面向柔性制造过程的智能监控组态研发---硕士论文

学 位 论 文面向柔性制造过程的智能监控组态研发河北工业大学硕士学位论文面向柔性制造过程的智能监控组态研发摘 要柔性制造过程的监控，是指借助有效的设备和技术手段，采集设备运行状态有关信息，及时发现和处理设备的故障，其在加工过程中极为重要。近年来，在制造过程监控中普遍应用了工业组态技术，取得了明显的效果。但是，由于缺乏组态监控方法的系统研究及规范化的组态设计方法，组态技术在制造过程监控领域的应用还存在一定的局限性。论文总结了复杂制造过程的特点和监控方法，分析了现有工业组态软件实时化、柔性化、集成化的监控特点及局限性，提出了单元协同、信息交互的组态思想，研究了复杂过程监控的组态设计要求及单元规范化设计方法，实现了规范化的信息管理、信息交互和信息共享。然后，论文针对柔性制造过程监控问题，通过将柔性制造过程监控方法及组态监控技术相结合，深入研究了用于柔性化数控制造过程中的组态监控模式及组态单元规范化设计，实现了面向柔性制造过程的单元化、信息化、多模式化的组态监控。在此基础上，针对曲轴系列零件数控加工过程监控任务，通过对复杂曲轴数控制造过程监控方法的分析，研发了曲轴加工过程智能监控系统，实现了曲轴零件集成化、柔性化、实时化及多空间模式窗口的组态监控，实际应用结果证实了论文提出的理论思想及应用方法的正确性和可行性。论文针对柔性制造过程监控问题，重点研究了基于组态的复杂过程监控技术，实现了曲轴系列零件数控制造过程的组态监控。研究结果表明：基于规范化、单元化、集成化思想的智能组态监控技术，可以更好的满足用户不同角度和不同层面的监控要求。关键词：柔性制造，过程监控，工业组态，组态单元河北工业大学硕士学位论文RESEARCH AND DEVELOPMENT OF INTELLIGENT MONITORING CONFIGURATION ORIENTED FLEXIBLE MANUFACTURING PROCESSABSTRACTMonitoring of flexible manufacturing process is acquiring the related information of equipment operational state by using of effective instruments and technical method, then finding and dealing with the fault of equipment in time. It is very important in the manufacturing process. Recently, the industrial configuration technology has been applied for monitoring of manufacturing process universally, and has achieved distinct consequents. However, because of laking of the systematic research of configuration monitoring method and the standard configuration design method, configuration technology still has some limitations in the application of manufacturing process monitored.The paper summarized the characteristics and monitoring methods of complicated manufacturing process; analyzed the monitoring characteristics and limitations of the industrial configuration software, which is real-timely, flexibility and integration; and proposed the configuration theory of unit cooperation and information interaction. Then, we studied the demand of configuration design and standard unit design methods of complicated process monitoring, and achieved normalized management, interaction and sharing of information.And then, the paper focused on the problem of monitoring of flexible manufacturing process. By integrating its monitoring methods and configuration monitoring technology, the paper deeply studied the configuration monitoring mode and standard design methods of unit used in flexible NC manufacturing process, and achieved the unitization, informatization, multi-modeling of configuration monitoring oriented the flexible manufacturing process.Based on above, the paper focused on monitoring task of machining process of series of crankshaft work pieces, and by analyzing the monitoring methods of complicated machining process of crankshaft, we developed the intelligent monitoring system of machining process of crankshaft, and achieved real-time working, flexibility, integration and multi-mode windows of configuration monitoring. The results of this research proved that the theory and applied methods are valid and feasible which are proposed in this paper.We focused on the problem of monitoring of flexible manufacturing process, and mainly researched complicated process monitoring technology based on configuration. We achieved configuration monitoring of machining process of series of crankshaft work pieces. The research result indicated that intelligent configuration monitoring technology based on the idea of standardization, unitization and integration can satisfy users monitoring requirements in different point of view and level .KEY WORDS: flexible manufacturing, process monitoring, industrial configuration, configuration unit河北工业大学硕士学位论文目录第一章 绪论11-1 课题背景及意义11-1-1 过程监控在机械制造中的重要地位11-1-2 组态监控技术的广泛应用11-1-3 课题的提出21-1-4 课题的意义21-2 国内外研究现状21-2-1 柔性制造过程监控的研究现状21-2-2 组态软件的研究现状31-2-3 组态软件在柔性制造过程监控中的应用现状41-3 本文主要研究内容4第二章 复杂过程组态监控方法研究52-1 复杂过程监控方法研究52-1-1 过程监控的基本概念52-1-2 复杂过程监控的要求52-1-3 复杂过程监控的方法62-2 工业组态监控技术72-2-1 工业组态基本知识72-2-2 工业组态结构划分82-2-3 组态监控技术的特点92-2-4 组态监控的组态过程102-3 复杂过程监控组态设计方法132-3-1 复杂过程监控组态设计要求132-3-2 复杂过程监控组态设计方法132-3-3 组态单元的设计142-4 小结17第三章 柔性制造过程组态监控技术研究183-1 柔性制造过程监控方法183-1-1 机床加工过程监控方法183-1-2 物料流监控方法203-1-3 工件尺寸测量及补偿方法213-2 柔性制造过程的组态监控方法223-2-1 监控系统组态过程223-2-2 机床加工过程组态监控243-2-3 物料流组态监控253-2-4 工件制造组态监控263-3 柔性制造过程监控组态设计方法27iii河北工业大学硕士学位论文3-3-1 柔性制造过程监控组态基本单元设计273-3-2 柔性制造过程监控组态拓展单元设计293-4 小结30第四章 曲轴系列零件集成数控加工组态监控技术研究314-1 曲轴加工监控方法研究314-2 曲轴加工过程的组态监控方法324-2-1 曲轴加工过程组态监控系统的软件平台324-2-2 曲轴加工过程组态监控系统的功能334-2-3 曲轴加工过程组态监控方法334-4 小结39第五章 曲轴零件数控加工过程组态监控系统的开发405-1 组态监控系统方案设计405-2 组态监控系统的开发415-2-1 建立硬件通讯连接415-2-2 构造实时数据库425-2-3 监控界面开发445-2-4 系统运行与测试475-3 小结48第六章 结论496-1 主要结论496-2 未来展望49参考文献50致谢53攻读学位期间所取得的相关科研成果54iv河北工业大学硕士学位论文第一章 绪论1-1 课题背景及意义1-1-1 过程监控在机械制造中的重要地位现如今，在制造业中自动化技术不再仅仅满足于柔性化、集成化的要求，而是向着智能化、信息化和网络化的方向发展，这是一种更高层次上的自动化，因此，它对与产品生产密切相关的过程监控技术的研究提出了更大的挑战。过程监测和控制问题，在自动化、无人化加工系统中极为重要，监控系统的好坏直接影响到产品的质量和生产效率，严重时还会造成重大的设备事故。研究表明，监控可以避免 75%的故障发生，就全年有效工时所占百分率而言，无监控时为 10%，有监控时则可达 65%，为了保证 FMC 乃至 FMS、CIMS这样高度自动化加工系统能正常运行，并持续、高效率地生产出符合质量要求的产品，必须具备对整个加工过程是否正常进行监测的功能，并且金属切削加工中刀具磨损、破损等故障同样极其危险。对加工过程的监控可以及时通知操作人员或计算机，以便采取相应的措施。制造过程中信息量大而繁杂，柔性制造系统需要的高度自动化全天候运转对系统的监控和维护技术提出了很高的要求，实时了解和掌握加工设备的信息，一方面有利于制造系统稳定可靠地连续运行，另一方面可为生产统计和查询提供最直接的客观信息，因此，具有高度准确性、一致性、实时性、智能化、信息化和网络化的监测技术成了研究的热点，并得以迅速发展。近年来，组态监控技术的飞速发展为改进传统监测系统打下了坚实基础，它们的应用带来了监控系统的变革。1-1-2 组态监控技术的广泛应用随着分布式控制系统及计算机控制技术的日趋完善，组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，逐渐发展起来。随着自动化监控设备的价格不断降低，体积不断缩小，另外计算机网络技术的发展使得监控设备间的通信变得简便易行，并且由于传统的工业监控软件开发周期长、价格昂贵、修改困难等缺点，所有的这一切都促进了监控组态软件的普及和推广。组态监控技术使用户能根据自己的监控对象和目的任意的组态，完成最终的监控任务。组态监控技术有如下五个特点1： 实时多任务性。实际上，不论是在线还是离线系统，都有多个任务需同时完成，如数据的采集与显示，数据的实时处理与存储以及实时传输等。 良好的通用性。组态系统不是针对某一应用进行开发的，通常是针对某一系列问题进行开发，具有良好的通用性，组态系统可以根据用户的需求，构建一套针对特定应用的系统，其通用性减少了重复劳动，缩短了开发周期。 高度可重用性。组态软件均是模块化的，各个功能模块之间具有较强的独立性，不同的工程可应用相同的模块，只需对模块的不同参数进行配置与修改，不同的模块之间则只需更改其逻辑关系。 良好的可扩展性。组态系统开发的特点决定了其本身的可扩展性强，因为组态系统是针对各个模块之间的共性进行抽象、提取，具有高度相似的接口方式、数据格式以及数据通迅规则，为系统新增功能模块提供了保证。 图形化的编程。图形化的编程方式对使用人员的要求大为降低，使用人员不需了解系统的编程方式以及各内部模块之间的逻辑关系，可以将精力集中于系统的构建，对图形采用“拖、拉、连、点”的方式构成组态系统。近年来，由于组态软件的各项优点，监控组态软件走出了自动化技术的工业应用，积极的向家庭自1河北工业大学硕士学位论文动化、电力、智能楼宇、农业自动化、能源监测等多个领域展示了其独特的优势。组态软件能提高自动化工程的效率，减小系统的维护和升级费用。1-1-3 课题的提出2首先柔性制造系统（FMS）是一个典型的离散事件动态系统，它具有以下特点：（1）以离散事件（零件到达、加工和运输等）的发生和状态变化作为系统的主要特征；（2）系统是动态变化的，当系统在状态转变过程中，又会有新的事件发生。因此，柔性制造系统底层设备是系统控制的主要对象，同时它们又是制造过程中的行为数据产生源。柔性制造系统动态调度、实时诊断和监控能力很大程度上依赖于底层设备信息的采集。FMS 是自动化的机械制造系统，对系统的稳定性与可靠性又很高的要求。加工过程是一个动态的过程，为保证加工过程的连续进行，必须对加工过程进行实时的监视控制。就制造系统而言，信息的主要形式是离散的，如加工尺寸、加工精度等。从一个工件的制造过程来看，工序与工序是相互独立的，而对加工质量来说，工序与工序是相关的。因此，柔性制造过程是一个工业过程或称为工业流程。对于一个生产过程，通过对它的生产过程进行连续不断的监控，从而保证生产出合格的产品，这在化工工业等行业已得到广泛的采用。现如今，过程监控技术在制造业中 NC、CNC 等计算机控制的加工设备也得到广泛的应用，不仅监测加工过程中刀具的切削位置，而且借助于传感器反馈回的加工过程的状态信息，使加工过程中机床的各种运动误差可以得到补偿，可见将过程监控的方式应用到现代加工制造业中，是完全可行的。面向工业过程监控的监控组态技术能方便的实现信息的管理、信息的交互和信息的共享。因此，使用组态技术对柔性制造过程进行监控是完全可行的。1-1-4 课题的意义论文针对制造过程监控的新要求，首先研究了柔性制造过程的离散化加工特点以及程序化集成控制模式，将复杂工业过程组态化技术的单元协同、信息交互及规范化信息管理、信息交互、信息共享思想运用于复杂过程的组态监控单元设计，建立了柔性制造过程的协同监控系统，实现了单元化、信息化、多模式窗口信息动态交互及聚类融合。设计的制造过程监控组态具有模块化的结构，实现功能智能化、自治化，可独立运作和重新配置，支持重组；能够与其它系统方便地集成，能够实现异地、远程监控，最终达到监控网络、管理网络的无缝集成；具有良好的柔性、开放性以及可重组功能。监控组态软件能够即插即用，可根据系统的大小和要求进行监控功能的组态，监控系统的应用程序间也能够实现互操作。在此基础上，针对曲轴系列零件加工过程监控任务，实现了曲轴加工过程监控系统，实际应用结果证实了论文提出的组态单元设计理论及应用方法的正确性和可行性。最后研究结果可以说明，组态监控技术，这种规范化、单元化、集成化的设计思想，能够更好的满足工程设计人员的需要，适用于复杂系统、装备、过程的信息处理、知识获取及监控研究，为工业自动化监控尤其机械制造领域的自动化监控开拓了新的领域。论文提出的复杂过程信息化、单元化、柔性化、集成化的协同思想及可视化模式使复杂过程控制变得更加直观、真实、全面和系统，对解决复杂过程监控中的复杂信息协同处理及可视化交互问题具有重要的理论意义和使用价值。1-2 国内外研究现状1-2-1 柔性制造过程监控的研究现状柔性制造过程监控技术是全面了解数控加工过程及系统控制、加工产品质量保证与控制、运行设备的性能、维修与寿命管理，以及全面客观地掌握生产系统的任务完成情况等诸多方面的共性技术，对提高柔性制造能力及先进制造系统的运行可靠性、延长使用寿命，以及加强制造业、特别是国防科技工业综合制造能力、降低成本，都具有重要意义。华中科技大学在国内开展状态监控与故障诊断研究较早，在杨叔子院士的领导下就机械系统所涉及的多个领域与对象开展了广泛的研究，尤其是在基于时序模型的机床切削状态监控与故障诊断、故障诊2河北工业大学硕士学位论文断系统体系结构、智能制造与控制中的监控与诊断模型及新方法研究等方面颇有建树。哈尔滨工业大学的肖祥胜、马玉林等人“八五”期间在 FMS 状态监控与故障诊断领域取得了一些成果。哈尔滨工业大学振动工程中心承担的国家“六五”、“七五”、“八五”重点攻关项目中有关大型旋转机械状态监测与故障诊断技术的研究课题。在机械加工设备方面，近年来，为提高数控机床的智能化水平，北京理工大学、北京机床研究所等对数控机床在状态监测与故障诊断方面也进行了积极的探索和研究，其重点主要集中在 CNC 系统方面。1-2-2 组态软件的研究现状（一）组态软件的产生在 20 世纪 60 年代虽然计算机开始涉足工业过程控制，但是由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机过程控制系统在各行业的推广速度比较缓慢。70 年代中期，随着微处理器技术的发展，诞生了第一代集散控制系统。而随后的 20 年内 DCS 及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广泛应用。此时 DCS 已具有较丰富的软件用于具体生产流程的设计，这就是监控组态软件的雏形。80 年代中后期，随着个人计算机 PC（Personal Computer）的普及和开放系统概念的推广，基于 PC 的监控系统开始进入市场，并发展壮大。（二）国内外研究现状从近几年的调查结果来看，组态软件市场的大部分份额仍被国外几家组态软件占据，目前国际上较知名的监控组态软件有：美国 Intelllution 公司的 iFix；美国 Wonderware 公司的 Intouch；美国通用电气公司（GE）的 Cimplicity；美国 National Instruments 公司的 LabVIEW；美国 AB 公司的 RSView32；德国西门子公司的 WinCC；以色列 PC Soft 公司的 WizCon；澳大利亚 Citech 公司的 Citech；美国柏元网控信息技术（上海）有限公司的 Broadwin WebAccess；日本欧姆龙公司的 CX-Supervisor。国内的组态软件起步也比较早，也正在成为市场上的一支生力军，目前实际工业过程中运行可靠的有北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的 MCGS；北京三维力控科技有限公司的力控；北京亚控科技发展有限公司的组态王以及台湾研华的 GENIE 等。（三）典型应用组态软件广泛应用于电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、建筑、制造与加工业、水处理等多种工程领域。下面分别介绍了组态软件在几个领域的应用。（1）物流领域的应用随着现代物流技术的发展，要求控制系统具有高可靠性和自动化水平，因此实现生产过程中各种物料的自动传输和物流信息的自动管理对提高企业的经济效益有着十分重要的意义。华北电力大学的衡军山3在基于PLC和组态软件实现自动化监控系统一文中，提出基于PLC和组态软件的物流输送设备自动化监控系统的设计方法。将物流输送系统采用分布式控制技术，通过工业控制网络组成先进的生产过程控制系统和实时、安全的监控系统。武汉理工大学的张庆英4在现代物流智能仓储系统安全监控技术与仿真实现中，选用监控组态软件PCAuto3.62 实现了对现代物流仓储系统的安全监控管理与仿真，利用其功能强大的实时数据库来显示每一监视参数的测量值和工作状态，并对重要参数的实时变化趋势曲线设定了报警。（2）电力领域的应用由于对电力生产及调度监控系统的要求越来越高，开始利用计算机对电力运行参数进行在线检测、实时故障分析处理、运行状况的实时控制和调度等，已经在电力生产及配电调度的可靠性、安全性、经济性以及提高电力的综合管理水平等方面发挥了重要的作用。在 2005 年 12 月份，北京亚控科技公司就推出了组态王的电力版。组态王电力版基于亚控在自动化与电力行业应用的成功经验与技术，针对电力行业设计了新的组态概念与专用功能。华北电力大学季丹丹5在基于OpenGL电力图形组态软件的研究中，以可视化的VC+为平台，结合OpenGL图形库研究开发了电力图形组态软件。这个软件能灵活、方便、快捷地表征实际电力设备，同时系统运行时能够动态地将图形与实际的工业现场设备数据相连接。（3）化工领域的应用3河北工业大学硕士学位论文为了避免化学反应和反应中的副产品对操作人员的健康造成直接伤害，需要对化工工业流程进行实时监控，所有操作和监视均在微机监控室中进行，实现生产现场的无人化管理。河北工业大学的石伟6在iFIX组态软件在化工生产流程中的应用中，以iFIX为平台建立化工工业流程的监控系统，对整个化工物料生产过程进行实时监控，并对生产流程中的异常情况，进行实时报警。1-2-3 组态软件在柔性制造过程监控中的应用现状清华大学的张丽琴，在学位论文压铸车间远程监控系统的研究开发一文中，结合压铸车间设备管理一体化的功能要求，完成了压铸车间远程监控系统的设计与开发。在控制终端采用组态王软件开发监控界面，实现远程监控。根据车间控制系统的具体要求，在详细分析生产过程中压铸参数的基础上，合理安排画面布局及功能设置，建立上位机与下位机的通信连接，满足了系统对于铸件质量的控制及现场监控功能的要求。早在2002年长春理工大学的吕娣在硕士论文柔性制造过程状态监控技术研究中，针对加工车间的实际需求，采用智能模块、RS485总线和组态软件MCGS完成数据采集与处理，基于集成的观念，设计建造了一个柔性制造过程状态监控系统并实现了信息的集成。通过对柔性制造过程组态监控的调研，到目前为止，将组态监控技术应用到柔性制造过程监控中，监控对象主要是机床状态和刀具换刀过程。但是，对柔性制造过程的机床加工过程及刀具磨破损等监控的实现，存在着一些局限性，其主要原因是对于这些领域的监控组态监控技术存在大量不足之处。因此，对柔性制造过程组态监控的研究变得十分必要。论文通过研究组态技术，为工程人员使用组态软件开发柔性制造过程监控提出标准化的设计方法。1-3 本文主要研究内容设计的智能监控组态是一套基于 Windows 平台的，用于快速构造和生成复杂过程监控的上位机系统，为用户提供解决实际柔性制造过程监控问题的完整开发和应用平台。开发的监控组态，是一种面向柔性制造系统的工业监控软件，它采用开放的接口，提供了直观的人机界面，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和流程控制、动画显示、曲线和报表输出、企业监控网络和智能监控等功能。另外具有专用组态软件的功能，使用户在简单的组态后就能够对柔性制造系统实现具体的状态监控。设计的系统具有专业性强、自动化程度高、易使用、高性能、高可靠性等特点。论文针对柔性制造过程监控问题，重点研究了基于组态的复杂过程监控技术。在此基础上，论文研究了用于柔性制造过程的组态监控模式和单元化设计方法，实现了面向柔性制造过程的单元化、信息化、多模式化的组态监控。最终实现了在曲轴系列零件集成数控加工过程的组态监控。第一章：绪论部分，分析了过程监控在制造领域的意义以及工业组态技术的广泛应用。阐述了课题提出的原因和意义。并分析了工业组态、柔性制造过程监控的现状以及组态技术应用在柔性制作过程监控的现状。第二章：复杂过程组态监控方法研究。论文首先研究了复杂过程监控方法，分析了组态监控技术，然后研究了用于复杂过程监控组态的设计要求和方法，提出了单元规范化的设计方法，实现了规范化的信息管理、信息交互和信息共享。第三章：用于柔性制造过程的组态监控方法研究。其中首先研究了柔性制造过程监控方法和其组态监控技术，在此基础上，深入研究了用于柔性化数控制造过程的组态监控模式及组态单元的规范化设计。第四章：以曲轴系统零件数控加工过程监控为例，研发了曲轴加工过程智能监控系统。对上文提出的理论进行了验证，实现了用于曲轴零件数控加工的组态单元设计。第五章：实现了曲轴零件数控加工过程的实时化、集成化、柔性化的组态监控任务，完成了组态监控系统设计，验证了理论方法的可行性。第六章：对全文进行了总结，指出主要工作内容，并对进一步的工作进行了展望。4河北工业大学硕士学位论文第二章 复杂过程组态监控方法研究生产技术的发展要求现代加工设备在柔性自动化的基础上长时间可靠运行，这就要对运行过程进行自动监视并做出相应的调整、补偿和控制，并能指导维护人员检修、更换，以保证系统可靠地高效运行。制造系统是一种高度自动化、高度复杂、高度集成的系统，其加工工况条件、类型及工件等因素复杂多变，故障或异常的随机性大、类型多。因此，制造过程监控系统要实现多层次分布式的、满足实时和多任务处理要求的监控。同时，需要采用一种多传感器的检测和多参数的综合决策方法，对加工设备的各部分提取多个参数和状态变量，然后进行综合分析、判断，从而达到准确定位故障和正确决策的目的7。由于制造系统存在着内在的复杂性、多变性、关联性、协调性，因此文中对柔性制造过程监控方法的研究，首先要对一种复杂工作环境及复杂工作循环的监控任务的方法进行研究。2-1 复杂过程监控方法研究2-1-1 过程监控的基本概念89过程监控是以过程异变检测和动态系统故障检测与诊断技术为基础发展起来的一个新兴研究领域。其主要研究对象包括过程的异常变化或动态系统功能性故障，研究内容涉及过程故障检测、故障幅度辨识、故障时间推断、故障机理诊断、故障影响分析以及针对不同类型故障应该采取的处理措施或对策，等等。过程监控的目的是监视系统运行状态，检测系统是否发生故障，并对故障系统的异变幅度进行定量分析，判明故障类型、时间、幅度、表现形式、作用方式、影响程度，在必要时提出相应的维护与改进措施。随着工业部门的生产设备日益向大型化、连续化、高速化、系统化及自动化方向发展，导致设备的组成和结构越来越复杂，生产系统本身的规模越来越大。功能越强，性能指标越高，各级生产环节的关联度越密切，就会形成了一个具有整体性的生产链。所以，一旦一个设备发生故障可能导致接下来的一系列设备不能正常的工作，从而造成巨大的经济损失。因此现代化的工业生产对设备的安全性及可靠性提出了越来越高的要求。现代设备维修制度提出了按照设备运行状态进行预知维修的要求，这样不但可以防止设备工作精度下降，减少和杜绝事故的发生，而且可以最大限度发挥设备使用潜力。就是在这些要求的推动下，过程监控这一新学科应运而生。2-1-2 复杂过程监控的要求复杂的过程监控其复杂程度相对较高，需要检测的数据无论在种类还是数量上都大大超过单一的过程监控。复杂过程的各种信息流量大增，设备大多以具有复杂功能的节点形式出现，节点之间常常需要直接的信息交互，要实现各过程之间的集成性、兼容性，因此，复杂的过程监控提出了监控的特性要求，要实现复杂工业过程信息交互及规范化的信息管理、信息交互、信息共享。其监控要求有以下五点10：（1）监控的实时性要求：由于复杂监控技术大量的数据输入到高层的数据处理中进行数据处理，其信息综合、融合的难度将增大，很难满足实时性的要求，系统数据和信息通讯实时性要求高效的数据交换技术；（2）统一的数据输入/输出接口要求：面对现场生产设备和监控仪器的多样性要求，存在多种软硬件接口、板卡、通讯模块，因尽量统一数据输入输出格式和接口；（3）监控系统要便于人机交互：可以仿真现场的监控画面，实现多画面，多模式；多媒体形式监控（显示，报警，控制）；功能模块化；5河北工业大学硕士学位论文（4）数据和信息的实时/历史共享和分析：动态的实时数据库和历史数据库。（5）各种单元的有机集成：系统运行中需要各种单元间实现有机的协同（包括协调与协作），而这种协同需要建立在某种合理的机制之上，从而保证系统的实时、高效与协调。综上所述，复杂过程监控不仅要实现采集现场数据，直接对系统进行现场控制，而且要在远离现场的控制室反映工业现场的真实运行状态，对系统的各状态进行检测和进行相应的控制动作。复杂系统监控技术就是要在分布的环境下实现实时检测和处理设备的各种信息，提供复杂制造过程、复杂环境及复杂状态下的一种制造过程的“全息映像”，并依此对整个复杂系统的运行状态进行评估、处理与控制。检测监控系统要达到上述要求，从技术上首先要实现智能化，这种智能化不仅体现在各个监控节点对检测信息进行实时处理的智能化，还体现在各个监控节点通过协作、协调并组成有机系统的智能化。2-1-3 复杂过程监控的方法过程监控的方法可划分为基于知识的方法、基于解析模型的方法和基于信号处理的方法三种1112。（1）基于数学模型的方法基于数学模型的方法就是首先利用滤波器重构过程系统的参数和状态并与之相对应的可测信息进行比较，从而产生残差，并对残差进行分析和处理而实现的技术。所产生的残差应与过程常态运行状态无关，但一旦出现故障，就能从它所反应的信息中检测和识别出故障，即：在没有故障时，残差等于零或近似于零；而在过程出现故障时，残差应显著偏离零点。根据残差产生的形式不同，基于模型的过程监控方法可分为状态估计方法、等价空间方法和参数估计方法。基于数学模型的过程监控方法，在能够比较准确建模的过程中，应该优先选择基于解析模型的方法，在这种情况下，状态估计方法是最直接和最有效的过程监控方法，而等价空间法在结构上与状态估计方法是等价的，而参数估计方法更利于故障的分离。但是在很难精确建立过程模型时，此类方法不适用。在实际情况下，工业过程的大部分是多变量过程，不可能建立模型，所以不适合使用数学模型的过程监控方法。（2）基于知识的方法在工业过程中，对象的精确模型是很难得到的，而基于知识的方法不需要对象的精确数学模型。常用的基于知识的过程监控方法，有基于专家系统的方法，这种方法是根据人们长期的实践经验和大量的故障信息知识，设计出一套智能计算机程序，以此来解决复杂系统的故障诊断问题。故障诊断专家系统的推理机构是特定的计算机程序，它在一定的推理机制指导下，根据用户的信息，运行知识进行推理判断，将观测到的现象与潜在的原因进行比较得出是否发生故障。基于知识的方法包括基于神经网络的方法，基于模糊推理的方法，基于模式识别的方法和基于定性模型的方法。采用基于知识的过程监控方法，只要有过程数据就可以实现过程的监控，而在工业过程中，唯一可利用的信息就是过程数据。但是对于变量数目较少的过程，随着过程变量数目的增加，过程日益复杂，相应地这类过程监控方法其各种故障模式的识别代价将变得较大。（3）基于信号处理的方法13大多数复杂的工业过程虽然难于建模，但通常拥有丰富的过程可检测变量，因而在监测过程中，可以利用过程中丰富的数据资源来提取生产过程的运行信息及产品质量信息。由于故障往往会导致过程信息的变化，因此可以通过利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均等，直接分析可测信息，提取诸如方差、幅值、频率或其他特征信号，进行故障检测和诊断，以达到进行过程监控的目的。基于信息处理的方法包括绝对值验证和趋势检验，基于小波变换的方法，基于信息融合的方法，基于信息校核的方法，基于子控件特征信号分析的方法。基于信号处理的过程监控方法，很多工业过程其机理非常复杂，难以获得描述过程的精确数学模型，唯一可以利用的信息就是过程数据。另外，这类方法可进一步的利用人类在信号处理领域中取得的优秀成果，例如：小波信号分析、盲源信号分析和非高斯信号处理等。最后，这类方法一般都具有较强的理论依据，其可靠性可以得到保证。但是，在实际工业过程中，除了基于子空间特征信号分析外，其他的方法都很少使用。机械设备的过程监控就是对机械状态的特征信息提取和模式识别的过程。基于信号处理的过程监控方法，一直是机械设备特征信息提取的重要工具。6河北工业大学硕士学位论文2-2 工业组态监控技术2-2-1 工业组态基本知识（一）组态的概念14组态的概念来源于英文configuration，它不同于设计（design）和编程（program），是指对于不同但类似的应用对象及控制要求，不重新设计和编程，只根据应用对象和控制任务的要求，利用组态软件提供的工具，通过简单形象的配置和定义或编写简单的组态语言，设计完成一个特定功能的新系统或修改系统功能。组态软件则是指实现数据采集与过程控制的专用软件，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简洁的操作方法。其实质就是工控系统的人机界面，作为实现应用系统快速开发的工具性软件，包含预先开发好的软件功能包，使用人员在友好的图形化界面下，通过对功能包中已有软件模块的属性定义和组装，快速定制实现目标应用系统。在利用组态软件时，用户只需要一种近似“搭积木”式的方法，便能生成所需的应用“软件”，取代应用计算机语言的软件开发过程。（二）组态软件的功能15工控组态软件实现的功能通常是采集数据并存储到数据库中，数据经过分析处理后一方面以生动、形象的方式提供给用户，另一方面，通过控制算法输出信号对现场进行合理控制。其共性是相对稳定的，而可变性则是要利用组态技术实现，以适应不同的工业现场。工控软件的可变性一般包括采集信号的性质（模拟量还是开关量，路数、精度、物理意义等），数据分析处理的方法以及呈现给用户的方式，控制算法及其需要实现的控制目标。其常用的组态功能有：（1）数据库组态：负责配置所采集信号的属性，包括序号、物理名称、信号类型、物理地址、采集频率、数据类型、测量精度、量程上下限等，并由此生成相应的数据库表格，存储各种实时数据和历史数据；（2）系统组态：负责配置硬件板卡以及与端口地址相对应的采集信号等；（3）流程图组态：负责使用图元构件制作流程图，并记录图元构件在流程图中的相对位置关系及其关联数据；（4）报警组态：负责配置报警的上下限、优先级、报警方式等；（5）控制组态：负责配置控制算法、算法参数、所需控制的物理量等；（6）图表组态：负责配置图表的数据源、颜色、坐标、频率等，包括实时曲线/直方图和历史趋势曲线/直方图；（7）报表组态：负责配置报表的数据源、数据的统计方法、格式、打印方式等。（三）组态软件的特点16（1）强大的画面显示组态功能：目前，工控组态软件大都运行于 Windows 环境下，充分利用 Windows 的图形功能完备，界面美观的特点，提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲的绘制出各种工业画面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的画面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使画面生动、直观。（2）良好的开放性：社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通讯协议互联，支持多种硬件设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。组态软件向下应能与低层的数据采集设备通讯，向上能与管理层通讯，实现上位机和下位机的双向通讯。（3）丰富的功能模块：提供丰富的控制功能库，满足用户的测控要求和现场要求。利用各种功能模块，完成实时监控、产生报表、显示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作。系统既可适用于单机集中式控制，DCS 分布式控制，也可以是带远程通信能力的远7河北工业大学硕士学位论文程测控系统。（4）强大的数据库：配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟型，离散型，字符型等，实现与外部设备的数据交换。（5）可编程的命令语言：有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编写程序，增强图形界面。（6）周密的系统安全防范：对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统的安全可靠运行。（7）仿真功能：提供强大的仿真功能，使系统并行设计，从而缩短开发周期。2-2-2 工业组态结构划分（一）按照系统环境划分17工业组态按照使用的工作阶段划分，可以分为如图 2.1 所示的三部分，开发环境、运行环境和数据库三部分。PLC智能仪器 其它 I/O 设备读写管理数据库定时传送和变量连接接收数据显示组态画面开发环境 运行环境图 2.1 工业监控组态的体系结构Fig. 2.1 The architecture of industrial configuration software（1）系统开发环境系统开发环境是客户应用程序的集成开发平台。用户通过简单的操作即能实现满足自己应用需要的系统。它应具备基本图元（线、圆、弧、多边形、填充图形、文字和位图等）的绘制功能，增删图库资源的功能，图元与变量的连接，变量的定义和报警设置功能，命令语言的解释功能，实时和历史趋势曲线控件等 ActiveX 控件的插入和配置功能，读写服务器端特征数据库的功能。（2）系统运行环境系统运行环境将用户在开发环境下定义的图形组态和数据库组态与服务器端数据库中的数据联系起来生成能反映工业现场工作情况的动画效果，并能通过实时及历史趋势曲线控件、报表控件等 ActiveX 控件显示和分析从 I/O 设备采集的数据。除此之外，还提供一定的控制功能，用于人机交互。如在历史趋势曲线控件中，用户可以根据需要显示某一时间段内某一值域范围内的数据；能通过按钮控件控制服务器端 I/O 变量的数值，从而实现对被控对象的控制。运行环境和开发环境相对独立，在运行环境下用户没有编辑能力。（3）管理数据库管理数据库是整个组态软件的核心，主要用来读写外围 I/O 设备的状态和数值，并将其保存在数据库中。同时管理数据库应具有网络通信功能，用于响应客户端的请求，发送和接受数据。（二）按照成员构成划分组态软件功能强大，每个功能模块相对来说具有一定的独立性，因此其组成形式是个集成软件平台，由若干程序组件构成。通常的典型模块有以下几部分组成，如图2.2所示。8河北工业大学硕士学位论文图形界面日志组态报表组态实时数据库历史数据库报警组态数据库趋势曲线通讯模块 控制模块控制系统现场图2.2 组态软件功能模块关系框图Fig. 2.2 The relational diagram of configuration s