（机械工程专业论文）基于集散控制系统的涂装车间生产监控系统的研究.pdf

摘要 随着各种国家利好政策的推进，中国的汽车产销量双双突破了千万辆，跃居世界汽 车产销第一。产销量的迅猛提升，来自于生产制造技术的不断革新，来自于管理方式理 念的不断进步，来自于网络化、自动化的系统建设。集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s v s t e m ，简称d c s 系统) 就是现代化生产过程控制中网络化、自动化系统建设的一种， 整个控制系统继承了常规仪表分散控制和计算机集中监控的优点，克服了常规仪表功能 单一、人机界面差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在 管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散，因此集 散控制系统在企业生产控制过程中得到了广泛的应用。 论文以某汽车生产企业一个涂装车间为研究对象，研究了基于集散控制系统的涂装 车间动态生产管理监控系统。该系统按涂装工艺的连续性将整条涂装流水线分成若干个 分散控制分区，将若干台p l c 分散应用于各个控制分区的生产过程控制，全部生产信 息和设备故障信息通过车间内的设备通信网络由上位管理计算机监控，实现生产过程的 最优化控制。论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 研究了集散控制系统的原理、体系结构、硬件结构和数据通信原理，并进行 了硬件的选型，搭建了硬件系统。 ( 2 ) 开发了涂装车间内车身自动识别系统( a u t o m a t i cv e h i v a li d e n t i f i c a t i o n ，简称 a v i 系统) ，为上位管理系统提供了车辆颜色信息和生产信息。 ( 3 ) 采用组态软件建立了生产过程监控系统( p r o c e s sm o n i t o rc o n t r o ls y s t e m ，简称 p m c 系统) 。采用现场总线技术( d e v i c e n e tn e t w o r k ) 来架构车间设备网络，并和工厂 的公用以太网连接，以便于生产管理人员通过运行连接到车间网络上的电脑内的应用软 件进行设备的参数设定、动态信息( 包括生产信息和设备故障信息等) 管理和监控。 通过采用基于集散控制系统的车间生产监控系统，涂装车间的设备调试时间大大缩 短，缩短了新建涂装车间的建设周期；新车间投产之后，通过此生产监控系统对各工艺 参数的实时监控和调整，很快便调试出了合格的涂装产品，并保持产品质量的稳定性， 使一次产品合格率( f i r s tt i m eq u a l i t y , 简称f t q ) 达到8 5 以上。 关键词：集散控制系统；车身识别；涂装车间；生产监控； i i 工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hv a r i o u sc o u n t r y sg o o dp o l i c y ，c h i n e s ea u t oo u t p u t sa n ds a l e sb o t hb r e a k t h r o u g h 10m i l l i o nv a l u e ，b e c o m i n gt h ef i r s tm a r k e to ft h ew o r l d t h er a p i di n c r e a s e ，b e n e f i tf r o m m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n ，f r o mm a n a g e m e n tc o n c e p tp r o g r e s s ，f r o mn e t w o r ka n d i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e ma d v a n c i n g t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) p l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nm o d e mp r o d u c t i o np r o c e s sc o n t r o l ，i ti n h e r i t e dt h ea d v a n t a g e so fr o u t i n ei n s t r u m e n t d i s t r i b u t e dc o n t r o la n dc o m p u t e rc e n t r a l i z e d m o n i t o r i n g ，o v e r c o m et h ef a u l t so fr o u t i n e i n s t r u m e n ts i n g l ef u n c t i o n ，p e o p l e m a c h i n ei n t e r f a c ep o o ra n ds i n g l e u s e rc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e mh i g hr i s ko fc o n c e n t r a t i o n ，w h i c ha c h i e v e sc e n t r a l i z i n ga l li nm a n a g e m e n t ，o p e r a t i o n a n dd i s p l a y ，a n dd i s t r i b u t i n ga l li nf u n c t i o n , l o a da n dr i s k t h i sa r t i c l et a k ea c a l p r o d u c t i o n e n t e r p r i s en e w l yp a i n ts h o pp r o d u c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e ma sa ne x a m p l e ，s t u d yt h ed y n a m i c p a i n ts h o pp r o d u c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h ed e s t h i ss y s t e md i v i d e dt h ew h o l e p a i n t i n gl i n ei n t os e v e r a ld e c e n t r a l i z e dc o n t r o ld i v i s i o na c c o r d i n gt ot h ec o n t i n u i t yo fp a i n t p r o c e s s ，e a c hd i v i s i o nc o n t r o l l e db yai n d i v i d u a lp l c ，a l lp r o d u c t i o ni n f o r m a t i o na n d e q u i p m e n tf a u l ti n f o r m a t i o n f i l em o n i t o r e d b yt h em o n i t o r i n gc o m p u t e rt h r o u g h t h e e q u i p m e n tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , t oa c h i e v et h eo p t i m i z a t i o np r o d u c f i o nc o n t r 0 1 t h i s a r t i c l em a i n l ys t u d i e st h ef o l l o w i n gt h r e ei t e m s ： ( 1 ) s t u d yt h ep r i n c i p l eo fd e s ，a n dt h es y s t e ms t r u c t u r e ，h a r d w a r es t r u c t u r e ，t h e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e ，t oc h o o s ea n db u i l dt h eh a r d w a r e s y s t e m ； ( 2 ) d e v e l o pt h eb o d ya u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ( a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ， a b b r e v i a t i o na v i s y s t e m ) ，p r o v i d ev e h i c l e sc o l o ri n f o r m a t i o na n dp r o d u c t i o ni n f o r m a t i o nt o t h em o n i t o r i n gs y s t e m ； ( 3 ) d e v e l o pt h ep r o c e s sm o n i t o r i n gs y s t e m ( a b b r e v i a t i o np m cs y s t e m ) b ys o f t w a r e s y s t e m u s et h ef i e l d b u st e c h n o l o g yt oa r c h i t e c t u r ed e v i c e n e tn e t w o r ka n dc o n n e c tt ot h e p u b l i ce t h e m e tn e t w o r ko ft h ef a c t o r y t h r o u g ht h ec o m p u t e rw h i c hc o n n e c t e dt ot h e w o r k s h o pn e t w o r k ，t h ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n tp e r s o n n e lc a ns e tt h ep a r a m e t e r s ，m a n a g e t h ed y n a m i ci n f o r m a t i o n ( i n c l u d i n gp r o d u c t i o ni n f o r m a t i o na n de q u i p m e n tf a u l ti n f o r m a t i o n e t c ) ，a n dm o n i t o rt h e m b yu s i n gt h ep r o d u c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h ed e s ，t h ep e r i o do ft h e e q u i p m e n td e b u g g i n ga n dt h ec o n s t r u c t i o np e r i o do fn e wp a i n ts h o pa r cg r e a t l ys h o r t e n ；a f t e r i i i 基于集散控制系统的涂装车间生产监控系统的研究 n e ww o r k s h o pp r o d u c t i o n , t h r o u g hw h i c ht h ep r o d u c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mf o rr e a l 。t i m e m o n i t o r i n go fv a r i o u sp a r a m e t e r sa n da d j u s t m e n t ，s o o nd e b u g g i n go u tq u a l i f i e dc o a t i n g p r o d u c t s ，a n dk e e pt h es t a b i l i t yo ft h ep r o d u c tq u m i t y ，m a k et h ef i r s tt i m eq u a l i t y ( f t q ) a s t 08 5 k e yw o r d s ：d c s ；a v i ；p a i ms h o p ；p m c i v 基于集散控制系统的涂装车间生产监控系统的研究 插图索引 图2 1 典型d c s 体系结构lo 图2 2 过程控制站结构1 2 图2 3 过程控制站的模式1 3 图2 4d d c 控制站框图1 4 图2 5d c s 组态软件的功能1 6 图2 6 历史库的生成过程1 7 图2 7 简单p i d 回路组态1 8 图2 8 控制软件的分离结构18 图2 9 集散控制系统通信网络结构2 0 图3 1 钢条码读写站及激光扫描器2 7 图3 2 钢条码设计原理图2 9 图3 3 钢条码实际照片- 2 9 图3 4a v i 读写站现场照片2 9 图3 5a v il 号站故障处理流程3 2 图3 6 钢条码扫描站1 3 3 图3 7 钢条码扫描站2 3 3 图3 8 钢条码扫描站3 3 3 图4 1m c p 柜内部图片3 6 图4 2m c p 柜左侧p l c 、总线模块和交换机单柜3 6 图4 3r c p 柜内部图片3 7 图4 4r c p 左侧分布式总线模块单柜3 7 图4 5p m c 系统车间网络架构3 7 图4 6p m c 监控画面介绍3 8 图4 7 画面颜色图例4 0 图4 8 机运监控主画面4 1 图4 9p m c 机运四区画面4 1 图4 1 0 设备监控主画面4 2 图4 11 前处理工艺监控主画面4 2 图4 1 2 单个槽体画面4 3 图4 1 3p l c 状态查看主页面4 3 v i 工程硕士学位论文 图4 1 4 单个p l c 的d n b 网络状态页面4 4 图4 1 5d n b 模块结点定义4 4 图4 1 6d n b 故障处理方法4 5 图4 1 7p l c 时间同步画面4 5 图4 1 8p m c 当前机运区的报警信息4 6 图4 1 9 机运历史报警页面4 6 图4 2 0 趋势图主页面4 7 图4 2 1 趋势图展开页面4 7 图4 2 2 报表打开按钮4 8 图4 2 3p m c 系统报表登录界面4 8 图4 2 4 报表主页面4 9 图4 2 5 故障查询报表页面4 9 图4 2 6 故障频次查询页面4 9 图4 2 7p m c 报警最后发生时间页面5 0 图4 2 8 班次设定画面5 0 图4 2 9 报警信息添加步骤一5 0 图4 3 0 报警信息添加步骤二5 1 图4 31 报警信息添加步骤三51 图4 3 2 报警信息添加步骤四5 2 图4 3 3 报警信息添加步骤五5 2 图4 3 4 报警信息添加步骤六5 2 图4 3 5t o p i c 连接一5 3 图4 3 6t o p i c 连接二5 3 图4 3 7t o p i c 连接三5 3 图4 3 8t o p i c 连接四5 4 图4 3 9t o p i c 连接五：5 4 图4 4 0t o p i c 连接六5 4 图4 4 1t o p i c 连接七5 4 图4 4 2t o p i c 连接八5 4 图4 4 3 声音管理步骤一5 5 图4 4 4 声音管理步骤二：5 5 图4 4 5 声音管理步骤三5 6 图4 4 6 机运维护工程师站主画面5 7 图4 4 7 机运维护工程师站监控画面5 7 图4 4 8 操作站状态监视画面。5 8 i x 基于集散控制系统的涂装车间生产监控系统的研究 图4 4 9 设备维护工程师站主画面5 9 图4 5 0 工艺联锁信号监控画面5 9 图4 5 1 工艺参数设定监控页面：5 9 图5 1 涂装车间一月份故障停线率6 3 x 工程硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的背景及意义 随着人们生活水平的不断提高，家用轿车已经从往日的“旧时王谢堂前燕，飞 入寻常百姓家”了，中国现在不仅是世界汽车生产大国，也逐渐成为世界汽车消费 大国。然而每个人都会对自己的汽车有独特的要求，意味着不光汽车产量大增， 汽车的品种也千差万别。作为汽车生产企业，不可能每种车型都安排一条生产线， 因此多种不同车型的混线柔性生产的需求成为各家汽车生产企业生产管理革新的 方向。 传统的涂装车间制造过程管理，各种生产数据通过大量的模拟信号集中到一 个中控室的面板上，配有专人值班，并采用人工收集信息的方式进行信息记录分 析和归档。这种方式存在监控体系不健全，监控数据时效性差，过程统计技术应 用不够，质量监督和质量责任追究不力，现场响应不及时，以及生产计划决策滞 后等问题【l 】。这些问题给车间的生产安排、生产质量和生产柔性造成了很大的影响。 先进制造业的发展方向，在市场需求不断变化的驱动下，生产规模沿着“小批量 少品种大批量多品种变批量”的方向发展；在科技高速发展的推动下，制造业的资 源配置沿着“劳动密集设备密集信息密集知识密集”的方向发展；与之相适应， 制造技术的生产方式沿着“手工机械化单机自动化- 冈0 性流水自动化柔性自动化 智能自动化”的方向发展1 2 j 。 随着社会生产力水平的不断提高，传统的控制方法已经不能满足生产工艺对 运动控制的精度要求，也不能满足日趋规范和复杂的生产管理体系对大量现场生 产信息的及时掌控。现在生产过程控制产生两种趋势，第一是现场有越来越多的 信息需要往上送，第二是计算机通信技术越来越向下延伸。现代计算机通信技术 有能力延伸到现场，现场总线技术中也会不断地融入计算机通信技术，计算机网 络结构正在向扁平化方向发展。d e v i c e n e t 现场总线技术打破了传统控制系统一对 一的结构形式，采用智能现场设备，能够把控制模块、各输入输出模块置于现场 设备中，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送价表可以与阀门等执行机 构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制的计算机或控制仪表，直接 在现场完成，实现了彻底的分散控制。同时现场总线为开放式互连网络，它既可 与同层网络互连，也可与不同层网络互连，还可以实现网络数据库的共享。 d e v i c e n e t 现场总线具有系统的开放性、互操作性与互用性、现场设备的智能化与 功能自治性、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性的技术特点和节省硬 基于集散控制系统的涂装车间生产监控系统的研究 件数量与投资、节省安装费用、节约维护开销、用户具有高度的系统集成自主权、 提高了系统准确性与可靠性的优点，对于多电机协调控制是一种很好的控制方案。 如今，现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研 究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提 出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统的应用。 同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格的 发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。现场总线要实现现场通信网 络与控制系统的集成，其本质即要实现在现场通信网络、现场设备互连、互操作 性、分散功能块、通信线供电、开放式互连网络等功能，这也为工厂生产的全面 自动化和远程控制奠定了基础。 在工业控制技术的不断发展和应用过程中，便携式计算机( 包括工控机) 相 比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：便携式计算机技 术保持了较快的发展速度，各种相关技术已日臻成熟；由计算机构建的工业控制 系统具有相对较低的拥有成本；便携式计算机的软件资源和硬件资源丰富，软件 之间的互操作性强；基于电脑的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术 方面的支持【3j 。 基于此，论文研究的意义就在于，将现场总线技术和p c 计算机技术的发展成 果，集成应用到涂装车间日常生产过程控制之中，通过网络技术实现异地计算机 监控本地设备的运行状态，并及时地调整设备电机的动作，收集设备运行信息。 涂装车间生产管理人员通过车间安装的局域网，在i n t e r n e t 上采用监控方式，执行 一套基于w e b 的生产监控系统，对车间生产实施远程监控。在该监控方式下，远 程的w e b 用户发出控制指令和设置参数给本地的被控制系统，本地的被控制系统 执行该指令，并将执行情况返回给w e b 用户。客户端只需安装通用的w e b 浏览器， 用户在客户端通过w e b 浏览器，向伺服系统的w e b 服务器提出控制请求。w e b 服 务器对用户进行身份验证，并根据用户的请求，执行相应c g i ( c o m m o ng a t e w a y i n t e r f a c e ) 或a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ) 扩展程序与动态生产管理系统的控制计算 机通信，控制系统执行命令，并把运行过程和结果提交给w e b 服务器。w e b 服务 器利用h t t p 协议把运行结果通过主页形式返回给客户端。控制计算机还把运行 过程中的数据和结果存入w e b 服务器的实时数据库，以便用户查询。w e b 服务器 和用于控制数字伺服系统工业的控制计算机可以是同一台计算机，也可以分开。 出于安全和速度的考虑，我们把w e b 服务器和控制计算机分开，他们之间通过高 速局域网相连，这样把控制计算机和i n t e r n e t 隔开，并可以安装防火墙，有效提高 系统的安全性。 工程硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 涂装车间生产监控系统的发展，从无到有，从手工的记录，到大量运用计算 机和p l c 技术进行自动跟踪监控记录，是和涂装行业的自身发展密不可分的。目 前国内外大型的汽车企业，基本实现了生产设备的智能化、网络化。随着先进的 制造技术的不断发展，计算机和p l c 软硬件技术的自动化技术发展到了一个新的 水平，并显现出了强劲的生命力和应用前景，基于网络技术的自动控制技术使得 生产过程中的动态信息收集越来越方便和密集，再配合各种用于日常车间管理的 信息系统软件，基本实现了生产规模的多品种变批量和生产方式的柔性自动化。 在自动化制造系统的运行中，为了保证自动化制造系统可靠正常运行及其加工质 量，需要对加工过程和系统运行状态进行检测与监控。自动化制造系统中的检测 与监控就是采用检测与监控系统通过传感和分析处理相关信息，从而对自动化制 造系统的系统运行状态和加工过程进行检测与控制。其根本目的就是要主动控制 加工质量，防止产生废品，减少废品率，减少生产线非正常的停线时间，提高机 械加工生产率，提高加工过程的安全性，优化配置制造资源，延长设备的使用寿 命。制造企业网络化的构建，不仅提高了生产效率，简化了管理流程，也节省了 生产成本。通过设备网络，生产车间的各种设备形成了统一管理；通过车间网络 与设备网络的对接，实现了基于集散控制技术的设备远程监控与管理。网络就像 上人体的神经系统，将生产设备和管理人员串联起来，为实现生产的柔性化、智 能化和精益化提供了方便。 1 2 1 集散控制系统在国外的发展过程 上世纪7 0 年代初，美国、日本和欧洲等发达国家开始研制和开发集散型控制 系统，先后研制成t d c - - 2 0 0 0 、c e n t u m 、t o s d i c 、m i c r e x 等应用系统。按 技术特征其发展过程可划分为三个阶段【4 】： ( 1 ) 7 0 年代中末期开发期 这阶段比较著名的有美国h o n e y w e l l 公司的t d c 一2 0 0 0 ；f o x b o r o 公司的 s p e c t r u m 、b a i l e y 公司的n e t w o r k 9 0 ；日本y o k o g a w a 公司的c e n t u m ；t o s h i b a 公司的t o s d i c ；德国s i e m e n s 公司的t e l e p e r mm ；h a r t m a n & b r a u m 公司的 c o n t r o n i cp 等。这一时期的产品受集成电路发展的制约，在技术上有明显的局 限性，其微处理器多采用8 位c p u 。 ( 2 ) 8 0 年代初中期发展期 8 0 年代随着微处理器运算能力的增强，超大规模集成电路集成度的提高和成 本的不断下降，过程控制的发展出现新的面貌，使过去难以想象的功能付诸实现。 集散控制系统的第二代产品在原来的基础上，可靠性进一步提高，功能进一步扩 展，出现了多功能过程控制站、增强型操作站、增加了光纤通讯技术。代表产品 基于集散控制系统的涂装车间生产监控系统的研究 有美国h o n e y w e l l 公司的t d c 一3 0 0 0 ；l e a d s & n o r t h r u p 公司的m a x - - 1 ；t a y l o r 公司的m o d 3 0 0 ；w e s t i n gh o u s e 公司的w d p f ；日本y o k o g a w a 公司的 c e n t u ma 、b 、c 等。这一代产品的特点是采用1 6 位c p u ，标准化和模块化设计， 扩充灵活，功能完善，用户界面友好。 ， ( 3 ) 8 0 年代末期一成熟期 集散控制系统第三代产品，把过程控制、监督控制、管理调度有机地结合起 来，加强了断续控制功能，采用专家系统、m a p 通信标准。其代表产品有美国 h o n e y w e l l 公司的t d c 30 0 0 l c n ；f o x b o r o 公司的i a s e r i e s ；b a i l e y 公司的 i n f i 一9 0 ；w e s t i n g h o u s e 公司的w d p f i i ；日本y o k o g a w a 公司的c e n t u m x l 等。这一代产品的特点是采用3 2 位c p u 和专用集成电路，使控制功能更强、 体积更小、可靠性更高，其通信系统实现了开放式通信。 1 2 2 集散控制系统在中国的发展和应用 集散控制系统作为新一代的工业自动化过程控制和管理设备系统，经过二十 多年的发展和改进，如今已在石化、冶金、电力、汽车等工业领域得到了广泛的 应用。我国从八十年代初期开始引进集散控制系统技术和设备，开始集散控制系 统在我国工业自动化控制领域的应用。 石油化工行业目前新建的大中型石化设备均采用集散控制系统，石化企业的 第一套集散控制系统是1 9 8 2 年上海高桥石化公司炼油厂引进的美国f o x b o r o 公司 的s p e c t r u m 系统，用于常减压装置生产控制。 在冶金行业，集散控制系统的应用集中在宝钢的新建企业和首钢、鞍钢、武 钢、重钢、马钢等扩建的分厂。冶金系统的第一套集散控制系统是首钢公司购进 的美国b a i l e y 公司的n e t w o r k 9 0 系统，用于其烧结厂自动控制系统。 电力系统的第一套集散控制系统是1 9 8 5 年辽宁朝阳电厂采用的瑞士b b c 公 司的p r o c o n t r o l - - p 系统，用于改造2 0 0 m w 机组的顺序控制系统和燃烧器管理系 统。目前集散系统在火电厂的应用泛围主要包括：模拟量控制、数据采集和处理、 锅炉炉膛安全监控、顺序控制、汽轮机数字电液控制等五方面。 与此同时，在八十年代末期至九十年代初期，国家组织了精悍的科研力量联 合攻关，相继研制出我国自己的集散型控制系统。这一时期涌现出的代表产品有 d j k 一7 5 0 0 ( 重庆自动化所) ，h s d c s 1 0 0 0 ( 电子部六所) 、s t a r 一2 0 0 0 ( 阿 继电器股份有限公司) 、d c s 1 0 0 ( 清华大学自动化系) 、d j k - - 2 0 0 0 ( 上海自动 化所) 、友力一2 0 0 0 ( 石化总公司、航天部二院) 等。阿继电器股份有限公司研 制的s t a r 2 0 0 0 集散控制系统，1 9 8 9 年自第一套应用系统( 电站锅炉灭火保护 m h b i h b ) 在河南新乡电厂投运以来，相继在哈尔滨第三发电厂2 0 0 m w 机组 的模拟调节系统、石家庄阳逻3 0 0 m w 机组的灭火保护系统等数十个电厂的生产过 4 工程硕士学位论文 程控制中得到应用。在此基础上，其第二代产品s t a r 一3 0 0 0 近年来在工业领域得 到了更广泛的应用，在技术上更是得到了长足发展。 1 2 3 集散型控制系统今后的发展方向 集散型控制系统的发展方向是基本调节器向少回路或单回路方向发展；基本 调节器除了p i d 和其他算法外，还将逐步采用更为有效的新的算法，使之具有新 的功能( 如增益自适应功能) ；采用光导纤维代替高速数据通道，并统一通讯规 程；力求灵活地运用现代控制理论，以得到更为通用的控制算法。 随着半导体集成技术、数据存储和压缩技术、网络通信技术的发展，集散控 制系统也正在向着新的方向发展：一方面向上发展，将向着c i m s 计算机集成制 造系统和c i p s 计算机集成过程系统方向发展；另一方面向下发展，将向着f c s 现场总线控制系统方向发展。 ( 1 ) 信息化集成发展方向在第四代集散控制系统中，全厂的信息集成和 管理已经提到了一定的高度。集散控制系统的功能已不再只局限于生产过程的控 制，整个工厂、集团公司的管理工作也将在d c s 系统中得到应有的位置。在今后 的集散控制系统发展中，向c i m s 、c i p s 方向发展已经成为趋势。 ( 2 ) 现场总线控制系统的优点现场总线的应用，使集散控制系统以全数字 化的崭新面貌出现在工业生产过程控制领域中。现场总线是分散控制的最终体现。 采用现场总线控制优点很多，列举如下： 用户对产品的选择权增至最大。采用现场总线标准的智能仪表不仅具有强 大的功能，而且由于具有可互操作性，使得用户不必为所选仪表能否与原有的仪 表、接口互配而烦恼。 可消除4 n 2 0 m a 模拟仪表通信的瓶颈现象。现场总线是双向的数字通信， 通信时不必进行信号的转换。另外，可以在同一根通信线上进行多个变量的双向 通信，进而消除了4 - 2 0 m a 模拟仪表通信的瓶颈现象。 减低了现场安装费用，减少了响应的设备。采用现场总线标准的智能仪表， 以每2 3 台仪表连接到一根电缆计算，智能仪表与控制室间的电缆连接和安装等 费用可节约6 6 以上。 为用户提供更多的功能。由于采用双向通信，用户可以在控制室通过现场 总线对位于现场的智能仪表进行标定、校验和故障诊断，用户可以得到仪表的更 多信息。另外，由于控制功能下移到变送器或执行器，采样周期大大缩短，控制 质量大大提高。 增强了系统的自治性。采用现场总线标准仪表，操作人员可以在控制室里 对生产过程进行监视、操作和控制。原分散过程控制装置的功能在现场总线智能 仪表中即可得以实现。 基于集散控制系统的涂装车间生产监控系统的研究 提高了系统的检测精度。采用数字通信后，信号的传送误差减小，模数和 数模等转换环节减少，使得信号的可靠性提高。 系统组态简单，安装、运行和维修方便。现场总线仪表的组态在控制室内 即可进行，调试也比模拟仪表方便、快捷，强大的自诊断功能也使设备维护变得 十分方便。 现场总线控制系统，即是采用现场总线作为通信系统的控制系统，使控制 得到最终的分散，从而使d c s 系统中原有的操作管理站发挥上位机的功能，执行 对整个系统的优化、信息管理和调度等工作。 现场总线控制系统把控制功能移到了现场，减少了d c s 系统所需的空间， 减少了输入、输出接口，减少了机柜的空间和附属设备。 i 3 本文的主要目的和研究内容 本文的主要目的是探讨在集散控制系统体系下，引入车身自动识别技术( a v i 系统) 和过程监控技术( p m c 系统) ，更好的为涂装车间的柔性化生产提供服务。 论文以一家汽车生产企业的涂装车间生产管理为研究对象，根据涂装车间日 常生产管理的实际需求，结合车间的网络架构、设备控制配置、生产信息的设定 与收集、现场总线、网络和数据库等技术，开发了基于集散控制系统的涂装车间 动态生产监控系统。该系统采用的控制组态软件是罗克韦尔公司研发的c i m p l i c i t y 软件，运行c i m p l i c i t y 的服务器将基于m sw i n d o w s 操作系统。该控制系统将车 间设备网络架构分为现场总线层、中间控制层和系统管理与监视层三个层级：现 场总线层由设备驱动器、电机等i o 模块组成，每台传动设备均以从站的形式接 入现场总线，每个从站都被分配一个唯一的从站i p 地址。现场总线层主要完成现 场数据的采集、传输和完成对交直流驱动器的控制等。中间控制层由p l c 构成， 通过扩展总线，实现与现场层的控制器通信。系统管理与监控层通过与p l c 通信 来获取生产过程的数据，显示工艺流程、历史曲线、实时曲线、报警画面、生成 数据库等，实现远程监控和决策。同时完成数据处理的任务，自动生成各种报表 并打印输出，为管理人员了解总体生产状况，调整生产计划提供帮助。 该系统是一款面向车间管理层的先进而高性价比的上位机控制管理系统，采 用集散控制系统控制原理，实现分散控制，集中信息管理，对汽车表面涂装的几 个主要的工艺步骤实行了生产动态数据监控，提供给管理者设备的状态信息和报 警信息，达到提高设备及过程正常运行率，快速检测设备及产品问题，第一时间 提醒负责人，提供问题的历史记录和事后分析，同时生成各种形式报表以满足生 产及维修的要求，为企业寻求快速的低成本高效率的车间监控系统解决方案提供 可以实施的依据和支持平台。 本文的研究内容主要包括集散控制系统的控制原理及在涂装车间的实际布 6 工程硕士学位论文 置、现场总线运动控制系统中的d e v i c e n e t 总线控制原理、a v i 系统介绍、p m c 系统监控画面介绍、c i m p l i c i t y 软件中报警信息的增加与修改等。涂装车间设备控 制系统采用集散控制系统的分散控制、集中监控的原理，按照涂装工艺流程分区 域控制，采用d e v i c n e t 现场总线组建现场控制网络，a v i 系统提供车体信息识别 和生产路由选择，所有的生产信息和设备信息集中到p m c 系统的显示监控画面中， 实现真正的集中监控。 7 基于集散控制系统的涂装车间生产监控系统的研究 第2 章集散控制系统构成 2 1 集散控制系统概述 2 1 1 集散控制系统的背景 现代工业生产过程对控制系统的要求已不仅局限于能自动实现数据采集和控 制功能，还要求工业生产过程能够长期在最佳状态下运行，对于一个规模庞大、 结构复杂、功能综合、因素众多的大型工业系统，需要解决的不仅仅是局部最优 化问题，而是整体的最优化问题，即生产过程综合自动化问题。优化目标不但包 括了产量和质量指标，而且还应有成本、能耗、技术、经济、经营及环境控制等 方面的要求【5 j 。 整体最优化包含动态最优化和静态最优化两个方面，一般来讲，动态最优化 是生产进行过程中的最优化，静态最优化则为生产的规划、组织、决策和管理的 最优化。制定生产计划的目的是合理组织和利用企业的生产资源，并取得最好的 经济效益，实现企业的经营目标1 。对于一个庞大而复杂的制造系统，直接进行多 目标的最优化控制是极其困难的，信息交互量太大容易造成信号传递的堵塞、丢 失、滞后等，硬件投入上也会非常昂贵。为实现大型工程系统的最优化控制，在 大系统理论中引入“分解”和“协调”概念。所谓分解就是在设计过程中，对高阶系统 进行分解，将其分解为若干个低价的相关小系统，这些小系统相互独立，相互间 的耦合关系应减至最小，以便使用一般最优化控制理论设计局部控制器，分布控 制各个小系统目标对象，达到小系统控制的最优化，进而达到整个大系统的相对 最优化控制。所谓协调是在局部最优化基础上考虑各个小系统之间的相互影响和 相互耦合作用，设计协调控制器，使局部控制器协调起来，达到整个系统的最优 化。对于复杂的工业过程，由于子系统数量多，总目标系统非常复杂，所以对这 种复杂系统的子系统之间的协调显得更为重要。 基于分解和协调的控制概念而产生了一类新型控制系统，这类系统具有分散 控制、集中信息管理的特点，我们称之为集散控制系统( 又称分布式控制系统) 。 根据当前发展的状况，集散控制系统的本质是利用计算机技术对生产过程进行集 中监视、操作、管理和分散控制，它是计算机技术、信息处理技术、测量控制技 术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、相互渗透的产物。 2 1 2 集散控制系统的特点 集散控制系统采用标准化、模块化和系列化设计，它是由过程控制级、控制 工程硕士学位论文 管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示、操作、管理， 控制相对分散的多级计算机网络控制系统。主要特点有： l 、自主性系统内各工作单元( 或工作站) 是通过网络链接起来，各工作 单元独立自主地完成各自规定的任务。 2 、协调性系统内各工作站通过通信网络传递各种信息，实现整个系统的 信息共享，在信息共享的基础上，根据系统的特性对各工作站进行协调控制，从 而完成控制系统的总体功能和优化控制。 3 、友好性集散控制系统的人机接口和软件面向工业控制技术人员、工艺 技术人员和生产操作人员设计，系统操作灵活、维护方便、了解生产状况直观。 4 、适应性、灵活性和可扩充性集散控制系统的硬件和软件采用开放式、 标准化和模块化设计，系统为积木式结构，通过组态方式来配置系统，可以适应 不同类型和不同规模的工业过程的控制。 5 、在线性集散控制系统通过i o 接口或人机接口，对被控过程进行数据 的采集、分析、记录、监视、操作控制，可以在线修改系统的结构和组成，并进 行局部故障的在线维护。 。 6 、可靠性集散控制系统采用了容错设计、冗余设计技术以及一系列抗干 扰措施，系统具有故障自诊断功能，使集散控制系统的可靠性得