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生产线自动装箱装置控制系统设计文献综述

2013-07-08 09:46:00 来源:毕业文库网 浏览:45
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  题    目    生产线自动装箱装置控制系统设计     

生产线自动装箱装置
控制系统设计

本课题的研究意义
    当今时代,由于科学技术的快速发展,自动化生产技术在工业生产中得到越来越广泛的应用。在机械制造、电子等行业已经设计和制造出大量的类型各异的自动化生产线。这些自动化生产线的使用,在提高劳动效率和产品的质量、改善工人劳动条件、降低能源消耗、节约材料等方面均取得了显著的成效[1]。
   而对于以前,当生产力还远远不如现在代,生产线都十分复杂并且严重浪费财力物力,从而生产出来的商品的合格率也令人堪忧,生产的发展受到了很大的制约。这种情况下先驱改革者们开始思考用一种方法来改变这一现实,生产者们希望能通过制造各种机器来完全代替手工制作,而其他工人就只需要在旁边对机器进行控制与操作即可,每一道工序如:清点产品的数目,自动包装等工序都能让机器精确很而快速的进行。
   1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出第一台可编程控制器,用于通用汽车的生产线,取代生产线上的继电器控制系统,开创了工业控制的新纪元。1971年,日本、德国、英国、法国等相继开发了适于本国的可编程控制器,并推广应用[2]。从此之后,这项新得技术迅速在全球得到广泛推广与应用,这项技术最大限度的按照人们预先的期望来实现生产及控制,使生产效率大大的提高,使繁重的生产至此变得简单、有序、准确。
   在自动化生产逐步普及的当今,包装机械自动化程度的优劣直接会对产品的质量和生产效率产生重大的影响。在工业的现代化生产中时常需要对产品进行计数,包装。但是这些繁杂的工作如果都让人工去完成的话不但麻烦,而且生产效率低下,劳动强度让人难以忍受,这不能够达到现代化生产的需要。为了适应现代化大批量生产一种产品,促进工业现代化的飞速发展,增加国民经济,提高广大劳动人民的生活水平,就应当准确的设计出一套完整的自动化生产线,再用这种自动化生产线来取代人工完成各种各样的繁杂工作。而且还需要有对产品进行计数,包装等各道程序。生产自动化技术的使用大幅度的提高了工厂的经济效益,这在包装业中体现的尤为明显。特别是近年来,包装生产线的自动化、电子监测和控制系统的大力发展,使包装企业以高速度、较少的停机时间和包装故障,以及产品损耗减少、工伤和老毛病降低等优点而获得出色的成績。2002年11月3至7日在芝加哥举行的国际PACK EXPO上,我们可以看到多家自动化公司展示的最新的包裝设备和新技术。这些经济实用的自动化技术将会成为未来的发展力量。可见自动装箱技术的应用前景十分广阔。
    当然由于生产的产品不同,各种类型的自动化生产线的大小不一,结构有别,功能各异。我们可以把自动化生产线分为五个部分:机械本体、检测、信息处理、执行机构和接口部分。从功能上来看,不论何种类型的自动化生产线都应具备最基本的四大功能:即运转功能、控制功能、检测功能和驱动功能。运转功能在自动化生产线中依靠动力源来提供。控制功能在自动生产线当中得以实现,是由微型机、单片机、可编程控制器或其他一些电子装置来承担完成的。在工作过程中,设在各部位的传感器把信号检测出来,控制装置对信号进行储存、运输、运算、变换等等,然后用相应的接口电路向执行机构发出命令,完成必要的动作。检测功能主要有位置传感器、直线位移传感器、角位移传感器等各种传感器来实现。传感器收集生产线上的各种信息,如:位置、温度、压力、流量等传递给信息处理部分完成控制作用。驱动功能主要有电动机、液压缸、气压缸、电磁阀、机械手或机器人等执行机构来完成[1]。

2 生产线自动化的发展概况
2.1国内研究的历史及现状
    中国的包装业相对于如美国和欧盟等这些发达国家而言就相当落后,但是却具有非常大的发展潜力。控制系统早在20世纪四十年代就已经开始运用了,最初的现场基地式仪表和后来的继电器成为了控制系统的前身。现在通常所说的控制系统,大多指的是采用电脑或微处理器进行智能控制的电子系统,在控制系统多年发展的历史上,它被称为第三代控制系统。这一代系统以PLC为代表,从70年代开始应用以来,在轻工、电力、冶金、石油等工业过程控制中得到飞速的发展。PLC,即可编程控制器,开始主要是从顺序控制发展而来,但自从90年代以来,随着通信技术、电子技术和计算机技术的发展,PLC的性能得到了大规模的拓展,PLC的应用范围也逐渐向连续流程工业生产方面进军,这一应用极大的使得自动化生产线得到了前所未有的发展。
    在中国,自动化技术还没有成熟,需要较长一段时间的积累和发展,因此在以后各行业将会有足够的空间来发展这项技术,这理所当然的成为未来很长一段时间内的发展方向和趋势。目前而言中国的经济发展局势也表明了十分需要各种高技术来支持,这样才能满足有一个比较稳定的发展基础。国家西部大开发的政策方针就必然伴随着许多高技术的转移,各类工业生产也将需要自动化技术大力支持,因此加大发展自动化生产的力度也就成为了目前以及未来必然的趋势。相信中国经济跨越式进步的背景下必将有生产自动化技术成熟后的深远影响。
   现阶段我国自动化市场有着活跃的发展状况,这种前提下剧烈地促进了对各种自动化人才的大量需求。此外,国外自动化企业正在实施的包括人员本土化在内的全方位战略,这一举措也使得我国对自动化人才需求的与日骤增。 ABB是一家国家著名的跨国公司,被广大业内人士称为“多国部队”。因为ABB更加重视在它的业务发展到的任何一个地方,都毫不犹豫并全力地推行人才本土化战略。2004年10月25日,ABB集团董事长兼首席执行官杜曼先生在北京的新闻发布会上曾表示:5年后,中国将取代美国和德国成为ABB的第一大市场。为了顺利实现这一目标,ABB已经制定了清晰的5点战略,其中包括培养本地人才。根据计划,到2008年ABB将在中国招聘新员工5000名。那时,ABB在中国的雇员总数将达到约12,000名。这些目标在此后一一得到了具体体现。现在,与一系列的中国本土化战略相对应,更多的跨国企业都把大规模的招募计划排上了日程安排甚至早已经在实施。
2.2国外生产线自动化发展概况
   可编程控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的实时工业控制装置。随着电子技术、自动控制技术和计算机通用技术的飞速发展,PLC在硬件配置、软件编程、通讯联网功能以及模拟量控制等方面均取得了长足的进步,已经成为工厂自动化的标准配置之一。用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中的大量的时间继电器和中间继电器简化控制线路、有效提高系统的可靠性,是PLC的突出特点;根据实际工艺要求,借助于顺序功能图(SFC)和梯形图来编制用户程序,实现单台设备或生产过程的顺序控制,则是PLC主要功能的具体体现[3]。
    在许多工业比较发达的国家之中,配电系统的自动化得到了各个企业甚至国家的高度重视,他们配电系统的自动化已经形成了集电容器组调节控制、变电所自动化、远方抄表和馈线分段开关测控等系统于一体的配电网管理系统(DMS),其功能已经多达140余种。
    另外,国外许多著名电力系统设备的制造厂家几乎都已经涉足配电系统自动化领域,如美国COOPER公司、德国西门子公司、日本东芝公司、法国施耐德公司等,他们均已经推出了具有自主产权的配电网自动化产品。在这些产品中PLC的运用占有举足轻重的作用,它对自动化生产产生了深远的影响。
   在国外,自从上个世纪30年代开始,许多机械加工企业为了大幅度提高生产效率,就开始采用机械化流水生产线的作业方式,并且大型自动生产线所需要加工的对象也发生了很大的变化。但是由于生产线的控制系统大量地使用继电器,而继电器在频繁工作情况下使用寿命都不长,这种状况使的生产线的可靠性大为降低。因此许多公司为了解决这一问题而投入了大量的财力物力,直到20世纪60年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)取代一直以来使用的继电器控制装置后,PLC的发展开始进入黄金时期,迅速在全球各地得到了大规模使用。
   20世纪末期,可编程控制器更加适应于现代工业控制的需要。从控制规模上来说,这个时期发展了大型机及超小型机;从控制能力上说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力上来说,生产了各种人机界面单元,通讯单元,使应用可编程控制器的工业自动控制系统的配套更加容易。
   21世纪的最初几年,伴随着现场总线技术的不断进步,可编程控制器重点发展了网络通讯能力。可编程控制器在工业控制网络的各个层面上开始发挥重要作用。这标志着可编程控制器已从单台设备的控制及小型生产线的控制发展为石油化工、冶金钢铁、机械制造、汽车、轻工业等领域的大型或集散控制系统中的基础及骨干的设备[4]。
   PLC之所以在全球范围内得到广泛推崇,它的工作原理是不可忽视的。PLC的CPU中有着一种叫程序计数器的元件,它起着指示程序步存储地址的作用。在指令下达之后,程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令),每当执行一步之后计数器都要自动加1,之后再返回起始步开始循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       在扫描的过程之中要进行4个方面的工作:以故障诊断和处理为主的公共操作;处理工业现场的数据I/O操作;执行用户程序和外设服务操作[5]。PLC用梯形图编程,在解算逻辑方面,表现出快速的优点。
3 生产线自动化的发展趋势
    自动化生产线是在流水线的基础上逐渐发展起来的。它不仅要求线体上各种机械加工装置能自动完成预定的各道工序级工艺过程,使产品成为合格品的制品,而且要求在装卸工件、定位夹紧、工件在工序间的输送、工件的分拣甚至包装的方面都能自动地进行。为了达到这一要求,人们通过自动输送及其他一些辅助装置按工序顺序各种机械加工装置连成一体,并通过液压系统、气压系统和电气控制系统将各个部分动作联系起来,使其按照规定的程序自动地进行工作。我们把这种自动工作的装置系统称为自动化生产线。
    现今阶段,自动化生产线应满足众多的要求,主要涉及的下列几项指标:(1)提高质量;(2)增加生产;(3)为适应生产变化而更换模具的时间短;(4)生产过程的监控;(5)操作人员的安全。
    为了满足上述要求,自动化系统的应用增加了下列任务:(1)收集与管理产品及机器参数。这个任务的增加可以提高工作效率,同时也可给设备的维护提供方便。(2)存储最佳生产数据,为连续生产过程制作实验数据以及自动纠正加工数据[1]。
    自动化生产线所涉及的技术领域是很广泛的,所以它的发展、完善是与各种相关技术的进步及互相渗透是紧密相连的。因而自动化生产线的发展概况就必须以整个支持自动化生产线有关技术的发展联系起来。技术应用发展如下:
(1)应用可编程控制器(PLC)技术:PLC主要以顺序控制作为主要的控制方式, 而以回路的各种调节作为辅住功能的一种工业控制计算机。它不仅能够完成逻辑运算、时间控制、数量计量和对工作过程的记忆等功能,而且能对开关控制量和模拟数据量实现大范围地控制。可编程控制器(PLC)技术的运用完美地解决了工业上控制用的计算机诸多难题,比如复杂的程序编程,由于外部接口的不标准引起的组合复杂问题,各种生产机械的不合理运用导致的资源浪费以及适应能力差等各种缺陷。但是运用PLC技术就能非常好的解决这些问题,于是大量的传统顺序控制器被其广泛所取代。
(2) 应用机械手、机械人技术:在现代化自动生产线中工件的装卸及自身的夹紧定位,工件在各个阶段的传送,排除生产过程中的各种加工余量和生产线包装等方面,机械手技术都得到了广泛的运用。而新一代的机器人正在火热的研发当中,它具有传统机器人所不具备的许多操作技能,而且更加的智能化,具备许多人类具备的感知能力。并且这种机器人判断,应急能力均达到了一个新的高度能。这些技术正逐渐应用到自动生产线中。
(3) 应用传感技术:随着现代科学技术的飞速发展,新材料不断地被开发出来,不断出现的各式物理效应,一个新兴的科学体系诞生--传感器应用技术。随着 “智能传感器”加载的微型处理器的广泛运用,传感技术在自动生产线的生产中起到了不可忽视的作用,他被大量的运用于各种复杂的自动控制程序监视。
(4)应用液压和气压传动技术:特别是气动技术,由于使用的是取之不尽的的空气作为介质,具有传动反应快、动作迅速、气动元件制作容易、成本小和便于集中供应和长距离输送等优点。而引起人们的普遍重视。气动技术已经发展成为一个独立的技术领域。在各行各业,特别是在自动线中得到迅速发展和广泛地应用。
(5)应用网络技术的飞跃发展:就是网络技术的飞跃,无论是现场总线还是工业太网络,使得自动线中的各个控制单元构成一个协调运转的整体。[7]
   总之,所有这些支持自动线的机电一体化技术的进一步发展,使得自动线功能更加齐全、完善、先进,从而能完成技术性更加复杂的操作和生产线装配工艺要求更高的产品。

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