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寧波大紅鷹學院畢 業(yè) 設 計 論文 任 務 書 所在學院 機電學院 專業(yè) 機械設計制造及其 自動化 班級 08機 6 本 學生姓名 沈玉萍 學號 08141010626 指導教師 龔方 題 目 基于 UG CAD CAM的箱體 wl制造 一 畢業(yè)設計 論文 工作內容與基本要求 箱體零件為大批量生產 在對箱體零件進行零件圖分析和工藝分析的基礎上 制 定零件加工工藝規(guī)程 設計 1 2 套工裝夾具 數(shù)控編程 具體要求 1 查閱文獻資料不少于 12 篇 其中外文資料不少于 2 篇 文獻翻譯不少于 2000 字 文獻綜述不少于 3000 字 2 繪制箱體零件和毛坯圖 3 制定零件加工工藝規(guī)程 4 設計工序加工中所采用工裝夾具 1 2 套 繪制 2D 3D CAD 裝配圖及部分主 要零件圖 5 數(shù)控加工需手工或自動編制數(shù)控加工程序 6 撰寫 1 萬字以上設計說明書一份 繪圖量為三張 A0 圖紙 二 畢業(yè)論文進度計劃 畢業(yè)設計 論文 時間 2011 年 07 月 01 日至 2012 年 02 月 01 日 其中 1 2011 年 09 月 開學前完成文獻資料查閱 翻譯外文論文 撰寫文獻 綜述 2 2011 年 09 月 20 日 提交開題報告 3 2011 年 11 月 01 日 完成畢業(yè)設計 論文 第一稿 4 2011 年 12 月 01 日 完成畢業(yè)設計 論文 第二稿 計 劃 答 辯 時 間 2011 年 04 月 01 日 三 專業(yè) 教研室 審批意見 審批人 簽字 機械與電氣工程學院 畢業(yè)設計 論文 外文翻譯 所在學院 機電學院 班 級 08 機自 6 班 姓 名 沈玉萍 學 號 08141010626 指導教師 龔方 合作導師 2011 年 12 月 9 日 原文 DCS Based Process Control Simulating System Abstract A distributed control system DCS based on two layer networks for experimental teaching is presented in this paper Three sets of equipments are used as process objects with their parameters such as pressure temperature level and flow rate being controlled variables This system has multiform training functions Students can not only set up basic experiments about the process control but can also design complicated control system The result of 4 years use shows it is an ideal engineering simulating system for students major in industrial automation Key Words DCS process control simulating system experimental teaching network 1 INTRODUCTION Control education is an integral part of the community s activities and one of its most important mechanisms for transition and impact In 1998 the National Science Foundation NSF and the IEEE Control Systems Society CSS jointly sponsored a workshop in control engineering education which made a number of recommendations for improving control education One of them is about experiments Experiments continue to form an important part of a control education and projects should form an integral part of the curriculum for both undergraduate and graduate students The idea of using distributed control system for process control emerged in the 1970s Now it is widely used in manufacturing chemicalindustry papermaking textile food processing power etc DCS integrating advanced computer control communications and CRT technologies has played an important role in raising technological level reducing cost and making production more flexible and integrated So it is very important to establish a DCS simulating system in university We have set up the system in 2002 The system can bring more understanding of real world problems to the students 2 SYSTEM BUILDUP Most modern industrial process control system adopts two layer network topological structure The lower one field bus comes close to the process and the upper one Ethernet mainly locates inside control room Such structure disperses control and centralizes management and operation Our system bases just this structure with the benefits of letting students familiar with current industrial network control As shown in Figure 1 our system consists of 16 operator stations one I O station and 3 sets of process equipments 2 1 The Distributed Computer System From Figure 1 we can see that the distributed computer system is connected by two layer networks The monitoring network is implemented via 10M 100M pen Ethernet The TCP IP protocol is used The buses connected by I O stations and operator stations are information channels for plantwide supervision and control According to the specifications of a process the web server linked to Internet can also be set to achieve remote monitor This network is arranged redundantly so the system proves reliable The field network interconnected by I O station and its I O modules uses Profibus DP and transmits a variety of information and parameters in real time The operator stations are general purpose PCs They act as engineering stations when used for off line configuration so 16 students can program at the same time While for on line use the students can monitor and control the process on these PCs The I O station is a domestic product developed by Beijing Hollysys Co Ltd Its design adopts standardization and modularization The I O station based on high performance microprocessors and mature control algorithms can response as soon as possible to the internal and external events It has 5 local modules i e two FM148 analog input cards one FM151 analog output ard one FM161 digital input card and one FM171 digital output card Each card has particular microprocessor responsible for its control test calculation and diagnosis thus enhancing its selfcontrol level and dramatically improve its reliability and safety The station or modules can be shifted without disturbance in case of trouble Therefore the system is able to control in real time and with high quality 2 2Process Equipments Process control is an important course of automatic major After learning the theories in the classroom the students have an eager for digesting and understanding The control community has a strong history of impact on many important problems and industry involvement will be critical for the eventual success of the future directions How to imitate industrial process is an important concern We have built 3 sets of equipments representing pressure process level process temperature and flow rate process individually The three sets of equipments can also be used for normal instrumentation control or direct digital control All the connections are wired to the panel so does the I O station The process equipments can be flexibly linked to different controller by plug contacts on the panels There are different kinds of transducers installed on the process to provide a variety of signals such as tempera ture level pressure and flow rate These signals are analog inputs to DCS The final operating elements include electric heater switching components and control valves DCS outputs analog or digital signals to the elements The combination of the process equipments with the distributed computer system explores the frontiers of control including increased use of computing communications and networking as well as exploration of control in application domains 3 SOFTWARE CONFIGURATION AND OPERATION In the computer control field it has been customary to overcome some of the programming problems by providing table driven software A user of the DCS is provided with a configuration package that allows the user to generate a DCS system simply by configuring so very little effort is needed to program The package providing device database control scheme graph and report forms configuration is run off line on the engineering station Configuration of the DCS is implemented from up to down by conforming to hardware structure It is divided into the following 5 steps Devices registration to configure system hardware including the number of I O stations or operator stations along with their network addresses and each I O station s hardware such as data transmission card I O card Database configuration to define signal points and parameters set Control scheme configuration classified as conventional configuration which provides many control blocks like feedback cascade ratio and self defined one that is programmed in real time control language similar to BASIC Graph configuration to make various pictures such as survey standard display adjust control trend flow chart alarm displayed on high resolution color CRT and compound windows more abundant and menu function more live this configuration to configure diagrams for operator to monitor and control the process in real time Report forms configuration to provide statistic report of the process Before running the software all the configurations must be compiled linked and downloaded to the operators where several networked PC sharing the overall workload are able to monitor and control all aspects of process from a variety of live displays and friend interactions Or the operator will run the system downloaded last time The operator is extended with flat sealed film keyboard touch screen and global mouse to let operations easier Through the man machine interaction the process data can be collected analyzed recorded and controlled in real time the system structure and configure loops can be modified on line local breakdown can be fixed on line Once the process is abnormal the hardware will self diagnose and inform the operator stations that personnel around the field find the breakdown and that the indicator lamps on cards on I O station shows the fault location Such dual means of indication together with breakdown alarm and hot plug in plug out make it possible to fix breakdown on line and to run system safely and reliably 4 EXPERIMENTAL PROJECTS Our DCS simulating system can train 16 students at the same time The training functions are versatile from hardware and software configuration to complicated system design and debug By I O station 11 inputs from the 3 sets of equipments are measured and controlled 7 control valves and 1 electric heater of the processes are manipulated in real time to implement temperature pressure level and flow rate control breakdowns are detected and the system is maintained Live measured values and status indications reveal the current situation Process operators monitor and control the long distance processes from their own consoles The students operate the system as if they are in the real world industrial automation The flow chart of temperature and flow rate control sys tem is shown in Figure 2 T1 T2 are measured temperature of the inner and outer water tank FT1 FT2 are flow rate of the water into the inner and outer tank WVL1 and WVL2 are two outputs from the I O station to change the open range of the valves ZK is a switch for turning on or off the electric heater This system control is made up of 2 single variable closed loops T1 control and FTI Control 1cascade T1 T2 and 1proportion FT1 FT2 loop All loops adopt normal PID which parameters can be dynamic adjusted from the operator station The four control loops and main chart of the system can be easily shifted by pressing the buttons on the bottom of the graph as shown in Fig 2 5 CONCLUSION The result of 4 years use for both undergraduate and graduate shows experimental training is especially efficient to help students understand the technique of industry process the dynamic characters of the control system and to improve students ability to operate and control the process The convenient hardware connections make the DCS teaching system easily operated and the effortless software configuration renders different control algorithms implemented flexibly Besides basic experiments about the process control students have also designed complex control system to meet stricter product specifications 譯文 基于 DCS 過程控制仿真系統(tǒng) 摘要 本文提出的是一個建立在實驗教學雙層網絡上的分布式控制系統(tǒng) DCS 其中配備三套設備 用于監(jiān)測實驗過程對象中自身的流量 水平 溫度的次數(shù) 變量 該系統(tǒng)具有多種形式的培訓職能 學生不僅可以設立有關控制程序的基 本實驗 而且還可以設計復雜的控制系統(tǒng) 經過 4 年的使用結果表明 DCS 過 程控制仿真系統(tǒng)是一個非常理想的工程模擬系統(tǒng) 我們可以利用它做工業(yè)自動 化的學習研究 關鍵詞 DCS 過程控制 仿真系統(tǒng) 實驗教學 網絡 1 緒論 控制系統(tǒng)的教育機構是社會體系中的組成部分 在有舉足輕重的位置 它 是一個重要的轉變和影響機制 在 1998 年 美國國家科學基金會 NSF 和電 氣和電子工程師控制系統(tǒng)協(xié)會 CSS 聯(lián)合舉辦教育控制工程教育研討會 本提 出了如何改善控制系統(tǒng)的教育機構的若干建議 其中就有關于實驗的提議 研 究人員表明 DCS 過程控制系統(tǒng)應當始終作為控制系統(tǒng)學習的重要組成部分 應 作為對本科生和研究生課程的組成部分 上世紀 70 年代 分布式控制系統(tǒng)就出 現(xiàn)在過程控制應用之中 到現(xiàn)在 它被廣泛用于制造 化工 造紙 紡織 食 品加工 電力等各種領域 分布式控制系統(tǒng)結合了先進的計算機 控制 通信 和 CRT 技術 為生產技術水平不斷提高 減少成本起到重要的作用 使得生產 更具有靈活性和綜合性 如此看來 我們在大學期間 建立一個 DCS 仿真系統(tǒng) 是非常重要的 在 2002 年 我們成功建立了這個系統(tǒng) 該系統(tǒng)的建立 可以讓 學生更多的了解實際遇到的問題 2 系統(tǒng)建立 大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)過程控制系統(tǒng)都是采用兩層網絡拓撲結構 系統(tǒng)采用一個 較低的現(xiàn)場總線來關閉進程 用一個以太網來控制整個系統(tǒng)操作 使用這種分 散式結構控制和集中管理和運作 我們的系統(tǒng)就是基于這樣的機構上 可以更 有利于學生熟悉目前的工業(yè)控制 如圖 1 我們的系統(tǒng)包括 16 個操作站 一個 I O 站和 3 套加工設備 2 1 分布式計算機系統(tǒng) 我們從圖 1 的分布式計算機系統(tǒng)可以看出 分布式計算機系統(tǒng)是由 2 層網 絡連接組成 該監(jiān)測網絡是通過 10M 100M 以太網實施控制 并在 TCP IP 協(xié) 議下使用 系統(tǒng)由總線連接各個 I O 站點 操作員站連接所有信息渠道 可以 在整個系統(tǒng)范圍進行監(jiān)督和控制 依據整個過程的結構 在網絡服務器鏈接到 互聯(lián)網的 條件下 也可以設置實現(xiàn)遠程控制 該網絡采用冗余安排 以便使得系統(tǒng) 絕對的可靠 外部網絡通過 I O 總站連接到系統(tǒng) 并在 I O 模塊中使用現(xiàn)場總 線段落準確的傳輸各種信息和參數(shù) 操作站作為工程總站 通過主機的控制 在不在現(xiàn)場的情況下 可以讓 16 名學生同時進行工程訓練 而且學生可以使用電腦程序通過網絡對這些操作進 程監(jiān)視和控制 該系統(tǒng) I O 控制站是基于北京和利時發(fā)展有限公司的產品 它 的設計采用標準化和模塊化 該 I O 站的基于高性能微處理器和成熟的控制 算法 能盡快回應系統(tǒng)內部和外部的各種操作 它由 5 個本地模塊組成 即兩 個 FM148 模擬輸入卡 一 FM151 模擬輸出卡 一卡 FM161 數(shù)字輸入和一個 FM171 數(shù)字輸出卡 每個卡都具有其特定的微處理器 負責不同的控制 測試 計算和診斷 由此來加強系統(tǒng)自身的控制水平 大大提高了它的可靠性和安全 性 在糟糕的情況下 這樣的控制站可以一直啟動無干擾模式 由此可見 這 樣的系統(tǒng)可以保證高品質的且非常準確的控制 2 2 工藝設備 過程控制是一個非常重要并且艱巨的工程 學生通過課堂理論學習之后 需要進一步去消化和理解 而這個控制系統(tǒng)在過去很多年里影響到很多重要事 件 而在未來的發(fā)展方向主要與各個行業(yè)的合作 這將是最終取得成功的關鍵 如何去模仿工業(yè)過程是一個重要的問題 我們已建立 3 個獨立設備 分別用于 代表壓力加工設備 工藝水平 溫度和流量水平 并且這 3 套的設備也可用于 正常儀表控制或直接數(shù)字控制 所有設備都通過線路連接到控制面板 同時也 連接到 I O 站點 并且可以自由的與控制面板上的任何插頭連接 在過程控制 系統(tǒng)中安裝有各種不同的傳感器 用于監(jiān)測如溫度 真實姿態(tài) 液位 壓力和 流量 給控制站反饋多種信息 這些信息通過模擬輸入到 DCS 然后通過電熱 水器 開關元件 和控制閥等操作元件控制整個過程 形成一個反饋系統(tǒng) 然 后集散控制系統(tǒng)輸出模擬或數(shù)字信號的元素 這套控制系統(tǒng)設備是與分布式計 算機控制系統(tǒng)結合而進行的前沿探索 包括增加使用的計算 通信和網絡 以 及在應用程序的控制等等 3 軟件配置和運行 在計算機控制領域 已經克服了驅動軟件編程的一些問題 DCS 系統(tǒng)為用 戶提供一個配置包 允許生成一個簡單的 DCS 系統(tǒng)配置 所以用戶可以很輕松 的設計方案 這個提供有設備 數(shù)據庫 控制計劃 圖形和報表配置的系統(tǒng)包 在工程站內可以離線運行 DCS 的配置是順應硬件結構從上網下實現(xiàn)的 它分 為一下 5 個步驟 設備登記系統(tǒng)硬件配置 其中包括跟蹤其網絡的 I O 站或操作站地址和 每個 I O 站的硬件 如數(shù)據傳輸卡 I O 卡 數(shù)據庫配置來定義信號點和參數(shù)設置 控制計劃配置列為常規(guī)配置 提供許多反饋控制塊 梯級 比率和自定義 這是類十余 BASIC 語言的實施控制程序 用圖像來顯示各種諸如調查 標準顯示 調整 控制 趨勢 流程圖的數(shù) 據 然后用高分辨率彩色顯像管和更豐富的復合窗口和菜單功能顯示操作現(xiàn)場 用此配置來配置運行圖 一檢查和控制實時處理 報告提供的統(tǒng)計表格配置的進程 在運行該軟件下 所有的配置都將被編 譯 鏈接并下載到運營商 這個運行商必須有幾個聯(lián)網的電腦用于共享整體工 作情況 以便可以監(jiān)視和控制現(xiàn)場展示各種進程的所有方面 或者經營者將運 行系統(tǒng)下載最后一次 經營者擴展了平面密封薄膜鍵盤 觸摸屏和鼠標 讓所 有行動更容易 通過人機互動的過程中可以收集數(shù)據 分析 記錄和實時控制 該系統(tǒng)結構和配置的循環(huán)可以被修改 在線 本地故障可在線修復 一旦這個 過程是不正常的 硬件會自動診斷并通知操作員站 現(xiàn)場工作人員圍繞故障進 行查找 并在卡片上我指示燈 O 站顯示故障位置 這種雙重手段的跡象說明 具有連接故障報警和熱插件插件可以實現(xiàn)在線修正線路故障 使得系統(tǒng)運行的 更加安全可靠 4 實驗項目 我們的 DCS 仿真培訓系統(tǒng)可以讓 16 名學生同時操作 培訓職能對硬件和軟 件配置復雜的系統(tǒng)設計和調試都是通用的 I O 站的 11 個輸入點由 3 臺進行 測量和控制的設備 7 個控制閥和一個電加熱器的進程實現(xiàn)的 用于實時操作 執(zhí)行溫度 壓力 液位 流量的控制和故障檢測和系統(tǒng)的維護 現(xiàn)場測量值和 狀態(tài)的跡象表明目前系統(tǒng)的運行狀況 自身的操作站可以處理系統(tǒng)運行的過程 監(jiān)控和控制 學生操作該系統(tǒng) 猶如他們是在現(xiàn)實工業(yè)自動化操作中 溫度和 流量控制系統(tǒng) 透射電鏡流程圖如圖 2 所示 T1 和 T2 用來測量的內 外水箱 的溫度 FT1 和 FT2 用來顯示內外水箱的水流流速 WVL1 and WVL2 是兩個從 I O 站輸出的數(shù)值 控制閥門開啟程度 ZK 是一個打開或關閉電加熱器的開關 該系統(tǒng)的控制是由 2 個單變量閉合回路 T1 控制和 FTI 控制 一個串聯(lián) T1 T2 一個比例循環(huán) FT1 FT2 構成 所有的回路采用從操作站動態(tài)調整的常規(guī) PID 四個控制回路和系統(tǒng)的主要圖表可以很容易地轉向按本圖底部的按鈕 如 圖 2 所示 5 結論 在 4 年的本科和研究生的使用結果表明 實驗培訓可以非常有效的讓學生 了解產業(yè)的工藝技術 而這個控制系統(tǒng)的動態(tài)特性 更可以提高學生的操作和 控過程的能力 便捷的連接 使 DCS 的硬件教學系統(tǒng)操作非常簡便 同時簡便 的軟件配置使得實施不同的控制算法變的非常靈活 除了對于過程控制的基本 實驗 學生們還設計了復雜的控制系統(tǒng) 以滿足更嚴格的產品規(guī)格 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計 論文 開題報告 課題名稱 基于 UG CAD CAM 的箱體 wl 制造 課題來源 教師擬訂 課題類型 A 工程設 計 指導教師 龔方 學生姓名 沈玉萍 專 業(yè) 機械設計 制造及其 自動化 學 號 08141010626 開題報告內容 調研資料的準備 設計 論文的目的 要求 思路與預期成果 任務 完成的階段內容及時間安排 完成設計 論文 所具備的條件因素等 1 調研資料的準備 在做任何事情前 先收集資料是必不可少的 因此 在拿到畢業(yè)設計的課題時 我 先在網上查閱了跟課題相關的資料 在眾多的資料當中挑選對課題有幫助的資料下載下 來 然后再去圖書館借閱了一些跟機械設計制造相關的文獻 之后 在準備做課題的過 程中 老師為我準備了和我課題相關的一些資料 結合老師給的信息 我對手頭上所擁 有的資料進行了整理 運用這些資料 我開始著手做畢業(yè)設計 2 設計 論文的目的 畢業(yè)論文是學生在校期間十分重要的綜合性實踐教學環(huán)節(jié) 是學生全面運用所學的 專業(yè)知識 基礎理論和知識 對實際問題進行研究或設計的綜合性訓練 畢業(yè)論文意在 檢驗學生獨立工作能力 分析和解決問題的能力和創(chuàng)新能力 對學生的知識面 只是深 度的掌握 外語水平 書面及口頭表達能力的考察 畢業(yè)論文使學生在思想作風 工作態(tài)度 組織紀律和團結協(xié)作等方面說到良好的鍛 煉 對學生以后進入工作崗位有很好的幫助 3 要求 畢業(yè)論文要求學生合理的運用知識 本次畢業(yè)論文的箱體零件為大批量生產 在對 箱體零件進行零件圖分析和工藝分析的基礎上 制定零件加工工藝規(guī)程 設計 1 2 套工 裝夾具 數(shù)控編程 具體要求如下 查閱文獻資料不少于 12 篇 其中外文資料不少于 2 篇 文獻翻譯不少于 2000 字 文獻綜述不少于 3000 字 繪制箱體零件和毛坯圖 制定零件加工工藝規(guī)程 設計工序加工中所采用工裝夾具 1 2 套 繪制 2D 3D CAD 裝配圖及部分主 要零件圖 數(shù)控加工需手工或自動編制數(shù)控加工程序 撰寫 1 萬字以上設計說明書一份 繪圖量為三張 A0 圖紙 4 思路與預期成果 寫論文時必須要思路明確 條理清晰 首先 根據畢業(yè)論文的題目收集資料 可以 在網上 圖書館內查閱與論文相關的文獻 整理出有用的資料 其次 依照論文任務書 中的要求完成外文翻譯 文獻綜述以及繪制箱體的零件圖和毛坯圖 完成箱體零件的工 藝設計及制造 且需設計一套夾具的設計并繪制成圖 根據圖紙 編制數(shù)控加工程序 最后 撰寫一份 1 萬字以上設計說明書 5 任務完成的階段內容及時間安排 2011 年 09 月 開學前完成文獻資料查閱 翻譯外文論文 撰寫文獻綜述 暑期收集資料 查閱與課題相關文獻 完成文獻綜述 字數(shù) 3000 以上 文獻綜述格 式及寫作技巧可在網上查 外文 英文 資料 原文必須是論文 內容最好是機械設計或機械制造方面的論文 不一定通篇翻譯 翻譯完成字數(shù) 2000 以上即可 完成開題報告 完成部分零件圖紙繪制 完成論文框架的搭建 填寫 指導記錄 電子稿 2011 年 09 月 20 日 提交開題報告 2011 年 11 月 01 日 完成畢業(yè)設計 論文 第一稿 2011 年 12 月 01 日 完成畢業(yè)設計 論文 第二稿 6 完成設計 論文 所具備的條件因素 學生要完成論文不需要有責任心 要仔細認真的讀懂論文任務書 按照任務書上的 要求認證獨立的完成論文 為了開闊我們的知識面 我們可以借助網絡這個工具 但我 們不能抄襲他人的畢業(yè)論文 在完成論文的過程中 學生必須尊敬自己的指導老師 只 有與老師之間很好的溝通 經常的交流 才能更好的完成論文 7 參考文獻 1 李慶全 張佳機 機械制造裝配設計 北京 機械工業(yè)出版社 1997 2 機械設計手冊編委會 機械設計手冊 北京 機械工業(yè)出版社 3 版 2004 8 3 王曉林 制造技術與機床 機床雜志社 4 雷無覺 液壓工程手冊 北京 機械工業(yè)出版社 1990 5 王隆太 先進制造技術 揚州大學 2003 6 吳玉華 數(shù)控加工及程序編制基礎 北京 機械工業(yè)出版社 1998 7 肖繼德 機床夾具設計 機械工業(yè)出版社 2000 8 吳拓 方瓊珊 機械制造工藝與機床夾具課程設計指導 2005 11 9 李洪 機械加工工藝手冊 北京 北京出版社 1990 12 10 柯建宏 賓鴻贊 機械制造技術基礎課程設計 華中科技大學出版社 2008 8 11 張龍勛 機械制造工藝學課程設計指導書 北京 機械工業(yè)出版社 1999 12 林文煥 機床夾具設計 北京 國防工業(yè)出版社 1987 13 張幼楨 金屬切削原理 航空工業(yè)出版社 1987 8 14 陳宏鈞 機械工人切削技術手冊 北京 機械工業(yè)出版社 2005 7 15 李云 機械制造工藝學 北京 機械工業(yè)出版社 1995 16 華茂華 數(shù)控機床加工工藝 北京 機械工業(yè)出版社 2002 17 黃鶴汀 機械制造裝備 北京 機械工業(yè)出版社 2001 18 陳立德 機械設計基礎 北京 高等教育出版社 2000 19 Machine Tools N Chernor 1984 20 Machine Tools Netal Working John L Feier 1973 指導教師簽名 年 月 日 課題來源 1 教師擬訂 2 學生建議 3 企業(yè)和社會征集 4 科研單位提供 課題類型 A 工程設計 藝術設計 B 技術開發(fā) C 軟件工程 D 理論 學術 研究 E 調研報告