0 倍的生产时1 日j 以及2 倍的能源及 原材料，差距非常明显。 迄今为止，全世界有大量的柔性制造系统投入了工程应用，仅只本就有2 0 0 0 多套完整的f m s 。美国是世界上最早将f m s 用于生产的国家，也是f m s 软硬 件技术最发达的国家。德、英、意等西方国家都在大力丌发与应用f m s ，并制 订了短、长期的发展规划。国际上以柔性生产方式生产的产品产值已占制造业 总产值的7 5 以上，并且有不断上升的趋势。在现存投入运行的f m s 中，近 5 0 的f m s 由美国提供，剩下的5 0 由f 1 本和德国等国家提供。 1 2 2 发展趋势 通过近四十年的努力和实践，f m s 技术日益完善，已形成高科技产业。随 着科学技术的迅猛发展以及生产组织与管理方式的不断更新，f m s 作为一种生 产手段也将不断适应新的需求、不断引入新的技术并小断向更高层次发展。 未来f m s 的主要发展方向将是1 2 l ： l 、加快发展各种工艺内容的柔性制造单元和小型f m s 。因为f m c 的投资 比f m s 少的多而效果相仿，更适合于财力有限的中小型企业。多品种、大批量 生产中应用f m l 的发展趋势是片j 价格低廉额专用数控机床替代通用的加工中 心。 2 、完善f m s 的自动化功能。f m s 完成的作业内容扩大，由早期单纯的机 2 第1 章绪论 械加工型向焊接、装配、检验及钣材加上乃至铸锻等综合性领域发展，另外， f m s 还要与计算机辅助设计和辅助制造技术( c a d 、c a m ) 相结合，向全盘自动 化工厂方向发展。 1 3 论文研究主要内容 论文共包含血章。 第一章为绪论部分，主要内容包括论文的研究背景、主要研究内容以及论 文的组织结构。 第二章为柔性生产线物流舰划设计与控制策略研究部分，主要是利用模块 化设计思想，提出了一种基于可重构单元的柔性生产线物流规划方法，且深入 分析了柔性生产线的控制系统，选择了可重构的递阶式分布控制结构，并提出 了柔1 牛生产线的实例方案。 第三章为作为实例的柔性生产线控制系统的设计与实现。根据第二章的理 论，设计了递阶分布式控制系统，重点论述了其下的两个子系统f e s t 0 物流系 统和a i n a 仃o l 系统的控制系统的实现。 第四章为该柔性生产线监视系统的设计与实现。本文选用w i n c c 工控组j 奋 软件实现对该柔性生产线的监视和管理。主要论述了w i n c c 获墩西门子p l c 以及w 抽c c 获取a bp l c 的数据的方法：重点论述了过程监视系统的实现过程。 第五章主要是以往工作的体会、对本课题的研究成果以及存在问题的总结， 然后对下一步工作进行了展望。 第2 章物流规划设计o j 柞制策略研究 第2 章物流规划设计与控制策略研究 随着顾客对产品需求的个性化，产品的品种不断增多，结构和功能f 1 趋复 杂，而生命周期却逐渐缩短，现代制造业正面临不可预测、快速多变和来自全 球不断增强的市场竞争等一系列问题。为了适应市场的变化，企业除了要加快 新产品的设计开发进程，还要根据新产品的特点不断地对生产线进行调整。例 如：美国一些企业平均每年要改变一次机床靠局；我国某企业，每年要调整n 次 生产线以适应新产品的高效牛产等。可见，如何能科学地、合理地对生产线进 行规划设计，使生产线从一开始就具备可重构性，具有较高的柔性与应，史能力， 旦出现零件的品种或批量变化，可以在充分利用原有资源的基础上，通过适 当的调整，就很快地形成一条新的生产线，已经成为摆在制造业面前的一项重 要任务”。 2 1 柔性生产线物流规划设计 利用模块化设计思想，本文提出了一种基丁可重构单元的柔性生产线物流 规划方法。该方法将可重构单元作为柔性生产线的基础模块，通过对可重构单 元及其相关设备的增删或调整、改变单元和柔性生产线的加工能力束实现柔性 生产线的快速构建或霞构。 2 1 1 可重构单元的特点 单元的构建与重构，足柔性生产线构建与重构的基础，而具有可重构性的 单元”1 ，则是实现柔性生产线快速构建与重构的基础。可重构单元指具有可重构 性的制造单元，即在结构上和功能上，均具有口j 扩展性的制造单元。凶此，基 于可重构单元，通过适当的方式构建出的生产线将具有柔性和可重构件。但在 选择加工设备构建可重构单元时，必须基于可重构的思想进行考虑，才能确保 制造单元和柔性生产线的可重构性。 在制造单元内，除缓冲站和物流传送设备外，其结构核心就是加工设备。 4 第2 章物流规划设计与控制策略研究 很多企业为使加工设备能够适应未柬可能出现的加工需求，通常选择功能较强 的加工设备。但实际卜，生产中8 0 的加工中心只应用了其2 0 9 6 的功能。而这种 通过保留过多的冗余功能，提高设备乃至生产线加上柔性的做法，将会造成投 资浪费。因此，在可重构单元的构建过程中，要注意在选择加工设备时，应按 产品的工艺要求选择功能互补型设备，以降低单元内设备的功能冗余，提高设 备的利用率，便于单元的功能拓展；为便于单元的构建与重构，单元内的加工 设缶按串联方式布置，并在车问内建立相应的公共地基；单元内加工设备的类 型和数量可按工艺优化的原则，通过更换、增删和调整排列次序，进行单元构 建或重构，以适应零件的加工需求。 通常，当加工对象发生变化且调整前后加工费用的差额大于调整费用时， 需对生产线进行调整，如替换设备或改变设备的物理布局，否则，只须对单元 进行动态逻辑重构，纳入动态逻辑重构单元内的设备可以是生产线上相邻其它 单元内的设各。如果以这种方式单元仍不能获得所需的加工能力，还可以通过 互联网，协同异地单元的加工设备，构建虚拟单元以完成加工任务。 2 1 2 基于模块化的柔性生产线的规划 完成可重构单元的构建后，就是如何利用这些可重构单元规划设计出一条 柔性生产线，既能够满足当前的加工需求，又能够在加工需求在一定范围内变 化时，很容易地进行调整重构。本节利用模块化设计思想，以可重构节元作为 构建生产线的基础模块，提出一种基于可重构单元的柔性生产线构建方法。 模块化设计就是根掘用户的要求，在功能分析的基础上，设计出具有性能、 结构各异，而功能相同的一系列可互换的功能单元和一些专用，独立部件，然 后按其组织配成各种用途的产品。这些功能相同，可以互换的功能单元即为模 块。模块化设计的实质就在于较少的模块，通过组合，以满足不同的需要。模 块化设计的实质在于功能的组合。这种将可重构单元作为生产系统的基础模块， 采用模块化设计方法构建的柔性生产线，具有以下特点1 ： ( 1 ) 易于重构。通过重组或变更单元内的设备，可构建出新的柔性生产线 以满足工艺变动较大的零件加工； ( 2 ) 易于动态组织。通过扩展或减少单元，可在不影响现有柔性生产线运 行j u 提下，快速响应市场对新产品的需求； ( 3 ) 具有较高的柔性和生产能力。能蝣按照工艺合理选用设备，而获得较 第2 章物流规划设计与控制策略研究 高的生产效率。 基于可重构单元的柔性生产线结构如图2 1 所示，它将口j 重构单元作为单 元模块，通过生产线基型结构上灵活组合，实现柔性生产线的快速构建和重构。 盟照盥 兀兀兀 模 模模 块块块 123 可可_ 了r 生产线毕犁结构 图2l 基了二可重构单元的柔性生产线结构 生产线基型结构是山物流出入口、缓冲站、物流主通道等组成，其布局形 势将直接影响生产线的结构。生产线机型结构和各可重构单元模块之间通过缓 冲区将各自的物流系统相连，并通过对可重构单元及其内加工设备增删或调整， 改变单元和生产线的加工能力，实现生产线的快速构建和重构，从而适应市场 产品多变的需求。 2 2 柔性生产线控制策略研究 柔性生产线是一种复杂的制造系统，单纯将相关加工设备和辅助设备通过合 理地布局构成一个系统，并不一定就能取得很好的效果，在实践中，还必须以 有效的系统运行控制管理措施为保证。柔性生产线的控制系统是通过计算机软 件系统实现的，其本质就足在系统信息集成的基础上，指定出使柔性生产线能 够以最优方式运行的若干决策”1 。柔性生产线能否取得预期的经济效益，关 键就是如何设计柔性生产线的控制系统。因此，控制系统对于一条柔性生产线 的j 下常、高效运行是十分重要的。 2 2 1 控制系统结构 目前，柔性生产线的控制系统一般有集中式控制、递阶控制以及主从分布 式控制等形式。 第2 章物流规划设计与控制策略研究 集中式控制系统是山中心指令装置对加工、传送、气动货架以及自动化物 流系统等所有机构的工作进行控制”。集中式控制由于单一计算机的高度集中， 便于信息的分析和综合，容易实现整个系统的最优控制。对于控制回路的增删 及控制方案的变化，可由软件实现，提供了应用的灵活性。但是集中式控制存 在二个主要问题：第一个是集中的脆弱性问题，出于单台计算机控制几十个甚 至几百个回路，危险也就集中了，一旦计算机发生故障，将导致整个生产过程 的全面瘫痪；第二个是性能问题，由于生产装置的控制点和运算较大，对于单 台计算机来说，其速度和容量都不够用，负载过大；用多台计算机则要解决交 换资料和控制信息的困) f f 。这些问题的存在。使得集中控制的应用难以满足工 业生产的需要。 递阶控制结构具有控制分层次，多个控制模块形成“会字塔”结构，最高 层的控制模块用于系统的整体目标和指定长期规划，做出总的决策，然后逐级 分解细化到下面个层，控制信息自上而下，反馈信息自下而上，上层模块和下 层模块遵从严格的主从关系，上层计算机协调下面各层的所有活动特点。其优 点在于系统的可扩展性有很大改善，降低了控制软件的开发难度等，但是由于 信息的传递和反馈是按照严格的多层次递阶形式进行，因而致使系统反应迟钝， 满足不了对制造企业的高灵敏度的要求。 分布式控制系统则由集中管理部分、分散控制监测部分和通信部分组成， 具有集中式管理和分散式控制的特点。按照系统结构进行垂直分解分布式系 统可分为程控级、控制管理级和生产管理级，各级既相互独立又相互联系。从 功能分散上来看。纵向分散意味着不同绒的设备具有不同的功能，血u 实时控制、 实时监视和生产过程管理等。横向分散则意味着在同级上的设备具有相似的功 能。但是分布式控制结构受到一些资源条件的限制，如制造系统中控制计算机 的异构性造成的兼容性问题，不同的操作系统，不同的通信介质，协议等，其 次分布式控制在技术上尚有一些难解决的问题，如怎样解决自治单元自身的优 化目标和全局优化目标优化的一致性问题等。 为了使柔性生产线的总体结构具有模块性，开放性、硬软件功能、兼容性 和可扩展性，本文采用了可重构f m s 递阶式分白控制结构。 该控制结构是一种混合控制体系结构，方面，这种结构形式采用了递阶 控制思想，将控制功能分布成会子塔结构，其递阶方式采用了m s i ( m a n u 缸t 1 1 r e i n 2s v s t e m si n t e l a t i o na r c h i t e c t u r e ) 的三层递阶最上层为f m s 第2 章物流规划设计与控制策略研究 控制器，主要山计划与啁度和监视实体组成；中间层为单元控制器，主要由内 部资源实体组成：最底层为设备控制器。这些分布在不同层次上的控制实体具 有独立控制对象功能，下一层实体的活动收到i 二一层实体的监视和协调，系统 具有全局优化能力，克服了采用完全分布式控制带来的局部优化缺陷。另一方 面，同一层次的实体具有局部自治能力，他们互相合作，共同完成该层的各种 活动，松弛了层次之间的“主一从”关系，具有分布控制的优点。 递阶分布式控制结构由不同层次上的构造单元构成。每个层次上的构造单 元既足自控制者，又是执行者，具有相对独立性和稳定性，不怕十扰的影响， 同时它又是一种中间形式，受上层单元控制，通过通信网络系统与结构中的其 它单元协商作共同完成某项更大的任务。主要具有控制的相对分散性和集中性、 系统柔性以及系统可靠性。 f m s 递阶分布式控制系统的体系结构着重描述了各层次实体之间的数掘传 输结构，如图2 2 所示。同一层次的单元组件之问町以互相通信，通过协调柬 共同完成奉层次的各种活动。 系统撩惺 单元控制层 殳备控制层 图2 2 控制系统体系结构图 内蕾 瓷癌 槛 蝴 f m s 递阶分布式控制系统主要由数掘管理实体、订单管理实体、计划与调 度实体、摔制与监视实体等部分组成。 计划与调度实体在功能上分为计划和调度两部分。计划实体的职能是根据 生产u 单，工装要求等数据生成作业计划。调度实体将计划好的作业进行优化 排序，其目的是提高机床利用率、降低在制品的数量。 监视和控制控实体是f m s 实时控制系统的重耍组成部分。其中监视实体其 第2 章物流规划设计与控制策略研究 主要职能是监视零件的当l ；i 状态、f m s 中各物理对象的运行状态，以及当系统 出现异常情况时，将通知计划与调度实体对现有的作业作重调度，以恢复系统 的矿常运行。 2 2 2 控制系统设计 柔性生产线控制系统的主要任务就是负责系统的日常运行，即控制、管理 和调度系统的资源，以尽可能优化的方式完成指定的生产任务。此外，当生产 任务发生变化或者制造资源发生变化时，控制系统要能够适应柔性生产线逻辑 重构或物理重构的要求，此外，当生产任务发生变化或者制造资源发生变化时， 控制系统要能够适应柔性生产线逻辑重构或物理重构的要求。因此，在柔性生 产线控制系统的设计过程中，应该注意以下几点设计要求： ( 1 ) 兼容性 组成控制系统的各功能模块应能够容易地接受新的特征和功能，使控制系 统在部分设备调整时或生产任务发生变化时所受影响较小； ( 2 ) 可重用性 组成控制系统的各功能模块应尽量能够在各种生产环境中被重用，这就要 求在进行控制系统的设计时，不能过多地依赖于具体的生产环境，而应当保证 其自身的独立性，使其其有相对与具体生产环境信息的无关性； ( 3 ) 通信和共享 柔性生产线控制的依据来自于与生产有关的各方面信息，如生产计划、产 品工艺、设备能力与当前状态等，凼此，这些信息必须以通信手段及时传达到 需要的地方，通过共享信息，达到协同工作的目的。 2 3 本章小结 首先在阐述可重构单元概念及其特点的基础上，利甩模块化设计思想，建 立了一种基于可重构单元的柔性生产线物流规划方法，分析了集中式控制、递 阶控制以及主从分布式控制等柔性生产线控制系统的优缺点，设计了可重构 f m s 递阶式分布控制结构。 整个柔性生产线的控制系统采用可重构f m s 递阶式分布控制结构，将可重 构单元作为基础模块，通过对这些可重构单元及其相关设备的重组，能够改变 第2 章物流规划设计与控制策略研究 单元和柔性生产线的加工能力，是一种实现柔性生产线的快速构建或者重构的 有效途径。 o 第3 章模块化柔性生产线实例一控制系统的实现 第3 章模块化柔性生产线实例一控制系统的实现 3 1 柔性生产线实例 为了应用上述提到的方法，论文设计了条基于模块化的柔性生产线。该 生产线采用了基于模块化的f e s t 0 物流设备和a m a t r 0 1 的小型f m s 教学设备作为 可重构单元，主要包括系统规划、生产计划、动态调度、系统控制以及系统监 视等模块，其功能组成模块如图3 1 所示： ， 、 r 柔性生产线 h 0 i? 一_ j ， i ? j 系统规划缀产计划i o i 擎黪 雠j l 零纂繁l l i i ；蒸爹銎挚 i 。j 图3 1 系统功能模块图 柔性生产线以一台中央计算机为中心实现数据的采集、过程监视及管理。 该中央计算机使用w i n c c 组态软件，下位机是以多台p l c 组管理器为核心，配以 相应的传感器、控制和驱动设备组成的现场设备控制系统。其硬件结构如图3 2 所示： 图3 2 系统硬什编成框图 第3 章模块化柔性生产线实仞j 一控制系统的实现 论文的后面部分将详细说明该柔性生产线的控制模块和监视模块及其设计 与实现方法。 柔性生产线能否高效地运行，取得预期的经济效益，不仪取决于合理的规 划设计，还取决于有效的控制系统设计。本文选择了基于模块化的f e s t o 物流 设备和a m a t m l 的小型f m s 教学设备作为可重构单元，来实例化本文提出的理 论方法，主要针对可重构的物流系统的控制系统和监视系统进行了重点研究。 3 2 控制系统设计 本文所采用的递阶分布式控制系统h ”1 由两个分散的控制系统组成，即基 于p r o f i b u s 的f e s t o 控制系统和a m a t r o l 公司c i m sp l c 控制系统，如图3 1 3 所示。 图3 3 控制系统结构示意图 该系统最上层安装有w i i l c c 的总控计算机，主要负责系统总体控制、监视 等；第二层为两个子系统：第三层为单元控制器，主要由内部资源实体组成， 如工控制机、p l c 、l o g o 等；最底层为设备控制器，如传送带、传感器等。 这些分布在不同层次上的控制实体具有独立控制对象功能，实体的活动收到上 一层实体的监视和协调，系统具有全局优化能力，克服了，采用完全分布式控制 带来的局部优化缺陷。另一方面，同层次的实体具有局部自治能力，他们互 相合作，共同完成该层的各种活动，松弛了层次之间的“主一从”关系，具有 第3 章模块化柔性生产线实例一控制系统的实现 相合作，共同完成该层的各种活动，松弛了层次之间的“主一从”关系，具有 分布控制的优点。 上位机和过程控制计算机均是采用p 4 型p c ，下位机采用西门子s 7 - 3 0 0 系 列的p l c 和a bp l c ，其目的是利用p l c 的高可靠性、模块化结构及编程简 单等特点，将其作为下位机完成实时采集和控制任务，利用p c 友好的人机界 面实现人机交互和监视功能，并进行相关的辅助策略设计。p c 上位机在通过数 据通信实现对两个分散过程控制装置的控制以及整个系统的状态监视的同时对 生产结果进行统计和记录。 其中f e s t op l c 控制系统中各个p l c 站点使用p r o f i b u s d p 总线通过 d p 口组成一个网络，并使用c p 5 6 1 1 卡和上位机通信；a m a t r o lp l c 控制系统 直接使用接口面板上的r s 2 3 2 和上位机的c o m l 进行通信。 3 3 控制系统实现 3 3 1 基于p r o f i b u s 的f e s t 0 控制系统的实现 子系统之一的f e s t 0 公司的f m s 物流系统为模块化结构，主要由供料单 元、检测单元、传送单元、加工单元、操作手单元和成品分装单元组成。每个 单元既可独立工作，还能根据需要改变组合顺序。结合当前控制系统形式和传 统控制系统的缺点，对该子系统提出了一种基于现场总线p r o f i b u s 的柔性生 产线控制系统，以改善传统层次控制方式的局限性。与其它现场总线系统相比， p i 的f i b u s 的最大优点在于符合e n 5 0 1 7 0 国际标准，经实际应用验证具有良好 的稳定性。 基于现场总线的现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一个全 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、作为网络节 点的智能设备连接成网络系统，并通过组态进一步构成自动化系统，实现基本 控制、补偿算法、参数修改、报警、显示、优化以及测、控、管理一体化的综 合自动化功能。现场总线控制系统是一个以智能传感器、自动控制、计算机、 通信、网络等技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程自动化、制造 自动化、楼宇自动化等领域都有广阔的应用前景。 ( 1 ) p r o f i b u s 的拓扑结构 第3 章模块化柔性生产线实例一控制系统的r 实现 p r o f i b u s 是一种幽际化、丌放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准， 广泛适用于制造业自动化和流程工业自动化，是一种适用于工，自动化车删监 视和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级 监视的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂内综合自动化提供了 良好的解决方案。 p r o f l b u s 根据应用特点可分为p r o f i b u s - d p 、p r o f l b u s - f m s 、 p r o f i b u s p a 三个兼容版本。其中，p r o f i b u s d p 是一种经过优化的高速通 信连接，专为自动控制系统和分散i o 设备之j 通信设计，用于分布式控制系 统的高速数据传输，其传输率可达1 2 m b i 体，一般构成单主站系统； p r o f i b u s f m s 定义了主站和主站之间的通信模型，主要用于自动化系统中系 统级和车间级的过程数据交换；p r o f i b u s - p a 的电源和通信数据通过总线并行 传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通信。 本文以p r o f i b u s d p 版本和典型的d p 配置为单主站结构。主站与从站 之膪j 的通信基于主从原理，即主站向从站发出请求，按照站号顺序轮询从站。 由于p r o f i b u s d p 只使用i s o 模型中的第l 层和第2 层以及用户接口层，第 3 层到第7 层末使用，因而可以保证数据传输的高速性。d p 通信通过连接集成 在c p u 上的d p 口、c p 3 4 2 5 或c p 4 4 3e x t e n d 模块来完成。非西门子设备，只 要支持标准d p 协议，能够提供g s d 文件，办可通过d p 协议进行通信。 p r o f i b u s d p 能够代替p l c ，p c 与之间昂贵的电线，传输1 千字节的 输入数据和1 干字节的输出数据所需时自j 小于2 m s ，减少了组态和维护费用， 被a b 和西门子的p l c 制造商支持，有广泛的产品包括p l c 、p c 、- 、驱动 器、阀、编码器等，允许周期性和非周期性的数据传输，单主站和多主站网络 每个站的输入和输出数据最多可达2 “字节。 图3 4 描述了本文以p i f i b u s d p 为基础的控制系统网络示意图。 图3 4 控制系统拓扑结构示意倒 第3 章模块化柔性生产线实例一控制系统的实现 该控制系统可以分为现场控制层和过程控制层两个部分。其中现场控制层 采用p r o f i b u s d p 网络，它是网络集成的最底层，主要是连接现场设备，如 分散式、传感器、驱动器、执行器等。主站( p l c ，p c 等) 负责总线通信 管理及所有从站通信。过程监视层由操作台计算机和控制台计算机组成。p l c 加以太网卡等组成工业以太网，操作台计算机利用组态软件w i n c c 对工作现场 的监督控制，现场层将来自生产第一线的数据传送到控制室，置于实时数据库， 进行控制及计算、动态显示参数、报警及历史数据保存；控制台计算机将实时 数据库的数据送到服务器的关系数据库中，进入保存和数据处理。 连接在p r o f i b u s d p 网络上的站点按照它们之间的地址顺序组成一个逻 辑拓扑环。令牌只在主站之问顺序传递，这是由特定的令牌帧定义的。获得令 牌的主站可以在拥有令牌期问对属于它的从站进行发送或读取数据的操作。 ( 2 ) f e s t o 物流系统通信方式及数据采集 f e s t o 物流控制系统结构图如图3 5 所示。 计算机 l r w o 四个模块单元 ( 包括供料，检测，加l o ，分拣。机械手) 上山 7 e s t op l c l 一p l c 5传送带 上 井料，检测，加工，分拣，操作单元 | 墨i35f e s r o 物流控制系统结构豳 根据i ，o 点的点数及其分布情况，f e s l _ o 物流系统采用一台清华同方p c 作为上位监视机运行监视软件，实现数据的采集、过程监视及管理，显示和设 定系统运行的各种参数。该中央计算机使用s i m a t i cw i n c cv 6 o 组态软件， 采用p r o f i b u s 总线方式控制多台下位机。下位机足以多台s 7 3 0 0 系列p l c 组管理器为核心，配以相应的传感器、控制和驱动设备组成的现场设备控制系 统。整个系统使用w i n c c 实现上位监视系统和f e s t o 物流系统的通信，并通 过s t e p 7 软件编程来实现对p l c 的控制。p l c 作为网络上的主机，与现场传 第3 章模块化柔性生产线实例一挣制系统的安现 感器、执行器相连的p r o f i b u s 总线设备作为从设备。现场传感器、执行器通 过p r o f i b u s 总线网络和p r o f i b u s 总线控制器与主机进行数据交换，主机与 上位机可以单独通过m p i d p 接口交换数据。本文最初使用m p i 口，将程序由 上位机下载到各个s 7 _ 3 0 0 西门子。然后，p l c 控制系统中各个p l c 站点使用 p r o f i b u s d p 总线通过d p 口组成一个网络，并使用c p 5 6 l l 卡和上位机通信。 p r o f i b u s 接口为r s 4 8 5 接口，连接电缆为p r o f i b u s 电缆( 屏蔽双绞线) ， 接头带有终端电阻。其功能流程如图3 6 所示： 图3 ，6 功能流程图 f e s l 0 物流系统采用西门子的s 7 _ 3 0 0 系列c p u 3 1 3 作为控制系统的核心。 第3 章模块化柔性牛产线实例一拄制系统的实现 其中供料单元、检测单元、加工单元、操作手单元以及成品分装单元控制系统 均采用西门子s 7 3 0 0 系列p l c 控制，传送带单元则由l o g o 控制。这些p l c 模块提供m p i 口和d p 口。 为了实现用计算机进行数据采集和过程监视，本文重点讲述p l c 与上位计 算机的通信问题。 1 、上位机和单台p 【c 的通信 上位机和s 7 - 3 0 0 的通信，本文采用p r o f i b u s - d p ”1 网络方式实现其通信， 如图3 7 所示： 幽3 7 上忙机与p l c 通信示意图 p r o f i b u s d p 通信可以通过连接在c p u 上的d p 口、c p 3 1 2 或扩展模块 柬完成。根据通信设备的不同，可以将d p 通信分为如下几种情况：集成d p 口之间做主从通信、集成d p 口与c p 分别做主站从站的通信、c p 之间做主从 通信。 本文在实现上位机和p l c 的通信时，使用了集成d p 口作为主站、c p 作为从站 的通信方式。首先，在s l e p 7 中组念两个s 7 - 3 0 0 站，其中集成d p 口选择为主 站模式，c p 3 1 3 选择为从站模式。然后在p r o f l b u s d p 的硬件列表下，选择 从站硬件组态中所选用的c p 型号，拖拽到d p 主站总线上，将该从站连接在主 站建立的p r o f i b u s 网上。 这量控制器c p u 的d p 口编程u 指s 7 3 0 0 ，4 0 0 c p u 上自带的编程口，利用 编程口通信是一种对通信速率要求不高，通信数量不大的通信方式。d p 口通信 利用p l c 站s 7 2 0 州3 0 0 4 0 0 和上位机( p g p c ) 插卡c p 5 6 1 1 的d p 口进行数据 交换。d p 口接口为r s 4 8 5 接口，连接电缆为西门子提供的编程电缆( 职绞线) 。 连接上位机和供辩单元的步骤如下： 第一步：在上位机上安装c p 5 6 1 1 卡； 7 第3 章模块化柔性生产线实例一控制系统的实现 第二步；使用编程电缆和供料单元p l c 上的d p 口连接； 第三步：设置相关参数。打开s i m a n t i cm a n g e f 选择“p l c ”下的“s e m n g p g ，p ci n t e i f a c e ”，设置通信设备参数，选择c p 5 6 1 1 ( p r o 兀b u s ) 。如图38 设 置： 图3 8 设置通信设备参数 第四步：设霞如图3 9 所示的几个p l c 站点的地址。 图3 9p l c 站点的地址示意幽 需要注意的是在嗍络的终端站点，需要将终端电阻设置为“o n ”，网络的 中间站点，需要将终端电阻开关设置为“o f f ”。 2 、眦之问的通信 p l c 之问通过m p i 接口通信可分为三种，主要为全局数据包( g d ) 通信 方式；不需要组态连接的通信方式；需要组态连接的通信方式，如表3 1 所示： 8 第3 章模块化柔性生产线实例一控制系统的实现 表3 1p l c 之间的二种通信方式 m p i 通信功能块 g d ( 全局数据包)无 无需组态双向通信 s f c 6 5 s f c 6 6 连接单向通信s f c 6 7 s f c 6 8 需要组态连接 s f c 6 5 s f c 6 6 m p i 通信适用于小范幽的现场缴通信，通信速率为1 9 2 k b p 1 2 m b p s ，通 常默认值为1 8 7 5 k b p s ，通过d p m p i 接口才可支持1 2 m b p s 通信速率。m p i 删 络最多连接3 2 个节点，最大通信距离为5 0 m ，但可通过r s 4 8 5 中继器延长m p i 网络通信距离。s 7 2 0 0 3 0 0 ，4 0 0 系列c p u 上的r s 4 8 5 编程口可作为m p i 通信 口使用。在m p i 网络上最多可以有3 2 个站。第一个站与最后一个站之f b j 通信 距高为5 0 m ( 通信波特率为1 8 7 5 k b p s ) ，更长的通信距离可以通过r s 4 8 5 中继 器扩展，扩展后一个总线最长1 0 0 0 m ( 波特率为1 8 7 5 k b p s ) 。m p l 网络是一种 总线型网络，可以用来连接多个编程设备、操作面板和本文这罩提到的 s i m a n t i c 的各个系列的p l c 。m p i 在网络结构上属于单元级和现场缴。适用 于s l m a n t i cs m d 7 和c 7 系统，多用于对其编程，连接上位机和少量p l c 之 闽近距离通信。通过编程器电缆和接头，将控制器c p u 的m p i 编程口相互连 接以及上仕机网卡的编程口( m p i d p 口) 连接即可实现。 p l c 之间的m p i 的三种通信方式中，组态连接通信方式仅适合s 7 3 0 0 与 s 7 - 4 或者s 7 4 1 ) o 之间进行通信。全局数据包通信方式实现p l c 之间的数据 交换时，只需要关心数据的发送区和接收区。在配置p l c 硬件的过程中，组态 所要通信p l c 站之间的发送区和接收区即可，不需要任何程序处理。通信时其 数据包长度为s 7 3 0 0 最大为2 2 字节，s 7 4 0 0 最大为5 4 字节，这种通信方式只 适合s 7 - 3 0 0 ，4 0 0 p l c 之间相互通信。无需组态连接的通信方式通过调用系统功 能束实现m p i 通信，通过调用s f c 来实现m p l 通信又可分为两种方式：双向 通信和单项通信，这种通信方式适合于s 7 2 0 0 3 0 0 4 0 0 之间通信。 3 ，硬件组态 组态就是在确定p l c 底板类型后，在该底板i _ = 安排电源模块、c p u 模块、 i o 模块、参数化的专用智能模块等，并指定这些模块的类型和数量，配置模块 第3 章模块化柔性卡产线实例一控制系统的实现 的属性，分配模块在c p u 中占掘的地址等一系列的过程。实现硬件组态的工具 主要采用s t e p 7 软件的标准软件包中的h w c o n 兀g 硬件组态包。该软什包以 站的组织形式进行组态，它提供可视化的硬件组态工具，丰富的硬件模块数据 库信息以及强大的组态功能。组态完毕后，必须将组态文件下载到p l c 的c p u 中。当可编程控制器运行后，c p u 去比较实际的组态和在s t e p 7 中创建的组态， 并随时识别和报告组念错误。硬件组念的流程图如图31 0 所示： i 保存组志 i ； i 设置模块属性1 0 确定模板在底板上的位置 上 下载组志到p l c 中 图3 1 0 硬件纽态流程图 4 、s t e p 7 编程实例 s t e p 7 编程软件是为s 7 - 3 0 0 4 0 0 p l c 配置和编程的标准软件包，是s i m a t i c 工