生產(chǎn)線機電設(shè)計中的虛機實電檢驗方法

卓 攀，吳恩啟，杜寶江，徐 沙，李曉甜

ZHUO Pan，WU En-qi，DU Bao-jiang，XU Sha，LI Xiao-tian

（上海理工大學(xué) 虛擬制造技術(shù)研究院，上海 200093）

0 引言

自動生產(chǎn)線的設(shè)計是制造型企業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，其合理性將直接影響到投產(chǎn)后產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。常用的生產(chǎn)線設(shè)計主要依靠經(jīng)驗和類比性設(shè)計圖紙來實施，經(jīng)常出現(xiàn)建成后反復(fù)修改調(diào)整的問題。主要涉及到：1)自動線上的機械設(shè)備、輔助裝置、物流和工具等的運行匹配不合理；2)自動化控制系統(tǒng)程序設(shè)計與生產(chǎn)工藝節(jié)拍等匹配性不合理[1]。而這些問題在設(shè)計圖紙上難以反映出來，需要等到機械設(shè)備安裝后上線測試或投產(chǎn)時才能發(fā)現(xiàn)全部的問題。通?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)建快，容易調(diào)整，而機械設(shè)備部分安裝調(diào)試周期長，后期難以更改。

因此本文提出了應(yīng)用虛機實電的生產(chǎn)線設(shè)計方法，即在設(shè)計階段，將機械部分用三維虛擬方式表達，而控制部分使用實物電氣設(shè)備，實現(xiàn)實際工藝流程測試，及時發(fā)現(xiàn)機械設(shè)備、工藝流程和控制程序的不合理問題[2]，反復(fù)修改測試，最終完成設(shè)計并投產(chǎn)，使設(shè)計周期、效能大為改善。本文將針對虛機實電方法在自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用進行介紹。

圖1 虛機實電生產(chǎn)線構(gòu)建和運行結(jié)構(gòu)圖

1 虛機實電生產(chǎn)線設(shè)計總述

虛機實電生產(chǎn)線的設(shè)計思想是建立虛擬機械設(shè)備和實物電氣設(shè)備兩個部分并使其模擬真實生產(chǎn)線進行控制和反饋連接，整體構(gòu)建圖如圖1所示。

圖中構(gòu)建內(nèi)容主要有三個部分：1)三維虛擬機械：以生產(chǎn)線初步方案構(gòu)建可以模擬運行的虛擬生產(chǎn)線，包括加工設(shè)備、工裝工具、工藝流程、物流作業(yè)和傳感器在內(nèi)的虛擬模型；2)實物及控制程序：以PLC為核心的控制和操控面板等硬件和總體控制程序；3)接口和模擬運行和檢驗軟件：建立虛實模塊的接口、模型驅(qū)動、信號輸入輸出、PLC以外的控制裝置仿真、面板、傳感器信號處理等程序模塊，連接虛實兩個部件。且運行部分主要涉及到操作指令執(zhí)行、虛擬設(shè)備動作和信息反饋、錯誤報警等。

2 虛擬生產(chǎn)線模型構(gòu)建方法

虛擬生產(chǎn)線是在已有參考生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上根據(jù)生產(chǎn)線產(chǎn)品、產(chǎn)能等數(shù)據(jù)設(shè)計完成的生產(chǎn)線設(shè)備、布局、工藝順序、作業(yè)空間、物流及工裝等內(nèi)容而建立出來的，如圖2所示。

圖2 虛擬生產(chǎn)線構(gòu)建流程圖

2.1 參考原型和資料準(zhǔn)備

在建立新生產(chǎn)線之前，參考原型和資料的準(zhǔn)備是非常重要的基礎(chǔ)工作，需要找到與目標(biāo)生產(chǎn)系統(tǒng)類似的生產(chǎn)系統(tǒng)，并收集相關(guān)信息資料。

2.2 設(shè)備和工藝的選型決策

參考成熟合理的工藝方法，并由此分析在用設(shè)備和市場上可供選擇的新型設(shè)備的性能參數(shù)，初步?jīng)Q定工藝設(shè)備的選型。并為虛擬生產(chǎn)設(shè)計準(zhǔn)備相關(guān)的資料，如結(jié)構(gòu)、工藝流程、動作節(jié)拍、運動精度精度、生產(chǎn)力平衡、操作步驟和操作空間干涉、上下料或輸入輸出匹配等，以及設(shè)備供應(yīng)價格、周期、維護性能、壽命-質(zhì)量曲線。

2.3 三維建模

在前面兩步準(zhǔn)備工作之后，則可使用三維建模軟件Solidworks以及虛擬現(xiàn)實軟件進行建模工作，并結(jié)合工藝、物流、空間要求進行裝配[5]。其中包括：

1）靜態(tài)設(shè)備建模。

2）運動鏈建模。

3）虛擬傳感器設(shè)置。

2.4 生產(chǎn)線機械運動節(jié)拍和作業(yè)空間干涉檢查

基于設(shè)備布局調(diào)整的工件搬運最短距離計算。首先加工設(shè)備按照工序和車間地面尺寸進行初步定位，給出位置和方向坐標(biāo)。按照工件尺寸和允許的方向確定搬運路線。以此作為初始條件分析計算水平面內(nèi)的最短搬運路徑，用VRML空間碰撞干涉校驗原理作為路徑計算約束條件，計算得出設(shè)備布局的新位置，根據(jù)計算結(jié)果，調(diào)整原有設(shè)備或布局新設(shè)備，再以此為初始條件，循環(huán)計算和檢驗，直至找出較合理的布局方案。如果計算過程中，約束條件未考慮充分，可以在每一個循環(huán)計算結(jié)束點上，人工干預(yù)[1,7]。

在車間里，大型工件從一個加工設(shè)備處卸載到另一個相鄰的加工設(shè)備處裝載，其搬運方式通常是采用行車吊裝或沿搬運車專用車道運輸，那么搬運路線就沿著水平面內(nèi)兩個相互垂直的方向行進。搬運最短距離計算的目標(biāo)是使相鄰設(shè)備之間的垂直線移動距離的總和最小。下面給出在原有設(shè)備中加入一臺新設(shè)備的計算中有關(guān)水平面內(nèi)計算的方法：

在虛擬環(huán)境下，坐標(biāo)系定義如下：

1）Z軸：車間的長度方向，也就是行車主軌道方向。

2）X軸：車間的寬度方向，也就是行車吊艙的軌道方向。

3）Y軸：車間的高度方向。

假設(shè)工件在設(shè)備之間的移動只能按垂直路徑移動，即只能是X方向路徑和Z方向路徑的組合，兩個點之間不能走對角線。

將以上算法設(shè)計成程序模塊，可以實現(xiàn)已有設(shè)備布局調(diào)整，或新加設(shè)備的合理位置。且以上計算加權(quán)系數(shù) 的設(shè)定是經(jīng)驗計算數(shù)據(jù)，需要考慮不同批次工件的搬運包圍盒尺寸。

3 實物電氣控制設(shè)備搭建方法

生產(chǎn)線的電氣控制設(shè)備通常使用PLC控制柜或DCS/PLC相結(jié)合的復(fù)雜控制系統(tǒng)來搭建?？煞譃椴倏剌斎氚?、處理器、信號采集器、控制板等模塊。

其中處理器分為PLC和DCS處理器，現(xiàn)階段主要以陣列式PLC為主[3]。處理器通常使用RS232/485/RJ45/現(xiàn)場總線與虛擬模型通訊[4]，可以使用與虛擬模型運行計算機相兼容的通訊方式連接。

操控面板有實物面板、觸摸屏等，通常與PLC輸入端子連接。操控輸入信號輸入到PLC后，其控制信號輸出到計算機的虛擬生產(chǎn)線。

如果在虛擬生產(chǎn)線中設(shè)定虛擬操作面板來代替實物操作器件，可以添加一個小型的反饋PLC，其輸出端通過電纜線與控制PLC輸入端連接，接線端子與原實物操作器件的連接相同。虛擬操作信號從虛擬生產(chǎn)線經(jīng)過RS232輸出到反饋PLC，經(jīng)反饋PLC程序變換后送到控制PLC的輸入端，達到與實物控制面板同樣的效果，如圖1所示。且虛擬生產(chǎn)線在運行時的虛擬傳感器的觸發(fā)信號的處理，與虛擬控制面板的信號處理相同，均要通過如圖1中所示的ACT通訊接口程序模塊。

4 運行控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

經(jīng)過上述步驟的系統(tǒng)搭建之后，該系統(tǒng)在運行過程中，需要實現(xiàn)實物PLC信號的輸入、寄存器狀態(tài)掃描、虛擬設(shè)備的運動變換、虛擬傳感器信號輸出等過程的功能，以及信號和運動的實時性處理。

4.1 PLC運行過程中的信號輸入

運行虛擬生產(chǎn)線的計算機接入運行的PLC時，使用PLC的API庫中的連接函數(shù)進行硬件連接，如使用三菱PLC的MX component組件的 ActiveX庫，在程序中引用，并根據(jù)PLC配置參數(shù)和通訊連接方式進行通訊處理，達到實物PLC信號的輸入，且MX component中的DLL函數(shù)庫及其應(yīng)用如表1所示。

表1 MX component 的DLL函數(shù)庫及其應(yīng)用

4.2 PLC與虛擬樣機的通訊

通信接口程序，實際上是一個駐留式服務(wù)程序，是一個連接PLC和虛擬樣機的橋模塊，不斷地掃描PLC的信號狀態(tài)和虛擬樣機的信號狀態(tài)，實現(xiàn)傳遞[4,6]。

作為一個通用性的程序模塊，需要使用數(shù)據(jù)庫方式，記錄兩邊的變量對應(yīng)，然后自動讀寫。假設(shè)PLC有兩個輸出Y001和Y002，則PLC信號和虛擬樣機變量對應(yīng)如表2所示。

表2 PLC信號和虛擬樣機變量對應(yīng)表

有了上表，使用下列處理語句進行循環(huán)處理，就可完成僑聯(lián)通訊。

1）對于PLC使用

fxcpu.ReadDeviceBlock("＜PLC信號名稱＞",1,＜存放變量名＞)

fxcpu.WriteDeviceBlock("＜PLC信號名稱＞",1,＜數(shù)值＞)

2）對于虛擬樣機使用（其中AxContact3D1是虛擬生產(chǎn)線的程序控件名稱）

AxContact3D1.setNodeEventIn("＜虛擬節(jié)點名＞","＜參數(shù)名＞","＜數(shù)值＞")

＜存放變量＞=AxContact3D1.getNodeEventOut("＜虛擬節(jié)點名＞","＜參數(shù)名＞")

4.3 虛擬傳感器數(shù)據(jù)的反饋處理

虛擬生產(chǎn)線中的傳感器構(gòu)建成唯一性映射的虛擬傳感器，當(dāng)運動鏈中的虛擬部件觸發(fā)虛擬傳感器時，其事件和數(shù)值會自動輸出，通過事件函數(shù)getNodeEventOut(＜傳感器名＞,＜值名＞,＜數(shù)值＞)，將信號傳遞到接口程序模塊，然后通過映射表發(fā)送給PLC的寄存器或通過反饋PLC輸送到控制PLC輸入端，從而模擬了實物生產(chǎn)線的反饋處理。

4.4 信號的實時性和故障診斷處理方法

利用虛機實電設(shè)計方法來設(shè)計生產(chǎn)線的目的是要找出實物控制系統(tǒng)和生產(chǎn)線設(shè)計中存在的問題，因此，必須達到實物系統(tǒng)的信號傳遞實時性要求，并給出方便的故障診斷輔助工具。除了使用信號改變的事件觸發(fā)機制和虛擬生產(chǎn)線的局部刷新等常規(guī)技術(shù)外，對于信號持續(xù)時間非常短暫的處理是重點。如生產(chǎn)線運行過程中，某段輥道中的棍子損壞時，其驅(qū)動電機將會發(fā)出堵轉(zhuǎn)電壓或電流信號，由于自動保護裝置立即關(guān)閉了電機電源，使得信號成為短暫的脈沖形式，這在數(shù)據(jù)采樣時可能會丟失而無法察覺。為此需要針對性處理，如圖3所示。

圖3 脈沖信號處理和局部邏輯驅(qū)動的虛擬部件故障診斷流程

1）當(dāng)測得持續(xù)性較長的可能故障信號后，首先確定其所在部件ID，高亮顯示出該部件的虛擬模型；

2）根據(jù)控制邏輯圖的拓?fù)潢P(guān)系，搜尋與之相關(guān)的信息點，如傳感器、線圈編號；

3）對這些信息點使用ReadDeviceBlock()和getNodeEventIn()發(fā)出批量信號查詢指令，讀取PLC單元和虛擬運動鏈相關(guān)傳感器的序列值，并儲存到指定的緩沖內(nèi)存中，生成離線數(shù)據(jù)；

4）關(guān)閉其它控制信號的自動推送功能；

5）讀取PLC的控制邏輯程序，以故障信號點為中心，按照控制邏輯和運動鏈的拓?fù)潢P(guān)系，生成局部控制邏輯與局部虛擬部件之間的驅(qū)動關(guān)系圖，并在虛擬部件上的故障位置顯示該關(guān)系圖、時序圖和傳感器的實時狀態(tài)信息。由此，可以很方便的判斷故障的原因和解決方案。

5 應(yīng)用

通過本文的方法，對一條發(fā)動機缸體生產(chǎn)線進行了虛機實電校驗工作，三維虛擬生產(chǎn)線如下圖4所示，從圖中我們可以看出，經(jīng)過三維空間上的布局設(shè)計，能直觀地發(fā)現(xiàn)布局的不足之處，并能及時的調(diào)整修改，避免了2D圖紙設(shè)計中的一些問題，如：只有平面俯視圖，不能對設(shè)備的作業(yè)空間進行合理性判斷。

圖4 發(fā)動機缸體生產(chǎn)線局部

在其他應(yīng)用領(lǐng)域，如針對鋸片的淬火生產(chǎn)線、垃圾發(fā)電場、鋼管噴印生產(chǎn)線等工程項目中的機械設(shè)備和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計進行了多次過程模擬，檢查出機械和控制邏輯中的問題，得到了及時的修正，為生產(chǎn)線的機電設(shè)計提供了有力的協(xié)助，減少了實際生產(chǎn)運行時的錯誤概率，縮短了設(shè)計時間。

6 結(jié)論

本文通過構(gòu)建仿真生產(chǎn)線的三維運動模型和傳感器，使用PLC運行狀態(tài)的信號讀取和反饋，以及實物和虛擬操控裝置的操作，在設(shè)計階段模擬了生產(chǎn)線的運行，并提出了信號的實時性和輔助故障診斷的方法，使虛擬生產(chǎn)線的機械電氣設(shè)計問題得到及時的發(fā)現(xiàn)和更正。并在實際項目實施中證明了該方法的有效性，本課題研究成果也將為后續(xù)的機電設(shè)計過程提供參考依據(jù)。

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