（机械制造及其自动化专业论文）基于数控机床plc的远程监控与诊断系统研究.pdf

j 海交通太学硕士论文摘璺 基于数控机床p l o 的远程监控与诊断系统研究 摘要 随着世界经济全球化进程和网络技术的迅猛发展，市场竞争更加 剧烈，设各的售后服务与技术维修成为制约企业生产能力和影响客户 满意程度的重要因素。设备制造企业不仅要技术创新，开发新产品和 提高产品质量，而且还要对产品的生产使用过程提供全方位的技术服 务支持。这一发展趋势带动了设备制造企业从制造型向制造、服务型 转变，也促使设备制造商在产品中加入远程监测、诊断、维护功能， 并通过因特网提供设备使用、维护技术支持。 设备的远程监控与诊断是指通过专门线路，由有关人员通过设在 监控中心的微机对现场设备进行远程状态监控与故障诊断。远程监控 与诊断系统能够对运行设备的状态信号、运行数据、故障类型实行实 时远程动态监控，并及早地预告和排除设备故障。 本文主要研究基于数控机床p l c 的远程监控与诊断系统，系统以 远程网络通讯的方式实现数控机床中的p l c 与异地监控诊断微机的 数据通信，将p l c 的控制状态信息发送给远程监控诊断微机，并由监 控诊断微机根据p l c 信号分析得出故障诊断结果。其中，p l c 通过调 制解调器接入公用电话网，上位监控诊断微机也通过调制解调器接入 公用电话网，并由p l c 拨号呼叫上位机端的调制解调器，建立与上位 机的数据链接。 上海交通大学硕上论文 摘要 本文首先介绍了基于p l c 的远程监控与诊断系统的架构；并基于 s i e m e n ss i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 设计了p l c 远程通讯程序，通过 s 7 2 0 0p l c 的自由口通讯模式发送p l c 状态信号数据；在上位机端， 基于w i n d o w s 9 5 操作系统设计了串行通讯程序，以串行通信的方式通 过调制解调器读取p l c 发送过来的信号数据。最后，讨论了数控机床 p l c 故障诊断的一般方法，并针对p l c 顺序控制过程提出了时序诊断 模型，针对机械手上下料的运动过程，利用该模型根据p l c 信号进行 了故障诊断分析。 关键词：远程监控故障诊断可编程控制器自由口模式串行通信 一1 - 海交通大学硕：f ：论文 摘要 r e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e m f o rc n cm a c h i n eb a s e do np l c a b s t r a c t a st h ew o r l de c o n o m yg l o b a l i z e sa n dn e t w o r kt e c h n o l o g i e sd e v e l o pq u i c k l y ， m a r k e tc o m p e t i t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ed r a s t i c t h ee q u i p m e n t sa f t e rs e r v i c e a n dm a i n t e n a n c ec o m et ob eam a j o rf a c t o rt h a te f f e c t se n t e r p r i s e sm a n u f a c t u r i n g c a p a b i l i t ya n dc u s t o m e r ss a t i s f a c t i o n t h em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sn e e dn o to n l yt o i n n o v a t ei nt e c h n i q u e s d e v e l o pn e wp r o d u c t sa n de n h a n c et h eq u a l i t i e so ft h e p r o d u c t s ，b u ta l s ot op r o v i d ec o m p r e h e n s i v et e c h n i q u es e r v i c e sd u r i n gt h e i rp r o d u c t s u s i n gp e r i o d 1 1 1 i st r e n dm a k e sm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sc h a n g ef r o mm a n u f a c t u r i n g t y p et os e r v i c et y p e ，a d dr e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sf u n c t i o n st ot h e i rp r o d u c t s a n dp r o v i d et e c h n i q u es u p p o r t st h r o u g hi n t e r n e l ： r e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i si sd e f i n e da sm o n i t o r i n ge q u i p m e n ts t a t u sa n d a n a l y z i n gf a u l t st h r o u g hr e m o t ep c t h er e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e mc a n m o n i t o rr u n n i n ge q u i p m e n t s s t a t u ss i g n a l s ，d a t aa n df a u l tt y p e s ，f o r e s e ea n dp r e v e n t f a u l t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ar e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i ss y s t e mb a s e do np l ci s d e s i g na n dr e a l i z e d i nt h i ss y s t e m ，p l cw i t h i nt h ee q u i p m e n ta n dt h er e m o t e m o n i t o r i n gp cc o m m u n i c a t e w i t hn e t w o r k p l cs e n d si t ss t a t u sd a t at ot h er e m o t ep c t h em o n i t o r i n gp cr e c e i v e st h e s ed a t aa n da n a l y z e st h e mt og e tt h ed i a g n o s i sr e p o r t p l cc o n n e c t st op s t nb ym o d e m t h em o n i t o r i n gp ca l s oc o n n e c t st op s 耵4b y m o d e m p l cd i a l sa n dc a l l st h em o d e nb yt h em o n i t o r i n gp cs i d e a n db u i l d sa c o n n e c t i o nb e t w e e nt h e m t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ef r a m e w o r ko fr e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i s s y s t e m ap l cp r o g r a mi sd e s i g n e db a s eo ns 1 e m e n ss i m a t i cs 7 2 0 0p l c i t s e n d sp l cs t a t u sd a t ai nt h e f r e e p o r tm o d ep r o v i d e d b vs 7 2 0 0p l c a c o m m u n i c a t i o np r o g r a mi s d e s i g n e do nt h em o n i t o r i n gp cw h i c hi sr u n n i n go n w i n d o w s9 8o p e r a t i o ns y s t e m i tr e c e i v e sd a t aw h i c hi ss e n tb yp l cw i t hs e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d e i nt h ee n ds o m em e t h o d sf o rp l cf a u l t sd i a g n o s i sa r e d i s c u s s e d as e q u e n c ed i a g n o s i sm o d e lf o rs e q u e n c ec o n t r o lo fp l ci sp u r p o s e d k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，p l c ，f r e e p o r tm o d e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品和成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在本文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：洲巫 日期：哆6 月弓日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通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，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密e z 在至l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名 日期：年 月日 日期：勋乡年石月多e t 寸 上海交通大学硕七论文 第一帝绪论 第一章绪论 1 1 远程监控与诊断的背景和意义 随着世界经济全球化进程和网络技术的迅猛发展，市场竞争更加剧烈，企业 生产、销售、服务规模不断扩大。企业问的竞争向产品创新能力、产品质量和维 修服务水平的多元化方向发展。 在全球市场上，设备的售后服务与技术维修成为制约企业生产能力和影响客 户满意程度的重要因素，也成为决定企业产品品牌，利润的一个重要因素。设备 制造企业不仅要技术创新，开发新产品和提高产品质量，而且还要对产品的生产 使用过程提供全生命周期的技术服务支持、实行设备终生保修，这一发展趋势带 动了设备制造企业从制造型向制造、服务型转变，也促使设备制造商在产品中加 入远程监测、诊断、维护功能，并通过因特网提供设备使用、维护技术支持。对 设备制造企业来说，远程监控与诊断利用因特网实现维修技术人员的“虚拟到 场”，可大幅度降低技术服务费用；对设备使用企业来说远程监控与诊断能利 用e r n a i l 、手机短消息等方式对潜在的设备故障进行预警，缩短了设备维修服务 的响应时间，同时能及时得到设备制造企业的网上技术支持，降低了设备非计划 停辊带来莳损失。 设备的远程监控与诊断是将设备诊断技术与计算机网络技术相结合，用若干 台中心计算机作为服务器，在企业的重要关键设备上建立状态监测点，采集设备 状态数据；而在技术力量较强的科研院所建立分析诊断中心，为企业提供远程技 术支持和保障。通过设在监控中心的微机对分布在现场的具有网络通信功能的异 地设备进行远程监控与故障诊断。远程监控与诊断系统能够对运行设备的状态信 号、运行数据、故障类型进行实时远程动态监控，及早地预告和排除设备故障l i i 。 据统计，工业现场故障维缪对，8 0 的彝寸阁用来查找所出现的故障原因，丽 只有2 0 的时间束解决故障。人工查找故障费时费力，特别是数控机床的维修 更是困难，它已成为制约我国数控技术广泛应用的主要障碍之一，因而各种故障 诊断系统的研究得到了迅速发展，特别是g o 年代以后，计算机与人工智能相结 合，使得故障诊断水平有一个显著的飞跃。 远程监控与诊断服务的对象是工业现场的生产设备，通过网络传输的是设备 运行的状态信息、工艺参数数据等故障诊断所需的信息。远程监控与诊断的优点 在于 ：j ： 1 ) 远程监测诊断网络沟通了管理部门一运行现场一诊断专家一设备制造厂之 自j 的信息，积累和综合各方面的经验、知识，服务于设计、运行、维修，其 海交通人学硕士论文第一章绪论 最终目的是提高故障诊断的准确率。 2 ) 利用网络，可以缩短收集故障信息的时f b j ，提商故障诊断的效率。 3 ) 利用诊断网络还有利于数据积累、资源共享。如可以实现对设备的异地协同 诊断，使得多个诊断系统服务于同一台设备以及多台设备共享同一台诊断系 统，以弥补单个系统领域知识的不足，提高故障诊断的可靠性和智能化水平。 4 ) 利用虚拟现实技术建立虚拟现实系统可以远距离地进行故障研究，有助于研 究故障发生的机理。 1 2 远程监控与诊断技术的发展和研究现状 1 2 1 远程监控与诊断模式发展 设备的远程监控与诊断技术模式是与通信技术的发展密不可分的，伴随着通 信技术的发展，出现了三种远程监控与诊断模式”1 。 1 ) 早期远程监控与诊断模式 如图1 一l 所示，此模式最大缺点是远程诊断工程师无法直观地了解现场生 产与设备状况，完全凭现场人员的记录资料进行分析推理，诊断结论在很大程度 上受现场人员的主观因素和知识水平影响，可靠性不高；另外这种模式无法实现 实时和在线监控与诊断。 图1 - 1 早期远程监控与诊断模式 f i g ! - ir e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sm o d ei nt h ee a r l yt i m e s 2 ) 近代远程监控与诊断模式 如图l 一2 所示，这种模式较前一种模式有了很大进步，远程诊断工程师可 以较为直观地了解现场生产与设备状况，诊断结果受现场人员的主观因素和知识 水平影响减小，可靠性大为提高；另外这种模式还可以实现实时和在线监控与诊 断。但是，由于模拟信号远距离传输后会产生较大失真。影响了诊断结梁的准确 性。因此这种远程监控与诊断模式的有效距离不会是无穷远的。 2 上海交通大学硕士论文 第一章绪论 图1 - 2 近代远程监控与诊断模式 f i g l 2r e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sm o d ei nt h el a t t e r - d a yt i m e s 3 ) 现代远程监控与诊断模式 如图1 3 所示，现代远程监控与诊断模式是随着通信、计算机和网络技术 发展而产生的，成为主要的远程监控与诊断模式。其最显著特点是现场的采样设 备将各种传感器获取的设备状态信息转变为数字信号后，通过网络传送给远程诊 断工程师。远程诊断工程师再利用计算机和现代数字信号处理技术对收到的数字 信号进行分析处理，对设备状态进行评估，给出诊断结论并将结果返回给现场人 员。由于数字信号远程传输的保真度高，不受时间和空闯影响，因此诊断结论可 靠性，可以实现真正意义上的实时在线远程监控与诊断。 图卜3 现代远程监控与诊断模式 f i g l - 2r e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i sm o d ei nt h ep r e s e n tt i m e s 1 2 2 远程监控与诊断的国内外发展现状 基于因特网的远程监控与诊断研究工作最先是从医学领域开始的，1 9 8 8 年 丌放式远程医疗系统的概念在美国提出，人们普遍认为一个丌放式远程医疗系统 应包括远程诊断、专家会诊、信息服务、在线检测和远程学习几部分。1 9 9 4 年9 月s y s o p t i c s 公司在美国国会山庄向克林顿总统演示了一个基于因特网的全国 3 i ：海交通大学硕j ：论文 第一章绪论 保健试验示范系统：1 9 9 5 年1 月美国俄克拉荷马州的远程医疗系统投入使用， 它把5 4 家乡村医院与州中心医院联系在一起，并通过计算机网络将c t 、x 光片 等病人临床检验结果送到州中心医院诊断，这样病人在入网的任何一家乡村小医 院就诊都能得到专家级的诊断；国内上海医科大学在上海地区也建立了一个类似 的远程诊疗系统| l i 。 设备故障诊断与人类的疾病诊断是相似的，从技术上说能实现远程医疗诊断 也就能实现远程设备诊断。远程医疗诊断采用的系统体系结构、信息传输方法和 异地专家会诊组织、实现形式等都可为远程设备诊断所采用和借鉴。但由于重视 程度不够和投入的科研资金少、人力不足等原因，与医疗行业已取得的显著成果 相比，工业领域的远程诊断工作进展相对较慢。1 9 9 7 年1 月，首届基于因特网 的工业远程诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自3 0 个公 司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了远程诊断系统连接丌放式体 系、诊断信息规程、传输协议，以及对用户的合法限制，并对未末技术发展作了 展望。会上确定由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于因特网的下一代远程 诊断示范系统，该项工作得到了制造业、计算机业和仪表业的b o e i n g 、f o r d 、 s e g a t e 、i n t e l 、s u n ，h p 等1 2 家大公司的支持和通力合作，并很快建立了一个 限于合作者问的远程诊断示范体系t e s t b e d 。t e s t b e d 采用嵌入式w e b 组网，用 实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 实现远程信息交换和诊断推理；从该项目对外丌放内 容和项目组1 9 9 7 年底的研究总结报告来看，系统离实用还有很大距离，许多研 究内容也还只是一个提法。此外，密歇根大学也在积极丌展针对机械加工的远程 诊断和制造系统的研究工作，并在因特网上设立了一个宣传站点。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e n s y s t e m sa l l i a n c e ) 、m f t p ( s o c i e t y f o r m a c h i n e r y f a i l u r ep r e v e n t i o n t e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 、 v i b r a t i o ni n s t i t u t e 等，也纷纷通过网络进行设备故障诊断咨询和技术推广工 作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司在他们的产品中也加入了因 特网功能，如n e n t l y 公司的计算机在线设备运行状态监测系统d a t a m a n a g e r 2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e to d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态； n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品l a b v i e w 中新增了因特网模块， 可以通过w w w 、e m a i l 、f t p 方式发送测试数掘。 国内就目前掌握的资料来看，西安交通大学、上海交通大学和哈尔滨工业大 学都在向国外先进水平看齐，已丌始或准备丌始从事工业领域的远程诊断研究工 作；华中理工大学也于1 9 9 7 年初丌始了前期研究工作，并于同年“月在因特网 上设立了一个远程诊断宣传站点，向国内介绍远程诊断技术，并以技术示范的方 式向用户提供十分有限的远程诊断服务。同时b e n t l y 、e n t e k 、s o l t r a n 等大公 4 海交通大学硕f 论立 第一章绪论 司也纷纷将他们最新的网络化设备状态监测产品推向中国市场，这对增进我国学 术界和企业界的网络化设备故障诊断意识和提高我国的设备故障诊断水平也起 到了积极的促进作用。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要研究基于数控机床p l c 的远程监控与诊断系统，系统以远程网络通 讯的方式实现数控机床中的p l c 与异地监控诊断微机的数据通信，将p l c 信号发 送给远程监控诊断微机，并由监控诊断微机根据p l c 信号分析得出故障诊断结 果。其中，数控机床的p l c 通过调制解调器接入公用电话网，上位监控诊断微机 也通过调制解调器接入公用电话网，并由p l c 拨号呼叫上位机端的调制解调器， 建立与上位机的数据链接；上位机程序以串行通信的方式读取p l c 信号数据。 下位机端p l c 远程通信程序的设计 基于s i e m e n ss i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 开发p l c 远程通讯程序。采集数控 机床p l c 的运行状态数据，并通过调制解调器接入电话网，将p l c 信号数据 发送给异地的上位监控诊断微机。 上位机端通信程序的设计 基于w i n d o w s9 5 操作系统开发上位机串行通讯程序，以串行通信的方式通 过调制解调器读取数控机床p l c 发送过来的状态数据。 基于数控机床p l c 的故障诊断方法研究 讨论了数控机床p l c 故障诊断的一般方法，并针对p l c 顺序控制提出了时序 诊断模型。 上海交通大学硕士论文 第二章远程脏拧j 诊晰系统的构絮 第二章远程监控与诊断系统的框架 2 1 工业过程对监控系统的要求 现代工业生产中，生产过程日益朝着大型、高速、高效、连续、集成与自动 化方向发展，伴随这一发展趋势，对工业生产过程的监控系统设计也提出了更高 的要求，除了要具备传统监控系统所必须的快速、准确和稳定豹要求外，还必须 具备如下特点 3 1 ： 1 ) 高度可靠性 现代工业生产过程的高度复杂性和高速、高效化特点决定了任何因素导致的 生产过程中止都会带来巨大经济损失，监控系统的失效和系统及设备故障而引起 的生产过程停止将会是一种灾难性的后果。监控系统必须具备高度的可靠性，特 别是对于一些远程无人化生产过程监控尤其如此。 2 ) 高度智能化 监控系统应能及时地对生产中出现的异常或故障进行检测、隔离、诊断和排 除。这就要求监控系统应具备一定的智能，运用现代人工智能、计算机与故障诊 断理论及时处理生产过程中出现的各种异常与故障，保证生产设备币常运行。 3 ) 实时性 监控系统还必须对生产过程中的各种信息如各种过程变量、设备状态变量和 环境状况进行实时综合与处理，将处理结果告诉操作者，并对相关过程变量及设 备状态的变化趋势作出预测，对可能产生的异常与故障发出报警信号且给出相应 处理策略供操作者参考，尽量避免各种可能故障所带来的损失。 2 2 远程监控与诊断系统使用的主要技术 设备的远程监控与诊断系统是一个丌放的分布式系统，主要由监测设备、传 输设备、传输通道、信息处理系统和网络管理系统和诊断系统构成，系统的主要 功能如图2 一l 所示1 2 l 。 6 海交通人学硕j 论文 第二章远程监丰卒f j 诠断系统的构架 设备状态信息( 包 括振动、声、力、 温度、超声等) 的 采集与存储 设备状态信号的 处理( 包括数字 信号滤波和图象 信号的处理) 诊断结果经远距 离网络传输至设 备现场 诊断专家和专家 系统进行分析诊 断 远留络h 丽 传输 i i ! ：二： 检测信息 输出 设备状态 信息m d j _ - 图2 - 1 远程监测与诊断系统功能圈 f i 9 2 1f u n c t i o nf i g u r eo fr e m o t em o n i t o t i n ga n dd i a g n o s iss y s t e m 由图2 一l 可知，远程监控与诊断系统使用的主要技术包括：监测信息的获 取、数据压缩编码及解码、数据传输以及故障诊断技术等巧j 。 1 ) 故障信息的获取 要对设备故障进行诊断，首先应该获取有关信号。信号是信息的载体。诊断 测取的信号有振动、声、力、温度、超声等。一个良_ 好的诊断系统酋先应该齄班 确、全面地获取诊断所必须的全部信息。信息获取的方法主要有：直接观察法， 参数测定法，磨损残渣鉴定法，以及设备性能指标的测定法，即通过测量机器性 能及输入、输出量的变化信息来测定和控制机器的工作状态。 2 ) 数据传输技术 故障信息中包括数据信号、视频信号、音频信号及控制信号等，这些不同种 类的信号有不同的传输特征和传输要求。它们要借助予通讯网络进行传输，而现 实的通讯网络多种多样，并不是所有的传输信道都能满足对故障信号的传输要 求。数据信息的传输还必须要达到准确无误和动态实时的要求。 3 ) 故障诊断技术 由于设备故障的复杂性和故障与征兆之间关系的多样性，使设备故障诊断形 成一种探索性的过程。传统的故障诊断方法首先是利用各种物理的和化学的原理 和手段，通过伴随故障出现的各种物理和化学现象，直接检测故障，其次是利用 故障所对应的征兆来诊断故障。由于故障与各种征兆之间并不存在简单的一一对 应关系，因此利用征兆进行故障诊断往往是一个反复探索和求解的过程。在传统 诊断方法的基础上，将人工智能应用于故障诊断，发展智能化的诊断方法，是故 障诊断的一条全新途径，目前已广泛应用，成为设备故障诊断的主要方向。 7 i ：海交通大学硕士论文第二帝远程监控与诊晰系统的构架 2 3 远程监控与诊断系统的结构 远程监控与诊断系统作为一个开放的分布式系统，其研究内容包括远程监测 ( r e m o t em o n i t o r i n g ) 、远程诊断( r e m o t ed i a g n o s i s ) 、协同诊断( c o n s u l t a t i o no f s p e c i a l i s t s ) 等几个主要部分。远程监控与诊断系统基于监测设备、计算机网络及 软件，实现对监测信息( 包括振动、声、力、温度、超声、等) 的处理、传输、存 储、查询、显示和交互，以达到诊断专家无须到现场就可完成对远距离发生的故 障的诊断，并可以实现异地专家的实时协同诊断1 5 】。 图2 2 远程监控与诊断系统的网络体系结构 f i 9 2 2f r a m e w o r ko fr e m o t em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s is 图2 2 为远程监控与诊断系统的网络体系结构。现场监测系统是这一系统 的起点，它完成对设备的实时监测和监测信息的采集、存储和处理，监测信息经 处理后变成可以进行远距离网络传输的形式。远程监控诊断中心为某一领域或单 位的故障诊断专家组成的虚拟诊断中心。远程监控诊断中心对异地传输东的监测 信息进行处理、分析综合各专家意见，得出诊断结果并给出对策，通过网络反 馈至现场指导问题的解决。诊断专家可以是人，也可以是故障诊断专家系统。从 图2 2 可以看出监测信息的流向为现场监测系统一企业局域网一互联网一远程 诊断中心一诊断专家，而诊断结果的流向则相反。故障的诊断可以按照点对点方 式，即现场监测系统聆一专家脚；也可以实现点对多点方式，即现场监测系统 ，r 多个专家。这两种方式分别对应了单一专家诊断和多个专家会诊这两种诊断 形式。 g 海交通大学硕上论文第二帝远程脯 卒诊断系统的构架 z 4 远程监控与诊断系统的基本组成 远程监控与诊断系统由现场监测设备、传输设备、传输通道、网络管理系统、 诊断服务系统等组成。 1 ) 监测设备 安装在现场，是整个系统信息的主要来源。包括各种传感器、带通、滤波器、 放大器、模数转换器等，其任务是负责采集设备的运行信息。 2 1 传输设备 组成传输通道和现场监测系统的信号转换接口，包括切换、放大、调制解调 接口、图像处理等设备。 3 1 传输通道 包括切换设备及电线、光缆、微波、卫星等多种传输形式。 4 ) 网络管理系统 保证协同诊断正常进行所需要的网络管理、测试等设备。 5 ) 诊断服务器 安装在诊断分析中心，根据接收到设备信息进行故障诊断分析，并将诊断结 果反馈给现场设备。 6 ) 数据库服务器 安装在现场或诊断分析中心，存放并管理数据，执行各种数掘库操作并返回 结果，对外提供采样数据服务。 2 5 基于p l c 的远程监控与诊断系统的整体框架 本文主要研究基于数控机床p l c 的远程监控与诊断系统，系统以远程网络通 讯的方式实现数控机床中的p l c 与异地监控诊断微机的数掘通信，将p l c 状态数 据发送给远程监控诊断微机，并由监控诊断微机根据p l c 状态数据分析得出故障 诊断结果。其中，数控机床p l c 通过调制解调器接入公用电话网，上位监控诊断 微机也通过调制解调器接入公用电话网，并由p l c 拨号呼叫上位机端的调制解调 器，建立与上位机的数掘链接。 当监控设备和控制中心相距较近时，可直接通过r s 一2 3 2 接口或r s 一4 2 2 接口 进行数据通讯；当它们相距较远时，可以辅设专用的通讯信道，采用专线传输方 式进行数据通讯。如果距离在几千米甚至上万米以上时，必须采取模拟载波传输 方式或者采用微波和卫星等无线传输方式，但从投资费用及性能价格比束看，大 多数还是采用模拟载波传输方式，借助于公用电话网( p s t n ) 采用异步调制解调器 拨号方式进行数据通讯，即通讯双方须各接入一个专用设备一一调制解调器 9 j 旃交通大学项l 论文第二帝远程髓挖j 诊断系统的构架 ( m o d e m ) ，它将p l c 送来的数字信号调制成模拟信号在电话线上传输，并在接收 端将模拟信号还原成数字信号。 系统结构，如图2 3 所示。 可编稃序 控制器 ( p l c ) 图2 3 基于p l c 的远程监控诊断系统结构图 f i 9 2 3f r a m e w o r ko f r e m o t eb o b i t o r i n ga n dd i a g n o s is $ y s t e mf o rp l c 本文系统针对使用s i e m e n ss 7 2 0 0m i c r op l c 系列的数控机床。s 7 2 0 0p l c 提供有r s - 4 8 5 通讯接口，在s 7 2 0 0 的自由口通讯模式下，可以与任何通讯协议 公开的其他设备、控制器进行通讯，即s 7 2 0 0p l c 可以由用户自己定义通讯协 议( 例a s c i l 协议) ，波特率最高为3 8 4 k b i t s ( 可调整) 。因此使可通讯的范 围大大增加，使控制系统配置更加灵活、方便。利用p c p p i 通讯电缆和自由端 口通讯功能可把s 7 2 0 0 p l c 连接到许多和r s - 2 3 2 标准兼容的设备。 下位机端利用p c p p i 通讯电缆连接s 7 2 0 0p l c 的r s 4 8 5 通讯端口和调制解 调器的r s 一2 3 2 通讯端口，并可通过p c p p i 电缆上的d i p 开关设定通讯数掘位数 ( 1 0 位1 1 位) ，将$ 7 - 2 0 0p l c 接入到电话网；上位机端利用r s 2 3 2 通讯电缆连 接诊断微机和调制解调器的r s - 2 3 2 通讯端口，将诊断微机接入电话网。通过电 话网实现s 7 2 0 0 p l c 和监控微机的数据通讯。系统硬件配置如图2 4 所示： l o 海交通大学硕士论文第二市远程监拧诊断系统的构架 r s 一2 3 2 r s 2 3 2 图2 4 系统硬件配置 f i 9 2 4s y s t e r sh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n 当s 7 2 0 0p l c 所控制的数控机床出现故障时，系统采集当时s 7 2 0 0p l c 状态数据，并通过调制解调器实现与异地的监控诊断微机的远程数据通讯，将故 障发生时p l c 的状态数据传送到监控诊断微机，监控诊断微机根据这些数据进行 故障分析，并将诊断结果反馈给设备现场。进行故障维修处理。 湃变通人学硕1 论文 第三章p l c 数据通信的实现 第三章p l c 数据通信的实现 3 1s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 介绍 3 1 1s f f l a t i c $ 7 - 2 0 0 的概述 本文系统针对的是s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c ，s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 是 s i e m e n s 公司开发的一类可编程逻辑控制器，适用于各行各业，各种场合中的检 测、监测及控制的自动化。s 7 2 0 0 可以独立运行，或相连成网络实现复杂控制 功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领 域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各 种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床， 印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统坤j 。 一台s 7 - - 2 0 0p l c 包括一个单独的s 7 - - 2 0 0c p i j ，和各种各样的可选扩展模 块。而s 7 2 0 0 c p u 模块包括一个中央处理单元( c p u ) 、电源以及数字量i o 点， 这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。 c p u 负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。 输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备( 例如传感器或丌关) 中 采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其它设备。 电源向c p u 及其连接的任何模块提供电力。 通讯端口允许将s 7 2 0 0c p u 同编程器或其它一些设备连接起来。 状态信号灯显示了c p u 的工作模式( 运行或停止) ，本机i 0 的当前状态， 以及检查出的系统错误。 通过扩展模块可增加c p u 的i o 点数。 通过扩展模块可提供其它通讯性能。 e e p r o m 卡可以存储c p u 程序，可以将一个c p u 的程序传到另一个c p u 中。 s 7 2 0 0 系列p l c 可提供4 个不同的基本型号的c p u ，包括c p u 2 2 1 ，c p u 2 2 4 ， c p u 2 2 4 和c p u 2 2 6 。 3 1 2s 7 2 0 0c p u 的扫描周期 s 7 2 0 0c p u 连续执行用户程序，任务的循环序列称为扫描。c p u 的扫描周期 包括以下任务： 1 2 ，j ：海交通大学硕士论文 第二章p l c 数据通f 二的实现 读输入 执行程序 处理通讯请求 执行c p u 自诊断测试 写输出 一个扫描周期 写输出一读输入 执行c p u 自诊断执行程序 一 图3 1 $ 7 - 2 0 0c p l l 的扫描周期 f i 9 3 ，is c a n n i n gp e r i o do f $ 7 - 2 0 0c p u 扫描周期中执行的任务依赖于c p u 的操作模式。$ 7 - 2 0 0c p u 有两个操作模 式：s t o p 模式和r u n 模式。对于扫描周期，s t o p 模式与r u n 模式的主要差别是 在r u n 模式下运行用户程序，而在s t o p 模式下不运行用户程序。 1 ) 读输入 每次扫描周期时，先读数字输入点的值，然后把这些值写到输入映象寄存器 中。c p u 以8 位( 1 个字节) 为增量的方式来保留输入映象寄存器。在每次 扫描周期开始时，c p u 会将映象寄存器中未使用的输入位清零。 除非允许模拟量滤波，c p u 在扫攒周期中是不能自动更新模拟量输入值的。 用户可以选择对每个模拟通道设置数字滤波。如果模拟输入选择输入滤波 器，c p u 在每个扫描周期刷新模拟输入、执行滤波功能，并存储滤波值。当 访问模拟输入时，使用滤波值。 2 ) 执行程序 在扫描周期的执行程序阶段里，c p u 执行程序是从第一条指令丌始，直到最 后一条指令结束。不论在程序或中断程序执行过程中，直接i 0 指令允许对 输入和输出点直接存储。 如果在程序中使用了中断，与中断事件相关的中断程序就作为程序的一部分 存储下来。中断程序并不作为正常扫描周期的一部分束执行，而是当i 1 断事 件发生时才执行( 这可能会在扫描周期的任意点上) 。 3 ) 处理通讯请求 在扫描周期的信息处理阶段，c p u 处理从通讯端口接收到的任何信息。 上海交通大学硕上论文 第三章p l c 数据通f 0 的实现 4 ) 执行c p u 自诊断测试 在扫描周期的这个阶段，c p u 检查其硬件，以及用户程序存储器( 仅在r u n 模式下) ，它也检查所有的i o 模块的状态。 5 ) 写输出 在每个扫描周期的结尾，c p u 把存在输出映象寄存器中的数掘传输给数字输 出点。当c p u 操作模式从r u n 切换到s t o p ，数字输出设置为输出表中定义 的值，或保持当前状态，模拟输出保持最后写的值。 输入和输出映象寄存器 在程序的执行过程中，对于输入和输出的存取通常是通过映象寄存器，而不 是实际的输入输出点，这主要有三个原因： 在同步扫描周期的开始采样所有输入，而在扫描周期的执行阶段就有了固定 的输入值。而当程序执行完后，就更新输出映象寄存器。这样就使系统有稳 定的效果。 用户程序存取映象寄存器要比存取i o 点快得多，因此允许快速执行程序。 i o 点必须按位来存取，而映象寄存器可按位、字节、字或双字来存取，因 此更具有灵活性。 3 1 3s 7 2 0 0 的网络通讯功能 $ 7 - 2 0 0c p o 支持以下通讯模式： 点到点( p o i n t t o p o i n t ) 接口( p p i ) 多点接口( m u l t i p o i n t ) ( m p i ) p r o f i b u s 这些协议基于丌放系统互联( o s i ) 7 层通讯结构模型，通过令牌环网实现， 令牌环网遵守欧洲标准e n5 0 1 7 0 中定义的过程现场总线( p r o f i b u s ) 标准。这 些协议都是异步、基于字符的协议，带有起始位、8 位数掘、偶校验和1 个停止 位。通讯帧出特殊的起始字符、源和目的站地址、帧长度和数据完整性检查和组 成。只要相互的波特率相同，三个协议可以在一个网络中同时运行，而不会相互 影响。 p r o f i b u s 网络使用r s 一4 8 5 标准双绞线。它允许在一个网络段上最多连接3 2 台设备。根据波特率不同，网络段的长度可以达到1 2 0 0 米。采用中继器连接网 络段可以在网络上连接更多的设备，延长网络的长度。根掘不同的波特率，采用 中继器可以把网络延长到9 6 0 0 米。 协议定义了两类网络设备：主站和从站。主站可以对网络上另一个设备仞始 化申请。从站只响应来自主站的申请，从站不初始化本身的申请。 1 4 海交通人学顾一f ：论文 筇三章p l c 数据通信的实现 1 ) p p i 协议 p p i 协议是一个主从协议。主站设备向从站设备发送请求，从站设备进行 响应。只有当主站发出请求或要求从站响应时，从站设备d 。响应。 如果在用户程序中允许p p i 主站模式，$ 7 - 2 0 0c p u 在r u n 模式下可以作为 主站。一旦允许p p i 主站模式，就可以利用网络读( n e t r ) 和网络写( n e t w ) 指 令进行数据信号的传递。当s 7 2 0 0c p u 作为p p i 主站时，它还可以作为从站响 应来自其它主站的申请。 对于任何一个从站有多少个主站与它通讯，p p i 没有限制，但在网络中最多 只能有3 2 个主站。 2 ) m p i 协议 m p i 可以是主主协议或主从协议。协议如何操作有赖于设备类型。如果设 备是$ 7 - 2 0 0c p u ，那么就建立主从连接，s 7 2 0 0c p u 作为从站。 m p i 总是在两个相互通讯的设备之间建立连接。一个连接可能是两个设备之 日j 的非公用连接，另一个主站不能干涉两个设备之问已经建立的连接。主站为了 应用可以短时间建立一个连接，或无限地保持连接断开。 由于设备之间s 7 2 0 0 的连接是非公用的，并且需要c p u 中的资源，每个 s 7 2 0 0c p u 只能支持一定数目的连接。每个c p u 支持4 个连接，每个扩展模块 e m2 7 7 支持6 个连接。每个s 7 2 0 0c p u 和e m2 7 7 模块保留两个连接，其中一 个用于连接s i f i a t i c 编程器和p c 机，另一个用于连接操作面板。这些保留的连 接不能由其它类型的主站设备使用。 3 ) p r o f i b u s 协议 p r o f i b u s 协议设计用于分布式i o 设备( 远程i o ) 的高速通讯。p r o