（机械电子工程专业论文）纺丝机电锭计算机监控系统的设计与开发.pdf

摘要 摘要 纺丝机是生产化纤长丝的关键设备。近年来，随着科学技术的进步，化纤 生产设备正朝着自动化、集成化的方向发展。实现大型化纤工业设备运行状态 的在线监控、故障预测和故障诊断也将成为趋势。 化纤行业拥有大量纺丝机，属于设备密集型企业。因此，化纤企业生产的 保证和利润的提高，很大程度上取决于化纤生产设备的良好运转。本课题以电 子科技大学与绵阳经济技术开发区的合作项目( 纺丝机电锭计算机控制系统) 为背景。以化纤工业中的关键设备纺丝机电锭为控制对象，提出并设计了 一种适用于大型化纤工业现场的纺丝机电锭计算机监控系统。 本文主要基于纺丝机电锭监控过程中会产生大量过程监控数据这一固有特 点，并针对由此而导致的数据传输率降低、存储量过大、存储效率不高这一实 际问题，从这个角度出发，较为详细地阐述了如何有效地实现该系统中海量数 据的实时传输和快速存储。 在系统的体系结构设计中，结合现场实际情况，按照现代工业控制思想， 采用了“数据分散采集，集中处理 的分布式体系结构，系统分两层控制，包 括以单片机为主的下层分散式现场数据采集系统和以工控机为主的上层集中控 制系统。通过对当前比较流行的几种计算机总线的性能进行详细比较，最后选 定p c i 总线为系统的数据通信总线，并设计开发了基于p c i 总线的高速数据通 信卡。这些措施的使用，都较为有效地解决了在数据传输过程中，由于数据过 多而引起的数据拥堵和数据传输率较低的问题。 此外，随着企业对工业过程安全高效生产的要求提高，在监控过程中产生 的过程数据量越来越多，在本系统中，还设计了一种过程数据压缩算法。通过 这种过程数据压缩后，使提取的数据子集能在精度范围内重建原始数据的曲线 特征的基础上，剔除了监控过程中产生的大量冗余信息，从而减少了数据的存 储量和传输量，也为设备的故障预测和故障诊断提供了重要依据。 本设计通过采用上述的硬件和软件方面的措施，较好地满足了监控系统的 实时性要求，对提高化纤工业的生产效率和化纤生产设备维护的针对性有现实 意义。 关键词：纺丝机电锭，监控系统，海量数据，p c i 总线，数据压缩 i a b s t r a c t a b s t r a c t t h es p i n m n gm a c m n ei sak e yk i n do fe q u i p m e n ti i lc h 锄i c a lj f i b e rs i l k m a n u f a c t u d n g a sm es c i e n c ea i l dt e e t l i l o l o g yp r o 留e s s e s ， s p i i l 】 1 i n g sp r o d u c t i o n e q u i p m e n t st e i l dt ob el a r g e ，a u t o m a t e da i l di n t e 斟a t i o n h o w e v e r ，m er e a l i z a t i o no fm e l a r g ee q u i p m e n t s o n - l i i l ef a i h ep r e d i c t i o na 1 1 df a u l td i a 印o s i sh a v ep l a ya ni i n p o r t a n t r o l ei i ls e i n gm ee q u i p m e i l t sf o rt h e i rs t a b l e ，1 0 n g - t i m ea 1 1 ds a f em ：1 1 1 1 i n g c h e l i l i c a lf i b e re n t e 印r i s e sa r eo fd e n s i 够i np r o d l l c t i o nu n i t sb e c a u s eo fo w i l i n g b u l ks p i l l i n gm a c h i n e s g u a r a l l t i n go fp r o d u c t i o na n di n c r e a s i n go fp r o f i t ， t oal a 略e e x t e n t ，d 印e n d so ng o o dm 衄i n go fe q u i p m e n t s a sm eb a c k 黟o u n do fj o i n tp r o j e c t b e t w e e nu e s t ca n dm i a n y n ge c o n o i l l i c t e c l m o l o 百c a ld e v e l o p m e n t 心e a ，m e r e s e a r c ha i m sa tc o i l s t n l c t i o no fad i s t r i b u t e d c o r 叩u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m f o r s p i n m n 分m a c l l i n e ss p i n d l e si naw o r k s h o p ，w h i c hr e a l i z e sr e a l t i m ed a t ac o l l e c t i n ga n d l l i 曲一s p e e dt r a n s m i s s i o nt oc a n 了o u tr e a l t i m em o n i t o ra n dc o 肋r o lo fs p i n d l eu i l i t s 7 r os o l v ea p r o b l e mo fl o wd a t a 仃a i l s m i s s i b i l i t yw h i c hi sp r o v o k e db yb u l kd a t aa 1 1 d n o d a lp o i n t s ，m ep 印e rf o c u so na p p r o a c hb ym e a n so fh a r d w a r ea i l ds o f t w a r e h l 1 i sp a p ad i s t r i b u t e dm o l l i t o r i n gs y s t e mw i mt h ef e 加盯e so fd i s c r e t ed a t a c o l l e c t i o na 1 1 dc e l l t r a l i z e dd a t ap r o c e s s i n gi sp r o p o s e d 孤dd e v e l o p e d i p cw o r k sa sa l l u p p e rd e c kc o m p u t e ra n dm 龇眵s i n 舀ec h i pp r o c e s s o r ss e e a l sb o t t o mc o n t r o l l e r s w h i c hc 0 1 l e c ts p i n d l e 砌td a t aa n dr e a l i z er e a l - t i m em o n i t o lc o m p a r i s o no ff a s h i o n a b l e c 0 m p u t e rb u s e s ，m es y s t e mh a sc h o s e np c ib u sa sd a t ac o m m u l l i c a t i o nb u si 1 1o r d e rt o s e t t l et 1 1 ep r o b l 锄o f1 0 wd a t a 纽m s m i s s i b i l i 何 h 1a d d i t i o n ，嬲w el ( 1 1 0 w n ，m o r ea 1 1 dm o r ep r o c e s sd a t ah a v eb e e nc r e a t e di n m o i l i t o r i n gp r o c e s s mt 1 1 i ss y s t e m ，am e t l l o do fp r o c e s sd a t ac o m p r e s s i o no nt h eb 嬲i s o fl e a s t s q u a r e sf i th a sb e e i ld e v e l o p e d d a t ac o i 印r e s s i o nc a nc u to u tr e d u n d a n c y i i l f o n n a t i o n ，a n dr e d u c es t o m g ea 1 1 dt r a l l s m i s s i o nc a p a c i t yo fd a t a t h ed e s i g nc a nm e e tw i mr e a l 一t i m er e q 【u i r 翎砖n to ft h em o n i t o d n gs y s t e i l l i ti sa l s o i i i l p o r t 觚to fi l l l p r 0 v i n gt h ee m c i e l l c yo f b o mp r o d u c t i o na i l de q u i p m e i l tm a i n t e l l a l l c e k e y w o r d s ：s p i l l i l i n 争m a c h i i l e ss p i n d l e s ，m o n i t o r i l 培s y s t 锄，b u l kd a t a ，p c ib u s ，d a t a c o m p r e s s i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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 说明并表示谢意。 签名：粕易日期：2 刃多年弓月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 扔幺 导师签名：俐 日期：缈6 年；月2 7 日 第一章引言 第一章引言 1 1 化纤工业设备状态监控的意义 化纤工业属于设备密集型企业，生产环境恶劣：温度高、湿度大、电磁干 扰强、腐蚀性强。化纤工业设备的运行状态监测控制与故障诊断技术是保证大 型机组安全运行，防止严重的恶性事故发生的有效手段。它可以及时发现设备 的运行故障先兆，诊断产生故障的原因，为生产和维修提供决策依据，同时也 避免了定期检修引起的生产停顿。因此，对于大型化纤工业生产现场来说，对 一些关键设备进行实时在线状态监控可以给生产企业带来更大的经济利益。 ( 1 ) 可以避免较为严重的突发事故，或将事故的损害程度降到最小，从而 提高化纤工业设备的安全运行率，增加产值； ( 2 ) 当设备发生故障时，可以从系统提供的数据中尽快找出故障的原因。 在检测中做到心中有数，延长检修周期，缩短维修响应时间和维修时间，提高 检修质量； ( 3 ) 在设备日常运行时，如果在设备严重损坏的前期发现故障的前兆，可 以进行预防性维修，将设备从定期维修发展到预防性维修，可以使备件的储备 量减到最小。 由此可见，应用计算机实时监控分析与自动化技术，实现化纤工业关键设 备的状态监控和故障诊断，以及设备运行状态的集中管理、集中分析，必将极 大地提高设备维修人员的工作效率。化纤工业设备状态监控及故障诊断系统， 无论是在经济上还是技术上，都有积极的现实意义。 1 2 化纤工业设备状态监控技术及国内外研究现状 随着现代化纤工业的飞速发展和生产装置规模的不断扩大，生产技术和工 艺过程日趋复杂，对生产过程中各种信息的集成要求也越来越高，其关键设备 正朝着大功率、高速、重载、高自动化和智能化的方向发展，因此，其结构也 越来越复杂，功能越来越完善，不仅同一设备的不同部分之间相互联系，紧密 耦合，而且不同设备之间也存在着一定的联系，在生产过程中形成一个整体。 电子科技大学硕士学位论文 i n t e m e t 技术的发展使得开展远程状态监控和故障诊断的研究成为当前的趋 势。远程状态监控、预报、诊断技术，是利用网络系统，在异地对远程的现场 设备实施监控、测试，并根据测试数据进行故障的预报和诊断的技术。远程状 态监控、故障预测和诊断是涉及到远程数据采集、计算机网络、信息集成、智 能诊断系统等多门学科的综合性技术。 1 2 1 国外研究现状 化纤行业是个高污染、高能耗的行业，发达国家早已放弃了化纤原料的 生产，目前，这行业主要集中在发展中国家，包括中国。因此，在国外，关 于计算机监控与故障诊断系统的研究，主要是针对一些其他行业的生产设备。 例如：德国s i e m e n s 公司研制了一种用于检测汽轮发电机组运行的诊断系统， 系统采用模块化的形式，可对振动参数、轴承、热力参数和电参数进行连续监 测并能对各种故障进行诊断；m a z a k ，f a u n c ，s i m e n s 等国外的大部分著 名公司都在其c n c 数控系统产品中集成了远程诊断功能；澳大利亚联邦科技与 工业组织与f a r l a y 切割机床公司合作实现了c n c 平板切割机床的远程操作 员支持、维护和诊断。但是，关于化纤行业生产设备的计算机监控和故障诊 断研究很少，当然，对纺丝机电锭的计算机监控就更少了。 1 2 2 国内研究现状 中国现在已经成为粘胶长丝的主要生产大国，纺丝机是生产化纤长丝的关 键设备。3 0 多年以来，中国化纤生产设备逐步从零部件到“嫁接”现在己基本 实现全部国产化【2 】。目前，国内粘胶长丝常规生产方式为半连续中性纺，其主 要设备为r 5 3 5 a ( b ) 型纺丝机，占纺丝机总量的9 0 以上。该机型存在纺速低、 产能低、占地面积大、投资高等缺点。为使这一状况得到改善，实现“产能量 最大、能耗最小、成本最低、质量最好、可靠性最高”的目标，近年来，越来 越多的企业、研究所与大学科研机构开始关注化纤工业设备的改进和智能控制。 如宜宾丝丽雅集团有限公司通过对r 5 3 5 a ( b ) 型纺丝机的改造，实现了一锭多丝 纺丝的目的，改造后的纺丝机效率成倍增长，该技术应用突破了垄断百年的传 统纺丝工艺，以较少的投入实现了生产规模的高速扩张 3 】；中国纺织科学研究 院经过不懈努力，研制成功热牵伸辊、卷绕头关键装置，与国产纺丝机设备配 套以及对进口设备进行改造，降低了化纤企业的投资成本，获得巨大的经济效 2 第一章引言 益【3 】；清华大学与保定天鹅化纤集团合作，成功地开发出了功率因数高，惯量 小，节省电能的新型电锭；河北保定市刘春利设计了一种新的电锭转换的组合 开关，采用了能耗制动原理。这些技术都是从改进现有设备的角度出发，但是， 对于大型化纤工业来说，这还远远不够。实现化纤工业设备的高速化、连续化、 自动化将是今后发展趋势。目前为止，尚未出现专门用于化纤工业设备的监控 系统和故障诊断系统。 1 3 本课题的提出及研究背景 本课题来源于电子科技大学与绵阳经济技术开发区合作的一个科研项目， 即纺丝机电锭计算机控制系统。 本课题旨在将计算机监控技术应用于大型化纤工业现场，以化纤工业中的 关键设备一一纺丝机电锭为监测对象，通过对现代电子技术、计算机技术、 i n t e m e t 技术、自动化控制等技术的综合使用，实现对纺丝机电锭组件的实时故 障诊断和故障预测，在有效地提高化纤工业的生产效率和化纤生产设备维护的 针对性的同时，也使生产企业节约了成本。 根据现场调研发现，化纤行业现在使用的纺丝机电锭制动开关的制动时间 一般是在6 0 s 到9 0 s 之间。而新型纺丝机电锭制动开关，将传统的单机单组机 械开关控制方式上升为车间级多机多组群控方式，一只开关控制三台电机稳定 工作，将制动时间缩减到1 5 s 到3 0 s 之间，降低了制动时间，其能耗和原材料 损耗大大降低，同时也解决了抗干扰问题。老式的电锭开关由于制动时间过长， 使得生产效率得不到提高。按照正常的生产程序，每卷满一个丝锭，就必须关 机一次，取下丝饼后重新开机。在正常工作情况下，一台纺丝机电锭每天启停 在6 次左右。对于一个年销售额为数十亿元的大型化纤厂来说，采用新型电锭 制动开关，生产效率将会有较大提高，然而如果单纯靠缩减制动时间来提高生 产效率毕竟是有限的，同时生产设备的可靠性也难以保证，因此还需要有一个 微机监控系统实时检测每台生产设备，本课题正是基于这点应运而生的。 近年来，电子技术和计算机技术的迅猛发展带动纺机操作日趋实现自动化， 如纺丝机械开关车的程序控制，定期自动加油，利用微机自动收集显示纺机的 各种生产参数和运行情况，包括速度，产量，效率，停台及原因分析等等。针 对本课题的研究内容来说，新型制动专用开关虽然减小了纺丝电锭的制动时间， 在一定程度上提高了生产效率，但是由于厂家具有大量的专用开关，工人难以 3 电子科技大学硕士学位论文 注意到每一个电锭开关此时的工作状态，更难留心到每一个开关的历史工作记 录，开关的故障信息反馈缺乏实时性，这些人为的因素都会对生产造成很大的 影响，此外，车间技术管理人员对整个车间的设备性能也很难有一个准确的衡 量指标，因此，这就需要有一个计算机控制系统实时监控和显示每一只电锭专 用开关的工作状态，根据开关的历史工作记录对专用开关进行可靠性分析，从 而让操作工人对含有故障隐患的开关进行测试；当出现故障时，控制系统自动 报警，对于失效开关进行更换而不致于影响到正常的生产。 该监控系统研制成功后，投入生产中，不但可以减少操作管理人员，减轻 劳动强度，提高劳动生产率，实现纺丝机电锭运行过程的信息化管理，而且可 以消除人为因素对生产造成的影响，提高操作的可靠性和稳定性，保证产品的 质量。此外，该系统不但可以用于控制纺丝机电锭开关，也可在其他同类行业 中推广使用，有较高的使用价值和经济价值。 1 4 研究内容与任务 本文从纺丝机电锭的基本组成和工作原理出发，围绕着监控过程中产生海 量监控数据这一固有特点，分别从硬件和软件的角度来探讨如何解决由海量监 控数据引起的数据传输率和存储率过低这个问题。 在本文中要完成的任务主要有以下几个方面： ( 1 ) 较为详细地分析化纤工业生产环境、纺丝机电锭的基本组成和工作原 理、监控系统要实现的一些主要功能，并由此构建该监控系统总体体系结构； ( 2 ) 通过对当今比较流行的几种计算机总线进行比较，选择适用于本系统 的计算机总线，即p c i 总线； ( 3 ) 设计并开发基于p c i 总线的数据通信卡； ( 4 ) 完成p c i 设备的驱动程序设计； ( 5 ) 通过对本系统中的过程数据采用压缩处理方法的必要性分析后，设计 符合本系统过程数据结构特征的压缩算法，并用m a t l a b 软件实现压缩效果仿真； ( 6 ) 对本文的设计方案做出总结，并对该课题做出展望。 4 第二章监控系统总体方案设计 第二章监控系统总体方案设计 本章将从课题背景、化纤行业生产环境以及化纤工业过程控制的一些固有 特点入手，对该监控系统进行详细地描述，并完成系统总体方案的设计工作。 2 1 监控系统研究目的 近年来，随着化纤工业生产工艺的复杂化和多样化，纺丝机的运行数据信 息的重要性日益明显。化纤工业设备的各种数据信息经过分析处理后有机地结 合，可以为建立完整的设备安全运行、维护管理体系、降低维护成本提供基础。 因此，在该监控系统的设计中，监控系统采集与纺丝机电锭组件有关的所 有工作数据，开展对纺丝机运行过程中所有数据信息的综合采集、存储、实时 传输、实时处理及对这些数据信息的综合利用与管理技术的研究。在设备运行 过程中，监控系统的目的是实时采集、传输、处理、存储和记录运行数据，用 以监视电锭组件的运行状态及使用情况。此外，监控系统可以将存储的全部数 据信息进行分析，以便对设备运行状况有较为明确的了解。 纺丝机电锭计算机监控系统的研究，对于建立完整的设备安全和设备维护 监控体系、动态监控设备运行状态、提高设备维修的针对性等有重要现实意义： ( 1 ) 将生产现场分散的纺丝机电锭有机地结合起来，由现有的单机单组控 制方式上升为车间级多机多组群控方式； ( 2 ) 实时采集纺丝机电锭组件的运行数据，并通过对这些数据的分析处理， 实现纺丝机电锭的故障预测和故障诊断； ( 3 ) 为化纤企业的指挥和调度管理部门提供纺丝机电锭的安全性评估和更 合理使用设备的计划信息； ( 4 ) 为纺丝机电锭的设计制造部门提供有效的设备改进、改型设计的数据 信息。 2 2 监控系统分析 本项目是用于大型化纤工业生产现场的计算机监控系统，通过对纺丝机电 5 电子科技大学硕士学位论文 锭工作状态的远程控制和实时监测，满足用户对整条生产线上电锭的集中管理 和监控的需求。该监控系统不但要实现远程监控的功能，还要充分考虑到实际 的工业生产环境，提高整个系统的稳定性，实时性，可靠性，集成性和开放性， 以及在数据传输和数据处理速度上获得较大的提高。 2 2 1 纺丝机电锭的基本组成及工作原理 纺丝机是生产粘胶长丝的关键设备，而粘胶长丝又是纺织辅料的重要原料。 我国现有许多生产粘胶长丝的大型化纤企业，例如宜宾丝丽雅集团、保定天鹅 化纤集团有限公司、吉林化纤厂、石家庄化纤有限公司、山东潍坊巨龙化纤有 限公司等等都是拥有数万锭纺丝机电锭的大型化纤企业。 在化纤企业车间里，纺丝机是密排的，电锭是每台纺丝机的核心组件。该 课题中研究的纺丝机为r 5 3 5 a ( b ) 型，一台纺丝机有1 8 0 台电锭，分为1 5 个工 作区，每个工作区1 2 个电锭，而每3 个电锭为一组。 2 2 1 1 电锭的基本组成 纺丝过程是一个多机台、多工序的长流程，包括原料选配、开松、梳理、 并合、牵伸、加捻、卷绕等环节，其中任何一个环节都直接影响产品的最终质 量。化纤长丝在纺丝成型以后，经过卷绕机的卷取机构回转运动和导丝机购往 复运动的组合，以某种卷绕速度卷绕成为具有一定容量的圆柱形卷装。纺丝机 电锭，正是实现长丝卷装的关键设备。一台纺丝机电锭通常由丝饼转杯、异步 电机、电锭制动控制器三部分组成。纺丝机电锭组件见图2 1 【4 】。 图2 1 纺丝机电锭组件 2 2 1 2 电锭的工作原理 当电锭制动控制器开启时，电机开始旋转，电机转速在短时间内由零转速 6 第二章监控系统总体方案设计 上升到额定转速。当转杯内卷满一个丝饼后，电锭制动控制器进行制动，电机 完全停止转动后，操作工人就可以取下丝饼，开机进行下一次的卷装，这个过 程即为落丝过程。 为了满足纺丝过程中的卷装工艺要求，在卷绕过程中，卷取机构的回转运 动通常是由摩擦传动或锭轴传动方式来实现的。传统的摩擦传动方式是一种通 过摩擦辊带动转杯回转来卷绕化纤长丝丝条的简易方法，它的机械结构比较简 单，适用于卷绕速度不高的场合。锭轴传动相对于摩擦传动来说，结构稍微复 杂一些。锭轴传动中，异步电机直接驱动锭轴，锭轴又带动丝饼转杯高速旋转， 从而将通过导丝机构的长丝卷装成形【5 】【6 1 。这两种传动方式的基本工作原理分别 见图2 2 ( a ) 、2 2 ( b ) 。 图2 2 ( a ) 摩擦传动基本工作原理 图2 - 2 ( b ) 锭轴传动基本工作原理 由图2 2 ( a ) 、( b ) 可以看出，这两种传动方式的最大不同就在于，摩擦传动 是电机通过摩擦辊间接驱动转杯，而锭轴传动是由电机直接驱动转杯进行回转 运动。近年来，随着大型化纤高速卷绕机的应用，锭轴传动方式被越来越多地 使用。摩擦传动的工作方式决定了它无法满足高速卷绕的要求。 2 2 1 3 新型电锭制动控制器 本课题中，使用了本项目组自行研制开发的新型电锭制动控制器。由于在 传统的纺丝机落丝过程中，大多采用三相异步电机的反接制动方式。一个开关 控制一个电锭落丝，一台纺丝机有1 8 0 台电锭，分为1 5 个工作区，每个工作区 7 电子科技大学硕士学位论文 1 2 个电锭。电锭制动完全停止的时间为6 0 s 一9 0 s 。这种制动方式存在许多弊端， 例如落丝时间长，不注意及时切断反接制动电源时，丝饼反绕，整个过程中， 废丝多，产量低，工人劳动强度大。新型电锭制动控制器采用能耗制动的方式， 以机电一体化控制的电力电子智能模块组件取代过去的机械制动开关，在不替 换电锭，不提供额外电源，不进行巨大的技术改造经费投入的情况下，完成了 可靠、快速的落丝过程。该电锭制动控制器由原来的一只控制器控制一台电机， 改进为控制三台电机，将制动时间由原来的6 0 s 9 0 s 提高为1 5 s 3 0 s 。图2 3 为 采用新型电锭制动控制器的纺丝机电锭组件。 图2 3 采用新型电锭制动控制器的电锭组件 2 2 2 监控系统功能分析 纺丝机电锭计算机监控系统就是要监控2 2 1 3 所述的电锭组件的运行状 况，其主要功能包括：现场数据的实时采集，电锭组件的实时监测，运行状态 数据的实时分析，实时故障预测和故障诊断，用户对历史数据和实时数据的查 看、打印等。 纺丝机电锭监控的实质：一是利用计算机工业控制的技术实现纺丝机电锭 的智能化；二是利用数据通信技术实现工业现场纺丝机电锭的组网；三是要充 分考虑到现场信号的特点，采用相应的信号处理方式，达到高效、实时、可靠、 精确的目的。 与其他工业现场计算机监控系统相比，本监控系统主要具有以下几个特点： ( 1 ) 采集信号的种类较多：包括电压，电流，电机转速，开关量，时间等 脑 岩手； ( 2 ) 控制节点太多：一只电锭制动控制器即为一个控制节点，在一个生产 车间，往往都有数以万计的制动控制器； ( 3 ) 生产现场环境恶劣：高温度，高湿度，高噪音，灰尘多，电磁干扰性 8 第二章监控系统总体方案设计 强；温度一般在3 0 多度，湿度为9 0 左右。 根据以上分析，该计算机监控系统要达到以下一些要求： ( 1 ) 能实时采集现场所有的纺丝机电锭的数据信息； ( 2 ) 能准确、快速地传输、存储、处理现场数据； ( 3 ) 具有不同权限的用户可以以不同的方式访问； ( 4 ) 有较高的可靠性，系统能在恶劣环境中稳定运行。 2 2 3 监控系统的数据特征分析 在2 2 2 中已经提到，该监控系统所采集的数据具有数据量大和数据种类繁 多的特点，包括了各种不同的运行数据如：电压、电流、转速、开关量、制动 时间等等。监控系统需要采集和存储工业现场所有的运行数据，保证纺丝机电 锭运行数据的完整性。 由于数据信息具有多样性和完整性的特点，因此需要及时地进行大量的数 据通信，如果采用的传输介质带宽不够，易造成网络拥塞和数据记录的不完整， 同时系统对数据的处理还有实时性的要求。 采集信号的格式也很多，有电压、电流等模拟信号，还有频率信号、数字 信号、字符串信号等。由于信号的多样化，在信号格式、范围和精确度上都有 很大的差异。 2 2 4 监控系统的结构特征分析 本监控系统是要实现纺丝机电锭的故障预测和故障诊断，保证纺丝机电锭 长期、安全、高效地运行。而监控过程中实时采集的状态信息数据正是进行故 障预测和故障诊断，以及优化生产的重要依据。因此，确保这些状态数据采集、 传输、处理的实时性和准确性尤其重要。本节将从数据实时采集、存储和处理 的角度来分析纺丝机电锭计算机监控系统的结构特征。 因此将系统划分为集中式控制的系统结构和分布式控制的系统结构两大 类。 2 2 4 1 集中式管理的系统结构 所谓集中式管理，是指采用高速数据传输总线，把物理上分散的各个控制 节点组织成个有机的整体，使各控制节点的数据信息都同时送到数据采集管 理单元进行处理，以对数据信息进行集中存储和统一管理。 o 电子科技大学硕士学位论文 集中式管理的系统结构如图2 4 所示。 高速数据总线 中央处理器 存储单元 图2 4 集中式管理系统结构图 从图2 4 看出，采用集中式管理的这种结构时，监控系统的数据采集管理 单元按照采集频率给所有的控制节点统一发出数据采集命令，从各个节点采集 的数据又通过高速数据传输总线传回监控系统的数据管理单元进行存储。这种 结构的优点是大大节约了系统存储空间，降低了系统的成本，且数据管理和系 统维护简单【7 】【8 1 。 2 2 4 2 基于分布式控制的系统结构 分布式控制的系统结构中的各个节点均有各自独立的处理器和存储器，它 对系统中各个控制节点的数据信息进行分布式的采集存储和管理【9 】。 基于分布式管理的纺丝机电锭计算机监控系统结构如图2 5 所示。 电锭状态信息电锭状态信息 电锭状态信息 图2 5 分布式管理系统结构图 分布式管理结构将总任务分配给各个处理机去做，无中央处理机存在，各 1 0 第二章监控系统总体方案设计 处理机彼此之间在地位上平等，无主次之分，各自自治地进行工作，各个处理 机之间通过网络互联。 分布式管理的系统结构的优点：由于各控制节点单独管理，因此有效地解 决了数据量过大而引起的网络拥堵问题，降低了数据传输中产生的延时，在最 大程度上满足数据采集、存储、处理的实时性要求【7 】例。 2 2 4 3 两种系统结构的比较 集中式控制和分布式控制的系统结构都有各自的优缺点，它们适用于不同 的工业现场，表2 1 对这两种系统结构进行了详细分析和比较。 表2 1 两种系统结构的比较 优点缺点 ( 1 ) 实现较为容易；( 1 ) 硬件更新或增加比较困难； 集 ( 2 ) 集中存储节约了系统的存储空( 2 ) 多机通信时，实时性差，可靠性不 中 间：高； ( 3 ) 实现的成本不高。适用于近距离( 3 ) 系统的容错性差，若数据采集管理 式 且传输速率要求不高的系统。 单元处问题，则整个系统会瘫痪； ( 4 ) 通信距离较长时，易出现信号发送 错的现象。 ( 1 ) 各节点采集算法容易实施，不需( 1 ) 系统实现难度加大： 分 要考虑其他节点；( 2 ) 硬件结构较为复杂： 布 式 ( 2 ) 数据采集和存储的实时性较高；( 3 ) 系统的成本增加； ( 3 ) 高实时性和可靠性；( 4 ) 大量的处理元素降低维修性，逻辑 ( 4 ) 各处理器的负担减小。 支持负担加重。 从表2 1 可以看出，这两种结构各有其优缺点：集中式管理系统结构更适 用于近距离、少量数据的采集和控制。由于纺丝机电锭监控系统要控制化纤工 业生产现场的数万只电锭，给每一个控制节点发送数据采集命令，而一只电锭 制动控制器即为一个控制节点，由于控制节点太多和采集数据量过大，都会导 致发送命令时间延迟，将无法满足监控系统的实时性要求，进而不能实现纺丝 机电锭运行状态的实时监控的功能。而对于分布式管理的系统结构来说，系统 的结构复杂度较高，大量独立的处理器和存储器的使用使得系统的开发成本明 显提高很多，而在日后的使用过程中，每个控制节点都需要不断地进行更新和 维护工作，因此这种分布式的数据存储给数据管理也带来了困难。 综上所述，考虑到纺丝机电锭计算机监控系统的数据传输和存储的实时性 1 1 电子科技大学硕士学位论文 要求，以及系统传输距离远、控制节点多等特点，在本监控系统的结构设计中， 无论采用集中式管理结构还是分布式管理结构都不能很好地满足系统的要求。 因此，必须合理利用两种系统结构形式的优点并结合纺丝机电锭监控系统的特 点来设计。 2 3 监控系统主要性能指标 在该系统中，每一台纺丝机电锭需要采集的数据包括：纺丝机电锭电机的 电压、电流、转速值以及电锭制动控制器的工作状态信号( 包括工作、停止、 制动三种工作状态) ，制动时间，开机次数，停机次数，只有这些状态数据符合 相应各组件的性能指标，纺丝机电锭组件才能正常运行。表2 2 列出了各组件 正常的工作值，这些值都是监控系统进行故障预测和故障诊断的判断标准邮1 。 表2 2 纺丝机电锭组件性能指标 组件名称参考量正常工作值组件性能分析 异步电机电压电流 1 6 0 v 1 2 a 1 电机启动后达到额定转速后，以不 低于6 0 0 0 r p s 的转速高速旋转。 丝饼转杯转速 不低于6 0 0 0 印s 2 电锭制动控制器处于制动状态时， 电锭制动状态伟0 动时间在1 5 s其制动时间在1 5 s 到3 0 s 之间，则视 控制器开关量到3 0 s 之间为工作正常。 2 4 监控系统总体设计方案 纺丝机电锭运行状态监控系统要实现的功能有： ( 1 ) 实时采集纺丝机电锭组件的运行状态数据； ( 2 ) 对采集到的检测数据实现传输、记录、分析和处理； ( 3 ) 分析并处理现场数据，判断纺丝机电锭组件是否正常运行，实现实时 故障预测和故障诊断，并且对紧急状态及时报警。 由于化纤行业生产现场的特殊性，纺丝机电锭并不是集中分布在工业现场 的某一区域，而是广泛地分布在化纤工业生产现场的整个区域。该系统中数据 传输距离介于1 0 0 m 到1 2 0 0 m 之间，系统实时性要求较高。因此，通过2 2 4 的 分析可以看出，无论采用单纯的集中式系统结构还是分布式系统结构，都不能 满足本系统的要求：采用集中式结构实现简单，使系统开发成本大大减小，但 1 2 第二章监控系统总体方案设计 较大的网络延时导致系统实时性差；分布式结构解决了网络延时大的问题，提 高了系统的实时性，但系统管理太复杂，同时开发成本太高。因此，本文的监 控系统分两层来实现，采用集中式管理和分布式管理相结合的体系结构，即以 分布式的数据采集结构为下层，集中式的数据存储、管理、处理为上层的体系 结构。分布式数据采集方法，即每一个需要监控的电锭单元都有单独的传感器 系统和c p u 系统，由c p u 系统控制传感器进行数据采集，当采集到数据后， 由下层采集系统将数据打包送往上层控制系统，上层的集中式数据存储管理系 统有效地对电锭运行状态数据进行管理、分析和处理，并完成故障预测和故障 诊断。 采用了以上的分布式体系结构后，再结合该监控系统的几个主要特点，本 文设计了以下硬件体系结构，图2 ，6 所示为该监控系统的网络拓扑结构 【7 】【8 】【1 1 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】。 图2 6 监控系统拓扑结构 从图2 6 看出，该系统由两层组成，即以i p c 为上位机的上层控制系统和 以单片机为下位机的下层数据采集系统【l0 1 。上位机接收下位机传来的数据，并 进行数据存储、统计、打印以及故障预测和诊断，下位机主要负责实时采集纺 丝机电锭现场工作数据。基于纺丝工业现场的高温、高湿、高噪音、振动冲击 大、电磁干扰强的特点，选用研华i p c 一6 1 0 工控机作为上位机，该机型稳定性 好，性价比较高。m c s 一5 1 系列单片机作为下位机，上位机和下位机之间的高速 数据通信和传输基于p c i 总线来实现。一台工控机控制1 2 5 台单片机，一台单 片机采集两台电锭制动控制器的状态数据，即6 台纺丝机电锭的运行状态数据。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 第三章p c i 总线协议 在第二章指出，为了解决监控系统中大量数据的高速传输与处理的问题， 本系统的上、下层之间的数据通信选用了p c i 总线协议，本章将主要介绍一些 常用的计算机总线，以及p c i 总线与其它总线相比的优势所在。 3 1 计算机总线技术的发展 计算机总线标准先后出现了i s a 、e i s a 、v e s a 、m c a 、p c i 等，而且新的 标准还在不断地涌现。 3 1 1i s a 总线 i s a 总线( i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t l l r e ) 总线是i b m 公司1 9 8 4 年为了推 出p c a t 机而建立的局部总线标准，也被称为a t 总线。i s a 总线是对x t 总线 的扩展，以适应8 1 6 位数据总线的要求，它在8 0 8 6 至8 0 2 8 6 时代应用非常广 泛，数据宽度为8 位或1 6 位，工作频率为8 m h z 。随着i n t e l 8 0 3 8 6 c p u 的面世， 计算机系统内部总线结构发生了质的飞跃，数据总线宽度由1 6 位增加到3 2 位， c p u 处理能力大大增强。但由于i s a 标准的限制，使得强大的c p u 处理能力与 低性能的系统总线间形成了一个瓶颈，制约了计算机性能的提高。因此，逐渐 被其他的总线所取代。 3 1 2e s i a 总线 e i s a ( e n h a j l c e di n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c 觚e ) 总线是1 9 8 8 年由c o m p a q 等九家公司联合推出的总线标准，它在i s a 总线的基础上采用了双层插座，在 原来的i s a 总线的9 8 条信号线的基础上又增加了9 8 条信号线，在使用中，e i s a 总线完全兼容i s a 总线信号，它的速度可以达到3 3 m b 7 s ，速度仍然很低。 3 1 3v e s a 总线 v e s a ( v i d e oe l e c t r o l l i c ss t a n d a r da s s o c i a t i o n ) 总线是l9 9 2 年由6 0 家电子 1 4 第三章p c i 总线协议 产品生产商联合推出的一种局部总线标准，简称为v l ( v e s al o c a lb u s ) 总线， 它的推出为电脑系统总线体系结构的革新奠定了基础。v e s a 总线定义了3 2 位 数据线，而且可以通过扩展增加到6 4 位，工作频率为3 3 m h z ，最大传输率可 以达到1 3 2 m b s ，并可以实现与处理器同步工作。v e s a 总线是一种高速、高 效的总线标准，但v e s a d e 规范性、兼容性和扩展性较差，结构偏简单，无缓 冲器，只能支持3 个外设插接板，而且有时还随所用的c p u 和工作频率而改变， 并且v e s a 只是对c p u 总线的直接扩充，其规范只发挥了i 4 8 6 c p u 的功能，对 于p e n t i 啪并没有充分支持，但对时间关系、负载情况等并没有精确的规定， 实现时差别较大。 3 1 4p c i 总线 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线，即外设部件互联总线，是 现在最为流行的总线标准之一，它是i n t e l 公司于1 9 9 2 年推出的一种局部总线 系统，支持3 3 m h z 的时钟频率，定义了3 2 位数据总线宽度，可扩展到6 4 位【1 5 】。 开放性好、不受处理器的限制、具有广泛的兼容性，是基于新一代处理器的总 线标准。由于p c i 局部总线独立于处理器的独特设计和其高性能、低成本、开 放性等方面的优势，它已成为微型计算机事实上的总线标准，并在嵌入式计算 机和工业控制计算机方面具有广泛的应用前景。 3 2 几种总线性能比较 要评价一个总线的性能好坏，只有通过相应的指标才能做出。一般采用如 下指标来进行评价【1 5 】： ( 1 ) 总线宽度：数据总线数量，用b i t ( 位) 表示，如8 位、1 6 位、3 2 位； ( 2 ) 传输率：每秒钟在总线上传输的最大字节数，用m b s 表示，即每秒多 少兆字节。若总线工作频率为8 m h z ，总线宽度为8 位，则最大传输率为8 m b s ； ( 3 ) 信号线数：表明总线所需信号线数的多少，是地址线a b 、数据线d b 和控制线c b 的总和。信号线数与性能不成正比，但与复杂程度成正比； ( 4 ) 同步方式：总线上的数据与时钟同步工作的总线，称为同步总线，反 之，称为异步总线； ( 5 ) 数据总线地址总线的多路复用和非多路复用：地址线传输地址码，数 据总线传输数据命令。为了提高总线性能，优化设计，采用了地址线和数据线 】5 电子科技大学硕士学位论文 公用一条物理线路，即某一时刻该线路上传输的是地址信号，而另一时刻传输 的是数据信号或总线命令。这种一条总线多种用途的技术，称作多路复用； ( 6 ) 总线控制方式：主要指突发传输、并发工作、中断方式、仲裁方式等： ( 7 ) 负载能力：通常指“可连接的扩增电路板数”或“可连接的扩充电路 板的数量”，尽管大家沿用这一表示方法，其实并不严密，不过它基本上能反映 出总线的负载能力； ( 8 ) 扩充电路板尺寸：表示某一总线扩展电路板的尺寸大小； ( 9 ) 其它指标：如电源电压等级，能否扩展6 4 位宽度等，也是重要参数。 表3 1 简要给出了几种常用总线的性能比较。 表3 1 几种总线性能比较1 5 】 总线类型 p c x ti s av e s ae i s am c a p c i 8 0 2 8 6 、p c a t 、 i b m 系 i b m 公 p 5 个人 适用机型 8 0 8 6 个人 3 8 6 、4 8 6 1 4 8 6 兼容列3 8 6 、司个人机、p o w e r 计算机系列个人个人计算4 8 6 、5 8 6机与工 p c 、a 】p h a 计算机机计算机 作站工作站 最大传 4 m b s1 6m b s1 3 2 m b s3 3m b s4 0m b s1 3 3m b s 输速率 总线宽度 81 63 23 23 23 2 地址宽度2 02 43 23 23 2 6 4 总线工4 m h z 8m h z 3 3 m h z8 3 3l om h zo 3 3 作频率m h zm h z 信号线数 6 29 89 01 4 3 1 0 9 4 9 同步方式 同步 同步 同步异步同步