2013年IFAC研讨会：英国谢菲尔德远程实验室带有电动气动分类单元的新系统架构与应用

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德带有电动气动分类单元的远程实验室米格尔A。图片作者：JuanJ. 放大图片创作者：RobertJ. 塞尔吉奥·加尔·恰·德尔·坎托SUPPRESSresearchgroup，勒翁大学，工程学院-CampusdeVegazana，Le'on，24007，S pa i n. （电子邮件：ma.unileon.es）。翻译后摘要：远程实验室是很好的教育工具，让学生和教授，sors与自动化项目中使用的真实设备进行交互。在这项工作中，我们提出了一个新的系统，它包括一个电动气动分类细胞。该单元包括一个具有六个自由度的机器人该系统允许学生使用许多不同的工业设备，如PLC，驱动器，传感器或执行器，以及监控一个真正的工业系统。该系统的架构是基于三层架构（物理系统层，服务器层和客户端层），也用于平台的其余部分。此外，还开发了一个过程模拟和一组实际任务，以便学生可以通过我们远程实验室中的网页关键词：远程实验室，电-气仪表，PLC，分类单元，机器人。1. 介绍如今，在技术和工程教育领域，越来越多的远程实验室让学生与真实系统进行交互。这些工具的目的是提供对通过因特网访问的真实工业设备的实验（Nedic等人，2003年）。此外，远程实验室为教师提供了新的教学方法，他们可以在理论课上每天使用它们。在自动化和控制工程领域，存在一些相关的远程实验室，例如（Vargas等人，2011; Gillet等人，2005; Leva和Donida，2008; Casini等人，2004年）。Le 'on大学自动控制远程实验室（LRA-ULE）所有与控制系统相关的工程学位学生都使用模拟和教学或工业设备（Dom' ınguez等人，2005年，2011年）。此外，该平台具有灵活性和可扩展性，因此可以轻松添加来自不同制造商的新控制系统。对制造系统的理解是任何工业相关工程学位的关键目标。然而，这些系统包括许多不同的元素：传感器和执行器，机器人和控制系统。虽然这些元素通常在学位课程中深入研究，但很难提供整个制造系统的全球视角。然而，这些系统的综合分析将使学生了解工业设施中每个独立元素的作用，以及它们之间的相互作用为此，本文提出了一个教育柔性制造系统支持制造业教育，并使实际任务的发展。新系统由一个自动分类系统组成，该系统采用钢型材、电动气动执行器和一个具有六个自由度（DOF）的机器人。该系统包括几个元件，如可编程逻辑控制器，两个变频驱动器和不同的传感器和执行器，所有这些都是在实际工业系统中常用的通过这种方式，学生可以学习柔性制造系统，分析其组件并监控每个元素的运行。以前，一些作者已经提出了用于柔性制造单元的远程实验室 （ Bellmunt 等 人 ， 2006 年 ; Bullard 等 人 ， 2008;Castilla等人，2009年），专注于PLC（可编程逻辑控制器）和SCADA（监控和数据采集）系统的编程。图1.一、电动-气动分级单元概述© IFAC 351 10.3182/20130828-3-UK-2039.00050第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲352× ×面板1面板2面板3N1N2CS2CS3CS1B2CS4电动机换向CSR1CM2CSR2CM3N3CS5CM1导轨2阀B4气缸R3气缸R2气缸R1B1机器人臂B3传送带视觉系统气缸L1气缸L2马达1轨1轨道3马达3马达2I/O模块输入端子电源控制PLC驱动器2驱动器1机器人控制器存储表输出端子常规阀图二、电-气分级单元的总体示意图本文的组织结构如下。第二节介绍了第3节介绍了通过Web访问远程系统的网络体系结构。第4节详细介绍了一些拟议的实际任务。最后，在第5节中讨论了结论。2. 电动气动分级单元该系统由Le'on大学的监控和过程自动化（SUPPRESS）研究小组设计，用于自动化和控制工程领域的实验项目开发，特别是专注于远程控制教育。物理系统（见图1和图2）是一个电动气动单元，具有六自由度机器人，旨在通过识别附在每个钢截面一侧的图形代码将钢件（6 6 8 cm）分为三类该代码由摄像机作为图像获取，并进一步处理以获得确定坡道中适当车道这个过程包括一系列的步骤。首先，机器人使用气动夹持器从存储台上拾取工件。然后，将此件放置在传送带的一端，在计算机视觉系统的作用下进行件码的采集该处理程序已在Matlab中开发，并使用OPC服务器来实现与PLC的通信。一旦工件的代码被处理，其组被确定并且传送带被激活。在传送带的末端，一个气动机械臂连接到一个滑台上，拾取工件，并根据工件代码将其放置在分类坡道的三个通道中的一个。当所有可用的分类过程当物品完成时，机器人从分类坡道上收集碎片，并将它们再次放回存储台。用于该分类系统的设备通常用于工业环境中，并在以下小节中详细描述。2.1 机器人6自由度机器人是ABB IRB 1400，具有两个末端执行器、一个真空吸盘和一个平行开口的气动夹持器。气动夹持器的功能是将工件从存储台上取下，并将其放置在传送带的一端，而真空吸盘的功能是从分类坡道上收集工件，并将其放回存储台。2.2 处理程序它由一个线性滑台和一个气动臂组成，该气动臂将工件从输送机的末端移动到分类坡道的适当通道。气动处理机的垂直和水平运动通过两个蜗杆驱动器与两个异步电机（230/400 V，50 Hz，0.25 KW）耦合来执行。变频驱动器，施耐德电气Altivar 71（1.5千瓦），控制两个电机交替。与电机的连接通过一组继电器进行切换，因此气动机械手不能同时进行垂直和水平移动。2.3 输送带和电动气动元件该系统有一个线性输送机，由五个气动气缸驱动的十个机电阀门放置第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲353移动物体。进气口的总流量由阀门改变。在该阀之后，整个回路分叉成三个独立的回路（处理器、传送带和机器人），每个回路都有自己的工艺阀。工件的位置由光电传感器确定，而气缸将工件放置在由其特性确定的特定位置，因此与分类坡道中的适当最终位置相关。位于传送带开始处的计算机视觉系统确定工件的类型。它包括一个带有CCD传感器的松下WV-CD 20相机以及一个在Matlab中开发并在控制计算机上运行的图像处理应用程序。2.4 分级坡道这个斜坡是用铝框架建造的，它用于分拣气动处理机落下的碎片。轨道表面由不锈钢制成。导轨位于不同的高度，以便于观察工件的位置。2.5 控制面板此面板包含控制系统的设备以及两个24V、5/10A电源。主要元件是一个可编程逻辑控制器（Modicon Pre- miumTSX P57），实现管理系统的控制策略。输入/输出模块为分散式，STB NIP-2112，通过Modbus与PLC通信两个施耐德电气Altivar 71变频驱动器也在这个面板中一个驱动处理机的电机，而另一个负责输送机的电机2.6 控制PC该PC运行单元正常运行及其与其他客户端通信所需的软件安装了OPC服务器，以便可以从外部读取或写入应用程序，在Matlab中编程，处理由摄像头拍摄的图像，并根据其代码安排件利用OPC与PLC通信。单元的控制策略用Unity Pro编程。3. 网络架构将 物理 系统 连接 到 网络 的架 构 基于 三层 结构 （Dom'ınguez et al.，2011年）。该架构使用物理层、服务器层和客户端层，如图3所示。该系统的物理层由三个主要部分组成，细胞和机器人（传感器和执行器），采集系统（STB NIP-2112分布式I/O）和控制系统的物理元素Modbus TCP/IP协议用于通过以太网局域网与具有变量的PLC进行图三.网络架构频率驱动器和分布式输入/输出模块，其从系统的物理元件（例如位置传感器、电动气动阀和机器人的输入和输出）以太网也用于控制PC与PLC和摄像机的通信。服务器层包括位于里昂大学数据处理中心的四台服务器。其中两个（Web服务器和代理服务器）直接连接Web和代理服务器位于隔离区（DMZ）内，该隔离区限制传入连接以提供额外的安全性。接下来，简要描述由每个服务器执行的功能控 制 器 服 务 器 执 行 两 个 基 本 任 务 。 首 先 是 通 过LabVIEW开发的应用程序管理与数据库的通信，该应用程序通过OPC客户端获取PLC变量该客户端与安装 在 控 制 计 算 机 上 的 施 耐 德 OPC 服 务 器 （ OFSv3.31）通信，并通过ODBC链接将它们写入数据库。第二个任务是通信，也通过OPC，PLC和控制PC上运行的应用程序之间的通信，以处理将要排列的工件的图像为此，Matlab使用一个工具，允许它作为OPC客户端，以确定适当·第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲354每个工件的斜坡，并将此信息发送到控制PLC。数据服务器存储来自数据库管理系统中的物理变量的数据。数据库中的存储以大约200ms的间隔触发。Web服务器提供了提供给最终用户的接口，响应用户 请 求 并 对 其 进 行 适 当 的 管 理 Web 界 面 已 通 过Drupal内容管理系统（CMS）以PHP和HTML实现。CMS负责用户身份验证以及用户和物理系统之间所有中间操作的执行。它的主要目的是建立在客户端显示的界面，使用户能够控制和可视化系统。代理服务器管理具有公共IP的Web服务器与具有私有IP的资源之间的通信。出于安全原因，只有经过身份验证的用户才能访问物理设备此服务器用于执行网络过滤、连接跟踪和静态网络地址转换（NAT）。客户端层允许注册用户访问分类单元的理论和实践资源该层与远程用户交互，远程用户通过具有互联网连接的PC访问远程实验室。客户端使用带有选项卡结构的Drupal页面4. 远程实践该分类单元的目的是，具有自动化和控制系统相关科目的工程学位的学生可以使用真实设备执行远程实际任务。这些单元包括各种变送器和执行器（机械、电气和气动）以及控制回路的不同元件，如PLC、DCS、变速驱动器或工业机器人。因此，它们是培训自动控制工程师的绝佳工具。为了使学生与单元格进行交互，开发了一个网络界面（见图4）.初始页面包括系统的一般描述，以及四个选项卡，链接到组件的描述和图片，技术数据，3D动画（见图5），让学生从不同的角度查看系统操作，显然，远程任务和网络摄像头。为该系统设计的一系列实际任务集中于研究这种类型平台中使用的仪表和控制系统。从工业仪表的角度来看，学生可以学习磁性，感应或其他传感器和电气，机械或气动执行器的特性和适用性（见表1）。从PLC的控制、配置和编程的角度，可以研究变速驱动器的参数化、机器人和通信网络的编程。(a) 界面的一般视图(b) 远程控制接口见图4。用于与系统图五.分类单元格因此，要求学生识别细胞的元素及其主要特征。其目的是为学生提供一个灵活的制造系统中使用的仪器和控制系统的实际理解。这一任务巩固了有关仪表在实际控制系统中的知识在这个实践任务中，学生必须识别单元布局中表1所列的组件。为此，他们可以使用远程实验室中包含的电子资源，例如3D动画，···第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲355表1.元件单位描述代码电源1电源; 24V; 5AQUINT-PS-100/240AC/24DC/5A1电源; 24V; 10AQUINT-PS-100/240AC/24DC/10A1电源模块TSX PSY 2600PLC Modicon TSX Premium1CPU模块TSX P572541通信模块TSX EY51031CPU和通信模块NIP 21121电源模块PDT 3000分布式I/O3数字输入模块DDI 37253模拟输入模块DAI 37051数字输出模块DD0 37056磁性，直接安装D-A931磁性，直接安装D-Y54磁性，支架安装D-F79限位开关和传感器2磁性，带安装D-H7A28感应E2K-X8ME15光电，可调E3F2-DS30B43压力传感器PSE 5001过滤器-调节器装置EAW200-F02-X691渐进式开启阀EAV3000-F30G-5YZ-Q3回路阀VP542-5YD1-03FA压缩空气分配11真空喷射器双稳态电磁阀5/2公司简介公司简介3单稳态电磁阀5/2公司简介10电磁阀组SQ113N-5-C65-Q1双稳态电磁阀机器人SY55320-5LOU5气压缸CD85N25-100-B1线性转换表MXS25-100AS气动致动器11线性转换表平行开口夹爪MXS16-50ASMHL2-10D1平行开口夹爪MHQG2-32D1真空杯-1三相电机0.25 kWCHT 63B2电机1单相电机0.15 kW1-LA5060-4AA29- 10002驱动施耐德电气Altivar 71计算机视觉系统1松下相机公司简介1Conceptronic视频适配器C08-0991MATLABR2009b软件1OPC Server for DDE（OPC Serverfor DDE）V3.311Unity Pro XLV3.0视频和技术手册。接下来，他们必须使用手册识别组件的特性。例如，要求他们确定不同传感器的参数，如精度、范围等。接下来，学生需要使用细胞的控制系统。首先分析了PLC中运行的程序、机器人指令表和变速驱动器的启动在PLC的情况下，控制策略在GRAFCET中编程，而在机器人的情况下，程序使用RAPID语言。学生的以下任务是通过互联网对控制进行参数化。对于PLC，他们选择参数，如气缸的激活顺序或单元执行的循环次数。在变速驱动器中，感兴趣的参数是传送带驱动器的频率、控制算法（矢量控制或V/f控制）和减速/加速曲线。为了介绍这些参数，学生们在网站上填写了一张表格。学生只能在一个固定的范围内修改参数，这是由网络界面的限制，也检查在Matlab或PLC。因此，学生不能改变控制算法。虽然这一限制可能会限制远程实验室的实际应用中，出于安全原因，它是必要的。使用第3节中所述的OPC数据库通信将参数值发送到控制系统，即，这些参数被存储在数据库表中，并且OPC中间件将它们传送到修改控制系统中的实际寄存器的OPC服务器。学生被要求通过不同的参数设置远程启动和停止系统，通过显示的视频馈送监控单元的实时操作在web界面中。通过这种方式，学生可以检查单元格的操作，并确定是否达到了预期的行为。最后，可以下载表1中列出的大多数变量的数据，以便使用任何第三方软件进行进一步处理。学生必须识别细胞的顺序功能图，并解释不同的参数化如何影响细胞的行为。5. 结论用于控制学科教育的远程实验室是一个强大的工具，让学生通过实验巩固理论知识，第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲356真正的设备，如工业环境中的设备因此，远程实验室也可以鼓励学生获得新的实用概念，并了解真实系统的工作原理。在这项工作中，我们包括LRA-ULE远程实验室平台的一个系统组成的几个元素（PLC，传感器，执行器，机械手或机器人）在实际控制系统中使用，一起工作，以建立一个classi- fication细胞。开发了一个程序来处理图像并识别附着在钢件上的代码机器视觉软件和PLC之间的通信该平台的远程实验室的架构是基于三层结构（物理层，服务器层和客户端层），所以这种方法已被应用到集成新的系统在一个简单的和无缝的方式。另一方面，已经开发了一套实用的任务，使学生了解整个系统的操作和每个元素所执行的功能，通过我们的远程实验室中包含的界面。作为补充资源，可提供该过程的3D表示和真实视频。确认这项工作得到了西班牙创新部（MICINN）和欧洲联邦发展研究基金（EuropeanFEDER）在DPI 2009 -13398-C02 -02赠款下的部分支持引用Bellmunt，O.，Miracle，D. 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