（光学工程专业论文）工业用大功率灯泵浦ndyag激光器监控软件设计.pdf

摘要 i ii i_ 1 1m l 摘要 本论文主要论述了个面向工业用大功率灯泵浦激光加工系统的监控软件 的设计思想和实现方法。 本文首先介绍了大功率固体激光加工系统及工业控制软件的国内外发展现 状。根据大功率固体激光加工系统的使用要求，对该监控软件进行了功能及用户 需求分析。在此基础上完成了监控软件的总体方案设计，包括软件平台和开发工 具的选择、软件的模块化分析和系统框架设计。之后，着重讨论了监控软件数据 通信的建立，从通信控件m s c o m m 的属性及使用方法出发，详细说明了监控软件 如何利用m s g o m m 实现激光加工系统数据通信的编程。 从项目开发进度和实际调试效率要求出发，本文开发了一个用于监控软件调 试的模拟调试程序。模拟调试程序实现了对实际激光加工系统的通信方式、工作 流程及故障状态等的模拟，能够产生监控软件调试所需的各种状态及数据。 在此基础之上，详细介绍了监控软件的最终实现。从监控软件的模块化方案 设计出发，给出了五个主要功能模块数据通信模块、控制模块、故障处理模 块、数据处理模块和信息处理模块的具体实现方法。利用模拟调试程序，完成了 监控软件的模拟仿真调试以及部分实际系统调试工作，实现了方案设计的主要功 能。并详细说明了监控软件主要界面和使用方法。 针对激光加工系统的光束质量测量问题，本文还提出一种利用m a t r i x v b 计 算光束质量的方法，开发了一个使用m a t r i x v b 快速计算激光光束质量的应用程 序。 关键宇激光加工系统；监控软件；串行通信；v b ；m a t r i x v b a b s t r c t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h es t u d yo nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa m o n i t o r i n g s o f t w a r ef o rt h ei n d u s t r i a ll a m p - p u m p e dn d ：y a gl a s e rs y s t e m ， i nt h ep a p e r ，t h ew o r l d w i d ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fh i g h - p o w e rs o l i d s t a t el a s e r s y s t e ma n dt h ei n d u s t r i a lc o n t r o l l i n gs o f t w a r ei sf i r s t l yd i s c u s s e d b a s e do f tt h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n a l y s i sa n du s e rr e q u i r e m e n t sa n a l y s i so ft h em o n i t o r i n g s o f t w a r e ，t h eo v e r a l ld e s i g no f t h es o f t w a r eh a sb e e nd o n e ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo f t h e s o f t w a r ep l a t f o r ma n dd e v e l o p m e n tt o o l ，s o f t w a r em o d u l ea n a l y s i sa n dd e s i g no f s o f t w a r e s y s t e mf r a m e w o r k t h e n ，f r o mt h e b a s i s c o n c e p t o fs e r i a lp o # t c o m m u n i c a t i o n ，t h ea t t r i b u t ea n dt e c h n o l o g yo fc o m m u n i c a t i o nc o n t r o lm s c o m m a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ee m p h a s i si sg i v e nt ot h ep r o g r a m m i n gm e t h o dt h a te s t a b l i s h d a t ac o n a m u n i c a t i o no fs o f t w a r eu s i n gm s c o m mc o n t r 0 1 d u et ot h en e e do fp r o j e c tp r o c e s sa n dd e b u ge f f i c i e n c y , a na n a l o gd e b u gp r o g r m ni s d e v e l o p e df o rt h ee m u l a t o rd e b u go ft h em o n i t o r i n gs o f t w a r e t h ea n a l o gd e b u g p r o g r a mi s s i m i l a rt ot h el a s e rs y s t e mi nd a t ac o m m u n i c a t i o n ，w o r k f l o w , a n df a u l t s t a t u s ，s ot h a ti tc a np r o v i d em o s to fc o n d i t i o n sa n dd a t af o rt h es o f t w a r ed e b u g f i n a l l y , t h ei m p l e m e n to fm o n i t o r i n gs o f t w a r e i sd e t a i l e dd i s c u s s e d t h ed e t a i l e d d e s i g no ff i v ef u n c t i o nm o d u l e so f t h es o f t w a r ei sg i v e n ，i n c l u d ed a t ac o m m u n i c a t i o n m o d u l e 、c o n t r o lm a n a g em o d u l e 、f a u l th a n d l em o d u l e 、d a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n d i n f o r m a t i o nh a n d l i n gm o d u l e t h ed e b u g ，i n c l u d i n ge m u l a t o rd e b u go nt h ea n a l o g d e b u gp r o g r a ma n dt h ep r a c t i c ed e b u go nt h el a s e rs y s t e m ，i sa c c o m p l i s h e d t h em a i n i n t e r f a c ea n df u n c t i o no f t h es o f t w a r ea r ea l s oi n t r o d u c e d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mi nc a l c u l a t i n gt h eb e a ma u a l i t yo fl a s e rs y s t e m ，an e w m e t h o dt h a tl 1 s ea c t i v e xc o n t r o lm a t r i x v b1 0c a l c u l a t el a s e rb e a mq u a l i t yh a sb e e n i n t r o d u t e d k e y w o r d l a s e rs y s t e m ；m o n i t o r i 口i gs o f t w a r e ；v b ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；m a t r i x v b i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盔i 豳日期：至! 盘，主、丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：莲l 函 导师签名：斛眺丝坠! 堕 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 自从2 0 世纪6 0 年代第一台激光器出现以来，激光就以其能量密度高、加工质 量好的特点逐渐成为种强有力的加工工具。激光加工是利用高能量密度激光束 照射工件、将材料加热、熔化、汽化的一种无机械接触的加工方法。由于激光束 能量能被聚焦成功率密度为1 0 7 一l o ”矿c m2 的微小光点，因而几乎可以加工所 有的金属和非金属材料包括各种坚硬的高熔点材料。它不仅能解决常规加工方法 难于解决的加工问题，而且还能提高工效、节约原材料和能源、改善加工质量和 降低成本，被誉为未“来制造系统的共同加工手段”。激光加工的出现，为传 统制造业注入了新的生机和活力。 激光加工目前已经的到十分广泛的应用，尤其是在机械、电子、汽车、航空 航天、钢铁、造船、军工等行业。国外先进国家激光加工技术已经在国民生产总 值中占有越来越大的比重。日本在上世纪末，激光加工已经占整个加工业的1 0 以上口】。而美国在2 0 0 0 年用于材料加工的激光器达2 00 0 0 台。据报道，至2 0 0 0 年美国三大汽车公司5 0 的电阻点焊生产线被激光焊生产线所取代。德国奔驰汽 车厂在其1 8 个厂房中的8 个厂房安装激光加工生产线。一些国际性大公司积 极采用先进的激光加工技术，以提高产品的竞争力，如西门子公司在它的一条流 水线上就采用了4 0 0 多台激光器。据统计【4 1 ，2 0 0 4 年全世界范围激光器的销售 额达到5 4 亿美元，比2 0 0 3 年增长了1 0 ，其中用于金属加工( 例如焊接，切割， 打孔等) 、半导体和微电子制造、各种材料的打标、以及其他材料加工方面的激 光加工系统销售额达到1 4 7 亿美元。激光加工已经逐渐成为现代工业不可缺少 的重要组成部分。 北京工业大学工学硕士学位论文 i i i i i | 1 1 2 大功率固体激光器的发展现状 1 2 1 国外发展现状 目前，大功率连续激光器在工业加工领域占有较大市场。其中，n d ：y a g 固 体激光器是工业加工中的主流激光器之一。n d ：y a g 激光器具有高能量储存、波 长短、金属吸收率高的优点，并且易于光纤传输，不但提高了系统的灵活性，同 时与工业机器人匹配可组装成在线柔性制造系统。同时，n d ：y a g 激光器还可通 过调0 、锁模、获得短脉冲，应用更加广泛。 近几年来在全球经济普遍低迷的情况下，工业用固体激光器市场仍然保持稳 定的增长。2 0 0 4 年f 4 】世界固体激光器总销售量达到3 16 0 0 多台，其中用于材料 加工的固体激光器1 22 6 1 台，预计在2 0 0 5 年世界工业用固体激光器仍能保持3 的增长率。表1 ，1 【4 。1 是世界三种主要的固体激光器在各应用领域的销售情况。 表1 1 世界固体激光器销售量2 0 0 2 2 0 0 4 ( 台数) t a b l ei - iw o r l d w i d es o l i d - s t a t el a s e rs a l e s2 0 0 2 - 2 0 0 4 ( u n i t s ) 条 传 利科医测试基础电 光 娱图像测 码 其总 存 感 加工疗设备研究信乐记录控扫他计 储 器 描 灯泵 0 2 5 0 8 0 7 0 0 079 4 900052 0o2 1 01 01 3 2 8 1 浦固0 35 8 5 86 8 0 096 6 000062 0o1 6 01 51 3 5 2 8 体0 4 6 2 6 57 8 0 02 9 5 7 9 5o0001 6 001 6 02 01 5 0 7 6 激光 0 2000 5 9 0 000000005 9 0 泵浦0 37 0oo4 6 000000ooo5 3 0 固体0 48 7oo4 8 0ooooooo05 6 7 二极 0 2 5 3 8 3 1 0 0 08 3 07 5 0003 0 02 5 09 001 7 s5 0 09 2 7 8 管泵0 33 1 9 31 0 0 05 2 5 01 1 9 9o03 5 03 0 51 1 50 1 5 0 5 5 0 1 2 1 1 1 固体0 4 5 8 9 01 4 0 05 0 2 5 1 2 9 0o04 5 04 0 01 2 5o3 5 01 0 0 01 5 9 3 0 由于大功率n d ：y a g 激光器的应用日益广泛。世界上各发达国家竟相开展 了大功率n d ：y a g 激光器的研究。例如【7 】，1 9 8 7 1 9 9 6 欧洲实施的尤里卡计划 e u 2 2 6 ( 即高功率固体激光器的研制) 、e u 5 6 0 ( 高功率固体激光器光束质量的 提高) ，美国1 9 9 8 年制定的2 l 世纪光科学与工程的发展规划哈里森光计划， 以及日本2 0 0 1 年制定的光科学与工程的发展规划光世纪( r & di n s t i t u t ef o r p h o t o n i c se n g i n e e r i n g ) 。德国更加重视大功率激光器的研究，在完成1 9 8 7 1 9 9 2 年b m f t “激光研究与激光技术”资助计划后，1 9 9 3 年德国又提出了“激光2 0 0 0 ” 新的资助计划( 1 9 9 4 2 0 0 2 ) 和“光学促进计划”( 2 0 0 2 2 0 0 6 ) 。在各国政府的支 持下，大功率激光器获得了飞快的发展。目前，采用多棒串接激光器的功率已达 5k w 以上。 国际上有代表性的研制用于材料加工的高功率灯泵浦n d ：y a g 棒状激光器 的公司有”：t r u m p f ( h a s s ) 、r o f i n s i n a r 、以及p r i m a 、m a r t e k 、q u a n r o n i x 、 f l i b e r l i n ( 柏林固体激光所) 和日本电气公司( n e e ) 、冬芝公司等。其中，德国 企业( 主要是r o f i n s i n a r 激光公司、t r u m p f 激光技术公司、h a a s 固体激光公司、 l a m b d ap h y s i k 公司等) 几乎占了世界激光市场的4 0 t ”，处于领先地位。例如 德国t r u m p f ( 含h a s s ) 公司，目前它已拥有超过5 k w 的激光输出和低于 2 5 m m * m r a d 的激光光束质量，建立世界上功能最强大的灯泵浦固体激光器，已 形成灯泵浦n d ：y a g 激光器的系列产品。 表1 - 2t r u m i p f 大功率连续灯泵浦n d ：y a g 激光器技术参数 t a b l e1 - 2t e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft r u m p fh i g h p o w e rs e r i a ll a m p - p u m p e dl a s e r s 激光器设备最大输出功加工工件生韵激光束质量，激光光缆 # 攀； 瓦) 一 _ | ：光功事q 瓦k 曩叫t 南蛹! m r a d i 。瀚l c r o n i ) h l 够口i 。：7 0 、o z i 渤o ij 0 j j ? 枣l i “- i | 懒o 。 溺鳞瓣骥ji 誉；0 6 0 ：麓- 攀j o i 萋溺? i ，i 。：= - 一 h 。i i 6 馥d 2 。0 0 0 ：j 蠢气5 简| _ i = 。i _ | i = 1 誊| o ，_ 酾o i _ = _ i 囊童。麟；灞i 懑鹾誊。i j ：| 攀l 蒸攀霪警 北京工业大学工学硕士学位论文 m , i u li ! ie ! ! ! 目皇! ! ! ! ! ! 目目自自量自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自自! 皇曼 1 2 2 国内发展现状 我国近几年在激光应用方面发展迅速川，仅2 0 0 1 年一年就有1 0 0 0 多台工业激 光器设备在中国建立。面对如此巨大的市场，美国和欧洲些相关公司展开了激 烈竞争，力图在中国占领市场，例如德国两家大公司r o f i n ，t r t u n p f t e 先后进入 中国市场。而我国本土的激光制造产业虽然起步并不晚，但是产业化水平低，与 发达国家相比，在激光加工系统的可靠性、稳定性以及整体化、智能化、自动化 水平差距很大。尤其是在大功率激光制造方面，远远落后于美国、德国、日本、 法国等先进国家。由于对大功率固体激光器在工业加工中的应用未给予足够的重 视，大功率固体激光器的发展很慢，远落后于其它发达国家。 我国从事激光加工系统开发和生产的骨干单位有d o ：中国大恒公司、华工 科技、电子十一所、武汉楚天光电集团公司等。电子部1 1 所采用m m l 5 0 5 6 西双棒 串接获得8 1 0 w 平均功率输出，在7 1 0 w 时连续4 4 , 时运转，激光输出不稳定度小于 士眦t t t l 。据报道m 】，武汉楚天广电集团公司研制出一套大功率光纤传输连续激 光焊接系统，其n d ：y a g 激光器使用四棒串接，激光多模输出，最大输出功率 1 2 8 0 w ，发散角1 5 m r a d ，8 h 、1 0 0 0 w 连续输出，稳定度4 - 5 ，焦斑直径0 ，6 m m ， 电光转换效率平均为3 9 ，光纤传输效率达9 0 。 我国至今还没有开发出2 k w 以上的工业化大功率固体激光加工系统，大功 率固体激光也只能依赖进口，而这类激光加工系统恰恰是在工业中具有巨大的应 用价值。国产化的大功率激光加工系统已经成为制约激光加工在国内大量工业应 用的瓶颈。解决目前国内大功率固体激光加工系统研制中所存在的技术难点和 关键问题，开发出工业化2 0 0 0 w 大功率固体激光加工系统，使我国成为继德、美、 法、日四国后掌握该技术的国家，对于促进国内大功率固体激光加工系统的开发 和制造工艺水平，有显著经济效益和社会效益。 1 3 工业控制软件的发展现状 随着工业控制技术的飞速发展，计算机应用在控制领域内起到越来越重要 的作用t ”，在大部分工业控制系统中，都有计算机作为辅助监控设备a 可编程逻 第1 章绪论 辑控制器口l c ) 1 1 4 ，由于其控制方式灵活，运行可靠，抗干扰能力强，具有数 字量、模拟量处理和通信等功能和极方便的可编程性，已成为目前在各种控制系 统中使用最多的控制装置。但是大多数中小型p l c 的显示功能较差，人机交互 操作不便。在实际的控制系统中，通常采用p l c 作为下位控制机实现对生产过 程的控制”，以计算机作为上位机进行工艺流程参数显示、控制参数设置、数 据分析及处理等功能，在p l c 与计算机之间实现通信。这样的系统可以使p l c 和计算机互补功能上的不足，充分发挥二者的优势：前者用于控制方面既方便又 可靠，而后者在人机界面、智能操作、图形显示、数据处理、打印报表等方面有 很强的功能，极大地提高了控制系统的性能价格比。工业控制系统的复杂性对软 件产品提出了很高的要求，软件一般包括数据采集、控制、通讯、数据分析与处 理、数据存储、数据显示、数据查询和报表以及打印等功能。 随着工业控制系统应用的深入、控制系统复杂程度的增强，工业控制软件 在工业控制系统中的地位也越来越重要。工业控制软件的安全性和可靠性在很大 程度上决定了整个控制系统、整个生产过程是否安全。工业控制软件安全已经成 为设计、工程应用中需要重点考虑的问题。 工业控制软件于2 0 世纪8 0 年代初出现，在同年代中期进入中国。前期主 要是各种类型的d c g ，直到2 0 世纪9 0 年代后期，基于微机的工业控制软件才 得到了广泛的应用。目前，工业控制系统的软件一般有两种。一种是直接使用市 售的组态工控软件m 】，国外如w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h ，i n t e l l u t i o n 公司的f i x ， t a 公司的a i m a x 等，国内成熟的软件如泰达组态王、北京赛诺义公司的 s y n a l l 2 0 0 0 希 研华公司的g e n i u s 等m 。这些软件具有功能强、使用方便，不需专 业编程技术等优点。但是也存在着价格昂贵，以及功能有所局限、灵活性差、不 能满足某些特殊要求的缺点。而且正由于它的通用性，对于每一个具体应用的场 合反而存在冗余。所以另种选择就是手工编写工控软件，这样可以更加有针对 性的使软件为用户服务。 从计算机软件角度，当前工控软件的发展趋势邮1 是：从建立和形成软件产 业的基本点出发，软件的生产走向工程化，软件产品商品化；其次建立开放式的 系统是发展的必然趋势，因此如何使应用软件独立于平台，并在异构环境下工作， 北京工业大学工学硕士学位论文 i i i 无地理位置的限制，做到即插即用是当前发展的大关键所在；同时应用软件的 开发不局限于功能的需求，而更多地考虑系统的可维护性，可扩展性和可重用 性。在软件设计中，框架技术、中间件技术、组件技术和面向对象的技术受到 越来越广泛的使用。 1 4 论文研究背景及内容 本课题来源于市经委技术创新项目“工业用大功率n d ：y a g 固体激光加工 系统的研制”。 本文将利用面向工控领域的上位机实时监控软件的设计思想和实现方法，根 据大功率灯泵浦固体激光加工系统的实时监控要求，围绕如何开发一个完善的激 光加工系统监控软件，对监控软件实现的关键技术模块化程序设计、数据实 时通信技术、数据库技术等技术作深入的研究，并最终开发出一个完善高效可靠 的监控软件。最后针对激光加工系统研制中光束质量测定问题，给出了一个快速 简便直观的计算激光光束质量的方法。 第2 章监控软件的总体方案设计 第2 章监控软件的总体方案设计 大型软件的系统结构设计由两个阶段组成”) ，即总体设计( 也称初步设计) 和详细设计。总体设计是确定系统的模块化结构，它包括以下三项工作：如何将 一个系统划分为多个模块；如何确定模块间的接口；如何评价模块划分的质量。 详细设计主要是对模块过程的说明。软件的总体设计是结构设计( 表现各模块之 间的组成关系) ；软件的详细设计是模块内的过程设计。掌握模块化设计的要领， 就能将一个系统分解成若干个容易管理的部分，使得每一部分可以被单独开发。 下面我们将就监控软件的总体设计进行讨论和研究。 2 1 监控软件的需求分析 2 1 1 激光加工系统的组成及控制 激光加工系统的功能要求以及与p l c 控制系统的通信要求是决定监控软件 方案的重要因素。 大功率灯泵浦固体激光器是一种大型的工业加工设备，主要用于工业材料加 工( 例如切割、焊接等) 。它主要由激光晶体棒、泵浦灯、聚光腔、光学谐振腔、 激光电源及水冷系统等组成，整个加工系统的硬件控制由p l c 系统完成。监控软 件正是通过与p l c 控制系统进行数据通信，来实现对激光加工系统的实时监控。 p l c 控制系统大致分为以下几个部分：冷却水检测系统，激光电源以及激光 功率测控系统，光闸、光路控制系统等。控制系统在激光器运行中需要对水流量、 电压、电流、温度、光闸、功率等多种参量进行实时监测和控制。大功率灯泵浦 固体激光器在运行过程中会产生大量的热，而激光棒、泵浦灯、谐振腔等对温度 要求比较严格，因此水冷系统在激光加工系统中至关重要。控制系统需要通过传 感器对冷却水的温度和水流速进行检测采集，实时监控水冷是否正常，一旦发现 异常将中断高压并报警，以保证激光器的正常安全。激光器输出功率的调节主要 通过激光电源来完成，激光电源具有高压大电流的特点，需要p l c 控制系统精 确控制。n d ：y a g 固体激光器光束经过耦合由光纤传输到加工站，控制系统通过 对光闸、光路等的控制实现对激光束传输的控制。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 2 监控软件的功能需求和用户需求 一个软件的需求分析可以从两方面考虑，一是从软件需要实现的功能分析， 另一方面是从用户角度的需求分析。 根据激光器的使用要求，激光器监控软件是连接操作人员和激光加工系统的 1 2 中间纽带，它一方面需要提供界面和工具让用户输入参数，进行一定操作：另一 方面监控软件需要根据用户输入参数产生一定输出指令控制激光器运行，同时将 运行状态实时显示。所以从功能上可大体分为两部分，一部分是完成提供视图、 人机交互、数据实时显示报警等功能的前台部分；另一部分是完成控制命令的读 取、指令的发送、激光器状态数据的读取和存取等的后台工作。其中后台工作是 监控软件的核心部分。 总体来讲，监控软件需要实现以下几部分功能： 1 ) 提供图形化的人机界面，操作人员可以方便的利用监控软件对加工 流程的参数( 如激光功率等) 进行设置，可以完成激光器开关光、 中断、光闸打开闭合等操作： 2 ) 实时显示激光器加工过程中的各重要参量( 激光功率、冷却水流量、 水温，一些主要设备的温度等数据) ，以及激光器主要部件( 如光闸， 泵浦灯，光纤，电源等) 的运行状况； 3 ) 当激光器在加工过程中出现异常时，监控软件实时报警，并且显示 错误信息及相关的详细资料； 4 )建立数据库保存一定时期内的操作记录及历史数据，可以对设备一 定时期内的运行状况、故障处理等信息实现方便快捷的查询。 从用户角度来说，不仅要求软件实现一定的功能，同时要求软件具有其他一 些特性。作为一台工业设备，大功率激光加工系统通常需要长时间连续在高压高 功率状态下工作，这就对系统的稳定性提出了很高的要求。因此作为激光加工系 统监控软件，同样需要能够适应这种连续稳定的工作状态。用户的另一个要求就 是监控软件必须足够简单明了，使用方便，即软件的易操作性。这就要求开发的 监控软件有非常友好的人机界面和符合人们习惯的快捷操作，而且允许用户通过 简单培训之后，可以比较熟练的使用该监控软件。 第2 章监控软件的总体方案设计 2 2 监控软件的总体方案设计 2 21 应用软件方案设计的基本要求 面向工业用途的软件的开发基于两个方面，其一是被测控对象机理和模型的 研究；其二是实现这些机理和模型的软硬件技术的研究，只有这二者合理的组 合配置，才能构成一个满足用户需求的、易维护的商品化软件。在一个应用软件 开旋、调试、运行和维护过程中，对软件结构的设计要遵循一定的要求： ( 1 ) 具有完备的应用软件开发环境。要求有较为得心应手的开发工具，以缩 短应用系统的开发周期。例如有方便的编辑工具，高效率的编译工具，灵活的仿 真调试工具，及时的错误定位工具和纠错手段； ( 2 ) 具有相对独立的子系统程序模块，分别完成输入、输出和控制显示等任 务。这些模块把系统的硬件目标映射成为软件目标，应该自成体系，它们之间的 联系方式仅仅是数据交换。这样就可以采用面向实时目标的编程方法，使程序结 构层次清晰，目的明确； ( 3 ) 具有良好的易读性和可移植性。在实时应用程序开发过程中，程序的易 读性是关键问题之一。软件开发完成后，用户最经常、最重要的工作是使用和维 护，这些工作的难易与程序的易读性密切相关，并决定系统的命运。另外，计算 机硬件在系统的生命周期中可能不断替换，软件就要继承性地开发，所以要能够 移植。只有不断的继承和移植，软件才会丰富和发展。为了保证实时软件的易读 性和可移植性，无论系统软件还是应用软件最好采用面向对象的结构化语言编 写，特别要注意在程序中增加适当的注释说明。 2 2 _ 2 监控软件的运行平台和开发工具 w i n d o w s 操作系统不仅提供了强大的功能和图形化的用户界面( g u i ) ，而且 提供了多媒体和数据库的开发功能，使用户方便地使用多线程和g u i j q ：发应用程 序成为可能。因此，它不仅被广泛用作管理事务型工作平台，也被应用于工业领 域【2 ”。本课题中软件的设计开发基于w i n d o w x p 操作，由于w i n d o w s 9 8 对硬件控 制的实现更简单，因此在实际加工系统控制计算机安装了中文w i n d o w s 9 8 操作系 统。 北京工业大学工学硕士学位论文 i i i v i s u a lb a s i c 应用软件开发工具由于界面友好、简单易学、功能强大，已成为 真正专业化的大型开发环境和语言。在开发的过程中，开发人员不要非常清楚有 关的w i n d o w s 操作系统的细节，就可以编制出性能很高的程序。特别是，在串行 通信中，v b 提供了集成度很高的m s c o m m 控件，使得串行通信的编程变得简单。 223 监控软件的主要功能模块 模块化软件是模块化概念在软件设计中的应用，是软件开发的一种重要技 巧，在计算机技术中称为“模块化程序设计”( m o d u l a r p r o g r a n - m f i n g ) 幢”。它指 的是“把系统或程序作为一组模块集合来开发的一种技术”，其“目的是把一个 复杂的任务断开成几个较小、较简单的予任务，它至少方便了正确的程序编写”。 模块化设计运用的水平更将影响到软件开发的效率、质量和可维护性。 根据上述对激光加工系统的使用要求分析，以及对监控软件的功能分析和用 户分析，可将软件按图2 1 所示模块划分： 图2 1 监控软件主要模块示煮图 f i g u r e2 - 1m a i nm o d u l e so ft h em o n i t o r i n gs o f t w a r e ( 1 ) 控制管理模块：整个软件系统的内部桥梁。它通过蹦序控制或设置触发 点来协调各个模块的工作，读取操作者的参数设置指令或操作命令指令，并通过 数据通信模块发送给p l c 控制系统。依据功能主要可以分为操作响应和时序控 制两部分： ( 2 ) 数据通信模块：负责与p l c 控制系统进行数据通信任务。所有待发送 数据都要经过格式化处理为统一的数据格式，再通过串行通信口发送给p l c 控 第2 章监控软件的总体方案设计 i l l 制系统：在p l c 控制系统传送来数据时及时读取数据，并调用数据处理模块进 行数据处理。具体可分为格式处理、数据发送和数据接收三部分功能； ( 3 ) 故障处理模块：负责激光加工系统发生故障时的相应处理工作。当监控 软件监测到激光加工系统发生故障时，通过报警窗口报警，并根据故障类型显示 故障相关信息；屏蔽相应操作直到故障排除，同时将故障信息记录入数据库中； ( 4 ) 数据处理模块：负责对p l c 控制系统发送来的数据进行处理。包括逐 数据区域分析从p l c 接受到的数据，判断激光加工系统各元件状态，显示激光 器运行情况及各种参数数值：如果发生故障调用故障处理模块： ( 5 ) 信息处理模块：负责激光加工系统运行过程中各种信息的显示、记录及 检索。包括，在界面上显示激光加工系统的相关信息：将激光加工系统运行过程 中各类重要数据和信息录八数据库中；同时支持操作人员进行信息检索操作，查 询激光加工系统一定时期的加工记录和故障记录。 采用模块化设计，各部分功能相互独立，可以很方便得对监控手段和通讯模 块进行扩充和改造，以适应新监控系统的要求，提高了监控软件的可扩展性和可 移植性。 2 2 4 监控软件的系统框架 个应用软件应该面向行业，根据行业实际需求建立一个良好的应用系统框 架和良好的运行环境。作为一个合理的框架来说，不但要考虑实现代码和功能的 复用，而且要考虑到设计和体系结构的复用，使系统具有健壮性和稳定性，又能 以特定的方式适应变化。在工业控制领域内软件一般包括数据采集、控制、通信、 数据分析与处理、数据存储、数据显示、数据查询和报表以及打印等功能。同时 由于一般工业控制软件实时性很高，因此要求采集和处理频率都很高，这就要求 工控软件必须有合理高效的应用框架。 结合本监控软件的需求分析，采用如图2 2 所示的系统结构。 北京工业大学工学硕士学位论文 ! i 用户界面 上tt上 操作响应故障处理数据显示 信息查询 上t下 格式处理 数据处理h 信息记录 上1 l上 、 数据通信( 发送和接收)数据库 上t p l c 控制系统 一一一一一一一一一一- 一- 一- 一i 图2 - 2 监控软件的系统框架示意图 f i g u r e2 - 2s y s t e mf r a m e w o r k o ft h em o n i t o r i n gs o f t w a r e 2 3 本章小结 本章首先介绍了大功率灯泵浦固体激光器的主要组成和功能，从激光加工系 统的使用要求出发，对监控软件进行了功能和用户需求分析。根据需求分析结果， 利用模块化程序设计方法，将监控软件主要划分为控制管理模块、数据通信模块、 数据处理模块、故障处理模块和信息处理模块等五个主要模块。其中控制管理模 块主要完成时序控制和操作响应等任务；数据通信模块包括数据格式处理，数据 发送和接受等任务；数据处理模块负责对激光加工系统相关数据进行处理；故障 处理模块完成对故障信息的响应操作；信息处理模块完成激光加工系统相关信息 的显示、记录和查询功能。最后给出了监控软件的系统框架。 第3 章监控软件数据通信问题的研究与解决 第3 章监控软件数据通信问题的研究与解决 监控软件的数据通信主要是指计算机与p l c 控制系统之间实现实时数据交 换，这是整个监控软件的基础。只有具有良好健壮的接口通信，保证计算机与p l c 之间传递的数据正确快捷，才能达到对加工系统运行的实时监控。本章将就激光 加工系统数据通信的软硬件实现及相关技术进行讨论。 3 1 数据通信方式与接口 3 1 ，1 监控软件与p i g 的数据通信方式 在数据通信中1 2 ”，数据在信道上按一定方式传输，通常按照数据代码传输 的顺序可分为并行传输和串行传输。并行传输指的是数据以成组的方式在多条并 行信道上同时进行传输。并行传输具有速度快、收发不存在字符同步问题等优点。 但是并行传输必须有并行信道，而且若信道较长，电压衰减效应及信号间相互电 子干扰问题会更加明显，这往往带来了设备上或实施条件上的限制。因此在远距 离传输是通常采用串行传输。串行传输指的是数据流以串行方式在一条信道上传 输。串行传输只需要一条传输信道，易于实现，且成本低，是目前主要采用的一 种传输方式。 串行通信时，数据在两个站a 与b 之间传送，按传送方向可分为单工，半双 工，全双工三种方式。单工时，数据线只能在一个方向上传送数据，两个站之间 进行通信时，一边只能发数据，另一边只能接收数据。它的效率比较低，每个设 备只能工作在一种状态下。在半双工方式中，数据可以在两个设备之间的任何一 个方向传输，但两个设备之间只有一根线传输，故同一时间内只能在一个方向上 传输数据，不能同时收发。如果在一个数据通讯系统中，对数据的两个传输方向 采用不同的通路，这样的系统就可以工作在全双工方式。采用全双工方式的系统 可以同时发送和接收数据。在激光加工系统中，为了保证对激光加工状态及数据 的实时监控，监控软件必须及时地从p l c 控制系统获取信息，因此在本系统中采 用全双工的通信方式。 北京工业大学工学硕士学位论文 尝-, 兰量寰篁苎曩i 曼i 皇舅皇蔓笪曼曼目皇曼曼曼曼曼皇! ! 皇鼍曼吕皇鼍曼鼍 3 1 2 监控软件的数据通信接口 在计算机的主板上通常提供2 个串行通信接 3 c o m l 和c o m 2 z t ，它们都支持 r s - 2 3 2 c 接口标准啪。”。而大多数工业智能控制器如p l c ，都具有支持r s 一2 3 2 c 标准的接e l ，因此，它们与上位监控计算机短距离通信时不需要接口转换电路， 数据线路结构简单，应用非常广泛。在本系统中，由于传输距离比较短，可以将 监控计算机与p l c 控制系统进行直接连接，使用r s 2 3 2 串行接口。 r s 一2 3 2 的每一只脚位都有它的功用，也有它信号流动的方向。其9 脚位的相 关说明如表3 1 所示： 表3 1r s - 2 3 2 引脚名称和功能 t a b l e3 - 1d e f i n i t i o na n df u n c t i o no fp i n si nr s - 2 3 2 引脚名称功能 l c d ( c a r r i e rd e t e c t i o n )载波信号检测 2 r x d ( r e c e i v e )接收数据 3 t x d ( t r a n s m i t )发送数据 4 d t r ( d a t at e r m i n a lr e a d y )数据终端就绪 5 g n d ( g r o u n 信号地 6 d s r ( d a t as e tr e a d y )数据设备就绪 7 r t s ( r e q u e s tt os e n d )请求发送 8 c t s ( c l e a rt os e n d ) 允许发送 从激光加工系统的工作方式以及功能出发，我们使用了最简单的三导线连 接，不使用控制线。 惯号引脚 剞脚信号 图3 - 1 通信接口的接线圈 f i g u r e3 - 1c o n n e c i i n gd i a g r a mo fs e r i a lp o r t 1 4 第3 章监控软件数据通信问题的研究与解决 3 2 监控软件数据通信的实现 3 2 1 通信控件m s c o m m 简介 1 m s c o m m 与a p i 函数编程比较 利用v b 开发串行接口通讯程序有两种方法，一种是利用w i n d o w s 的应用程 序接口( w i n d o w s a p i ) 【2 5 1 ，通过调用系统提供的动态链接库，实现对串口接口 的操作。与串行接口通信有关的函数有b u i l d c o m m d c b ，c l e a r c o m m b r e a k ， s e t c o m m b r e a k ，f l a s h c o m m ，g e t c o m m s t a t e ，w r i t e c o m m ，r e a d c o m m ， s e t c o m r n s t a t e ，g e t c o m m e r r o r 和c l o s e c o m m 等。另一种方法是利用串口通信控 件m s c o m m 。a p i 函数编写通信程序时，涉及的函数较多，次代码编写比较复 杂，需要编程者了解串行接口的结构、a p i 的调用和出错处理等。而i v l s c o m m 控 件则编程比较简单，并且控件的可靠性很高，调试时完全可以不考虑这部分错 误的可能。从激光加工系统监控软件的实际需要出发，m s c o m m 控件的功能满 足要求，使用简便安全。能大大缩短开发周期，因此选择使用控件来进行串行通 信编程。 2 m s c o m m 控件简介 2 6 , 2 7 , 2 8 串行接口通讯控件m s c o m m 实际上是w i n d o w s a p i 函数的有机集成。 表3 - 2 控件m s c o n n 主要属性 t a b l e3 - 2m a i np r o p e r t i e so fc o n t r o lm s c o m m c o m m p o n 设置并返回通信端口号 s e t t i n g s 设置著返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位 p o r t o p e n打开或关闭窗口 r m p u t从接收缓冲区返回或删除字符 0 u t p u t 向传输缓冲区写一个字符串 r t h r e s b o l d 设置返回要接收字符数目，并产生o n c o m m 事件 s 1 h r e s h o l d 设置传输区字符数目。并产生o n c o m m 事件 i n p u t m o d e 设置返回i n p u t 属性取回的数据类型 c o m m e v e n t 返回最近的事件或错误 i n b u 丘b r s i z e 设置接收缓冲区的大小 o u t b u f f e r s i z e设置输出缓冲区的大小 北京工业大学工学硕士学位论文 控件m s c o m m 以属性和事件的形式提供了对w i n d o w s 通讯驱动程序的a p i 函 数的接口，为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。因此，程序 员只需在程序中设置和监视m s c o m m 控件的属性和事件即可完成对串行口的编 程。表3 2 列出了m s c o m m 控件的主要属性及其作用。 3 2 ，2 监控软件的串行通信编程 1 串口通信的编程方式选择 串行通信有两种主要的工作方式1 ：查询方式和事件驱动方式。查询方式 是在一个进程中的某一线程，定时地查询串口的接收缓冲区，如果缓冲区中有数 据就读取数据；若缓冲区中没有数据，该线程将继续执行。在一般情况下，查询 方式是一种最直接的读串口方式，但由于线程