MPS教學系統(tǒng)的基本組成分析及其實現(xiàn)

黃海峰，張鳳登

（上海理工大學信息與控制工程系，上海 200093）

MPS教學系統(tǒng)的基本組成分析及其實現(xiàn)

黃海峰，張鳳登

（上海理工大學信息與控制工程系，上海 200093）

MPS系統(tǒng)是培養(yǎng)模塊化生產(chǎn)技術(shù)人才的實驗平臺，它需要學生掌握氣動技術(shù)，傳感器技術(shù)，PLC編程以及通信技術(shù)等多方位的能力。通過對PLC的編程，讓學生能夠熟練使用STEP 7軟件及其輔助的配套仿真軟件，也能讓學生掌握PLC間通信的方法。MPS系統(tǒng)主要應(yīng)用PLC、氣壓傳動、傳感器，電機等設(shè)備，來檢測工件好壞，模擬加工工件，并且區(qū)分不同顏色和材質(zhì)的物料，進入指定位置，設(shè)備主要應(yīng)用于高校、高職等學生的機電一體化實訓。

MPS；模塊化；實驗平臺；過程控制；機電一體化

0 引 言

模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng)（Modular Production System，MPS）是裝置模型化［1］的一種，它融合氣動技術(shù)、傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等，能真實地模擬出流水作業(yè)型自動加工設(shè)備的工作狀況，可對在校學生和工廠內(nèi)的專業(yè)技術(shù)人員進行技術(shù)培訓，達到培養(yǎng)技術(shù)型人才的目的。

MPS教學設(shè)備包含了多個相互獨立又彼此聯(lián)系的單元，能夠很好地實現(xiàn)模塊化操作。模塊化是一種思想方法，同時也是一種產(chǎn)品設(shè)計和制造的技術(shù)。模塊化制造是一種并行的制造哲理，是一個新型的柔性制造概念。通過借助先進的制造生產(chǎn)技術(shù)，可以對產(chǎn)品進行高效的批量化制造，用來提高模塊制造質(zhì)量、降低成本以及優(yōu)化模塊管理等［2］。

對學校實驗室的MPS系統(tǒng)進行研究和設(shè)計，使每個模塊進行各自的PLC編程控制，組合協(xié)調(diào)工作。研究關(guān)鍵在于使每個工作站都可以獨立工作，同時又滿足多個模塊之間的通訊來達到協(xié)調(diào)工作，以保證系統(tǒng)的正常運行。并且闡述了各個模塊的軟件編程思路和工藝流程，以及各個模塊間的通信方式。

1 MPS教學設(shè)備概述

MPS教學設(shè)備是一套包含工業(yè)自動化系統(tǒng)中不同程度復雜控制過程的教學培訓裝置，其具有綜合性、模塊性以及易擴充性等特點［3］。其中模塊性就是在勞動分工和知識分工的基礎(chǔ)上，通過模塊分解和模塊集中的過程，把復雜系統(tǒng)分解為相互獨立的組成部分，再通過即插即用的接口把各獨立的部分聯(lián)結(jié)為一個完整的系統(tǒng)［4］。鑒于這些特點，如果通過擴張硬件和修改軟件，這套教學系統(tǒng)也完全可以適用于實際工業(yè)生產(chǎn)的控制領(lǐng)域。我們這套MPS教具是采購FESTO公司的產(chǎn)品，包涵了整個MPS系統(tǒng)中第（1），（2），（3），（7）這4個獨立的模塊，組裝成的獨具特色的一套完整的物料分揀流水線，本套設(shè)備主要實現(xiàn)以下功能（如圖1所示）：

（1）供料模塊提供工件，并通過擺動氣缸將工件傳送到檢測單元；

（2）檢測模塊確定待測工件特征和高度，剔除廢品，并將合格工件傳送到加工單元；

（3）加工模塊模擬給工件加工，并傳送到分撿單元；

（4）最后由分揀模塊根據(jù)顏色和材質(zhì)對各個工件進行分類，并傳送到各個單獨區(qū)域。

圖1 物料在4個模塊中的進程圖

其中，物料的分揀主要在分揀模塊中實現(xiàn)，他主要用到了1個漫射式傳感器和一個電感傳感器來區(qū)分物料，漫射式傳感器能區(qū)分黑色工件，電感式傳感器能區(qū)分金屬工件，這樣就能區(qū)分3種工件的類別了［5］，如圖2所示。

圖2 傳感器組合

每個獨立模塊的PLC控制核心都是西門子公司的S7－300系列。西門子S7－300系列的PLC都使用STEP 7軟件為其編程，其中用于S7－300的編程語言包括梯形邏輯圖（LAD）、語句表（STL）、功能塊圖（FBD）和流程圖（GRAPH）。在STEP7用戶程序中有不同類型的塊可以使用（如表1所示）。在系統(tǒng)中用戶模塊中程序的調(diào)用關(guān)系（如圖3所示）。

表1 塊類型表

圖3 程序塊調(diào)用關(guān)系圖

STEP 7軟件功能強大，界面友好，容易操作，在編程的同時也能進行在線的仿真與調(diào)試。

2 PLC程序設(shè)計

對于4個單獨的模塊，我們需要對其單獨的編程，以實現(xiàn)每個模塊能夠獨立的動作。同時，也要使其能夠形成一個完整的系統(tǒng)，執(zhí)行連續(xù)的動作。根據(jù)各個單元的工藝流程圖（如圖4～7所示），能夠?qū)崿F(xiàn)各個模塊的獨立工作。

有了以上每個模塊的流程圖，然后對PLC進行功能模塊的編程就很容易了，程序主要實現(xiàn)功能的用戶程序都在FB功能塊中。簡要介紹下供料模塊的PLC思路，大部分程序是出廠程序，有一小部分因為實驗室功能調(diào)整而進行了新的程序編寫，其余單元與此類似，都是按照工藝流程圖的控制過程進行編程。對于STEP7軟件而言，主要使用的編程語言為梯形圖LAD和GRAPH編程語言，GRAPH用于對功能模塊的編程，它對順序控制的編程非常方便，而梯形圖適用于所有PLC編程軟件，是PLC主要編程工具。使用PLC編程前，首先要考慮對一些主要I／O口進行配置（如表2所示）。PLC控制器一般控制的都是開關(guān)量，所以采集到的數(shù)據(jù)都是布爾量。

圖5 檢測單元的流程圖

圖6 加工單元的流程圖

圖7 分揀單元的流程圖

表2 供料模塊的主要I／O口配置

根據(jù)圖4的流程圖和表2的I／O口配置表，就能很容易的實現(xiàn)對整個供料單元的程序編程，這里就不在給出了，設(shè)備購進的時候有配套原程序可以參考。

以上所有給出的工藝流程圖都只能實現(xiàn)單個模塊的工作，如果要使所有模塊能夠組成一個連續(xù)完整的系統(tǒng)，則需要在各個模塊中加入相應(yīng)通信的功能，才能實現(xiàn)整套系統(tǒng)完整的運行。

3 MPS系統(tǒng)中PLC之間的通信

模塊化生產(chǎn)制造過程是一系列生產(chǎn)模塊前后循序漸進的過程，每1模塊相當于1個單元，單元之間相互聯(lián)系完成整個生產(chǎn)制造過程，在工件由前站向后站傳送的過程中，前站向后站傳送工件之前應(yīng)得到后站“準備好”的信號，后站在工作開始時亦應(yīng)得到前站工作完成的信號，這2種信號合稱為握手信號［6］，握手信號的生成是前后站持續(xù)協(xié)調(diào)工作的前提。MPS模塊與模塊之間均要建立通信渠道，因為每個單元的控制中心都是獨立的PLC控制器。實現(xiàn)模塊間的通信主要有以下幾個方法：有傳統(tǒng)的I／O口通信、運用總線通信，如Profibus－DP通信、運用工業(yè)以太網(wǎng)通信等。

我們這套實驗設(shè)備使用了傳統(tǒng)的I／O口來進行數(shù)據(jù)的傳輸，運用紅外對射發(fā)生器與接收器來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，接收的數(shù)據(jù)也只是布爾量1或者0。這樣PLC只需要一個I口和一個O口就可以實現(xiàn)通信了，對于小型系統(tǒng)，這樣傳統(tǒng)的I／O通信就非常的方便與節(jié)省資源，只需后一站向前一站發(fā)送“本站已經(jīng)準備好”的信號，比如供料模塊當I0．7端口接受到數(shù)據(jù)，則表示檢測模塊已經(jīng)準備好接受下一個工件。這樣做的可靠性非常高，不會出現(xiàn)下一站還沒有準備好前一站就又送工件上去的情況。

但是，這種相鄰模塊I／O口通信只能對相鄰2個模塊起作用，即第一個模塊與第二個模塊，第二個模塊與第三個模塊，但是第一個模塊與第三個模塊之間沒有通信，只有通過第二個模塊作為橋梁。所以我們要實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠，必須通過后一站發(fā)信號通知前一站工作的方式。舉個例子：假設(shè)第一、二、四模塊正常工作，第三個模塊出現(xiàn)損壞，如果信號是從前往后傳的話，第一站和第二站將會一直工作，不管后面的情況。但是如果信號從后往前傳的話，第三個模塊能夠接受到第四個模塊的信號，但他不會向第二個模塊發(fā)送信號，第二個模塊便會停止工作，第一個模塊也會相繼停止工作，實現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語

論文采用的教具是4個工作站的模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)模型，4個工作站既是獨立又相互聯(lián)系的。此系統(tǒng)器件的動力主要來源于氣動裝置［7］，氣動裝置具有很好的環(huán)保，高效，低能耗，可持續(xù)等特點；控制部分使用PLC控制器，采用PLC對4個工作站分別編程，可以實現(xiàn)較好的柔性制造［8］，形成模塊化操作；模塊化之間的通訊，使用傳統(tǒng)的I／O傳輸，適用于小型設(shè)備中，也可以使用Profibus總線連接，總線連接可以在各個模塊離開較遠的情況下使用，適用于大型生產(chǎn)工廠中。

PLC的應(yīng)用在制造業(yè)已經(jīng)廣泛使用了，所以對于這些技術(shù)性人才很需要一個籠統(tǒng)的培訓和指引教育。鑒于這篇文章及其他文獻資料的內(nèi)容，根據(jù)電氣動技術(shù)和模塊化技術(shù)的特點，根據(jù)實際培訓要求和工業(yè)人才需求，自行操作并且設(shè)計基于PLC的電氣動實訓裝置，實施項目教學，滿足了機電一體化技術(shù)教育和技能培訓的現(xiàn)實要求，符合現(xiàn)代自動化技術(shù)人才教育的目標。

［1］顧新建，祁國寧，馬軍，等．模塊化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢［J］．成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2012，29（1）：1－4．

［2］勞俊，伍世虔，楊叔子．模塊化與現(xiàn)代制造技術(shù)［J］．制造技術(shù)與機床，1994，44（9）：40－42．

［3］Mikhailov，M．；Lavrov，V．Automated control system of FESTOmodular production stations．Annals of DAAAM＆Proceedings［K］，2008：859－860．

［4］孫曉峰．模塊化技術(shù)與模塊化生產(chǎn)方式：以計算機產(chǎn)業(yè)為例［J］，中國工業(yè)經(jīng)濟，2005，23（6）：60－66．

［5］高海華．Festo Modular Production System硬件培訓手冊［K／CD］，2008．

［6］李利珍．MPS教學設(shè)備智能化控制過程的實現(xiàn)［J］．實驗室研究與探索，2010，29（5）：191－194．

［7］李湘?zhèn)?，黃偉明．基于PLC控制的教學型工件進料分揀電氣動裝置的設(shè)計［J］．液壓與氣動，2011，35（3）：10－13．

［8］吳啟迪，嚴雋薇，張浩．柔性制造自動化的原理與實踐［M］．北京：清華大學出版社，1997．

An Analysis and Realization of the Basic Com position of MPS Teaching System

HUANG Hai-feng，ZHANG Feng-deng
（Faculty of Information and Control Engineering，Shanghai University of Science and Technology，Shanghai200093，China）

The MPS system，an experimental platform for cultivating technical personnel working in modular production，requires students to acquiremultiple abilities such as pneumatic technology，sensor technology，PLC programming and communication．Through PLC programming，they will be able to use STEP 7 and its auxiliary simulation software and get to know inter-PLC communicationmethod．The MPS system applies PLC，pneumatic drive，sensor and motor to inspectwork pieces，simulatemachined work pieces，and bring work pieces of different colors and materials to the designated positions，respectively．This equipment set is mainly applied in mechanotronics training for students in universities and vocational colleges．

MPS；modularity；experimental platform；process control；mechanotronics

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．030

TP272／278，TP273＋．5

A

1000－3886（2014）04－0087－04

黃海峰（1989－），男，上海人，碩士生，研究方向：自動化裝置，嵌入式實時系統(tǒng)。 張鳳登（1963－），男，山東青島人，博士，教授，研究方向：自動化裝置，分布式控制網(wǎng)絡(luò)，車載總線等。

定稿日期：2013－10－31