佛山西门子授权代理商触摸屏供应商

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   挑战： 开发具有高速、准确、开放式汽车传感器组装线测试器, 可用于和分析波形数据, 且可与现有基于PLC(可编程逻辑控制器)的控制系统实现对话。 

   应用方案： 使用NI公司基于计算机技术的可编程自动化控制器平台，打造全线传感器组装和测试系统解决方案，以满足客户严格的要求。 

   使用的产品： 数据采集，工业通信，LabVIEW, PXI/CompactPCI, 可编程自动化控制器（PAC）
 
  应用领域： 汽车，机器/机械 

介绍： 跟上自动化的需求

    在现今的竞争趋势下，贯穿整个制造领域流程形成了对进一步自动化的需求, 推动这一需求不断增长的正是对高产出和低耗的效率追求。在为客户实现和提升率的过程中，自动化程度无疑是个决定性的关键因素。为此，在目前竞争激烈的汽车市场中，作为一条出路，应当考虑运用的基于计算机技术的测试方案来改进传统高耗费的基于PLC的装配线，大幅度提升工作效率，生产出加理想的产品。 

    NI的系统联盟商ABCO自动化公司作为制造组装和测试自动化的，曾应一家汽车传感器制造商的要求开发一套全线组装物料板和测试机械。在整个装配流程中负责制造和测试每一个传感器，对于制造商所要求的标准是否能够达成，起着决定性作用。

    使用NI产品以满足系统各项要求 

    系统要求包括传感器组装量提高到每六秒钟一个部件，并且可以和现有的Allen Bradley公司的基于可编程逻辑控制器(PLC)的系统兼容。这个项目是技术升级的。现在，工程师们可以实现传统的PLC系统与加低耗且数据处理能力的计算机技术之间的无缝结合。 

    这个项目包括下列大型、的机器部分，这两部分都使用精度联接标定传送带：
• 一部14站组装和校验线
• 一部10站终测试线

    在阶段的14站的组装和校验过程中，系统会略有余量地浇筑部件并传载至传送带系统，在那里部件被组装、校验、外观检查和焊接。借助于多个DENSO机器人，系统将组装的传感器传载至10站式测试线做终检测，后负责取回。 

    测试阶段，我们所有的系统选用的是NI可编程自动化控制器(PAC)平台，从而实现速度、准确性和协同工作的能力。通过使用NI PXI-1042机箱和一台NIPXI-8186控制器和数组NIPXI-6070E数据采集模块，我们从一台联接到一个以一定转速运转的音轮的编码器波形数据。系统分析了波形数据的周波、峰值和低值和其他决定合格标准的参数。我们将合格的部件送去包装，同时把那些不合格的单列起来，标注和退回处理。 

    NI PAC(可编程自动化控制器)和LabVIEW提升了性能，降低了成本 

    项目成功的一个关键因素是LabVIEW OPC的能力和与PLC的协同工作的能力。客户要求新的系统和多种三方模块以及电源有着协同工作的能力。运用NI LabVIEW DataSocket技术以及Allen Bradley公司的RSLinx OPC服务器，我们将NI可编程自动化控制器(PAC)硬件和传统PLC相集成从而实现了对于全部数据的监控和控制做到天衣无缝。对于这项艰巨的工作而言，NI产品给Allen Bradley公司的硬件产品带来的使用上的便利大大地节省了我们宝贵的编程和集成的工作时间。从而，我们为客户实现了性能提升和成本节约。

    注: NI系统联盟商是一个商业实体，它立于NI并且与NI没有代理、合伙以及合资关系。 所列出的公司名称和产品均为其公司商标或商号。

型材辊压生产线是生产汽车门、窗等型材的关键设备，其剪切系统自动化程度及定尺精度的高低将直接影响企业生产效率及产品质量。型材剪切一般有定尺停剪和飞剪两种。定尺停剪控制简单，定尺精度高，但生产效率低，特别是对于有缝焊机的辊压线，频繁起停将会影响焊机焊的使用寿命；飞剪控制比较复杂，方法也较多，相对简单的一种就是由型材本身带动剪切工作台实现飞剪的方法[1～2]。这种剪切方法只适用于刚性较大的型材，而对于截面积较小的型材加牵引机，控制复杂。针对上述不足，我们设计了一种采用直流伺服机驱动、PLC控制剪切工作台实现连续不停机剪切的飞剪控制系统。应用结果表明，该系统运行，同步精度较高，定尺误差较小，适用于剪切各种规格的型材，不仅提高了企业生产效率及产品质量，而且具有广泛的推广应用。
1　采用伺服机的型材辊压生产线飞剪控制系统的组成
型材飞剪系统是一种连续剪切型材的加工机械，相对于定尺停剪系统，可提高生产效率。采用伺服机的型材辊压生产线飞剪控制系统原理如图1所示。

图中，S1、S2、S3为接近开关，S4、S5、S6为滚轮式行程开关，负责工作台的终端停车及程保护。伺服机通过丝杠拖动工作台运动，由液压缸带动完成冲切任务，其运行过程如下：
(1)型材以恒速向前移动，由测长轮测定型材长度，当到达预定值时，起动伺服机，工作台开始移动。
(2)当工作台与型材的移动速度达到同步时，液压缸动作，开始冲切，接近开关S2检测到冲切到位信号时，抬起。
(3)工作台继续移动，当回到初始位置时，接近开关S1有信号输出，伺服机反转，工作台高速返回。
(4)到接近开关S3位置时，工作台停止，根据切割的根数，决定是继续运行还是停车。
2　飞剪伺服同步控制系统的组成与参数计算
伺服同步控制系统由直流伺服驱动器、伺服同步控制器、PLC及测长轮等组成，其控制系统结构框图如图2所示。

测长轮光电编码器输出的脉冲信号分两路，一路送给PLC的高速计数口，做测长用；另一路先经光电隔离及F/V环节将频率信号转换成电压信号，再经放大器放大后，作为伺服驱动器的速度给定信号。连续剪切时，保工作台的移动速度与型材线速度严格同步，在F/V变换器与伺服驱动器参数确定的情况下，放大器放大倍数的确定将是实现伺服同步的关键。已知系统参数如下：
F/V环节输入输出特性：Kf=(0～25kHz)/(0～5V)；
伺服驱动系统：大给定电压

额定转速ne=1500r/min，转速反馈系数α=

/ne=1/300(V．min．r－1)；
测长轮直径：DL=110mm=0.110m；
光电编码器每转脉冲数：N=5000；
型材大移动速度：Vm=15m/min=0.25m/s；
丝杠节距：T=10mm=0.01m。
当型材以线速度VL(单位为m/s)向前移动时，测长轮光电编码器输出脉冲的频率为

经F/V及放大环节加到伺服驱动器输入端的速度
给定电压为

式中KP为伺服同步控制器放大环节放大倍数。对应的工作台移动速度为

式中　　n为直流伺服电机转速。
由Vg=VL，解得

将已知参数代入，即可求得放大器放大倍数KP=6.908。为了保证同步精度，放大器中调节放大倍数的电位器RP1选用多圈精密电位器，放大器选用LF356，光电隔离选用TLP5212。
伺服驱动器的速度给定除同步给定信号U*nl外，还设有工作台高速返回、工作台前向点动和后向点动3个给定电位器。设置点动功能的目的是当需要定尺停剪时，可使工作台处于有效行程内的任意位置。4种给定信号通过PLC的Y117(伺服机速度同步给定)、Y116(工作台高速返回)、Y120(工作台前向点动)和Y121(工作台后向点动)进行控制。
3　PLC控制系统的组成及软件设计
型材辊压飞剪系统采用日本富士NB1系列可编程序控制器控制，可实现定尺停剪、飞剪及剪切长度、剪切根数的自动控制，同时具有自保护、自诊断和报警等功能。剪切长度及剪切根数等参数由PLC通过串行通信从上位机读入。PLC剪切控制系统的输入信号包括：测长轮光电编码器LF输出的电脉冲(A、B两相)，接近开关S1～S3，行程开关S4～S6，伺服准备好信号VRDY；输出信号包括：伺服上电SON1，伺服使能ENBL(Y115)，伺服速度给定Y117、Y116、Y120、Y121，冲切电磁阀、抬起电磁阀、加速阀及溢流阀等，其PLC外部接线图略。控制流程如图3所示。

系统通过对光电编码器LF输出脉冲的来计算对应的型材长度。NB1系列U型PLC的高速计数指令功能是当条件满足时发出一中断信号，并控制相应的动作。由于系统剪切长度是可以改变的，故需要通过PLC中算术运算将剪切长度转换成对应的脉冲数。
为了使系统能够工作，对软件和硬件均作必要的处理。软件主要是延时保护，因为系统工作过程主要是顺序动作。当某一工序到下一工序的时间过确定值时，说明该工序的相关部分出现故障，命令系统停止运行，等候维修。图中长度检测到延时是根据型材的剪切长度与轧制速度的比值来确定；剪切到位和抬起延时是根据冲切动作的快慢来确定，本系统取3s；Y115为伺服使能信号，延时打开的目的是保工作台高速返回停车时有足够的制动时间。硬件是采用4个保护开关，前两个是接近开关S1、S2，主要是检测型材是否切下和是否抬到位，若未按规定动作，则视为故障，系统停止运行；另两个是限位开关S4、S6，作用是在保护均失效，工作台到达S4(或S6)位时，强制系统停止运行。
本系统充分利用了PLC的逻辑运算、数值处理、高速计数、中断及沿触发等功能，使整个系统控制方便灵活，外围设备减少，并能大大缩短现场的安装和调试周期。
实际调试过程中发现，连续飞剪的定尺精度往往不如定尺停剪的精度高，其主要原因如下：　　(1)测长轮与型材之间有相对滑动，使计数不准，可设法增加测长轮与型材之间的摩擦力，如增大气阀压力等；
(2)工作台每次返回的初始位置不一致，可增加一初始位置定位系统，提高位移控制精度，但系统要相对复杂一些；
(3)伺服同步精度低，剪切时工作台相对于型材有相对运动，可适当调整电位器RP1。
(4)由于伺服同步控制器在转速环外，因此系统元件(包括放大器、F/V变换器和电阻等)参数值随环境温度的变化对定尺精度有一定的影响，可在此基础上增加一位置环。

2 系统工作
本系统采用了SIEMENS公司的S7-200 PLC进行系统开发，系统可完成以下功能：1、生活供水自动恒压；2、自动、手动供水选通；3、定时换泵（PLC30秒检测一次，无人用水十分种停机）；4、工作状态自动保持；5、消防供水自动控制；6、消防生活边锁控制；7、管网压力自动起停泵。

3 算法原理
为了能够的控制变频器的运行并满足差值电压的跟踪，当输入信号的变化不大时，系统不再读取数据，将原来的计算值直接保持。当输入信号的变化值较大时，系统立即跟踪这一变化，并计算出新的采样值，并将其保持，依次作为参数运算的依据。
系统中有三个子程序：子程序1用来数字滤波、子程序2为运算子程序和中断子程序。考虑到系统工作环境对系统运行状态的影响，在设计中除采用硬件上加装滤波器外，还采用数字滤波的方式来干扰的影响，数字滤波采用模拟输入平均值的方法。
在频率调节过程中，考虑到变频器的利用率和系统的性，调频的下限值设定为25Hz，上限值设定为50Hz。当系统刚启动时，电动机的转速很低，无法满足系统要求，此时将参数值强制设置到使系统稳点工作在50Hz，当系统进入调节区内时，调节参数的偏差、偏差变化率、输出量和速率都对系统输出产生影响，随着目标参数的接近程度不同，调整参数值逐渐平缓接近目标函数。
由于考虑到系统运行惯性的影响，调节过程可能出现震荡，因此，在程序中设计了目标预测程序。当运行参数远离目标参数时，调节幅度加快，随着运行参数与目标参数的逐步接近，跟踪调节幅度逐渐减小，直至运行参数与目标参数近似相等时，系统按照运行参数变化的预测值进行调节，使系统达到一个动态平衡，以维护系统的恒压稳定值。
同时，由于系统调节的惯性较大，而系统数据的采集速度很快，在运算过程中，运算结果可能会使调频输出大于50Hz或小于25Hz因此，当输出频率大于50Hz或小于25Hz时，将输出频率强制设定为限值。
对于系统振动的处理，由于系统是定时采样，在采样过程中振动是难免的，当振动过预期值时，作为错误值处理，当振动量小于预测值时，采样数值作为有效数据处理，作为调节参数的依据。
本系统经过调试和实际现场运行，恒压工作稳定，调节效果好，达到了预期的效果

2　系统功能
为满足用户提出的技术要求和现场的工况，此控制系统的设计具有以下功能：
1.根据用户提出的技术要求，按照添加剂配方的比例地配制生产各种型号的石化产品，并且通过微型机和现场PLC控制系统实现整个生产过程的自动化。
2.通过自行开发的计算机软件，实现生产现场的动态监控。良好的人机界面、清晰的组态图形，使得操作人员通过计算机屏幕，对于现场的各种工况变化一目了然。
3.在现场生产中，为提高整个控制系统的性，在搅拌器、电动机、电动阀、电磁阀等设备上均设计了局部反馈功能，这些相互立系统的局部反馈功能构成了对总系统反馈控制的有力支持。
4.当系统出现压力报警或油面报警时，一方面通过PLC程序实现自动停车，另一方面借助于语音卡，在控制间的操作人员可以立即听到报警信号，及时采取相应措施。
5.考虑到生产现场某些部位属于高温、有害气体残留处，技术人员不宜靠近，在现场设置了电视，让技术人员实现远程监控。为便于管理，还安装了现场通话设备。
6.在控制室设置了1个大屏幕模拟显示屏，在屏幕上不仅可以显示总厂所有管道线路，而且能够动态显示油的液位、流向，让高层管理人员从宏观上掌握全厂的生产状况。
7.通过微机联网，质量检查部门可以直接得到工业现场的信息，各管理部门之间也可以实现数据通信与数据共享。
3　硬件与软件设计
3.1　硬件设计
在本系统中，工业现场控制是，而工业现场控制主要由PLC系统完成，所以如何合理有效地使用PLC技术就成了设计的关键。PLC的特点是控制，编程简单，但程序内存不大，不能进行复杂的编程；而石化产品的特点是生产工艺复杂，产品型号繁多，往往1条生产线就能够生产几十种型号的产品。这就形成了一对矛盾。如果设计时采用常规的PLC控制系统，那么1条生产线就需要20几台PLC基本模块和A/D转换模块。投资，而且按照现代控制理论，在1个控制系统中配置的控制模块越多，控制越不。为了减少投资和增强控制的性，在PLC控制系统的硬件配置上进行了多项。
以润滑油生产线为例，在润滑油生产车间，有搅拌温度、添加剂温度、输油泵压力、油罐的液面等共计32路模拟信号需要检测。如果按常规设计，需要8块FX-4AD模块。为减少投资，设计了多路开关切换电路，只用2块FX-4AD模块就完成了全部功能。图2为FX-4AD模块的多路开关切换示意图。

图2中，FX-4AD模块为12位4通道模拟量输入模块，Y0、Y1、Y2、Y3为PLC的任意输出触点。FX-4AD模块的多路开关切换电路的设计实质上是通过1个多路开关控制FX-4AD模块分别去完成搅拌温度检测、添加剂温度检测、输油泵压力检测及油罐液面检测4项功能，其中多路开关的4个转换触点接PLC的输出触点，由PLC编程控制。这个多路开关切换电路简单实用，而且节省了大量投资，实践证明，该电路在控制精度上满足用户的需要。
3.2　软件设计
在计算机与PLC集成控制系统的软件设计中，也采用了许多新的设计思想。
仍以润滑油生产车间为例，按照用户提出的72种润滑油的生产工艺和技术要求，如果用常规方法编程，需要12台PLC基本模块。为节约投资，我们充分利用PLC的文件寄存器(2000点)，用逐项查表的方法编写了1个72种润滑油的通用程序，用1台PLC基本模块带2台PLC扩展模块的方式完成了过去需要12台PLC才能实现的功能。
我们选用了三菱公司生产的FX系列的可编程序控制器，文件寄存器共计2 000点(D1000～D2999)。为节约程序内存，充分利用PLC本身提供的指令资源，我们选用了字传送方式，用1个16bit的字来控制PLC触点的16个输出触点，而不必像过去那样，1条指令只能控制1个输出触点。例如在图3中，X0导通，十进制数K6送入数据寄存器D0，接着X1导通，数据寄存器D0的数值K6转化为二进制数“0000　0000　0000　0110”送入K4Y0，控制输出Y0～Y17共计16个触点的动作，其开关动作和数据寄存器D0的数值K6一一对应。如图4所示，“1”控制输出触点导通，“0”控制输出触点关断。在此例中，Y1、Y2触点导通，其余输出触点关断。

通过字传送方式，我们用1条指令就可控制16个电动阀及输油泵的动作，大大节省了程序空间。在这种设计思想下，我们把72种润滑油的工艺流程全部用字方式编写，然后输入文件寄存器，并在此基础上，编制了72种润滑油的通用程序。在通用程序运行时，根据某一润滑油的型号，通过查表的方式，在文件寄存器中调出对应的数据段(这些数据段也就是该种润滑油的工艺流程)，然后该数据自动输入PLC的控制程序，使得PLC按照规定的工艺流程控制整个执行机构工作。如图5所示之例，润滑油品种LSO-1的工艺状态字存于文件寄存器D1050～D1060 10个字节中。程序运行时，根据润滑油型号在文件寄存器中寻址，查到正确的后，调出D1050～D1060 10个字节的数据，然后输入到通用程序的相应寄存器，参与工业控制。

4　计算机与PLC的通信技术
在计算机与PLC集成控制系统中，一个关键的技术问题是计算机与PLC的通信。若在整个系统设计中全部采用进口器件，软件也选用相应的进口产品，那么，整个工程造价惊人。针对这种情况，我们自行开发了计算机与PLC的串行通信技术。该技术设计思想，软硬件简单实用，性高，性能价格比好，兼容性强，可适用于市场上多种型号的计算机与PLC。
从硬件上讲，现在中国市场上使用的PLC，在通信接口上多采用RS422接口或RS485接口；而微型机多采用RS232接口。这样在计算机与PLC通信时就不可避免地要选用RS422-RS232转换模块，同时考虑到恶劣工况下的抗干扰要求，这个转换模块具有良好的隔离功能和放大功能，而选用进口模块，必定提高工程造价。
针对这种情况，为降低工程造价，我们在硬件上用1根普通的通信电缆代替进口的通信模块，在电缆的接口处采用的电路设计技术和单片机技术，以完成信号的隔离和放大功能。实践证明，通信的性可以和国外的进口模块，而且造价低。
从软件上讲，计算机和PLC的通信技术属于保密技术，长期为国外公司。这就使得我们只要选用了该厂家生产的PLC，用它开发的工控软件，提高工程造价。针对这种情况，我们开发了自己的工控软件。下面以三菱公司生产的FX系列可编程序控制器为例，介绍我们的软件设计。FX系列可编程序控制器命令格式如表1所示。
表1　FX系列可编程序控制器的命令格式 
命令 命令号 日标设备 功　　　能 
设备读 命令‘0’ X/Y/M/S/T/C/D 读位设备或字设备状态 
设备写 命令‘1’ X/Y/M/S/T/C/D 写位设备或字设备 
强制开 命令‘7’ X/Y/M/S/T/C 打开位设备 
强制关 命令‘8’ X/Y/M/S/T/C 关闭位设备 
每一个字符都以ASCII码形式串行传输，传输格式如图6。

图1　轮南站PLC－5系列可编程控制器的系统配置图

在图中可以看出轮南站的PLC－5系列可编程控制器系统的基本结构和联接方式，1＃和2＃站是整个可编程控制器系统的主要部位，负责与计算机工作站之间的，也是计算机工作站与另外两个站的数据信号传输的处理，装有整个自动化系统运行的主程序，肩负着全部生产运行工艺流程的逻辑控制、出站压力自动调节系统的控制、报警系统，同时还包括了一期工程的整个系统的全部功能，管理监视3＃、4＃可编程控制器的运行状态；这个部分使用了两台PLC－5／40型的可编程控制器和4个16槽框架以及相应的设备和I／O接口板，配置结构采取双机热备的形式。
图1中，左边的是1＃控制器，一般作为主运行控制器，右边的是2＃控制器，为后备运行控制器，这两个控制器所编制安装的运行软件是一样的，同时运行和接收各种信号，在实际运行中，主控制器处于主导地位，指挥着整个输油生产过程，向其它部分发出命令和接收和传输各种数据，后备运行控制器处于从属地位，进行着同样的运行状态，和主控制器的区别是不发出任何命令，但时刻监视着主控制器的运行状态，一旦主控制器发生故障，后备控制器能立即占据主控制器的地位，指挥着整个自动化控制系统的运行，从而保证了自动化控制系统运行的连续性，提高了设备运行的性，保证了生产。
3　系统具有灵活的通信功能
轮南站的各个PLC－5可编程控制器利用其的灵活的通信方式，方便地组成了PLC－5处理器与就地机架、远程机架、计算机工作站及其它的电子设备之间的通信，其通信方式是多渠道、多方式的。轮南站的系统使用了1771－ASB远程I／O适配器模板，在每个远程机架中装有一块，负责与处理器和各个远程机架之间的通信。在本地机架里，处理器本身即是处理器，又是适配器扫描器。PLC－5处理器本身的通信功能（使用DH＋网），可以在不加任何通信模块的情况下，实现各个PLC－5处理器之间的通信。它也可以将一台编程器用于网上的所有站。
PLC－5可编程控制器还可以与其它的电子装置进行数字通信，轮南站的3＃站系统完成与2705的输油泵系统输油泵参数采集显示系统进行本地机架和远程机架的通信。二期工程中使用了4台瑞典生产的雷达液位计，轮南站系统使用1771－DBBASIC模块与雷达液位计提供的2170型RS－232通信模块相联接，完成该部分的储油罐温度和液位的数字。
4　系统具有的多种数据处理功能
A－B公司为工业应用提供了可在通用框架上安装的80多种数字及智能I／O模块，诸如数字I／O模块、模拟量I／O模块、通信模块、定位模块等等。
轮南站的系统使用了开关量I／O模块、电流模拟量输入模块、热电阻模拟量输入模块、配变电模拟量输入模块等智能模块，这些模块给定的精度为0．1％，经过每年实际测试均能满足要求。
丰富的指令集和强大的软件功能是A－B公司PLC－5系列可编程控制器的显著特点。轮南站使用的PLC－5系列可编程控制器具有新工艺、安装在1771通用I／O框架上的单槽处理器。另外，它们还具有一套的指令系统，并且它还具有顺序功能流程图的编程功能。使用一台兼容的计算机（即使用普通的电子计算机加上一块1770－KT或其它可以安装在该计算机上的由A－B公司提供的通信模板），安装上该公司提供的9320编程软件就可以方便的进行处理器编程，同时该系列处理器和软件可以使用在线和离线两种方式进行编程，装入或取出数据文件，在计算机上运行情况。
目前轮南站就是使用了惠普生产的VL4－50计算机作为监控设备，组成人机信息交换界面，操作员发出命令的场所，有效的控制着输油生产的运行。
PLC－5系列的I／O接口模块具有相同的尺寸，统一安装在1771I／O框架中，在轮南站的输油泵设备采用的震动检测系统模板（2202／02－01　2201／03－01）与1771I／O框架的尺寸相同，方便的安装在1771I／O框架中，与PLC－5处理器直接通信，进行。
5　结论
从轮南站使用的PLC－5系列可编程控制器的情况来看，它们具有强大的控制功能，控制方式灵活，通信方式多样化，给用户确实提供了大的方便。在轮南站的PLC系列可编程控制系统中，成功地完成了与雷达液位计数字通信的衔接和震动模板组成的输油泵运行设备的控制和与2705数据采集系统的结合在一起，增加了PLC－5系列可编程控制器的特色，与普通的计算机非常方便的组成易操作，易掌握，高性的自动控制系统。
PLC－5系列可编程控制器自1992年7月投产使用以来，一直地运行，经过1995年初的新换代，始终未出故障。实践明，轮南站的PLC－5系列可编程控制系统在输油生产的运行中可以充当主角，给、平稳输油提供了的。