外文譯文基于 plc控制的生產(chǎn)機(jī)械的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

2、身和設(shè)計(jì)專業(yè)生產(chǎn)時(shí)的特殊情況和特點(diǎn)的進(jìn)行設(shè)定的。根據(jù)這些要求，如何滿足這些要求實(shí)現(xiàn)的方法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)工程 專業(yè)機(jī)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(dǎo)致在短時(shí)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(gè)性化進(jìn)行

3、提高而且用機(jī)械來生產(chǎn)產(chǎn)品來提高產(chǎn)量。由于個(gè)性化的產(chǎn)品原因，生產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)備的制造工藝就必須適應(yīng)個(gè)性化需求。這致使機(jī)械制造商們面臨巨大的挑戰(zhàn)，在短時(shí)間內(nèi)制造出滿足客戶需求的特定的生產(chǎn)設(shè)備。當(dāng)運(yùn)用順序工程時(shí)，各種學(xué)科在特定的階段并不能縮短工程時(shí)間。但是為了縮短工程周期，各個(gè)階段的并行化也被采用。另外的一種方法是供應(yīng)商利用模塊的設(shè)計(jì)思想，將開發(fā)過程分成一個(gè)個(gè)模塊，進(jìn)行開發(fā)和依靠訂單進(jìn)行開發(fā)。在這種情況下，供應(yīng)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(shè)備。出于這個(gè)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(shù)，這樣的機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備就不是不同模塊進(jìn)行組裝就能完成的。因此特殊的產(chǎn)品設(shè)備被生產(chǎn)。基于非標(biāo)準(zhǔn)客戶特定的生產(chǎn)技術(shù)和實(shí)際上產(chǎn)品高度依賴生產(chǎn)過程中，只有極個(gè)別的這類機(jī)械可以進(jìn)行內(nèi)置。</p><p>　　2專業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備的當(dāng)前工程過程</p><p>　　專業(yè)化的生產(chǎn)設(shè)備是由零件和機(jī)械工件組成，其

5、中零件由供應(yīng)商自己進(jìn)行購買例如電機(jī)、傳感器等，機(jī)械部分是設(shè)計(jì)者自己進(jìn)行設(shè)計(jì)然后再將圖紙發(fā)送給生產(chǎn)商進(jìn)行加工。設(shè)計(jì)者們使用PLC控制設(shè)備使其能夠自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)前的設(shè)計(jì)過程是由對客戶關(guān)于機(jī)械設(shè)備的要求開始設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)此種設(shè)備時(shí)最重要的問題是對于滿足客戶指定的循環(huán)周期時(shí)間對于完成一個(gè)工作流程?；谶@個(gè)指定的循環(huán)周期問題，電氣工程師開始設(shè)計(jì)各種解決方案來實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。然后手工測繪機(jī)械圖紙其中擁有設(shè)備運(yùn)行的各種信息以及零件的幾何描述，定義設(shè)備運(yùn)行

6、中的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和模塊組成。這個(gè)解決的方法對于工程設(shè)計(jì)方面和對于其他學(xué)科有著重大的影響。設(shè)計(jì)設(shè)備的下一個(gè)階段是機(jī)械設(shè)計(jì)過程中詳細(xì)說明在機(jī)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(xì)的工程在運(yùn)動(dòng)學(xué)的定義下齊頭并進(jìn)如驅(qū)動(dòng)理念、大量數(shù)據(jù)處理以及這個(gè)過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。使用執(zhí)行器計(jì)算從這些定義運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間所需要的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。最后一個(gè)工程階段涉及到不同的部件和組件的詳細(xì)任務(wù)。指定的傳感器和執(zhí)行器的電氣部分標(biāo)志著從機(jī)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(jī)械的CAD 機(jī)械系統(tǒng)中，其中傳感器和</p><p>　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程和方法</p><p>　　工程專業(yè)化生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的特點(diǎn)是開發(fā)一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，其中工程機(jī)械是領(lǐng)先學(xué)科。在這種情況下，機(jī)器本身可以被看作是一個(gè)機(jī)器制造商的產(chǎn)品。提出幾點(diǎn)一體化的開發(fā)方法，它主要包括三個(gè)重要的階段。一階段是它從一個(gè)概念或系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所有的學(xué)科都參與其中，二階段

8、是其中詳細(xì)的機(jī)械、電氣/電子設(shè)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(chǔ)，本文的重點(diǎn)是已經(jīng)被導(dǎo)出來的概念與設(shè)計(jì)系統(tǒng)階段。并行學(xué)科便于機(jī)器的機(jī)電組件的重用和考慮由客戶指定的周期時(shí)間。此外，更具體地為系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明的一般方法。根據(jù)要求，關(guān)鍵問題被抽象，一個(gè)功能結(jié)構(gòu)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(jī)械電子系統(tǒng)的跨學(xué)科的概念被定義。這個(gè)基本過程也用于[9]和[14]為系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但重點(diǎn)還是機(jī)械

9、工程。對于這里的功能結(jié)構(gòu)，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(chǔ)上，各種基礎(chǔ)的解決方案被確定為不同的功能，合并，然后一個(gè)有關(guān)基礎(chǔ)方法作出決定。[1]適應(yīng)這一宏觀過程PLC的發(fā)展控制的機(jī)器，通過添加邏輯依賴關(guān)系中的函數(shù)模型的序列之間的過渡條件。 這些依賴關(guān)系和規(guī)則進(jìn)行識別傳感器和執(zhí)行器的信息和能</p><p>　　4在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xué)科的系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的需要,最后是 在具體的學(xué)科并行運(yùn)行的詳細(xì)工程過程，然后要求定義的抽象是必需的，這又便于打開進(jìn)行搜索字段。工程設(shè)計(jì)在不同學(xué)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(gè)非常詳細(xì)的面向組件的視圖，可以提供并行的詳細(xì)工程。另外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)跨學(xué)科的描述需要允許所有學(xué)科的參與。周期循環(huán)時(shí)間是這樣的機(jī)器設(shè)備的

11、關(guān)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(shè)計(jì)階段的圖形。</p><p>　　圖1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　5對于PLC控制非標(biāo)機(jī)械設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　[17]提到系統(tǒng)工程由三個(gè)階段組成的。需求分析、功能結(jié)構(gòu)的定義、設(shè)計(jì)的架構(gòu)的鏈接。傳送這些活動(dòng)到圖1，定義本機(jī)械設(shè)備的要求等同于在系統(tǒng)工程的第一個(gè)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(shè)計(jì)架構(gòu)。這導(dǎo)致了系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的2個(gè)主要階段：定義功能性的體系結(jié)構(gòu)和邏輯層的設(shè)計(jì)架構(gòu)。在這2個(gè)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(shè)計(jì)架構(gòu)之間的差距。這是一個(gè)跨學(xué)科的描述，可以用于分析預(yù)期的項(xiàng)目，并指定接口。[ 17 ]這

13、些特性使工程師能夠縮小機(jī)器上的一般要求，以創(chuàng)建設(shè)計(jì)架構(gòu)。定義功能描述的第一步是一個(gè)關(guān)鍵問題的抽象化。如例子，如果這臺新機(jī)器是“從一個(gè)傳送帶上取一個(gè)盒子，然后把它放在一臺機(jī)器上” 關(guān)鍵的問題是“提供產(chǎn)品”。 在這里，一個(gè)抽象的術(shù)語“盒子”是通過取代它與現(xiàn)實(shí)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(lǐng)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?yàn)橹饕δ苁恰疤峁┊a(chǎn)品”。 其結(jié)果

14、是，“選產(chǎn)品”功能可以被包含到一個(gè)功能層次，下面講的是“提供產(chǎn)品”功能。這個(gè)層次的描述，可以實(shí)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(dǎo)致了功能的層次結(jié)構(gòu)，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(gè)主要流類

15、型的關(guān)系：能源，材料和信息。有些聯(lián)系是相當(dāng)明顯的，如“庫存產(chǎn)品”和“配置產(chǎn)品”之間的物質(zhì)流關(guān)系。當(dāng)考慮一個(gè)簡單的例子，可以看出，添加了不同功能之間的這樣一種關(guān)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(gè)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(guān)系，實(shí)現(xiàn)依賴于“校驗(yàn)功能”的位置?？梢钥闯觯绻皺z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(guān)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(gè)物質(zhì)流關(guān)系。</p><p>　　根據(jù)關(guān)系的結(jié)論，決定是否選擇1是一個(gè)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(gòu)，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。基于特定的制造過程，它是很容易定義的時(shí)間之間的依賴關(guān)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(jìn)行。此外，上述圖不必考慮規(guī)劃的周期時(shí)間。在這種

17、情況下，最重要的信息，需要做的功能，在一個(gè)連續(xù)的方式或可以并行地進(jìn)行。這個(gè)信息是以甘特圖的形式提供。如果一個(gè)解決方案，例如一個(gè)實(shí)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(shí)間可以被分配，例如基于經(jīng)驗(yàn)或測試，它是可能的，打破了所需的周期時(shí)間為功能，如圖4所示。由于所確定的功能結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fù)，這迫使工程師考慮的周期時(shí)間和實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)在給定的時(shí)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(lán)色虛線表示圖4）。在圖3中，關(guān)于2的替代方案，將時(shí)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(chǔ)解決方案（設(shè)計(jì)架構(gòu)）之間的依賴關(guān)系 </p><p>　　圖4. 打破循環(huán)時(shí)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(dòng)或采用自動(dòng)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(gè)形態(tài)可視化邏輯框[ 9 ]。如果使用自動(dòng)搜索，該框可以使用一個(gè)預(yù)定義的軟件系統(tǒng)。然而，基于工程師的創(chuàng)造力也應(yīng)該有可能增加新的原則解決方案。當(dāng)仔細(xì)看形態(tài)的框圖，它是可以找到原則解決方

20、案，實(shí)現(xiàn)不同的功能，例如，“輸送”是“移動(dòng)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(gè)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(dǎo)致了一個(gè)個(gè)函數(shù)之間的關(guān)系和基本解決方案。如果一個(gè)函數(shù)是使用一個(gè)單獨(dú)的解決方案來實(shí)現(xiàn)的，那么這是一個(gè)直接的1:1的關(guān)系。關(guān)于模塊化，功能建模和基本的解決方案之間的關(guān)系在沒有n：ｍ個(gè)這樣的一種方式來進(jìn)行：將顯示功能和基本解決方案之間的關(guān)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(jī)電模塊。選擇的基本解決方案后，該功能結(jié)構(gòu)具有對于循環(huán)時(shí)間和其它要詳細(xì)和驗(yàn)證約束。為了與參與詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)等部門溝通，這是組織基本的</p><p><b>　　6 實(shí)施</b></p><p>　　要考慮[ 8 ]系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的要求，必須通過仿真予以支持。因此，機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)可用于結(jié)合一個(gè)仿真模型的可視化運(yùn)動(dòng)N

22、X序列為特定的機(jī)器模塊的幾何模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。這種幾何模型與機(jī)械學(xué)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(xì)說明。要執(zhí)行的模擬，用于定義的運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)器，基于位置和速度的約束的基礎(chǔ)上增加。檢測，如果一個(gè)幾何零件到達(dá)一個(gè)位置，傳感器可以被添加。[ 12 ]為跨學(xué)科的系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段提供一個(gè)工具，滿足上述章節(jié)所示的要求，該模型應(yīng)是由脈沖圖控制。這些可以做的描述，序列設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)師的

23、行動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)，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(shè)計(jì)者的狀態(tài)。這解決通過定義的狀態(tài)和執(zhí)行器，這是負(fù)責(zé)達(dá)到這個(gè)狀態(tài)之間的關(guān)系。在機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)的傳感器的動(dòng)作之間的過渡的信號。將它們映射到序列設(shè)計(jì)器中的給定信號，定義了不同的動(dòng)作之間的轉(zhuǎn)換。要做到這一濃縮和映射的應(yīng)用程序開發(fā)。使用這一點(diǎn)，它可以提供一個(gè)模擬工具，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，擁有足夠的信息，開始詳細(xì)說明在自動(dòng)化和力學(xué)學(xué)科。如果是通過增加傳感器和執(zhí)行器的詳細(xì)分類關(guān)于

24、擴(kuò)</p><p><b>　　7 總結(jié)</b></p><p>　　對設(shè)計(jì)專門生產(chǎn)機(jī)器時(shí)減少時(shí)間和相關(guān)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(shí)間，必須有可能重復(fù)使用該已設(shè)計(jì)模塊，以及各學(xué)科都進(jìn)行并行化。這可以根據(jù)[13]的宏觀過程來完成。因此，分析當(dāng)前的順序過程來定義開始所有參與平行的學(xué)科的所需的信息。系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的附加要求是來自于這個(gè)階段的一

25、般特性?？删幊炭刂破骺刂频膶Ｓ脵C(jī)械的設(shè)計(jì)過程主要是在4個(gè)步驟中進(jìn)行的，分別為：1。要求的功能性故障，2。與類之間的依賴關(guān)系添加功能：時(shí)間依賴性（甘特圖）、物質(zhì)、信息和能量，3。對功能的基礎(chǔ)的解決方案的搜索和選擇，考慮到集成和重用，4。制定一個(gè)邏輯結(jié)構(gòu)，包括連接學(xué)科的具體說明，機(jī)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(dòng)化的幾何/運(yùn)動(dòng)學(xué)。基于這種方法，周期時(shí)間可以被連續(xù)地計(jì)劃到一個(gè)單一的軸的運(yùn)動(dòng)。此外，所有的信息需要在不同的學(xué)科開

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

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

30、MA出版社，法蘭克福點(diǎn)（2010）（德國）</p><p>　　9. Pahl, G., Beitz, W., Feldhusen, J., Grote, K.-H.: 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)為成功的產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用.施普林格出版社，柏林（2007）（德國）</p><p>　　10. Schilke, M.: 在專門的機(jī)械制造為汽車行業(yè)PDM的系統(tǒng)的使用. 薩爾布呂肯大學(xué)（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(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)一種基于函數(shù)的機(jī)器制造方法，科?。?010）</p><p>　　13. VDI