第十三周
2007/5/19
第十三周
机器与系统控制
本课程所介绍之设计与分析的系统与软体,以及先前所讨论的生产控制与技术方法,皆必须使用CIM 企业中的单一产品资料库才得以顺利运作.控制这些技术的机构是分散在企业各处,且以一种阶层式 (hierarchical) 的架构组织在一起.
例子是连接於此阶层式架构最末端的简式机械极限开关,其功用是侦测输送带上是否有零件并据之来控制机器,而在阶层上的另一个点上,大型电脑透过介面与外部通讯网路 ( 如网际网路 ) 相连结,生产订单因此得以电子式的方式传递到世界各地的供应商电脑中.发展与实施此软硬体混合的复杂技术是一个逐步进化的过程,
自动化时间线与SME CIM 轮描述的三个主要功能相关之电脑控制,於许多年前即已开始发展
一直要到了近二十年来,个别单元的控制才成熟到足以将各式各样的企业功能整合在一起,
图12-1 所显示的是透过区域 ( 电脑 ) 网路 (LAN) 连结在一起的企业功能
LAN 是一个非公用的通讯系统,每个领域的LAN 都被连接到主干 (backbone) 上,因此每个人都有同等的权力可在中央资料库上存取
资料,并可连结到外部的资源与系统.
图12-2 的系统为图12-1 中位於层级1 的组成要素之细部描述,
图12-2与图12-1 之间的介面是图12-2 的最上方注有"至区域控制器 (area controller),其他单元以及主电脑"的网路.
绘於图12-2 最上方的区域网路是连接到图12-1 中层级2 的区域控制器之工厂自动化LAN 的一部分,
注意两个图中皆出现工作单元控制器 (work cell controller).
一些重要的特性可用以辨识典型阶层式架构中的单元控制以及其他较高层级之间的差别,
特性可分成五类:
控制器坚固度(hardening),
反应时间,
控制vs 资讯处理,
使用者数目,
通讯介面.
坚固度表示系统必须能够在恶劣环境中作业的应用百分比,此恶劣环境包括温度,冲撞与震动,电力波动,空气污染物以及湿气存在的剧烈变化.
反应时间显示系统基於输入条件,多快才能产生输出.
控制vs 资讯处理代表控制问题的百分比vs 资讯处理问题的百分比.
使用者数目和通讯介面代表的是使用者的数目以及通讯系统的类型.
因为单元与装置层级的重点是少量装置的控制,所以其系统需要非常快的反应速度,在这些较低的层级里,点对点的通讯取代了网路.
单元控制 (Cell Control)
在工作单元内的硬体,通常可分为两种:
智慧型 (intelligent) ,
非智慧型 (non-intelligent).
自动化单元使用各种不同的智慧型与非智慧型硬体,控制软体以及所有可想到的加工机器.
智慧型设备
智慧型设备具有某种类型的内部电脑控制
可程式逻辑控制器 (图12-2, PLCs)
在某些应用中,智慧型机器被称为"聪明的装置 (smart devices)".
非智慧型
非智慧型硬体则通常使用固态电子来做讯号处理与转换,但其不可再重新写入程式.
感应器与条码读取器(图12-2)
虽然生产单元很少会完全一样,但从研究图12-2 中两个单元所学习到的观念,将可转移至其他生产单元的作业上.
这两个单元作业的分析,是一个研究单元控制技术的适当起点.
单元控制器 (Cell Controllers)
加工与装配单元的单元控制器,通常是使用Intel 微处理器晶片的工业用电脑或是具专用处理器晶片的迷你电脑,
图12-4 中的IBM 电脑,即是一个设计来在恶劣的生产环境中作业的工业电脑.
IBM 电脑
设计来在恶劣的生产环境中作业的工业电脑.
单元控制软体架构 (Cell Control Software Structure)
在大部分的应用中,单元控制器所使用的作业系统软体可以同时执行多个应用程式的作业系统,被称为多重任务处理软体 (multitasking software).
作业系统 (OS) 通常是图12-5 最底下所列的三个之一,
应用程式介面(API) 与系统启动 (SE) 软体则介於OS 与应用程式之间.如IBM 的Distributed Automation Edition (DAE) 之API 与SE,负责处理一些架在所有应用程式之上的共通作业性工作
工作单元管理软体 (Work-Cell Management Software)
单元控制器的主要应用软体是使用来管理所有单元活动的软体.
单元控制器的主要功能是
通讯以及资讯处理.
将常驻档案储存在即时记忆体中以支援CIM 相关资料库的资料管理
单元中装置的程式库管理,
工程改变控制的支援以及生产追踪等.
资讯与通讯的执行通常耗费单元控制器80% 到90% 的资源.
载入到单元控制器的应用程式
生产监控.
制程监控.
设备监控.
程式配置.
警戒与警报管理.
统计品质与统计制程控制.
资料与事件记录.
工作分派与排程.
工具追踪与控制.
存货追踪与管理.
单元活动报告产生.
问题决策.
作业员支援.
离线程式设计与系统检查.
跟上游的LAN 通讯时,单元控制器是单元内部资讯的集结器,并为与区域控制器或诸如MRP II 以及CAD 产品设计等其他应用软体之间的桥梁.
在下游端的部分,单元控制器传送资料与资讯档案到可程式控制装置与生产设备,
专用vs 开放系统互连软体
(Proprietary Versus Open System Interconnect Software)
单元控制器的资讯传送管理软体可分成以下三种:
前两个因为是为了特定的应用所编撰的或是在一个称为应用启动程式的第三方软体管理界面所发展的,所以称之为专用软体系统,
(1)自行发展的系统(in-house-developed systems);
(2)应用启动程式 (application enablers);
(3)采用诸如制造讯息规格 (manufacturing message specification, MMS)ISO 标准9506 的开放系统互连模式 (open system interconnect, OSI) , 使用例如MMS 的OSI 标准来发展解决方案
自行发展的软体 (In-House-Developed Software)
在1980 年之前,大部分的单元控制与管理软体是由使用者以C 程式语言撰写的,此时因为没有令人满意的第三方软体可以选择,所以必须自行发展
自行发展的软体是撰写来满足单元特定控制的需求,且与企业里其他领域之自行发展软体的相互连接.
单元中设备若是缺乏可用的介面软体或驱动程式,并不会造成问题,这是因为所有程式都是初始程式发展的一部分,
然而,这些优点将被成本过高以及当单元硬体或规格改变时软体不易改变等重大缺点所掩盖.
启动软体 (Enabler Software)发展一个完全实施CIM 的工作单元常见的阻碍是
客制CIM 解决方案程式的成本,时间与复杂度过高并缺乏弹性,
启动软体引入之后,应用软体的发展已经由软体工程师转移到制造工程师身上,此转移的可行是因为启动软体提供了一组开发CIM 单元之控制软体的软体生产力工具 (software productivity tools) ,可用来降低开发单元控制与管理应用软体的困难度.
启动软体的
优点
使得单元控制以及程式开发的容易度增进大约了十倍,但
缺点
是单元控制因此受到第三方软体解决方案的箝制,
所以选择
选择最佳的解决方案是非常重要.
启动软体是撰写来满足一般公司之所需;因此,如果特定的需求没有被涵盖到,就必须使用Visual Basic 或C 撰写设计附加程式以得到最后的解决方案.
最常使用的单元控制开放系统互连模式 (OSI) 之解决方案是制造讯息规格 (MMS),
MMS 是生产环境中,以OSI 模型为基础,在网路上相互连结的智慧型装置之间的资讯通讯标准 (ISO 9506).
ISO 9506 标准有三个部分:
(1)服务程式规格;
(2) 协定规格
(3) 机器人介面与协定规格.其他类型的生
其他类型的生产机器规格亦正在发展中.
制造讯息规格 (MMS)
MMS 标准定义一组存在於装置之内的物件;例如,MMS 物件可以是机器人手臂於某一轴上所处的位置.
MMS 会定义物件存取与处理之通讯服务,并说明装置将如何反应.
实施MMS 解决方案需要所有的装置都支援MMS 协定,并以制造自动协定 (MAP) 的乙太网路或宽频制造网路连接在一起.
图12-7 是图12-2 的工作单元系统重新以MMS 解决方案安装之后的结果
在图12-7 中,所有支援MMS 的智慧型装置都连至乙太网路,且因为PLC 透过单元LAN,可直接和其他的PLC 以及智慧型装置分享资料,所以不再需要专用PLC 网路,任何不在网路上的装置,将需与LAN 上的其中一个智慧型装置相连接.
在实施了MMS 之后,工作单元控制器将不再具资料集结器的作用,这是因为每个智慧型装置都直接和LAN 上的其他装置相互通讯
开放系统互连的特色是MMS 的主要优点
单元的管理分散到以网路连接的所有智慧型装置之上
资讯是由目的装置直接提出需求,然后直接传送到最终使用者,而不需要中间的电脑与软体系统.
主要缺点是目前的使用者不多,且只有有限的设备供应商支援此标准.
装置控制 (Device Control)
装置控制器 (device controllers) 可以分成两类:
专用 (proprietary) 与通用 (generic).
专用的控制器通常是专门用途的电脑,由一般的微处理器晶片所组成,而后透过程式来控制目标装置.
例如CNC 工具机,其中皆内建有控制用的专门用途之电脑;
另例为图11-17 的机器人系统,含一个可在程式控制之下移动机器手臂的专用控制器,但此电脑控制器是座落於远端的外接盒内,藉由电子介面与机器人相连接.
通用装置控制器是一般用途 (general-purpose) 的装置,其是设计来连接各种不同的工作单元硬体并提供控制.
专用与通用的装置控制器都支援数位 (discrete) 与类比 (analog) 的控制需求,
数位控制是用来例如启动或关闭马达,因此,数位控制意味著在控制之下的装置只有两种运作状态.
类比控制器允许装置在开与关之间的范围中作业,使用在生产机器与单元中的类比控制器,通常控制一个物体的移动或位置,或是诸如压力,温度,水位或流量的制程参数.
数位控制,类比控制器
类比控制器允许装置在开与关之间的范围中作业,使用在生产机器与单元中的类比控制器,通常控制一个物体的移动或位置,或是诸如压力,温度,水位或流量的制程参数.
例如,类比温度控制器可以保持水槽中的液体温度在20 C ° 到90 C ° 之间,为了达成此控制,控制器供应给加热元件的能量被设定在可以产生正确温度的大小,而相反地,
数位控制是用来例如启动或关闭马达,因此,数位控制意味著在控制之下的装置只有两种运作状态.
数位控制器将只能启动加热元件 ( 热量传递至液体 ) 或是关掉加热元件 ( 没有热量传递 ).
可程式逻辑控制器
(Programmable Logic controllers)
可程式逻辑控制器 (PLC) 是General Motors 在1970 年代初期所发展
早期的PLCs 是专门用途的工业电脑,其设计目的是为了消除循序控制应用中的继电器逻辑 (relay logic),
基本循序逻辑控制
(Basic Sequential Logic Control)
继电器逻辑电路有两个主要的问题,
第一,继电器是机械式装置,所以在开与关的位置之间反覆来回会导致接点损坏;
第二,操作逻辑或系统规格的改变,常常需要系统非常多的重新接线.
以PLC 取代继电器逻辑,将会使循序式逻辑控制与系统的修改更有效率且花费更少.
PLC 系统元件 (PLC System Components)
可程式逻辑控制器 (PLC) 是设计来控制制程,装配系统以及一般自动控制的电脑,
PLC 的机械结构包括一个可供模组 (module) 嵌入的支架(rack),
图12-9 显示一个插有模组的Allen Bradley PLC 支架,
图12-10 则显示装置在支架后面的背板 (backplane),其具可供模组插入的电子连接器,背板含有电源以及用来与所有插入或安装在支架上的模组互相连接的讯号传导装置.
显示於图12-11 的典型PLC 模组具有与背板接触的电子式连接,以
及用以连接PLC 和生产设备的介面,
模组通常可分为:与生产设备的介面,网路与序列式通讯,专门用途模组,电源供应器以及微电脑,
在PLC 系统中称为处理器 (processor) 的电脑,是PLC 运作的核心,
输入模组 (input modules) 则负责接收来自各式各样的感测器装置的电压以及其他系统的输出
检阅图12-12 的输入来源,其中标为"其他输出"的来源,在复杂的自动化系统中,通常由数个不同供应商所制造的PLC 控制同一个自动化生产制程的不同部分,
因此常常由某个PLC 所感测到的资讯,必须传给另一个PLC,因为这些资料会影响第二个PLC 所控制的制程部分,在这种情形下,从第一个PLC 的输出便成为第二个PLC 的输入.
处理器针对输入资料执行数值与逻辑运算,并且依据常驻於处理器中的程式来开或关PLC 输出模组 (output modules) 中的输出,这些输出模组与控制程序的系统元件相连接.
有许多的PLC 自动化应用仅仅使用在此PLC系统图的三个方块,即扫描输入,然后依据输入的条件以及处理器中PLC 程式的逻辑改变输出.
PLC 通讯模组 (communications modules) 的使用频率虽不及输入与输出模组,然而因为生产资料必须传送到企业中的所有部门,却成为实施CIM最关键的部分.
如图12-12 的标准网路 (standard networks) 方块所显示,PLC 可以直接装设於工厂的LAN 上,以与其他的单元或区域控制器互相通讯
图12-12 的专用网路 (proprietary networks) 方块显示,大部分的PLC系统都有可用的专用网路,以透过区域网路将所有的PLC 处理器连接在一起,但几乎没有例外,只有购自相同供应商的PLC 才能在网路介面与协定上相容.
图12-13 使用一个作业员面板来描述智慧型输入与输出介面的观念,
此面板具有制程机器与装置的控制开关,并有灯泡来显示制程设备的状态,
PLC 程式设计 (PLC Programming)
阶梯逻辑程式设计 (ladder logic programming)的方法,是变形自用以记录工业控制电路的双线图 (two-wire diagram)
双线图在纸的左 ( 标示为L1),右 ( 标示为L2) 两边各有一条垂直线,
通常左边的垂直线代表电源的正极,
右边的垂直线代表电力流回或是接地,
用以控制机器的其他所有装置则画於此二垂直线之间,所有使用来控制机器运作的开关,感测器与控制器皆包括在图中,
PLC 的优点
介面修改容易:
维护性与障碍排除难易度的改善:
离线程式设计
广大的应用范
低成本:
各种等级的PLC 与周边装置:
电脑数值控制 (Computer Numerical Control)
电脑数值控制 (computer numerical control, CNC) 定义
原始-指具有内部电脑以处理机器控制与程式执行的数值控制 (numerical control, NC)机器,
现在-CNC 泛指所有具内建电脑并使用生产程式以控制刀具移动的生产机器,
图11-1 的基本机器人系统即为一个符合CNC 定义的例子
12-18 则提供一个CNC 机器的通用方块图,
CNC 机器,都是从某台电脑处接收它们切削零件所需的程式,
此电脑的功用是将CAD 向量档案的工程图转换为CNC 机器用来切削零件的机器程式码程式档案.
将零件的几何形状转换成一个中间机器程式码的处理,是由CAD 软体中的NC 软体模组,或是由诸如SmartCAM 或MasterCAM 等其他的电脑辅助制造 (CAM) 软体程式所完成
后处理器 (postprocessor)将中间机器程式码转换为特定厂牌与型号之CNC 机器所用的程式
后处理器产生了特定CNC 机器所需的装卸刀具以及移动指令之程式,
此CNC 机器程式码程式被载入图12-18 的记忆体之后,控制与运算单元即依据此程式操控刀具以完成所欲之移动.
CNC 程式设计 (CNC Programming)
车床和铣床使用的NC 语言通常称为G 程式码 (G codes).
铣床工具机与加工中心的加工步骤大概包含了所有NC 操作的75% 左右,故为一个介绍G 程式码的最佳范例.
CNC 程式设计 (CNC Programming)
NC 程式设计常使用的程式指令与技术可分为以下五类:
基本指令
补正与抵销
固定循环
巨集与次常式程式设计
进阶程式选项
基本指令
指令程式码以及它们的函数可以用来撰写一些形状简单之
零件的NC 程式.
移动指令 (G00,G01,G02,G03).
平面选择 (G17,G18,G19).
定位系统选择 (G90,G91).
单位选择 (G70 或G20,G71 或G21).
工件座标设定 (G92).
基本指令 (续)
参考点返回 (G28,G29,G30).
刀具选择与更换 (Txx M06).
进给选择与输入 (Fxx.xx,G94,G95).
主轴速度选择与控制 (Sxxxx,M03,M04,M05).
其他功能 (M00,M01,M02,M07,M08,M09,M30).
补正与抵销
指令是使用来定义工件的座标系统,执行刀具直径的补正以及抵销刀具长度的差异.
工件座标补正 (G54-G59).
刀具直径 ( 半径 ) 补正 (G40,G41,G42).
刀具长度抵销 (G43,G44,G49).
固定循环
以下三类的指令,皆是以一个单一的程式码区块,执行一系列重复加工作业的方法.
标准固定循环 (G80-G89).
特定固定循环.
使用者定义固定循环.
巨集与次常式程式设计
现代的NC 控制器可藉助包含变数定义,算术运算以及执行逻辑决策等基本的电脑程式设计语法,达成以数学方式来描述零件的几何形状.
进阶程式选项
这些通常为使用者自己所定义的控制.
手动vs 自动化程式设计
(Manual Versus Automated Programming)
NC 机器的程式设计有两种方式:
手动程式设计
使用CAM 软体产生程式码.
自动追踪 (Automatic Tracking)
在生产过程中,零件与刀具的追踪是一项非常重要的工作,
起始於1900 年代初期的食品杂货工业,主要使用来追踪零件移动的技术是条码 (bar codes),给予产品一个独一无二标签的观念
第一个条码是於1949 年取得专利的圆形设计,而在此之后,已出现超过50 种不同的条码符号.
条码符号 (Bar Code Symbols)
条码扫描正在快速地取代键盘以及其他记录制造资讯与资料的资料输入装置,工厂现场的精密自动化使用条码技术以提供物料资源规划,统计制程控制,生产方案选择以及其他CIM 系统应用所需的资讯.
条码是由具有不同宽度的平行条纹与空白所组成的符号,此符号是当作图形码来使用,以表示一连串包含逗号的字母与数字
每种都具有某些下列条码的特点:
强韧字元集,结构简单,列印与读取的宽大允差以及密度 - 大小的高比值.
在工业界中,最普遍使用的两种条码为交错式25 码 (Interleaved Two-of-Five) 以及Code 39.
交错式25 码 (Interleaved Two-of-Five)
交错式25 码是一种数字条码,亦即这种条码仅能表示数字
此种条码的设计有以下两个主要特性:
(1)条码为高密度性,所以可以於一个狭窄的空间中储存大量的资讯;
(2)条码对列印以及扫描皆具宽允差.
此类的条码是一种连续性的编码,也就是说条纹与空白皆属於编码的一部分,其中条纹表示奇位数字,而空白表示偶位数字,
依规格要求,条码所表示的数字必须是偶数位数的数字,因此所有具奇数位数的数字在转变成交错式的条码之前,都必须在前面加上一个0.
交错式25 码可很有效地运用在瓦楞纸盒的资讯编码上,因为当盒子在输送带上移动时,条纹必须够宽才能容许扫描自动化,但纸盒上的空间又通常是有限的.
这种条码现已广泛地使用於汽车工业以及仓储与重工业的应用中.
Code 39
是最广为使用与接受的商业条码符号
David Allais 与Ray Stevens 博士在1975 年为现在名为Intermec 公司所开发设计的,现并实际上已成为项目辨识的工业标准.
亦称为Three-of-Nine Code ,是一个完整的编码系统,其可以表示26 个字母,10个数字以及7 个附加的字元.
此种编码有特定的开始与停止的位元,且可以变化长度.所有字元都可自我校验 (self-checking),且为不连续的编码,即字元间的空白并不是编码的一部分.
Code 39 已被医疗保健与汽车工业以及美国国防部加入所发展的标准之中.
条码读取 (Reading Bar Codes)
使用来读取条码的扫描器主要由以下三个部分所构成:
(1) 照射条码的光源;
(2) 用以采样条码所反射光线的光感测器;
(3) 将光感测器的输出转换成条码所表示的字母与数字组合的微电脑.
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