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基于PLC控制的生产机械的系统设计摘要：PLC控制的专业化生产通常都是采用自动化客户特定的生产工艺进行生产。其中顺序工程过程经常被用来设计这些机械设备，为了减少大量的时间和精力，并行化的不同的学科以及增加对已有的模块重复利用都被必须考虑。这些活动都来源于系统设计阶段。因此，在并行的科学中需要更详细的工程资料来分析顺序设计工程。在系统设计阶段的附加要求是从系统设计阶段本身和设计专业生产时的特殊情况和特点的进行设定的。根据这些要求，如何满足这些要求实现的方法。关键词：PLC系统设计系统工程专业机械模仿模块化1引言随着产品生命周期的缩短导致在短时间内将产品推向市场成为很大的挑战。所以人们尽可能的将产品的个性化进行提高而且用机械来生产产品来提高产量。由于个性化的产品原因，生产产品的设备的制造工艺就必须适应个性化需求。这致使机械制造商们面临巨大的挑战，在短时间内制造出满足客户需求的特定的生产设备。当运用顺序工程时，各种学科在特定的阶段并不能缩短工程时间。但是为了缩短工程周期，各个阶段的并行化也被采用。另外的一种方法是供应商利用模块的设计思想，将开发过程分成一个个模块，进行开发和依靠订单进行开发。在这种情况下，供应商通过组合不同的模块来制造出客户所需要的特定产品的设备。出于这个原因，内置最小模块的数量是有必要确定的。但是有些产品需要客户特定的生产技术，这样的机械生产设备就不是不同模块进行组装就能完成的。因此特殊的产品设备被生产。基于非标准客户特定的生产技术和实际上产品高度依赖生产过程中，只有极个别的这类机械可以进行内置。2专业化生产设备的当前工程过程专业化的生产设备是由零件和机械工件组成，其中零件由供应商自己进行购买例如电机、传感器等，机械部分是设计者自己进行设计然后再将图纸发送给生产商进行加工。设计者们使用PLC控制设备使其能够自动运行。当前的设计过程是由对客户关于机械设备的要求开始设计的。在设计此种设备时最重要的问题是对于满足客户指定的循环周期时间对于完成一个工作流程。基于这个指定的循环周期问题，电气工程师开始设计各种解决方案来实现这个要求。然后手工测绘机械图纸其中拥有设备运行的各种信息以及零件的几何描述，定义设备运行中的运动关系和模块组成。这个解决的方法对于工程设计方面和对于其他学科有着重大的影响。设计设备的下一个阶段是机械设计过程中详细说明在机械CAD系统（MCAD），其中的装配组，首先定义不同的几何部件。这种详细的工程在运动学的定义下齐头并进如驱动理念、大量数据处理以及这个过程中的运动状态。使用执行器计算从这些定义运动状态之间所需要的运动时间。最后一个工程阶段涉及到不同的部件和组件的详细任务。指定的传感器和执行器的电气部分标志着从机械部分电气部分转换。在这里，电气工程师的创建的功能在机械的CAD机械系统中，其中传感器和执行器由电气工程师进行选型。在这个阶段，每个传感器和执行器都可以在电路图中以符号的形式显现。跟进一步的是工程师必须知道传感器和执行器的运行的步骤和顺序。例如如果两个气缸应当在同一时间延伸，然而它们只能被控制在一个公共的阀岛时。根据这些信息，电气工程师进行设计电气图纸。一旦被使用的设备和机械的结果（机械设计，运动信息等）的所有信号接口已被转移，自动化部门开始定义的各种机器状态，这些运动状态有气缸的伸出和关联转换、此外，运动转换状态的条件是机械和电气通过对传感器的接口信息的定义。详细的工程增加了额外的状态和转换条件与安全功能，如联锁状态。这台机械设备终于组装完成，工程师们完成客户的委托。如前所述，基础的解决方法对于学科之间拥有重大的影响。为了更好的实现机电一体化的解决方案，所有的学科应该被联合起来。通常根据客户个人的需求和实际情况，机械工程师往往并不知道这个模块是否已经被开发出来，一旦有模块被发展的原因就是此模块被频繁的使用。对于模块的重复的使用的能力是通过对解决方案定义的。为了减少这样一个过程中的时间，应该尽可能再利用模块以及工程师开发新模块并联为了实现这个目标，为了实现这两个目标，需要一个设计概念的方法，各学科并行启动详细的工程设计。3系统设计的工程和方法工程专业化生产机械设备的特点是开发一个机电一体化系统，其中工程机械是领先学科。在这种情况下，机器本身可以被看作是一个机器制造商的产品。提出几点一体化的开发方法，它主要包括三个重要的阶段。一阶段是它从一个概念或系统设计，所有的学科都参与其中，二阶段是其中详细的机械、电气/电子设备和软件工程是并行执行。最后的阶段是系统的整体集成。使用宏过程作为基础，本文的重点是已经被导出来的概念与设计系统阶段。并行学科便于机器的机电组件的重用和考虑由客户指定的周期时间。此外，更具体地为系统设计说明的一般方法。根据要求，关键问题被抽象，一个功能结构制定并用于这些功能的解决方案中搜索。主要的方法被评估和常规的机械电子系统的跨学科的概念被定义。这个基本过程也用于[9]和[14]为系统设计，但重点还是机械工程。对于这里的功能结构，它被定义为通过能量、信息或物质流彼此连接的功能。在此基础上，各种基础的解决方案被确定为不同的功能，合并，然后一个有关基础方法作出决定。[1]适应这一宏观过程PLC的发展控制的机器，通过添加逻辑依赖关系中的函数模型的序列之间的过渡条件。这些依赖关系和规则进行识别传感器和执行器的信息和能量流的产生的结果，使自动化部门开始详细的工程工作。[1]还考虑了机器的模块化，但不是在重复使用用各种模块同机电一体化方式的。相反，它定义了并行运行的详细内部设计工作的工作包。此外，基于功能描述限定的传感器和致动器是过于抽象，以至于不允许在一个电路图符号被映射到它们。这代表了一个缺口，电气工程部门无法下手详细的工程设计。[6]也提到选择基于功能描述一个原理方法不足以启动详细的工程。因此，所谓的特征模型可以使用，如机械系统草图并附着在原理解决方法。[6]还引入了分配原则的解决方案直接到单个的功能。[5]延伸通过限定动词-名词-动词组合和分类对于他们来说，在一个数据库中有关的存储原理的解决方案自动搜索的执行这种方法。在引言中提到的机械制造方法也用这个词功能。然而表明，[17]在这种情况下，术语功能被理解和使用不同于在先前讨论的方法。术语功能密切相关的一个功能，执行诸如输送机。当然，输送机仅仅是一个抽象的可以订购一个组件的描述。抽象层次（在这些方法中，术语功能）可与他们相比，其对应于一个原则方法的名称。这个级别称为在下面的逻辑等级可以在[7-8]和[16]，这里的重点是重用模块以及基于库工程数据中找到。4在系统设计中的要求如果打算将开发过程的情况考虑到,开始是需求和跨学科的系统设计阶段的需要,最后是在具体的学科并行运行的详细工程过程，然后要求定义的抽象是必需的，这又便于打开进行搜索字段。工程设计在不同学科中的工程流程中第2节中已经介绍。基于这些工作流程需要开始的信息，可以看到一个非常详细的面向组件的视图，可以提供并行的详细工程。另外，在系统设计阶段的一般要求可以从在前面的章节中所描述的情况得到。一个跨学科的描述需要允许所有学科的参与。周期循环时间是这样的机器设备的关键要素，所以也必须被考虑。图1是从所有的这些要求放置在系统的设计阶段的图形。图1PLC控制系统的设计要求5对于PLC控制非标机械设备的系统设计[17]提到系统工程由三个阶段组成的。需求分析、功能结构的定义、设计的架构的链接。传送这些活动到图1，定义本机械设备的要求等同于在系统工程的第一个阶段。可以理解为模块化和抽象定义的组件，这需要在逻辑级的设计架构。这导致了系统设计阶段的2个主要阶段：定义功能性的体系结构和逻辑层的设计架构。在这2个层次的具体步骤和它们之间的过渡描述如下。5.1功能性说明功能描述桥梁的要求和设计架构之间的差距。这是一个跨学科的描述，可以用于分析预期的项目，并指定接口。[17]这些特性使工程师能够缩小机器上的一般要求，以创建设计架构。定义功能描述的第一步是一个关键问题的抽象化。如例子，如果这台新机器是“从一个传送带上取一个盒子，然后把它放在一台机器上”关键的问题是“提供产品”。在这里，一个抽象的术语“盒子”是通过取代它与现实中的“产品”，这是与开放的原则解决方案，如在[15]中提到的广泛的领域。这同样适用于在之前的抽象化单词“放置”。此外，“拾取功能”是经常被忽略的，因为主要功能是“提供产品”。其结果是，“选产品”功能可以被包含到一个功能层次，下面讲的是“提供产品”功能。这个层次的描述，可以实现通过问的问题：“功能怎样做了得？”。基于该要求规范，附加功能可包括诸如“放产品”。这导致了功能的层次结构，如示于图2图2绘制功能层次在典型的工程方法里，如[1]，[6]和[9]，相互连接起来的不同功能与三个主要流类型的关系：能源，材料和信息。有些联系是相当明显的，如“库存产品”和“配置产品”之间的物质流关系。当考虑一个简单的例子，可以看出，添加了不同功能之间的这样一种关系来缩减可能的原理解决方案的数量。图3显示了基于一个夹持器的系统的原理方法。在这种情况下，“检查状态”和“抓产品”之间的关系，实现依赖于“校验功能”的位置。可以看出，如果“检查状态”功能直接在该位置执行，则该夹持器可以此位置抓取该产品，而不需要物质流的关系，相反，如果在该抓取位置之前执行“检查状态”，则必须添加一个物质流关系。根据关系的结论，决定是否选择1是一个潜在的解决方案一或不。其结果中看来的是，从限定的功能结构，然后评估可能的原理解决方案用自上而下的方法是没有用的，还是必须使用迭代过程。基于特定的制造过程，它是很容易定义的时间之间的依赖关系的功能，在不知道的流量类型的情况下，例如，“检查状态”必须在“抓取产品”之前进行。此外，上述图不必考虑规划的周期时间。在这种情况下，最重要的信息，需要做的功能，在一个连续的方式或可以并行地进行。这个信息是以甘特图的形式提供。如果一个解决方案，例如一个实现“检查状态”功能的条形码阅读器，是已知的和持续时间可以被分配，例如基于经验或测试，它是可能的，打破了所需的周期时间为功能，如图4所示。由于所确定的功能结构和结构设计之间的依赖，甘特图不能完全定义使用自上而下的方法。这意味着，“甘特图”创建要反复，这迫使工程师考虑的周期时间和实现，可以实现在给定的时隙中的所需的工艺步骤。这也有助于工程师们看，例如，如果不同的功能可以并行或如果能从以前的功能，可以使用（由蓝色虚线表示图4）。在图3中，关于2的替代方案，将时间分配给“检查状态”和“抓取产品”之间的“物质流”是合适的。然而，定义时间行为使用甘特图要求这种关系被建模为一个单独的功能，时间可以分配和可视化。因此，这三种类型的流量相对于时间谨慎地解释，但显示的功能所需的接口，例如能量输入或输出。图3.功能和基础解决方案（设计架构）之间的依赖关系图4.打破循环时间为函数的甘特图5.2过渡到逻辑层基于功能描述的原理解决方案。这可能是通过使用创造性的方法[9]手动或采用自动搜索在数据库中[5][17]。其中[17]使用层次化的语义定义的措辞。识别不同的解决方案的功能可以在一个形态可视化逻辑框[9]。如果使用自动搜索，该框可以使用一个预定义的软件系统。然而，基于工程师的创造力也应该有可能增加新的原则解决方案。当仔细看形态的框图，它是可以找到原则解决方案，实现不同的功能，例如，“输送”是“移动产品”或“放入产品”。基于这种情况，决策如果有不同的功能可以被集成到一个单一的原理解或如果它是利用同样的原理解决了不同功能的基本方案中。不同功能的整合导致了一个个函数之间的关系和基本解决方案。如果一个函数是使用一个单独的解决方案来实现的，那么这是一个直接的1:1的关系。关于模块化，功能建模和基本的解决方案之间的关系在没有n：ｍ个这样的一种方式来进行：将显示功能和基本解决方案之间的关系。否则，模块的系统的边界不能被清楚地识别，这使得它难以再利用的机电模块。选择的基本解决方案后，该功能结构具有对于循环时间和其它要详细和验证约束。为了与参与详细的工程设计等部门沟通，这是组织基本的解决方案非常有用。