物料输送线监控系统设计.docx

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物料输送线监控系统设计

2010届毕业生

毕业论文

题目:

物料输送线监控系统设计

院系名称：

电气工程学院专业班级：

学生姓名：

学号：

指导教师：

教师职称：

副教授

2010年05月25日

摘要

物料输送系统的工作环境通常比较恶劣，设备所处环境一般粉尘较大，空气相对湿度高，操作分散，所以对输送输送控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高。

以前，电器控制系统中大多使用分立的继电器，接触器等电器元件作为控制元件，其控制系统复杂，操作难度大，并且安装接线工作量大、修改控制策略难，维护量大，严重影响了正常生产。

因此，对物料输送系统的输送工艺过程进行实时监控，有着很重要的意义。

本文讨论了物料传输系统的种类，分析了选择物料传输系统时一般策略以及与物料传输系统选择相关因素，设计了物料输送系统，确定了物料传输系统的结构。

其次，对计算机监控管理系统的功能及应用进行了讨论，并对计算机监控管理系统的特点、计算机监控管理系统的分类及计算机网络监控管理系统进行了详细分析，为计算机监控管理系统的进一步开发提供了理论依据。

再其次针对物料监控管理系统上位机的功能，对软件平台的选择及系统构成进行讨论，确定了具体设计方案，并就如何开发物料管理上位机监控系统进行了详细介绍。

最后，对物料传输系统监控管理下位机进行了分析讨论，就小车定位控制原理、控制过程及过程实现进行了详细的讨论。

最后从系统集成的角度对串行通讯方式、PLC与上位机的连接等方面进行了介绍，并应用到物料传输系统监控管理中。

通过系统软硬件的设计与调试，物料输送线监控系统能够正确地对物料输送线进行监控，达到了预期的设计要求。

关键词：

物料运输；监控；组态王；PLC

TitleAMonitoringSystemDesignforMaterialTransferLine

ABSTRACT

Packingmaterialsdeliverysystems"workenvironment,usuallyabadenvironmentingeneral,airrelativehumiditydust,andsotheoperationofthecontrolsystemofworksafety,reliabilityandrelativelyhigherrequirementformaintenanceportability.Onceuponatime,theelectriccontrolsystemofdivisionoftheuseoftherelay,contact,electricalcomponentsasacontrolelements,thecontrolsystem,difficultandcomplexoperationandinstallationoftheheavyworkload,modify,controlstrategiesandmaintainaverydifficultandseriousimpactonthenormalproduction.Therefore,thematerialtransfersystemforreal-timemonitoringprocessofcourse,hasaveryimportant.

Thepaperdiscussesthekindsofthesystemandanalysesthecommonstrategieswhenchoosingthesystemaswellasthefactorswhicharerelatedtothechoiceofthesysteminthissection.Thedesignandthestructureofthesystemaregiven.Secondly;thefunctionandapplicationofthecomputerdetection-controllingmanagementsystemarediscussed.Inthesection,wewillgiveaparticularanalysisofthefeaturesandtheclassificationofthecomputerdetecting-controllingmanagementsystem,whichwillprovidetheoryfoundationforthefurtherimprovementofthesystem.Then，thefunctionofupperengineandchoiceofsoftwareflataswellasconfigurationofthesystemarediscussed.Inthesection,wewillconfirmaparticularschemeforthedetecting-controllingmanagementsystem.Whichwillputafocusonhowtodevelopupperenginedetecting-controllingsystem.Atthelast,Thedetecting-controllingmanagementlowerenginesystemisanalyzedanddiscussed.Inthesection,thedetaileddiscussioniscarriedonincontrolprinciplesandprocessalongwithwhoserealizationofthedollylocation.Attheendofthesection,themodesoftheserialcommunicationandtheconnectionbetweenthePLCandupperengineetcwillbeintroducedfromthepointofsystemintegration，andthatwillbeappliedtothedetecting-controllingmanagementofthematerialtransportationsystem.

Throughsystemdesignanddebuggingofhardwareandsoftware,MonitoringsystemdesignformaterialtransferLineCanrighttomaterialtransferlinescarryoutmonitoring,anditcanachievethedesireddesignrequirements.

Keywords：

Material;Transportation;Monitor;King-View;PLC

目次

1引言

1.1物料输送线监控系统研究的目的和意义

从上个世纪90年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活方式都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即监控技术的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。

监控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。

早期的监控系统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行监视，并通过操作盘来进行集中式操作。

而计算机监控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象（生产过程）共同构成的整体。

在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。

在现代企业的生产和管理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。

由于工业生产过程控制要求的高环境适应性、高实时性、和高可靠性等特点，自动控制与检测技术一直沿着自己的道路发展，测控领域所使用的通信技术都自成体系，许多通信协议不开放，而且大多数系统都是面向单台，或单一类型的设备。

随着生产力的进步，设备的分布越来越离散。

单一的，各自独立的监测系统已不能适应工业化的需求，于是便产生了分布式系统。

这种系统以计算机网络为基础，使系统资源分配趋于合理。

但是由于目前运行的绝大多数分布式监测系统还只是在局域网上，通常的测控仅局限于同一地点，所以具有一定的地域局限性。

Internet能实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的问题，为远程监控系统的发展提供了有利的条件。

远程监控是本地计算机通过网络系统如Internet/Intranet，对远端进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护等功能。

我们通常把能够实现远程监控的通信媒体、计算机软件、硬件系统称为远程监控系统。

在现场设备分布广泛或数据不易采集的场合，要能够及时地监视设备的运行状态并进行有效控制，这就是远程监控技术在工业生产上的需求。

1.2远程监控系统发展现状及分析

1.2.1远程监控系统的功能分析

远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而是将数据采集后直接送到远程计算机进行处理，这种远程监控与一般的现场监控没有多大的区别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其它部分则和现场监控系统相同；另一种是现场监控与远程监控并存。

一般是采用现场总线技术将分布于各个设备的传感器、监控设备等连接起来，这样就从分立单元阶段进入了集成单元阶段，然后各个管理站点的服务再用局域网连接起来，这样就形成了企业内部网（Intranet）。

由于建立了基本的网络信息基础结构，设备监测、维护技术进入了集成系统阶段，在一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。

远程控制所实现的功能如下：

采集与处理功能：

主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况；

监督功能：

将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历史数据加以存储；

管理功能：

利用己有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊断、险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警；

控制功能：

在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。

基于B/S和C/S的远程监控系统是以网络作为通信平台的监控系统，以HTTP技术为基础，具有简单、高效等优点，已经成为信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台。

利用网络通信技术、Socket技术、数据采集技术及面向对象等软件技术实现了整个系统的系统管理、用户管理、设备监控、数据显示及报警等模块，其优点是充分利用了现有的局域网资源和广域网资源，以最高的性能价格比，以信息的实时获取和实时控制为中心，实现信息、资源及任务的综合共享和全局一体化的管理。

例如：

监控系统将设备运行情况提供给服务器，并由服务器发送到各个节点客户机，工作人员在客户机端（一般为远端）便可了解整个系统的工作状态及运行情况。

简单地讲，对企业来说就是充分利用现代技术解决实时数据的采集、传输和处理以及进行实时控制的问题。

正是它的这些优点使得它得以飞速发展。

随着网络技术的不断发展，远程监控将更多地应用在企业生产过程的管理中，专业技术人员可以通过互联网来管理和维护生产过程，优化生产工艺，提高设备的可用率，最终降低生产成本，提高效益。

1.2.2远程监控系统所具备的优点

借助于远程监控可以将企业内部的信息网（Intranet）与控制网有效地连接起来，实现对生产、运营情况的随时掌握，把生产运营状况同企业的经营管理策略紧密结合，从而实现企业的综合自动化，可以建立网络范围内的监控数据和网上知识资源库。

通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现场监控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础；通过远程监控，技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数，使受过专业训练的人员“虚拟”地出现在许多监控地点，方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制，以维护设备的正常运营，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的。

目前，越来越多的企业呈跨地域式的发展趋势，利用网络技术实现远程监控，对企业降低生产成本，提高劳动生产率，提高企业产品的科技含量，以及增强企业的综合竞争实力等方面都具有十分重要的意义。

1.2.3远程监控系统所存在的技术问题

随着网络技术的飞速发展和监控范围的扩大，监控系统由过去的单机监控过渡到现在的网络监控，但目前还存在着一些问题。

首先，网络通信技术不足的问题。

网络通信技术是远程监控技术中最为关键的技术，然而，目前网络通信一般简单采用Socket技术，甚至FTP或E-Mail等，这些技术无论在传输的数据量、编程的灵活性还是安全性方面都有很大的欠缺，特别是对于现场多个端点的数据采集，会大大增加编程的复杂度，不能满足远程监控技术对网络通信的需求；其次，网络通信中多种结构并存的问题。

目前的远程监控系统结构大多比较复杂，分布距离远，而且还存在着不同局域网，不同平台，甚至在同一局域网中的操作平台以及编程语言也可能有不同的问题，这就要求集成网络中的不同平台，实现相互之间的通信，而这些问题采用传统方法是难以解决的。

1.3本章小结

本章主要阐述了物料输送线监控系统研究的意义，从对国际和国内对监控系统研究的现状，指出了目前监控系统所面临的问题，确立了本文的研究路线和主要的研究内容。

2物料输送线监控系统的工作原理

2.1物料输送系统的种类

物料系统的形式和种类比较多，归纳起来有以下几种：

自动小车，又为自动引导车（AGV）和有轨道引车（RGV）、输送带系统、机器人传输装置。

这三种物料输送装置是当今世界上常用的物料输送装置，在选择物料输送系统时，必须考虑以下几个特别重要的因素，如：

物料输送的距离、速度、频率、所加物料的体积和重量、物料装置的定位精度、所需加工零件的种类和数量、总体布局型式。

2.1.1物料传输系统结构的选择

（1）如果物料传输的距离相当长，并且传送的工件的体积也比较大，两次装载工件的时间间隔较大，那么选择自动引导车（AGV）比较恰当，特别是在系统中有很多装卸站或传输路径几乎是随机的情况下。

（2）如果物料传输的距离相当长，并且传送的工件的体积也比较大，两次装载工件的时间间隔却比较小，那么最好进行分批加工，可以通过托盘装置来实现，这样能减少运输的次数，同理，也可以将两个或两个以上的托盘作为一批来运输。

（3）如果物料传输的频率较高，距离又不是太长，传送的线路也比较固定，那么可以选择传输带装置，同样可以用托盘实现批量运输。

（4）如果工件的加工时间比较短，上下料站的距离也比较短，那么就选择智能机器人。

（5）如果零件的集合尺寸较大，加工工作站可以作直线布置，传递时间比较短那么选择有轨道引车（RGV）。

根据实际工作环境，本设计选择的物料传输系统由装卸工作站、导轨系统、托盘库、物料小车及物料管理系统组成。

其中装卸站用于进行毛坯工件的安装、进入柔性制造系统以及加工完毕的工件卸下和送出柔性制造系统。

装卸站具有发讯装置，能发出空、忙信号。

托盘库用以暂时存放在托盘上工作。

考虑到两台加工中心及平均加工时间，所以设置6个托盘架，组成托盘库。

每个托架上均有发讯装置，能发出空、忙信号。

物料小车用以在托盘库、加工中心、装卸站之间传送工作，为使结构简单，便于以后的扩展，采用有轨物料运输车，其上有自动交换托盘的驱动机构，以实现与托盘库、加工中心、装卸站交换托盘。

小车自身应装有控制器、驱动动力源、驱动小车。

另外，小车控制器应能具有故障自诊断能力，实现故障诊断和报警。

导轨起着承重和导向的作用。

概括起来，整个物料输送系统具有以下功能：

（1）实现托盘库、装卸站和加工中心三者之间工件的自动存贮、运送和交换。

同事负责进行托盘、装卸站等各工位自动调节和调度。

（2）物料系统的人—机交互，物料传输和交换的半自动和手动控制。

（3）实现物料系统的故障诊断与处理。

2.2物料输送系统的工艺流程

 物料输送控制系统分为散库和包装库两组。

散库主要存储不需要包装的散料，包装库进行成品包装。

主要包括：

1#～8#线、A线（9#、15#、16#）、B线（10#、19#、20#）、C线（11#、17#）、D线（12#、18#）、E线（13#、21#）、F线（14#、22#）。

各线工艺流程如图1所示。

在该工艺流程中，除了要考虑各皮带内部按顺序启动停止以及皮带的打滑、跑偏等问题外，还必须考虑相关配套设备。

系统主要包括数字量输入67路，模拟量输入16路，数字量输出52路；需要控制的过程有各皮带的启动、停车和安全运行，各料槽的选择和设备故障时的处理。

工艺流程图如图2.1所示。

图2.1工艺流程图

2.3物料传输系统系统监控管理总体方案

2.3.1物料监控管理系统的功能要求

要对物料输送系统的工作过程进行实时控制，掌握托盘库、装卸站和加工中心三者之间工件的自动存贮、运送和交换过程，并进行托盘、装卸站等各工位自动调节和调度，必须对物料传输系统进行监控管理。

物料监控管理系统的主要功能有：

（1）物料系统的动画仿真，即实时仿真系统的工作状态。

（2）操作工的提示信息，显示系统运行状态，提示操作人员键人信息。

（3）实时故障诊断处理，显示故障码，等待操作人员的处理。

2.3.2物料传输系统监控管理总体方案

根据物料监控管理系统的功能要求，设计物料系统采用二级计算机控制，由PC与PLC构成的二级计算机系统对物料系统进行监控管理，物料管理机作为本系统的上位机，主要完成本系统内部的管理、调度和监控。

物料管理机运行的是基于组态王开发的组态控制软件。

该软件充分利用Windows的图形和编辑功能，构成柔性系统的监控画面，以动画方式显示线内被控设备的运行状态。

同时可对柔性加工过程中变量状态进行记录。

小车控制器作为本系统的下位机，接收物料管理机的指令，实现对小车的实时控制，使小车具有自动、手动、回零和示教四种工作模式，并具有故障自诊断及报警功能。

物料管理机在系统中要具备友好的人一机界面，有管理物料系统数据的能力。

2.4物料输送控制程序的设计思想

2.4.1 系统控制方式

 物料输送控制系统的控制方式分为自动控制、单机控制和现场手动控制三种。

单机启动方式是指在上位机的连锁中, 设有启动及停车按钮, 在未进入连锁状态时，皮带可以独立启动/停止。

2.4.2控制程序设计

  该皮带输送系统共有二十二条皮带，根据皮带输送工艺可以将其为两大部分：

1#～8#线与A～F线。

根据包装室和散库控制室及现场皮带运行情况，得出该输送系统的控制策略：

（1）选择控制方式：

远程自动控制、现场手动控制或远程手动控制方式。

（2）根据包装与否控制包装流水线和散库流水线运行，并按要求顺序停止。

（3）根据料槽料位控制A～F线启动、停止。

本系统中STEP7用户程序分为组织块（OB）、功能块（FC）和数据块（DB）。

功能块根据控制任务用于建立用户程序。

将整个控制过程按工艺分为模拟量信号处理、A～F线起/停、3～8#线皮带起停。

3#-6#皮带工作情况如图2.2所示。

图2.23#-6#皮带控制流程图

总料位计算、模拟量变换、料槽料位运算、报警处理、1～6#皮带速度处理、1～2#皮带起停和分料器选择等程序块。

针对工艺流程的具体情况，用语句表（LAD）形式编程。

图4给出了3#～6#皮带控制流程图。

数据块用来存放皮带速度和料槽料位的数据。

2.4.3控制设计思想

（1） 回路启动顺序由下游向上游（来料方向为上游）， 按一定延时， 逐个启动，若回路启动过程中无故障, 则为正常启动；若有故障则为异常启动， 程序启动遇到故障时，就不再继续往下启动。

（2） 回路停止顺序由上游向下游, 它包括正常停止和事故停止。

正常停止为顺序停止,即正常操作时程序按一定时间延时由上游向下游逐个停止设备。

事故停止是在启动或正常运行过程中回路中某一设备发生故障时, 上游的设备立即停止,下游设备可运行。

（3） 在逻辑梯形图中, 凡是带有分支的联锁回路都有记忆功能。

因为前一台设备可以根据需要启动下面的各个分支回路的设备, 回路梯形逻辑的记忆功能, 可保证有故障回路的设备能正确停车。

（4） 上位机能显示出整个皮带运行状态。

 亦能显示单条回路运行的设备。

2.5本章小结

本章讨论了物料传输系统的种类，分析了选择物料传输系统时一般的策略以及与物料传输系统选择相关的因素，根据实际环境，设计所选择的物料输送系统由装卸工作站、导轨系统、托盘库、物料小车及物料管理系统组成。

3计算机监控管理系统

3.1计算机监控管理系统

3.1.1计算机监控管理系统的特点

（1）实时性

计算机监控系统是一种实时计算机系统，实时性是它区别于普通（通用）计算机系统的关键特点，也是衡量计算机监控系统性能的一个重要指标。

实时性有下述几层涵义：

首先，是系统对外界激励（事件）及时做出响应的能力，即系统能在多长时间内响应外部事件的发生。

第二，系统在所要求的时间内完成规定任务的能力。

第三，实时是与分时相对应的。

（2）可靠性

计算机监控系统的可靠性是指系统无故障运行的能力。

工业生产在连续运行，计算机系统也必须同步连续运行，并对过程进行监测和控制。

即使系统由于其他原因出现故障错误，计算机系统仍能做出实时响应并记录完整的数据。

可靠性常用“平均无故障运行时间”，即平均的故障间隔时间MTBF（meantimebetweenfanners）来定量地衡量。

（3）维护性

可维护性是指进行维护工作时的方便快捷程度。

计算机监控系统的故障会影响工业生产过程的正常操作，有时会大面积地影响生产过程的进行，甚至使整个生产瘫痪。

因此，方便地维护计算机监控系统的正常运行，在最短时间内排除它的故障成为计算机监控系统的重要特点。

（4）过程量采集及输出

监控系统的一个突出特点是具有强大的1/0功能，即大量的现场信息要直接从工业现场采集并送入计算机中。

（5）人机交换

计算机监控系统中，入机交互的方式比较丰富。

特别是复杂、大型、综合、连续的生产过程中，操作人员要在短时间内接受多个信息，进行分析判断，完成有关操作，因此要求监控系统具有多种而不是单一的人机交互方式。

除常规的键盘、鼠标、CRT显示器外，通常还有触摸屏、专用键盘、大屏幕显示、语音等。

（6）通信功能

主要是指在监控系统中，计算机与计算机之间、相同类型或不同类型总线之间以及计算机网络之间的信息传输。

在实际应用中，往往有多种类型的多台监控计算机在一起联合工作，这时就需要在计算机之间进行通信，实时、可靠地传递信息。

特别在分级计算机监控系统、分布式计算机监控系统中，通信是一个非常重要的问题。

（7）信息处置和控制算法

在设计计算机监控系统中，信息处理和控制算法的设计、开发、调试是最为核心的内容，也是最花费时间的工作，它占据了开发调试的大部分工作量。

信息处理和控制算法主要是软件工作，这些软件的开发编制除了和采用的操作系统、软件开发工具有关外，还和硬件（