基于GE 9030 控制器的柔性制造系统论文.docx
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基于GE9030控制器的柔性制造系统论文
基于GE90-30控制器的柔性制造系统设计
摘要
本文介绍了基于GE90-30控制器为控制核心的柔性制造系统（flexiblemanufacturingsystem；FMS） 的设计过程。
文中首先对FMS系统的国内外发展现状、FMS系统的结构组成和原理进行了简单介绍，然后设计了基于PLC和组态软件IFIX的FMS系统。
系统采用PLC进行数据采集和系统控制，可实现FMS系统的无人值守。
PLC通过工业以太网与上位机进行通信。
上位机采用组态软件IFIX开发人机界面，实现工件的实时监控等功能。
关键词
柔性制造系统；数据采集；系统控制；人机界面
TheDesignofFlexibleManufacturingSystem
BasedOnGE90-30Controller
Abstract
Thisarticledescribesthedesignprocessofaflexiblemanufacturingsystem，inwhichtheGE90-30controllerisusedasitscorecontroller。
Firstofall,onthedevelopmentoftheFMSsystem,FMSsystemstructureandprinciplesaredescribedinasimple,anddesignofFMSbasedonIFIXconfigurationsoftwareandPLCsystems.SystemsfordataacquisitionandcontrolsystemwithPLC,enablesunattendedFMSsystem.PLCthroughEthernettocommunicatewiththehostcomputer.IFIXconfigurationsoftwaredevelopmentofhostcomputerinterfaceandfeaturessuchasreal-timemonitoringofimplementationartifacts.
Keywords
FlexibleManufacturingSystem；dataacquisition；thesystemcontrol；HMI
目录
一、绪论1
1.1、引言1
1.2、柔性自动化生产线系统的发展1
1.3、柔性自动化生产线系统简介1
1.4、PLC的应用现状和前景1
1.5、本设计的主要工作2
二、硬件电路设计3
2.1、总体介绍3
2.1.1、系统总体构成3
2.1.2、关于立体库、龙门搬运和装配单元的分析5
2.2、电气设计和电气原理图设计7
2.2.1、立体库电气原理图7
2.2.2、龙门搬运单元电气原理图9
2.2.3、装配单元电气原理图11
2.3、生产线相关器件选型及介绍12
2.3.1气动元件12
2.3.2磁性开关14
2.3.3漫射式光电开关15
2.3.4电感式接近开关17
2.3.5光纤式光电开关17
2.4、PLC选型及介绍18
三、软件设计20
3.1、系统程序流程图20
3.1.1立体库程序流程图20
3.1.2龙门搬运单元程序流程图21
3.1.3装配单元流程图22
3.2、通讯23
3.2.1通讯协议23
3.2.2通讯程序的设计24
3.2.3系统网络拓扑结构图25
四、实验调试26
4.1、单动调试26
4.2、联动调试26
五、结束语28
5.1、毕业设计结论28
5.2、柔性制造系统展望28
致谢29
参考文献30
一、绪论
1.1、引言
随着社会对多样化产品、制造成本降低以及制造周期降低等日趋迫切的需求，柔性制造系统（FMS，FlexibleManufacturingSystem）发展十分迅速。
20世纪80年代后，制造业自动化进入基于计算机的集成制造（CIMS）时代，FMS已成为各国机械制造自动化的发展重点。
FMS的出现使传统的机械制造行业进入了一个发展变革的新时代，其强大的生命力自其诞生以来就已显示出来。
迄今，已有大量的FMS在世界上运行，仅在日本就有175套完整的FMS。
美国是最早将FMS用于生产的国家，也是FMS硬、软件技术最高的国家。
德、英、意等西方国家都在大力开发与应用FMS，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75％以上，且有不断增长的趋势[1]。
柔性制造系统作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技，为未来机构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图，将成为2l世纪机械制造业的主要生产模式[2]。
1.2、柔性自动化生产线系统的发展
柔性自动化生产线从技术上看，工业发达国家都是以提高系统的可靠性、实用化为重点，以易于联网和集成为目标，注重对单元技术的开发、完善与提高。
目前，我国FMS尚未达到实用化，一些关键的基础技术还没有完全掌握，与国际先进水平和国内日益增长的需求相比，都有不小的差距。
我们必须结合国情，大力发展适用、可靠、价廉的柔性自动化技术及装备。
1.3、柔性自动化生产线系统简介
FMS是由安装在铝合金框架式实训台上的传送带单元、立体库单元、机器人单元、机床加工单元、龙门搬运单元、视觉检测单元、装配单元、RFID单元等组成，并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。
各工作站由GEFANUCPLC承担其控制任务。
各PLC之间通过以太网通讯实现互连，构成分布式的控制系统。
本文设计的基于GE90-30控制器的柔性制造系统，根据工件的颜色和材质在线检测，快速分类，提高分类加工效率。
1.4、PLC的应用现状和前景
PLC又名可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
是工业控制的核心部分。
PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展。
未来的PLC将整合多种功能：
更多的高级功能，更简单快捷的使用,更强的通讯功能，更好的开放性。
1.5、本设计的主要工作
本设计的主要研究工作包括：
设计基于PLC和组态软件IFIX的FMS系统；
编写PLC程序，控制FMS系统硬件设备，实现FMS系统的无人值守；
在上位机上采用组态软件IFIX开发人机界面，实现工件加工过程的实时显示。
上位机通过IFIX驱动PLC程序运行，由此监测并控制FMS系统运行状况；
进行实验室联调与试运行，并对FMS系统功能及可靠性进行完善。
二、硬件电路设计
2.1、总体介绍
本系统采用先进的总线控制方式，配有主控PLC、IFIX工业组态监控软件、ME编程软件等，下面就具体介绍生产线的功能。
图2-1生产线总体外观图
如图2-1所示，该柔性制造生产线作为一有机整体，由传送带单元、立体库单元、机器人单元、机床加工单元、龙门搬运单元、视觉检测单元、装配单元、RFID单元等组成，各工作站由GEFANUCPLC承担其控制任务。
各PLC之间通过以太网通讯实现互连，构成分布式的控制系统。
该控制系统具有较好的柔性，即各单元各有一套PLC控制系统独立控制，在单个控制完成以后，又可通过网络互连构成一个分布式的控制系统。
2.1.1、系统总体构成
1、该柔性自动化生产线实验系统是由独立的各单元相互连接而成，有如下单元：
（1）立体库单元
a、按照预定的分配，分为原料库位、成品库位和废品库位
b、机械手搬运装置将物料搬出或送入立体库中
（2）传送带单元
a、将传送带上的物料输送至下一个工作单元
（3）机器人单元
a、将传送带上的物料送至机床加工单元进行模拟加工
b、机床加工完毕后，再将机床上的物料送至传送带上
（4）机床加工单元
a、将机器人单元送来的物料进行模拟加工
b、白色物料进行模拟钻操作，刀库自动寻找钻刀、蓝色物料则进行模拟铣操作，刀库自动寻找铣刀。
（金属物料不进行机床加工，即金属物料不送至机床站）
（5）龙门搬运单元
a、将物料从环形传送带的末端送至环形传送带的首端，然后回到初始位置
b、安全光幕的作用是一个保护装置，避免人或物体通过时，发生碰撞和撞击等意外事故的发生。
（6）视觉检测单元
a、将物料进行直径检测，即实现模拟检测成废品物料
（7）装配单元
a、对成品物料进行标签装配
（8）RFID单元
a、将带标签物料进行数据写、读操作
b、当带有标签的物料通过RFID读写器时，读写器将预定额信息写入或读出，完成工件的数据记录
下图2-2给出了系统中物料从一工作单元到另一工作单元的物流传递过程：
图2-2生产线物流过程
机械手将立体库原料库中的不同颜色、材质的原料抓取到传送带中，然后进行一系列的模拟加工、视觉检测、标签装配等操作，最后将相同颜色、相同材质的成品物料放在同一列库中，将废料放入同一列库中。
2.1.2、关于立体库、龙门搬运和装配单元的分析
1、立体库单元
该单元的基本功能是按照预定的分配，将工件库位分为原料库位、成品库位和废品库位，通过机械手搬运装置将物料搬出或送入立体库中。
其外观如图2-3所示。
图2-3立体库外观图
该单元主要用到了这些器件：
GEPLC（主控单元）、直线气缸、伺服电机及伺服驱动器部分（按照预定的路线进行库位寻找的工作）、空气压缩机（用来生产线上的动力装置）、漫反射式光电传感器。
2、龙门搬运单元
该单元的基本功能是是将物料从环形传送带的末端送至环形传送带的首端，然后回到初始位置，等待下一个物料。
其外观如图2-4所示。
图2-4龙门搬运外观图
安全光幕的作用是一个保护装置，避免人或物体通过时，发生碰撞和撞击等意外事故的发生。
该单元由龙门搬运机构、安全光幕防护部分组成，主要配置由直线气缸、导杆气缸、气动手指、光电传感器、安全光幕等。
3、装配单元
该单元主要由送料装置、装配装置及标签物料组成，主要配置井式工件库、直线气缸、双杆气缸、气动手指、磁性开关、光电传感器等。
该单元的基本功能是对成品物料进行标签装配，即当有成品物料到达装配预定位置时，送料机构送将物料推至物料台后等待装配信号，装配机械手从物料台抓取标签物料送至预定位置，然后回到初始位置，等待下一个物料。
标签装配单元外观如图2-5所示。
图2-5装配单元外观图
2.2、电气设计和电气原理图设计
2.2.1、立体库电气原理图
图2-6立体库电气原理图
本站PLC选择GEFANUCVersaMaxMicroIC200UDD040CPU主机单元。
图2-6中描述的是PLC的电气连接示意图。
立体库的I/O分配表见表2-1。
表2-1立体库I/O表
2.2.2、龙门搬运单元电气原理图
本站PLC选择GEFANUCVersaMaxMicroIC200UDD040CPU主机单元。
图2-7中描述的是PLC的电气连接示意图。
龙门搬运的I/O分配表见表2-2。
图2-7龙门搬运电气原理图
表2-2龙门搬运I/O表
2.2.3、装配单元电气原理图
图2-8装配单元电气原理图
本站PLC选择GEFANUCVersaMaxMicroIC200UDD040CPU主机单元。
图2-8中描述的是PLC的电气连接示意图。
装配单元的I/O分配表见表2-3。
表2-3装配单元I/O表
2.3、生产线相关器件选型及介绍
2.3.1气动元件
1、气源装置
气源装置为气动设备提供满足要求的压缩空气。
气源装置一般由气压发生装置、压缩空气净化处理装置和传输管道系统组成。
空气压缩机。
简称空压机，是气压发生装置。
空压机将电机或内燃机的机械能转化为压缩空气的压力能。
如图2-9所示。
图2-9空气压缩机
按工作原理分类，空气压缩机分为容积式空压机和速度式空压机。
容积式空压机的工作原理是使单位体积内空气分子的密度增加以提高压缩空气的压力；速度式空压机的工作原理是提高气体分子的运动速度以此增加气体的动能，然后将气体分子的动能转化为压力能以提高压缩空气的压力。
2、气源处理装置
（1）气源处理的必要性：
从空压机输出的压缩空气，含有大量的水分、油和粉尘等污染物，空气质量不良是气动系统出现故障的主要因素，会使气动系统的可靠性和使用寿命大大降低，由此造成的损失会大大超过起源处理装置的成本和维护费用。
（2）气源处理包括：
空气过滤、压力调节、油雾器（润滑）
（3）气动三联件：
为得到多种功能,将空气过滤器、减压阀和油雾器等元件进行不同的组合，就构成了空气组合元件。
各元件之间采用模块式组合的方式连接。
如图2-10所示
图2-10气动三联件
3、气动执行元件
气动执行元件包括产生直线往复运动的气缸，在一定角度范围内摆动的摆动气缸、气爪等。
●双作用气缸：
活塞的往复运动均由压缩空气来推动。
●单作用气缸：
只有一个方向受气压控制而另一个方向依靠弹簧实现复位。
图2-11气缸
●气动手指：
用于抓取、夹紧工件
图2-12气动手指
●回转气缸：
主要由导气头、缸体、活塞及活塞杆组成。
回转气缸工作时，外力带动缸体、缸盖及导气头回转，而活塞及活塞杆只能作往复的直线运动，并且导气头体外接管路，固定不动。
主要用在印刷（张力控制）、半导体（点焊机、芯片研磨）、自动化控制、机器人等领域。
图2-13回转气缸
●导杆气缸是指具有导向功能的气缸。
一般为标准气缸和导向装置的集合体。
导杆气缸具有导向精度高，抗扭转力矩、承载能力强、工作平稳等特点。
2.3.2磁性开关
当有磁性物质接近磁性开关传感器时，传感器动作，并输出开关信号。
在实际应用中，可在被测物体（如在气缸的活塞或活塞杆）上安装磁性物质，在气缸缸筒外面的两端各安装一个磁感应式接近开关，就可以用这两个传感器分别标识气缸运动的两个极限位置。
如图2-14所示。
图2-14磁性开关原理图
磁性开关是用来检测气缸活塞位置的，即检测活塞的行程位置的。
气缸的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，从而提供一个反映气缸活塞位置的磁场。
而安装在气缸外侧的磁性开关用舌簧开关作磁场检测元件。
当气缸中随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片失磁，触点断开。
触点闭合或断开即提供了气缸活塞伸出或缩回的位置。
图2-15磁性开关及内部电路原理图
2.3.3漫射式光电开关
利用光电效应制成的传感器称为光电式传感器。
光电式传感器的种类很多，其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。
图2-16光电式接近开关
漫射式光电接近开关是利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作的，由于物体反射的光线为漫射光，故该种传感器称为漫反射式光电接近开关。
漫反射式光电接近开关，它的光发射器与光接收器处于同一侧位置，且为一体化的结构。
在工作时，光发射器始终发射检测光，当接近开关的前方一定距离内没有物体时，则没有光被反射回来，接近开关就处于常态而不动作；如果在接近开关的前方一定距离内出现物体，只要发射回来的光强度足够，则接收器接收到足够的漫射光后就会使接近开关动作而改变输出的状态。
如图2-17所示。
图2-17光电开关
E3Z-L61光电开关电路原理图
2.3.4电感式接近开关
它是利用电涡流效应制成的开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大器处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的震荡感应头时，使物体内部产生电涡流。
这个电涡流反作用于接近开关，使接近开关震荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。
这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。
其工作原理如图2-18所示。
图2-18电感式传感器
2.3.5光纤式光电开关
光纤型传感器由光纤检测头、光纤放大器两部分组成，放大器和光纤检测头是分离的两个部分，光纤检测头的尾端部分分成两条光纤，使用时分别插入放大器的两个光纤孔。
在传送带中光纤式光电开关的放大器的灵敏度可以调节，当光纤传感器灵敏度调得较小时，对于反射性较差的黑色物体，光纤放大器无法接收到反射信号；而对于反射性较好的白色物体，光纤放大器光电探测器就可以接收到反射信号。
从而调节光纤光电开关的灵敏度来判别物料。
光纤传感器
图2-19光纤式传感器电路框图
2.4、PLC选型及介绍
在工程设计选择PLC时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性价比的PLC和设计相应的控制系统，该设计中采用GEFANUC90-30系列及VersaMaxMicro系列PLC，分别控制各个工作单元。
RFID单元采用西门子S7-300系列PLC。
系列90-30PLC是一个包括控制器、I/O系统和特殊模块的家族，它能满足各种各样工业解决方案的要求。
系列90-30有单独的整体控制构架和模块设计，已有的记录表明它在200,000多项应用中被用做PLC，如高速包装、材料处理、复杂运动控制、水处理、连续发射监视、采矿、食品加工、电梯控制、注塑成型等。
系列90-30PLC如此全能的一个原因是因为它有大量的离散量模块和模拟量模块（超过100个），还有特殊模块可以使用。
此外，GE提供大范围的高级通信选项，从简单串行连接到高速以太网接口以及许多总线模块。
VersaMax把一系列离散量、模拟量、混合的和特殊的I/O模块包含在一个小型系统中，却提供了大型PLC的性能。
VersaMax是唯一具有“三合一”功能的系列产品，它既可以作为单独的PLC控制机，具有可接受的价格和优越的性能；又可以作为I/O子站，通过现场总线受制于其它主控设备，诸如GEFanuc90-70、90-30以及第三方PLC、DCS或计算机系统；还可以构成由多台PLC组成的分布式大型控制系统。
VersaMax产品为模块化和可扩展结构，构成的系统可大可小，为现代开放式控制系统提供了一套通用的、便于实施应用的、经济的解决方案。
三、软件设计
3.1、系统程序流程图
以下的是系统的程序流程图。
3.1.1立体库程序流程图
图3-1立体库流程图
3.1.2龙门搬运单元程序流程图
图3-2龙门搬运单元流程图
3.1.3装配单元流程图
图3-3装配单元流程图
当有成品物料到达装配预定位置时，送料机构送将物料推至物料台后等待装配信号，装配机械手从物料台抓取标签物料送至预定位置，然后回到初始位置，等待下一个物料。
3.2、通讯
3.2.1通讯协议
1、SRTPTCP/IP协议
SRTPTCP/IP协议，即ServiceRequestTransportProtocol。
SRTPTCP/IP协议是GEFanuc的专有以太网通讯协议，底层基于TCP/IP协议。
SRTPTCP/IP协议基于Client/Server结构、Request/Reply方式进行以太网通讯，Client对Server发出读/写数据Request,Server对Client返回相应Reply。
SRTPTCP/IP协议。
可以用于GEFanuc产品的控制器间数据通讯、编程组态下载、控制器与HMI/触摸屏通讯等。
SRTPTCP/IP协议支持通用的Hub,Switch,Router产品。
2、EGD协议
EGD协议，即EthernetGlobalDataoEGD协议是一种对于设备间通讯实现高效的、简便的、高速的数据通讯协议。
EGD协议基于UDP/IP协议。
采用EGD方式通讯，用户无需编程，只需组态需要广播（Producer）和接收（Consumer）的参数即可。
在EGD通讯方式下，通讯节点分为Producer和Consumer。
EGD通讯中，Producer按照在Producer中设定的时间周期将数据广播到设定的Consumer个体或Consumer组中，Consumer按照在Consumer中设定的时I}HJ周期读取收到的数据。
EGD通讯属于非面向连接的数据传输协议，与基于TCP/IP协议的通讯方式相比，其通讯效率较高、系统井销小，适用于高速定周期通讯应用。
在GEFanuc产品中，其通讯周期可设定范围为lOms-3600s。
EGD协议支持Hub,Switch,Router等产品，但对于Switch/Router要求其支持UDP多目广播。
图3-4EGD通讯原理图
3、ModbusTCP/IP协议
ModbusTCP/IP协议也是一种基于TCP/IP的以太网通讯协议，在以太网上实现Modbus协议命令集进行通讯。
Modbus是一种应用普遍的通讯标准，它是非专用协议，协议文本公开，其实现与设备厂商无关，已经被各厂家大量设备所支持。
ModbusTCP/IP协议基于Client/Server方式。
可用于GEFanuc产品间数据通讯、GEFanuc产品与HMI/触摸屏通讯等、以及GEFanuc产品与第二方厂家设备通过ModbusTCP/IP协议进行通讯等。
ModbusTCP/IP协议支持通用的Hub,Switch,Router产品。
3.2.2通讯程序的设计
通讯指令CMMREQ
通讯要求有以下几部分组成
1、CMMREQ功能块
2、CMMREQ指令块
3、通道指令
4、状态数据
图3-5通讯程序原理图
3.2.3系统网络拓扑结构图
图3-6系统网络拓扑结构图
系统采用IFIX组态监控软件进行控制，在整机运行时，系统运行的主令信号（启动、停止）通过IFIX软件给出。
同时，IFIX监控软件上显示系统运行的各种状态信息。
四、实验调试
在本实验设计的调试中我遇到过很多问题，例如设备的故障、程序的错误等等。
下面我分单动和联动两个部分进行叙述。
4.1、单动调试
在单动调试的时候，首先遇到的问题就是阅读程序这个难题。
在实验室中我按照实验指导书去实际操作，但是装配站的工作台没有按照预定的流程工作。
为了能够解决问题，我使用ME软件把装配站的PLC程序上载到上位机上，然后使用通信线连接到装配站的PLC上，然后进行程序状态监控，逐步调试。
最终我了解到整个装配站程序的循环过程和控制过程。
其次在龙门搬运单元的调试中，我发现搬运部件无法运作，。
为此我和同组同学一起寻找问题原因，最后我们逐一检查，确定是空气压缩机的问题。
找到问题后我们处理了这个问题。
从中我学会了如何在问题发生时处理问题。
之后还有一些系统灵敏度的问题，例如装配站的机械手使用的是电磁阀控制的气动式手爪进行运输，但是由于机械手的灵敏度问题，在实际调试的过程中旋转定位有点问题；龙门搬运单元中搬运物料的那个气动阀为瞬时动作，速度过快，当光幕保护启动时会发生抖动，导致物料可能掉落，针对这个问题我们也在积极研究处理方案。
虽然单动调试成功的完成了，但是接下来要完成的是更加困难的联动调试。
有了单动调试的经验我相信自己能够完成的更好。
4.2、联动调试
联动调试就是将装配站与龙门
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