生产流水线发展史 .................................................................................. 4 常用的生产流水线分类 ........................................................................... 4 第二章 自动控制流水线模型简介 ..................................................................... 6
工作平台 ................................................................................................ 6 过程单元 ................................................................................................ 6 第三章 系统总体设计方案 ................................................................................ 8
系统整体设计方案论证 ........................................................................... 8
方案一：DCS控制系统 .......................................................................... 8 方案二：PLC控制系统 .......................................................................... 8 比较及选型 ............................................................................................. 9 PLC发展状况及本次设计的选型 ............................................................. 9 系统整体框图 ....................................................................................... 12 第四章 流水线检测系统设计 ........................................................................... 13
传送带检测控制设计 ............................................................................ 13 机械手检测传感器 ................................................................................ 14 料仓检测传感器选择 ............................................................................ 15 仓库检测 .............................................................................................. 16 第五章 自动流水线控制系统的逻辑模块化设计 .............................................. 18
自动流水线设计概述 ............................................................................ 18 取料模块的设计 ................................................................................... 18 加工模块的设计 ................................................................................... 20 装配模块的设计 ................................................................................... 22 分拣模块的设计 ................................................................................... 23 流水线传动模块设计 ............................................................................ 24 启动和停车模块 ................................................................................... 25
发生错误和特殊情况及复位模块 .......................................................... 25 第六章
基于ControlLogix的自动控制流水线系统 ....................................... 27
系统构成 .............................................................................................. 27
........................................................................................................... 27 Controllogix及其通信模块介绍 .......................................................... 31
Controllogix通信模块 ............................................................... 31
第七章 基于ControlLogix流水线的编程 ....................................................... 33
编程语言 .............................................................................................. 33 编程指令 .............................................................................................. 33
一般性指令 ................................................................................... 34 控制程序框架 ....................................................................................... 34 .................................................................................................................. 37 第八章 总结 .................................................................................................. 41 参考文献： ....................................................................................................... 42 致谢 .................................................................................................................. 44 附录 1 .............................................................................................................. 45 附录 2 .............................................................................................................. 47 附录 3 .............................................................................................................. 47
Common system components ................................................................... 47 Hardware solutions ................................................................................... 51
Supervisory Station ............................................................................ 52 硬件解决方案 ............................................................................................ 56
监控站 ................................................................................................ 57
摘 要
伴随着科技的发展和进步，原有的工业生产能力已经不能满足现代工业生产的要求，所以工业控制自动化的出现弥补了这一缺陷，它不仅大大的提高了工业生产效率还节省了大量的劳动力进而节省了资本，促进了工业的发展。PLC在工业界的应用越来越广泛，目前它已经在自动控制领域扮演了很重要的角色，并且在整个工业生产自动化进程中起到一定的推动作用。
本文详细的介绍了如何使用PLC 软硬件设备搭建和运行一个比较完整的自动控制流水线系统的内容和步骤。内容是以自动流水线模型为基础，通过PLC来控制整个生产工艺流程，包括取料，加工，装配，分拣四个基本模块。按照步骤划分，全文共分三大块：；；。
在第一部分，文章介绍了生产流水线的概况及其发展状况。其中包括流水线的硬件设计跟整个工艺流程上的检测和控制逻辑模块化设计思想。
在第二部分，首先说明如何使用罗克韦尔的编程软件RSlinx使工作站与流水线上设备建立连接及对流水线进行直接测试；在后面介绍了编写控制程序所需要的一些基础知识，例如控制程序构成，编程指令等。
在第三部分，首先说明如何建立一个控制程序，并且进行合理的配置；然后对硬件添加和配置，控制对象添加和配置，数据类型的建立和控制器标签的声明；在此基础上，最后对使用梯形图编写的控制程序任务（Tasks）做了详细和透彻说明。
关键词: RSlinx，PLC，逻辑模块化， 例程
Abstract
With the development and progress of science and technology, existing industrial capacity can not meet the requirements of modern industrial production, therefore the industrial control automation's appearance has made up this flaw, it not only big enhancement industrial production efficiency but also has saved the massive labor forces then to save the capital. promoted the industry development . PLC is getting more and more widespread in the industrial world application , at present it had already played the very important role in the automatic control domain, and plays certain promotion effect in entire industrial production automation advancement . including the withdrawal, processing, assembling, sorting the four basic article describes in detail how to use PLC hardware and software companies to build and run a relatively complete system of automatic. The content is take the automatic assembly line model as a foundation , through the PLC to control the entire production content division , full-text is divided into three parts: 1. A detailed description of the hardware pipeline system; 2. Establishment of thought control; 3. Control procedure compilation .
In the first part, the article describes the various hardware modules of the system, especially in their use of the main points that need attention, which are derived from the practice of this graduation project. Including the entire line of hardware design with the modular design of the logical process. Finally, the part of the control system software to do a clear explanation.
In the second part, first of all explain how to use programming software RSlinx to establish connections between the Rockwell stations and assembly-line and direct test on the line; in the back describes the compiling control procedures need some basic knowledge, such as control procedures
constitute , programming instructions, etc..
In the third part, first, how to set up a control program, and carry out reasonable configuration; and hardware to add and configure, control objects to add and configure the data type of the establishment and Data type declaration to establish and control labels; On this basis, the last of the using the ladder prepared control program tasks (Tasks) made a detailed and thorough explanation.
Key words:
RSlinx, PLC, Modular Logical ，routine 第一章 前言
生产流水线发展史
流水线（Assembly line）是一种工业生产中，可部分被用来组装成品，最基本的流水线由一个简单的输送带载的产品，如玩具，通过一系列的工作，直到它最终完成。更复杂的流水线包括直属带进行部分工作线沿线的车站，用于建设汽车和其他复杂的设备。开发革命性的流水线制造，并促成了大量财富的几个主要角色的工业革命。
出现流水线之前的工业制造业，通常是工人手工制造，从单独的装配部分。工厂的生产受到限制，因为只有如此多的产品可以在一次，工人往往从一个项目开始工作到结束。到十九世纪中叶，许多企业在食品工业中已开始建立类似的流水线的生产线，使这一进程更加有效，但它并不完全精简。如早期的汽车和蒸汽机车仍在手工制作。
于1908年，亨利福特试图找到一种方式，使汽车的大众化。福特相信，如果一般家庭可以负担得起购买汽车的价格，他们将成为受欢迎的，但缓慢和艰苦的方法来制造汽车不可能使汽车成本的下降。在公司，福特设想一条生产线，在那里劳动的工人将分为具体的任务将有助于完成整体。这一早期流水线的灵感可能来自多个行业，但很多历史学家认为在芝加哥屠宰场的拆卸线是这一想法的来源。 流水线是高效率并极具成本效益的产物。工人集中在一小部分，这意味着它们并不需要大量的培训。部分物料或零部件沿着一条传送带，形成一个源源不断的产品生产流程。在繁忙的生产中，福特汽车的流水线变成了一个新的汽车每3分钟，而现代的流水线能够更加迅速，尤其是当他们结合自动化机械与人力处理。 常用的生产流水线分类 1 板链式装配流水线
特点：承载的产品比较重，和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡；
生产的节拍不是很快；以链板面作为承载，可以实现产品的平稳输送。 2 滚筒式流水线
特点：承载的产品类型广泛，所受限制少；与阻挡器配合使用，可以实现产品的连续、节拍运行以及积放的功能；采用顶升平移装置，可以实现产品的离线返修或检测而不影响整个流水线的运行。 3 皮带式流水线
特点：承载的产品比较轻，形状限制少；和生产线同步运行，可以实现产品的爬坡转向；以皮带作为载体和输送，可以实现产品的平稳输送，噪音小；可以实现轻型物料或产品较长距离的输送。 4 差速输送流水线
特点：差速输送流水线采用倍速链牵引，工装板可以自由传送，采用阻挡器定位使工件自由运动或停止，工件在两端可以自动顶升，横移过渡。还可以在线可设旋转、专机、检测设备、机械手等。
本次设计是在皮带式流水线的基础上进行了自动化改进，从而能够更加有效的提高流水线的生产效率。
第二章 自动控制流水线模型简介
自动生产流水线教学装置是一套实际生产过程的微缩仿真模型，它由工作平台、过程单元、控制装置三部分组成。本次毕业设计是以这个为基础的。也是通过这个过程来模拟实现本次设计内容的。 工作平台
平台提供了公共信号端子和接口，供过程单元输入和输出信号的接入，便于将控制装置接入各过程单元，平台设有静音空气压缩机和减压阀，为装置提供稳定的气源。 过程单元
过程单元由四个独立的网孔底板将每个单元的部件集中安放，其中有的单元是可以互换位置的，例如将供料单元和存放单元互换；或将加工单元和装配单元互换就可以改变生产流程或工艺；每个单元在配备了控制器以后均可以独立运行，也可构成连续生产的自动流水线。
1． 供料单元
供料单元由自动出料仓、四自由度机械手、物料输送带、信号端子等组成。配备单杆直气缸、双杆直气缸、薄型气缸、旋转气缸、机械夹、电磁阀等气动元件；配备直流减速电机、光电传感器、磁开关、继电器等电气元件；配备同步轮、同步带、传动轴、皮带等机械元件。供料单元可以实现物料的自动出仓、传递和输送。
2． 加工单元
加工单元由自动机加工设备、四自由度机械手、物料输送带、信号端子等组成。配备双杆直气缸、薄型气缸、旋转气缸、机械夹、电磁阀等气动元件；配备直流减速电机、光微开关、光电传感器、磁开关、位置开关、继电器等电气元件；配备同步轮、同步带、传动轴、皮带、滚珠丝杠、联轴器等机械元件。加工单元可以完成物料的自动传递、加工工序和输送。 3． 装配单元
装配单元如图五所示，由自动出料仓、自动装配设备、四自由度机械手、物料输送带、信号端子等组成。配备双杆直气缸、薄型气缸、旋转气缸、机械夹、真空发生器、吸盘、电磁阀等气动元件；配备步进电机、直流减速电机、光微开关、光电传感器、色标传感器、磁开关、位置开关、继电器等电气元件；配备同步轮、同步带、传动轴、皮带等机械元件。装配单元可以完成物料的自动识别、传递、零件出仓、分类装配和输送。 4． 分拣单元
分拣单元由物料输送带、自动分拣设备、水平移动式储存库、信号端子等组成。配备单杆直气缸、电磁阀等气动元件；配备直流减速电机、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器、磁开关、继电器等电气元件；配备同步轮、同步带、传动轴、皮带、联轴器等机械元件。分拣单元可以实现物料的自动输送、分类、入库。
第三章 系统总体设计方案
系统整体设计方案论证 方案一：DCS控制系统
DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System)，在国内自控行业又称之为集散控制系统，即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
分布式计算机控制系统是以微处理器为核心，采用数据通讯和图形显示技术的新型计算机控制系统。该系统能够完成直接数字控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理、多变量解耦控制以及最优控制等功能，并包含有生产的指挥、调度和管理功能。 DCS的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和现场前端分散控制相统一的新型控制技术，它的出现是工业控制的一个里程碑。DCS它可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器、执行器等）进行远方诊断、维护和组态。DCS系统是个大系统，其控制器功能强而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。
方案二：PLC控制系统
可编程序控制器PLC，适合于多台大型自动生产流水线，由于PLC具有输入输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率低，如北京丽都饭店使用的PLC控制系统，运行几年来从未发生任何故障。PLC编程简单，易于通信和联网，多台PLC进行同位链接及计算机进行上位链接，实现一台计算机和若干台PLC构成分布式控制网络，但是，价格
较高，如果是控制单台，资源不能充分利用，如果从长远观点看，其寿命长，故障率低，易于维修，值得选用。 比较及选型
综上所述，PLC于60年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。1976年正式命名，并给予定义：PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。PLC作为一个站挂在高速总线上。充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。PLC对于顺序控制有其独特的优势。DCS系统更大，控制的回路数目更多，有比较多的控制和算法，可以完成比较复杂的回路间的控制。硬件可靠性差不多。相对而言，PLC构成的系统成本更低。而且PLC是一种柔性控制，便于日后升级。所以选择PLC控制系统。
PLC发展状况及本次设计的选型
20世纪20年代起，人们把各种继电器、接触器、定时器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种机械，这就是大家熟悉的传统的继电器控制系统。但是继电接触器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性差、动作速度慢、功能弱，难于实现较复杂的控制；特别由于它是靠硬连接线逻辑构成的系统，接线复杂繁琐，当生产工艺或对象需要改变时，原有的接线和控制就要更换，所以通用性和灵活性差。
现在随着可编程序控制器国际化标准IEC61131的逐步完善和实施，特别是IEC61131—3标准编程语言的推广，使得PLC真正走入了一个开放性和标准化时代。
随着PLC技术的迅速发展，PLC作为一种以微电脑技术为核心的自动控制装置，以其编程简单，控制系统构成简单通用性强，抗干扰能力强可靠性高，体积小维护方便，功能非常齐全等特点广泛应用于机械制造、轻工、冶金、能源、交通等行业。特别是近几年来计算机在操作系统、应用软件和通信能力上得到了飞速发
展，这大大的提高了PLC通信能力，使PLC具有强大的网络功能（可以为PLC配置以太网EtherNet、控制网ContorlNet、设备网DeviceNet、DH+网、FF等多种网络形式），可以通过各种通信口将数据传送给上位机以实现数据采集和监控，从而大大加强了其控制功能，进一步推动PLC 在工业控制中的广泛应用。可以这样说，有工业控制的地方就有PLC的用武之地。
(1)提高生产率和操作效率：一个通用轻便控制引擎和综合工程开发平台允许快速地开发、实施和迁移；且由于它的开放性和灵活性，确保了控制、操作、企业级业务系统的无缝集成，优化了工厂流程。
(2)降低操作成本：使用通用、标准架构和网络，降低了操作成本，让工程师们能为一个体现成本效益、使用现货供应的平台选择不同系统部件，而不是专有产品和技术；只要求用户在一个统一平台和开发环境上培训，而不是几种；且为用户提供了一个无缝迁移路径，保护在I/O和应用开发方面的投资。
(3)使用户对其控制系统拥有更多控制力：使用户拥有更多灵活性来选择适合每种特殊应用的硬件和编程语言，以他们自己的时间表来规划升级，并且可在任何地方设计、制造产品。
PLC主要分成： 欧系
西门子系列PLC主要包括其早期的S5和现在的S7-200、S7-300、S7-400等型号 。S7-200是西门子小型PLC，因为其低廉的价格在国内得到了大规模的应用，支持MPI、PPI和自由通讯口协议。西门子300的PLC支持MPI，还可以通过PROFIBUS和工业以太网总线系统和计算机进行通讯。如果要完成点对点通讯，可以使用CP340/341。
施耐德的PLC型号比较多，在国内应用也比较多。 日系
欧姆龙系列PLC在中国推广的也比较多。三菱PLC的小型PLC在国内的应用非常广泛。三菱的PLC型号也比较多，主要包括FX系列，A系列和Q系列。松下PLC等。 美系
GE现在在国内用的比较多的主要是90-70和90-30系列plc，这两款PLC都支持SNP协议。
Rockwell的PLC主要是包括PLC2、PLC3、PLC5、SLC500、ControlLogix等型号，PLC2和PLC3是早期型号，现在用的比较多的小型PLC是SLC500，中型的一般是ControlLogix，大型的用PLC5系列。AB的plc提供了OPC和DDE，其集成的软件中RSLogix中就包含DDE和OPC SERVER，可以通过上述软件来进行数据通讯。AB的中高档的PLC还提供了高级语言编程功能，用户还可以通过编程实现自己的通讯协议。
美国罗尔韦尔自动化公司的PLC设备以其优良的性能广泛应用于工业控制的各个领域。该公司的PLC控制系统依据不同的网络通信方式和设备功能，对整个系统进行合理分层，并通过不同的网络形式实现不同层之间以及同一层不同设备之间的数据通信。这种基于层和网络概念上的PLC控制系统，具有集中与分散的双重特点，既能够在大范围内实现控制功能，又能在每一个细节上做到尽善尽美，因此具有很好的通用性，适应性和可扩展性。
罗克韦尔公司的PLC控制系统通常分为三个层：
1． 以太网层：也称为工作站层。在这个层上，系统通过以太网连接了作为各
种工作站的计算机以实现工作站之间的通信。某个PLC控制器也会连接在这一层，它是作为以太网层与控制网层之间的衔接，是工作站操作控制网层上的PLC控制器的数据通道。以太网层的主要功能是组态控制系统，编写调试控制程序，监视维护控制系统运行。
2． 控制网层：也称为控制器层。在这个层上，系统通过控制网将各种PLC控
制器起来以实现不同控制器之间的通信与协作。这个层上的某一个控制器也会同时连接到以太网层上，作为控制网层与以太网层之间的衔接。有些PLC控制器的设备网模块还会下连到设备网，作为控制器进入设备网的通道，同一个设备网上的所有设备就是通过该通道与控制器进新数据通信。控制网层的功能就是该层上控制器的功能，主要是接收工作站的命令并向工作站反馈信息；接受设备网层数据反馈，并向其发出操作命令。 3． 设备网层：在这个层上，系统通过标准设备网将现场设备和PLC控制器的
设备网模块连接起来，实现这些现场设备之间的数据通信，更重要的是实现PLC控制器对这些设备的统一控制。设备网层的功能是使用该层上所连接的各个设备实现每个具体的控制作用。
在本次毕业设计中，我们选用罗克韦尔自动化公司的PLC设备，设计一个自动控制流水线控制系统。使用的设备主要包括个人电脑，PLC功能性模块。其中：两台个人电脑作为控制系统中的工作站，通过以太网连接，处于上面所说的以太网层；PLC各个模块构建成的控制器接入到工作站的以太网层，因为只有一个PLC控制器，所以没有构建专门的控制网，但它概念上处于控制网，虽然没有配置专门的设备网，但是在概念上它们属于设备网层。受设备自身限制，本系统没有严格的三层网络，但是其层次概念还是很清晰的。 系统整体框图
上位pc机 上位pc机 上位pc机 工业以太网 传送带检测模块 料仓检测模块 仓库检测模块 PLC 取料模块 加工模块 装配模块 分拣模块 机械手检测模块 流水线传动模块
第四章 流水线检测系统设计
传送带检测控制设计
传送带一侧装有光电行程开关，当传感器检测到有物时，传感器输出信号送入控制器，此时控制器输出口给电机一个输出信号，控制电机的启动与停止。并且在传送带上设置机械校正装置，以校正加工件在传送带上的位置，为下一个机械手操作做准备。 123接近开关，英文名为PROXIMITY SENSORS。它又称为近接开关，位置感应器。主要应用于水流开关，水流控制及自动 控制，位置感应等。 传送带检测传感器同样使用欧姆龙公司的光电近接开关E32-D61，： DE +24VP +24VR14.7KR24.7KE32-D618550TPL521PLC I/OC 采用带有常闭和常开两个开关的继电器，输出控制继电器的开端，控制机械手的气动阀和电机线圈的通断电。 B 机械手检测传感器
干簧管传感器技术 在干簧传感器中，关键的元件是簧片开关，它是由Western Electric公司在1940年发明的。其它主要元件是开或关的弹性簧片及磁铁或电磁铁。由于这些引人注目的改进，干簧管开关在某些要求质量、可靠性及安全至上的苛刻应用中已成为设计的选择。 干簧管传感器的质量及可靠性最引人注目的应用是用于自动测试设备（ATE）。在这种设备中技术是一流的，干簧开关被用于干簧继电器，它应用于IC、ASIC、硅片的测试设备中及印制测试设备中，作为开关。一个继电器的故障率制定为50ppm。当线圈通电后，管中两占簧片的自由端分别被磁化成N极和S极而相互吸引，因而接通被控电路。干簧继电器具有：结构简单，体积小。吸合功率小，灵敏度高，～2ms以内。触点密封，不受尘埃、潮气及有害气体污染，动片质量小，动程小，触点电寿命，一般可达10的7次方左右。 干簧继电器还可以用永磁体来驱动，反映非电信号，用作限位及行程控制以及非电量检测等。
本1设计机械手动作位置传感器均采用2欧姆龙公司的干簧传感器SMC D-A93，： E +24VP +24VR44.7KDD-A93R24.7K38550TPL521PLC I/O 干簧传感器应用原理图 C 料仓检测传感器选择 一、光电开关
光电开关是由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。
按电压输出规格连接开路集电极输出的传感器时，可通过在电源、输出间插入电阻器后再连接。下图的示例可作为选择电阻值时的参考。此外，。电阻器的瓦特数为：电源电压为24V时为 1/2W、12V时为1/4W。
〈例〉 EE-SX670系列 电阻值R＝ Ω “H”值时
“L”值时
输入电压VL≤（负载电流40mA时的残留电压） 对应负载电流的残留电压，请确认传感器的额定值。
在本设计中应用欧姆龙公司的微型光电传感器EE—SPY401,采集信号经过光电耦合器TPL521和PNP型的三极管8550放大送入输入模块。：
DE +24VP +24VR14.7KR24.7KEESPY4018550TPL521PLC I/OC 微型光电传感器与PLCI/O口连接原理图 微型光电传感器EE—SPY401光线遮挡时导通, 光电耦合器TPL521内部的二极管也随之导通，带动三极管导通，电流被PNP型的三极管8550放大输入到PLC的输入模块I/O口。 仓库检测 实验室的生产线实验台包括料仓、攻丝加工、装配和仓库储存四个部分，在装配之后检测将加工装配好的零件送进仓库储存作为备用，在本设计中没有装配B平台，因此在不改变生产线实验台上传感器的情况下，应用接近开关PM18-08N检测黑色金属装配物。 接近传感器可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。根据操作原理，接近传感器大致可以分为以下三类：利用电磁感应的高频振荡型，使用磁铁的磁力型和利用电容变化的电容型。 特点： ● 非接触检测，避免了对传感器自身和目标物的损坏。 ● 无触点输出，操作寿命长。 ● 即使在有水或油喷溅的苛刻环境中也能稳定检测。 A● 反应速度快。
● 小型感测头，安装灵活。
振荡电路中的线圈L产生一个高频磁场。当目标物接近磁场时，由于电磁感
应在目标物中产生一个感应电流（涡电流）。随着目标物接近传感器，感应电流增强，引起振荡电路中的负载加大。然后，振荡减弱直至停止。传感器利
用振幅检测电路检测到振荡 状态的变化，并输出检测信号。
图 磁铁的磁力型
振幅变化的程度随目标物金属种类的不同而不同，因此检测距离也随目标物
1金属的种类不同而不同。 23装有金属的加工件接近传感器时，不论目标物金属种类如何，振荡频率都会提高。传感器检测到这个变化并输出检测信号。电磁感应型接近开关PM18-08N与PLC I/： E +24VP +24VR14.7KR24.7KDPM18-08N8550TPL521PLC I/OC PM18-08N应用原理图 第五章 自动流水线控制系统的逻辑模块化设计
自动流水线设计概述
流水线的设计大致包括了取料、加工、装配、分拣四个模块，。在此基础上又进行模块化细分：取料模块、加工模块、装配模块、分拣模块，流水线传动模块，启动和停车模块，还有包括发生错误和特殊情况及复位模块。当然后两个模块只能在程序中体现。具体设计思想将在下面几节中提及。
取料 加工 装配 分拣
图 流水线工艺流程图
取料模块的设计
取料模块主要是机器手来完成的，机器手由气压来提供动力，用继电器开关来控制气阀的开关从而来控制它的运动。，A、B为导气管，分别与对应的X、Y气阀连接，继电器开关M、N分别控制X、Y的开关。当继电器模块有信号输入时，即使能M动作，即X打开，A有空气输入，此时，活塞向右运动，即机器手的动作为‘缩’，当B有空气时，机器手动作为‘伸’。气缸外的传感器时用来检测活塞的位置，从而判断机器手的状态为伸长还是缩回。整个机器手由3个类似的气缸组成的，从而构成了转、升、伸三个基本状态及夹这个状态。。
传感器活塞AB 图 机器手原理图 Z （转 ，伸 ，升）（转 ，缩 ，升）（回 ，伸，升）Y （转）升（回 ，缩，升）（转 ，缩，降）降O（转 ，伸，降）X （回）（回 ，缩，降）（回 ，伸，降） 图 机器手动作状态图 由于机器手可以进行三维运动，即每维有两种不同的状态，，即升跟降。由此一来就可以得到机器手一共可以有2*2*2=8种状态。这样在编写程序的时候即可11TiSiADaFi通过每个位置的传感器得到机器手的实时位置。在生产线开始工作以后，首先机12131415器手的初始位置是（回，缩，降），。 但是，单单由各自的状态位置来区分每个动作是不够的，因为同一个状态在整个取料的循环过程中会出现很多次的，所以还需要不同的状态标志位来加以区分。例如，在整个循环过程中，会出现两次（转，缩，升），这时候就需要一个标志位可以区分这两个相同的状态，，在坐标系四个象限中，会有相同的状态，但是通过每个象限的动作状态来区分会变得很清楚，如第一象限的‘降’跟第三象限B的‘降’其状态是相同的，但是第一象限‘降’状态的前提是：转后和夹前。而第三象限中‘降’的前提是：转前和夹后。这样就可以很好的区分了。但是，如图所示，在第二象限中，同时有两个升出现，此时可以把这两种升看成是取料后的升，这时候的整个过程可以看成是一个卦限。（x，y）轴，且其在（x，y，z）坐标系中z轴的正半轴，那么图中循环结束前的三个状态，即升、缩、降可以看成是Z轴的负半轴，那么由此一来就可以很清楚的区分整个顺序的各个状态了。 转前一个循环结束开始缩升降升转转后伸降夹夹前放降伸转缩升夹后 图 机器手动作顺序图 当传送带1上的传感器接收到有物的信号之后，就会触发传送带驱动电机运动，使物体被传送到传动带2上，继而进行下一个的动作。 加工模块的设计 加工模块主要是对物料进行钻孔和攻丝，首先通过机械手把物料从传送带2上把物料夹取，然后通过一定的动作把物料放在加工台上，加工台在电机的带动下向钻孔区和攻丝区移动，加工完成后，再返回到物料台的原始位置，。 A夹前夹后升伸降夹升缩转转前加工前加工开始缩升放降伸转后加工结束伸放夹升缩转加工后转后转前降缩升放降伸 加工模块机器手动作顺序图 当传动带2上的传感器检测到有物时，机器手就开始工作，第一步是升起，，各个状态的区分跟取料设计部分内容是相同的。总体上分为两大部分：即加工前后和夹前夹后。在加工前部分分为转前转后，在加工后亦分为转前转后。这样一来就可以看成是一个数组了，即a[m,n,x,y,z]形式，其中x代表转前跟转后，即用0来表示转前，1来表示转后。以此类推，y代表夹前夹后，其中0表示夹前，1表示夹后。z代表加工前和加工后，0表示加工前，1表示加工后。m表示升降，n表示伸缩。所以，每个状态都不会相同。在加工过程中，机器手是静止不动的。 初始状态物料台攻丝区钻孔区原始位置1钻孔物料台攻丝区钻孔区原始位置2攻丝物料台攻丝区钻孔区原始位置3加工结束物料台攻丝区钻孔区原始位置4 加工过程顺序图 装配模块的设计 装配模块是把在加工模块中成型料件装配上新的零件，但是在加工过程中，会有两种不同材质的物料会被送到加工区进行相同工艺的加工，所以在加工模块就不需要加以区分它们的材质，因此会在装配模块里加进一中传感器，来加以区分它们的材质，对应不同的材质就会有不同的零件来加以装配，比如如果是A种材质，装配区的执行机构，也就是吸盘就会从接近物料台的仓库中提取零件；如果是B 则从远离物料台的仓库里提取零件。那么这样一来就会有不同的情况，。。不管那种情况，1始终是吸盘的原始位置，在执行完一个完整的装配任务之后都会返回到原始位置的。例如，在加工模块会有白色物料跟蓝色物料被加工，当白色物料到达装配模块传送带上的物料检测传感器前会有一个传感器来判断它是否是白色，如果是白色则将来编写的程序就会跳转到情况2里面去，以此来进行下面的动作。，情况1要比情况2要节省不少时间，因为料仓到物料台是步进电机驱动的，步进电机行进需要一段时间，而情况2需要相当于情况1的两倍时间，因此在大多情况下，要比较白色和蓝色物料的数量，哪个多就把相应的物料放在靠近物料台的料仓里。 物料台备料仓料仓132初始状态情况12314情况2 图 装配模块动作顺序图 分拣模块的设计 分拣模块是建立在装配模块基础上的，所谓的分拣即把蓝色跟白色材料区分开来，因为这两种颜色是代表不同材料在装配区进行了不同的装配工艺，所以它们就会有不同的功能，因此在后来的工序中就要对其进行分拣。在分拣模块有传感器会传送带上的已装配完的物料进行检测，当有蓝色成品是就被推杆推到1号仓库，白色就被推到2号仓库。分拣的顺序可以由实际现场情况来定。 传感器2传感器12号仓库1号仓库 分拣模块示意图 流水线传动模块设计 流水线传动模块是整个流水线的主轴，其承担着各个模块之间的搭桥作用，该模块的优化设计直接影响着整个流水线是否能够流畅平稳高效的运作。，此模块按照取料、加工、装配、分拣工序分成了四个小模块，我们称它们为四个区，即1、2、3、4区，分别按照顺序对应着前面所述的四个工序，并且在每个区的指定部分部署一个传感器，该传感器的作用就是感知各区的传送带上是否有物料出现 ，在4区会有两个传感器。传感器感知信号的作用就是来决定各区对应的模块是否开始或结束该模块的运行。其中2、3区是主要驱动者，1、4是被动者，即2区可以驱动1区，但是1区不可以驱动2区，所谓的驱动就是2区的传感器信号可以使1区的传送带运行，但是1区的传感器信号只能作为2区驱动1区的条件，在此过程中需要注意以下几点： 1） 2、3区的启停取决于各自传感器所接到触发信号的次数。如果是奇数，则启动各自对应的工作区；如果是偶数，则停止各自对应的工作区，并给出下一区信号，即提示传送带上物料已经准备妥当。当第n区工作时，n-1区的的传送带只能工作指定的一段时间，并且按照实际情况只能连续工作两次。 2） 4区传送带的启动亦是来自3区传感器的累积信号，但是4区的停止则是根据4区两个传感器得到信号次数的和是否跟三区传感器感知次数总数的1/2 。 3） 当4区传送带开始运转以后，物料在3区到4区最大传送时间内4区传感器无感应信号，则4区传送带电机自动停车。 （4）43（3）2（2）1（1） 启动和停车模块 因为整个流水线硬件系统构成我们分成了五个模块，即取料、加工、装配、分拣和传送带模块。在此基础上，我们又分出了启动和停车模块，因为在实际生产过程中，涉及到许多流程工艺上复杂问题，比如说电力的供应，生产的顺序，逻辑上的先后，所以，在这里我们先启动流水线传动模块，因为它是整个流水线的主轴，对其他几个模块起塔桥的作用。然后我们再启动第四个模块即分拣模块，然后再启动装配模块，以此类推，最后启动取料模块。 发生错误和特殊情况及复位模块 不论什么控制系统，不管它被设计得有多完美，在其运行过程中都会有发生错误的可能性，即便是发生错误的几率特别小，也要做好预防措施。 首先，考虑到生产线及控制系统掉电的情况。例如，当某个模块突然由于不可抗拒的故障导致停机，但是其他几个模块还是在继续工作，比如加工模块突然停机，这时候我们就要在一定时间内停止取料模块的工作，并发出警告提示，与此同时生产线要完成剩下的工艺流程，以免出现其他不必要的故障，在完成整个流程后停止整个系统的工作。如果是最后一个流程出了问题即分拣模块出现问题，即在规定的最大时间内并没有检测到装配模块完工后的零件，这时候要发出警报并同时在其他工艺模块完成一个循环后停车。
第六章 基于ControlLogix的自动控制流水线系统
系统构成
第一层和第二层之间通过以太网连接：
1. 第一层和第二层之间的以太网连接
1) 网络连接：使用普通的集线器或者办公室级的交换机作为网络交换设 备，使用普通的网线将工作站与集线器（或交换机）相连，将以太网模块与集线器相连，在上面的连接中不能使用集线器（或交换机）的上行链路端口，但是可以使用上行链路端口通过网线将集线器（或交换机）连接到实验室的网络端口，当然也可以不连。以太网正常连接和配置的前提是：确保集线器（或交换机）的正常运行，确保工作站网卡的正常工作，确保PLC控制器上的以太网模块正常工作（LED指示灯OK绿灯固定亮）。 2) 网络配置：
(1) 首先配置以太网模块ENBT／B的IP地址：，然后点击出现的下拉菜单中的Module Configuration，；
以太网配置系列图1
然后在出现的对话框中点击Port Configuration选项卡，进行相关配置，；
图 以太网配置系列图
(2) 接下来就是正是配置以太网形式：点击下拉菜单Communications中的Configure Drivers，在Available Drivers Types中选择第二项，然后再点击Add New，；
然后单击OK，在出现的对话框中写入该网络中的IP地址，其中1 . 74. ；
(3) ，。
在上面完成的PLC控制系统中，连接工作站与控制器之间的网络：以太网的连接和配置工作。以太网担负着上位工作站与PLC控制器的核心模块－处理器ControlLogix5561之间的通信，所以它在系统中占有很重要的作用，是系统正常运行的关键之一。
图 以太网配置系列图
图 以太网配置系列图
图 以太网配置系列图
以太网和串口线两种通信方式由其功能和作用的侧重点，可以说各有优点，；
以太网和串口通信比较列表
连接 项目 通信距离 串口线方式 比较近，通常在2米以内 以太网络形式 通过网络设备的和网络连线的扩展可以任意远 传输速度 当要下载的程序比较小时，比较块，但如果程序比较大就相当慢了 连接方式 连接 项目 可靠性 简单便捷，容易配置 串口线方式 很可靠，只要处理器正常就可以可靠工作，在本次设计中未出现过不正常记录 由于本身就是点对点的传不论下载的程序式的还是小，传输速度都很快，尤其是在程序比较大的时候传输速度远远大于串口线方式 比较复杂，需要附加网络设备 以太网络形式 比较可靠，但是随着整个网络的复杂化，这种方式的可靠性将会降低，其可靠性不及串口线。 由于以太网自身的数据传输特点，没稳定性 输，工作很稳定，不会出现传输速率的大起大落 有串口线那么稳定；但是只要网络硬件配置合适，网络连接比较得当，传输还是比较稳定的，是可信赖的
Controllogix及其通信模块介绍
Controllogix特点
• 在一个机架内多处理器同时访问同样的数据 • 多任务使得程序在需要的时候运行
• 多周期任务可以不同触发,以便得到更高级的性能 • I/O 支持逢变则报
• 高性能专用 I/O 减轻处理器的负担 • 根据性能和内存选择处理器 • 可选冗余模块以便实现无扰动切换 • 带电拔插
• 具有通用Logix系列的特点
Controllogix通信模块
表 Controllogix三层通信模块比较
1756-ENBT 1756-CNB/R 1756-DNB • 10/100MBit Ethernet/IP • 5Mbit ControlNet 桥模• DeviceNet 扫描器 / 桥 • 支持125K,250K, • 全双工通讯 • 4 字符诊断显示 • 控制, 组态和采集数据 质 • 在EtherNet/IP上控制I/O • ControlLogix 处理器在终端访问 EtherNet/IP上高速互锁 • “Information-Enabled” 通讯 • 4字符诊断显示 • 支持最多64并发I/O或对等连接 • 内置网络访问口 (NAP) 提供编程块 • 可用单或冗余介& 500Kbit • 支持最多64 并发7设备 • 最多 500bytes的输入和496bytes 输出数据到Logix5550 处理器 • 所有I/O由一个 Logix5550 处理器拥有 • 4字符诊断显示 • Web-Enabled 用于远程管理活动 • 用RSNetWorx for ControlNet 组态 • 用RSNetWorx for DeviceNet 组态
图 Controllogix三层网通信示意图
第七章 基于ControlLogix流水线的编程
编程语言
本次设计中PLC控制程序的编写都采用梯形图语言，这是一种最常用的编写PLC控制程序的语言。该语言所编写的程序是由若干个扫描线构成，每一条扫描线最少包含一个入口和一个出口；扫描线的入口处添加的是逻辑判断指令，如果在一次扫描中逻辑判断为真，则接下去执行后面位于扫描线出口的操作性指令；如果没有输入指令则扫描线数如恒为真，每一次扫描到该扫描线的时候直接执行出口处的操作性指令；如果扫描线入口的逻辑判断指令为假，则不执行位于该扫描线出口的操作性指令；每一条扫描线可以在入口处没有逻辑判断指令，但是必须在出口处有至少一个操作性指令；在每一个扫描线入口处可以连续有若干个逻辑判断指令，它们之间是“与”的关系，只有所有的都为真才能执行后面的操作性指令，出口处也可以由若干条操作性指令，它们的执行之间不相互影响，只要入口处逻辑判断最终结果为真就会依次被执行。扫描线实例如下：
图 梯形图扫描线示意图
上图中一共有两条扫描线：上面的一条扫面线中左侧的两个指令是逻辑判断指令，后面的一个指令是操作性指令；第二条扫描线入口处有一个逻辑判断指令，出口处有三个操作性指令。 编程指令
本次设计的程序编写使用了少数几个用于逻辑判断和置位的一般性指令
(general instructions)和输入输出指令(Input/Output Instructions). 一般性指令
本次使用的一般性指令包括继电器指令中的检查闭合XIC，输出解锁指令OTU，上升沿触发指令ONS；和程序控制中的子例程跳转指令JSP，子例程结束指令TND。下面逐条介绍一下：
1. XIC：当该指令的测试标签为1，则逻辑判断为真； 2. OTU：将标签的值设置为0；
3. ONS：如果输入是一个从0到1的跃迁，且自身的标签为0，则逻辑判断为真，否则为假；
4. JSP：将程序的执行跳转到指令中所示的子例程中去； 5. TND：表明一个例程到此结束
图 一般性指令
控制程序框架
控制程序框架就是一个完整的运动控制程序包含哪些部分，这在RSlogix5000中已经给出了一个标准化的框架，：
PLC控制程序框架
从上图可以看出来，一个完整的PLC控制程序包括6部分：Controller， Tasks， Motion Groups， Trends， Data Types， I/O Configuration。分别作简要介绍：
1. Controller：
控制器，这部分包括控制器级的程序标签和处理电源上电和控制器错误的程序，控制器的属性也在此修改。
2. Tasks：
这部分是PLC控制程序的核心：PLC程序体。PLC处理器中的控制程序语句在这里编写，将PLC运动控制程序下载到处理器后，处理器通过执行这里编写的一条一条语句来实现控制功能。这里的任务分为两类：连续任务和周期性任务，每一个程序必须要有且只能由一个连续任务，但是可以有若干个周期性任务（周期性任务的数量是受限制的，具体是和处理器和RSlogix5000的版本有关系）。每一个任务里有至少一个程序，称为主程序；每一个程序里有至少一个例程，称为主例程，同一个程序中的例程之间可以通过JSP指令相互引用。。
。包含一个主任务：MainTask，用于实现控制功能；两个周期性任务：SetinformationTask和GetinformationTask，用于采集和设置控制器和伺服电机的相关参数。主任务MainTask中包含一个主程序Main Program，该程序里有一个主例程MainRoutine和若干个子例程；参数设置任务Setinformation Task包含有一个主程序SitMainProgram，该程序中含有一个主例程SimpMain Routine和若干个子例程；参数获取任务GetinformationTask包括一个主程序GitMainProgram，
该程序中含有一个主例程GimpMainRoutine和若干个子例程。在本次设计中，都是在主例程中调用子例程，子例程执行结束后返回主例程。
3. Motion Groups
在这里添加运动控制的对象：运动组运动组MotionGroup，运动轴Axis，协作系统CoordinatedSystem。
4. Trend
在这里添加显示图，用来以图形图线的形式显示标签所表示的参数随时间的变化情况。这部分不是本次设计的核心，但是它能够使操作者比较清晰的观察相应标签量随时间的变化情况和协作系统的合成运动情况。
5. Data Types
这里是用于定义的标签的数据类型，主要包括系统预定义好的和用户自己定义的两大类，图 。
程序体框架
程序中使用的标签类型有两类：User-Defined中的全部6种类型和Predefined中的一部分。
传送带1区流程图，其中（1）代表取料模块对应传送带上的物料检测传感器。另外，加工、装配、分拣模块分别对应的传送带的流程图跟传送带1区的流程图大致相同。
开始 N （1）有物料 Y 传送带1转 奇 （2）奇偶 偶 皮带2转 皮带1转10秒停 N （2）有物否 Y N 皮带1、2停 机器手2工作 超出最大时间 Y 皮带1、2停 转到2区流程图 结束 皮带1、2转
机器手运行流程图
开始 N 仓口有料 Y 手1抬 N 手1转 Y 手1伸 N 伸长？ Y 手1降 N 降下？ Y 1 1 手1夹 N 夹住？ Y 手1抬 N 抬起？ Y 手1缩 N 缩回？ Y 手1转 N 转回？ Y 2
2 手1降 N 降下？ Y 手1解锁夹 N 解锁？ Y 手1抬起 手1抬起 N 抬起？ Y 手1缩 N 缩回？ Y 手1降 N 缩回？ Y 结束
第八章 总结
本次毕业设计成功实现设计并搭建了一个经济适用的生产流水线自动控制系统，而且能够很好的控制生产流水线上的各个环节掌握与管理系统相关的PLC设计、生产流水线自动控制的理论及方法，熟练运用所采用的Logix5000编程软件开发环境并且熟练掌握和应用罗克韦尔自动化的三层网络技术。熟练的掌握开发生产流水线自动控制系统的一般方法及各种规范，为毕业后走上工作岗位打下良好基础。本次毕业设计中的生产流水线的自动控制设计是一个基于罗克韦尔自动化三层网络技术的生产流水线自动控制系统，完成工件的取料、装配、分拣等环节的检测和控制。
通过该课题对自己所学知识进行全面检查，提高综合利用所学知识解决实际工程问题的能力，培养自己勇于探索、严谨推理、对工作认真负责、一丝不苟及相互协作的团队精神，逐步养成工程技术人员应具有的思想素质和工作作风。培养自己独立完成课题的工作能力及从文献、科学实验、生产实践和调查研究中获取知识的能力，提高计算机运用水平及书面、口头表达能力。
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致谢
本设计是在导师的悉心指导下完成的。严谨求实的治学态度、诲人不倦的敬业精神、正直坦荡的为人风范使我受益匪浅。谨此向王俊生老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！
在课题选题和研究过程中，还得到了其他老师和同学的帮助，其中给予了大量的帮助和指导。在此，对其他给予帮助的老师们表示我诚挚的谢意，对给予帮助的同学们表示衷心的感谢。
鉴于本人所学知识有限，经验不足，又是初次涉及这种复杂的设计，在此过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请各位老师给予批评和指正。
附录 1：
系统对应接线点及I/O分配 IN
流水线 模块上 软件内对应 注释 接线点 接线点 的I/O分配
7
槽 1756-IB16/A S0-S S1-S S2-S 6 4 S3-S S4-S S5-S 14 11 1 亮
8 S6-S S7-S 15 S8-S 13 S9-S S20-S 18 S21-S S22-S 12 16 2 S23-S 亮
17 3 S24-S 亮
5 S25-S 7
8
槽 1756-IB16/A S26-S S27-S 1 S28-S S29-S 2 3 S2A-S 4 S30-S 亮
5 6 S31-S 色物 -亮 7
S32-S S33-S S34-S 8 11 带-亮
12 S35-S 亮
13 S36-S S37-S 9 坏
14 S38-S S39-S 15 S3A-S 16
17 IN-5 IN-3 IN-11 IN-0 IN-8 IN-7 IN-12 IN-10 IN-15 IN-9 IN-1 IN-13 IN-14 IN-2 IN-4 IN-6 IN-0 IN-1 IN-2 IN-3 IN-4 IN-5 IN-6 IN-7 IN-8 IN-9 IN-10 IN-11
IN-12 IN-13 IN-14 1#仓底，有货物推臂，完全推出仓口，货物到-亮 -亮 1#-亮
1#机器手降落，降到位-亮 1#机器手升起，升到位机器手旋转，到1#belt--亮 1#1#机器手旋转，到仓口机器手伸臂，到位-亮-亮 1#belt1#机器手夹货，夹住2#belt测物，有物2#测物，有物--亮-亮 亮
2#机器手降落，降到位-亮 2#机器手升起，升到位机器手旋转，到攻丝台-亮 - 2#机器手旋转，到2#belt-2#机器手伸臂，到位-亮 2#攻丝台底座，有物机器手夹货，夹住到攻丝台-亮- 亮 到打孔台-到攻丝台初位-亮亮 3#传送带测物- 亮 <水平 >
有物-3#传送带测物<竖直>，白
3#3#机器手降落，降到位-亮 3#机器手升起，升到位机器手旋转，到3#传送-亮 3#机器手旋转，到料台- 3#机器手夹货，夹住-亮 物料台有物 西仓有物东仓推到位-亮-亮 - 亮
9槽 1756-IB16/A
S3C-S 1 IN-0 西仓推到位-亮
S40-S 2 IN-1 4#传送带东传感器，有物-亮
S41-S 3 IN-2 4#传送带西传感器，有物-亮
S42-S 4 IN-3 4#传送带西推物，完全推出亮
S43-S 5 IN-4 4#传送带东推物，完全推出亮
S44-S 物-亮 S45-S S36-S
OUT
4
槽 J1-14 V0-1 V1-1 V2-1 V3-1 V4-1 J2-14 S2B-C S2C-C J5-14 J6-14 J7-14 V5-1 V6-1 V7-1 V8-1
5
槽 V9-1 V10-1 J8-14 V11-1 V12-1 V13-1 V14-1 V15-1 V16-1 V17-1 V18-1 未用 未用 V19-1 6 7 8 1756-OW16I/A 11 1 3 5 7 13 9 15 17 19 21 23 25 27 29 31 1756-OW16I/A 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
27 IN-5 IN-7 未知
OUT-5 OUT-0 OUT-1 OUT-2 OUT-3 OUT-4 OUT-6 OUT-7 OUT-8 OUT-9 OUT-10 OUT-11 OUT-12 OUT-13 OUT-14 OUT-15 OUT-0 OUT-2 OUT-1 OUT-3 OUT-4 OUT-6 OUT-5 OUT-7 OUT-8 OUT-9 OUT-10 OUT-13 4#传送带东西对称传感器，有 3#机器手伸臂，到位-亮 1#传送带转 1#1#推物机器手夹物
1#机器手伸臂 1#1#机器手升起机器手旋转 2#攻丝平台接近电机传送带转
攻丝平台远离电机攻丝正转 打眼电机转攻丝反转 2#2#机器手旋转机器手升起 2#2#机器手伸臂机器手夹物 攻丝下打孔下 3#传送带转
3#3#机器手旋转机器手升起 3#3#机器手伸臂机器手夹物 西料仓推物东料仓推物 吸盘下吸盘吸气 4#传送带西推物
IN-6 V20-1 29 OUT-14 4#传送带东推物 J1-14 31 OUT-15 4#传送带转
6槽 1756-OB16D/A
P-CP+ 1 OUT-0 吸盘移动 <脉冲> DIR+ 3 OUT-1 控制正反转，=0东，=1西
J2-14 5 OUT-2 4#竖直传送带转 L1 7 OUT-3 红 L2 9 OUT-4 黄 L3 11 OUT-5 绿
附录 2
附录 3
SCADA stands for supervisory control and data acquisition. It generally refers to an industrial control system: a computer system monitoring and controlling a process. The process can be industrial, infrastructure or facility-based as described below:
•
Industrial processes include those of manufacturing, production, power generation, fabrication, and refining, and may run in continuous, batch, repetitive, or discrete modes.
• Infrastructure processes may be public or private, and include water treatment and distribution, wastewater collection and treatment, oil and gas pipelines, electrical power transmission and distribution, Wind Farms, civil defense siren systems, and large communication systems.
• Facility processes occur both in public facilities and private ones, including buildings, airports, ships, and space stations. They monitor and control HVAC, access, and energy consumption.
Common system components
A SCADA System usually consists of the following subsystems:
• A Human-Machine Interface or HMI is the apparatus which presents process data to a human operator, and through this, the human operator monitors and controls the process.
• • • •
A supervisory (computer) system, gathering (acquiring) data on the process and sending commands (control) to the process.
Remote Terminal Units (RTUs) connecting to sensors in the process, converting sensor signals to digital data and sending digital data to the supervisory system. Programmable Logic Controller (PLCs) used as field devices because they are more economical, versatile, flexible, and configurable than special-purpose RTUs. Communication infrastructure connecting the supervisory system to the Remote Terminal Units.
Supervision vs. control
•
There is, in several industries, considerable confusion over the differences between SCADA systems and distributed control systems (DCS). Generally speaking, a SCADA system usually refers to a system that coordinates, but does not control processes in real time. The discussion on real-time control is muddied somewhat by newer telecommunications technology, enabling reliable, low latency, high speed communications over wide areas. Most differences between SCADA and DCS are culturally determined and can usually be ignored. As communication infrastructures with higher capacity become available, the difference between SCADA and DCS will fade
Systems concepts
The term SCADA usually refers to centralized systems which monitor and control entire sites, or complexes of systems spread out over large areas (anything between an industrial plant and a country). Most control actions are performed automatically by Remote Terminal Units (\"RTUs\") or by programmable logic controllers (\"PLCs\"). Host control functions are usually restricted to basic overriding or supervisory level intervention. For example, a PLC may control the flow of cooling water through part of an industrial process, but the SCADA system may allow operators to change the set points for the flow,and enable alarm conditions, such as loss of flow and high temperature, to be displayed and recorded. The
feedback control loop passes through the RTU or PLC, while the SCADA system monitors the overall performance of the loop.
Data acquisition begins at the RTU or PLC level and includes meter readings and equipment status reports that are communicated to SCADA as required. Data is then compiled and formatted in such a way that a control room operator using the HMI can make supervisory decisions to adjust or override normal RTU (PLC) controls. Data may also be fed to a Historian, often built on a commodity Database Management System, to allow trending and other analytical auditing.
SCADA systems typically implement a distributed database, commonly referred to as a tag database, which contains data elements called tags or points. A point represents a single input or output value monitored or controlled by the system. Points can be either \"hard\" or \"soft\". A hard point represents an actual input or output within the system, while a soft point results from logic and math operations applied to other points. (Most implementations conceptually remove the distinction by making every property a \"soft\" point expression, which may, in the simplest case, equal a single hard point.) Points are normally stored as value-timestamp pairs: a value, and the timestamp when it was recorded or calculated. A series of value-timestamp pairs gives the history of that point. It's also common to store additional metadata with tags, such as the path to a field device or PLC register, design time comments, and alarm information.
A Human-Machine Interface or HMI is the apparatus which presents process data to a human operator, and through which the human operator controls the process.
An HMI is usually linked to the SCADA system's databases and software programs, to provide trending, diagnostic data, and management information such as scheduled maintenance procedures, logistic information, detailed schematics for a particular sensor or machine, and expert-system troubleshooting guides.
The HMI system usually presents the information to the operating personnel graphically, in the form of a mimic diagram. This means that the operator can see a schematic
representation of the plant being controlled. For example, a picture of a pump connected to a pipe can show the operator that the pump is running and how much fluid it is pumping through the pipe at the moment. The operator can then switch the pump off. The HMI software will show the flow rate of the fluid in the pipe decrease in real time. Mimic diagrams may consist of line graphics and schematic symbols to represent process elements, or may consist of digital photographs of the process equipment overlain with animated symbols.
The HMI package for the SCADA system typically includes a drawing program that the operators or system maintenance personnel use to change the way these points are represented in the interface. These representations can be as simple as an on-screen traffic light, which represents the state of an actual traffic light in the field, or as complex as a multi-projector display representing the position of all of the elevators in a skyscraper or all of the trains on a railway.
An important part of most SCADA implementations is alarm handling. The system monitors whether certain alarm conditions are satisfied, to determine when an alarm event has occurred. Once an alarm event has been detected, one or more actions are taken (such as the activation of one or more alarm indicators, and perhaps the generation of email or text messages so that management or remote SCADA operators are informed). In many cases, a SCADA operator may have to acknowledge the alarm event; this may deactivate some alarm indicators, whereas other indicators remain active until the alarm conditions are cleared. Alarm conditions can be explicit - for example, an alarm point is a digital status point that has either the value NORMAL or ALARM that is calculated by a formula based on the values in other analogue and digital points - or implicit: the SCADA system might automatically monitor whether the value in an analogue point lies outside high and low limit values associated with that point. Examples of alarm indicators include a siren, a pop-up box on a screen, or a coloured or flashing area on a screen (that might act in a similar way to
the \"fuel tank empty\" light in a car); in each case, the role of the alarm indicator is to draw the operator's attention to the part of the system 'in alarm' so that appropriate action can be taken. In designing SCADA systems, care is needed in coping with a cascade of alarm events occurring in a short time, otherwise the underlying cause (which might not be the earliest event detected) may get lost in the noise. Unfortunately, when used as a noun, the word 'alarm' is used rather loosely in the industry; thus, depending on context it might mean an alarm point, an alarm indicator, or an alarm event.
Hardware solutions
SCADA solutions often have Distributed Control System (DCS) components. Use of \"smart\" RTUs or PLCs, which are capable of autonomously executing simple logic processes without involving the master computer, is increasing. A functional block programming language, IEC 61131-3 (Ladder Logic), is frequently used to create programs which run on these RTUs and PLCs. Unlike a procedural language such as the C programming language or FORTRAN, IEC 61131-3 has minimal training requirements by virtue of resembling historic physical control arrays. This allows SCADA system engineers to perform both the design and implementation of a program to be executed on an RTU or PLC. A Programmable automation controller (PAC) is a compact controller that combines the features and capabilities of a PC-based control system with that of a typical PLC. PACs are deployed in SCADA systems to provide RTU and PLC functions. In many electrical substation SCADA applications, \"distributed RTUs\" use information processors or station computers to communicate with protective relays, PACS, and other devices for I/O, and communicate with the SCADA master in lieu of a traditional RTU.
Since about 1998, virtually all major PLC manufacturers have offered integrated HMI/SCADA systems, many of them using open and non-proprietary communications protocols. Numerous specialized third-party HMI/SCADA packages, offering built-in compatibility with most major PLCs, have also entered the market, allowing mechanical
engineers, electrical engineers and technicians to configure HMIs themselves, without the need for a custom-made program written by a software developer.
The RTU connects to physical equipment. Typically, an RTU converts the electrical signals from the equipment to digital values such as the open/closed status from a switch or a valve, or measurements such as pressure, flow, voltage or current. By converting and sending these electrical signals out to equipment the RTU can control equipment, such as opening or closing a switch or a valve, or setting the speed of a pump.
Supervisory Station
The term \"Supervisory Station\" refers to the servers and software responsible for communicating with the field equipment (RTUs, PLCs, etc), and then to the HMI software running on workstations in the control room, or elsewhere. In smaller SCADA systems, the master station may be composed of a single PC. In larger SCADA systems, the master station may include multiple servers, distributed software applications, and disaster recovery sites. To increase the integrity of the system the multiple servers will often be configured in a dual-redundant or hot-standby formation providing continuous control and monitoring in the event of a server failure.
For some installations, the costs that would result from the control system failing are extremely high. Possibly even lives could be lost. Hardware for some SCADA systems is ruggedized to withstand temperature, vibration, and voltage extremes, but in most critical installations reliability is enhanced by having redundant hardware and communications channels, up to the point of having multiple fully equipped control centres. A failing part can be quickly identified and its functionality automatically taken over by backup hardware. A failed part can often be replaced without interrupting the process. The reliability of such systems can be calculated statistically and is stated as the mean time to failure, which is a variant of mean time between failures. The calculated mean time to failure of such high reliability systems can be on the order of centuries.
The processing was distributed across multiple stations which were connected through a LAN and they shared information in real time. Each station was responsible for a particular task thus making the size and cost of each station less than the one used in First Generation. The network protocols used were still mostly proprietary, which led to significant security problems for any SCADA system that received attention from a hacker. Since the protocols were proprietary, very few people beyond the developers and hackers knew enough to determine how secure a SCADA installation was. Since both parties had vested interests in keeping security issues quiet, the security of a SCADA installation was often badly overestimated, if it was considered at all.
These are the current generation SCADA systems which use open system architecture rather than a vendor-controlled proprietary environment. The SCADA system utilizes open standards and protocols, thus distributing functionality across a WAN rather than a LAN. It is easier to connect third party peripheral devices like printers, disk drives, and tape drives due to the use of open architecture. WAN protocols such as Internet Protocol (IP) are used for communication between the master station and communications equipment. Due to the usage of standard protocols and the fact that many networked SCADA systems are accessible from the Internet, the systems are potentially vulnerable to remote cyber-attacks. On the other hand, the usage of standard protocols and security techniques means that standard security improvements are applicable to the SCADA systems, assuming they receive timely maintenance and updates.
There is a trend for PLC and HMI/SCADA software to be more \"mix-and-match\". In the mid 1990s, the typical DAQ I/O manufacturer supplied equipment that communicated using proprietary protocols over a suitable-distance carrier like RS-485. End users who invested in a particular vendor's hardware solution often found themselves restricted to a limited choice of equipment when requirements changed (. system expansions or performance
improvement). To mitigate such problems, open communication protocols such as IEC IEC 60870-5-101 or 104, IEC 61850, DNP3 serial, and DNP3 LAN/WAN became increasingly
popular among SCADA equipment manufacturers and solution providers alike. Open architecture SCADA systems enabled users to mix-and-match products from different vendors to develop solutions that were better than those that could be achieved when restricted to a single vendor's product offering.
Towards the late 1990s, the shift towards open communications continued with individual I/O manufacturers as well, who adopted open message structures such as Modbus RTU and Modbus ASCII (originally both developed by Modicon) over RS-485. By 2000, most I/O makers offered completely open interfacing such as Modbus TCP over Ethernet and IP.
SCADA systems are coming in line with standard networking technologies. Ethernet and TCP/IP based protocols are replacing the older proprietary standards. Although certain characteristics of frame-based network communication technology (determinism,
synchronization, protocol selection, environment suitability) have restricted the adoption of Ethernet in a few specialized applications, the vast majority of markets have accepted Ethernet networks for HMI/SCADA.
With the emergence of software as a service in the broader software industry, a few vendors have begun offering application specific SCADA systems hosted on remote platforms over the Internet. This removes the need to install and commission systems at the end-user's facility and takes advantage of security features already available in Internet technology, VPNs and SSL. Some concerns include security, Internet connection reliability.
SCADA代表监控和数据采集。它一般是指工业控制系统：电脑系统监控和控制的过程。这个过程可以是工业，基础设施或设施，基于如下所述：
工艺包括工业制造，生产，发电，制造的，和完善，并可能在连续运行，间歇，重复，或分立模式。
基础设施的过程可能是公共或私人，包括水处理和配水，污水收集和处理，石油和天然气管道，电力传输和分配，风电场，民防警报系统，大型通信系统。 基金过程都发生在公共设施和私人的，包括建筑物，机场，轮船和空间站。
他们监视和控制空调，访问和能源消耗。
常见的系统组件
SCADA系统通常包括下列子系统：
一个人机接口或人机界面是仪器的介绍过程数据到操作员，并通过这些人的操作员监视和控制的过程。
一个监督（计算机）系统，收集（收购）对过程数据和发送命令（控制）的过程。 远程终端单元（RTUs），连接在这个过程中的传感器，传感器信号转换为数字数据和数字数据传送到监控系统。可编程逻辑控制器（PLC）作为现场设备的使用，因为它们是更加经济，多才多艺，灵活，比专用远程终端单元配置。通信基础设施的监控系统连接到远程终端单元。
监理主场VS控制
目前，在一些行业，SCADA系统和分布式控制系统（DCS）的差异相当大的混乱。一般而言，一个SCADA系统通常是指一个系统，坐标，但不会实时控制过程。关于实时控制是较新的电信技术令人感到迷惑不解有所讨论，实现可靠，低延迟，在广泛领域的高速通信。大部分的SCADA和DCS之间的差异是文化决定的，通常可以忽略。随着通讯与高容量的基础设施到位，SCADA和DCS系统之间的差别将消失。
系统概念
SCADA这个词通常是指监控监视和控制整个网站，或大面积蔓延（一间工厂，一个国家的任何东西）。大多数的管制行动是自动执行的远程终端单元（“RTUs”）或可编程逻辑控制器（“可编程控制器”）。主机控制功能，通常仅限于基本的压倒一切的干预或监督水平。例如，通过可编程控制器可以控制的工业过程中的冷却水流量，但SCADA系统可以让经营者转变为流动的设置点，并启用报警条件，如流量，温度高，损失显示和记录。反馈控制回路穿过RTU或PLC的，而SCADA系统监控
数据采集开始在RTU或PLC的水平，包括抄表和设备状态监控是传达给有需
要的报告。数据然后编译并以这种方式格式化一个控制室操作员使用的人机界面可以使监督的决定，调整或重写正常RTU通讯（PLC）的控制。数据也可以输入到一个历史学家，往往是商品数据库管理系统建设，让趋势和其他分析审计。
SCADA系统通常执行一个分布式数据库，通常被称为一个标签数据库，其中包含的数据元素称为标记或点。一个点代表一个输入或输出值监测或由系统控制。点可以是“硬”或“软”。硬点代表一个实际的输入或输出之内日一个人机接口或人机界面是介绍过程数据到操作员的仪器，并通过这些仪器来控制整个过程。 人机界面是一种通常与SCADA系统的数据库和软件程序进行连接，并提供趋势分析，诊断数据，管理信息，如定期维护程序，物流信息，为特定传感器或机器的详细图表和专家系统的故障排除指南。
人机接口系统，通常列出的资料，图形操作人员，在一个模拟图形式。这意味着，如果操作者可以看到的植物示意图被控制。例如，连接到一个管道泵图片可以显示运营商，水泵运行多少流体它是通过在目前管道抽水。操作者可以切换泵关闭。在人机界面软件将显示在实时管流体流量减少。模拟图可能由线图形符号和电路图代表元素，也可能包括与动画符号的工艺设备覆数码照片。
SCADA系统的人机界面的软件包通常包括一个绘图程序，经营者或系统维护人员使用，以改变这些点代表在界面的方式。这些陈述可以像一个屏幕上的交通灯，它代表了一个在外地，或者作为一个多投影仪代表在一个摩天大楼的电梯或全部所有复杂的实际位置显示简单的交通灯状态铁路上的火车。
SCADA系统实现的一个最重要的部分是报警处理。该系统可监控报警某些条件得到满足，以确定何时报警事件发生。一旦发生报警事件已被侦破，一个或多个采取行动，（如一个或多个报警指标活化，可能是电子邮件或文本，以便远程监控管理或经营者通报信息代）。在许多情况下，监控运营商可能不得不承认报警事件，这可能会关闭一些恐慌指标，而其他指标，直至报警条件被清除活跃。报警条件可以是明确的 - 例如，一个报警点是数字状态点的价值已经不是正常或恐慌是由我的价值观为基础的公式计算
硬件解决方案
SCADA解决方案往往分散控制系统（DCS）的组成部分。使用“智能”电大或可编程控制器，这是简单的逻辑能力自主执行过程中不涉及主计算机，正在增加。一个功能模块的编程语言，使用IEC 61131-3（梯形逻辑），经常用于创建方案，对这些电大和PLC运行。不像诸如C编程语言或FORTRAN的IEC 61131-3程序语言已经通过类似的历史实际控制阵列美德最低的培训要求。这使得SCADA系统工程师来完成设计和执行一项方案，将于1 RTU或PLC的执行。一个可编程自动化控制器（PAC）是一种紧凑型控制器相结合的特点和基于PC的contr能力关于1998年以来，几乎所有主要的PLC制造商提供集成的HMI / SCADA系统，其中许多人用公开和非专有的通信协议。许多专门的第三方的HMI / SCADA软件包，提供内置的兼容性与大多数主要的PLC，也进入了市场，让机械工程师，电气工程师和技术人员配置的HMI自己，而不写的一定制方案的必要性一个软件开发人员。该RTU的连接到物理设备。通常，RTU的转换，如开/从开关或阀门，测量封闭状态或从设备的电气信号，数字值，如压力，流量，电压或电流。这些转换成电信号，并传送出的RTU的设备可以控制，如打开或关闭一个开关或阀门，或设置一个泵高速设备。
监控站
所谓“监督站”指的是服务器和软件与现场设备（RTU，可编程控制器等），然后传递到HMI软件在工作站上运行控制室，或其他地方的责任。在较小的SCADA系统，主站可组成一台PC。在较大的SCADA系统，主站可包括多台服务器，分布式应用软件，和灾难恢复站点。为了增加了多台服务器往往是在一个双冗余或热备用提供一个服务器出现故障时形成连续控制和监测系统配置的完整性。
对于某些装置，成本会导致失败的控制系统是非常高。甚至可能会失去生命。 SCADA系统的硬件部分是耐用承受的温度，震动和电压极端，但在最关键设施的可靠性是有多余的硬件和通讯渠道加强，直至有多个控制中心设备齐全点。一个失败的部分可以迅速识别，其功能会自动备份硬件采取以上。失败的部分可以经常更换的过程不中断。这种系统的可靠性统计和计算的平均时间是要失败的，这是一个平均故障间隔时间变说。计算出的平均故障时间加工是分布在其中通过
LAN连接和他们分享实时信息的多个车站。每个站是为特定的大小和使各站低于第一代使用的一个成本的任务负责。所用的网络协议仍然主要专利，从而导致对任何监控系统，接到一名黑客注意的重大安全问题。由于协议是专有的，超出了开发者和黑客很少有人知道如何获得足够的确定是一个监控装置。由于双方都在安全问题上保持沉默，一个安装安全监控既得利益者往往是严重高估，如果它被认为在所有。这是当前一代的SCADA系统，利用开放式系统架构，而不是供应商控制的专有环境。 SCADA系统采用开放标准和协议，从而通过一个广域网分布，而不是一个局域网功能。这是比较容易连接第三方周边设备如打印机，磁盘驱动器和磁带驱动器由于采用开放式结构。例如互联网协议（IP）的广域网协议用于主机之间的通信和通信设备。由于使用的标准协议，事实上，很多网络监控系统是从Internet访问，这些系统可能受到远程网络攻击。另一方面，按标准规程和安全技术的使用意味着standa有一个趋势的PLC和HMI / SCADA软件更为“混合和匹配”。在20世纪90年代中期，典型的数据采集卡的I / O制造商提供的设备，使用了这样一个沟通的RS - 485适合长途电话运营商的专有协议。谁最终用户在特定厂商的硬件解决方案的投资往往发现自己限制在有限的选择设备时要求更改（例如系统扩容或性能改进）。为了减轻这样的问题，如IEC 60870-5-101通信协议开放东区走廊或104，IEC 61850标准，DNP3串行和DNP3局域网/广域网之间的SCADA越来越设备制造商和解决方案供应商的欢迎。开放式架构监控系统使用户能够混合和匹配来自不同厂商的产品开发解决方案，我们
对90年代后期，对个别的I / O制造商以及，谁通过了如Modbus RTU和Modbus的ASCII码（原均莫迪康开发）通过RS - 485开放式信息结构继续开放的沟通转变。到2000年，大多数的I / O制造商提供完全开放的Modbus TCP连接，如以太网和IP。
SCADA系统是未来符合标准的网络技术。以太网和TCP / IP的协议正在取代旧的专有标准。虽然框架为基础的网络通信技术（宿命论，同步，协议的选择，环境适应性）的某些特点，限制在少数专门的申请，通过以太网，市场的绝大多数已接受的HMI / SCADA系统的以太网网络。
随着软件在更广泛的软件产业服务，一些厂商已经开始出现，提供特定应用的远程监控系统平台上承载在互联网上。这消除了需要安装和佣金制度在最终用
户的安全设施，并注意到已经在利用互联网技术的功能可用，VPN和SSL的。一些关注，包括安全，]互联网连接的可靠性。
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