外文譯文基于 plc控制的生產(chǎn)機械的系統(tǒng)設計

1、<p>　　基于 PLC控制的生產(chǎn)機械的系統(tǒng)設計</p><p>　　摘要：PLC控制的專業(yè)化生產(chǎn)通常都是采用自動化客戶特定的生產(chǎn)工藝進行生產(chǎn)。其中順序工程過程經(jīng)常被用來設計這些機械設備，為了減少大量的時間和精力，并行化的不同的學科以及增加對已有的模塊重復利用都被必須考慮。這些活動都來源于系統(tǒng)設計階段。因此，在并行的科學中需要更詳細的工程資料來分析順序設計工程。在系統(tǒng)設計階段的附加要求是從系統(tǒng)設計階段本

2、身和設計專業(yè)生產(chǎn)時的特殊情況和特點的進行設定的。根據(jù)這些要求，如何滿足這些要求實現(xiàn)的方法。</p><p>　　關鍵詞：PLC 系統(tǒng)設計 系統(tǒng)工程 專業(yè)機械 模仿 模塊化</p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　隨著產(chǎn)品生命周期的縮短導致在短時間內(nèi)將產(chǎn)品推向市場成為很大的挑戰(zhàn)。所以人們盡可能的將產(chǎn)品的個性化進行

3、提高而且用機械來生產(chǎn)產(chǎn)品來提高產(chǎn)量。由于個性化的產(chǎn)品原因，生產(chǎn)產(chǎn)品的設備的制造工藝就必須適應個性化需求。這致使機械制造商們面臨巨大的挑戰(zhàn)，在短時間內(nèi)制造出滿足客戶需求的特定的生產(chǎn)設備。當運用順序工程時，各種學科在特定的階段并不能縮短工程時間。但是為了縮短工程周期，各個階段的并行化也被采用。另外的一種方法是供應商利用模塊的設計思想，將開發(fā)過程分成一個個模塊，進行開發(fā)和依靠訂單進行開發(fā)。在這種情況下，供應商通過組合不同的模塊來制造出客戶所需

4、要的特定產(chǎn)品的設備。出于這個原因，內(nèi)置最小模塊的數(shù)量是有必要確定的。但是有些產(chǎn)品需要客戶特定的生產(chǎn)技術，這樣的機械生產(chǎn)設備就不是不同模塊進行組裝就能完成的。因此特殊的產(chǎn)品設備被生產(chǎn)。基于非標準客戶特定的生產(chǎn)技術和實際上產(chǎn)品高度依賴生產(chǎn)過程中，只有極個別的這類機械可以進行內(nèi)置。</p><p>　　2專業(yè)化生產(chǎn)設備的當前工程過程</p><p>　　專業(yè)化的生產(chǎn)設備是由零件和機械工件組成，其

5、中零件由供應商自己進行購買例如電機、傳感器等，機械部分是設計者自己進行設計然后再將圖紙發(fā)送給生產(chǎn)商進行加工。設計者們使用PLC控制設備使其能夠自動運行。當前的設計過程是由對客戶關于機械設備的要求開始設計的。在設計此種設備時最重要的問題是對于滿足客戶指定的循環(huán)周期時間對于完成一個工作流程?；谶@個指定的循環(huán)周期問題，電氣工程師開始設計各種解決方案來實現(xiàn)這個要求。然后手工測繪機械圖紙其中擁有設備運行的各種信息以及零件的幾何描述，定義設備運行

6、中的運動關系和模塊組成。這個解決的方法對于工程設計方面和對于其他學科有著重大的影響。設計設備的下一個階段是機械設計過程中詳細說明在機械CAD系統(tǒng)（MCAD），其中的裝配組，首先定義不同的幾何部件。這種詳細的工程在運動學的定義下齊頭并進如驅(qū)動理念、大量數(shù)據(jù)處理以及這個過程中的運動狀態(tài)。使用執(zhí)行器計算從這些定義運動狀態(tài)之間所需要的運動時間。最后一個工程階段涉及到不同的部件和組件的詳細任務。指定的傳感器和執(zhí)行器的電氣部分標志著從機械部分電氣部

7、分轉(zhuǎn)換。在這里，電氣工程師的創(chuàng)建的功能在機械的CAD 機械系統(tǒng)中，其中傳感器和</p><p>　　3 系統(tǒng)設計的工程和方法</p><p>　　工程專業(yè)化生產(chǎn)機械設備的特點是開發(fā)一個機電一體化系統(tǒng)，其中工程機械是領先學科。在這種情況下，機器本身可以被看作是一個機器制造商的產(chǎn)品。提出幾點一體化的開發(fā)方法，它主要包括三個重要的階段。一階段是它從一個概念或系統(tǒng)設計，所有的學科都參與其中，二階段

8、是其中詳細的機械、電氣/電子設備和軟件工程是并行執(zhí)行。最后的階段是系統(tǒng)的整體集成。使用宏過程作為基礎，本文的重點是已經(jīng)被導出來的概念與設計系統(tǒng)階段。并行學科便于機器的機電組件的重用和考慮由客戶指定的周期時間。此外，更具體地為系統(tǒng)設計說明的一般方法。根據(jù)要求，關鍵問題被抽象，一個功能結(jié)構制定并用于這些功能的解決方案中搜索。主要的方法被評估和常規(guī)的機械電子系統(tǒng)的跨學科的概念被定義。這個基本過程也用于[9]和[14]為系統(tǒng)設計，但重點還是機械

9、工程。對于這里的功能結(jié)構，它被定義為通過能量、信息或物質(zhì)流彼此連接的功能。在此基礎上，各種基礎的解決方案被確定為不同的功能，合并，然后一個有關基礎方法作出決定。[1]適應這一宏觀過程PLC的發(fā)展控制的機器，通過添加邏輯依賴關系中的函數(shù)模型的序列之間的過渡條件。 這些依賴關系和規(guī)則進行識別傳感器和執(zhí)行器的信息和能</p><p>　　4在系統(tǒng)設計中的要求</p><p>　　如果打算將開發(fā)

10、過程的情況考慮到,開始是需求和跨學科的系統(tǒng)設計階段的需要,最后是 在具體的學科并行運行的詳細工程過程，然后要求定義的抽象是必需的，這又便于打開進行搜索字段。工程設計在不同學科中的工程流程中第2節(jié)中已經(jīng)介紹?；谶@些工作流程需要開始的信息，可以看到一個非常詳細的面向組件的視圖，可以提供并行的詳細工程。另外，在系統(tǒng)設計階段的一般要求可以從在前面的章節(jié)中所描述的情況得到。一個跨學科的描述需要允許所有學科的參與。周期循環(huán)時間是這樣的機器設備的

11、關鍵要素，所以也必須被考慮。圖1是從所有的這些要求放置在系統(tǒng)的設計階段的圖形。</p><p>　　圖1 PLC控制系統(tǒng)的設計要求</p><p>　　5對于PLC控制非標機械設備的系統(tǒng)設計</p><p>　　[17]提到系統(tǒng)工程由三個階段組成的。需求分析、功能結(jié)構的定義、設計的架構的鏈接。傳送這些活動到圖1，定義本機械設備的要求等同于在系統(tǒng)工程的第一個階段?？梢?/p>

12、理解為模塊化和抽象定義的組件，這需要在邏輯級的設計架構。這導致了系統(tǒng)設計階段的2個主要階段：定義功能性的體系結(jié)構和邏輯層的設計架構。在這2個層次的具體步驟和它們之間的過渡描述如下。</p><p><b>　　5.1 功能性說明</b></p><p>　　功能描述橋梁的要求和設計架構之間的差距。這是一個跨學科的描述，可以用于分析預期的項目，并指定接口。[ 17 ]這

13、些特性使工程師能夠縮小機器上的一般要求，以創(chuàng)建設計架構。定義功能描述的第一步是一個關鍵問題的抽象化。如例子，如果這臺新機器是“從一個傳送帶上取一個盒子，然后把它放在一臺機器上” 關鍵的問題是“提供產(chǎn)品”。 在這里，一個抽象的術語“盒子”是通過取代它與現(xiàn)實中的“產(chǎn)品”，這是與開放的原則解決方案，如在[ 15 ]中提到的廣泛的領域。這同樣適用于在之前的抽象化單詞“放置”。此外，“拾取功能”是經(jīng)常被忽略的，因為主要功能是“提供產(chǎn)品”。 其結(jié)果

14、是，“選產(chǎn)品”功能可以被包含到一個功能層次，下面講的是“提供產(chǎn)品”功能。這個層次的描述，可以實現(xiàn)通過問的問題：“功能怎樣做了得？”。基于該要求規(guī)范，附加功能可包括諸如“放產(chǎn)品”。這導致了功能的層次結(jié)構，如示于圖2</p><p><b>　　圖2繪制功能層次</b></p><p>　　在典型的工程方法里，如[1]，[6]和[9]，相互連接起來的不同功能與三個主要流類

15、型的關系：能源，材料和信息。有些聯(lián)系是相當明顯的，如“庫存產(chǎn)品”和“配置產(chǎn)品”之間的物質(zhì)流關系。當考慮一個簡單的例子，可以看出，添加了不同功能之間的這樣一種關系來縮減可能的原理解決方案的數(shù)量。圖3顯示了基于一個夾持器的系統(tǒng)的原理方法。在這種情況下，“檢查狀態(tài)”和“抓產(chǎn)品”之間的關系，實現(xiàn)依賴于“校驗功能”的位置。可以看出，如果“檢查狀態(tài)”功能直接在該位置執(zhí)行，則該夾持器可以此位置抓取該產(chǎn)品，而不需要物質(zhì)流的關系，相反，如果在該抓取位置之

16、前執(zhí)行“檢查狀態(tài)”，則必須添加一個物質(zhì)流關系。</p><p>　　根據(jù)關系的結(jié)論，決定是否選擇1是一個潛在的解決方案一或不。其結(jié)果中看來的是，從限定的功能結(jié)構，然后評估可能的原理解決方案用自上而下的方法是沒有用的，還是必須使用迭代過程?；谔囟ǖ闹圃爝^程，它是很容易定義的時間之間的依賴關系的功能，在不知道的流量類型的情況下，例如，“檢查狀態(tài)”必須在“抓取產(chǎn)品”之前進行。此外，上述圖不必考慮規(guī)劃的周期時間。在這種

17、情況下，最重要的信息，需要做的功能，在一個連續(xù)的方式或可以并行地進行。這個信息是以甘特圖的形式提供。如果一個解決方案，例如一個實現(xiàn)“檢查狀態(tài)”功能的條形碼閱讀器，是已知的和持續(xù)時間可以被分配，例如基于經(jīng)驗或測試，它是可能的，打破了所需的周期時間為功能，如圖4所示。由于所確定的功能結(jié)構和結(jié)構設計之間的依賴，甘特圖不能完全定義使用自上而下的方法。這意味著，“甘特圖”創(chuàng)建要反復，這迫使工程師考慮的周期時間和實現(xiàn)，可以實現(xiàn)在給定的時隙中的所需的

18、工藝步驟。這也有助于工程師們看，例如，如果不同的功能可以并行或如果能從以前的功能，可以使用（由藍色虛線表示圖4）。在圖3中，關于2的替代方案，將時間分配給“檢查狀態(tài)”和“抓取產(chǎn)品”之間的“物質(zhì)流”是合適的。然而，</p><p>　　圖3. 功能和基礎解決方案（設計架構）之間的依賴關系 </p><p>　　圖4. 打破循環(huán)時間為函數(shù)的甘特圖</p><p>　　5

19、.2 過渡到邏輯層</p><p>　　基于功能描述的原理解決方案。這可能是通過使用創(chuàng)造性的方法[9 ]手動或采用自動搜索在數(shù)據(jù)庫中[ 5 ] [ 17 ]。其中[ 17 ]使用層次化的語義定義的措辭。識別不同的解決方案的功能可以在一個形態(tài)可視化邏輯框[ 9 ]。如果使用自動搜索，該框可以使用一個預定義的軟件系統(tǒng)。然而，基于工程師的創(chuàng)造力也應該有可能增加新的原則解決方案。當仔細看形態(tài)的框圖，它是可以找到原則解決方

20、案，實現(xiàn)不同的功能，例如，“輸送”是“移動產(chǎn)品”或“放入產(chǎn)品”。 基于這種情況，決策如果有不同的功能可以被集成到一個單一的原理解或如果它是利用同樣的原理解決了不同功能的基本方案中。不同功能的整合導致了一個個函數(shù)之間的關系和基本解決方案。如果一個函數(shù)是使用一個單獨的解決方案來實現(xiàn)的，那么這是一個直接的1:1的關系。關于模塊化，功能建模和基本的解決方案之間的關系在沒有n：ｍ個這樣的一種方式來進行：將顯示功能和基本解決方案之間的關系。否則，模

21、塊的系統(tǒng)的邊界不能被清楚地識別，這使得它難以再利用的機電模塊。選擇的基本解決方案后，該功能結(jié)構具有對于循環(huán)時間和其它要詳細和驗證約束。為了與參與詳細的工程設計等部門溝通，這是組織基本的</p><p><b>　　6 實施</b></p><p>　　要考慮[ 8 ]系統(tǒng)設計階段的要求，必須通過仿真予以支持。因此，機電一體化概念設計可用于結(jié)合一個仿真模型的可視化運動N

22、X序列為特定的機器模塊的幾何模型和運動學模型。這種幾何模型與機械學科中所使用的幾何模型是一樣的。所以這可以直接用于詳細說明。要執(zhí)行的模擬，用于定義的運動的致動器，基于位置和速度的約束的基礎上增加。檢測，如果一個幾何零件到達一個位置，傳感器可以被添加。[ 12 ]為跨學科的系統(tǒng)設計階段提供一個工具，滿足上述章節(jié)所示的要求，該模型應是由脈沖圖控制。這些可以做的描述，序列設計，它提供的可能性，以產(chǎn)生直接可編程代碼。連接這兩種工具，序列設計師的

23、行動導致的運動，通過執(zhí)行器執(zhí)行。因此，精確的幾何位置被映射到給定的序列設計者的狀態(tài)。這解決通過定義的狀態(tài)和執(zhí)行器，這是負責達到這個狀態(tài)之間的關系。在機電一體化概念設計的傳感器的動作之間的過渡的信號。將它們映射到序列設計器中的給定信號，定義了不同的動作之間的轉(zhuǎn)換。要做到這一濃縮和映射的應用程序開發(fā)。使用這一點，它可以提供一個模擬工具，在系統(tǒng)設計階段，擁有足夠的信息，開始詳細說明在自動化和力學學科。如果是通過增加傳感器和執(zhí)行器的詳細分類關于

24、擴</p><p><b>　　7 總結(jié)</b></p><p>　　對設計專門生產(chǎn)機器時減少時間和相關的成本，這是不可能的，通過提出的分割工程過程[3]。為了減少時間，必須有可能重復使用該已設計模塊，以及各學科都進行并行化。這可以根據(jù)[13]的宏觀過程來完成。因此，分析當前的順序過程來定義開始所有參與平行的學科的所需的信息。系統(tǒng)設計階段的附加要求是來自于這個階段的一

25、般特性?？删幊炭刂破骺刂频膶Ｓ脵C械的設計過程主要是在4個步驟中進行的，分別為：1。要求的功能性故障，2。與類之間的依賴關系添加功能：時間依賴性（甘特圖）、物質(zhì)、信息和能量，3。對功能的基礎的解決方案的搜索和選擇，考慮到集成和重用，4。制定一個邏輯結(jié)構，包括連接學科的具體說明，機械，傳感器和執(zhí)行器已被分類的電氣系統(tǒng)和脈沖圖的自動化的幾何/運動學?；谶@種方法，周期時間可以被連續(xù)地計劃到一個單一的軸的運動。此外，所有的信息需要在不同的學科開

26、始詳細工程。為了支持這一階段的應用程序開發(fā)的連接工具的機電一體化概念設計師和序列設計師。</p><p><b>　　參考書：</b></p><p>　　1. Bathelt, J.: 可編程控制器操作的機電一體化系統(tǒng)設計方法 , 蘇黎世大學(2006)</p><p>　　2. Baudisch, T., Westkämper,

27、 E., Schlögl, W., Frank, G.: 可編程控制器控制的專用生產(chǎn)設備無縫工程工具鏈的概念。會議：機械工程與機電一體化國際會議論文集，ICMEM 2012. 渥太華國家科學院工程技術研究院(2012)</p><p>　　3. Doll, U.: 數(shù)字工廠線路項目中的機電一體化設計，工具的使用. 2010年，第631-648（2010）（德文）</p><p&g

28、t;　　4. Drath, R., et al.: 數(shù)據(jù)交換與自動化的生產(chǎn)線規(guī)劃-集成的CAEX，PLCopen XML和COLLADA. 施普林格出版社，柏林（2010）</p><p>　　5。格爾克，M.：基于功能層次和系統(tǒng)的機電一體化系統(tǒng)設計結(jié)構. 帕德博恩大學（2005）（德國）</p><p>　　6. Kallmeyer, F.: 一種機電一體化系統(tǒng)基礎的的建模

29、方法. 帕德博恩大學（1998年）（德文）</p><p>　　7. Litto, M., et al.: 根據(jù)建設工程設置與Föderal - 用于機器和生產(chǎn)線建設者指引. VDMA出版社，法蘭克福點（2004）（德國）</p><p>　　8. Litto, M. et al.: 適應建模工具和資格認證，計劃設立公司的具體機電一體化工程流程 – aquimo. VD

30、MA出版社，法蘭克福點（2010）（德國）</p><p>　　9. Pahl, G., Beitz, W., Feldhusen, J., Grote, K.-H.: 設計理論基礎為成功的產(chǎn)品開發(fā)和應用.施普林格出版社，柏林（2007）（德國）</p><p>　　10. Schilke, M.: 在專門的機械制造為汽車行業(yè)PDM的系統(tǒng)的使用. 薩爾布呂肯大學（20

31、10年）（德文）</p><p>　　11. Schlögl, W.: 數(shù)字工廠Fabrik公司2.0 - 在過渡到真正的出廠數(shù)字化工廠. 2008年FTK，第453-462（2008）（德文）</p><p>　　12. 西門子產(chǎn)品生命周期管理軟件公司：機電一體化概念設計一種基于函數(shù)的機器制造方法，科?。?010）</p><p>　　13. VDI