基于PLC的多工艺调度实现方法.pdf

第 1期 总第 1 9 4期 2 0 1 6年 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG 8 L AUT0MAT1 0N No ．1 Fe b． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 6 0 1 0 1 7 1 0 3 基 于 P L C 的多工艺调度 实现方法 米 陈 顾 ，王福 明，郭彦青 中北大 学 机械 与动力工程学 院，山西 太原0 3 0 0 5 1 摘 要 为 了提 高生产效率 ，提 出了基 于 P L C 的多工 艺调度 实现 方法。结合 工艺参 数，建立各 工 艺时 间轴模 型用 以调度 分析，针对多工艺并行过程 中指 令复杂 的问题 ，在程序开发过程 中应用 了堆栈按序排列的数据 结 构特性 ，有 效地 实现 了指令 的连续 性，并应用 指针 变量 作为取 指令 的方式 ，解 决 了各工 艺之 I- J 独立 性 的问 题 。应用结果表 明，该方法有效地解决 了多工艺调度 的问题 。 关键词 P L C；多工 艺调 度； 时间轴 ；指针 变量 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 0 弓 l 言 某 企业 的 阳极 氧化 生产 线产 品多样 、 工艺 复 杂 ， 现 存的生产方式不能实现 自动化控制， 只能采用单工艺 生产 ， 这不仅增加了人力 的投入 ， 而且造成现场资源闲 置 ， 降低 了生产率。解决这一实际问题的关键就是如 何提高自动化程度， 实现多工艺并行。在自动化控制 过程 中 ， P L C由于具 有可靠性 高、 运行稳 定、 功能齐 全 、 并 且 程序 编 写 相对 简单 等 优 点 而 被 广 泛 应 用 。本 文在 分 析 了生产 需求 和现 场 条 件后 ， 开 发 了基 于 P L C 的多工艺调度方法 ， 降低 了控制系统的成本 ， 实现 了较 高程度的 自动化生产。 l 多 工艺调 度 需 求分析 1 ． 1 现 场 设备 及 工 艺简介 根据阳极氧化工艺流程 及对该企业产 品的需求 ， 现场生产设备共有 2 8个槽位 ， 1个挂件 位， 1个卸件 位 ， 共 3 O个 工位 。在 生产 过 程 中 ， 工 件 的 移载 是 由两 个行车完成 ， 行车上装有 吊钩负责工件的起降运动 ， 行 车的前后运 动和 吊钩 的升降运动分别 由两个 电机拖 动 。行 车 的行 程 范 围及现 场槽 位 的 布置如 图 1所示 。 由于产 品 的多样 性 ， 该生 产线 可 实现 4套 工艺 硬 质 氧 化 1 、 硬质 氧化 2 、 普 通 氧 化 和 铬 酸 氧 化 。各 工 艺 所经过的工位号各不相 同， 但是各工位所需处理时间 确 定 ， 各 工艺 流程 如表 1所示 。其 中 ， 括号 前 的数字 代 表工位号 ， 括号里 的数字代表该工位的处理时间， 单位 为 mi n 。1 工位 和 3 0工位 是手 工操 作位 ， 时间不 计 入 自动控 制系 统 。 1 ． 2 自动控 制 系统硬 件 结构 该 自动控制系统选用 P L C作为现场控制设备 ， 上 位机作为中央控制系统实现工艺参数的输入、 数据采集 和现场监控。根据工艺参数 的复杂性、 行车的工艺流 程 、 多工 艺 并 行 的要 求 ， 对 P L C的 现 场 控 制 设 备 采 用 P R O F I B US - D P通信建立主从站结构 ， P L C S 7 3 0 0 作为 主站 ， 两个 P L C 7 - 2 0 0作为从站， 分布于两个行车上 。 2调度 方法 设计 2 ． 1 调 度 流程 多工艺调度是依靠 P L C程序实现的， 调度流程可 描述 为 通过 上位 机选 择工 艺并 输入 工艺参 数 ， 工艺 开 始后 ， 上 位机 将 工 艺 指 令 下 达 给 主 站 P L C S 7 3 0 0 ， 由 主站 P L C作出工艺调度运算， 再将指令下发到相应的 从站 P L C S 7 2 0 0 ， 执行工艺生产 。 主站 P L C的调度运算包括现场资源抢 占分析、 多 工艺指令存储和调取等关键问题 。 2 ． 2 资源抢 占分析 依据 阳极氧化生产线 的现场设备和工艺特点， 多 工艺同时运行时须确保各工艺相互不冲突 。由于各工 艺运行时行车和处理槽 为共用设备 ， 因此在多工艺生 产时将有可能出现公共资源抢 占的问题 ， 如两工艺同 时调 用 同一个 行车 ， 或者 两 工艺 同时 占用 同一个 工位 ， 这必将造成工艺冲突， 使生产无法正常进行 ， 这是多工 艺调 度所要 解 决 的关键 问题 。 为解决资源抢占问题 ， 需要在工艺开始之前进行资 源抢 占分析 ， 做好预判 ， 防止在多工 艺运行 中发 生冲突 。 2 ． 2 ． 1 行车资源抢 占分析 行车作为工件的移载工具 ， 是整个 系统 中调用最 为频繁的， 当新指令下发后 ， 需要行车将工件调往相应 的指令工位 ； 工件开始处理时 ， 行车 闲置 ， 此时其他 工 艺可以调用行车。为实现 预判 ， 将行车资源 以时间轴 上 延拓 展 开的 方式 进行 算 法 设 计 ， 该 算 法 设 计 包 括 时 山西省青年科技研究基金资助项 目 2 o 1 5 0 2 l 1 2 3 收稿 日期 2 0 1 5 0 8 2 4 ；修订 日期 2 0 1 5 1 1 1 0 作者简介 陈顾 1 9 9 0 ～ ，男 ，湖北襄 阳人 ，在读硕 士研究 生，研究方 向 自动控制技术 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 6年 第 1期 间轴的建立 、 时间轴的推移和时间轴与运算 。 1 时间轴 的建立。每个 工艺都将 调用两个行 车 ， 而两个 行车 的调 用是相 对独 立 的 ， 因此 在进行 行车 行车 1 和行车 2的两条时间轴。时间轴是一条连续的 资源 占用时间节点轴 ， 因此在 P L C s 7 3 0 0的位存储 区 M 区 开辟 了连续的存储 区域 ， 各工艺时间轴存储 资 源分析 时需将 这 两个 行 车 分别 分析 ， 即要 建 立 对应 区域 如表 2所示 。 9 1 9 2 4 2 5 高 l O O t 1 2 抖 1 3 1 5 1 7 超 2 0 2 2 2 3 重 2 8 2 9 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 硅 超 1 1 硬 硬 1 4 普 1 6 铬 1 8 亩 热 2 1 纯 沸 铬 特 2 6 2 7 纯 卸 挂 化 热 水 碱 热 水 出 合 亩 纯 质 质 水 通 水 酸 纯 波 水 退 水 水 酸 种 水 水 水 烘 件 件 学 水 洗 蚀 水 洗 光 金 波 水 氧 氧 洗 氧 洗 氧 水 清 洗 膜 洗 封 盐 封 洗 洗 洗 干 位 除 洗 洗 出 清 洗 化 化 化 化 洗 洗 闭 封 闭 位 油 洗 1 2 光 闭 行车2 表 1 各工 艺流程 图 l现 场 布 置 图 1 0 一 2 2 5 一 3 1 一 4 1 一 5 1 一 6 1 一 7 1 一 8 1 一 5 1 一6 1 一7 1 一8 1 一1 0 2 一1 1 1 一1 2 1 2 0 硬质氧化 1 一 1 4 1 一 1 9 2 一 22 1 一 2 4 1 5 一 2 6 1 一 2 7 1 一 2 8 1 一 2 9 1 5 一 3 0 0 】 0 一 2 2 5 一 3 1 一 4 1 一 5 1 一 6 1 一 7 1 一 8 1 一 5 1 6 1 7 1 一8 1 一1 0 2 一1 1 1 一l 3 7 5 一 硬质氧化 2 1 4 1 ～ 1 9 2 一 2 2 1 一 2 4 1 5 一 2 6 1 一 2 7 1 一 2 8 1 一 2 9 1 5 一 3 O 0 1 0 一 2 2 5 一 3 1 一 4 1 一 5 1 一 6 1 一 7 1 一 8 1 普通氧化 一1 0 2 一1 1 1 一l 5 4 5 一1 6 1 一1 9 2 一2 2 1 一2 4 1 5 一 2 6 1 一 2 7 1 一 2 8 1 一 2 9 1 5 一 3 0 0 1 0 一 2 2 5 一 3 1 一 4 1 一 5 1 一 6 1 一 7 1 一 8 1 铬酸氧化 一1 0 2 一1 1 1 一1 7 3 5 一1 8 1 一1 9 2 一2 2 1 一2 3 2O 一 2 6 1 一 2 7 1 一 2 8 1 一 2 9 1 5 一 3 0 0 表 2各工艺时间轴存储 区域 工艺 行 车 1 行 车 2 硬质氧化 1 M3 0 0 ． 0 ～M3 1 4 ． 7 M3 1 5 ． 0 ～M3 3 9 ． 7 硬质氧化 2 M3 6 0 ． 0 ～M3 7 4 ． 7 M3 7 5 ． 0 ～M3 9 9 ． 7 普通氧化 M4 0 0 ． 0 ～M4 1 4 ． 7 M4 1 5 ． 0 ～M4 3 9 ． 7 铬酸氧化 M4 6 0 ． 0 ～M4 7 4 ． 7 M4 7 5 ． 0 ～M4 9 9 ． 7 时间轴采用 了 0和 1变量用 以区别行车的占用与 闲置状态 ， 设 计方 法 如下 各 工艺 的时 间单 位 均 为 mi n ， 行 车 每次 调 用 时 间 为 1 mi n ， 那 么在 相 应 的 时 间 轴 M 区域内， 以 1个位代表 1 mi n ， 该位 的状态为 1 ， 则表 示这 1 mi n行 车被 占用 ； 该 位 的状 态 为 0 ， 则 表 示 这 l mi n行 车 闲置 。 时 间轴 的建立 过程 当上 位机 完成参 数设 定 、 选 定 工艺并 开始该工艺 后， 该 工艺 的参数将 下发到 主站 P I C S 7 3 0 0 ， 自动 生 成 时 间轴 。以 硬 质 氧 化 1为 例 ， 当参数下发 ， 以 1 2 工位 为界 ， 1 2工位前的时间参 数 建立 行 车 1 时 间轴 ， 1 2工 位 后 的时 间参 数建 立 行 车 2的 时 间轴 。行 车 1的时 间 轴输 入 是 按 l l 工 位 至 2 工位 的顺 序 ， 先 把 M3 0 0 ． 0置 1 ， 再 采 用 右移 指 令输 入 ， 如 1 1 工 位 时间为 ， 则 时 间轴 向右移 动 ” 1位 ， 移 出 的空位用 0补 充 ， 再 次将 M3 0 0 ． 0置 1 ， 以此 循环 ， 直 至将 2 工 位 时 间参 数 输 入 。那 么 行 车 1的 时 间轴就 为 l OO⋯ OO 1 01 01 01 01 01 01 Ol O1 0 1 01 0 O 1 01 2 5个 行 车 2的时 间轴输 入 顺 序 是从 2 9 工位 到 1 3 工位 ， 前 1 2个 工位 时 间全部 输入 为 0 。那 么 行 车 2的 时间轴 为 O 0⋯ 0 0l O l O 0l O l 0 0⋯ 00 l 0l 0l 0l 0 0⋯ 0 Ol 1 7 2 个 1 5个 1 5个 2 时间轴 移 动 。随着 该 工 艺 的 执 行 ， 时 间 轴 应 该 跟 随实 际情况 动态 变 化 。 以硬 质氧 化 1为 例 ， 当行 车 1被调用时 ， 行车 1和行车 2时间轴 即向左移动一 位 ， 当工件 进入 指令 工 位 后 ， 在 P I C程 序 中设 置 一 个 计 时器 ， 每过 1 mi n ， 行 车 1和 行 车 2时 间轴 向左移 动 一 位 ， 移 出的空 位用 0补充 ， 当工件 进 入 1 2 工位 ， 行 车 1自动 回到 挂 件 位 ， 行 车 1的时 间轴 就 全 部 为 0 。 行 车 1 调 用 时 ， 行 车 2时 间轴 的移 动过 程 与 行 车 1 一 样 ， 行车 2调 用 时 ， 行 车 1的 时间 轴 已经为 0 ， 不再 左 移 ， 只有 行车 2时 问轴移 动 。该工 艺 执行 完 成 ， 行 车 l 和行 车 2的时间轴 均为 0 。 3 时 间轴 与运算 。时 间轴 作 为行 车资 源抢 占分 析是通 过与 运算实 现 的 ， 即 当新工艺 开始 时 ， 如果 已有 工艺正在执行， 那么就将该工艺的时间轴与已在执行 工艺的时间轴逐位进行与运算 ， 若结果全为 0 ， 则行车 资源 不 冲 突 ， 可 以开 始 新 工艺 ； 若 结 果 存 在 1 ， 则 行 车 资源 冲突 ， 不能 开始新 工艺 。 2 ． 2 ． 2 工位资源抢 占分析 工位 的抢 占情况 即为两 个工 艺需 要使用 该工 位 的 时 间有重 叠部分 ， 为解 决这 一 问题 ， 则 每个工 位需 要两 个整 数型 数据 4个 字节 记 录该 工 艺各 工位 占用 的起 止 时间 ， 为 留有 一定 的裕度 ， 在 P L C S 7 3 0 0 M 区各 工 艺 的时 间 节 点 存 储 区 域 为 硬 质 氧 化 1 ， Mwg o 0 ～ Mw1 0 5 6 ； 硬 质 氧 化 2 ， MW 1 1 0 0 ～ MW 1 2 5 6 ； 普 通 氧 化 ， MW 1 3 0 0～ MW 1 4 5 6 ； 铬 酸 氧 化 ，Mw1 5 0 0～ M W 1 65 6。 以硬质 氧化 1为 例 ， 各 工 艺 工位 起 止 时 间存 储 方 式 如下 2 工位 为第 一 个 自动 处 理 工位 ， 处 理 时 间为 1 mi n， 则其开始时间为 0 ， 存储于 MW9 0 0 ， 结束时间 为 1 ， 存储 于 MW 9 0 2 ； 3 工 位 的处 理 时 间 为 1 rai n ， 则 其起 止 时 间 为 1和2 ， 分 别 存 储 于 MW9 0 4 和 MW9 0 6 ； 若该工位处理时间为 0 ， 则其起止 时间都存 为 0 ， 以此类 推 。与 时 间轴 一 样 ， 起 止 时间也 是 随时 间 变化 的 ， 当工件进 入某 一工 位开 始处 理 时 ， 每过 1 mi n ， 该 工艺所 有工 位起 止时 间均减 1 ， 直至 为 0 。 工位资源抢占分析就是用各工位起止时间作交集 运 算实 现 的 ， 当新 工艺 开始 时 ， 若 已有 工艺 正 在 执 行 ， 就将各工位对应起止时间求交运算 ， 若全为空集， 则没 有工位冲突 ， 可以开始新工艺 ； 若存在交集 ， 则有工位 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年 第 1期 机 械 工 程 与自 动 化 1 7 3 冲突 ， 不 能开 始新 工 艺 。 2 ． 3 多工 艺指 令存 储 和调取 2 ． 3 ． 1 指令 存储 在上位机上设定指令参数并下载到主站 P L C中， 必须确保各工艺指令相互独立 ， 因此 ， 应用堆栈 的数据 结构 特性 存 储 多工 艺 指 令 。堆 和栈 是 两 种 数 据 结 构 ， 但都是数据项按序排列的数据结构。在该运算中所应 用 的并 非原 本 意义 的 堆 栈 ， 而 只 是 堆 栈 按 序排 列 的数 据 特性 ， 即在 P L C S 7 3 0 0 M 区开 辟 连 续 的存 储 区 域 按序存储各工艺指令 硬质氧化 1 ， MW5 0 0 MW5 7 9 ； 硬质氧化 2 ， MW6 0 0 ～MW6 7 9 ； 普通氧化 ， MW7 0 0 ～ MW7 7 9 ； 铬 酸 氧 化 ， MW8 0 0 ～ MW8 7 9 。将 各 工 艺 从 2 到 2 9 工位时间参数指令按顺序分别存储于各 自 的存储区域 ， 该方式的优点是各工 艺指令互不影响并 且各 自连续 ， 在多工艺并行时 ， 既不会造成误操作其他 工艺指令 ， 也保证 了该工艺指令执行的连续性 ， 避免发 生遗 漏指 令 的错 误 。 2 ． 3 ． 2 指令 调取 在 多工 艺并 行 时 ， 各 工 艺 指令 的 调 取也 应 该 相 互 独立 ， 当满 足工 艺指 令 调取 条件 时 ， 则调 取该 工艺 相应 的指 令 ， 并 记 录该指 令位 置 ， 再 次调取 该 工艺 指令 时 能 准确调取下一指令 ， 而其他工艺指令不被调取， 保持记 录 状态 。 在各工艺执行程序 中各设置一个指针变量 ， 工艺 开 始 时 ， 指 针 变量 指 向该工 艺初 始 指令 地址 ， 当调 取 条 件满足时 ， 就把 地址 中的指令 下发 ， 指 针变量通 过运 算 ， 自动指 向下一指令地址 ， 并保持记录， 直到该工艺 调取指令条件再次满足 ， 以此循环 。当该工艺执行完 毕 后 ， 指 针 变 量 又 重 新 指 向初 始 指 令 。这 个 过 程 的 P I C程 序段 如 下 A A p o p _s t a r t J NB’ 一0 01 L Mw [ MD 1 4 9 2 ] T o r d e r SET S AVE CLR 一0 0 1A BR J NB ． 0 0 2 L M D 1 4 9 2 I l 6 I T M D l 4 9 2 0 0 2NOP 0 3结束语 全面分析 了生产 系统的现有资源 和生产需求情 况， 开发了基于 P L C的多工艺 调度方法 ， 降低 了控制 系统的成本 ， 且实现了较高程度 的 自动化生产 。基 于 该调度方法的生产控制系统 已投入使用， 极大地提高 了 生产效 率 。 参 考 文 献 E 1 ] 潘 全科 ， 朱剑英． 多工艺路线 的批 量生产调度 优化 [ J ] ． 机 械工 程学 报 ， 2 0 0 4 ， 4 0 4 3 6 - 3 9 ． [ 2 ] 何 霆车． 车 间生 产 调度 问题 的研究 [ J ] ． 机械 工程 学 报 ， 2 0 00， 3 65 3 6 4 1． [ 3 ] 王世文． 多工 艺 流程胶 管生产 线控 制系统 [ J ] ． 橡 塑技术 与装备 ， 2 0 1 4 ， 4 0 6 4 4 - 4 7 ． [ 4 ] 刘远娟． P L C与变频器 在电镀 生产线 控制 系统改造 中 的 应用r J ] ． 机械工程与 自动化 ， 2 0 1 5 3 1 7 9 1 8 1 ． [ 5 ] 刘锴 ， 周海． 深入浅 出西门子 S 7 3 0 0 P L C[ M] ． 北 京 北 京 航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． M u l t i pl e Pr o c e s s S c h e du l i n g M e t h o d Ba s e d o n PLC CHEN Gu，W ANG Fu - mi ng，GUO Ya n - qi n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l a nd Po we r En gi n e e r i n g，No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a ， Ta i y u a n 0 3 0 0 51 ，Ch i n a Abs t r a c t I n or de r t O i mpr ov e pr od uc t i on e f f i c i e nc y，t he r e a l i z a t i o n m e t h od o f mu l t i pl e pr o c e s s s c h e d ul i n g b a s e d on PLC i s p ut f o r wa r d ． I n c o m b i n a t i o n wi t h t he pr oc e s s pa r a me t e r s ，t he mo de l of pr o c e s s t i me a xi s i s e s t a bl i s he d f o r s c h e du l i ng a n a l y s i s ． To d e a l wi t h t he c ompl i c a t e d i ns t r u c t i on q ue s t i o n i n t he pr oc e s s of p ar a l l e l p r o c e s s．t he s t a c k’S d a t a s t r uc t u r e c ha r a c t e r i s t i c t ha t t he da t a a r e i n o r d e r e d a r r a y i s a p p l i e d t O t h e p r o c e s s o f p r o g r a m d e v e l o p me n t ，a n d t h e c o n t i n u i t y o f i n s t r u c t i o n i s r e a l i z e d ．Th e p o i n t e r v a r i a b l e i s u s e d a s t h e i n s t r u c t i o n f e t c h wa y t O s o l v e t h e p r o b l e m o f t h e i n d e p e n d e n c e b e t we e n p r o c e s s e s ． Ap p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h i s me t h o d s o l v e s t h e p r o b l e ms o f m u l t i p l e p r o c e s s s c h e d u l i n g e f f e c t i v e l y ． Ke y wo r dsPI C；mu l t i pl e p r o c e s s s c he d ul i ng；t i me a xi s；p oi nt e r va r i a b l e 上接 第 1 7 O页 M ATLAB- b a s e d S t u d y 0 n Fu z z y PI D Co nt r o l 0 f El e c t r 0 一 h v d r a u l i c Se r v o S y s t e m ZHANG Bo，FAN Gu o - y o ng，ZHANG Ba o - pi n g S c h o o l o f M e c h a t r o ni c En g i ne e r i n g，Nor t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a ，Ta i y u a n 0 3 0 0 5 1，Ch i n a Ab s t r a c t I n MATI AB ／ S i mu l i n k e n v i r o n me n t ．a f u z z y a d a p t i v e P I D c o n t r o l l e r a n d a c o n v e n t i o n a l PI D c o n t r o l l e r a r e d e s i g n e d r e s p e c t i v e l y f or t he e l e c t r o hy dr a ul i c s e r vo s y s t e m f o r r oc ke t l a unc he r di r e c t i o n c on t r o 1 ． The s i mu l a t i on s t u dy on t he dy na mi c p e r f o r ma n c e s o f t h e t wo c o n t r o l s y s t e m s i s c o n d u c t e d ． S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e a d a p t i v e PI D c o n t r o l l e r i s a c o mb i n a t i o n o f hi g h pr e c i s i o n PI D c o nt r o l l e r a nd f u z z y c ont r ol l e r ，be i ng o f t he c ha r a c t e r i s t i c s of f a s t r e s p o ns e，s t r on g a da p t a bi l i t y，g o od dy na mi c pe r f or man c e a nd hi g h c on t r o l p r e c i s i o n． The i nf l u e nc es of t he c ha ng e s o f s ome p a r a me t e r s o n t he p r ope r t i e s o f hyd r a u l i c s y s t e m a r e a l s o a na l y z e d，i n or de r t o pr o vi de a t he or e t i c al ba s i s f o r t he o pt i mi z a t i o n d e s i gn of t he c ont r ol s y s t e m ． Ke y wo r d s MATL AB／ S i mu l i n k；s e r v o s y s t e m；f u z z y PI D c o n t r o l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m