基于PLC的汽车生产物流研究与设计.docx
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基于PLC的汽车生产物流研究与设计
天津职业技术师范大学
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
毕业设计
专业:
电气工程与自动化
班级学号:
电自1202-06
学生姓名:
陈梦婷
指导教师:
邴志刚教授
二○一六年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
基于PLC的汽车生产物流研究与设计
R&DofAutomobileProductionLogisticsBasedonPLC
专业班级:
电气工程与自动化
学生姓名:
陈梦婷
指导教师:
邴志刚教授
学院:
自动化与电气工程学院
2016年6月
摘要
生产物流是工厂运作的重要组成部分,随着自动化技术的快速发展,汽车工厂对于生产物流的控制系统要求也越来越高。
工厂应该更加注重提高自身的生产效率,降低生产成本。
为了更好的生存和发展,众多汽车制造企业积极的引入先进的生产模式的需求自然而生。
本文主要总体设计、硬件设计、程序编写、组态与仿真四个方面进行研究。
首先是根据生产物流系统对于PLC控制系统的整体设计。
其中包括控制的内容和目标、结构和方式的选择以及控制方案的确定。
其次是对PLC控制系统硬件功能设计以及PLC和人机界面的选型。
随后是根据编程要求确定I/O分配并用博途TIAPortalV13完成程序编写。
最后是控制系统的程序的仿真与监控。
分别选用PLCSIM和WINCC对PLC和HMI进行仿真和实时监控。
本文通过硬件到软件的设计并对将控制器与人机界面相结合,通过仿真可体现出生产物流系统的实时运转。
本系统具有一定的代表性,对其他生产物流系统的设计具有一定的借鉴意义。
关键词:
生产物流;PLC;PID;博途
ABSTRACT
Productionlogisticsisanimportantpartoftheplantoperation,withtherapiddevelopmentofautomationtechnology,automobilefactoryhashigherrequirementforproductionlogisticscontrolsystem.Factoryshouldpaymoreattentiontoimprovetheirproductionefficiency,reduceproductioncosts.Inordertobettersurvivalanddevelopment,manyautomobilemanufacturingenterprisestoactivelyintroduceadvancedproductionmodeofdemandisanaturalborn.
Inthispaper,theoveralldesign,hardwaredesign,programming,configurationandsimulationoffourstepsforsubjectforresearch.FirstisaccordingtotheproductionlogisticssystemfortheoveralldesignofPLCcontrolsystem.Includingthecontrolandthecontentofthetarget,structureandwayofselectionanddeterminationofcontrolscheme.ThesecondisthefunctionofPLCcontrolsystemhardwaredesignandtheselectionofPLCandHumanMachineInterface.FollowedbytheI/OallocationaccordingtotherequirementofprogrammingandTIAPortalV13completeprogramming.Thelastistheprocessofthecontrolsystemsimulationandmonitoring.RespectivelychoosingPLCSIMandWINCCforsimulationandreal-timemonitoringofPLCandHMI.
Inthispaper,thedesignofthehardwaretosoftwareofthecontrollercombinedwithHumanMachineInterface,throughthesimulation,thingsofproductionlogisticssysteminreal-timeoperation.Thissystemhascertainrepresentativeness,thedesignofotherproductionlogisticssystemhasacertainreferencesignificance.
KeyWords:
Productionlogistics;PLC;PID;TIAPortal
1绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
随着中国与德国签署《中德合作行动纲要》,工业生产情况与前期相比有着不同的变化。
2016年4月27日国家统计局发布的工业企业财务数据显示,3月份工业利润呈现两个特点,一是利润降幅有所收窄。
3月份,全国规模以上工业企业利润同比下降0.4%,降幅比1-2月份收窄3.8个百分点;1-3月份,累计利润同比下降2.7%,降幅比1-2月份收窄1.5个百分点。
二是利润率有所提高。
3月份主营业务收入利润率为5.65%,1-3月份主营业务收入利润率为5.18%,分别比1-2月份提高0.75和0.28个百分点。
很显然,降低生产成本,提高工作效率是必然发展趋势。
汽车生产企业要想在激烈的国际资本市场竞争中取得优势,仅依靠传统的低价格优势已经不能满足要求,而产品生产效率和产品质量将会起到决定性作用。
提高汽车生产质量,提高整车的生产效率,使其逐步与国际标准接轨,是我国汽车工业改革的必然趋势,也是我国民族汽车工业求得生存、参与竞争的基本保证。
1.1.2研究意义
工业生产与生产物流密不可分,生产物流是企业物流的关键环节,生产线物料配送涉及到生产物流的方方面面。
现今社会,物流作为“第三利润源泉”被越来越多的企业关注的,生产线物料配送自动控制的不断提高带来直接或者间接的利润增长。
企业中,生产物流就是根据整车生产线需求预测安排物料采购和生产计划,必须确保整车厂不能停线,同时能够根据生产需要迅速反应。
因此合理的配送、提高生产效率、缩短运输时间、减少成本则成为生产物流不断改进的意义所在。
1.2生产物流综述
1.2.1生产物流的概念和组成
生产物流是指在生产工艺中的物流活动。
一般是指原材料、燃料、外购件投入生产后,经过下料、发料,运送到各加工点和存储点,以在制品的形态,从一个生产单位(仓库)流入另一个生产单位,按照规定的工艺过程进行加工、储存,借助一定的运输装置,在某个点内流转,又从某个点内流出,始终体现着物料实物形态的流转过程。
生产物流系统主要包括仓储系统、输送系统、废料处理系统、物流信息系统、物流控制系统五个子系统如图1-1所示。
图11生产物流系统图
1.2.2生产物流的特点
(1)生产物流的运行具有伴生性,是生产过程中的一个重要组成部分,决定了企业物流很难与生产过程分开而形成独立的系统。
生产物流中也有局部物流活动,这些局部物流活动主要是:
车间之间的运输活动、车间的分拣等。
(2)生产物流是一种工艺过程性物流,一旦企业生产工艺、生产装备及生产流程确定,物流便成了工艺流程的重要组成部分。
因为其较稳定,企业物流的可控性、计划性强,因此开始物流过程,选择性及可变性很小。
(3)生产物流和社会物流的一个最大的不同在于,生产物流是实现时间价值和空间价值的经济活动,而企业物流主要是实现加工附加价值的经济活动。
1.2.3生产物流系统
系统是相对外部环境而言的,而且和外部环境的区分往往是模糊的,所以严格地说生产物流系统也是一个模糊集合。
如图1-2所示,生产物流系统的输入是系统的供应物流,即原辅材料的采购和其它配件的采购;输出是销售物流,即成品的销售;转换处理就是生产过程,即生产物流。
图12生产物流的一般模式
1.2.4国外发展状况
国外对物流的研究是从上世纪二十年代开始的,时间相对比较长,现已经形成了一些比较完整的体系。
目前国外研究的重点主要是在物流系统的供应、传输上的管理和控制,物流供应管理的目标是根据物流在系统中的重要性,降低成本,减少库存,通过运作效率的提高,使经营者有足够的能力应对市场变化,使资源的利用率不断提高。
1.2.5国内发展状况
与其他发达国家比较之下,我国在物流方面起步较晚,虽然近年来发展迅速,但与美国、日本等发达国家相比还存在很大差距,而且这几年的物流发展主要停留在流通方向,工业企业中的生产物流方向没有得到重视,因此我国制造企业生产物流存在发展不均衡等问题。
1.3汽车生产物流综述
1.3.1现存主要问题
根据统计,在我国的生产制造中,物料、零件生产、加工时间只占生产过程的5%-10%,大部分的时间都是由装卸、搬运、包装和运送等情况使物料处于滞留状态,并且企业流动资金的74.9%被原材料、在制品等物料所占用。
因此可知,生产物流具有很大的发展空间[12]。
目前,我国汽车制造企业的生产物流存在的问题主要体现在以下方面:
(1)生产过程中原材料及成品的物流配送不当。
在生产过程中,大多数原材料是由人工根据需要进行领取;在成品的配送过程中,会出现运输不当、未及时配等情况,这些都会导致资源利用不合理、工作效率低下。
(2)生产过程中物流管理与控制不合理。
大多数的汽车制造企业对都十分重视生产结束后的数据收集与分析,他们重视物流运作的结果,而忽略了生产物流过程中,并没有对生产线进行实时监控。
(3)生产物流技术装备水平低。
大多数制造企业物流设施机械化、自动化程度不高,利用率较低,物流效率得不到提高。
1.3.2发展趋势
(1)汽车生产的过程中采用全程自动化的模式,缩短了在人工取料、配送过程中的时间,减少成本。
(2)提高生产物流技术装备水平。
完备的基础设施是提高自动化能力的必要条件,只有加强基础设施的配套性、兼容性以及提高物流技术装备的水平,才能使企业完善其物流系统,使企业具有较强的竞争力。
(3)改进汽车制造企业物流信息管理系统,提高实时监控能力。
1.4本文主要工作与内容
本文根据生产物流的组成、特点、发展趋势等情况,从整体设计、控制器与触摸屏、软件开发等方面对于汽车生产物流控制系统进行研究与设计。
本文共分为六个章节,具体内容如下:
第一章,对生产物流进行了整体的概述。
从工程实训的角度分析了生产物流的研究背景及意义,介绍了国内外状况和发展前景。
第二章,是对物流控制系统的总体设计。
首先是对系统的功能和需求进行分析,进而对系统整体进行设计;其次是业务流程的设计,确定控制结构和方式,具体说明系统整体工作流程;最后对运用的技术进行分析。
第三章,是对硬件功能模块的设计与实现。
首先是对PLC的结构和工作原理等基础内容进行了研究并确定选用SIEMENSs7-1200;其次是对控制器模块的选择和通讯方式的确定;最后是对用于操作和监控的人机界面的进行选型和设计。
第四章,是对系统算法及软件功能模块的设计。
首先是对所用的PID算法进行分析;其次是对编程语言、软件及仿真软件的选择;最后是通过绘制整体流程图、SCF图进行程序的编写。
第五章,运用博途软件对PLC以及HMI进行组态并仿真,对仿真过程实时监控。
第六章,总结研究成果与本文存在的不足之处,并对未来物流控制系统的发展趋势进行展望。
2物流控制系统的总体设计
2.1系统需求分析
汽车生产线分成四个部分:
冲压车间,其工作是生产汽车的十一件外覆盖件;焊装车间,其工作是将所有覆盖件焊接为一个整体,成为白皮车;涂装车间,将焊装车间出来的白皮车进行除锈、电泳、注胶、打磨、喷涂面漆等工作;总装车间,发动机、前后车桥、完成成品汽车[11]。
要求运料车通过传送带进行运输工作,在配送中心装载完原料后运输到焊装、冲压车间,完成卸料后返回配送中心;焊装完成后运输车将半成品运送至涂装车间,完成后返回;冲压完成后运输车将运送到发动机库,完成后返回;半成品涂装完成后运输到总装车间,完成后返回;半成品装完发动机后运输到总装车间;最后由总装车间运出。
生产过程如图2-1所示。
图21汽车生产流程图
原料到达冲压车间之后自动开始按照指令将物料送到指定的分配位置。
根据物料的颜色、形状等属性,传感器进行判断和分析,气缸根据指令动作。
物料分拣系统采用PLC进行控制,则能够连续、大量的进行分拣,不仅误差率低、而且劳动强度大大降低,显著提高生产率[8]。
2.2系统整体总结设计
(1)操作人员通过工位控制台上的按钮直接向发出请求信号。
(2)车间安装限位开关判断运输车位置。
(3)运输车触动限位开关后,得到反馈信号。
(4)运输车的使用情况控制台上的指示灯来显示。
(5)传感器检测原料种类进行分拣。
(6)气缸接受到传感器信号进行动作。
基于的PLC的生产物流控制系统静态结构图如图2-2所示。
PLC作为整个控制系统的核心,采集来自控制台和限位开关的信号,经系统程序对信号进行逻辑判断和处理后,输出信号至运输车的运输,至各个指示灯显示运料车的使用情况。
图22静态结构图
2.3系统业务流程设计
2.3.1控制方式和结构的选择
PLC与继电器—接触控制器从组成器件、工作方式、触点数进行比较,如表2-1所示:
表21PLC与继电器—接触器比较
PLC
继电器—接触控制器
组成器件
软件继电器(无磨损)
硬件继电器(易磨损)
工作方式
“串行”
“并行”
触点数
无限次使用
4~8对
PLC控制方式和继电器一接触器控制方式相比较而言。
PLC控制方式更合适于本系统。
由于汽车生产系统是大型要求的场合,需要将PLC的每个工作单元功能更单一,模块的种类也相对多些。
因此选择模块式PLC。
2.3.2动态控制分析
汽车生产物流系统是一个繁琐、复杂而重复的工作过程。
选取其中配送中心与冲压车间的运输过程为例进行分析如图2-3所示。
图23运输车配送图
运输车在配送中心装载原料,装载完成后前往冲压车间,到达冲压车间后检测原料种类卸载在指定的区域,货物卸载完成后返回配送中心,如图2-4所示。
图24动态流程图
3硬件功能模块的设计与实现
3.1控制器的选型
3.1.1PLC的特点及分类
可编程控制器,英文名称为ProgrammableLogicController简称PLC它是一种在工业上应用极广的自动化控制装置。
它具有可靠性高,抗干扰能力强;配套齐全,功能完善,适用性强;易学易用,易于为工程人员接受;统的构建工作量小,维护方便,改造容易等特点。
PLC的种类繁多,按其I/O点数可分为:
微型、小型、中型、大型PLC;按其结构可分为整体式、模块式及叠装式3种;按其功能可分为低档、中档、高档PLC。
3.1.2PLC的基本结构
(1)中央处理器CPU:
CPU在内存中全面读取输入装置的相关数据、状态,充分解释相关指令规定后,从而产生控制输出设备,并响应外部设备的请求以及进行各种内部诊断。
(2)存储器:
用来存放程序和数据。
(3)输入输出接口(I/O):
主要是把PLC与现场输入输出设备或其他外部设备进行连接。
(4)电源:
内部电路工作所提供的直流开关电源[1]。
PLC通过输入接口部件接受现场信息,到达CPU后完成逻辑运算、数学
运算、协调系统内部各部分工作等任务,由接口部件输出驱动受控单元。
其结构图如图3-1所示。
图31PLC结构图
3.1.3PLC的工作原理
微型计算机通常采用的是等待命令的工作方式,可编程控制器采用的是循环扫描。
在PLC中,CPU一般有规律的执行程序,从第一条指令开始,依次执行,最后又返回第一条指令,不断地循环,完成扫描周期。
PLC工作时的扫描过程如图3-2所示,包括内部处理、通信服务、输入采样、输出刷新[6]。
PLC完成一次扫描过程的时间称为扫描周期,扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关。
图32PLC工作原理图
3.1.4机型选择
目前,世界上有200多家PLC厂商,400多品种。
著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B(ALLEN-BRADLY)公司、GE(GeneralElectric)公司,日本的三菱电机(MitsubishiElectric)公司、欧姆龙(OMRON)公司,德国的AEG公司、西门子(Siemens)公司,法国的TE(TELEMECANIQUE)公司等。
本系统以配送中心前往冲压车间的过程为主,需求的数字输入量为12个,数字输出量为8个;PLC的工作环境是汽车生产工厂;有良好的售后服务与技术支持。
因此根据本项目的要求和特点,该系统选择西门子S7-1200系列作为控制器。
S7-1200可编程序控制器结构紧凑、组态灵活、功能全面,在工业应用中较为常见,可在较长时间时保证可靠安全,如图3-3所示。
图33S7-1200实物图
3.2控制器的配置与硬件组态
3.2.1模块选择
(1)CPU模块:
CPU1217CDC/DC/DC具有14路数字量输入、10路数字量输入,可使用3个通讯模块、8个信号模块;24VDC可用作高数计数器的数字量输入。
(2)输入、输出模块:
6ES7221-1BF30-0XB0为8路数字量输入;6ES7222-1BF30-0XB0为8路数字量输出。
(3)通讯模块:
使用CM1241RS485HF支持Freeport协议,MODBUS-RTU主站,MODBUS-RTU从站。
3.2.2控制器的通讯与网络
PLC通过工业以太网与PC相连,通过这种方式实现上位机计算机与PLC之间的通讯,以完成计算机对PLC程序上的下载和运行于计算机的组态软件通过PLC系统对状态的实时监控。
以太网通讯的数据传输一般是点对点的形式完成。
两台S7—1200之间采用的通讯方式为PROFIBUS-DP网络通讯。
PROFIBUS-DP用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信。
主站之间的通信为令牌方式,主站与从站之间为主从方式,以及这两种方式的混合。
S7-1200与HMI之间采用RS485接口串行通讯。
3.3人机界面的设计与实现
3.3.1HMI功能分析
人机界面(又称用户界面或使用者界面),英文名称为HumanMachineInterface简称为HMI,是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介,它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。
人机界面产品由硬件和软件两部分组成,硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等,其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低,是HMI的核心单元。
HMI软件一般分为两部分,即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件。
先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”,再通过PC机和HMI产品的串行通讯口,把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。
3.3.2HMI的选型
西门子TP1500操作面板不单单是人机界面。
操作系统为WindowsCE的多功能面板综合了性质迥然不同的两方面的优点另一方面是具有通常PC所具备的灵活性。
除传统的人机界面功能外,控制功能等其它自动化功能可同时得到执行。
对于基于PC的自动化系统,SIMATICPanelPC是一紧凑型的自动化平台–嵌入式型号极其紧凑和坚固,并无须维护。
图34TP1500实物图
3.3.3人机操作界面的设计
配送中心与冲压车间之间的运输操作界面主要能够满足以下几个功能控制运输车配送和返回、显示运输车的使用情况、出现故障时急停功能。
(1)装载完成指示灯显示绿色;
(2)卸载完成指示灯显示绿色;
(3)开始配送指示灯显示红色,到达目的地指示灯熄灭;
(4)开始返回指示灯显示红色,到达目的地指示灯熄灭;
(5)出现意外状况,系统停止运行。
图35控制菜单面板图
3.4传感器与气缸的设计
3.4.1分拣传感器的设计
(1)电容传感器:
是一种将其他量的变换以电容的变化体现出来的仪器,是将被测的力学量(如位移、力、速度等)转换成电容变化的传感器。
(2)电感传感器:
用来检测金属物体,由此可识别出有无金属物体接近,进而控制开关的通或断。
(3)颜色传感器:
分别放置Y(黄)、G(紫)两种颜色的彩色滤光器,以便处理各自的输出信号并识别彩色的方法。
3.4.2推料气缸的设计
推料气缸中两个磁性开关的作用是检测活塞运动位置。
检测到时会发送电信号,推料气缸动作。
4系统算法及软件功能模块的设计与实现
4.1算法分析
运输车的运输过程就是在各个车间的往复运动,控制运输车、分拣传送带的速度,装料、卸料位置的停靠则成为系统控制的关键。
PID控制器具有算法简单,性能好和可靠性高的特点,广泛应用于工业过程控制中。
在生产物流控制过程中具有非线性、时变不确定性等,则不需要控制对象的精确的数学模型,因此选用PID算法。
控制框图如图4-1所示。
图41PID控制框图
(1)比例控制作用:
当过程输出值PV与设定的期望值SV间产生偏差时,比例控制器会自动调节控制变量U的大小,控制变量U的大小会朝着减小偏差E的方向变化。
(2)积分控制作用:
在比例控制器的基础上引入一个积分控制器构成比例积分控制器。
积分常数Ti的大小决定了积分作用强弱程度。
(3)微分控制作用:
为了改善系统的动态特性,引入微分控制器。
当偏差e瞬间变化时,微分控制器会立即产生响应。
连续系统位置式PID控制算法微分方程为:
(4-1)
式中:
e为过程值与设定值的偏差;
为控制器的比例系数;
为控制器的积分常数;
为控制器的微分常数;u为控制器输出信号;
为偏差为零时,控制器输出信号。
根据增量式PID控制算法式,进一步简化计算公式为:
(4-2)
(4-3)
式中:
为控制器积分系数;
为控制器微分系数。
4.2编程语言及软件的选择
4.2.1程序设计语言
PLC有多种编程语言,如:
梯形图、布尔助记符、功能模块图等语言。
梯形图和布尔助记符是基本程序设计语言,一般是由一系列指令组成,可用于简单的控制功能,也可以扩展指令集,还可以执行其它的基本操作。
功能模块图语言采用功能模块图的形式,以软连接的方式控制功能,由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点,为广大工程设计和应用人员所喜爱,运用范围十分广泛。
4.2.2编程软件的选择
西门子S7-1200一系列编写程序可以使用TIAportal编程软件。
全集成自动化软件TIAportal,这行业范围內的第一家,几乎可完成所有的自动化任务。
软件环境较好,使
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