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机电自动化控制类英文文献

TheoreticalComputerScience253(2001)61{93

www。

elsevier。

com/locate/tcs

DevelopingaHybridProgrammableLogicControllerPlatformforaFlexibleManufacturingSystem

HenningDierks1

UniversityofOldenburg,FachbereichInformatik,Postfach2503,2900Oldenburg,Germany

Abstract:

Inthisarticle,wepresentthedesignandimplementationofaflexiblemanufacturingsystem(FMS)controlplatformbasedonaprogrammablelogiccontroller(PLC)andapersonalcomputer(PC)—basedvisualman-machineinterface(MMI)anddataacquisition(DAS)unit.ThekeyaspectofanFMSisitsflexibilitytoadapttochangesinademandingprocessoperation.ThePLCprovidesfeasiblesolutionstoFMSapplications,usingPC—basedMMI/DAS,wherebyPLCsareoptimizedforexecutingrapidsequentialcontrolstrategies。

PCsrunningMMI/DASfront-endsmakeintuitiveoperationinterfaces,fullofpowerfulgraphicsandreportingtools.InformationfromthePCcanbedistributedthroughacompany'slocalareanetworkorwebusingclient-servertechnologies.Currently,withtheconvergenceofunderlyingmicroprocessortechnologyandsoftwareprogram—mingtechniques,manyusersfindthatPLCsprovideacost—effectivesolutiontoreal-timecontrolinsmall—tomedium—sizedprocessplants,especiallywhencombinedwithsupervisoryPCsusinghybridsystems。

ThemajorworkofthisarticledemonstratesthatPLCsareresponsivetorapidandrepetitiouscontroltasks,usingPCsthatpresenttheflowofinformationautomationandacceptoperatorinstructions,therebyprovidingtheuseratooltomodifyandmonitortheprocessastherequirementschange。

KeyWords:

PLC、FMS、PC。

 

1.Introduction

Inavarietyofproductmanufacturingindustries,themostautomatedformofproductionisaFlexiblemanufacturingsystem(FMS),firstintroducedin1970s。

SincetheFMSscanprovideahighpotentialforproductivityimprovementinbatchmanufacturing,thenumberofFMSsisgrowingsubstantially(GrooverandZimmers,1984)。

Theaccelerationthroughouttheworldisduetoincreasedglobalcompetition,reducedmanufacturingcycletimes,andcutsinproductioncosts。

Generally,anFMSconsistsofagroupofmachinesorotherautomatedworkstations,whichformintomodularsubsystems,suchasCNCmachines,robots,visionsystems,andaprocessstation。

Theseareinterconnectedbyamaterialshandlingsystemandusuallydrivenbyacomputer(Maleki,1991)。

Eachmodularsystemrequiresanindividualmodularcontrolsystem,withdifferentcomponentsbeingcontrolledbyindividualcontrollerunits.Allofthemodularsubsystemsarecontrolledbycomputersasusual.Thesecontrollersperformtheirintendedtasksundersupervisionofahigherlevelcontroller。

Tothesystem,boththecontroldevicesaswellastheflowofinformationneedtobeautomated。

ThekeyaspectofanFMSisitsabilitytoadapttochangesinthecontroltasks。

Thisflexibilityincludesthequantitiesandvarietiesofparttypeswhichitcanproduce,theorderinwhichoperationsmaybeperformed,anditsabilitytoreroutepartsbackintoflowpaths。

Intheend,thecontrolplatformshouldhavethecapabilitytoautomatetheflowofinformation。

Typically,therearethreetypesofcontrolplatformsusedinFMSs:

minicomputers,microcomputers,andPLCs(Maleki,1991).Theminicomputersarebestsuitedforcomplexlarge—scale,continuous,regulatorycontrolapplications.ThePLCsareusedforrapidandrepetitiouslogiccontrol.Personalcomputers(PCs)aresuitedforoperatorinterfacefunctions。

Primarily,PLCsaredesignedtoreplacehardwiringrelays,tooperateinanindustrialenvironment,tobeeasilymodifiedbyplantengineersandmaintenancepersonnel,andtobemaintainedbyplantelectricians。

Currently,withtheconvergenceofunderlyingmicroprocessortechnologyandsoftwareprogramming,manyusersfindthatPLCsprovideacost-effectivesolutiontoreal-timecontrolinsmall-tomedium—sizedprocessplants,especiallywhencombinedwithsupervisoryPCsusinghybridsystems。

Thepurposeofthisarticleistoaddressthestate-of-the-arttechnologyofFMSs。

ThedesignandconstructionofanFMSusingPLC—controlledandPC-basedvisualman—machineinterface(MMI)anddataacquisitionsystem(DAS)arepresented。

Itisorganizedasfollows。

Section2beginswiththedescriptionoftheFMSonthefactoryflooroftheCenterforManufacturingSystemsattheNewJerseyInstituteofTechnology(NJIT).Section3showstheoperationaldescriptionoftheFMS.Sections4and5presenttheapplicationsofPLC-controlledandPC-basedMMI/DASfortheFMSatNJIT。

Section6containsasummaryoftheadvantagesofthisPLC-controlledandPC—basedMMI/DASforFMSapplication。

2。

DescriptionoftheFMS

SIhandlingconveyorsystem

Thisconsistsoffourcarts,A,B,C,andD,withfixturesmountedoneach,twotransfertables,TT1andTT2,anddualconveyorswhichtransportmaterialstoeachworkstation.

Figure1。

Flexiblemanufacturingsystem。

NASAIICNCmillingmachine

Themillingmachineacceptsrectangularsolidblanksandmachineseachpartofdifferenttypesaccordingtoitscomputercontroller.

GEP50robot

AsharedrobotisusedtoloadandunloadthematerialbetweentheCNCmillingmachineandtheconveyorsystem,andbetweenthepartspresentationstationandconveyorsystem.ItcontainsfivecomputerprogramsassignablebythePLC.ThecomputerprogramsdirecttherobottoloadthematerialbetweenthepartspresentationstationandthecartsandbetweentheCNCmachineandthecarts.Thelasttwoprogramsplacethecompletedpartsintheacceptorrejectarea。

Partspresentationstation

Thisstationincludesagravity-chute,whichsuppliesrectangularsolidblanksasrawmaterials。

Thisstationalsocontainstwobintypes,oneeachforacceptedpartsandrejectedparts.

Computervisionsystem

Thevisionsystemprovidesforthevisualautomatedinspectionoftheparts。

Itisamenu—driven,64—levelgrayscale,edgedetectionsystem。

Drillingmachine

AnIBM7535industrialrobotwithanautomateddrillasanend-effectordrillsvariousholesinthepartsasdirected。

Insummary,theFMShastworobots,oneCNCmill,amaterialtransferconveyorsystemincludingtransportationcartsandpositioninglimitswitches,andavisionsystem,whicharesupervisedbyaGE-SeriesSixPLCandmonitoredbyaPC—basedvisualMMI/DAS。

3。

Operationaldescription

TheworkingcycleforthisFMSproceedsinthefollowingmanner:

1。

Initially,allfourcartsontheconveyorsystemareemptyandavailablefortherawmaterialstobeloadedontothemfromthepartspresentationstation.

2。

TheGErobotloadsfourparts,onebyone,ontothefourcartsontheconveyorsystem。

Thecartsmoveclockwiseastheyarebeingloaded。

3。

Figure2showsthepositionsacquiredbythefourcartsoncethefourpartsofdifferenttypeshavebeenloaded。

4。

TheIBMrobotdrillsvariousholesoneachblankpartasthecartstopsatthedrillingmachine.

5.TheGErobotmovestotheconveyor,removesthepartfromthecartatpositionX1,andloadsitintothefixturelocatedontheCNCmachinetable.

6.OncethepartisloadedontheCNCmillingmachine,therobotretracts,andthemillingmachinemillstherectangularpartasrequired。

7。

Afterthemillingoperation,therobotarmmovestothemillingmachinetoremovethepartthatwasmachinedfromtheholdingfixture。

Figure2。

Loadingstateoftheconveyorsystem。

8.Therobotreturnsthefinishedparttothesamecartontheconveyor。

9。

Asignalissenttothevisioncameratoinspectthepart。

10.Thevisionsystemanalyzesthepartandoutputsasignalthatdirectstherobottoacceptorrejectthepart。

11。

Therobotrunseitheranacceptprogramtoplacethepartintheacceptbinorrunsarejectprogramtoplacethepartintherejectbin。

12.TheGErobotgoestothepartspresentationstationandloadsanewblankpartintothecart。

13。

Thecartisreleasedtothesystemandthenextcycleisstarted。

4.ControlofanFMSwithaPLC

ThesignificantfeaturesoftheFMScontrolsystemareasfollows:

1.Thesystemiseasytoconfigureandtomodifytoaccommodatechangesandupdates,becauseoftheladderlogiccapabilityofthesystem。

2。

Inasimilarmanner,thesystemiseasytoprogramanddocument。

3。

Thesystemcanbeeasilymaintained,andtroubleshootingisdecreasedbecauseon-linediagnosticsareprovidedtopinpointproblemsanddecreasemaintenance。

4.Naturally,thesystemisreadilyinterfacedwiththecomputer。

ThePLCisageneralpurposeindustrialcomputerwhichiswidelyusedinindustrialprocesscontrol。

Itiscapableofstoringinstructionstoimplementcontrolfunctionssuchassequencing,timing,counting,arithmetic,datamanipulation,andcommunicationtocontrolindustrialmachinesandprocesses。

ThePLCischosentoperformanFMScontroltaskbasedonthefollowingfeatures:

1)goodreliability;

2)lessspacerequiredandoperatesinanindustrialenvironment;

3)easiertomaintainbyplantengineerortechnician;

4)canbereprogrammedifcontrolrequirementschange;

5)cancommunicateandnetworkwithothercomputers。

Inthisapplication,aGE—SeriesSixPLCisequippedwithamemorybank,andtheI/Oracksareloadedwiththefollowinginputandoutputinterfaces:

120VACinputmoduleswith8ports/module,24VDCinputmoduleswith8ports/module,and120VACoutputmoduleswith8ports/module。

5.PC—basedvisualoperatorinterfaceunit

Withtheconvergenceofmicroprocessortechnologyandsoftwaretechniques,thePChasbecomeveryusefulinoperatorinterfaceapplications。

PCsrunningMMI/DASfront—endsmakepowerful,intuitiveoperationinterfaces,fullofusefulgraphicsandreportingtools.InformationfromthesePCscanbedistributedthroughacompany'slocalarea

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