（控制理论与控制工程专业论文）轴承生产现代集成制造系统的网络检测技术研究.pdf

摘要 轴承生产行业是关系到国计民生的基础工业行业。与国外先进技术相比，目 前我国的轴承产品质量检测水平和信息管理模式还存在很多不足，落后的测量工 艺和管理方式已经使一些先进的加工技术难以发挥其效率和作用。为了改进我国 轴承加工行业的检测技术和管理水平，提高产品质量，增强企业在国际市场上的 竞争实力，适应现代化发展的需求，迫切需要研究出如何将现代集成制造系统的 理念、方法和技术应用于轴承生产过程中。 本文结合计算机技术、网络技术和自动检测技术，详细阐述了基于现代集成 制造技术的轴承加工过程网络检测系统的研究和设计思想。本系统包括轴承生产 过程管理系统和轴承加工检测系统两部分，能够同时对多个轴承部件的生产加工 过程进行在线检测，在加工检测系统中生产加工人员能够直观了解加工过程的测 量数据以及对测量数据所进行的分析和判断，并利用现场总线网络将检测和分析 数据传送到生产过程管理系统。管理系统能够对现场的生产加工过程实时监测， 能够向加工检测系统传送数据和指令，对加工生产的质量进行分析，并将生产过 程的各项数据存储于数据库服务器中。生产过程管理系统的设计使企业的管理模 式发生了根本性的改变，历史数据的保存为日后的技术分析提供了有利的支撑， 友好、方便的客户端操作使管理者可以在远离现场的情况下仍然对生产状况一目 了然，从而做到真正的企业质量全程跟踪。 轴承生产现代集成制造系统的网络检测技术的研究可以大大改观我国轴承生 产企业检测技术落后，管理模式陈旧的现状，使企业的产品质量和管理水平都更 上一个台阶，更为企业今后的技术升级和管理拓展奠定了坚实的基础。 关键词：计算机技术；网络技术；自动检测技术：现代辅助集成制造技术 t h er e s e a r c ho fn e t w o r kd e t e c t i n gt e c h n o l o g yf o rb e a r i n g m a n u f a c t u r eb a s e do nt h ec o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m a b s t r a c t t h eb e a r i n gi n d u s t r yi sab a s a li n d u s t r y , w h i c ht or e l a t et h en a t i o n a le c o n o m ya n d t h ep e o p l e sl i v e l i h o o d c o m p a r e sw i t ht h eo v e r s e a sa d v a n c e dt e c h n o l o g i e s ，t h ew a yo f d e t e c t i o nf o rp r o d u c t s q u a l i t ya n dt h em a n a g e m e n tp a r e r ni nt h eb e a r i n gi n d u s t r yo f o u rc o u n t r ys t i l lh a sm a n yi n s u f f i c i e n c i e s ? t h eb e h i n d h a n dt e c h n o l o g ya n dt h e m a n a g e m e n tw a ya l r e a d ye n a b l e ds o m ea d v a n c e dm a n u f a c t u r em e t h o d st od i s p l a yi t s e f f i c i e n c y i no r d e rt oc h a n g et h i ss t a t u s ，i m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，e n h a n c et h e c o m p e t i t i v ea b i l i t yo fe n t e r p r i s e si nt h ei n t e r n a t i o n a lm a r k e t ，t h er e s e a r c ho fn e t w o r k d e t e c t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h ec o n t e m p o r a r yi 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 ( c i m s ) f o rb e a r i n gm a n u f a c t u r e i sn e c e s s a r y u n i f i e st h ec o m p u t e rs c i e n c e ，t h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ea u t o m a t i cd e t e c t i o n t e c h n o l o g y , b a s e so nt h ec i m st h e o r y ；t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ed e s i g no ft h es y s t e mi n d e t a i l s t h es y s t e mc a nd e t e c tb e a r i n g so n - l i n ee v e nw i t hm a n yl o c a lm a c h i n e st o g e t h e r , a n dc a r r yo nt h ea n a l y s i sw o r kt oc h e c ko nt h ep r o d u c t sq u a l i t y t h el c di nl o c a lw i l l d i s p l a yt h es o l u t i o n t h ec l i e n t sa n dt h el o c a lm a c h i n e sa l ec o n n e c t e db yt h en e t w o r k ， s ot h a tt h et r a n s p o r t a t i o no fd a t ac a nb ec a r r i e do u tb e t w e e nt h e m t h em a n a g e r sa n dt h e t e c h n i c i a n sa l s oc a nr e a l i z et h er e a l - t i m ec o n t r o la n dm o n i t o r i n gt h r o u g ht h en e t w o r k t h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mw i l lc a u s et h ee n t e r p r i s e s m a n a g e m e n tm o d et o t a k eaf u n d a m e n t a lc h a n g e ，w h i c hw i l lb ev e r yh e l p f u lf o re n t e r p r i s e st oi n c r e a s et h e e f f i c i e n c yi nm a n a g e m e n ta n dt h eq u a l i t yo fp r o d u c t s t h i sa d v a n c e dd e s i g nt h o u g h tw i l lp r o v i d eg r e a ts u p p o r ta n di m p u l s ef o rt h e e n t e r p r i s e st oi n n o v a t ea n dd e v e l o p t h i sr e s e a r c hw i l lt a k eac o m p l e t en e wl o o kf o rt h e b e a r i n gi n d u s t r yi no u rc o u n t r y k e y w o r d s ：c o m p u t e rs c i e n c e ；n e t w o r kt e c h n o l o g y ；a u t o m a t i c d e t e c t i o n t e c h n o l o g y ；c i m s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博i 硕士学位论文 ：拍丞生亡强岱塞盛剑造丕统的圆终捡捌基盔班 至一。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人 或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：书矿瞎凋础月於日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密口( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名：畅博涵导师签名：i 司_ 武 日期：一年月耵日 1 1 课题提出的背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 背景 信息技术的发展使我们进入了信息时代。信息革命不仅引起了人们在思想观 念和生活方式上的变化，而且导致了生产方式和制造哲理的巨大变化，以信息化 制造技术为代表的先进制造技术正使制造业处于重要的历史性变革时期【。现代集 成制造系统是先进制造技术的核心，是新的历史条件下现代企业生产、经营、管 理的一种新模式，是我国企业实现两个转变，建立现代企业制度和推进企业技术 进步的重要手段。 轴承行业是关系到国计民生的基础工业行业，滚动轴承是通用性很强的重要 机械配件，它不但在国民经济和国防建设中应用广泛，而且会对机械、农业和国 防等行业的发展产生至关重要的影响。所以，保证产品质量就成了轴承加工过程 中最重要的一环。在轴承加工过程中，检测环节是保证产品质量的主要手段。 由于轴承工业具有相当的重要性，世界各国都在不遗余力地发展本国的轴承 工业。目前我国的轴承部件加工能力已经接近或达到了世界先进水平，但是，与 欧美和日本等技术发达国家相比，我国在轴承检测技术和企业信息管理方面还存 在有许多不足，落后的测量工艺和管理方式已经使一些先进的加工技术难以充分 发挥其效率和作用。 在国内，大部分的生产过程仍主要采用非连续单机检测和人工测量并记录的 方式。虽然国内的某些大型轴承企业已经引进了少量的先进轴承检测仪器，但这 些仍只限于在实验室内使用，而且各检测仪器是相互独立的。这样落后的测量系 统是完全不能够满足企业追求高质、高效生产过程的要求的，而且，也不符合企 业技术一效益高质量转化的基本原则，更削弱了与国际先进生产技术相竞争的实 力。因此，为了提高企业的技术水平，保证企业的可持续发展，促进我国轴承市 场的优化改革，一种自动化、数字化、网络化的先进轴承部件检测系统呼之欲出。 本课题正是在这样的背景下，以单片机技术、现场总线技术、计算机网络技 术和数据库技术为理论基础开发设计的，它具有智能化、网络化、信息化等诸多 优点，是现代集成制造系统的一种典型应用。 1 1 2 意义 二十一世纪初，围绕着以知识为基础的创新能力竞争，一场以信息技术为特 征的全球化的制造业革命正在波澜壮阔地展开。先进的现代计算机集成制造技术 将是制造业不断推出新产品、快速响应市场并赢得竞争的主要手段。当前，制造 系统发展的主要特点是集成化、网络化、敏捷化、数字化、虚拟化与智能化【引。中 国制造业与先进国家的技术差距严重制约了中国的国防能力和国民经济的发展， 加入w t o 将给我国制造业带来更加巨大的冲击和挑战。 目前，在国际市场上，我国的轴承产品仍要依靠低廉的价格来获得一席之地， 品质上还不具有很强的国际竞争实力。随着中国入世脚步的不断前行，企业所面 临的机遇与挑战并存。要与众多国际知名企业相对抗，增加自身产品在国际市场 上的占有份额，就必须改进我们的生产工艺、增加产品的技术含量、提高产品质 量，从而缩小我国轴承企业与国外轴承企业的技术差距，增强企业竞争实力。 在国际市场中，各轴承公司之间的竞争相当激烈。为了保证产品的质量，它 们一方面重视基础性加工技术的研究和开发，另一方面对加工过程中的检测环节 也加以改造。它们将检测仪器设置在生产现场，检测数据通过计算机网络发往技 术、质检和生产调度等各个相关部门，使这些部门都能够及时的了解到生产现场 的一切状况，从而不同程度的实现了计算机联网，并通过网络实现对生产的集中 监控和管理，做到真正的质量全程跟踪。而我国在这方面还落后很多。 因此，要提高我国轴承生产行业的整体水平，就必须大力推广现代集成制造 系统在行业内的发展，促进控制仪表的智能化、控制功能的分散化和控制系统的 开放化，这是符合工业控制系统技术发展趋势的必然。 现代集成制造技术在轴承加工过程网络检测系统中的应用，可以彻底改变我 国轴承生产企业检验水平落后的现状，使企业的产品质量大大提高，增强企业在 国内乃至国际市场上的整体竞争实力。也正因如此，本课题的提出和研究不但具 有深远的社会意义，更会为企业带来巨大的经济效益，是一种很具发展潜力的新 型高科技产品。 2 1 2 轴承生产现代集成制造系统的功能需求 “轴承生产现代集成制造系统”的系统需求主要可以分为轴承加工检测系统 和轴承生产过程管理系统两大部分来加以分析。 轴承加工检测系统是应用在生产现场的前置测量及现场网络部分，主要需要 完成以下四大部分的功能：测量与分析、测量数据存储、人机交互和与管理系统 通讯。 测量与分析：测量台的指针仪表被先进的传感器件所取代；当工人将待测 轴承在测量仪上旋转时，测量仪应当完成对待测轴承外圈内沟或内圈外沟 等指定内容的精确有效测量；同时还要完成对周围环境温度的测量。 测量数据存储：测量过程中的采样数据应当由随机存储器暂存，分析计算 后的有用数据应当由非易失性元件一只读存储器保存，但由于只读存储器 的存储空间是有限的，所以还应当通过网络传送到管理系统的数据库中长 期保存。 人机交互：首先是显示部分，应当可以显示当前测量元件的型号、测量者 工号、测量仪机号、测量值、环境温度、测量时间以及测量结果等相关内 容；其次是键盘，键盘部分是完成人机交互的关键部分，测量过程中的必 要参数设置、工作状态查询和显示页面切换都要依靠按键输入来完成；最 后在每次测量结束后，通过蜂鸣音示意测量者所测轴承部件是否合格，当 有报警处理发生时，给出报警提示音。 与管理系统通讯：与管理系统的通讯是实现控制系统网络化的关键部分， 现场检测系统要通过通讯功能接收和响应管理系统的指令，并实现现场检 测系统与管理系统之间的数据传输，最终达到管理分散化的目的。 轴承生产过程管理系统是安排在远离生产现场的控制室或管理人员办公室内 的，是企业适应现代化管理模式所做的一种改进。管理系统的需求主要包括监督 管理系统、数据库管理系统和与检测系统的通讯三部分。 监督管理系统：监督管理系统是管理人员和操作者了解生产现场状况的最 直接窗口。管理人员通过监督管理界面应当可以查询到现场检测系统的实 时状态，并对检测系统实施控制或指令操作，同时也可以查询生产过程中 的历史数据，并对数据库进行更新、删除和维护等操作。另外，不同的用 户在操作监督管理系统时，应当有不同的权限。 数据库管理系统：数据是系统存在并运行的根本，能否可靠的存取数据、 高效稳定的管理数据是保证系统稳定、正常运行的关键环节，而且测量所 得的大量历史数据、系统设置数据和元件的国家标准尺寸数据，都需要保 存在数据库中。 与检测系统的通讯：管理系统既可以接收检测系统上传的检测数据，也可 以向检测系统下传标准数据和发送控制指令。 1 3 课题的实现方法 根据轴承行业的发展战略和发展需求，针对系统的需求分析，本课题所做的主 要工作和相应的功能实现如下： 1 1 检测系统的功能实现： 测量：检测系统的轴承测量仪器是由厂方提供的测量台，利用这个测 量台可以完成对轴承尺寸的测量；环境温度由温度传感器测得。 数据存储：测量过程中的采样数据保存在随机存储器r a m 中，测量和 分析的结果保存在只读存储器e 2p r o m 中。 人机交互：人机交互主要分为三部分，显示、按键和蜂鸣器。本系统 选择l c d 液晶显示模块作为显示器件，灵活直观；按键输入选择使用 1 6 个普通按键直接嵌入在控制电路板上，实现自然数0 - 9 和部分功能 键的输入；蜂鸣器通过发出不同的声音来提示测量者每一次的测量结 果，以及检测设备是否有报警处理发生。 通讯：与管理系统的通讯利用c a n 现场总线实现，检测系统与管理系 统之间通过网关实现通讯协议的转换，从而实现网络的互联。 2 1 管理系统的功能实现： 监督管理界面：管理系统的监督管理界面采用v i s u mb a s i c6 o 编 程实现。为了提高系统的管理质量和管理效率，按照管理层的不同需 求，设计有检测系统显示、数据查询显示等不同的浏览界面。 4 数据库：数据库是保证系统数据和信息能够得到安全有效管理的关键 所在，所以选择使用安全性和容量都较好的m ss q ls e r v e r 关系型数 据库来完成数据的存储任务。 通讯：管理系统网络采用工业以太网，p c 机与数据库服务器之间的通 讯遵守t c p i p 协议，管理系统与检测系统之间的数据传输要通过网 关对通讯格式进行转换之后方可完成。 5 第2 章系统综述 本章将首先针对课题设计过程中所关联到的一些基本概念和技术知识做出较 详细的定义和介绍，并将基于这些技术和知识，对其在本课题的研究与设计过程 中的应用做一个总体的介绍和论述。 2 1 现代集成制造系统 计算机集成制造，简称c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) ，是一种 组织、管理与运行企业生产的新哲理，它借助于计算机硬、软件，综合运用现代 管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部 过程中有关人、技术、经营管理三要素集成起来，将其信息流与物流有机地集成 及优化运行，以实现产品高质量、上市快、成本低、服务好( 简称t q c s ) ，从 而使企业赢得市场竞争【3 j 。 现代集成制造系统( c o n t e m p o r a r yi 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 ) c i m s 是计算机集成制造系统新的发展阶段。在继承计算机集成制造系统优秀成果的基 础上，它不断吸收先进制造技术中的相关思想的精华，从信息集成、过程集成向 企业集成方向迅速发展，在先进制造技术中处于核心地位。从集成的角度看，早 期的计算机集成制造系统侧重于信息集成，而现代集成制造系统的集成概念在广 度和深度上都有了极大的扩展，除了信息集成外还实现了企业产品全生命周期中 的各种业务过程的整体优化，即过程集成，并发展到企业优势互补的企业之间的 集成阶段忆 2 i 1 我国发展现代集成制造系统技术的需求 中国制造业与先迸国家的技术差距严重制约了中国的国防能力和国民经济的 发展，加入w t o 给我国制造业带来了更加巨大的冲击和挑战。当前我国制造业的 发展面临以下机遇与环境：因特网和微电子技术的高速发展为我国制造业实现跨 越式发展提供了机遇；世界经济结构和工业格局正处于重大变动时期，我国将成 为世界制造业中心；加入w t o 后，我国制造业必须全面融入到全球经济一体化中； 世界政治局势动荡，国防建设任务逐渐繁重。 为了提高我国的综合国力和制造业国际竞争能力，以国防现代化装备、重大 工业装备、重大行业等为核心的制造业迫切需要应用现代集成制造系统技术来武 装自己，从而不断提高企业的管理水平和企业之间的协作能力，实现集约化生产 经营。通过采用系统集成、优化技术和集成平台，可以提高企业制造系统的整体 集成能力，使我国企业很快适应经济全球化的环境。实施制造网络系统可以实现 全国制造企业互联，支持制造协同、资源共享和集成服务，将制造形成网络，从 而提高整个制造群体的竞争能力。综合采用现代集成制造系统技术可以全面提高 我国制造业的重大新产品开发能力、国防装备更新能力和劳动生产率等等，最终 实现提高国家综合国力的目标。 2 1 2 我国现代集成制造系统的现状与发展 近1 0 多年来，我国对制造系统集成技术给予了充分重视并进行了大量的研究 开发。我国自1 9 8 6 年以来在8 6 3 计划的支持下，在发展我国现代集成制造系统技 术研究、开发与应用方面取得了大量的研究成果和成功实旌c i m s 应用示范工程的 经验f “。我国在总结自己的c i m s 研究、开发与应用的基础上，提出了“现代集成 制造系统( c i m s ) ”的新概念及其技术方法体系，在国际上占领了一席之地，为制 造业系统集成技术的进一步发展指明了方向。 尽管通过c i m s 应用示范工程实现了部分制造企业的信息化，但是从总体上来 看，此规模与我国制造业的总体数量相比是很小的。我国目前有1 5 万家大中型 企业，仅有1 5 基本上实现了信息化，而中小企业实现了信息化的不到5 。据不 完全统计，1 9 9 9 年我国c l m s 软件的市场份额达8 亿多元，其中国外软件占8 5 以 上，而我国开发的c a d c a m c a p p c a e 、p d m 、e r p 等5 0 多种具有自主知识产权的 软件在市场上占的份额不到1 5 ；除d c s 以外，国产的先进控制( a p c ) 、优化( p t o ) 、 生产过程执行系统( m e s ) 软件在现有的市场上所占的份额约1 0 9 6 ，而且市场远末 开发。 在过去1 5 年里c i m s 取得了巨大的成就，但在我国制造业信息化方面仍存在 一些急需解决的重大问题，如具有自主知识产权的软件产品应用面还比较小；尚 未形成促进我国制造业快速发展并具有相对规模的设计与制造软件、管理与优化 软件、软件工具集以及集成应用平台等。因此，我国的制造业信息化还有十分广 7 阔的发展空l 司。 2 1 3 现代集成制造系统的研究内容 现代集成制造系统技术的具体研究内容包括：数字化设计与制造系统、过程 自动化系统、企业管理与电子商务系统、现代集成制造系统平台、制造网络等5 大系统，以及多个重点行业现代集成制造系统、典型区域制造网络系统的应用。 在现代集成制造系统软件的开发上，始终坚持面向提高我国制造业国际竞争 力的需求，围绕形成我国制造业信息化工程整体解决方案，在平台技术的支持下 和系统集成规范的指导下，按照可重组和可集成的要求开发平台、子平台、子系 统和应用软构件，保证现代集成制造系统技术主题的软件开发的整体质量，形成 数字化设计与制造系统、过程自动化系统、企业管理与电子商务系统、现代集成 制造系统平台，为我国制造业提供整体解决方案软件支持系统和工具。 随着微电子技术的飞速发展，互联网络、计算机通信技术将在2 1 世纪得到广 泛应用，必将对制造领域产生极其深刻的影响。未来的制造业将建立在数字化和 网络化基础上，达到快速设计、快速制造、快速检测、快速响应和快速重组是最 终的目标。计算机网络通信和数据库技术将成为制造业研究的热点，基于i n t e r n e t 制造系统将在信息技术的支持下，建立起制造组织的动态联盟和制造系统中人机 智能的柔性交互。数字化与网络化制造的内涵还将不断地丰富和发展。 2 2 课题整体设计 本课题以c i m s 理论为基础，将先进的信息管理技术、智能检测技术和网络通 讯技术相融合，设计了一套应用于轴承加工制造业的信息化网络检测系统。系统 的整体设计思想就是要通过现代集成制造技术的信息化管理方式使企业的管理更 加科学、高效，同时利用智能化的检测设备使产品的生产质量和效率都得到很大 提高，另外网络化设计可以满足未来企业分散化管理和实时监控的管理要求。 轴承加工现代集成制造系统采用分级式网络结构，如图2 1 所示。系统包括 轴承生产过程管理系统和轴承加工过程现场检测系统两部分。其中轴承生产过程 管理系统由若干管理操作终端、一台数据库服务器和一台网关组成，并采用以太 网实现管理系统的网络互连。轴承加工过程现场检测系统由若干智能检测设备和 8 c a n 现场总线组成，而且根据企业实际生产需求的不同，现场总线上可以连接的智 能检测设备数量也不同，最多可达1 1 0 台。 图2 1 系统总体架构图 f i g 2 1t h em a i nf r a m eo ft h es y s t e m 系统从整体结构上分，包括轴承生产过程管理系统和轴承加工过程现场检测 系统两部分。但为了更好的介绍系统的设计细节，本文将按照功能不同将轴承加 工现代集成制造系统分为轴承生产过程管理信息系统、网络通讯系统( 网关部分) 和轴承加工过程现场检测系统三部分分别介绍。其中轴承生产过程管理信息系统 和网络通讯系统在物理结构上同属于轴承生产过程管理系统。 2 3 轴承 at 过程现场检测系统 轴承加工过程现场检测系统由若干现场智能测量设备和c a n 现场总线两部分 组成。现场检测系统的主要功能是： 采集待测轴承的尺寸数据和周围的环境温度，并对所测数据和温度进行 分析、判断，判断出产品是否为合格品。 判断结果能够通过声音和显示两种途径提示给现场操作者，并自动给出 下一步操作提示。 检测结果以数据包的形式保存在智能检测设备中，同时通过网络发送到 9 管理信息系统，供管理信息系统显示并保存。 接收管理系统发送的生产数据信息或查询操作指令，并根据指令类型执 行相应操作，回复管理信息系统请求。 根据系统以上需求，下面将分现场智能检测设备和c a n 现场总线两部分分别 对轴承加工过程现场检测系统的设计加以介绍。 2 3 1 现场智能检测设备 现场智能检测设备的结构框图如图2 2 所示。具体可以分成以下几个主要模块： c p u 处理模块、信号采集模块、数据存储模块、c a n 通讯模块和人机交互模块。下 面将分别介绍每个模块的具体设计思想。 加工信号测量ii 信号放大 温度采集和放大 压蕊 核心芯片 p 8 7 c 5 9 1 液晶显示 蜂鸣器 c a n 收发器k ：= = 爿c a n 的光电隔离i随机存储器r a m 闰2 2 现场检测系统的硬件结构图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo ft h el o c a ld e t e c t i n gs y s t e m 一、c p u 处理模块 单片机是整个现场智能测量设备的设计核心。它的性能和工作指标对整个智 能检测设备的设计和功能实现都起着决定性的作用。 单片机是现场智能检测设备工作的核心控制元件。在现场检测设备的设计过 程中，需要通过对单片机的软件编程来实现系统的全部控制功能，使信号采集、 数据存储、c a n 通讯以及人机交互等过程协调的工作，实现检测、判断和网络通讯 等功能，从而使整个系统能够稳定可靠的运行。 在本课题的设计过程中，由于主要考虑到系统的网络集成特点，生产现场的 1 0 智能检测设备需要通过c a n 总线实现生产现场的网络互联，并以此保持与管理系 统的通讯功能，所以选择内置有c a n 控制器的微处理器是本系统设计的重点。 二、信号采集模块 准确的信号采集和处理是本系统研究和设计的基本前提，也是检测系统的一 个重要组成部分。合理选择信号的测量方式、手段，合理选择信号的来源、测量 部位，按照生产要求和质量指标选择传感器以及采用适当方法处理测量的微弱信 号等，都是关乎测量成败的至关重要的因素。 本系统的信号测量包括两部分：轴承规定指标的尺寸测量和周围环境的温度 测量。轴承规定指标的尺寸数据是系统分析和判断的基础，也是判断产品是否合 格的主要依据；周围环境温度的测量是判断测量是否有效的参考性依据。 由于本智能测量设备的机械设计部分还不够完善，还不能完全实现自动化， 所以还要与现场工人的操作相配合。操作人员会在按下测量开始确认键后将待测 轴承在测量仪上匀速旋转2 周以上，即平均在7 8 秒内匀速旋转轴承2 周以上， 那么，被检测轴承元件的尺寸测量和温度测量信号采样就是在这个过程中完成的。 这里要说明的一点是，工人操作轴承的旋转速度是根据大部分工人在实际中的操 作习惯推算出来的，由于这个推算方式还不够精确，所以系统还有待在机械方面 进一步改善，从而使整体的检测精度和检测质量都能有更大的提高。 三、数据存储模块 存储器是计算机的记忆部件，c p u 要执行的程序、要处理的数据、处理的中间 结果等都存放在存储器中。目前微机的存储器几乎全部采用半导体存储器，半导体 存储器根据应用可分为读写存储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ) 两大类。 通常在实际应用中，c p u 片内的数据存储单元并不能满足实际的需求，所以需 要对内部数据存储器做适当的外部扩展。本系统的存储扩展主要包括两部分：随 机存储器r a m 和可擦除只读存储器e 2p r o m 。 r a m ，r a n d o ma c c e s sm e m o r y ，简称随机存取存储器，又称读写存储器，它是 单片机系统中数据存储单元扩展必不可少的元件之一。它能够在存储器中任意指 定的地方随时写入或读出信息，但当电源掉电时，r a m 里的内容随即消失。本系 统需要使用随机存储器来保存正在测量中的轴承部件随机采样数据和一些与被测 轴承相关的数据信息瓯 1 1 e z p r o m 是只读存储器( r o m ) 中的一种，是电擦除可编程只读存储器。其主 要优点是能在应用系统中进行在线电擦除和在线电写入，并能在断电情况下保持 修改的结果。较紫外线擦除的e p r o m 更方便，因此在智能仪表、控制装置、分布式 监测系统中都得到了广泛的应用。e2 p r o m 是一种非易失性器件，写入的信息可以 长期保存，当不需要这些信息或欲进行修改时，可进行擦除和重写。 在本系统中，e 2p r o m 用来保存每一个测量部件的检测结果数据包，由于它具 有非易失特性，所以可以长期保存数据；另外，它也具有在线电擦除和在线电写 入的特性，所以当测量部件超过一定数量时，旧数据会被新数据覆盖，具体可以 保存多少数据要依芯片的容量而定。 四、c a n 通讯模块 c a n 通讯模块的功能是完成智能检测设各与c a n 现场总线之间的通讯和数据传 输。首先微控制器通过c a n 控制器与c a n 收发器相连，然后再由c a n 收发器与c a n 总线相连。 c a n 通讯模块的功能主要包括四部分：现场检测系统的检测结果以数据包的形 式通过现场c a n 网络传输给网关，再由网关传给管理系统；接收管理系统下传的、 经过网关转换的生产管理信息：接收由网关转发的管理系统指令；回复管理系统 指令，传输相应数据信息。 五、人机交互模块 人机交互是控制系统设计中的重要组成部分，这部分的设计将直接影响到整 个系统的性能实现。合理的人机交互设计可以大大提高系统的可操作性和可控制 性，使系统变得更易于使用，且操作方便灵活。 本系统的人机交互设计包括以下三方面：液晶显示器、按键输入和蜂鸣音提 不o 1 、液晶显示： 显示是系统最重要，也是最直接的人机交互接口。本系统选择使用液晶显示 器来完成显示借口任务。它可以实时、直观、准确的显示出系统的全部工作状态、 过程变化和测量结果等，使操作者可以一目了然，迅速获得系统的全部相关信息 和重要数据参数。 2 、按键输入： 按键输入是智能仪表设计中最常见的输入设备，也是实现人机交互的主要设 备之一。操作人员可以通过按键输入功能向设备输入数据和控制命令等，实现一 些简单的、基本的人机通信。 采用按键作为本系统的输入装置具有结构简单、易于操作、性能可靠和成本 低廉等优点。现场操作人员通过键盘可以输入阿拉伯数字o 9 ，以及日期、时间 分隔符“一”和“：”，同时还可以通过键盘完成设置、取消、确定和页面切换这些 指令性控制。 3 、蜂鸣音提示： 因为声音提示具有直接、效果明显等优点，所以声音提示功能也常常成为智 能仪表设计中必不可少的人机交互手段之一。 蜂鸣器具有控制简单，声音悦耳动听的特点，因此在工程项目中常用做人机 接口的重要输出设备，用以发出语音提示信息。 在本系统的现场智能检测设备设计中，采用蜂鸣器作为人机交互中的声音提 示工具。当设备检测完一个轴承部件之后，会通过发出不同的声音来提示操作者 所测部件是否合格：2 个连续的短音表示产品合格，1 个长音表示产品不合格。另 外，当现场检测设备发生故障时，用连续的5 个长音提示报警。 2 3 2c a n 现场总线 现场检测系统的现场总线采用c a n 现场总线，应用c a n 现场总线控制系统实现 现场检测系统的网络化设计。 2 3 2 1 现场总线基础理论 现场总线是8 0 年代末9 0 年代初发展起来的一种先进的工业控制技术，它将当 今网络通信与管理的观念带入到工业控制领域。从本质上说，它是一种数字通信 协议，是连接智能现场设备与自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支 结构的通信网络，是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合，代 表了工业控制体系结构的一种方向。现场总线的出现，使网络化、集成化、智能 化成为控制系统发展的一种必然趋势【6 】o 2 3 2 2 现场总线及现场总线控制系统 现场总线是应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节 点数字通信系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层网络。它是一种用 于现场仪表与控制系统和控制室之问的一种全分散、全数字化、智能、双向、多 站点、开放式的通信网络。在工业测控系统中，采用现场总线技术实现数据传输， 是提高工业现场实施效率的有效途径。 现场总线控制系统【7 】打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用 一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。现场总线控制系统由于采用了智 能现场设备，加上现场设备具有通信能力，因而现场总线控制系统能够不依赖于 控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成控制任务，实现了彻底的分散控制。 表2 1 典型总线对照表 t a b 2 1c o n t r a s tt a b l ef o rt h et y p i c a lf i e l db u s 现场总线产品 特性 c a nl o n w o r k sw o r l d f i pp r o f i b u sh a r tf f 应用对象离散控制所有方面过程控制过程控制一次仪表所有方面 0 s i 层次l ，2 ，71 至7 1 ，2 ，7l ，2 ，71 ，2 ，71 ，2 ，7 系统类型总线 网络总线 总线总线总线 介质访问 c s m a c dc s m a c a主从、令牌主从、令牌主从、令牌主从、令牌 错误校正 c r cc r cc r cc r cc r cc r c ，红外发 通信介质双绞线射 单点、多单点、多单点、多单点、多 寻址方式点、广播广播广播点、广播点、，“播点、广播 3 1 2 5 k 传输速率5 k - l m b p s 3 0 0 - 1 5 m 2 ，5 m b p s 9 6 k 一1 2 m 3 u p d a t s s 2 5 m 传输距离 1 0 k m2 7 m1 0 0 m 一1 0 k m3 k m 5 0 0 m - 1 9 k m 网络供电不是是是是是不是 优先级支持支持支持支持支持支持 系统控制 命令 命令、状态命令、状态状态命令、状态命令、状态 1 ) 同轴电缆电源线、光纤、无线电、红外线；双绞线、光纤 1 4 开放性、分散性和低成本是现场总线控制系统最显著的三大特点，它的出现 将使传统的自动控制系统产生划时代的变革，这场变革必将带领自动控制技术进 入新的纪元。 2 3 2 3 几种常见的现场总线的比较 典型现场总线产品及其特性对照如表2 1 所示。从表中可以看出f f 、p r o f i b u s 、 h a r t 、w o “d f i p 四种总线的介质访问均为主从或者令牌方式。主从方式的主要缺 点是当主站出现故障时，整个系统就会瘫痪，而且，令牌方式是对各个通信站点 逐个访问，当环路上同时需要通信的站点很多时，有些站等待的时间将比较长， 因而实时性较差。另外使用f f 、h a r t 等总线协议需要加入其协会，每年要交一定 的费用。而c a n 总线和l o n w o r k s 总线则为多主方式j 协议也是公开的，且可以免费 使用【8 】。 2 3 2 4c a n 总线及其技术优势 控制器局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，简称c a n 总线，属于总线式串 行通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一，最初由德国的b o s c h 公司为汽 车监测、控制系统而设计。 c a n 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗 电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到1 0 k m 时，c a n 仍可提供高达5 k b i t s 的数据传输速率。一个有c a n 总线结构的单一网络中，理论 上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。 由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与一般的通信总线相比，它的 数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下【9 j ： 1 ) c a n 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线； 2 ) c a n 为多主方式工作，网络上任节点均可在任意时刻主动地向网络上其 他节点发送信息，而不分主从； 3 ) 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要 求，优先级高的数据最多可在1 3 4ps 内得到传输； 4 ) c a n 采用非破坏总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息出现冲突 时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受 影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间；尤其是在网 络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) ； 5 ) c a n 节点只需通过对报文的标识符滤波，即可实现点对点、一点对多点及 全局广播等几种方式传送接收数据； 6 ) c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可 达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ； 7 ) c a n & 的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个，在标准帧报 文标识符有1 1 位，而在扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 的个数几乎不受限 制； 8 ) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极 低： 9 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，具有极好的检错效果： 1 0 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活； 1 1 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节 点的操作不受影响； 1 2 ) c a n 总线具有较高的性能价格比，它结构简单，器件容易购置，每个节点 的价格较低，且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联模型基础上的。不过，其模 型结构只有三层，即只取o s i 底层的物理层、数据链路层和应用层。由于c a n 的数 据结构简单，又是范围较小的局域网，因此不需要其他中间层，应用层数据直接 取自数据链路层或直接向数据链路层写数据，数据传输中的流量和差错控制也在 数据链路层执行，报文的可靠传输在数据链路层或应用层执行。c a n 协议的结构层 次少，有利于系统中实时控制信号的传送。 由于c a n 总线具有诸多优点，促使其在各个领域的应用得到迅速发展，在国 际工程机械上的运用已经越来越普遍，并日益体现出其特有的优势和广泛的使用 前景。 2 4 轴承生产过程管理信息系统 轴承生产过程管理信息系统主要由若干p c 机终端和数据库服务器组成，通过 一个集线器( h u b ) 组成局域网。p c 机主要用于界面显示和技术性操作；数据库服 务器主要用于存储测量数据、状态信息、用户信息和生产数据等。管理信息系统 的主要功能如下： 管理者、技术人员和用户登陆管理系统显示界面； 实时监控检测系统的详细运行状态，并做动态显示； 显示轴承测量过程中的实时参数，并存储过程数据； 按照不同的检索关键字，显示相关历史数据； 向现场检测设备发送生产数据或有关操作的指令； 打印各种报表； 数据库稳定可靠的存取数据。 2 4 1 管理信息系统运行模式的选择 管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m s ) ，简称m i s ，是一个利用 计算机硬件和软件技术，手工作业，分析、计划、控制和决策的模型，是数据库 的用户机器系统。它能够提供信息，支持企业或组织的运行、管理和决策功能。 随着计算机和网络技术的发展，管理信息系统的运行模式经历了巨大革新。 纵观整个信息系统平台的发展过程，共产生过四种运行模式：主机终端模式、文 件服务器模式、客户机服务器模式、测览器服务器模式f l o i 。 其中，主机终端模式和文件服务器模式因为存在不够灵活和适用规模小等