（机械电子工程专业论文）复合材料成型设备网络监控系统的研究.pdf

摘要 在复合材料的成型工艺中，其成型工艺由于具有产品强度高( 拉伸强度密 度) 、可整体成型及能更好地发挥纤维高强度特性等特点，得到了广泛的应用。 而作为其成型设备，随着技术的发展也在不断完善，近年来计算机技术、通信 技术、网络技术高速发展，企业信息化程度在不断提高，各个设备及各个工序 之间数据交换量的不断增大，传统模式将复合材料成型设备作为独立生产 单元已越来越不适应于纤维缠绕工业的自动化进程了。因此，将复合材料 成型设备网络化，通过网络环境对生产过程及设备进行集中管理、实时监控， 已成为缠绕制造领域内的一个重要发展方向。 本课题以武汉理工大学复合材料缠绕装备研究所研制开发的缠绕系列装备 为监控对象，在提出了网络监控系统总体结构的基础上，对生产过程及设备管 理实现了网络互联、集中控制以及数据交换，并设计开发了相应的管理监控软 件，从而建立了一个管理级和现场设备级的网络监控中心，其主要研究内容有： f 1 1 复合材料成型设备监控网络的构建。主干网络采用工业以太网结构，以 复合材料成型设备为主的生产部门为中心，组建成一个小型的设备监控网络， 并实现与其它部门及上层网络( 企业局域网或i n t e r n e t ) 的对等互联。 f 2 1 复合材料成型加工现场设备的集中监控。采用标准的p r o f i b u s 总线协议、 r s 2 3 2 ( 4 8 5 ) 通讯协议、t c p i p 协议，以客户机服务器模式及自定义的上层通讯 协议和数据格式，对成型设备及辅助设备实现本地或远程的网络监控，以及设 备与设备之间、设备与上层网络之间的数据交换。 ( 3 ) 复合材料成型生产管理的网络实现。以生产为中心，建立了原料采购、 生产销售等简单的生产管理过程，以对等网络数据交换方式，使各个部门之间 达到良好的配合。 ( 复合材料成型设备监控应用软件的编制。采用m i c r o s o f t 公司的v i s u a l c + + 6 0 程序语言，基于面向对象的编程思想，开发出具有良好交互性界面的监 控软件，现场级设备以客户机服务器模式进行数据交换，管理级部门之间以对 等网络模式进行数据交换。 关键字：纤维缠绕，网络监控，客户机服务器，对等网络 i l a b s t r a c t i nt h ef i e l do ff o t r u i n gp r o c e s s e sf o rc o m p o s i t em a t e d a l s f i l a m e n tw i n d i n g f o r m i n gp r o c e s s i s w i d e l yu s e db e c a u s eo f i t s g o o dp e r f o r m a n c e w i t ht h e d e v e l o p m e n to ff i l a m e n tw i n d i n gt e c h n o l o g y , t h ee q u i p m e n tf o r 矗l a m e n tw i n d i n g f o r m i n gp r o c e s s e sa r ea l s oi m p r o v e dc o n t i n u a l l y t h ec o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n d n e t w o r kt e c h n o l o g y , w h i c ha r eu n d e rr a p i d l yd e v e l o p i n g ，a r ea d o p t e dm o r ea n dm o r e b ye n t e r p r i s e s t h i sr e s u l t si nt h ef a c tt h a tt h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gm e t h o d s w h i c ht a k et h ee q u i p m e n ta s s e p a r a t ep r o d u c t i o nu n i t s ，c a nn o tf o l l o wu pt h e a u t o m a t i z a t i o nt r e n do ff i l a m e n tw i n d i n gm a n u f a c t u r e s oi ti so n eo ft h ei m p o r t a n t d i r e c t i o ni nt h ef i e l do ff i l a m e n tw i n d i n gm a n n f a c t u r et om o n i t o ra n dc o n t r o l e q u i p m e n t su s i n gn e t w o r kt e c h n o l o g y i n t h i sp a p e r ，w et a k es e v e r a lf i l a m e n tw i n d i n ge q u i p m e n ta st h em o n i t o r i n g c o n t r o io b i e c t s ，w h i c ha r ed e v e l o p e db yi n s t i t u t eo ff i l a m e n tw i n d i n gc o m p o s i t e s e q u i p m e n to f ，u h a nu n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g y a f t e rp r o v i d i n gt h ec o l l e c t i v e s t r u c t u r eo fn e t w o r km o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e m s o m er e l a t e dt e c h n o l o g yi se x p l o r e d a n dr e s e a r c h e d t h em a i nt a s k su n d e r t a k e ni nt h ep a p e r sa r ea sf o l l o w s ： n 1c o n s t r u c to fm o n i t o r i n gc o n t r o ln e t w o r k u s i n gt h ei n d u s t r i a le t h e r n e t t e c h n o l o g y , w ec o n n e c tm a n yf i l a m e n tw i n d i n gm a c h i n e sa n da u x i l i a r ye q u i p m e n t s i n t oas m a l lm o n i t o r i n gc o n t r o ln e t w o r k 。w h i c hc a na l s ob ec o n n e c t e dw i t he n t e r p r i s e n e t w o r ko ri n t e r n e t ( 2 ) i m p l e m e n to fm o n i t o ra n dc o n t r o lf o rf i e l de q u i p m e n t r s 2 3 2 ( 4 8 5 ) s e r i a l c o m m u n i c a t i o nc r i t e r i o n 、t c p i pp r o t o c o l 、c l i e n t s e r v e rm o d ea n dc u s t o m e du p p e r c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la r ea p p l i e dt ot h i ss y s t e mt oi m p l e m e n t1 0 c a lo rr e m o t e m o n i t o r i n gc o n t r o lf o rt h ef i l a m e n tw i n d i n ge q u i p m e n ta n dd a t ae x c h a n g eb e t w e e n e q u i p m e n ta n du p p e rn e t w o r k f 3 1p r o d u c t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r kr e a l i z a t i o n t a k i n gt h ep r o d u c t i o na st h e c e n t e r , h a se s t a b a s h e dt h es i m p l ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n tp r o c e s s ，w h i l ei n c l u d et h e m a t e r i a lp u r c h a s e ，t h ep r o d u c t i o ns a l ea n ds oo n b yt h ep e e r - t o p e e rn e t w o r k ，d a t a h a sb e e ne x c h a n g e db e t w e e ne a c hd e p a r t m e n tt oa c h i e v et h eg o o dc o o r d i n a t i o n r 4 ) m o n i t o r ss o f t w a r ee s t a b l j s h m e n t u s e dm i c r o s o f ic o r p o r a t i o nt h ev i s b a l c + + 6 0p r o g r a m ，a n db a s e do nt h eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt h o u g h t ，d e v e l o p t h eg o o di n t e r a c t i o nc o n t a c ts u r f a c et h em o n i t o r i n gs o f t w a r e t h ee q u i p m e n tb yt h e c l i e n t s e r v e rp a t t e r nc a r r i e so nt h ed a t ae x c h a n g e d a n dt h em a n n g e m e n tb e t w e e nt h e d e p a r t m e n t st oc a vo nt h ed a t ae x c h a n g e db yt h ep e e r - t o p e e rn e t w o r kp a t t e r n k e yw o r d s ：f i l a m e n tw i n d i n g ，n e t w o r km o n i t o r i n gc o n t r o l ，c l i e n t s e r v e r ，p e e r t op e e rn e t w o r k 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或征书面使 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：么避昌日期：2 篮! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位沦文的规定，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：i 继臌名：蛳口期 秒d 6 f 武汉理上人学硕十学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 复合材料制品生产设备的网络控制研究是武汉理工大学机电工程学院复合 材料缠绕装备研究所的预研课题。 1 2 课题研究的目的及意义 第一个纤维缠绕技术专利于1 9 4 6 年在美国注册，随即针对固体火箭发动机 壳体和压力容器开展系统研究，因为其成型工艺具有产品强度高( 拉伸强度密 度) 、可整体成型及能更好的发挥纤维高强度特性等特点，得到了广泛的应用。 近年来，通用纤维缠绕技术不断完善和提高，一系列新的纤维缠绕技术解决了 特殊结构形状的适应能力问题，开辟了新的领域。纤维缠绕技术的研究与应用， 正在步入一个新的高速发展时期1 1 l 。 随着纤维缠绕技术的不断发展，其缠绕装备也得到不断的革新。从另一个 层面上说，纤维缠绕技术的发展不仅取决于缠绕制品的优良特性和广泛应用以 及来源多、成本低的原材料，而且还取决于其缠绕装备的机械化、连续化、自 动化的程度。缠绕成型过程中离不开缠绕机及其他辅助设备，因此对这些设备 的不断完善也在一定程度上促进着纤维缠绕技术的发展。 2 0 世纪4 0 年代后期第一台纤维缠绕机闯世，早期的缠绕机都是机械式的。 它是由一个电动机拖动主轴和小车组成。主轴转动和小车往复运动的速比关系 通过挂轮或变速装置协调，实现一定缠绕角和线形规律的缠绕。当更换制品时， 要计算速比，调换挂轮和链条节数，比较麻烦，新制品生产准备时间过多，机 器缺乏灵活性，所以随着缠绕制品几何形状的变化和应用范围的扩大，发展了 数字程序控制缠绕机。 数控缠绕机用拨码开关做数据输入，改变参数容易，简化了操作，有一定 的灵活性。但在非线性缠绕时仍须设计加工木制凸轮，而且拨码开关只能存放 少量信息，数控系统没有编程运算功能，改变制品时准备工作仍很大，所以还 不能满足复杂制品缠绕的要求。 7 0 年代又发展了微机控制缠绕机。微机控制的纤维缠绕机( m c f w ) 控制 功能是靠事先存放在存贮器旱的缠绕应用程序来完成，改变缠绕程序就改变控 武汉理t 大学硕士学位论文 制逻辑。改变程序容易，这就大大增加了缠绕机的灵活性和适应性，即具有良 好的柔性1 2 1 1 3 。 近年来虽然缠绕机及辅助设备也得到了不同程度的革新，具有了更大的柔 性，能够满足越来越多形状各异的制品的缠绕要求，制品的精度、一致性和其 他物理性能也有所提高，但是随着计算机技术、通信技术、网络技术高速发展， 企业信息化程度的不断提高，各个设备及各个工序之间数据量交换的不断增大， 传统的将这些设备作为独立单元的生成模式，已越来越不能适应企业现代化进 程了，在某种程度上也阻碍了纤维缠绕技术的发展。因此，现阶段又到了缠绕 装备进一步革新的时候了。 众所周知，信息社会里，发展步伐正在加快，在线的即时控制成了现实生 产中获得高效益的最基本手段。对事物发展状况的即时了解是即时控制的前提， 利用目前的网络来了解现场是最好的方法了【4 j 。 例如，以一台纤维缠绕机来说，只有用网络监控( 或基本的远程管理) 才 能增加可用性。可用性系数是可靠性( 平均无故障时间) 延伸后的个指标， 定义式如下： 爿：婴! m t b f + m t t r 式中m 1 1 b f ( m e a n t i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 一平均无故障时间： m t t r ( m e a nt i m et or e p a i r ) 一平均维修时间： a ( a v a i l a b i l i t y ) 一设备使用率，建成可用性系数。 由公式可知，要提高a 值，除增加m t b f 之外，更主要是减少平均维修时 间( m t f r ) ，平均维修时间与发现故障、定位故障、人员到场、备件提供、恢 复过程等环节有关。由此可见，用网络监控能提高缠绕机的a 值。这一点对以 纤维缠绕为主要任务的缠绕机如此，如果将整个缠绕过程中的方方面面、所有 设备由一个网络系统集中监控，使生产效率保持最高话，那么这时的网络监控 就不是只局限于在减少m t t r 提高a 值，而是直接提高生产率了。 因此，要提高生产效率，就必须配备相应的管理系统。如果将生产部门、 原材料采购部门、销售部门、生产车间以及上层的决策部门的信息通过网络互 相传递，将减少生产过程中的相互协调时间，并可以及时的相互传递生产信息， 使生产效率提高。 所以，将纤维缠绕装备网络化，通过网络环境下对这些设备进行集中管理、 实时监控，实现生产制造过程中的物流、价值流的优化运行，使企业以较低的 成本，较短的开发周期，制造出符合市场需求的高质量缠绕制品，是现代缠绕 武汉理一亡大学硕士学位论文 制造技术必然的发展方向【5 j 。 虽然网络监控技术已日趋成熟，但应用在纤维缠绕这一领域还是一片空白， 本课题目的就是设计与开发出这样一个网络管理及监控系统以满足纤维缠绕 制造技术的进一步需要。 1 3 纤维缠绕成型工艺简介 e l z l s l 4 3 1 纤维缠绕成型工艺是指采用连续纤维( 带) 经过树脂浸胶或采用预浸胶纤 维( 带) ，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化，按照一定 条件的修整，制成一定形状的制品的一种生产工艺。其流程如图i - 1 ，缠绕成型 i 法 上 艺 图卜1 纤维缠绕成型工艺图 的主要设备是缠绕机，辅助设备有浸胶装置、张力装置、加热固化装置、脱模 装置、修整装置及纱架装置等。 1 3 1 纤维缠绕成型工艺的特点 纤维缠绕成型工艺的特点是：制品呈各向异性，强度的方向性比较明显， 层间剪切强度低；制品的几何形状有局限性，仅适用于制造圆柱体、球体、锥 体、椭圆体、某些正陷率回转体制品以及部分上述形体的条件组合，对负曲率 3 武汉理 _ 大学硕士学位论文 回转体制品及绝大多数非回转体难以缠绕；设备及辅助设备较多，投资较大。 与其它成型工艺相比，缠绕成型制得的玻璃钢制品具有的优点是：比强度 高，可超过钛合会；制品质量高而稳定，易实现机械化自动化生产；成本较低， 通常采用廉价无捻纱作原料，生产效率高。 1 3 2 纤维缠绕成型工艺的分类 纤维缠绕成型工艺按树脂基体的状态不同分为干法、湿法和半干法三种。 1 干法在缠绕前预先将玻璃纤维制成预浸渍带，然后卷在卷盘上待用。 使用时使浸渍带加热软化后绕制在芯模上。这种方法可提高缠绕速度，可商达 1 0 0 2 0 0 m m i n ，缠绕张力平稳，设备清洁，劳动条件得到改善，易实现自动化 缠绕，可严格控制纱带的吉胶量和尺寸，制品质量较稳定，但缠绕设备复杂、 投资较大。 2 湿法缠绕成型时将玻璃纤维经集束后进入树脂胶槽浸胶，在张力控制 下直接缠绕在芯模上，绕后固化成型。这种方法的设备较简单，对原材料要求 不高，但缠绕张力不易控制，在缠绕过程中对缠绕设备如浸胶辊、张力机构、 导纱辊等要经常清理，否则，一旦在辊上发生纤维缠绕结，就将影响生产正常 进行。 3 半干法这种方法与湿法相比，增加了烘干工序，与干法相比，缩短了 烘干时间，降低了胶纱的烘干程度，使缠绕过程可以在室温下进行，这样既除 去了溶剂，又提高了缠绕速度和制成品率。 1 3 3 纤维缠绕成型工艺的原材料 纤维缠绕所用的原材料的优劣及工艺性的好坏直接影响制品质量。原材料 主要包括玻璃纤维及其织物和树脂粘结荆两大类。 1 玻璃纤维玻璃纤维在缠绕制品中是主要承力材料，所以要求它有较 高的强度和模量，对粘结剂有良好的浸润性，生产过程中不起毛、不断头，同 束纤维中各股张紧程度应均匀，有良好的存储稳定性。玻璃纤维需要进行表而 处理，以增强与树脂的粘结性，从而充分发挥玻璃纤维高强特性。在浸胶前应 进行除湿处理。 2 树脂主要选用环氧树脂、酚醛树脂和不饱和聚酯树脂等。树脂选用 要考虑制品的性能要求如强度、耐热、耐老化等，对玻璃纤维有良好的粘结和 浸润性，粘度低，固化温度不高，毒性小，树脂强度大和模量高等。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3 4 纤维缠绕工艺参数的选择 纤维缠绕工艺过程一般包括芯模和内衬的制造，树脂胶液的配制，纤维热 处理烘干、浸胶，在一定张力下进行缠绕、固化、修整、检验、脱模、最后加 工成制品。对于具体制品究竟是采用干法还是湿法或半干法的缠绕工艺，要根 据制品的技术要求，设备情况、原材料性能及生产批量等确定。 影响缠绕制品性能的主要工艺参数有：玻璃纤维的烘干温度和热处理时间、 玻璃纤维浸胶后胶液含量及分布、缠绕张力制度、固化制度、纱片缠绕位置、 缠绕速度和环境温度等。这些因素多半是紧密地联系在一起的。合理地选择工 艺参数是充分发挥原材料特性，制造高质量缠绕制品的重要因素。 1 缠绕的烘干和热处理玻璃纤维表面含有大量水分，影响树脂与纤维的 粘合，同时使纤维表面微裂纹扩展，因此玻璃纤维使用前必须经过烘干处理， 尤其对于湿度较大的地区和季节，烘干处理更为必要，一般在6 0 0 8 0 烘干 2 4 小时即可。当用石蜡乳剂性浸润剂时，玻璃纤维需进行高温除蜡处理。 2 纤维的浸胶纤维的浸胶位于最靠近丝嘴的入口端，纤维经过浸胶后通 过丝嘴立即缠到芯模上，这样可以避免纤维在缠绕的过程中失去较多的树脂， 使得纤维的含胶量更加精确。纤维浸胶的最大影响因素就是树脂的粘度，它对 制品的影响非常大。 3 缠绕张力张力大小、各束纤维间张力的均匀性以及各缠绕层之间纤维 张力的均匀性，对制品质量影响极大，合适的缠绕张力能使树脂产生预应力， 从而提高了树脂抵抗开裂的能力。各束纤维闯如果张力不匀，当承受载荷时， 纤维会被各个击破，使总体强度大大降低。为了试制品各缠绕层不致在张力作 用下处现内松外紧现象，应使缠绕张力逐层有规律递减，以保证各层都有相同 的初始应力。缠绕张力对纤维浸渍质量和制品含胶量也影响较大。 4 。缠绕速度缠绕速度是指纱线速度，应控制在一定的范围内。速度过 小则生产率过低；速度过大则树脂溅洒、胶液浸不透或杂质易吸入，小车运行 不稳。一般湿法纱线速度最大不能超过o 9 m s ，小车速度最大不超过0 7 5 m s 5 固化制度固化制度是保证制品充分固化的重要条件，直接影响制品的 物理机械机能。固化制度包括加热的温度范围、升温速度、恒温温度及时间、 降温冷却等。 要根据制品的不同性能要求采用不同的固化制度，而且不同的树脂系统， 固化制度也不同。般都要根据树脂配方、制品性能要求，以及制品的形状、 尺寸及构造情况，通过实验来确定合理的固化制度。 武汉理i 。大学硕士学位论文 1 3 5 纤维缠绕成型制品的应用 由于缠绕成型工艺及其制品有着许多优点，因此纤维缠绕玻璃钢制品在民 用工业及军用工业上得到比较广泛的应用。 1 压力容器有受内压容器( 如各种气瓶) 和受外压容器( 如鱼雷等) 两种。 目前压力容器应用广泛，如宇航、火箭、飞机、舰艇等运载工具及医疗等方面 都有应用。 2 化工管道用于输送石油、水、天然气、化工流体介质等，它可部分 代替不锈钢，具有轻质、高强、防腐、耐久、方便的特点。 3 存储槽车各种用以运输或存储酸、碱、盐、油介质的储罐、槽车， 具有耐腐蚀性好、重量轻、成型方便等优点。 4 军工制品如火箭发动机外壳、火箭发射管、雷达罩、鱼雷、鱼雷发 射管等。 纤维缠绕制品在航空航天方面的应用，最重要的制品仍然是火箭发动机壳 体，其特点是生产高性能的、精确缠绕的结构，最常用的材料是s 玻璃纤维一 环氧树脂，最新的发展是把纤维缠绕同先进复合材料技术联系起来，如硼、碳 纤维和芳纶纤维等高模量、高强度增强材料和新型耐热聚合物的复合，通过高 精度的微机控制缠绕设备制造的制品将大大扩大纤维复合材料的防腐性能等。 总之，纤维缠绕复合材料今后的方向是：提高质量、减轻重量、渐变工艺、降 低成本、扩大应用范围。 1 4 主要研究内容 本课题的要完成的任务是将武汉理工大学复合材料缠绕装备研究所研制开 发的缠绕装备组建为一个网络管理及监控系统，其主要研究内容有： 1 复合材料成型设备计算机监控网络的构建。 2 复合材料成型加工现场设备的集中监控，包括本地监控和远程监控。 3 复合材料成型生产过程管理的网络实现。 4 复合材料成型设备监控应用软件的编制。 武汉理r 大学硕士学位论文 第2 章网络监控系统简介 监控系统原先是零散的、分别的对一些专用设备，如动力设备、环境控制 设备等进行监控，其形式在加世纪8 0 年代是集散系统，9 0 年代是总线技术， 到如今_ i _ f 在兴起的工业以太网技术【9 i 。随着通信、计算机、自动化技术的发展， 带动了监控技术发展与应用，发展非常迅速，逐渐演变成集中监控系统。例如， 在前几年，电信、移动通信、电力等部门的设备管理一般是传统的门卫值守方 式，随着应用发展，机房设备增多，机房增多而且位置分散，出现了大量增加 的管理人员，由于管理系统的厂家不同，又造成操作管理人机界面繁多，带来 诸多不便，进行统一监控或异地监控更是不可能，这样的局面非常不适应现代 生成管理发展。另一方面，近几年信息的交换传输、嵌入式技术、电源集成等 先进和现代技术设备为集中监控系统、远程管理和设备网络化的建立及应用又 打下了良好的基础。 2 1 网络监控系统的特征 4 1 网络监控系统的最大的特点就是数字化、网络化、智能化，具有这些特点 的监控系统又可以称为现代网络监控系统。 1 数字化 监控系统的数字化是系统中的信息( 包括视频、音频、控制等) 从模拟状 态转为数字状态的过程，监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等 方式和结构都与此相关。信息流的数字化、编码压缩，加上开放式的协议，才 能使监控系统与信息管理系统实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理 和控制。 2 网络化 监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡。集 散式系统采用多层分级的结构形式，其硬件和软件均采用标准化、模块化和系 列化的设计。系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制 功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化等 特点【“。 系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界 武汉理j 大学硕士学位论文 限，使整个网络系统硬件和软件资源得以共享，以及任务和负载的共享。 3 智能化 采用计算机为控制中心，通过系统软件实现控制界面的可视化、统一化， 控制环境的多媒体化，可以方便的实现对视频切换、音频切换、报警输入、行 动输出等智能化控制，进而达到自动化对事件的分析、统计、处理。实现监控 的智能管理。 可以说前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化、管理智能化 是现代监控系统的发展方向。而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成 化的基础。 2 2 网络监控系统的发展历程 2 2 1 集散系统的出现 最初诞生的传统监控系统是单片机、p c 机、工控机为核心的多个分散单元 的合体。形成早期集散控制系统的锥形。当总线出现以后，一般借助s 1 0 0 或 p c 总线形成监控系统。但是由于连线过长和过多，用这些总线形成的监控系统 的稳定性较差，抗干扰能力较弱，难以实现大范围的有效监控。随后出现的是 图2 1 典型的集散控制系统 集散控制系统( d c s ) ，它由多台微处理机分散在现场的不同位置，彼此之间以高 速数据通信进行连接。图2 - 1 是典型的d c s u x l 系统结构图，可以进行计算机 反馈控制和顺序控制，简称为t d c s 系统，有标准型、增强型两种类型。各有 两种控制箱卡，可根据实情选定数量和型式。其中主插卡箱可插处理卡和r l 总 线接口卡，分插卡箱可插i o 接口卡，这些插卡内没有c p u 。标准型，可执行 武汉理工大学硕士学位论文 最多1 6 回路的反馈控制及顺序控制。增强型由一台主插卡箱或由主插箱带分i o 插卡箱所构成。r l 总线规格为l k m 1 m b i t s ，其最大长度带4 个光适配器时可达 1 5 k m 。由此可见，集散控制系统把分散的、单回路的监控系统采用计算机进行 统一管理，用各种i o 板卡代替控制室的仪表，利用计算机的强大功能对被控系 统集中进行实时监控，极大的推动了工控技术的发展。但是，在通信方式上， 处于现场的控制级和检测级仍采用4 2 0 m a 模拟量通信1 4 】。而现场采集设备所 占的比例最大，数据最多，这就使得布线相当繁杂、安装费用增加、维护量加 大，并明显缺乏丌放性，因此末得到很好的发展，几乎胎死腹中。 2 2 2 现场总线的发展 进入2 0 世纪9 0 年代后，随着计算机局域网( l a n ) 的出现，网络与通信技术 的发展，现场总线( f i e l db u s ) 技术逐步成熟与发展起来。现场总线是一种工业总 线，它是自动化领域中计算机通信体系最底层的低成本网络。国际电工委员会 ( i e c ) 和现场总线基金会( f f ) 对现场总线做了如下定义：现场总线是连接智能现 场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络【4 1 。 现场总线以串行通信方式取代传统的4 2 0 m a 的模拟信号，一条现场总线 可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设备与高层的 系统通过公用传输介质交换信息【4 “。现场总线网络( f c s ) 既是一种信息网络，又 是一种自动化系统，它与传统的集散控制系统( d c s ) 相比，有以下特点【”j ： 1 f c s 采用数字化的信号传输，在通信质量和连线方式上都有优越之处， 在网络传输中采用了防止碰撞、检查纠错等技术措施，实现了高速、双向、多 站点之间的可靠通信。 2 f ( s 把输入，输出单元控制站的功能融合到现场仪表中，每个现场仪表都 有自己的c p u ，进行测量、调节、诊断、输出等功能的操作。每个现场仪表成 为总线中一个节点，节点问通过现场总线连接，任何一个节点出现的故障都不 会影响到其他的节点。 3 f c s 采用数字通信方式，因此可以采用多种传输介质进行传输。根据控 制系统中节点的空间分布情况，也可以采用灵活的拓扑结构，这样就为自动化 系统的施工和调试带来了极大的方便，建立新的控制系统，即省时间，又省材 料。 由此可见，现场总线与d c s 相比，具有鲜明的技术特点与无可比拟的优势。 因此，许多国际组织和工业控制公司纷纷推出自己的现场总线标准和产品，使 其对监控领域的技术进步起到了巨大推动作用。 9 武汉理i ：大学硕士学位论文 2 2 3 工业以太网的兴起 随着自动化技术的飞速发展，监控网络化的逐步深入，现场总线网络在工 业控制领域已慢慢的暴露出了它的不足： 首先，标准不统一，西议众多，各个协议间兼容性不好，互操作性低； 其次，设备之间传输的数据臼趋复杂，信息量越来越大，甚至出现了w e b 网页，以现在的总线带宽和传输遽率还不能达到要求； 再次，现场生成的数据由于传统的串行设备的限锘4 ，通常被分发到许多不 同的计算机中，为了整合这些分敦的数据，用户需要在设备、人力和时间上进 行大量的投入1 4 7 l 。 最后，当前的总线网络在空间和距离上有一定限制，不易于车自j 之间的网 络互联，也不易于与上层企业级网络互联。 f 是基于以上现场总线的一些不足，工业以太网技术出现了。以太网作为 一种成功的网络技术，进入市场已近2 0 年了，在办公自动化和商业界获得了广 泛的应用。因为以太网具有高通信速度、低靠线成本、具有很好的数据整合功 能、支持越来越多的软件和硬件、稳定和可靠等诸多优点，现已经成为最受欢 迎的通信网络之一 ”。 当初，以太网是为办公自动化设计的，并没有考虑它将会用于工业领域， 因此将它应用与工业领域必然存在一些问题，主要体现在【1 3 】： 1 信号传输的实时性：传统上的以太网采用总线式拓扑结构8 0 2 3 的 c s m a c d ( 载波侦听多点存取冲突检测) 。即每一点先侦听信道，若已有数据 在介质上传输，则依据一个算法后退等待，再侦听至信道空闲，才开始发送数 据。这样，当网络负荷较大时，就不能保证数据传输的最大迟滞要求，即工业 控制的实时性要求。 2 数据传输的可靠性：工业控制对数据传输的可靠性较之普通局域网要严 格得多，传统以太网在工业现场恶劣的环境下，数据传输的可靠性显然达不到 工控领域里数据传输的可靠性要求。 社会是进步的，技术是发展的，为使以太网适用于工业领域一些解决办法 也应运而生。为达到信号传输的实时性要求，首先要提高网络传输的速率，采 用高速以太网( 目前带宽已达到1 0 0 0 m 以上) 结构，对于同样的通信量，通信 速率的提高意味着网络负荷的减轻，也意味着实时性的提高；其次采用交换枫 技术代替原有的总线型c s m a c d 技术，将整个网络通过交换机分成若干个子 网，避免由于多个站点共享并且竞争信道导致发生碰撞，减少了信道带宽的浪 1 0 武汉理r 大学硕士学位论文 费，提高了信道利用率。为提高数据传输过程巾的可靠性，采用的方法是冗余 容错连接，即在主连接通道之外，复加冗余通道，通过一个具有冗余功能的接 入设备连接两个通道，当主通道出现问题时，副通道随即启动，从而保证了数 据在工业控制网络中的可靠传输【1 3 】。 这些问题的解决，为以太网进入工业领域铺平了道路，以它为网络结构的 网络监控系统目前也如火如荼的发展起来了，且已逐步成为监控领域内的主流 网络了。 2 3 网络监控系统的总体框架 2 3 1 网络概念 国际标准化组织n s o ) 与1 9 7 7 1 9 8 4 年之间提出了开放系统互联参考模型 o s i r m ，这个模型把网络通信系统分为了7 层【1 4 】，每一层使用的是下一层的功 能来提供上一层的服务，如图2 2 所示： 1 。物理层 物理层是o s i 的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。 物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠 的环境。 l s oo s l r m t c p l p 应用层应用层 f t p r e l n e t 表示层 d n s s n 甲 会话层 传输层 t c p u d p 网络层 互联网层l p 数据链路层麟l l c 毳 l a n j _ 以太网等 物理层 图2 2i s oo s 胀m 参考模型与t c p i p 层次结构 2 数据链路层 数据链路可以粗略的理解为数据通道。物理层要为终端设备之间的数据通 信提供传输媒体及其连接。每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两 过程，这种建立起来的数据收发关系就叫做数据链路。 7 6 5 4 3 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 3 网络层 主要提供路由功能。路由器选择和中继，建立终端劂络连接，采取分时复用 技术在一条数据链路上复用多条网络连接，差错检测与恢复，流量控制，网络 管理等。 4 传输层 传输层是两台计算机经过网络技能型数据通信时，第一个端到端的层次， 具有缓冲作用。现在各种通信子网在性能上存在着很大差异，但对于上一层的 会话层来说，却要求有一性能稳定的界面，传输层就承担了这一功能。 5 会话层 会话层提供的服务可使应用建立和维持会话，并能使会话获得同步。会话 层使用校验点可使通信会话在通信失效使从校验点继续恢复通信。 6 表示层 表示层的作用之一是为异种机通信提供一种公共语言，以便能进行互操作。 这种类型的服务之所以需要，是因为不同的计算机体系结构使用的数据表示发 不同。 7 应用层 应用层是开放系统的最高层，是直接为应用进程提供服务的。其作用是在 实现多个系统应用进程相互通信的同时，完成系列业务所需的服务。 2 3 2 总体结构 网络监控是电工电子装置系统、计算机软硬件以及网络、通信等多方面的 有机组合体，它以智能化、网络化、交互性好为特征，结构比较复杂。利用0 s 1 7 层模型内容和形式，把相应的测量控制模块硬件和应用软件，以及应用环境等 有机的组合，可以形成一个统一的网络监控系统总体框架【“，如图2 3 所示。 可以看出，带网络功能的智能监控设备是网络监控体系结构中最基本的部 件，具有信息采集、存储、传输和分析处理的原理特征。而智能化监控设备与 网络智能化监控设备相比，少了自带的网络嵌入式接口，要另外与网络专用接 入接口相连才能与网络连接，或者与计算机连接，利用计算机的网络接口与网 络连接，同时，这台计算机也是设备的本地监控机。 这里，我们借助于o s l 的术语。大概的将网络化设备体系结构分为被控对 象层、传输层、应用层。这里的“层”并没有像o s i 那样概念严密，仅按功能、 作用来划分。 武汉理上大学硕士学位论文 被控对象il 被控对象ll 被控对象 1i 智能监控设备i 智能监控设备 带网络接i z l 的l r 一l 丁一 智能监控设备il r s - 2 3 2 ( 4 8 5 ) 广j 星嚣阿丽ji 备或计算机if ”“”8 “” 监控网络 监控中心ll 企业级服务器 2 2 3 实现功能 图2 3 网络监控总体框架示意图 从图2 3 可知，工作站、监控中心直接与管理人员打交道，提供友好的人机 界面，显示近地或远地设备工作状态及测量的数据，显示打印报警信息，接收 管理人员的指令，遥控设备的工作状态。当所监控的设备类型、用途不同时， 也可以采用多个工作站，各负其责，并行工作。通过工作站或监控中心，可以 实现以下功能【4 1 ： 1 远程监视各种设备的状态。如工业设备、高低配电设备、u p s 、电机、居 民小区监视、防盗系统等。 2 遥测某种参数。如：电压、电流、功率、频率、以及温度、湿度等。 3 对所测的参数设定界限。当参数超限时产生报警，报警方式可以是声音、 光信息显示等多媒体方式等。 4 对所采集的数据分类，按预先设定定义的公式、表达式计算，统计数据， 以报表、图形、曲线方式显示、打印。 5 根据应用系统设定，发出控制被控对象的指令，使被控对象按照设定方 式运行。 圈囤 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章复合材料成型设备监控系统网络设计 复合材料成型设备网络控制系统，因为涉及到纤维缠绕的特殊工艺，与一 般的监控系统相比，比如楼宇监控、u p s 监控、配电设备监控等，其技术要求 更高，因而技术难度也较大。本章在难点分析的基础上，提出满足该系统技术 性能要求的总体方案，并对系统整个网络平台的结构进行了细致的分析和详细 的阐述。 3 1 总体方案的确定 3 1 1 技术要求 1 在现场中，计算机或工控机使用相应的总线方式控制纤维缠绕机及附属 设备，一起组成纤维缠绕工作机；同等方式组建固化工作机、修整工作机、脱 模工作机等。 2 建立主干监控网络，实现对工作机的控制、数据采集及处理，能分别进 行操作等一些运行控制指令。 3 在远程方面，能够对这些设备进行远程监控，包括数据的交换、控制指 令的远程操作的网络监控。 4 当设备出现故障或运行不正常时，具有网络报警功能。 5 数据独立管理、集中监控，在监控网络内实现数据的同步更新。 6 整个系统要具有良好的可扩展性，给新的设备预留空间。 7 实现生产过程的管理功能。 8 对不同的部门、不同的用户给予不同的权限。 关键技术问题：凡是通过工业以太网进行数据交换的计算机或工控机，相互 之间必须是对等网络结构，任意两点之间均可直接进行数据交换，而不必通过 系统服务器。 3 1 2 难点分析 通过上节对该系统功能和需求的分析，可知该系统使用条件特殊、技术要 求高，实现该系统有一定难度： 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 1 因为在这些纤维缠绕装备中，每种设备都有不同控制方式及接口，因此 将它们组建为网络系统时，就需要对每种设备的现场网络及入网方式进行设计， 增加了组网难度。 2 现场的生产机与网络上的工作机、监控机( 包括本地和远程) 之间数据 传输是基于t c p 1 p 协议的，但出于设备和工作机众多，数据种类繁杂，因此有 必要自己定义上层的数据通信的应用层协议，也增加了一定难度。 3 在生产管理的实现过程中，要做到不同部门、不同用户的权限没置，因 此控制操作权限，在软件实现上有一定难度。 4 整个网络系统中各个工作点的数掘要做到同步更新，其在解决上也存在 一定难度。 5 为了使工作点之间传输数据不受系统服务器的限制，要作到点与点的工 作模式，达到对等网络的要求，需要解决传统的客服连接模式。 3 1 3 总体方案伽伺“m 本课题中，系统的网络平台采用的是工业以太网加现场总线网络相结合的 网络结构，这主要是因为纤维缠绕工艺的特殊性决定的。在纤维缠绕过程中每 个工艺都有相应的设备，对应于每个工艺的控制类型不只种，设备也可能不 只一台，若要实现集中管理，就要整合这些不同控制方式的设备和不同类型的 数据，所以这就需要构建设备级的现场网络和基于这些不同现场网络之上的 主干监控网络。其监控网络总体结构分为三个层次：现场设备层、网络传输层、 监控中心层，如图3 - 1 所示。 处于底层的现场设备通过计算机、工控机或转换模块接入以太网，即监控 网络中，而各个现场设备接口协议可以是r s - - 2 3 2 接口、r s - - 4 8 5 接口( 当有 多台设备或有多个控制内容需要组成现场网络时) 或现场总线( p r o f i b u s ) 协议， 具体将在3 3 2 节中叙述。 一般的集中分散控制模式是采用c s ( 客户机朋艮务器) 模式，数据主要存 储在服务器上，数据传输交换都是通过服务器完成的，其缺点是当服务器出现 问题的时候，整个系统都可能无法正常工作，对服务器的依靠大；优点是数据 集中管理方便。而此次设计，整个监控系统的软件避免了采用c s ( 客户机朋艮 务器) 模式的缺点，采用对等网络结构，每台计算机或工控机各自管理自己的 数据，在非监控时可以独立工作，并且计算机之间都能够互相交换数据，达到 监控的目的，详见第四章。 在对等连接的模式下，增加了部门之间的生产过程的网络管理，各个