（控制理论与控制工程专业论文）活塞环参数自动检测分选仪控制系统研制.pdf

摘要 内燃机工业是工业领域的支柱，内燃机在许多工业领域中有不可替代的作 用，活塞环是内燃机的重要零件之一，活塞环气密性是活塞环的一项重要参数， 它决定着内燃机的工作效率，我国以检测活塞环与标准环规间的漏光度来间接反 映气密性。活塞环的批量生产，要求活塞环检测有很高的效率、准确性及可靠性。 本论文阐述了国内首创、国际领先的活塞环参数自动检测分选仪的控制系统 的设计研发，本系统应用了集p l c 技术，组态技术，电气传动技术，光电检测 技术，通信技术于一体的先进控制技术。论文通过对活塞环自动分选的工艺流程 的了解，确定了控制方案，设计并完成了活塞环漏光度检测的控制流程，完成了 电路的设计以及人机界面h m i 的设计，解决了检测过程中的实时通讯和通讯的 可靠性问题，实现了检测分选过程的自动控制。 活塞环分选机控制系统的设计、制造、调试均已完成，并已安装于现场，在 实际工业运行中，取得了很好的控制效果，并且通过了严格的验收测试，使活塞 环检测无论从功能上还是效率上都获得了质的提高，使我国活塞环自动检测技术 达到了世界先进水平，完全实现了甲方提出的控制要求。 关键词：活塞环；p l c ；漏光度；h m l 人机界面； a b s t r a c t t h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ei st h es t a n c h i o no ft h ei n d u s t r yf i e l d ri ss o i m p o r t a n c et h a tc a l ln o tb ep l a c e di nm a n yi n d u s t r yf i e l d s t h ep i s t o nr i n gi so n eo ft h e i m p o r t a n ta c c e s s o r i e so ft h ei n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e t h el i g h tl e a kd e g r e e ( l d ) b e t w e e nt h ep i s t o nr i n ga n dt h es t a n d a r dg a u g ei su s e dt or e f l e c tt h es dd o m e s t i c a l l y t h es t e a mt i g h td e g r e e ( s d ) i sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro fp i s t o nr i n g ，i td e t e r m i n e s t h ee f f i c i e n c yo fi n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e t h eb a t c hp r o d u c t i o nr e q u i r e st h e p i s t o nr i n gt e s th a sh i 【g he f f i c i e n c y , v e r a c i t ya n dc r e d i b i l i t y t h ep a p e re x p a t i t a t e st h ed e s i g na n dt h er e s e a r c ho ft h ep i s t o nr i n gp a r a m e t e r t e s te q u i p m e n tc o n t r o ls y s t e mw h i c hi st h ef n s ti no u rc o u n t r ya n dt h eo n e u pi nt h e w o r l d t h es y s t e m a d o p t s t h e p l c ，c o n f i g u r a t i o n ，e l e c t r i cd r i v e ，p h o t o e l e c t r i c i t y i n d u c t i o na n dc o m m u n c a t i o nt e c h n o l o g y a ss o o na st h et e c h n i c sf l o wh a sb e e n k n o w n ，t h ec o n t r o ls c h e m eh a sb e e nm a d ea n d t h ec o n t r o lf l o wo ft h ep i s t o n r i n g sl d i n s p e c t i o nh a sb e e nd e s i g n e d t h ec i r c u i ta n dt h eh m id e s i g nh a v e b e e nf i n i s h e d t h e r e a l - t i m ec o m m u n c a t i o na n dt h er e l i a b i l i t yd u r i n gt h et e s th a v eb e e nw o r k e do u t s o t h ea u t o m a t i o no ft h el d i n s p e c t i o nh a sb e e nr e a l i z e d t h ed e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n dc o m m i s s i o n i n go ft h ec o n t r o ls y s t e mh a v eb e e n f i n i s h e da n di n s t a l l e di nt h ef i e l d i th a sg o tg o o dc o n t r o le f f e c t sd u r i n gt h er u n n i n g a n dh a sb e e nt e s t e di nt h ec h e c k i n gw o r k t h ep i s t o nr i n gt e s th a sg o th i g h i m p r o v e m e n tn o to n l yf i o mt h ef u n c t i o nb u tt h ee f f i c i e n c y i th e l p st h ed o m e s t i cp i s t o n r i n gt e s t i n gt e c h n o l o g yr e a c ht h ea d v a n c e dl e v e la n dr e a l i z et h er e q u i e r m e n t so ft h e c u s t o m e r s k e yw o r d s ：p i s t o nr i n g ，p l c ，l i g h tl e a kd e g r e e ，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得丞潼王些太堂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：杖 签字日期：7 力本，月乃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权云洼王些太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：本 、，乏 签字日期：妒p 年1 月 7 - d 日 导师签名：脚 签字日期：沏扩年月勘e t 学位论文的主要创新点 一、设计研制适应于工业现场的活塞环参数自动检测分选控制系统， 把数据库的思想引入到控制系统中。 二、将触摸屏用于活塞环参数自动检测分选仪，。实现检测数据实时显 示、漏光位置图像显示。 三、p l c 与上位p c 单板机通讯数据格式选择，通讯加入优化c r c 循环冗余校验算法，确保通讯的准确性和可靠性。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 活塞环参数自动检测分选仪产生的背景和意义 内燃机工业是我国“九五 期间和2 0 1 0 年远景规划的重点发展产业之一， 实现内燃机车的关键零配件国产化也是我国内燃机车零配件生产厂家长期以来 追求的目标。活塞环是内燃机、发动机的重要零件之一，是内燃机众多零件中使 用条件最为苛刻的零件之一，活塞环参数的好坏对内燃机的质量有决定性的影响 e l 】。首先活塞环外壁与气缸壁间的气密性直接决定了内燃机的工作效率【2 】，它的 工艺水平、生产规模将直接影响整个内燃机工业的发展进程。 自改革开放以来，我国活塞环行业的工厂数量有了大幅度的增加，工厂的规 模不断加大，工厂的体制随着改革的深化也有了重大的变化，三资、民营、国有 和集体多种所有制并存。行业的自动化水平、技术水平有了较大进步，但与发达 国家相比仍有较大差距。就以活塞环参数的自动化检测来看，目前我国对于活塞 环参数的检测依旧依靠人工在暗室中检测，其具体方法是：将活塞环放在气缸基 本直径的标准环规内，用光源从下向上照射活塞环外壁与环规接合面，手动旋转 环规，肉眼观察活塞环闭口间隙和整个圆周的漏光情况并估算总的漏光弧长和分 布情况【3 】。 由于活塞环自身存在较大弹性，对于尺寸较大的活塞环而言，检测过程中安 装和拆卸活塞环都有很大的劳动强度，而长期对微小漏光间隙进行观察会引起视 觉疲劳，对观察者视力造成严重损害。从检测质量的角度来看，人工检测必然引 入检测者的主观因素，造成检测结果的不准确。从检测效率的角度来看，工人长 期繁重、重复的体力劳动使得检测效率低下，不能满足生产需求。 活塞环检测项目繁多，基本均为专用仪器，国外公司大部分自制，检测仪器 齐全，不仅如此，而且各种仪器可以自动检测，自动记录。国内目前检测仪器除 部分三资企业进口外，大部分工厂检测仪器的品种不全，数量少，不能进行全部 项目的检测。国产活塞环专机上没有配套的自动检测仪器，给工厂产品的质量控 制带来较大难度，影响企业形象。随着国民经济的快速发展和体制改革的进一步 深化，摩托车、微型车和轿车大量进入家庭，活塞环配件的市场需求量将急剧增 长。 我国以活塞环与标准环规之间的光密封度来间接反映气密性，其定义是：将 活塞环放在气缸基本直径的环规内，其外圆面阻止光线通过的能力【4 】。而在生产 第一章绪论 实践中，是通过观察漏光光线来评判光线通过的能力，由此产生一种更便于理解 的概念，漏光度。 天津大学精仪学院，首先提出运用光电检测技术与数据处理方法，来取代人 眼检测活塞环漏光度的先进方法 5 1 。2 0 0 6 年中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研 究所( 简称甲方) 先提出实现活塞环参数自动化检测分选的要求，后由天津大学 精仪学院与我院合作研制开发活塞环参数自动检测分选仪。 本文论述了，运用先进的光电视觉检测技术，结合可编程逻辑控制器p l c ， 以及可视化终端人机界面h m i ，实现活塞环漏光度和闭口间隙自动化、可视化、 高速检测分选，使工人们从繁重、重复的体力劳动中解放出来，提高活塞环检测 质量和检测速度，以适应现代化生产的需求，为我国内燃机工业和汽车工业的发 展做出贡献。 1 2 国内外研究状况 多年来，国内一些院校及工厂对活塞环漏光度自动检测及分选仪器都有所研 究并取得一系列成果，其中较为成功的包括： 1 2 1 内燃机活塞环漏光检测仪 江苏省机械研究设计院设计的“内燃机活塞环漏光检测仪 嘲，其具体设计 方案如下： 把被测活塞环压入固定在水平安置的圆形转盘内的环规，活塞环与环规的待 测接合面可以随转盘一起旋转。紧靠转盘与被测面的下方有一固定托盘，其上开 有一个接收窗，当转盘旋转时该接收窗始终对准被测接合面，窗口下接一只光敏 器件，它与位于转盘上方的光源射来的光束、被测接合面的待测漏光间隙在一条 垂直轴线上。通过接收窗口的一段漏光光束被光敏器件接收并转换成电信号，该 电信号经过放大引到与转盘同时转动的动触头上。转盘转动时动触头与安装在水 平位置的固定圆盘的圆周上均匀分布的若干个静触头顺序接触，将被测接合面整 个圆周各段漏光信号依次传送给显示屏。显示屏是由7 2 个均匀分布的发光器件 组成。如果某个发光器件“亮”，则表明该点漏光。装置如图1 1 所示。 该检测仪结构简单，成本较低。但是该检测仪用7 2 个发光器件反映活塞环 的漏光情况，每个发光器件对应5 度圆心角，计算光密封度数的精确性差。其次， 该方案理论虽可行，但在实际检测中会遇到很多实际问题，比如：如何上料、卸 料分选等很难实现控制流程的自动化。 2 第一章绪论 图1 1 漏光检测仪装置图 l 、静触头，2 、动触头，3 、转盘，4 、光源光束，5 、待测结合面，6 、接受窗 7 、光敏器件，8 、活塞环，9 、托盘，1 0 、支架，1 1 、环规，1 2 、固定圆盘 122 发动机活塞环检测仪 东北重型机械学院南校设计的“发动机活塞环检测仪”i 。 其工作过程如下：将各部件的中心通过调整可调支架调到一条水平线上，由 h e n e 激光器发出的光束，经由光束调制器照射在全反射镜8 上，再反射到全反 射镜9 上，当电机1 2 带动环行光发生器转动时由全反射镜9 反射出来的光点的 以运动轨迹为圆周，其圆周直径( 按光点中心计算) 为环行量规的内经，光点穿 过环行量规与被测活塞环之间的间隙，照在光电池中，光电池产生的光电流，由 光电检流计显示出来。( 若配微机控制可去除光电检流计，将光电池引出线接到 微机控制电路中去，然后直接分选成品与废品，) 第一章绪论 图l - 2 a 发动机活塞环检测结构示意图 图1 2 b 光电转换器结构示意图 l 、光具座，2 、可调支架，3 、激光器，4 、光束调制器，5 、可调支架， 6 、光电转换器环形暗盒，7 、环形量规，8 、4 5 0 模块，9 、4 5 0 模块， 1 0 、连接杆，1 l 、轴，1 2 、环形光发生器电机，1 3 、可调支架，1 4 、配重， 1 5 、可调支架，1 6 、光电检流计，1 7 、活塞环，1 8 、外压盖，1 9 、光电池组， 2 0 、内压盖 该测量仪的技术要求非常高：首先，每次检测前都要保证调整各部件中心严 格在同一条水平线上，只要有一个部件偏离，就会导致检测失败：其次，4 5 度 棱块角度要求非常严格，以保证全发射镜8 反射到全反射镜9 的光束与系统轴线 垂直，由全反射镜9 反射出的光束与系统轴线平行：另外，为保证反射光的光强 及其方向性，有必要在全反射镜8 与9 表面真空镀膜并加保护层。 以上这些方面无论对于加工制造或现场操作都是极其不利的，其自动化流程 很难实现；其次，该方案中用到旋转，存在同轴度误差，致使光源光线没能照到 漏光间隙上误认为不漏光，使测量失真。另外根据该测量仪结构特点可知，该测 量仪只适合在实验室做活塞环的单个抽样检测而不适合大批量、在线检测，难以 运用到工业实际生产检验当中去。 1 2 3 内燃机活塞环质量自动检测及其自动分选装置 四川省菩陵市海凌内燃机配件总厂摩托车分厂张同玉等设计的“内燃机活塞 环质量自动检测及其自动分选装置 嗍。 该装置是一套完善多功能装置，既能对活塞环闭口间隙进行检测又能对光密 封度进行检测。而且对送料机构、装卸机构、运送机构和分选机构都做了说明性 阐述。该装置如下图所示，该装置由安装在工作台及支撑台右边的送料机构，装 在支撑台上方及下方的装卸机构，装在工作台下表面上的运送机构，装在工作台 4 第一章绪论 左边的夹持机构，装在夹持机构上和其下方的检测机构和装在装卸机构的工作台 下方的分选机构六部分组成。如图1 3 a 所示，夹持机构由步进电机l 、活塞2 、 丝杆9 、连接臂5 、活动压头1 0 和固定压头2 l 组成。步进电机安装在固定在工 作台左边的一个竖直支撑板上，丝杆9 与该电机连接，活塞2 装在丝杆9 上，与 活塞2 连接的连接臂5 装在一竖直杆的上端，竖直杆的下端有活动的压头1 0 ， 活动压头1 0 装入镶环套8 孔中，镶环套8 孔下端对应位置，装有固定压头2 l ， 三者保持同心状态，位于固定压头2 l 和活动压头1 0 之间的镶环套8 孔内装自由 张紧与镶环套8 孔内的活塞环，组成密闭型夹持机构。如图1 3 b 所示，检测机 构由发光室6 、两块互成人字型且互相垂直的反射镜1 8 和2 3 、摄像机1 6 和1 9 、 监视器1 4 、计算机3 8 组成。 发光室安装在活动压头上方；反射镜安装在工作台基座上，能调节高度；摄 像机安装在反射镜两端，其镜头对准反射镜镜面；监视器安装在工作台左端；计 算机安装在固定卸料槽右边，实现对整个装置的控制。由发光室发出的光线经过 夹持机构的镶环套8 与活塞环间的非贴合间隙和活塞环闭合间隙，在反射镜上形 成静态的完整图像，经摄像机摄取和计算机处理，得出合格判断和图像再现。该 装置将获取静态圆周漏光图像用摄像机的水平扫描线，划分为1 0 2 4 等份，对每 一等份是否漏光进行判断，其中，发光室由灯泡与毛玻璃组成，以取得平行光； 发射镜采用光学平面发射镜；摄像机采用电荷耦合式h s v 一18 01c c d 摄像机。 图1 3 a自动检测及分选装置俯视图 第一章绪论 图1 3 b自动检测及分选装置结构图 1 ，3 ，2 7 ，3 1 一步进电机；2 ，4 ，2 8 ，3 7 二活塞；5 ，7 _ 连接嘴；仁发光室； 蝴环套；9 ，1 3 ，3 0 ，3 仁丝杆；1 旺活动压头；1 1 镶环套载板； 1 2 _ 活塞环叠；1 瑚视器；1 5 工作台：1 6 ，1 蝴像机；1 7 _ 活塞环； 1 8 ，2 3 一反射镜；2 旺固定卸槽；2 1 一固定压头；2 2 _ 工作台基座； 2 4 ，2 5 ，2 6 接料杆；2 9 一活动卸料槽；3 2 一固定环座；3 3 压头；3 4 推环板； 3 哪算机；3 9 _ 支撑台 该方案是一项比较完善的方案。首先，其采用h s v - 1 8 0 1 c c d 摄像机，打破 了以往用一般内光敏器件的常规，一般光敏器件检测漏光需将其置欲暗室以避免 杂光，采用h s v - 1 8 0 1 c c d 摄像机摄取活塞环及环规全部图像，可省去设置暗室 的麻烦。 该方案不足之处有：一、在该文献指出：平行光的取得是采用毛玻璃，这一 点能否实现还有待验证；一般情况下，都是将点光源放置于凸透镜焦点处来获取 平行光；二、h s v - 1 8 0 1 c c d 摄像机能否分辨小至几微米量级的漏光间隙有待验 证。 然而，或是受当时条件限制，或是原理上的缺陷，一直未能在工业现场实现 活塞环漏光性的自动检测与分选。 6 第一章绪论 7 图1 3 c自动检测装置及分选装置a a 面剖视图 天津大学精仪学院于9 0 年代初，对前人的工作做了较细致深入的总结，对 活塞环漏光特性做了较为合理的分析，提出了自己的设计方案并完成了首台工业 样机，通过了武汉汽车配件厂的工业现场验收。在此课题的研究中，继承了以往 的很多经验，但由于两课题针对的被测活塞环尺寸相差较大( 武汽配的活塞环直 径在9 0 1 2 0 m m 之间，该项目活塞环直径在1 8 0 2 8 0 m m 之间) ，以及整个光电 检测行业多年来的迅速发展，在学习这些经验的同时，也进行了很多改进并且对 一些前人留下的问题进行了解决。这其中最主要的两个问题是： 1 、活塞环检测时，光源和光电探测器件转动带来的拖线问题。 2 、光电探测器件的响应频率较低，造成数据误判并限制了检测速度。 国外方面，或因活塞环加工精度高，在活塞环的加工过程中就已经保证了活 塞环与汽缸壁之间的气密性，无需再对之进行漏光度的检测；或因加工工艺不同， 检测方法亦有差异，因此鲜有此方面的研究资料。 1 3 活塞环参数自动化检测分选实现的关键技术 根据对课题任务的理解和分析，要实现活塞环参数自动检测分选，首先要解 决以下问题： 1 、本课题是国内首次对此种规格活塞环参数实现自动检测、分选的研制， 仪器能够适应工业现场要求。 7 第一章绪论 2 、检测过程中触摸屏能够实时显示活塞环的闭口间隙、活塞环一周的漏光 情况以及漏光的具体位置，给出评判结果。 3 、检测过程中数据通讯频繁，工业现场噪音干扰强，如何解决通讯的可靠 性和准确性。 4 、活塞环需要大批量检测，检测效率尤为重要，如何优化控制流程，节省 检测时间，提高检测速度。减少仪器故障率，提高仪器排障能力，简化排 障流程，节省排障时间，是研制一台工业用仪器必须解决的难题。 1 4 论文研究的主要内容 1 、控制方案的讨论及制定，分析p l c 、人机界面h m i 在活塞环参数检测分 选机械上应用的可行性。 2 、对活塞环分选仪各动作控制工艺的研究。了解活塞环分选仪的工作过程及 工艺要求。总结各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，为实现高速 全自动运动控制做准备。 3 、可编程控制器部分的设计，包括控制方案的选取与设计、加接口信号的 确定、模块的选择，控制程序的设计与调试。 4 、触摸屏人机界面的设计，包括控制界面设计，检测信息显示、图像绘制， 控制流程状态显示。 5 、s 7 - 2 0 0 与上位机的自由口通信设计，通信数据格式的选取，通信协议制 定，以及通信数据的c r c 校验。 第二章控制系统总体设计 第二章控制系统总体设计 在控制系统总体设计上，首先要考虑甲方对仪器功能需求以及与仪器机械部 分的配合需要。其次要实现活塞环参数的自动检测和分选，系统的整个控制流程 既要保证检测的速度又要保证控制系统的运行可靠性、稳定性、易用性，尽量把 控制系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的活塞环自动检测分选仪 器。 2 1 控制要求分析 根据甲方要求，活塞环参数自动检测分选仪能够检测直径在1 8 0 - 2 8 0 m m 范围 活塞环，检测速度每分钟2 - 3 片，检测漏光度角分辨力2 。并能够显示漏光的位 置，开口宽度测量值不确定度0 0 2 m m ，分选通道数3 个( 合格，。可修复品，废 品) ，解决标定问题，整机需要具备多种工作模式。 2 1 1 控制方案设计 活塞环参数自动检测分选仪的执行动作中，多为为直线运动，采用气缸驱 动，气缸运动末端的缓冲功能在此将发挥很好的作用。在检测活塞环漏光度时使 光电探头和被测活塞环相对旋转，依次输出漏光信号，要实现光电探头和被测活 塞环的相对转动，就需要提供动力源，由于此转动过程需要调整速度，同时因为 活塞环尺寸较大，相应的装置重量也较大，因此电机启动转矩较大，普通的直流 调速电机就可以满足这些要求，且性价比高。 经过对控制系统要求的分析和讨论，发现活塞环整个的检测分选过程大多属 于以开关量信号为主的顺序控制过程。而可编程逻辑控制器p l c 在顺序控制方 面的功能强大，p l c 丰富的编程指令，使用户程序的设计灵活、。方便i 且p l c 是专门为工业环境设计的控制装置，和其它的自动化控制装置相比，具有可靠性 高、抗干扰强、易于编程、便于安装和维修等突出优点1 9 1 。可以看出p l c 在活 塞环参数自动检测分选仪的应用中有其独特的优势，因此控制系统选用p l c 控 制。 合同要求仪器需要实时的显示检测的结果，并能够模拟绘制活塞环漏光具体 位置的功能，而活塞环漏光度的检测，采用的是探测器方案。活塞环闭口间隙检 测，采用c c d 摄像机对开口部分成像，通过图像处理给出合格与否的评价。这 9 第二章控制系统总体设计 些过程都需要大量的数据运算和图像处理。仅有p l c 显然是不能满足要求， 因此需要选用触摸屏h m l 和上位单扳机来实现仪器的自动、检测、显示。 通过分析确定了整个控制系统的方案：仪器各个动作的执行由p l c 控制实 现。i - i m i 触摸屏负责各工作模式的选择显示，控制参数的输入、输出检测结 果实时显示、图像的绘制。上位p c 单板机负责对检测数据处理、图像处理，给 出检测结果，为分进动作提供依据。 在仪器运行过程中，三者之间控制信息与数据信息的传输频繁协议复杂。采 用用串行通讯方式，p l c 与h m l 人机界面之间用p p i r s 4 8 5 通讯电缆连接，p l c 与上位单扳机用自己定义的协议用r $ 4 8 5 通讯电缆传输。 2 1 2 系统控萌对象 活塞环检测的生产线由活塞环输送系统、检测系统、显示系统、分选系统和 周边设备构成。仪器外型总体结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1仪嚣外型总体结构图 输供控制系统包括：储料桨、送料气缸、顶料气缸、卸料气缸以及直流调速 第二章控制系统总体设计 电机，并配有直流调速电源。 检测控制系统包括：p c 单板电脑、c c d 摄像头、光电传感器，旋转编码器、 c c d 光源。 显示控制系统主要是指触摸屏的实时显示。 分选控制系统包括：合格品分选气缸、废品分选气缸、可修复品分选气缸。 周边设备主要是指旋转工作台、个电气元件的电源、工位位置传感器、以及 风扇等。 2 2 控制流程设计 在检测过程中用于摄像头拍照的c c d 光源成本较高，工作寿命仅1 0 0 0 小时， 如果在机器运行中c c d 一直接通，按机器每天工作8 小时，每个季度就要更换 一次c c d 光源，这显然是不经济的，通过对原工艺流程分析，发现在一次检测 中，只有对活塞环开口成像时c c d 接通1 2 秒即可，决定对c c d 光源合理控 制，这样c c d 光源可以用一年以上，这样就节约了成本，减少了操作者劳动强 度，很好的满足了厂家要求。 合同要求，研制的活塞环参数自动检测分选仪每分钟能检测分选2 3 片活 塞环。在实际的试验过程中，如果所有的检测步骤顺序执行，完成一个检测分选 过程所需要的时间约为1 9 秒，这样每分钟可以检测3 片活塞环，已经达到合同 要求。在工业生产中如何提高设备的工作效率，是设计者不变的追求。当然活塞 环分选机检测分选速度越高，对系统的稳定性和可靠性考验越大，如何协调这两 者的关系是设计的难点。通过研究分析，只要p l c 单独分配一个存储区，记录 存储最近两次的检测结果，活塞环检测系统和分选系统可以并行执行，既活塞环 在监测的同时对已检测活塞环的分选，这样可以节省5 - 6 秒，在检测活塞环漏光 度过程中，通过对电机转速的的合理控制，可以节省2 3 秒。通过以上的改进检 测仪执行一个循环所需的时间大大减少，检测速度提高了一倍，当然由于速度的 提高引入了一些问题，如在检测漏光度的过程这就要求活塞环供送速度快、精度 高、定位准确。 整个系统的工艺流程为： 1 、将待测活塞环置于储料台上。 2 、推料气缸带动推料板推料，将一个待测环推至顶料盘上方。 3 、接通c c d 光源预热，为检测活塞环开口做准备。 4 、项料盘将被测环顶入环规，此时卸料盘在环规上方，起到端面定位作用。 第二章控制系统总体设计 5 、顶料盘复位，然后推料板复位。 6 、p l c 对p c 机发送测闭口间隙信号，测闭口间隙。测量完成p c 发送测量完成 信号到p l c 。 7 、关闭c c d 光源，p l c 发送检测活塞环漏光度信号到p c ，启动直流电机，带 动环规与被测环转动，完成漏光度检测过程，检测完成p c 发送检测结果及检测 完成信号到p l c 。 8 、在活塞环检测时，分选系统工作，根据已接收的检测结果分选接料盘上的活 塞环。 9 、p l c 接收到停止信号关闭电机，延时4 0 0 豪秒，电机完全停止，卸料盘卸下 检测完成的活塞环。 1 0 、推料板送入下一待测环，同时将检测完的环推到接料盘上。 1 1 、整个流程中，显示控制系统实时显示各工位的状态，检测的结果、检测的数 量以及工作时间显示。 2 3p l c 控制系统设计 在检测过程中，活塞环的传送、装卸、旋转、分选、检测动作由p l c 控制， 图像采集处理，检测数据分析处理由p c 单板机控制，图形显示、检测结果显示、 各工位状态显示以及检测参数的输入端口由h m l 人机界面完成，它们之间必须 传递某些信息才能使传输、检测、分选与显示过程衔接起来。p l c 、h m l 人机 界面、p c 单板电脑与被控对象之间的关系如图2 - 2 所示： 图2 - 2 系统控制关系图 第二章控制系统总体设计 2 3 1p l c 的选型 根据对检测仪主控系统以及周边控制系统输入输出点数及控制要求的统计 和分析，该活塞环自动检测分选仪控制系统需要配置如下的不同性质的加点： 6 9 个开关量输入，4 6 个开关量输出。在检测过程中p l c 和p c 单板机、h m l 人 机界面之间不断的要传输某些数据信息和控制信息，这要求p l c 须具有两个串 ： 行通讯接口。 p l c 的每一i o 点的平均价格高达数十元以上，减少所需i o 点的点数是降 低系统硬件费用的主要措施【1 0 1 。经过分析研究其中有4 7 个开关量输入和3 2 个 开关量输出可以在触摸屏上设计软按键来代替，这样大大减少了对p l ci o 口的 需求。本项目的系统输出信号变化频繁但没有大功率负载。且甲方建议使用晶体 管类型的中小型p l c 。这样本项目选择了s i e m e n s 的模块化中小型p l cs 7 2 0 0 系列s 7 - 2 2 6 晶体管型，它能满足本项目性能要求，s 7 - 2 2 6 应用领域相当广泛， 使用寿命长。易于实现分布，易于用户掌握等特点，使得$ 7 - 2 2 6 成为各种从小 规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案【1 1 1 。 本系统所用的主机c p u2 2 6c nr e l ，它有两个通信口，一个与p c 单板机 进行通讯，另一个通讯口与触摸屏通讯。s 7 2 2 6 具备高电磁兼容性和强抗振动， 抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。它具有较强的计算能力和完善的 指令集，适用于本仪器高速的检测过程处理需要。同时s 7 - 2 0 0 系列p l c 特有的 自由口通讯模式，很好的适用了基于用户自己定义的通讯协议的活塞环自动检测 分选控制系统。除此之外，它自带的v 4 0s t e p7m i c r ow ns p 3 编程软件功能 强大，使用方便，也使开发过程变得简单快捷。 2 3 2p l c 输入输出分配 p l c 的i o 定义如图2 3 所示。其输入信号有1 3 路，包括：启动、停止、 紧急停止按钮，送料、顶料、卸料、正品通道、次品通道、废品通道气缸的正负 限位霍尔感应开关。 第二章控制系统总体设计 1 启动 10 ，1 控制面板绿色启动按键 2停止0 2 控制面板红色停止按键 3送科气缸正限位0 3 送料气缸芷限位倍感器 4 送料气缸负限位0 4 送科气缸负限位传题器 5 项料气缸正限位1 0 5 顶料气缸正限位佶感器 6 顶料气缸负限位 1 0 6 顶料气缸负限位传感器 7 卸料气缸正限位 0 7 卸科气缸正限位佳感嚣 8卸科气缸负限位1 1 0 卸料气缸负限位传感器 3 正品通道气缸芷限位1 1 1 正品通道气缸正限 立佳感器 1 0 正品通道气缸负限位1 1 2 正品透道气缸负限位传感器 1 1 次品遇逼气击上止限位1 1 3 次品通道气缸正限位倍感器j 1 2 次品遁道气缸负限位1 1 4次品通道气缸负限位佶感器 1 3 废品通道气缸负f 艮位 1 1 5 废品通道气缸负限位倍感器 1 4 废品通道气缸芷f 艮位 1 1 6 废品通道气缸正限垃佳感器 1 5紧急停止1 2 2 控制面板黄色取消按键 射送科气缸前进q 0 0 9 2 送料气缸后退q 0 1 9 3 项料气缸上升q 0 2 9 4 卸料气缸下降q 0 3 9 5 正品气缸前进q 0 4 9 6 次品气缸前进q 0 5 9 7 废品气缸前进q 0 6 9 8电机转动q 1 1 9 9 常速转动q 1 3 1 c c d 光源导通i ；i l ，4 图2 3p l c 的i o 定义 p l c 的输出信号有ll 路，包括控制六个气缸的前进、后退的f e s t o 阀导信 号，电机起动信号，调速电源高速和常速信号，以及c c d 光源导通信号。 由于p l c 选择晶体管类型，输出控制信号q 1 1 q 1 4 没有直接驱动大功率 的直流接触器或电磁阀，而是通过接入继电器来驱动，这样就将p l c 输出接口 电路与交流接触器或大功率负载隔离开来，可以避免线圈通断瞬间产生的大电流 对p l c 造成影响【1 2 j 。 2 3 3p l g 外部接线图 p l c 外部接线如图2 4 所示： 1 4 第二章控制系统总体设计 c c 6 6 # # 气气 缸缸 正负 限限 位位 遇 紧 急 停 止 图2 - 4p l c 外部接线图 图中，k m l - k m 4 为继电器，k m i k m 3 控制直流电机起停以及速度的选 择，避免电机启停时电流过大损坏p l c 。k m 4 控制c c d 光源的导通。d c l - d c 8 为气缸阀导内部线圈开关。p c 单板机通过p p i r s 4 8 5 通讯电缆与p l c 的c o m 0 口相连。h m i 触摸屏通过r s 4 8 5 通讯电缆与p l c 的c o m l 口相连，实现数据的 传输与显示，完成整个控制流程。 2 4 本章小结 本章从控制系统的总体要求出发，分析了整个控制过程中的重点和难点，优 化了自动检测分选的工艺流程。确定了控制系统的总体方案。根据对控制对象的 特点分析总结，选择了适合于本控制系统的p l c 型号，完成对p l c 的输入输出 分配，绘制了p l c 外部接线图。 1 5 0#气缸负限位0#气缸正限位0#气缸负限位 4#气缸正限位0#气缸负限位0#气缸正限位0#气缸负限位：#气缸正限位 #气缸负限位#气缸正限位 停止 启动 第三章控制系统梯形图设计 第三章控制系统梯形图设计 活塞环参数自动检测分选仪，要具备检测多种规格的活塞环的功能。而各种 规格活塞环对应的技术参数、工艺尺寸、检测标准各不相同。漏光度与开口宽度 测量都是把测量值与标准量进行大小比较的过程，要建立标准量，且标准量要根 据实际情况做必要的调整。这就要求仪器具有多种工作模式，以满足各种工艺要 求。 3 1 控制程序总体框架构建 s 7 2 0 0 c p u 的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。主程序是程序的 主体，每一个项目都必须并且只能有一个主程序。在主程序中可以调用子程序和 中断程序。子程序是一个可选的指令集合，仅在被其它程序调用时执行。同一子 程序可以在不同的地方被多次调用，使用子程序可以简化程序代码和减少程序扫 描周期时间。中断程序是指令的一个可选集合，中断程序不是被主程序调用，它 们在中断事件发生时由p l c 的操作系统调用【1 3 1 。 3 1 1 控制程序模块划分 项目研制的主要目的是实现活塞环参数的自动检测分选，因此自动分选模式 是控制程序主要工作状态。同时为了便于技术人员对活塞环生产工艺分析，需要 建立工艺分析模式。为了便于设备调试、操作人员手动控制、故障排除，要建立 单步操作模式和紧急情况处理模式。漏光度与开口宽度测量都是把测量值于标准 量进行大小比较的过程。因此要建立标准量【1 4 1 。c c d 光源光照强度影响开口宽 度测量值，探测器光源的位置也决定了漏光度的测量，每次更换检测活塞环规格 或c c d 光照强度发生变化时，需要重新校正与标定，这就需要建立标定模式和 漏光传感器位置校正模式。当检测活塞环规格发生变化时检测标准也发生了变 化，每次更换规格都要重新输入检测标准，检测标准需要专门的技术人员制定， 这给操作者带来很大不便，经过项目组讨论和老师指导在控制程序中建立活塞环 数据库建立模式。程序运行中p l c 与上位单板机数据通信频繁，p l c 采用自由 口通讯模式，需要对通讯中断进行处理，要插入接受中断和发送中断子程序。通 讯过程中为了保证数据传输的准确性，必须加入通讯校验子程序。 1 6 第三章控制系统梯形图设计 综上，确定了整个p l c 程序的框架，整个程序由1 1 个部分组成，分别为 m a i n 主程序、s b r 子程序、i n t 中断服务程序、故障应急措施和辅助程序等。 m a i n 主程序首次执行时，调用初始化子程序，在循环扫描过程中，监测各个子 程序的触发条件，不断的调用被触发的子程序，实现整个控制系统，在程序执行 时如果满足了中断程序的触发条件。 3 1 2 控制程序模块功能介绍 控制程序各模块实现的功能各不相同，所以各种模式下要求也各不相同。其 中自动分选模式和工艺分析模式为仪器主要的工作模式。各工作模式功能及执行 动作简要说明如下： 自动分选模式：自动分选模式是最主要的工作模式，用于操作工人大批量的 检测活塞环。这种工作模式要求有高检测效率、稳定检测数据、低故障率。具体 步骤如下： l 、选择自动分选模式，程序执行送料气缸前进动作，把活塞环推到顶料盘 上，运行到送料气缸负限位开关后停止动作。 2 、顶料气缸执行顶升动作，把活塞环装入标准环规，检测到顶料气缸负限 位开关，停止动作顶料气缸复位，检测到顶料气缸正限位开关到位。 3 、接通c c d 光源、执行送料气缸复位动作，检测到送料气缸到达正限位 开关到位。 4 、p l c 发送测开口开始信号给p c 单板机，测量开口完成p c 单板机发送 侧开口完成信号。 5 、p l c 接收到侧开口完成信号起动电机、同时发送测量漏光度开始信号给 p c 单板机，系统执行测漏光流程。 6 、检测漏光度完成后p c 发送测漏光数据以及测漏光完成信号，p l c 接收 到测漏光完成信号停止电机。 7 、延时4 0 0 毫秒待电机完全停止后执行卸料气缸卸料动作，检测到卸料气 缸负限位开关时，卸料气缸复位，检测到卸料气缸到达正限位开关。 8 、完成对活塞环的检测过程，此时送料气缸前进推入下一个要检测的活塞 环，周期循环。前文已经提到为了提高整机的效率，仪器的分选系统和检测系统 并行，既在第2 步执行的同时正品通道气缸前进把待分选的活塞环输送到分选台 上。在第5 步执行的同时根据已测的数据对分选台上的活塞环分选。在自动分选 模式下，仪器要求安全合理停车，既每次正常停车时推料板都要停止在负限位开 关处，也就是说中途若按下正常停止按钮，仪器不会立即停止要继续运行到第一 步结束位置才停止；若按下紧急停止按钮，则运行立即停止。 1 7 第三章控制系统梯形图设计 工艺分析模式：工艺分析模式是专门为技术人员提供的一种工作模式，在 此模式下，检测速度要求不高，但需要详细的检测数据( 活塞环开口宽度值、 一周连续漏光度数、一周累计漏光度数) 和准确直观的检测图像信息，在触摸 屏上给出图像显示。工艺分析模式下，仪器单个的检测过程动作和自动分选模 式基本一致。区别在于： l 、工艺分析为单周期的每按一下开始按钮执行一个完整的检测流程。 2 、每次和上位p c 单板机通讯的数据不同以及触摸屏显示状态不同。 单步操作模式：在单步操作模式下，整个系统完全脱离上位单板机，p l c 与上位单板机通讯断开。操作者可以根据触摸屏上显示的各个工位按钮分别控制 各个气缸和电机的运行和停止。 数据库建立模式：此工作模式是专门为便于技术人员建立各种规格活塞环检 测标准设计。按照标准活塞环的检测参数主要包括：不连续漏光累计弧长所对应 全圆周的9 0 ；点状漏光不做漏光计；开口处左右不漏光弧长对应中心角大于 3 0 。【l 引，对应的开口要求有开口上限、开口下限，活塞环规格不同开口上下限要 求也不同，不同的工作环境对漏光阈值设定也不相同。每种规格对应一个编号， 因此对应每一种规格的活塞环的检测标准建立相当繁琐，如果每次更换检测活塞 环规格对应的标准全部由技术人员在触摸屏上重新输入的话程序设计上就有很 大的缺陷。通过借鉴数据库的思维方式，程序开发了数据库建立模式，在此模式 下，技术人员可以一次性建立多种规格活塞环的检测标准，每种规格对应一个编 号，当变换检测规格时，操作工人只需选择这种规格对应的编号，即可建立检测 的标准，而不需要专门的技术人员重新建立。 漏光传感器位置校正模式： 1 、选择漏光传感器位置校正模式，送料气缸把已知漏光度数的活塞环推到 顶料盘上，检测到送料气缸负限位开关停止送料动作。 2 、顶料气缸顶升，检测到顶料气缸到达负限位开关，停止顶升顶料气缸复 位，检测到顶料气缸正限位开关。 3 、送料气缸复位，检测到送料气缸到达正限位开关停止后退。 4 、p l c 发送漏光传感器位置较正开始信号到p c 单板机，p c 单板机把测 量漏光值发送给p l c ，此时在触摸屏上显示测量值，调整漏光传感器位置，使 得测量值等于或接近已知值时校正完成，p l c 发送校正完成信号给p c 停止此 工步，系统继续执行到第一部开始位置停止。 c c d 标定模式：选择c c d 标定作模式，接通c c d 光源，p l c 发送c c d 标 定开始信号给p c 单板机，此时触摸屏会显示测量闭口间隙的值，调整c c d 光 源强度，使得测量值达到要求，标定完成p l c 发送c c d 标定完成信号，完成 第三章控制系统梯形图设计 此工作模式。 初始化模式：用于设定p l c 通讯的模式选择，通讯格式的设定，给控制参 数赋值。 紧急情况处理模式：用于设备工作异常况时的工作模式，在此模式下h m l 人机界面会显示当前各工位的状态，通过人机界面上的软按键，可以执行各工 步动作，排除仪器故障。 j 校验程序模块和中断程序模块功能将在以后章节中详细论述。 3 2 软件系统设计 在整个程序设计过程中，自动分选模式是复杂要求最高的部分，也是最有代 表性的一部分，下