（机械电子工程专业论文）125mn挤压机上位机系统的研究与开发.pdf

中南人学硕士学位论文 摘要 摘要 监控系统作为企业设备和生产过程检测、控制和调度的有效手 段，随着信息化的发展而被广泛应用。我国挤压机技术水平相对落后， 改造方式主要通过在原有旧设备的基础上应用机电液一体化技术，进 行旧设备改造，实现新机器的功能。 1 2 5 m n 挤压机是目前我国最大的挤压机，是我国国防和基础建设 的关键设备。挤压机现有的控制方式落后、器件老化、控制精度低、 可靠性差，缺少各操作执行机构的检测及控制过程记录。现对其进行 现代化改造，建立良好的人机界面，大大提高了挤压机的工作效率和 精度。本论文的主要工作如下： 1 、论文结合1 2 5 m n 挤压机工艺特点和改造要求，构建了上位机 w i n c c + 主站和从站的2 级p l c 的分布式控制系统，详细介绍了 自动化系统的硬件组态、网络配置和控制功能，实现了挤压机生产的 集中管理和分散控制。 2 、针对1 2 5 m n 挤压机对部分数据通信速率须达到1 0 m s 的苛刻要 求，采用特殊数据通信方式来达到高速通信的目的，突破w i n c e 最大 采样频率5 0 0 m s 。 3 、利用w i n c c 内部集成的关系数据库s q ls e r v e r2 0 0 0 和用户 归档( u s e ra r c h i v e ) ，建立了实时数据库系统，利用高级语言与s q l s e r v e r2 0 0 0 嵌套连接，实现灵活的数据查询和生产管理功能。 4 、利用模块化设计思想，开发了基于w i n c c 组态软件的上位机 监控系统，实现了数据采集、状态监控、智能化控制和生产管理等功 能，提供了良好的人机界面。 关键词监控系统，挤压机，p l c ，w i n c c 组态软件，高速通信 中南人学硕十学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a sa ne f f i c i e n t t e s t i n g ，c o n t r o l l i n g a n dd i s p a t c h i n gm e t h o di n m a n u f a c t u r i n gf a c i l i t i e sa n dt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n ，m o n i t o r i n gs y s t e m i s w i d e l y u s e di n i n d u s t r y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y c h i n e s et e c h n i c a ll e v e lf a l l sb e h i n dt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e si n e x t r u d i n gm a c h i n e s ，a l t e r a t i o nm o d e i sa p p l y i n gm e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a la n d h y d r a u l i ct e c h n o l o g yb a s eo no l dm a c h i n e si nc o m m o na n dr e a l i z et h e n e wf u n c t i o ni no l di n s t r u m e n t s t h e12 5 m ne x t r u d i n gm a c h i n ei st h el a r g e s te x t r u d i n gm a c h i n ei n c h i n aa n di st h ek e yi n s t r u m e n ti nn a t i o n a ld e f e n c ea n db a s i cb u i l d t h e c u r r e n tc o n t r o l l i n gm o d e si n e x t r u d i n g m a c h i n ei se v i d e n tl a g ，t h e c o m p o n e n ta g e s ，t h el o wp r e c i s i o no fc o n t r o l ，t h eb a dd e p e n d a b i l i t y , a n d l a c ke v e r yd e t e c t i o nw h i c ho p e r a t et h ea c t u a t i n gm e c h a n i s ma n dc o n t r o l t h ec o u r s er e c o r d w ec a r r yo nm o d e r n i z e dt r a n s f o r m a t i o nt oi tn o w , s e t u pg o o dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，h a si m p r o v e dw o r k i n ge f f i c i e n c ya n d p r e c i s i o no f t h ee x t r u d i n gm a c h i n eg r e a t l y t h et h e s i sm a i np a r tw o r k sa s f o l l o w s ： 1 c o m b i n i n g t h e t e c h n o l o g i c c h a r a c t e r i s t i ca n da l t e r a t i o n r e q u i r e m e n to f12 5 m ne x t r u d i n gm a c h i n e ，t h ea r t i c l ec o n s t r u c t e dt h e s e c o n dl e v e lp l cd i s t r i b u t i n gm o d e lc o n t r o l s y s t e mw h i c hi n c l u d e e p i g y n o u sm a c h i n eo fw i n c c ，t o u c h i n gs c r e e n ，m a i na n df r a es t a t i o n ， a n d d e t a i l e d l y i n t r o d u c e dt h er o b o t i c i z e d s y s t e m i c h a r d w a r e c o n f i g u r a t i o n ，n e t w o r kc o n f i g u r a t i o na n dc o n t r o lf u n c t i o n ，a c h i e v i n gt h e c o l l e c t e da d m i n i s t r a t i o na n ds e p a r a t e dc o n t r o la b o u tt h ee x t r u d i n g m a c h i n e 2 c o n t r a p o s i n gr i g o r o u sd e m a n dt h a tt h ep a r td a t at r a f f i cs p e e do f 12 5 m ne x t r u d i n gm a c h i n em u s tr e a c h10 m s ，w ea d o p t e dt h es p e c i a ld a t a t r a f f i ct or e a c ht h eh i g hs p e e dp u r p o s e ，a n db r e a c h e dt h em o s tp i g e o n h o l e f r e q u e n c yo fw i n c c5 0 0 m s 3 u s i n gt h ei n t e r i o rc o m p o s i t i v et h er e l a t i o nd a t a - b a s es q ls e r v e r 2 0 0 0a n dc u s t o m e rp i g e o n h o l e ( u s e ra r c h i v e ) ，w ec o n s t i t u t e dr e a lt i m e d a t a b a s es y s t e m a n du s i n ge s t i n gc o n n e c t i o nb e t w e e nt h eh i g hc l a s s l a n g u a g ea n dt h es q ls e r v e r2 0 0 0 ，w ea c h i e v e dt h e f l e x i b l ed a t a 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t q u e r y i n ga n dm a n u f a c t u r em a n a g e r i a lf u n c t i o n 4 b a s i n g o nm o d u l a r i z a t i o n d e s i g ni d e a ，w ee m p o l d e r e d t h e 印l g y n o u sm a c h i n ew a t c h i n gs y s t e mw h i c hi st h ec o m b i n a t i o no ft h e w i n c cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dt h e t o u c h i n gs c r e e n t h i ss y s t e m a c h i e v e dm a n y f u n c t i o n s ，i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i o n ，f e t t l ew a t c h i n g ， i n t e l l i g e n c ec o n t r o la n dp r o d u c em a n a g e m e n ta n ds oo n ，a n do f f e r e d f a v o r a b l em a n m a c h i n ej n t e r f a c e k e yw o r d sm o n i t o r i n gs y s t e m ，e x t r u d i n gm a c h i n e ，p l c ，w i n c c c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，h i g h s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o n i l i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：丝扛年三日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：站年卫月羔日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究意义及研究方向 1 1 1 研究意义 第一章绪论 西南铝加工集团1 2 5 m n 挤压机是我国目前最大吨位挤压机，也是我国五台 大型挤压机之一( 另外四台是：东北轻合金有限责任公司与兰州铝业股份有限公 司西北铝加工分公司各有一台从苏联引进的5 0 m n 水压机，西南铝业( 集团) 有 限责任公司有中国自行设计制造的8 0 m n 挤压机一台，天津柯鲁斯铝业有限公司 有一台从意大利引进的5 0 m n 油压机) ，是我国国防、航空航天、铁路交通等领 域零部件制造的重要装备，对我国国民经济建设和国防建设起着重要作用，其结 构图如图1 1 所示。 由于设备设计和应用的年代比较早，近几年设备在生产过程中，出现一些影 响生产和维护的问题。该设备由沈阳重型设备制造厂制造于1 9 6 7 年，1 9 7 1 年投 入生产，设备运行近4 0 年，其辅助设备、操作及电气控制技术落后，辅助加料 时间长，生产效率低。 电液控制系统属于5 0 年代技术，挤压速度控制落后且无闭环控制，控制精 度低，影响产品质量，且该机润滑系统已全部失效，现采用人工定点定时抹润滑 油的方式进行，达不到内部充分润滑的效果，造成对机件磨损的加剧，影响挤压 中南大学硕士学位论文第一章绪论 中心及各个零件的使用寿命，增加维修时间和维修费用，设备安全性、可靠性偏 低。 因此，拟对1 2 5 m n 挤压机挤压速度控制系统、进料机构系统、挤压垫输送 系统改造、分配器控制系统、润滑系统、电气控制系统改造，另增设挤压中心检 测系统。 1 1 2 研究方向 针对目前1 2 5 m n 挤压机控制方式落后、器件老化、控制精度低、可靠性差、 缺少各操作执行机构的检测及控制过程记录等问题，拟对该挤压机进行现代化改 造，建立交互性强的h m i 界面，实现快速、精确控制。 1 、根据挤压机具体工作情况和分散网络控制的思想，采用基于多主站的复 杂网络分布式三级计算机控制系统，建构了上位机w i n c c 和触摸屏+ 主站和从 站的2 级p l c 的分布式控制系统。 2 、开发一套能对挤压机工作过程进行实时监控的上位机系统，实现快速、 精确控制以提高挤压机的工作效率和加工精度，以及实现智能控制、上位计算机 监控管理、人机友好界面。 3 、对1 2 5 m n 挤压机部分数据采用特殊通信通道进行快速归档，实现特殊数 据的快速通信，突破上位机与p l c 之间的传输瓶颈，最快达到1 0 m s 。 4 、利用w i n c c 内部集成的用户归档( u s e ra r c h i v e ) 和关系数据库s q ls e r v e r 2 0 0 0 ，建立了实时数据库系统，利用高级语言与s q ls e r v e r2 0 0 0 嵌套连接，实 现灵活的数据查询和生产管理功能。 1 2 挤压机的技术现状与发展简史 1 2 1 挤压机发展简史 1 7 9 7 年由英国人s 布朗曼设计的液体铅管挤压机成为了挤压加工生产的开 端。如果从此算起，发展到今天的专业化大型挤压车间、现代化成套的高效挤压 设备，只有二百年多一点的历史。2 0 世纪4 卜5 0 年代，前苏联制造出了8 0 m n 双动铜挤压机和1 2 0 m n 、2 0 0 m n 大型挤压机，均为泵一蓄势站传动。 2 0 世纪6 0 年代初期，油泵直接传动挤压机受到了重视。1 9 6 3 年以后日本 制造的挤压机全部采用了油泵直接传动，但挤压力基本在3 0 m n 以下，而且限于 挤压铝及铝合金的低速挤压机。同期，我国沈阳重型机器制造厂，制造出了国内 第一台1 2 5 m n 卧式双动泵一蓄势器传动挤压机。这个自重近3 0 0 0 t 的挤压机，改 写了我国重型挤压设备制造的历史。也是我国有色金属挤压技术进步的一个重要 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 标志。1 9 7 1 年8 月，德国施劳曼公司为瑞士设计制造的7 2 m n 挤压机投入运行。 同期，日本石川岛播磨重工( i h i ) ，按德国施劳曼设计，制造出了油泵直接传动 的9 5 m n 挤压机，从而，开创了用泵直接传动方式制造大型挤压机的先河。 1 9 9 9 年我国太原重型机械集团有限公司设计、制造出了7 5 1 , t n 直接传动铝挤 压机。该机采用了德国西马克一德马克的液压动力、液压控制及电气控制系统， 引进了德马克( d e m a g ) 计算机控制系统。采用了多项新技术，挤压速度实现了 模拟等温挤压的闭环控制，建设了我国第一条高度自动化的铝及铝合金挤压生产 线。2 0 0 2 年7 月，由西安重型机械研究所设计，上海重型机械集团公司制造的 油泵直接传动、p l c 及计算机控制的i o o m n 挤压机，由山东( 龙口) 丛林集团试 车成功。它不仅显示了我国民办企业经济、技术的实力，也使我国重型机械制造 业步入了国际先进行列的水平。2 0 0 5 年内，由辽宁忠旺集团投资，西安重型机 械研究所设计的油泵直接传动的1 2 5 m n 挤压机，有望在上海重型机械集团公司制 造完成。为我国重型油泵直接传动、计算机控制的挤压机发展史谱写了新的一章。 目前，挤压机的挤压力完全可以达到2 0 0 2 5 0 删，并有设计3 5 0 - 6 0 0 m n 挤压 机的设想，这是随着挤压技术的进步完全有可能对设备提出的要求。只有大型挤 压机才能生产更大宽度、更大截面的轻金属有筋壁板。这是人类航天、航空、宇 宙空间站、造船、铁路车辆、大型客车、磁悬浮列车、城市轻轨车辆等技术的发 展，是对轻体工程材料( 包含轻金属、工程塑料) 提出的必然要求，是人类追求 用低能耗、寻求更高速度的明智选择。 挤压技术、挤压设备近三十年的发展令人瞩目。我国在这一技术领域正在 步入世界先进行列。德国的西马克( s m s ) 、德马克( d e m a g ) ，日本的宇部兴产( u b e ) ， 美国的沙顿( s u ，i ，r o n ) ，法国的克莱西姆( c l e c i m ) 等知名公司；我国的太原重 型机器集团有限公司、沈阳重型机器厂、上海重型机器厂、西安重型机器研究所 等，对金属挤压机的发展和进步都起了重要的推动作用。 我国挤压机制造工业虽然已有了较大发展，但与世界先进水平相比，还有 较大差距。近3 0 年来，世界各国在锻造操作机与锻造液压机联动机组、大型模 锻液压机、挤压液压机等各类液压机方面又有了很多新的发展，自动测量和自动 控制的新技术在液压机上得到了广泛应用，机械化和自动化程度有了很大的提 高。目前我国还有相当一批6 0 7 0 年代制造的水压机在企业中存在，但是已经存 在较多问题，亟待解决幢1 。 1 2 2 国内外挤压机的技术现状 由于挤压机的整机结构方面，已经比较成熟，国外挤压机技术发展主要体现 在电液控制系统方面。相比来讲，国内机型虽品种齐全，但技术含量较低，缺乏 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 技术含量高的机电液一体化高档挤压机型脚。 在电气控制系统方面，挤压机可分为三大类： ( 1 ) 继电器控制控制系统 以继电器为主控元件，这种控制方式是电气控制中发展最早的一种，是延续 了几十年的传统控制方式，电路结构简单、技术要求不高、成本较低、控制功能 简单、适应性不强。其适用于单机工作、加工产品精度要求不高的大批量生产( 如 餐具、厨具产品等) ，也可组成简单的生产线，但由于电路的限制，压机工作稳 定性、柔性差。现在国内许多挤压机厂家是以这种机型为主，使用厂家多为生产 民用产品的企业。国外众多厂家只是保留了对这种机型的生产能力，而主要面向 技术含量高的机型组织生产。 ( 2 ) - 7 编程控制器( p l c ) 控制系统 这种控制方式是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发 展成以微处理器为核心，把自动化技术计算机技术、通讯技术融为一体的新型工 业自动化控制装置。目前已被广泛地应用于各种生产机械以及自动化生产过程 中随着科学技术的发展，可编程控制器的功能更加丰富。早期的可编程控制器 在功能上只能进行简单的逻辑控制。后来一些厂家开始采用微电子处理器作为可 编程控制器的中央处理单元，从而扩大了控制器的功能，使其不仅可以进行逻辑 控制，而且还可以对模拟量进行控制。 ( 3 ) 应用高级微处理机( 或工业控制计算机) 的高性能控制系统 该控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种高科技含量 的控制方式，以工业控制机作为主控单元，可编程控制器( p l c ) 作为现场控制中 心，通过外围接口器件( 如a d 或d a 板等) 或直接应用数字阀实现对液压系统 的控制，同时利用各种传感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确控制的目的 啪。正是因为采用这种先进的控制方式，使整机的控制性能，生产效率都有很大 提高这是目前挤压机成熟、可靠的先进控制方式畸1 。 1 2 3 挤压机的发展趋势 随着工业需要的发展，面对目前激烈的市场竞争，挤压机的使用者大致有两 种方式更新设备嘀1 ： ( 1 ) 购买新的生产设备 或在国内购买，或引进国外先进技术与设备，其优点是设备质量一般都较好， 这种情况下，消化吸收引进的先进技术至关重要，其成本较高，代价较高，有时 还将原有可用设备强作淘汰处理。 r 2 ) i n 设备改造 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 在原有旧设备的基础上应用机电液一体化技术，进行旧设备改造，实现新机 器的功能。这种方式是目前国企老设备更新的主要方式。 目前挤压机技术发展趋势如下乜1 ： 1 、高速化，高效化、低能耗提高液压机的工作效率，降低生产成本。 2 、机电液一体化，系统高度集成，使得液压站的体积大大减小，减少了连 接管路、液压元辅件，有效地防止泄漏和污染，而可靠性又会有相应的提高充 分合理利用机电液先进技术促进整个控制系统的完善。 3 、在安全方面，可利用软件进行故障预诊断，并自动修复故障和显示错误。 易实现生产线的集成控制，组成柔性生产线及于上位机进行通讯和实现调度控 制。 4 、具有良好的维修性，液压元件及电气元件的集成化，标准化为机器的维 修带来方便【丌。 1 3 监控组态软件的现状与发展 1 3 1 监控系统的概况和发展 随着工业企业运行规模的不断扩大，仅仅实现对各种现场设备的控制已不能 满足更高的要求，而对现场设备工作状况的实时反应才具备更多的实际意义，因 此对现场情况的监视控制系统也应运而生。由于企业的现场环境越来越复杂，要 监控的目标更加多样化，致使监控系统的结构越来越分散化。传统的可编程序逻 辑器p l c ( p r o g r a m m i n gl o g i c a lc o n t r 0 1 ) 直接控制现场设备的方式已不能适应 系统拓扑结构的分散化要求，而发展后将p l c 和现场总线技术相结合的应用中 仅依靠p l c 编程来实现对设备的控制也不再适应目前控制系统的要求，因此工 业监控系统开始倾向于使用计算机网络系鲥8 , 9 , 1 0 , 1 1 】。 随着计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术不断更新，监控系统至今 已经历五个发展阶段，逐渐向开放型、智能化的方向发展【1 2 , 1 3 】。 ( 1 ) 集中式监控系统：以单板机为控制装置，与上位机通过串1 3 相连，所有 模块集中在若干个机柜中，这种系统技术比较落后，不符合分布、开放趋势。 ( 2 ) 基于模拟仪表的监控系统：以“集散式控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 为理论基础，采用成熟的模拟仪表，以“传感器、变送器、控制器和 执行机构 为系统模型构成，这类系统开放性不足，系统维护和升级都不便。 ( 3 ) 基于智能仪表的监控系统：一般由监控主机、c p u 模块、i o 模块、智 能仪表、带电执行机构、m o d b u s 网络等组成。 ( 4 ) 基于现场总线的监控系统：现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o l 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 s y s t e m ) j 云用数字通信、计算机、自动控制、网络、智能仪表等先进技术，具有 全分散、开放性、全数字化、智能、双向、互联、多接点、多分支等特点，现场 总线标准有p r o f i b u s ，c a n ，l o n w o r k s ，w o r l d f i p 等。 ( 5 ) 基于计算机网络的监控系统：i o 设备直接连到以太网或连到与以太网兼 容的i o 数据集中器上，保留以太网的物理层及数据链路层协议，应用层使用现 场总线定义的协议。 传统的d c s 由于采用专用网络、专用的控制设备、专用软件，使得系统造 价高，开放性不足，软件维护和升级不便。目前的监控系统以基于现场总线和基 于工业以太网为发展趋势，由于p l c 具有优良的向下分布式i o 能力( 支持远 程i o 以及现场总线网络) 、向上高速连接能力( 支持高速网络) ，因而越来越多 的监控系统是基于p c - 一p l c 结构开发的。 随着用户需求的增加以及其他相关技术的发展，监控技术的应用将会越来越 广泛，其发展方向具有以下特点【1 4 , 1 5 1 ： ( 1 ) 体系结构的扁平化和监控管理一体化 由于微处理器技术的发展，现场信号的处理和控制越来越多地会在底层完 成，从而使得计算机监控系统在体系结构上变得扁平。另外监控系统与生产调度 层、管理层的集成将不再是十分困难的事情，底层的各类数据可以向上传送，在 管理层可以及时地看到现成的各类数据，了解现场的各种情况，生产调度层和管 理层的指令也可以很容易地向下传送，因而提高了管理的效率。 ( 2 ) 大型化及网络化 一个监控系统监控的参量非常多，可以达到数万个甚至数十万个；监控的领 域非常的宽广，面积可达数十平方千米，距离可达上万千米。由于大型化的需求 及计算机网络技术的日渐成熟，基于计算机网络的监控系统越来越多。 ( 3 ) 多媒体技术 多媒体技术正在迅速地从家庭、办公室向计算机监控技术应用的各个领域扩 散。通过应用多媒体技术使操作人员能够获取丰富的现场信号。 ( 4 ) 全球化 坐在办公室里能够轻松地遥控或监测上万千米以外的现场。因特网技术己经 越来越多地应用在计算机监控技术上。当一个人出门在外时，通过手中的便携式 计算机，经过因特网可以监控设备的运行状态。 监控软件随着监控系统的发展其功能同趋强大，在进一步加强对现场各种设 备和信号有效控制的情况下，横向地将其他系统的实用功能归并进来，如集合信 息管理系统( 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 ，m i s ) 的管理功能以提高监控软 件对各种信息、资源、数据的提取、分析、组织、管理的能力；集合图形绘制系 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 统的图形生成功能，以提高监控系统实景再现能力等，以此为用户提供一个完整 的监控系统解决方案。 1 3 2 组态软件的发展趋势 “组态 的概念最早来自英文，其含义“c o n f i g u r a t i o n 是使用软件工 具对计算机及软件的各种资源进行配置包括( 进行对象的定义、制作和编辑，并 设定其状态特征属性参数，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任 务，满足使用者要求的目的。它是伴随着集散型控制系统简称( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 的出现而引入工业控制系统的u 引。 在组态软件赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的， 但制造业的需求是决定性的。制造业的发展，带来了对组态软件需求的提升；也 决定了组态软件将由过去单纯的组态监控功能，向着更高和更广的层面发展。未 来，组态软件的发展将主要表现为如下一些特征n 刀： ( 1 ) 开放性技术 组态软件正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用户 还是硬件供应商都将组态软件作为全厂范围内信息收集和集成的工具，这就要求 组态软件大量采用“标准化技术，女n o p c 、d d e 、a c t i v e x 控件、c o m d c o m 等， 使组态软件演变成软件平台，在软件功能不能满足用户特殊需要时，用户可以根 据自己的需要进行二次开发。组态软件采用标准化技术还便于将局部的功能进行 互连。在全厂范围内，不同厂家的组态软件也可以实现互连。 ( 2 ) 构造全厂信息平台 e r p 是国内炙手可热的话题，但目前的e r p 主要应用在商业企业的财务、销 售、物流等方面。在国内外的企业生产中，还没有多少企业能够将生产信息和e r p 系统整合到一起，使生产效率和市场效益最大化，也就是说在工业现场和e r p 之 间存在着鸿沟，如何使实时历史数据能够进入企业信息管理系统，是现代信息工 厂迫在眉睫的需求。随着大型数据库技术的日益成熟，全球主要的自动化厂商已 发展了相关平台，使组态软件向着生产制造和管理信息系统的方向发展。组态软 件已经成为构造全厂信息平台的承上启下的重要组成部分。在未来企业的信息化 进程中，组态软件将成为中间件，因为组态软件厂商在既了解企业工艺、控制及 生产制造需求，又能完成现场历史数据的记录、存储以及为e r p 提供生产实时数 据方面有着得天独厚的优势。 ( 3 ) 软硬件整体解决方案 现在一种比较成功的商业模式“o n e s t o p s h o p p i n g ，即所谓的“一站式 购买一，在工控行业就是软硬件整体解决方案。s i m e n s e 、g e 、r o c k w e ll 是传统 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的p l c 提供商，但短短几年时问，他们都在h m i 市场获得巨大成功，像西门子的 w i n c c 更是超越众多老牌的产品成为世界第二。w o n d e r w a r e 在1 9 9 8 年被英国 i n v e n s y s 并购，i n t e ll u t i o n 在1 9 9 5 年被爱默生电气并购，这都是软硬件整体 解决方案的最好例证。所以，组态软件厂商与硬件厂商合作，为用户提供软硬件 整体解决方案将是未来组态软件发展的一大特征。 ( 4 ) 以客户为导向的软件设计 如何站在客户的角度来设计软件是所有组态软件厂商都应面对的挑战，组态 软件涉及从控制、人机界面到生产管理的多个层次，相应存在着多个模块如亚控 目前有组态王和软逻辑两大产品模块，保持了不同模块的一致性，能有效地减少 用户学习的时间。相同的数据结构也便于产品在企业内集成。这种一致性不仅表 现在外观和感受上，还表现在兼容性、平台、编程工具、数据访问、控制引擎及 e - b u s i n e s s 等诸多方面。例如西门子的w i n c c 和编程软件s t e p 7 使用了相同的数 据结构，所以用户只需将系统中的数据点定义一次。 1 3 3 国内组态软件简介 组态软件产品在国外出现了近3 0 年，在中国也已有将近2 0 年的历史，但国内 组态软件的发展却是近十年的事情，事实上，在3 2 位w i n d o w s 环境出现以前，国 内组态软件并没有什么发展，主要可能是国内对组态软件的接受需要一个过程。 随着时间的推移，国内很多厂家发现了国产组态软件的巨大市场，加入了组态软 件的开发队伍中。近年来已有一定影响力的产品有组态王、科威、天工、m c g s 、 虎翼、力控等。国内有不少单位，如一些高校、研究所、公司，甚至一些个人正 在积极地搞组态软件产品的开发。国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势， 但总的来讲，由于资金来源缺乏，软件工程的组织薄弱，因此软件商品化的程度 还比较差。目前国产化组态软件主要使用于一些小型的非重要性的项目应用中。 下表所列为目前我国市场上较流行的，有自主知识产权的国产化组态软件： 表i i 国内较知名的监控组态软件 公司名称 产品名称公司所在地 亚控科技k i n g v i e w 系列 北京 三维力控f o r c e c o n t r o l 系列 北京 昆仑通态 m c g s 系列北京 视拓科技 c o r e v i e w 系列长沙 金联创天工系列 北京 控友科技虎翼系列 北京 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 北京亚控公司的组态王是国内较早出现的组态软件产品之一，至今也有8 年 左右的历史了。早期的组态王仿造i n t o u c h ，只是个人机接口。到了5 1 版本，在 数据管理和开放性方面有了一些改进，但体系结构却没有实质性地突破，有可能 还没有摆脱早期形成的不合理的程序构架。其网络功能较为薄弱，支持不了真正 意义上的分布式系统。 大庆三维公司的f o r c e c o n t r o l ( 力控) 从时间概念上来说，力控也是国内较 早就已出现的组态软件之一。大约在9 3 年左右，力控就已形成了第一个版本，只 是那时还是一个基于d o s 和v m s 的版本。后来随着w i n d o w s3 1 的流行，又开发出 了1 6 位w i n d o w s 版的力控。但直至w i n d o w s 9 5 版本的力控诞生之前，他主要被用于 公司内部的一些工程项目。3 2 位w i n d o w s 下的1 0 版的力控，在体系结构上就已经 具备了较为明显的先进性，其最大的特征之一就是其基于真正意义的分布式实时 数据库的三层结构，而且其实时数据库结构为可组态的“活结构 。但3 2 位w i n d o w s 下的1 0 版的力控尚存在明显的不足，如：i o 驱动较少，界面和产品包装不够美 观等。 m c g s 是思想比较独特的产品，属于很另类的产品，有很多特殊的概念和使用 方式，大多数使用过其他组态软件的人都会感觉有些不惯。据说早期的版本是用 v b 开发的n 射。 国内公司相对国际大公司来说，由于资金来源缺乏，软件工程的组织薄弱， 软件结构较简单，i o 硬件驱动较少，技术相对不成熟，软件市场商品化的程度 比较差。 1 3 4 国外组态软件简介 国外监控组态软件是随着微软公司w i n d o w s 操作系统的普及而发展的，世界 上第一个把组态软件作为商品进行开发，销售的专业软件公司是美国的 w o n d e r m r e 公司，它于8 0 年代末率先推出第一个商品化监控组态软件i n t o u c h 。 此后监控组态软件在全球得到了蓬勃发展。目前，全球知名的组态软件厂商不足 2 0 家，但前6 家占据了整个市场7 5 的份额。它们分别是w o n d e r w a r e 、 s i e m e n s 、i n t e l l u t i o n 、r o c k w e l l 、g e f a n u c 、c i t e c h 。下表列出了国际上比 较知名的8 种监控组态软件。 9 中南大学硕十学位论文第一章绪论 表1 2 国际上知名的监控组态软件“1 公司名称产品名称生产国 w o n d e r w a r e i n t o u c h 系列美国 s i e m e n s w i n c c 系列德国 i n t e l l u t i o n f i x ，i f i x 系列美国 c i t c i t e c h 系列澳大利亚 r o c k - w e l1r s v i e w 3 2 系列 美国 g e g e f a n u c 系列美国 t ae n g i n e e r i n g a i m a x 系列 美国 n e m as o f t p a r a g o n ( t n t ) 系列美国 美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 堪称组态软件的“鼻祖，率先推出的1 6 位 w i n d o w s 环境下的组态软件，在国际上曾得到较高的市场占有率。i n t o u c h 软件 的图形功能比较丰富，使用较方便，但控制功能较弱。其i o 硬件驱动丰富， 只是使用d d e 连接方式，实时性较差；另外驱动程序须单独购买。它的5 6 版( 1 6 位) 很稳定，在中国市场也普遍受到好评。7 0 版( 3 2 位) 在网络和数据管理方 面有所加强，并实现了所谓的实时关系数据库，其实只是在s q ls e r v e r 上增加了 数据传输插件而已。在3 2 位w i n d o w s 环境下，i n t o u c h 已受到其他产品的猛烈冲击。 i n t o u c h 软件小系统软件包价格比较适中，大系统软件包比较贵。 美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 产品在中国市场由来已久。f i x 产品系列较全， 包括d o s 版，1 6 位w i n d o w s 版，3 2 位w i n d o w s 版，o s 2 版和其他一些版本，功能较 i n t o u c h 强，但实时性仍欠缺，总体技术一般。其i o 硬件驱动丰富，只是驱动程 序也需单独购买。最新推出的i f i x 是全新模式的组态软件，思想和体系结构都比 较新，提供的功能也较为完整。但也许过于“庞大一和“臃肿一，对系统资源耗 费巨大，用户最为明显的感受就是“缓慢，提供的许多“大而全”的功能对于 中国用户也并不适用。 澳大利亚c i t 公司的c i t e c h 是组态软件中的后起之秀c i t e t t c 产品包括1 6 位 和3 2 位w i n d o w s 版，它的计算机味道很浓，与其他软件有很多不同的地方使用的 方便性和图形功能不及i n t o u c h 。界面部分很漂亮，很吸引人。版本升级不很快， 一直没有很大的体系改变其控制算法比较好i o 硬件驱动相对比较少，但大部 分驱动程序可随软件包提供给用户。c i t e c h 的价格略低于i n t o u c h 和f i x 乜钔。 西门子公司推出的w i n c c 系列组态软件，其i o 硬件驱动丰富，不仅能和自己 i o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的其它控制产品进行无缝集成，还使用了m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 作为其组 态数据和归档数据的存储数据库，还可以通过o d b c ，d a o ，o l e d b ，w i n c co l e - d b 和a d o 方便的访问数据库。对西门子组态软件w i n c c 的介绍在第二章会有详细论 述。 总的来说，经过多年的发展，国外的监控组态软件在功能完备性、产品包装、 市场推广等方面都具有一定优势，特别是在图形界面的制作，i 0 驱动，数据库 冗余控制，数据的运算处理等方面优势明显。应用实例也是十分的丰富。这些是 国内组态软件所无法比拟的。 1 4 本文研究内容及结构 本文根据挤压机改造技术在我国的运用情况，对原有的系统进行技术改造， 提出了基于w i n c c 软件的网络监控系统，并要求在上位机监控软件针对改造要求 实现图形化，数字化显示各种状态和参数的人机界面，报警诊断信息系统，历史 查询信息系统，操作信息系统，生产管理及报表信息系统，智能化控制六大部分。 具体研究如下： 第一章：绪论。分析了挤压机的国内外现状及改造模式，介绍了组态软件的 发展及其应用，提出本文的具体研究内容。 第二章：1 2 5 m n 挤压机的改造方案的选取和研究。介绍了挤压机的改造思路 及改造要求，进行了操纵系统改造的硬、软件选型和电气控制系统的设计。 第三章：操纵控制系统数据通讯功能的研究。针对1 2 5 m n 挤压机对部分数据 通信速率须达到1 0 毫秒的苛刻要求，采用特殊数据通信方式来达到高速通信目 的。 第四章：基于实时数据库的数据查询及生产管理系统。介绍用w i n c c 内部集 成的关系数据库s q ls e r v e r2 0 0 0 和用户归档，并建立实时数据库，利用高级语 言编程与s q ls e r v e r2 0 0 0 嵌套连接，实现灵活的数据查询和生产管理功能。 第五章：w i n c c 和触摸屏组态软件的研究与开发。详细介绍了上位机软件实 现的人机界面；报警诊断信息系统；历史查询信息系统；操作信息系统；生产管 理及报表信息系统；以及触摸屏监控系统，实现智能化控制，大大提高了设备的 维护性和工作效率。 第六章：总结和展望。 中南人学硕士学位论文第二章1 2 5 m n 挤压机操纵系统改造方案选取与研究 第二章1 2 5 m n 挤压机操纵系统改造方案选取与研究 操纵系统改造是对1 2 5 m n 挤压机挤压速度节流阀和各个分配器的电气改 造，以及完成一些辅助设旌、照明等的控制。它包括低压控制柜、操作台、上位 机系统、信号检测装置等。 2 1 总体方案与改造原则 2 1 1 改造思路、原则 从系统的可靠性出发，采用先进的技术，设计新的系统。改造后系统为一个 数字式电液伺服系统。由操作台上操作手柄、按钮发出控制信号。由智能控制器 p l c 实现油压系统的控制，从而驱动执行油缸，实现分配器阀的正确动作。并由 检测系统检测凸轮驱动机构的实际位置，反馈给控制系统，实现闭环的控制。另 外，检测系统还检测系统的其它物理量，用以监视挤压机的工作情况。改造后的 系统遵循以下原则： 1 完全满足系统的原有功能； 2 实现自动操作； 3 系统的控制精度、响应速度等特性都大幅度提高； 4 系统可靠性提高。 2 1 2 当前设备状况 现有电气控制系统主要由自整角机给出信号，驱动电机扩大机控制的直流电 机系统，控制直流电机的正反转来控制大小节流阀的开口度和各个分配器凸轮轴 的正反转从而控制阀芯的启闭。控制方式落后、器件老化、控制精度低、可靠性 差，缺少各操作执行机构的检测及控制过程记录。 2 1 3 改造要求 1 拆除旧的控制系统，重新设计先进、可靠、稳定的控制系统和制作电控柜、 操作台。 2 控制系统采用p l c 可编程序控制器+ 上位机的两级控制结构，可编程序控 制器对水压机整个电气系统进行控制( 包括位置传感器反馈、角位移传感器反馈、 速度控制、开关量等信号处理) ，保证现有连锁功能及根据新的系统要求设计的 连锁控制满足要求 1 2 中南人学硕