CN110865599A - 一种基于plc的模拟智能加工设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PLC的模拟智能加工设备及方法，所述设备基于一PLC控制器实现，包括：设备缓冲区，用于存储待加工的工件队列，所述工件队列中的工件基于调度规则排序；工件选择模块，用于从所述设备缓冲区中选择加工工件；工件加工模块，用于根据设定参数对所述加工工件进行基于定时器的模拟加工；所述设备缓冲区中以数组形式存储所述工件队列；所述PLC控制器为带以太网通信接口且支持TCP/IP协议和OPC协议的PLC控制器。与现有技术相比，本发明具有模拟精度高、成本低、便于教学实践等优点。

Description

一种基于PLC的模拟智能加工设备及方法

技术领域

本发明涉及教学实训装置技术领域，尤其是涉及一种基于PLC的模拟智能加工设备及方法。

背景技术

智能制造是全世界各国政府推崇的强国战略，智能车间是智能制造理念的落脚点。智能车间的运营管理是智能制造研究的热点，也是智能制造教学实践的重要环节，然而构建这样的一个硬件环境成本很高，且柔性较差。仿真技术虽然是应用于研究智能车间运营的一种重要手段，但其只是在虚拟环境中模拟智能车间，无法真实地反映出智能车间的细节，从而造成研究成果与实际应用的偏差，同时在教学实践环节造成学生难以深入理解。因此，在智能制造研究和教学实践过程中，亟需一种合适的实验装置来替代车间中庞大且贵重的生产设备。

部分研究人员结合实际生产场景，通过PLC控制板控制机械模块，从而模拟实际生产设备。中国专利“一种智能制造综合应用教学培训设备”(申请号：201721745216.6)以自动化装配分拣系统为背景，通过PLC控制板控制自动装配分拣模块和自动裁切模块实现不同的自动化机械动作过程，模拟自动化装配分拣设备，该教学培训设备方便学员直观地观察机械动作过程，加强教学效果。但该设备属于专用设备，不具备柔性。中国专利“一种基于PLC模块的教学实训装置”(申请号：201820571796.X)以现代家庭常用的电暖气、净化器和加湿器作为控制对象，将电暖气模块、净化器模块和加湿器模块作为输入端连接PLC模块，并分别配有对应指示灯作为输出端。通过温度传感器、PM2.5传感器和湿度传感器模拟具体的家用电器，贴近生活，方便学生更好地理解与学习PLC应用知识。该装置虽然可以模拟多种设备，但多台设备间没有形成网络，难以满足网络化制造的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于网络化智能制造教学的基于PLC的模拟智能加工设备及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于PLC的模拟智能加工设备，该设备基于一PLC控制器实现，包括：

设备缓冲区，用于存储待加工的工件队列，所述工件队列中的工件基于调度规则排序；

工件选择模块，用于从所述设备缓冲区中选择加工工件；

工件加工模块，用于根据设定参数对所述加工工件进行基于定时器的模拟加工；

所述设备缓冲区中以数组形式存储所述工件队列；

所述PLC控制器为带以太网通信接口且支持TCP/IP协议和OPC协议的PLC控制器。

进一步地，该设备还包括：

故障触发模块，用于接收故障参数，基于所述故障参数模拟设备故障过程。

进一步地，所述故障参数包括故障开始时间、故障修复时间和故障间隔时间。

进一步地，所述设备通过OPC接口与上位机连接。

进一步地，所述调度规则包括先进先出、最早交货期、最短剩余加工时间或最小临界值。

进一步地，多个所述设备通过以太网连接入同一局域网，且各设备通过OPC协议与其他设备的设备缓冲区间通信连接，模拟工件在各设备间的流动。

进一步地，各所述设备具有唯一的ID号，工件在各设备间流动时，上一设备基于工件工艺信息，通过OPC协议将工件工艺信息传入对应ID号的下一设备的设备缓冲区。

本发明还提供一种基于所述的设备的模拟智能加工方法，包括以下步骤：

1)获取工件工艺信息，将各工件传入具有对应ID号的设备的设备缓冲区；

2)在设备缓冲区中选择待加工的工件，根据工件工艺信息以定时器模拟工件的生产加工活动；

3)判断工件当前是否处于最后一道工序，若是，则结束加工，若否，则根据工件工艺信息将工件传入下一设备的设备缓冲区，返回步骤2)。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明以PLC设备模拟智能车间中的设备，模拟生产加工，其加工过程根据工件的工艺信息动态变化，具有一定的灵活性。以此为基础，本发明可以实现多种智能车间场景的配置，为科研和教学实践提供研究智能制造技术的实验设备基础。

2、本发明通过在PLC控制器中加入功能模块来模拟智能加工设备，实现工件的模拟加工，为科研和教学实践提供了研究智能制造技术的物理环境。

3、本发明通过以太网与OPC协议实现多台设备的通信互联，可实现流水线等不同生产场景下的生产加工活动。

4、本发明可通过配置成不同生产场景，可为数字孪生、信息物理系统等新兴技术在智能制造中的实施提供了硬件实验平台。

5、本发明可通过输入故障参数，模拟设备故障发生，中断生产过程，更贴合实际生产场景。

附图说明

图1为本发明模拟智能加工设备设计图；

图2为本发明模拟智能加工设备间的信息传输实现图；

图3为本发明模拟智能加工设备的实时监控实现图；

图4为本发明模拟智能加工设备的加工流程图；

图5为本发明实施例中无故障场景下模拟智能加工设备的甘特图；

图6为本发明实施例中有故障场景下模拟智能加工设备的甘特图；

图7为本发明实施例中无故障场景下多台模拟智能加工设备的甘特图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例一种基于PLC的模拟智能加工设备，该设备基于一PLC控制器实现，包括设备缓冲区、工件选择模块和工件加工模块，其中，设备缓冲区用于存储待加工的工件队列，所述工件队列中的工件基于调度规则排序；工件选择模块用于从所述设备缓冲区中选择加工工件；工件加工模块用于根据设定参数对所述加工工件进行基于定时器的模拟加工。所述设备缓冲区中以数组形式存储所述工件队列，设备缓冲区可与整个设备分开设置。本实施例中，所述PLC控制器为菲尼克斯带以太网通信接口且支持TCP/IP协议和OPC协议的PLC控制器。

设备缓冲区由一个数组构成，数组的元素为工件对象，当有新工件到达时，工件进入缓冲区工件队列进行排队，即数组中增加一个元素。

调度规则为常用的启发式调度规则，包括：先进先出(FIFO)、最早交货期(EDD)、最短剩余加工时间(SRPT)或最小临界值(CR)等。根据所选择的调度规则，对缓冲区内的工件队列进行排序，实现加工设备按相应调度规则选择工件模拟生产加工。

进行基于定时器的模拟加工具体为：通过读取进入加工设备的工件工艺信息，得到工件的加工时间，利用定时器实现模拟的加工活动。

在某些实施例中，该设备还包括故障触发模块，用于接收故障参数，基于所述故障参数模拟设备故障过程。所述故障参数包括故障开始时间、故障修复时间(MTTR)和故障间隔时间(MTBF)，模拟设备故障发生，中断加工过程，使其更符合实际的生产设备。

在某些实施例中，该设备通过OPC接口与上位机连接。经OPC接口可采集设备状态信息，并可上传至上位机进行实时监控。

如图2所示，在某些实施例中具有多个所述设备，多个设备间通过以太网连接入同一局域网，且各设备通过OPC协议与其他设备的设备缓冲区间通信连接，模拟工件在各设备间的流动，从而完成流水线等不同生产场景下的生产加工活动。各所述设备具有唯一的ID号，工件在各设备间流动时，上一设备基于工件工艺信息，通过OPC协议将工件工艺信息传入对应ID号的下一设备的设备缓冲区。

上述设备的模拟智能加工方法包括以下步骤：

1)获取工件工艺信息，将各工件传入具有对应ID号的设备的设备缓冲区；

2)在设备缓冲区中选择待加工的工件，根据工件工艺信息以定时器模拟工件的生产加工活动；

3)判断工件当前是否处于最后一道工序，若是，则结束加工，若否，则根据工件工艺信息将工件传入下一设备的设备缓冲区，返回步骤2)；

在上述步骤进行过程中，各设备经OPC接口可采集设备状态信息，并可上传至上位机进行实时监控。

除了上述步骤外，该设备还可根据输入的故障参数模拟故障的发生。

实施例2

本实施例以菲尼克斯提供的型号ILE 130ETH的PLC控制器为设备基础，采用面向对象的思想将各功能模块封装成类，通过执行生产计划，实现工件在模拟智能加工设备上的生产加工活动，采用的设计框架如图2所示。其中，工件是指生产需求中所需要进行加工的产品，工件是每种产品的具体实例对象，产品的成员变量包括ID、名称、交货期、当前加工工序的加工时间、当前加工步骤和加工工艺等。缓冲区的成员变量包括设备ID、名称、工件队列数组，成员方法包括进入缓冲区与离开缓冲区。当有新工件投入生产系统时，根据工件的加工工艺，选择对应设备ID的缓冲区，触发进入缓冲区的方法。缓冲区的工件队列由一个数组构成，数组中的组成元素为工件对象，用于保存所有等待加工设备加工的工件。当加工设备空闲时，触发离开缓冲区的方法，根据调度规则，从缓冲区中选择待加工工件进入加工设备进行加工活动。加工设备的成员变量包括设备ID、名称、设备状态、故障参数、当前正在加工的工件、调度规则等，成员方法包括读取工件的工艺信息、模拟加工过程、选择工件下一个加工设备的缓冲区和故障参数设置。加工设备对象与其对应的缓冲区对象通过设备ID相关联。当工件进入加工设备后，读取工件的加工信息，即加工时间，利用定时器模拟工件的加工过程。加工结束后，若有下一道工序，则将工件送入下一个设备的缓冲区，否则结束加工。设备可以通过设置故障参数使设备故障发生和修复；通过TCP/IP和OPC协议进行信息传输与实时监控。模拟智能加工设备的信息传输与实时监控过程的实现如图3所示，通过IP设置，将多台模拟智能加工设备与PC机接入同一局域网，再通过OPC协议，在多台设备间进行工件信息的传递，PC机可显示设备的状态信息，实现设备状态的实时监控。

模拟智能加工设备的加工流程如图4所示，具体过程如下：

步骤1，设定模拟智能加工设备的调度规则；

步骤2，读取工件的工艺信息，进入与之对应的加工设备的缓冲区；

步骤3，判断智能加工设备生产状态，若设备处于“空闲”状态，即没有加工工件，则根据调度规则对缓冲区中工件队列进行排序，并将排序后的第一个工件取出放置加工设备，队列中剩余工件位置往前移动一位；若设备处于“忙碌”状态或“故障”状态，则不操作；

步骤4，加工设备读取工件的工艺信息，利用定时器模拟工件的加工过程；

步骤5，工件加工完成后，工件加工步骤+1，加工设备读取工件的下一道工序，若当前已为最后一道工序，则结束加工；否则，将工件传递给下一个模拟智能加工设备的缓冲区；

步骤6，判断缓冲区是否还有工件，若有，则转至步骤3；若无，则结束流程。

实验1：采用两台本发明提供的基于PLC的模拟智能加工设备模拟生产过程实验。实验设置如下：生产计划表如表1所示，每台模拟智能加工设备分别加工3个工件，工件的加工时间相同。设置设备1无故障发生，设备2有故障发生，故障参数为：开始时间为2s，故障修复时间(MTTR)为1s，故障间隔时间(MTBF)为4s。记录两台模拟智能加工设备的加工起止时间，结果分别如图5和图6所示。

表1有无故障场景下的生产计划表

实验2：采用两台本发明提供的基于PLC的模拟智能加工设备组成流水线模拟生产过程实验。实验设置如下：生产计划表如表2所示，工件在设备1上加工时间为3s，在设备2上加工时间为4s。记录两台模拟智能加工设备的加工起止时间，结果如图7所示。

表2多台模拟智能加工设备场景下的生产计划表

综上所述，基于PLC的模拟智能加工设备可以单独运行，也可以协同组织不同的生产模式，可以有效代替实际的生产设备，为智能车间的运行研究和教学实践提供了物理环境。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于PLC的模拟智能加工设备，其特征在于，该设备基于一PLC控制器实现，包括：

设备缓冲区，用于存储待加工的工件队列，所述工件队列中的工件基于调度规则排序；

工件选择模块，用于从所述设备缓冲区中选择加工工件；

工件加工模块，用于根据设定参数对所述加工工件进行基于定时器的模拟加工；

所述设备缓冲区中以数组形式存储所述工件队列；

所述PLC控制器为带以太网通信接口且支持TCP/IP协议和OPC协议的PLC控制器。

2.根据权利要求1所述的基于PLC的模拟智能加工设备，其特征在于，该设备还包括：

故障触发模块，用于接收故障参数，基于所述故障参数模拟设备故障过程。

3.根据权利要求2所述的基于PLC的模拟智能加工设备，其特征在于，所述故障参数包括故障开始时间、故障修复时间和故障间隔时间。

4.根据权利要求1所述的基于PLC的模拟智能加工设备，其特征在于，所述设备通过OPC接口与上位机连接。

5.根据权利要求1所述的基于PLC的模拟智能加工设备，其特征在于，所述调度规则包括先进先出、最早交货期、最短剩余加工时间或最小临界值。

6.根据权利要求1所述的基于PLC的模拟智能加工设备，其特征在于，多个所述设备通过以太网连接入同一局域网，且各设备通过OPC协议与其他设备的设备缓冲区间通信连接，模拟工件在各设备间的流动。

7.根据权利要求6所述的基于PLC的模拟智能加工设备，其特征在于，各所述设备具有唯一的ID号，工件在各设备间流动时，上一设备基于工件工艺信息，通过OPC协议将工件工艺信息传入具有对应ID号的下一设备的设备缓冲区。

8.一种基于如权利要求6所述的设备的模拟智能加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取工件工艺信息，将各工件传入具有对应ID号的设备的设备缓冲区；

2)在设备缓冲区中选择待加工的工件，根据工件工艺信息以定时器模拟工件的生产加工活动；

3)判断工件当前是否处于最后一道工序，若是，则结束加工，若否，则根据工件工艺信息将工件传入下一设备的设备缓冲区，返回步骤2)。

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