（机械电子工程专业论文）基于internet制造系统的常用测控软件模块构建技术研究.pdf

摘要 随着全球市场竞争越来越激烈以及计算机信息网络技术的飞速 发展，广大制造企业对网络化制造的需求越来越强烈，因此，对网络 制造技术的研究也就成为国内外主要研究热点之一。针对目前网络制 造技术的现状，本文试图从模块化角度去研究位于网络制造底层的基 本技术测控软件系统的编制，构建相应的模块化测试系统。 首先，本文讨论了目前制造企业中实用的网络技术，如工业自动 化协议m a p 厂r o p 和各种现场总线技术等。对于网络制造系统体系结 构中设备层下的接口模块，提出了按设备的一般控制特性进行测控软 件模块分类的方法。 其次，本文讨论了底层设备接口中需要解决的主要问题，如设备 间通讯、数据文件的管理、n c 代码翻译技术、保密与安全等，其中 重点研究了工业测控中最常用的a 仍、d a 、i o 模块的特点和构建 技术，并分析了模块间数据交换与共享的实现方法。 本文还分析了系统平台的选择对模块设计的影响，并对工业测控 软件模块中的i o 端口操作、定时等进行了讨论。 最后，结合工程实际应用项目对几种常用软件模块进行了实验验 证。实验结果表明，所编制的模块结构性好，能缩短产品开发周期， 可以为大多数工程应用提供技术支援。 关键词：网络制造，底层设备接口，测控软件模块 i i a b s t r a c t a st h ed r a s t i c c o m p e t i t i o no f9 1 0 b a l w o r l dm a r l ( e ta n dt h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r n e t w o r k t e c h n o l o g y ， m o s t m a n u f k t u r i n g e n t e 平r i s e sb e g i n t or e s e a r c h m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h e n e t w o r k ，a n dn o w i th a sb e c o m eo n eo ft h er e s e a r c hf o c u s e si nt h ew o r l d b a s e do nt h ec u r r e mc o n d i t i o no fm e n e t w o r k m a n u f k t u r i n gt e c h n o l o g y ， t h i sp a p e r t i y st of i n dae a s yw a y t oe s t a b l i s ha m e a s u r i n ga n dc o m r o l l i n g s y s t e m ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e ro fm o d u l a r i z a t i o n f i r s t l y ，s o m eb a s i sa n dn e t w o r kt e c h n o l o g yu s e di nm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e sa r ed i s c u s s e d ，s u c ha sm a p 厂r 0 pa n df i e l d b u s ，a n dt h e na c l a s s i f i e dw a yf o ra m e a s u r i n ga 1 1 dc o m r o l l i n gs y s t e ms o r w a r e a c c o r d i n g t ot h eg e n e r a lc o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f e q u i p m e n ti sp u tf o n v a r di n t h i sp a p e r s e c o n d l y ，s o m ec o m m o n l yu s e d 向n c t i o n sf o rt 1 1 es u b s t r a t ee q u i p m e n ti m e r f i a c ea r e p r e s e n t e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l t h e 胁c t i o n sa r e t h ec o m m u n i c a t i o nb e “v e e n e q u i p m e n t ，t h em a n a g e m e n to fd a t a ，t h e i m e 翠r e t a b l et e c h n o l o g yo fn c c o d e s ，s e c r e c ya n ds a f e t y ，t h ed a t as w a p s l ( i l l s e t c ，e s p e c i a l l ym es t u d ya b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n s t i t u t i o n s o fs u c hf - 锄i l 泌m o d u l e s a s 刖d ，d a ，a n di om o d u l e s i na d d i t i o n ，廿1 ei n n u e n c eo n 廿1 ed e s i g no f m o d u l e su n d e rd i 彘r e n t 叩e r a t i o ns y s t 锄，a n dt l l e o p e m t i o n so ni o p o r t sa 1 1 dt i m i n go fm e i i i m e a s u r i n gs y s t e m a r ed i s c u s s e d f i n a l l y ， s o m e m e a s u r i n g m o d u l e sa r et e s t e dc o m b i n e dw i t l l a n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nc a s e ，a 1 1 dt h e r e s u l t ss h o wt h o s ec o n f i g u r a t i o n so f m e m e a s u r i n g m o d u l e sc a nb ee a s i l ya d a p t e di na ni n d u s t r i a lp r o j e c ta r e r al i t t l em o d i f y i n g s ot h em o d u l e sc a ns h o r t e nt h ed e v e l o p i n g p e r i o d i c i 吼 a n dc a nb e w i d e l y u s e df b r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：n e t w o r km a n u f a c t u r i n g ，s u b s t r a t ee q u i p m e n ti m e r f a c e ， m o d u l a r i z e d m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f h v a r e i v 原创性声明 本人声明，所璺交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取褥的 磷究成莱。尽我瑟知，除了论文中特嗣蕊以标注的致谢的娩方耱，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中粥大学或萁他单位的学 位或证书蠢使蠲遥豹耪精。与我菸溺工 乍懿霹志对本臻究掰作秘贡献均己在论文 中作了明确的说明。 作者签名：盈! ! 釜日期：童! 苎年j 二_ 月坦只 j 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有必保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 谂文，克诲学位谂文棱壹瓣释偌霾；学铰霹叛公毒攀霞论文熬全郝耱罄或舔分癌 容，可以采用复印、缩印或其他手段保留学位论文；学校可以根据图家或湖南省 有关部门娥定送交学德论文。 作者签名：巨如芎导师签名： 日期：山3 年r 月 缩略语说明 a d = a n a l o g d i g i t a l模拟数字 i o = i n p u t o u t p u t输入输出 c i m s = c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 计算机集成制造系统 a m t = a d v a n t e d m a n u f a c t u r i n gt e c l l l l o l o g y 先进制造技术 n a m t = n e t w o r ka d v a n t e dm a n u f 砬t u r i n gt e c i l l l o l o g y网络化先进制造技术 i p c = i n d u s t r i a lp c工业个人计算机 f d d i = f i b e rd i s 研b u t e dd a t ai n t e r f 酏e光纤分布式数据接口 a t m = a s v n c l r o n o u st r a i l s m i s s i o nm o d e异步传输方式 c n c = c o m d u t e rn u m 嘶c a lc o n t t o l计算机数字控制 d s p _ d 硒t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理 p d m = p r o d u c td a t am a n a 贴m e n t产品数据管理 m r p ；m a n u f a c t 谢n g r e s o 眦ep l 锄l i n g 制造资源计划 n c = n u m e r i c a lc o n t f 0 1数字控制 f m s = f l e x i b l cm a l l u f ；l c t u r cs y s t e m 柔性制造系统 d l l d y n a m i c l i n kl i b r 撕e s动态链接库 c a d = c o m p u t e r a i d e dd e s i g n计算机辅助设计 c a e = c o m p u t e r _ a i d e de n g i n e e r i n g计算机辅助工程 w a n = w i d ea r e an e t 、v o r k广域网 l a n = l o c a la r c an e t w o r k局域网 m i 黔m a n a g e r i n f o 咖a t i o ns y s t e m 管理信息系统 d b m s = d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m数据库管理系统 d n c = d i r e c tn u m e r i cc o n 昀l计算机直接数控系统 t c p i p = t r a l l s m i s s i o n c o n t r o lp m t o c o l 肠t c n l e tp r o t o c o l 传输控制和网间互连协议 i s 0 = i n t e m a t i o r l a l o 唱a i l i z a t i o n f o rs t a n d a r d i z a t i o n 国际标准化组织 a p i = a p p l i c a t i o np r o g r 锄m i n gi n t e r f a c e应用编程接口 v i l 主堕查堂避主堂堡篓塞 一j 至i 星j i 堕 1 问灏的鹜繁 第一章前言 当前，经济全球化和信息革命的浪潮正在席嚣全世界，深刻地影响蔚人类社 会羲经滚、程技、太强生涯等方方瑟瑟。涮造监穗不铡外，这穆影鹬正奁謦寒割 造业及其制造技术的重大变革【5 j 。 制造业是垦疑经济豹重要支l 奎。强黄2 0 世纪，毒l 逡池及其僚毵豹露l 遣鼓拳 得到了飞速发展，特别撼在8 0 年代末期，美国依托本国制造业面临的问题、机 遇秘挑战，提出了先进制造技术( a m t ) 靛概念。瑟谓a m t ，题撩毒造避不数 吸收信息技术和筲理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管 理、销餐、使用、服务乃至回收艇铸l 选全过程。自从美戮9 0 年代初制定国家级 a m t 笈壤计划以来，带来了制谶技术研究领域的一次变革，在垒球激麒了很大 的反响，各国政府纷纷铡定本国的a m t 发展计划和研究计划，推动了a m t 的 i 毽速发袋 埘j 。 a m t 的重袋特点之，就是它不是个一成不变的技术，两是一个不断吸 收各种商新技术、不断丰富其内涵的动态按术系统。 当前，由于网络技术特别是i n t e m e t i m 啪e t 技术的迅速发展，正在给制造业 带来深轰豹交纯鞠重大影响。薪黼际权威翎造技术研究梳构德国f 穗u i 】1 0 f 研究院院长w 曲1 e c k ehj 教授，2 0 0 0 年1 1 月在上海召开的第一属国际机械工程 拳术会议+ 俸懿题为硝络生产制遮篷全球纯的蘸暴的大念报告中，特巅 强调了网络生产在制造业发展中的重大影响与作用。又如，2 0 0 0 年3 月在新加 坡程嚣了第五藩瓣菰诗冀辊集藏篱l 遥大会，大会缀缀委舞会主露r o b e f tg a v _ 程 学术委员会主席j 勰b i rs i i l 曲在他们联合撰写的大会论文集前言中指出，近年来 裁造韭“最巷丈瓣影嫡魏楚薹予魏l e 越e l 技寒襄耜关遂务豹密蕊”。勇终，隶l 造 众球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化和锩6 造绿色化是现代制造业的发 鼹趋势，瓣枣l 逵全球纯、铡造襞撼毯零囊l 逡蕴掇识趣裹不舜辜l 逢黼络纯豹支撑繇 境，因此，可以说制造9 嘲络化是现代制造业发展的主要趋势之一c 弛瑚l 。 由主霹见，燃终纯先进制造技本 n 趟茬t ，筠称瑗终鹊造) 建经济龛塔纯褒 信息革命时代的必然产物，是剐“t 和网络技术相结合的结果。它是一个不断发 中南大学硕十学位论文 第一章前言 展的动态技术群和动态技术系统，是计算机网络，特别是i n t e m e t i n t r a n e t 和数据 库基础上所有a m t 的总称。 尤为重要的是网络化制造这个方向在国际上也是属于刚开始发展的研究热 点，是国内外差距比较少的领域。当今，技术发展的速度加快，产品更新换代越 来越快，现在落后一年可能相当于以前落后许多年。因此，在我国发展n a m t 十 分必要，而且十分紧迫。为此，本课题将在这个方向展开研究。 另一方面，先进制造技术离不丌测控技术。在实际制造过程中，工控机( i p c ) 利用微机作为控制的关键部件，通过对各种传感器进行数据采集、分析、计算， 再反馈回来实现对各种机器如车床、多自由度焊接机、各种机械系统进行精确控 制。而当前，工控软件大多数为专用软件，即各软件加以应用时专为某一工程设 计，综合应用考虑不够。在科研实际中，将其作为常用模块加以应用时，可拓展 性一般有所局限，工程问的移植性较差。总之，模块功能划分不合理，综合应用 时可供实际应用者有限，模块协调配套性差，可以说是当前多家工控产品提供的 软件的不足之处。此外，软件设计者多年积累的成绩也没有得到及时的整理。 目前，工程应用中要求有质量高、开发周期短的软件，而市场上可以得到的 工程软件与硬件的配套、重组性差，因此有必要从综合应用出发，规划出一些可 以用于工业控制、基本算法等方面的基本模块。为此，工控机常用测控软件模块 成为本课题研究的另一大方面，并结合前一方面网络化制造进行讨论。 1 2 论文的研究内容 本文将从网络制造的现状入手，研究网络制造系统的体系结构、讨论了网络 制造企业中实用的一些网络技术，如工厂自动化局域网协议m a p 厂r o p 、各种现 场总线技术。 众所周知，目前在国际上各企业界普遍推广应用了网络协同设计技术，并推 出了大量可以支持网络设计功能的多种软件。随着网络技术的日益普及，人们已 经认识到信息流在网络上的传递，在企业集团内信息的组织与管理已不再是一个 企业实现网络制造的主要障碍。然而制造企业的设备处在网络制造系统庞大的金 字塔结构中的最底层，从国内外大多数从事制造业的企业来看，实现网络制造的 一个主要障碍来自于企业内部多种机械设备的整合。本文讨论了网络制造系统底 层接口需要解决的主要问题： l 、底层设备的通讯。讨论了生产设备层互联通讯的结构形式。同时，我们应 该面对这样一个现实，目前国内普遍使用的还是经济型数控设备( 如铣床、线切割 中南人学硕七学位论文 第一章前言 设备等) ，大多是以t p8 0 l 单板机改装的简易c n c 控制器，本文提出一种实现各 种混合数控设备的联网功能的实现方式。 2 、数据的管理。组建一个网络制造系统需要多种数据信息文件，如n c 代码 文件、各种报表文件、加工信息文件、故障检修纪录文件等，要实现这些信息资 源共享和信息快速、准确、及时的传输，这是网络制造系统成功运行的瓶颈问题。 一种新兴的技术产品数据管理( p r o d u c td a 诅m a n a g e m e n t ，简称p d m ) 技术可 以用来对这些信息文件进行协调管理。 3 、语言的翻译。本文所说的语言翻译主要是指n c 代码的翻译，我国已有 几家院校如华中理工大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等实现了某些数控系 统的n c 代码翻译器，目前应用情况良好。但是对于一个数控系统，其专用翻译 器需要由专业人员来开发，用户是无能为力的。这对于翻译器的维护和改进都是 不利的，对于一个网络制造系统来说也是很不方便的。目前，尚无文献表明有通 用n c 代码翻译器的实现。本文提出了一种通用n c 代码翻译器的实现模式。 4 、保密与安全。在某大型化工企业中，由于企业的制造网络与外部互联网之 间存在物理连接，在理论上十分成熟的系统却经常发生误动作与误报警，导致其 生产系统始终无法正常工作。最终被迫将与国际互联网的物理连接断开后系统才 恢复了正常。本文从网络信息保密、网络实体保密和网络防病毒技术三个方面对 网络制造系统的保密和安全问题进行了讨论。 5 、工控软件常用模块及其协同工作的机制与设计要点。底层设备的自动控制 最终要靠编制软件来实现，工业测控系统比较适宜于也应该使用模块化思想来设 计开发。工控软件常用模块主要有精确定时、数据采集与一般处理、a d 、d a 转换、计数、通讯、用户交互界面等模块。由于时间限制，本课题仅研究其中的 刖d 、d a 数据转换模块、i o 模块及其模块中的数据前期处理和采用的抗干扰措 施，这些模块均在w i n d o w s 平台下使用s u a lc + + 6 0 实现。 6 、程序、模块间数据交换与共享的实现。在不同的模块之间，最简单的共享 数据的方法是使用全局变量，还可以利用a s c i i 码文本文件实现数据交换与共享， 以及利用共享内存机制实现数据共享。当然，后两种方法也适用于不同进程、不 同应用程序之间的数据交换与共享。 对于网络制造系统来说，操作平台的选择是关系到系统的效率、使用的方便 性、程序的可维护性与可移植性等的一个很重要的方面，本文分析了客户端与服 务器端操作系统平台的选择原则与注意事项。然后，结合作者与导师合作开发的 列车轮对跑合测控软件系统的体会。讨论了基于p c 机的m n d o w s 下工业测控系 统一些关键问题，如端口操作、通讯定时功能的实现。 对d a 模块中关键性的不完全微分p i d 控制变频调速子系统进行了公式推 中南人学硕七学位论文第一辈前言 导、数学模型建立、m a t l a b 下的s i m u l i i l k 仿真实骏。 理论联系实黪，最后本文结台列车轮对戆舍溅羧系绞懿开发对采样模块进行 了实验验证。并对编制本软件系统中出现的一些特殊问题进行了分析，介绍了其 鳞决方法及谖试续岽。 4 ! 塑盔兰堡主兰垡堡皇 笙三童婴塑墅垄至竺堡墨窒塑堕婴堂兰! ! ! 盟 第二章网络制造系统体系结构的现状与分析 2 1 网络制造系统的体系结构 网络制造系统的体系结构是指以现代信息技术的观点建立起来的制造企业 管理模型的框架。我们知道，网络制造系统是人为的系统，也就是说，是人们为 了达到某种目的而设计和建造的系统，这种系统有其自己的生命周期，即分析、 设计、实施与运行，各个阶段都需人的参与。如何保证系统目标的实现，需要有 一套方法、工具，以及适合的参考模型。网络制造系统的体系结构的研究，其目 的就是通过对网络制造系统的各组成部分及其相互关系，提出标准的、功能优良 的、实用的网络制造系统参考模型集合，建模的机理、方法和工具，用以系统地 指导和帮助网络制造系统的设计、实施与运行【5 j 。 目前，网络制造系统的体系结构研究基本上分为四类： 1 ) 、面向网络制造系统生命周期的体系结构：制造系统的生命周期包括需求 分析与定义、系统设计、系统实施与系统运行四个阶段。不同的企业对网络制造 系统有不同的需求和设计思想，同时企业在不同的阶段对网络制造系统结构的描 述有不同的要求和任务，这就需要有一套结构化方法和平台来帮助与支持需求分 析与定义、系统设计、系统实施与系统运行的生命周期。欧共体欧洲信息技术研 究发展战略提出的c i mo s a 体系结构是其典型代表【6 】。 2 ) 、面向网络制造系统功能构成和控制结构的体系结构：网络制造系统是一 个复杂的大型系统，为了简化设计与实施，可将它分解为不同的分系统，分系统 又可分解为更小的子系统。此外，网络制造系统的控制系统十分复杂，不可能完 全采用集中控制方式，因此应采用横向或纵向的分解与集成，把复杂的系统分解 为分层控制，减少全局控制和开发难度。这类体系结构由于研究较早，在国际上 有一定的应用，它的缺点是未能概括企业各个方面和各个层次的要求。 3 ) 、面向网络制造系统软件平台的体系结构：一些计算机公司为了解决网络 制造系统中众多软件的支持和连接问题，进行了标准化平台的研究，各自开发了 面向网络制造系统集成平台的体系结构。而这些平台是计算机公司为应付迫切需 要而开发的，存在着应用的局限性。 4 ) 、递阶控制的体系结构：递阶控制结构是将系统以空间时间进行分层分 中南大学硕士学位论文第二章网络制造系统体系结构的现状与分析 解，每层有各自的功能和权限，并由上向下其范围变小；控制( 实时控制) 通常 在最底层实现。由于采用递阶控制结构能保证数据集成的实现，由上而下可传递 各种计划、命令信息，由下而上进行各状态信息的反馈，且层次分明，易于理解， 故此结构在网络制造系统中得到了广泛应用。采用此结构，我们可以将网络制造 系统分为总部、工厂级、车间级、设备层、底层各模块五各方面，它们组成一个 金字塔形的结构，如图2 一l 所示。 其中在总部和工厂级采用i n t e m e t ，工厂内部利用i n t m n e t 来实现联网。 图2 1 、网络制造体系结构图 一般集团公司设有总部，总部层位于网络制造系统金字塔结构的最顶层。在 这一层一般进行一些宏观调控，建立一个大型的数据库对整个公司进行管理、调 度、协调。 工厂层一般建立局域网对整个工厂进行网络管理。在这一层制订生产计划， 进行资源调度，车间协调。并向车间层发放指令。 车间层控制系统根据工厂层( 上级控制系统) 下达的生产计划( 物料需求计 划) 确定车间作业计划，并协调资源的配置和发放。它主要有作业管理和资源调 度两大功能。 设备层控制系统包括各种设备( 如机床、机器入、小车、传送装置及存储系 统等) 及设备控制器。通常设备控制装置是用来直接对设备的物理活动进行控制， 包括c n c 装置、编程控制装置( 编程机) 等其他活动控制装置，通常作为设备的 一个组成部分由设备供应商提供。设备控制器向上与上级控制系统连接，向下与 各设备系统通过接口相通，它可将工作站控制器( 或单元控制器) 的加工计划或 命令、转换成可操作的、有顺序的简单任务，通过标准接口传到设备，并对设备 6 中南大学硕士学位论文第二章网络制造系统体系结构的现状与分析 的任务活动进行监控，同时采集加工数据并反馈工况信息。 设备层下是底层模块层。在任何工业控制测控系统之间都存在不同程度的共 性，它们所实现的主要功能归纳起来不外乎：、物理量检测和信号采集；、 根据工艺动作过程及控制策略，将采集的相关信息转换成对执行机构和驱动元件 的控制指令；、人机信息交换。系统中不同功能单元分工明确，各负其责。因 此，测控系统比较适宜于用模块化思想来设计开发，即在设计丌发新的机电测控 系统时，综合考虑系统对象，把系统按功能分解成不同用途和性能的基本单元， 据此选取相应的基本单元，再配上适当的接口软件，构建满足不同用户需求的测 控系统，这一过程就是本文所讨论的工业控制测控系统的模块化设计，其基本单 元就是文中所指的模块。本文将结合工程实际项目列车轮对轴承跑合实验台讨论 网络制造环境下的工控常用软件模块如a d 、n a 、i o 等的构建技术。 2 2 网络制造企业中的实用网络技术 2 2 1m a p t o p 网 m a p ( m a n u f 乱t u r i n ga u t o m a t i o np m t o c a l ，生产自动化协议) 是美国通用汽 车制造公司( g m ) 制定的适用于工厂自动化的局域网协议集。t o l p n e c l l i l i c a la n d o m c ep r o t o c a i ，技术与办公协议) 是美国波音公司制定的适合于办公自动化的局 域网协议集。 早在七十年代末八十年代初，美国通用汽车制造公司( g m ) 就提出了实现工 厂自动化的宏伟目标；可是在1 9 8 0 年，g m 就已为各类自动化系统、设备之间 的通信问题所困扰。当时g m 有4 万台程控机床、仪器、控制装置等，其中只 有1 5 具有通信能力，而为实现这1 5 的设备的通信，要花费总自动化费用的 5 0 以上。原因就在于各个自动化设备厂家提供的设各和系统各成体系，互不兼 容。为此，g m 于1 9 8 0 年成立了一个专门技术组，研究开发适合工厂自动化环 境的通信标准。于1 9 8 2 年推出第一个m a p 版本m a p l 0 。美国波音( b o e 证g ) 飞 机制造公司也有与g m 同样的问题。一架普通的喷气式飞机由3 5 0 万个零部件 组成t 每一零件有一张制图和相应的加工数据表。b 0 e i n g 希望能够在它的设计 部门之间以及工厂车间之间及时交换这些图表，因此它在m a p 的基础上进行相 应修改，于1 9 8 5 年提出了“技术与办公协议”( t o p ) 。在1 9 8 6 年组建的m a p 们p 7 中南大学硕士学住论文第二章网路制造系统体系结构的现状与分析 用户协会，子1 9 8 7 年制订m a p 厂i i o p 3 o 版本的协议。由于这两家公司的规模和 影响，m a p 佃p 已经成为工业界流行的网络协议集9 j 。 m a p 厂r o p 协议是o s i 模式的具体实现。其备层协议概况，觅表2 1 。 o s l 的基本出发点是要使不同的厂家生产的计算机能够互相通信，然而，o s l 的应j j i 珐向上的接口没有作出详细的勰定，所给出的描述是不能直接实现的，它 提供的是抽象的接r _ | 。这种定义的不完整性使得每个制造厂家必须自己定义其各 自的应用程序与应用屡雅务提供者之瓤的接口，从而造成不兼容的状况。为此， m a p ，t o p 提供了比o s i 更多更详细的附加说明，希望备公司能生产包台有 m a p 压o p 全部功能的插件板，用户程序与这些电路板之闻的实际接口是完全相 同的，任选和更换不同厂家的插件板时都不需要修改用户程序，可咀说它提供的 是实际的接口，但是这蝗附加说明多达两干多页【5 l 。 袁2 1m p t o p 协议概况 io s l 参考模型 m a pt o p l斑朔屠弹州，m m s ( ： 二厂报文趣范)f a l v m 。x4 0 0 ，v t j表示层l s 0 表示层 l会话屠l s 0 会话屡核心 传输层i s o 铸输屠第四类协议 1网络层j s o 阿阐互连协议 数据链路层 8 0 22 l 乙c 1 l物壤屡8 0 2 4 令牌总线8 0 2 3c s m a 愆d 出于m a p 拂议非常复杂，实现费用高，使工业领域中占大多数的中小型企 业不易接受，严重阻碍了m a p 网络的酱及推j 。在这种情况下，m i n i m a p 作为 m a p 的一种简化形式，以其实时性能好、易于实现、价格适中、维护简单等优 点被众多的厂家所重视和采纳。m i n i m a p 网络面向制造车间现场，为了满足实 时要求和降低实现成本，它对完整的七层m a p 协议做了简化，m 潲姒p 包括三 层结构：m a c 屡、l l c 层、战用蔗。各层实现了如下标准协议： m a c ：i s o 一8 0 2 4 令牌总线方式； l l c ：i s o 一8 0 2 2 确认无连接赧务： 应用层：m m s 协议标准。 由予m 讯i 砒p 协议没有传输瑶，因此可靠的数据传输服务必 羹由l l c 屡提 供。i s 0 8 0 2 2 中类型3l l c 协议提供豹确认无连接服务( a c k n o w l e g e d c o n n c c t i o f d e s ss e r v i c c ) 技用来在m i n i m a p 中建立可靠的数据传输服务。 对于一些智能调节器、传感器、可编援控制器盼连网，黼n i 淞p 协议结掏 仍然太复杂，可使用“现场总线”( f i e l d b u s ) 的协议连网，以达到更高的性能， 价格比p “。 8 主童查兰堡主堂垡堡奎 星三童塑丝鱼! 堕墨丝箜墨笪塑塑塑堂兰堕塑 2 2 2 现场总线网 现场总线技术是在二十世纪八十年代后期发展起来的一种先进的工业控制 技术，它集微机技术、数字通信、智能仪表、网络技术于一身，从根本上交破了 传统的“点对点”式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性，为真正的分 散式控制、集中式管理提供了技术保证。现场总线的国际标准化工作从技术和业 务分工上是由国际电工委员会( 简称i e c ) 下的第6 6 技术委员会来组织实施的。由 于当前世界上现场总线种类很多，而相互之问又有自己的用户和特点，但尚未有 一种能覆盖所有的应用面。同时，各现场总线厂家为了自身的利益，互不相让， 所以至今为止，有关的国际标准尚未全部完成h ”j 。 现场总线目前在世界上种类繁多，市场上很有影响力的用于自动化方面的现 场总线主要有：c a n 、p r o f i b u s 、f u n d a t i o nf i e l d b u s 等。 c a n 是控制局部网络( c o m m l l c ra r e an e t 、v o r k ) 的简称。它是德国的b o s c h 公司和几家半导体集成电路制造商为汽车监测、控制系统而开发出来的。c a n 总线规范已成为国际标准i s 0 d i s l l 5 1 9 1 ( 用于低速通信) 和i s 0 一1 1 8 9 8 ( 用于高速 通信) ，从而得到了m o t o r 0 1 a ，i n t e l ，p h i l i p s ，n e c ，t i ，n i 等公司的广泛支持。 c a n 总线具有极高的可靠性，支持多处理器，链路简单，支持优先级处理等优 点，因此特别适合工业过程控制监控设备的互连，受到了工业及仪器、仪表等领 域重视。c a n 总线的传输速率达l m b p s ( 4 0 m ) 和5 k - b p s ( 1 0 k m ) ，节点数达1 1 0 个， 传输介质为双绞线或光纤。它是在我国最早得到应用的现场总线之一。 p m f i b u s 是过程现场总线( p r o c e s sf i e l db u s ) 的简称它是德国于9 0 年代初 制定的国家工业现场总线协议标准，它遵守欧洲现场总线协议( 符合d i n l 9 2 4 5 标准) ，因此主要用户分布在欧洲，如德国西门子公司( s i e m e n s ) 。p r o = f i b u s 在机 械制造、工业过程自动化、智能楼字控制等方面充当了通讯系统的角色。目前有 三种子协议( 模式) ：p r o 舳l l s d p ( 可实现高速传输，用于工厂自动化) ， p m 舶u s f m s ( 用于般性自动化中) ，p r o 舳u s p a ( 低速总线，用于过程控制 为主) 。对于p r o f i b u 争d p 主要用于工厂自动化，它作为主控器( 如p l c 等) 与现 场设备的数据交换的通讯网络，通常采用主从方式工作；使用基于r s - 4 8 5 标准 的物理层；用屏蔽双绞电缆线传输的二线差分系统，具有极好的抗电磁干扰能力： 通讯速率达1 2 m b i 讹：一个系统可有1 2 6 个节点，数千个模拟量和数字量。 f u n d a t i o nf i e l d b u s ( 简称f f ) 总线即基金会现场总线。是1 9 9 6 年3 月成立 的现场总线基金会组织开发的。 自动化方面的三种现场总线性能对照表如表2 2 所示。 然而，在现场总线领域有一个最根本的问题，就是现场总线的统一问题。现 9 中南大学硕士学位论文第二章网络制造系统体系缝塑堕翌鲨兰坌堑 场总线本来应该是一个全丌放的互联系统，但是由于历史和地域的原因，当今世 界上流行着的数十种各具特色且互不兼容的现场总线。数字技术要发展，国际标 准要先行。标准的问题不但限制了现场总线自身的发展，而且使用户的选择也 比较困难。如果能制定出国际统一的现场总线标准，那现场总线的生命力无疑将 更加强大，发展也会更加迅速。t c p i p 标准对i n t e m e t 的巨大推动就是典型的例 子。同时，现场总线标准的日益完善也将给生产商和最终用户带来巨大的收益。 无论是传感器、执行器、控制器等硬件生产商，还是f c s 系统软件、人机界面 软件提供商，都能从繁杂的总线协议转换问题中脱身出来，专注于产品本身性能 的提高。不同厂商的产品的设计与生产也将有的放矢，互操作性将得到全面的提 表2 2 现场总线性能对照表 特性c a np m f i b u sf u n d a t i o nf i e l d b u s 主要应用范围汽车等制造业 p l c 过程控制 介质访问方式位仲裁令牌、主从令牌 纠错方式c r cc r cc r c 最大通讯速率 l m b d s 1 2 m b p s 2 5 m b o s 最大节点数1 1 01 2 63 2 优先级有悄有 高，这样系统本身也会进一步可靠。目前很多用户不愿或是不敢应用现场总线就 是因为怕选错类型，被时代淘汰。标准统一之后，选型将不再是问题，系统的升 级也将变得容易和经济，用户完全没有后顾之忧。总之，也许在今后的一段时期 内，会出现几种现场总线标准共存，同一生产现场有几种异构网络互联通信的局 面。但是发展共同遵守的同一标准规范，真正形成开放的互联系统是大势所趋。 2 3 软件模块分类与选型 2 3 1 网络制造系统对软件设计的基本要求 在实时工业控制中，高质量的硬件体系固然重要，但控制系统中控制任务的 实现，最终还是要靠程序的执行来完成，因此，应用软件的性能优劣就与整个系 统关系极大，并在很大程度上决定了整个控制系统的运行效率和各项性能指标的 最终实现。对于不同的控制对象，软件设计的具体要求有所不同，但基本要求是 l o 生堕查堂堡主堂垡堡奎 笙三童堕竺型垄墨竺堡墨笙塑塑里鉴皇坌塑 相同的，主要方面有： 1 ) 、实时性要强，要求软件系统实时监测外部环境，对不同的环境变化作出 快速的决策，并形成相应的输出控制； 2 ) 、可靠性要高，一旦系统出现故障，将造成控制过程的混乱，引起严重后 果，可靠性指标一般用系统的平均无故障时间来表示： 3 ) 、可扩展性和操作性要好，对用户而言，软件系统应有良好的接口，在不 需要知道过多细节的情况下，即可进行系统功能的扩展，并且软件使用操作要简 单、方便； 4 ) 、对网络制造系统而言，要求网络安全性要高。在当今计算机网络化社会 中，重视信息安全，采用多种有效的安全技术，不断提高安全技术水平和管理水 平，保证网络信息的安全已成为一个越来越重要的问题。要使网络带来利益的同 时，保证内部信息的安全，同时给非法入侵者必要的反击。在实际实现过程中， 网络安全系统常常需要采用多重技术，互为补充，建立起可靠的防护机制。 2 3 2 模块化设计的基本概念和方法 借助模块化的软件设计基础，为开发具有多种功能的不同产品，不必对每种 产品进行单独设计，而是精心设计出多种模块，将其经过不同方式的组合来用于 不同产品，以解决产品品种、规格与设计周期、成本之间的矛盾，这就是模块化 设计的含义。模块化设计与标准化设计、系列化设计密切相关，即所谓的“三化”。 “三化”相互影响、相互制约，是现代化设计的重要手段。目前，模块化设计的 思想已渗透到许多领域，例如机床、减速器、家电、计算机软硬件等等。在每个 领域，模块及模块化设计都有其特定的含义，本文研究的是网络制造系统中常用 测控软件的模块化设计。模块化设计的主要方式有横系列模块化设计、纵系列模 块化设计、横系列和跨系列模块化设计、全系列模块化设计、全系列和跨系列模 块化设计。模块化设计的关键，一方面是要使模块结构标准化，尤其是模块接口 标准化。另一方面是对模块要进行合理的划分，力求以少数模块组成尽可能多的 产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉， 模块间的联系简单【8 l 。 2 3 3 常用软件模块的分类与选型 中南大学硕士学位论文第二章网终制造系缓竺! 醛斑的现鉴璺坌塑 一个复杂的工业控制测控系统一般由若干个父模块组成，每个父模块又可 分解为若干子模块。因蓝对于瓣控系统豹模块划分，必颓糖握一定靛菠，毙模块 划分得过多、过细，没有体现模块化的特点，与分立元器件无异。若把模块划分 ：霉过少、避耀，冀掰其有酌凌蘸又太多，功能稳对狻立褴没有充分零搴襄。瓣拄在 划分模块时，既要考虑模块间的结合要素以便分离和组合，又要考虑一定功能的 独立瞧秘缭麓豹完整牲。尽量篱亿模块螽努静复杂程度，蕊避免摸浃缝台时产生 混乱，降低系统可靠性。通常对模块的评价应考虑功能的独立性、开放性、通用 愁、先进链，戬及功能熬哥靠性彝经滚瞧，曝涯毒奄建溅控系统露溉经济又合理。 工业测控中常用软件模块分类方法依据不同的侧重点，可以有多种。常见的 煮隧下死耪： ( 1 ) 、根据对系统资源的利用进行划分。可以分为对存储设备、地址、i o 端霜、定射器、中叛控卷器等斡掇俘模块。 ( 2 ) 、根据用户界面交互操控情况进行划分。可以分为对信息的输入、位的 输出、键擞及鼠标等的操佟模块。 ( 3 ) 、根据设备的一般控制特性进行划分。按照此方式进行工业测控常用软 件模块划分，模块结构简明，模块的可重用性好。本文结合工程实际项星，提出 了按设备的一般控制特性对工业测控常用软件模块的分类如下： 、剐d 模块；模拟量信号的聚集是一般测控系统中最常见的技术闻题。在 工妲控帝l 中，酋先剩用传懑器把各种物理参数( 如压力、掇矩、温度等) 测量出 来，且转换成电信号( 电聪或电流信号) ，再经过a ，d 转换成数字傣号后才l 被 计箨辊楚壤。在剜车轮对轴承磨合试验台中，我们需要乖j 用温度传感器a d 5 9 0 采集五路漱度，从a d 5 9 0 得到电流信号，经过电流电压变换电路输入到p c l 8 1 8 ， 利翔p l 8 1 8 中静a 国功能将萁交换成数字信号蘑被计算机娃理。 、d a 模块：计算机处理后的数字信号可通过d a 变换成模拟电信号来 控露l 实际瀚设备。程列车轮对毒交承癌舍试验台孛，我嚣j 蒋数字量遴过p c l 8 1 8 的 d ，a 功能变换成o - 1 0 v 电压信号输入变频器的控制电路，进而控制麾轮电机的转 速。 、d i o 模块：在工业控制中，我们缀常要处理开关缀( 即布尔量) 信号。 我餐哥鞋褥其交换液0 、| 褥释获态赣入到计算梳串。并依獾牙关爨豹不阕组合 方式，返回口的状态供调用程序分析，或返回操作指针等。狂模块化d i o 孛，我锯圭要设诗了如下嚣令方瑟：一是鼷努i 验涯继理，二是位设嚣与字节设置 的处理。在列车轮对轴承磨合试验裔中，为了实现时序动作控制，我们需要判断 上步动 譬是否竞成。逶避p e 鹬1 8 接收裂各接：i 瑟嚣关熬信号嚣，糕震 c 秘1 8 的n i 功能输入到计算机中j 行处理。同时，我们通过p c l 8 1 8 中的d o 功能控 1 2 中南大学硕士学位论文第二章网络制造系统体系结构的现状与分析 制开关量输出板p c l d 7 8 5 中的各继电器，进而控制各油缸、电机等受控电器的 动作。 、c t 模块( 即计数定时模块) ：该模块在工业生产中主要应用于转速的 测量。转速测量是工业测控系统中常见测试要求，为了检测机械设备产生的转动 信号，要求能计数脉冲信号。在列车轮对轴承磨合试验台中，我们利用工业产品 多功能接口板p c l 8 1 8 提供的芯片8 2 5 4 中自带的三个定时器实现了高精度的转 速测量。 、加解密模块：为了保护软件工作者的劳动成果，对软件进行加解密处 理是很有必要的。为此，加、解密的研究也是重要模块之一。在这个问题上，可 以采用多种方式来实现，在基于网络的系统上，可以使用授权方式，来保证软