CN210402906U - 一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统，包括：感知层、网络层和应用层，所述感知层为分拣生产线，包括用于识别不同材质和颜色的工件四个传感器、用于对工件进行分拣四个气动装置执行机构和两条生产线传送带、按钮盒；所述网络层包括网关和交换机；所述应用层包括服务器和工业PAD客户端，用于实时读取被控设备的过程变量，包括四个分拣传感器的输入状态、四个气动执行机构的输出状态和传送带的速度；所述按钮盒包括启动、停止、复位和急停按钮。提供了一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统的硬件集成结构，在该硬件结构基础上，能够进行程序开发，从而解决进而解决背景技术中存在的技术问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种生产线分拣系统，特别是涉及一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统。
背景技术
目前，国内高校普遍采用各大教学仪器公司生产的自动化生产线作为实验教学平台。设备多以PLC为核心，结合传送带、传感器、气动电动执行机构、触摸屏、不同类型电机和变频器等，构成一个或者多个控制单元，模拟真实的分拣生产线。尽管一些生产线已经加入了工业机器手臂、图像识别技术、柔性控制等智能手段，但是例如物联网、云计算、大数据等先进技术的融合还有待加强。在学校环境，实验课程大多是让学生完成限定的任务，程序比较固化，虽然注重了专业技能训练和提升，但是机械式、重复式的强化培训，令学生缺乏创造性思维训练，学生自主学习能力和独立思考能力相对薄弱。另外，由于以PLC为核心的自动化生产线实验系统对外接口少，进行二次开发比较困难。
在工业控制系统中，自动生产线在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作，在大量生产中能够提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积和生产周期，降低生产成本，具有显著的经济效益，目前在生产企业中应用极为广泛。而目前自动生产线尽管已经普遍使用PLC、传感器、机械手臂、机器视觉系统、人机交互系统等智能装置进行控制，但是其运行速率(即产能)往往是固定不变的，而废品率(即分拣错误率)受多种因素影响，其中和运行速率在一般情况下成正比关系，既生产线运行速率越快，出现废品的概率就越高，所以当废品率过高或者生产计划变更时需要工作人员互相协调沟通，再手动调节生产线运行速率，这样将导致生产延时，调速不科学等现象，从而降低了生产效率。
实用新型内容
本申请要解决的技术问题是，提供了一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统的硬件集成结构，从而使得能够在本申请硬件集成结构的基础上，进行程序设计，进而解决背景技术中存在的技术问题，本申请不包括程序的改进。
为实现本实用新型的目的，本实用新型提供了一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统，包括：感知层、网络层和应用层，
所述感知层为分拣生产线，包括用于识别不同材质和颜色的工件四个传感器、用于对工件进行分拣四个气动装置执行机构和两条生产线传送带、按钮盒,四个传感器分别与四个气动装置执行机构配合使用；
所述网络层包括网关和交换机，采用基于RS485现场总线的Profibus_DP和工业以太网Profinet进行数据交换；
所述应用层包括服务器和工业PAD客户端，用于实时读取被控设备的过程变量，包括四个分拣传感器的输入状态、四个气动执行机构的输出状态和传送带的速度；
所述按钮盒包括启动、停止、复位和急停按钮，对整个系统进行控制。
其中，所述四个传感器，包括电感传感器一个、光电传感器一个和漫反射传感器两个。
其中，每个气动装置执行机构均包括电磁阀、气缸和气缸推板，所述电磁阀安装于气缸的气路上，用于控制气路的通断，所述气缸推板安装在气缸的活塞杆端部。
其中，所述两条生产线传送带，一条为分拣传送带经步进电机驱动器由步进电机控制，另一条返回传送带经变频器由三相异步电机控制；所述步进电机通采用西门子PLCS7-1200控制器控制，所述三相异步电机采用S7-300smart控制器控制。
其中，所述工业PAD客户端的系统界面中，显示生产线运行状况，包括步进电机和变频电机的启停状态、四个传感器的检测状态、步进电机和变频电机的运行速度。
与现有技术相比，提供了一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统的硬件集成结构，在该硬件结构基础上，能够进行程序开发，从而解决进而解决背景技术中存在的技术问题。
附图说明
图1为本申请分拣系统硬件结构图；
图2为本申请分拣系统结构框图；
图3为本申请硬件系统运行时总体控制流程图；
图4为本申请硬件系统运行时决策树示意图。
具体实施方式
如图1-图2所示，本申请自动化生产线分拣系统分为感知层、网络层和应用层，感知层为分拣生产线，包括四个传感器(电感传感器一个、光电传感器一个和漫反射传感器两个)，用于识别不同材质和颜色的工件；四个气动装置执行机构(包括电磁阀、气缸和气缸推板)对工件进行分拣，包括指令和反馈信号；两条生产线传送带，一条分拣传送带经步进电机驱动器由步进电机控制，另一条返回传送带由三相异步电机通过变频器控制；按钮盒包括启动、停止、复位和急停按钮，对整个系统进行控制。控制器采用西门子PLC S7-1200和S7-300smart联合使用，此外加入IO模块加强数据交互功能。网络层主要由网关、交换机组成，采用基于RS485现场总线的Profibus_DP和工业以太网Profinet进行数据交换。应用层主要使用服务器和工业PAD客户端进行上位机编程和用户交互。
自动化生产线分拣系统通过服务器端和客户端实时读取被控设备的过程变量，包括四个分拣传感器的输入状态、四个气动执行机构的输出状态和传送带的速度等。在自动模式下，传送带按照设定转速定速运行，系统通过不同传感器识别出不同材质和颜色的物料，气动装置将物料推到另一条传送带，没有被分拣出的物料将最终被推回到返回传送带，所有物料经返回传送带将在返回气缸处经漫反射传感器检测推回分拣传送带，不断进行循环。
系统使用钢质圆柱体、白色塑料不透明圆柱体和无色透明圆柱体进行测试，分拣效果显著。
在上述硬件系统基础上，其配套的软件系统是在PLC程序的基础上进行二次开发，原软件系统采用西门子PLC编程软件TIA PORTAL-V15，通过梯形图实现控制逻辑；工业PAD客户端使用软件WorkBench开发，实现用户交互。尽管原系统已经实现基础控制功能和实时监测，但是依靠PLC实现内部逻辑，编写复杂逻辑时需要消耗大量的人力和时间，修改逻辑复杂，开发时间长，远程控制方面能力薄弱，这都导致了PLC控制的局限性。同时，传统PLC无法直接读取所有品牌设备数据，大量数据的读写必须依赖第三方网关，或者通过软件网关在上位机完成协议转换。此外，随着互联网技术的发展，用户对于实时监控和Web访问要求越来越高，而目前的系统不是原生态的支持Web浏览。相比之下，Niagara开发平台是一种应用框架，强调软件的设计重用性和系统的可扩展性，以缩短开发周期，提高开发质量。Niagara创造了一个通用的开发环境，可以与各种设备和系统通信，数据和属性将被转换成为标准的软件组件，几乎可以连接能够想象到的嵌入式设备或系统，而不用太多考虑这些设备的制造厂家和使用的通信协议。同时，Niagara集成能力大大提高，包括以前老的产品和系统，具有处理控制逻辑速度快，易于修改，消耗人力物力少，能将数据点接入云端，实现远程的编程和控制等优点。本系统就是在原PLC程序的基础上，开发出一套生产线智能控制系统，通过决策树机制智能调整生产线速度，同时实现整个系统的实时监控和Web访问。
另外，原系统使用西门子PLC S7-1200和S7-300smart，采用基于RS485现场总线的Profibus_DP和工业以太网Profinet进行数据交换。Niagara开发平台可以使用不同的驱动程序将不同的通讯协议进行融合，例如常见的Modbus协议和Bacnet协议等，西门子PLC的私有协议需要使用专门的驱动程序进行数据通信，本系统使用小槐智能科技y有限公司开发的SiemensTCP以太驱动，使用前需要进行授权，然后在站点中的Drivers添加SiementsTCPNetwork，配置完属性后添加设备并设置PLC的通信频率、CPU型号和IP地址。配置正确后可以使PLC Ping通，随后添加变量组和数据点，只要配置好数据类型、寄存器和地址就可以和PLC进行读写操作。驱动支持数据类型主要包括Bool、Byte、SByte(有符号单字节)、UInt16、Int16、UInt32、Int32、Float、String。需要注意的是西门子1200、1500的CPU及DB块访问，需要对CPU保护和访问DB块进行相应配置。
为了对生产线运行情况进行实时监控，设计了生产线分拣系统的主界面和生产管理控制系统界面。在主界面中可以清晰的看到生产线运行状况，包括步进电机和变频电机的启停状态、四个传感器的检测状态、步进电机和变频电机的运行速度，不同状态将导致设备指示灯亮起或者熄灭。当进入生产管理控制系统界面后，将根据时间表、日生产计划、废品上限的设定，后台进入决策树进行逻辑判断，生产速度的快慢等级和废品率的高低等级也将显示在界面上，同时还将显示当前生产速度和废品率、决策树判断后的电机转速等信息。如果生产速度下降到底线，依然无法满足废品率要求时，也就是按照废品率要求的前提下是无法完成生产计划的时候将产生报警，右上角红色报警器将闪烁。界面的自动运行和紧急关闭按钮将控制整个系统的启停。本系统具有常规的历史曲线和报警画面，同时支持Web访问，可以轻松的通过常用浏览器实时监测生产线分拣系统的运行状况。
在以上系统设计的基础上，进行了功能测试。
具体方案如下：通过硬件和软件调试过程，验证本系统监控过程和控制逻辑的有效性。首先，使用网线将安装有Niagara N4软件的服务器和PLC控制系统的交换机连通，测试SiemensTCP以太驱动的有效性，添加变量组和数据点，配置好数据类型、寄存器和地址，可以采用赋值方式通过PLC控制生产线设备，也可以采集生产线实时运行数据，实现PLC的读写操作。其次，验证控制逻辑的有效性。使用不同数量的钢质圆柱体(A)、白色塑料不透明圆柱体(B)和无色透明圆柱体(C)均匀放在传送带上运转，检测传感器检测灵敏度、气缸执行机构的及时性和分拣计数的准确性，和PLC梯形图逻辑配合将系统调试到最优状态。为了测试决策树的有效性，使用几组算例进行测试。经过算例验证，电机转速在每个判断时刻都可以进行局部调整，直至稳定下来，实现了在满足生产计划、废品率限制的前提下提高产能。
软件系统中分拣系统采用专家系统中的决策树，通过计算出目前的生产速度和废品率，结合专家系统中的经验值，进行传送带速度的调整，从而在满足生产计划和废品率上限的前提下，提高生产效率，总体控制流程如图3所示，决策树示意图如图4所示。决策树示意图中存在几个参数：参数p和q分别是生产速度定义为快的系数和废品率定义为优秀的系数，p>1，0<q<1；参数a、b、c分别是在不同工况下，生产速度需要调整的系数，c<b<a，这些系数将来源于专家系统，经过现场反复整定获得经验值。
软件系统使用Niagara平台开发，通过建立不同类型的数据点，与用户界面和现场设备进行互联，将数据集成到逻辑视图中。此外，系统提供了庞大的Palette库，将需要的控件和函数直接拖拽到逻辑视图中即可，这种图形化的开发过程大大减低了开发难度和周期，使工程师将更多的精力放在逻辑优化上。开发过程中，需要注意的是：
(1)时间表的确定
开发系统提供了丰富的Schedule控件，通过界面交互，用户可以轻松设定运行时间，此外，还可以通过CalendarSchedule控件设置特殊假期，实现系统的自启停。
(2)运行时间和分拣个数的统计
运行时间统计可以通过ControlPalette Extensions中的DiscreteTotalizerExt控件实现，将它拖入数据点进行属性扩展，属性Elapsed Active Time Numeric即为运行时间，根据需要进行数据转换，并且设定好显示引脚做好复位重置功能。分拣个数的统计需要使用Counter控件实现，将气缸动作信号作为计数输入，设置好计数器启动信号就可以分别统计三个气缸动作的次数，第一个气缸(前端安装有电感传感器)可以分拣金属物料，第二个气缸(前端安装有光电传感器)可以分拣有色物料，第三个气缸(前端安装有漫反射传感器)可以分拣无色物料，所有测试用物料块都可以通过第三个气缸分拣出来，所以本系统假设通过第三个气缸分拣出来的即为废品，所以分拣出来的物料数，未分拣出来的物料数，总物料数，当前生产速度和废品率可以通过计算得出。
(3)电机转速的调整
生产计划和废品率上限是通过用户页面得到的，通过决策树的分解，得到不同工况下，电机转速调整额度，这里需要使用大量的逻辑判断控件(与，或，比较等)和数学计算控件(乘法，除法等)，最后对电机转速进行重置。由于PLC中设置的电机需要重启才能执行新的转速启动，所以在逻辑视图中需要添加一个OneShot控件，并且使用先下降沿后上升沿的脉冲控制电机。
(4)判断时刻的设定
由于本系统的控制策略是在当前转速的基础上进行保持、上升和下降，如果不进行判断时刻的设定，将出现每次数据采集都将进行决策树的判断，电机转速不断更新，系统处于不稳定状态，而实际情况是系统需要一定时间进行调整，稳定后再进行下一次决策树判断。所以，本系统使用Multivibrator多谐振荡器控件，只要设置好周期和占空比等参数就可以得到周期型的脉冲波形，同时在目前生产速度、目前废品率和当前速度的后面添加NumericLatch控件，实现锁存功能，将多谐振荡器输出接入clock端，此处得到高电平才能更新数据。
本申请硬件架构结合软件系统后，将会实现如下技术效果：
针对自动化生产线实验室以PLC为核心的控制系统，实验项目传统老旧，程序固化重复，缺乏物联网、云计算、大数据等先进技术理念等问题，同时考虑到目前生产线实验系统运行速率固定，必要时需要进行人工调速，本系统将生产线的效率优化作为研究重点，从产能、废品率和生产计划三个维度进行专家系统设计，将产能和废品率指标进行三个层次的分解，并结合生产计划设计出不同组合下的控制策略，实现生产线智能调速，在满足生产计划、废品率限制的前提下提高产能。实验测试表明，该系统可以在不同工况下，实时监控设备运行参数，并对生产速度和废品率进行统计，结合目标值，进入决策树获得控制策略，从而进行生产线电机转速的智能调整，效果良好。同时，该系统将物联网、云计算等先进控制理念引入到实验教学中。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统，其特征在于，包括：感知层、网络层和应用层，
所述感知层为分拣生产线，包括用于识别不同材质和颜色的工件四个传感器、用于对工件进行分拣四个气动装置执行机构和两条生产线传送带、按钮盒,四个传感器分别与四个气动装置执行机构配合使用；所述按钮盒包括启动、停止、复位和急停按钮，对整个系统进行控制；
所述网络层包括网关和交换机，采用基于RS485现场总线的Profibus_DP和工业以太网Profinet进行数据交换；
所述应用层包括服务器和工业PAD客户端，用于实时读取被控设备的过程变量，包括四个分拣传感器的输入状态、四个气动执行机构的输出状态和传送带的速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统，其特征在于，所述四个传感器，包括电感传感器一个、光电传感器一个和漫反射传感器两个。
3.根据权利要求1所述的一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统，其特征在于，每个气动装置执行机构均包括电磁阀、气缸和气缸推板，所述电磁阀安装于气缸的气路上，用于控制气路的通断，所述气缸推板安装在气缸的活塞杆端部。
4.根据权利要求1所述的一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统，其特征在于，所述两条生产线传送带，一条为分拣传送带经步进电机驱动器由步进电机控制，另一条返回传送带经变频器由三相异步电机控制；所述步进电机通采用西门子PLC S7-1200控制器控制，所述三相异步电机采用S7-300 smart控制器控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于Niagara开发平台的生产线分拣系统，其特征在于，所述工业PAD客户端的系统界面中，显示生产线运行状况，包括步进电机和变频电机的启停状态、四个传感器的检测状态、步进电机和变频电机的运行速度。
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| CN112558568A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-03-26 | 安徽东爵有机硅有限公司 | 基于dcs数据采集的生胶自动化生产线信息可视化系统 |
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