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浙江大学硕士学位论文 基于c a n 总线的剑杆织机临控网络系统研究与开发 摘要 纺织工业是我国国民经济的支柱产业之一。目前，国内主要纺织产品的产量 和生产能力均居世界首位，已经成为世界上最大的纺织品生产国。但长期以来， 我国的纺织生产存在设备陈旧、管理落后和生产效率低下等缺点，极大地限制了 纺织业的进一步发展。因此，努力提高国内纺织企业的生产管理水平，实现纺织 企业生产管理自动化、信息化具有十分重要的意义。 本文作者根据目前中小型纺织厂的现状，利用网络技术、现场总线技术及并 行通信技术，对现有的纺织企业进行改造，设计出基于c a n 总线的剑杆织机监 控网络系统。利用该系统可以对全部织机的运行状态进行实时监控，也可以实现 单独监控及织机的远程启动、停止等，并对织机的历史状态进行全面的记录，为 工厂管理带来极大方便。主要工作包括一下几个方面： 1 分析了现场总线技术的发展趋势，现场总线技术同以往控制技术比较的 优点，已经取得的成果，以及d s p 在现代控制系统中的地位、应用，d s p 同现 场总线之间的联系等。 2 对国内纺织行业的生产管理的现状进行了调查，在分析了大量的生产实 际后，提出用基于c a n 现场总线的网络来构筑纺织厂的生产管理自动化控制系 统，并给出了整个控制系统的模块组成图。 3 应用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 可视化开发工具编制了运行于上位机的系统 控制软件，以实现对一个纺织厂的剑杆织机网络中的所有下位机子站进行实时监 控和管理。系统控制软件包括总控模块、通讯模块、监控模块、数据库模块和生 产管理模块等模块。 4 设计了下位机子站与上位机的通讯协议以及计算机与c a n 总线网络的并 行接口通讯。 5 在纺织企业局域网内，构筑了一个c s 、b s 相结合的网络信息管理系统， 方便企业对生产进行管理，降低成本，提高生产率。 6 对下位机子站控制系统和运行于上位机的系统控制软件进行了多方面的 测试，并分析测试结果，提出了改进的方向。 关键词：剑杆织机d s p c s b s 现场总线自动化并口 浙江大学硕士学位论文基于c a n 总线的剑杆织机临控网络系统研究与开发 a b s t r a c t t h et e x t i l ei n d u s t r yi so n eo ft h ef u n d a m e n t a li n d u s t r i e si nc h i n a t o d a yc h i n a h a sb e c o m et h ew o r l d sl a r g e s tp r o d u c e ro fs o f tg o o d sw i t hi t se n o r n l o u sq u a n t i t ya n d p r o d u c t i v i t y b u tt h eo l df a c i l i t i e s o u t t i m em a n a g e m e n t a n di n e f f i c i e n c yi nt h i sf i e l d h a v el i m i t e di t sa d v a n c e m e n tw i t ht h em o r ea n dm o r ec o m p e t i t i o ni nt h ew o r l d s t e x t i l em a r k e t t h u si ti sv i t a li m p o r t a n tt op r o m o t et h ec a p a b i l i t yt op r o d u c ea n d a p p l y t h eh i g h t e c ht e x t i l em a c h i n ei nc h i n a 1 1 1 i sp a p e rm a i n l yu s et h en e tt e c h n o l o g y , t h ec a nf i e l db u st e c h n o l o g y , t h e p a r a l l e lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ev bl a n g u a g et or e c o n s t r u c tt h ec o m m o n w e a v e e n t e r p r i s e 。w eh a v ed e s i g n e dt h en e t w o r ks u p e r v i s es y s t e m w h i c hb a s e do nt h e d s pa n dc a nf i e l db u s w i 也t h es y s t e m y o ug a dr e a l t i m es u p e r v i s et h er u n n i n g s t a t eo fa l lt h es p i nm a c h i n e s ，a n dy o uc a nc h o o s et oa 1 1 m o d eo rs i n g l e m o d e s u p e r v i s e ，g i v et h es p i nm a c h i n e r u no r s t o pc o m m a n d 。a 1 1 t h ep e r t i n e n td a t aw i l lb e w r i t ed o w nb yt h es y s t e m n l em a n a g e m e n to ft h ee n t e r p r i s ew i l lb e c o m es oe a s y t b i s p a d e rm a i n l y i n c l u d e sa sf o l i n w s ： 1 a n a l y z et h ed e v e l o p m e n t t r e n do ft h ef i e l db u st e c h n o l o g y , t h ea d v a n t a g eo f 也ef i e l db a sc o m p a r e d 、i mt h eo t h e rt e c h n o l o g y a l s od i s c u s s i n gt l l es t a t u s o f l 3 l s pi nt h em o d e m i n d u s t r ya n dt h er e l a t i o n s h i po f d s p a n dt h ef i e l db u s 2 a f t e ra l li n v e s t i g a t i o no f t h ec u r r e n tc o n d i t i o no f t h ep r o d u c i n gm a n a g e m e n t o fc h i n a st e x t i l ei n d u s t r ya n da n a l y s i so fal o to fp r a c t i c e s 1 ea u t h o r p r o v i d ea f i e l d b u sn e tb a s e do nt h ec a nt oe s t a b l i s ha na u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mf o r t h e p r o d u c i n gm a n a g e m e n to ft h ew e a v i n gf a c t o r y , a n da l s o p r o v i d e as t r u c t u r ec h a r to f t h em o d e lo f t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m 3 t 0r e a l i z et h er e a lt i m es u p e r v i s i o na n dm a n a g e m e n to fa l ls u b m a c h i n e s t h e r ei sas e r i e so f s v s t e mc o n t r o ls o f t w a r ew r i r e nw i t ht h em i c r o s o f tv i s u a l b a s i ct o o lt or u ni nt h ep r i n c i p a lm a c h i r e t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gt h e g e n e r a lc o n t r o lm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，s u p e r v i s i o nm o d u l e ，d a t a m o d u l ea n d p r o d u c i n gm a n a g e m e n tm o d u l e e t c 4 t h e r ei so n ec o m m u n i c a t i o n a g r e e m e n t sd e s i g n e dh e r e w h i c hi n c l u d i n gt h e d a t ae x e h a n g e s p r o t o c o lb e t w e e nt h ep r i n c i p a lm a c h i n e a n dt h es u b - m a c h i n e t h e r ei sp a r a l l e l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc a na n d c o m p u t e r 5 t of o r ma t y p i c a lc sa n db ss y s t e mo nt h e i n t r a n e to f t h ec o m p a n yi no r d e rt om a k e b e n e f i tf o rc o m p a n ym a n a g e m e n lr e d u c et h ec o s to fp r o d u c t i o na n di m p r o v et h e p r o d u c t i v i t y 6 t h ea u t h o rd i dan u m b e ro ft e s t so ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h es 0 1 a r er u n b y t h ep r i n c i p a lm a c h i n ei nm a n y w a y s ，a n a l y z e dt h er e s u l t so f t h et e s t s ，a n d g a v e t h ed i r e c t i o nf o ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：t e x t i l e ，d s p , c s ，b s ，f i e l d b u s ，a u t o m a t i o n ，p a r a l l e l c o m m u n i c a t i o n - 2 浙江大学硕士学位论文基于c a n 总线剑杆织机监控网络系统的研究与开发 第一章绪论 【本章摘要】本章主要介纲了计算机监控系统的现状和发展趋势以及剑杆织机特点及发展趋 势，对本课题的研究意义及内容也作了交代。最后总结了本文的主要创新点。 1 1引言 我国的纺织企业已经从计划经济时期进入了市场经济时期，中国加入了世界 贸易组织( w t o ) ，消费者对纺织品质量的要求日益提高。品种周期短，花样新， 纺织产品的价格竞争相当激烈，一些企业为了占领市场，不惜降低价格。外部环 境的激烈竞争，迫使企业积极参与市场竞争，按照市场经济的要求，提高企业的 内部管理，提高产品质量，生产适销对路的品种【l 】。 纺织企业生产的周期长、流程复杂，生产的品种越多，工艺变换的频率越高。 传统模式下生产管理的难度较大，一些大型的纺织企业在早期采用计算机进行管 理，主要是基于主机工作站模式的生产管理系统，操作复杂，系统庞大，可 维护性较差。因此，早期的计算机只局限于生产的主管部门，难以大规模推广使 用。随着计算机技术的快速发展，软硬件设备造价的降低，使得在纺织企业中大 规模地应用计算机进行网络化管理成为了可能。 1 2 计算机监控技术发展现状 1 2 1 网络通信与现场总线技术 计算机、通信及网络技术在工业自动化领域广泛应用使企业的信息沟通正迅 速扩展到工厂的现场设备到控制、管理的各个层面，覆盖了从工段、车间、工厂 企业乃至世界各地。自动化系统本身经历了结构性的变革，逐步形成以网络集成 和信息共享为基础的新型企业信息系统。 工业现场往往有大量的传感器、控制器、执行器，它们通常零散地分布在各 区域，通信网络若采用传统星型拓扑结构，通信介质造价与安装成本都将过于高 昂；而采用流行的局域网l a n 组件及环形或总线型拓扑结构可明显减少电缆长 度，但是增加的l a n 介质及相关硬件和软件开发费用又使系统成本与星型系统相 差无几。所以在最低层次上的确需要设计出一种造价低廉而又能经受工业现场环 境的通信系统，现场总线( f i e l db u s ) 就是在这种背景下产生并于2 0 世纪8 0 浙江大学硕上学位论文箍于c a n 总线剑杆织机监控网络系统的研究与开发 年代中期在国际上发展起来的，它是应用于生产现场、连接智能现场设备和自动 化测量控制系统的通信网络，被誉为自动化领域的计算机局域网。 对工业控制现场通信网络来说，单个节点面向控制的信息量不大，信息传输 的任务相对比较简单，然而却往往对实时性、准确性要求很高。如果按照0 s i 七层参考模型来设计通信协议，层间的操作与转换较为复杂，网络连接的接口与 软件运行时间开销不能很好符合实时与准确性需求。因此现场总线的通信协议大 都在0 s i 模型基础上进行不同程度的简化，并且在设计中将模型的软硬件实现方 式作了恰当的职责分工。 当前一些主流现场总线系统一般具有如下基本特征： 现场总线系统最常见形式是将专用微处理器嵌入到传统的测量控制装置罩， 使其具有数字计算和数字通信能力，采用可进行方便连接的双绞线等作为通信介 质，把多个测控仪表节点连接成网络系统。 现场的多个职能化测控设备和现场仪表与远程监控计算机之间的数据传输 与交换采用领域通用的规范和数字通信协议，基于封闭、专用的解决手段变为基 于公开、标准的统一化解决方案。可以把来自不同厂商但遵守同一协议规范的自 动化设备通过现场总线网络连接成系统，从而实现综合自动化的各种功能。 基于现场总线的控制系统网络一般为多分支多结点的全分布拓扑结构，是自 动化系统向分散化、网络化、智能化方向发展。 目前在自动化领域比较有影响力的现场总线产品标准有以下几种： c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ，控制局域网络) 最早是由德国b o s c h 公司推 出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。c a n 总线也是基于o s i 模型，但进行了优化。采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时 性。c a n 总线节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。 各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。c a n 总线采用短消息报文，抗干扰能力强，可靠性高，b b 较适用于开关量控制。 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ，过程现场总线) p r o f i b u s 自1 9 8 4 年开始 研制现场总线产品，经过十多年的开发、生产和应用，p r o f i b u s 已成为欧洲首 屈一指的开放式现场总线系统。目前p n 0 ( p r o f i b u s 用户组织) 已拥有6 0 0 多个 成员，生产近千种产品。p r o f i b u s 产品在欧洲市场占有率大于百分之四十，“ 泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电等领域。1 9 9 6 年6 月p r o f i b u s 正式被采纳为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 第二卷。p r o f i b u s 的核心公司 为；s i e m e n s 公司，e + h 公司，s a m s o n 公司，s o f t i n gg m b h 公司等。 p r o f i b u s 以i s 0 7 4 9 8 为基础，以0 s i 七层模型为参考，定义了物理传输特 性，总线存取协议和应用功能。p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s f m s 构 成了p r o f i b u s 家族。 浙江大学硕士学位论文 幕于c a n 总线剑杆织机监控网络系统的研究与开发 与其它现场总线系统相比，p r o f i b u s 的最重要优点是它的普遍性，它包括 了加工制造、过程和楼宇自动化等广泛应用领域，并可同时实现集中控制、分散 控制和混合控制三种方式。 f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ，现场总线基金会) f f 是现场总线基金会推出的 现场总线标准。现场总线基金会是由国际上二大现场总线阵营i s p 和w o r l d f i p n o r t h a m e r i c a 合并而成，1 9 9 5 年w o r l d f i p 欧洲部分也加入f f 。其中i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o t o c 0 1 ) 组织由f i s h e rr o s e m o u n t 公司发起，成立于1 9 9 2 年， 以p r o f i b u s 标准为基础制定现场总线标准：w o r l df i p 由h o n e y w e l l 等公司发起， 成立于1 9 9 3 年，以法国的f i p 标准为基础制定现场总线标准。 l o n w o r k s 网络是当前较为流行的现场总线之一，l o n w o r k s 技术是美国 e c h e l o n 公司开发的现场总线技术。它采用了与o s i 参考模型相似的七层协议 结构，l o n w o r k s 技术的核心是具各通信和控制功能的n e u r o n 芯片。n e u r o n 芯 片实现完整的l o n w u r k s 的l o n t a l k 通信协议。节点间可以对等通信。 l o n w o r k s 支持多种物理介质、并支持多种拓扑结构，组网形式灵活。其i s 7 8 本安物理通道使得它可以应用于危险区域。l o n w o r k s 应用范围包括工业控制、 楼宇自动化等，在组建分布式监控网络方面有优越的性能。 c c l i n k ：1 9 9 6 年，三菱电机以“多厂家设备环境、高性能、省配线”理念开 发、公布和开放了现场总线c c l i n k 。c c l i n k 是c o n t r o l & c o m m u n i c a t i o n l i n k ( 控 制与通信链路系统) i l8 】的简称。具有性能卓越、应用广泛使用简单节省成本等突 出优点。 一般而言，将网络系统分为3 至4 个层次：管理层、控制器层、部件层。部 件层也就是指装最层和传感器层。由于c c l i n k 的数据容量大，通信速度多级可 选择，c c l i n k 是一个复合的、开放的、适应性强的网络系统，能够适应于较高 的管理层网络到较低的传感器层网络的不同范围。它的数据容量大，通讯速度广 泛。 h a r t ：h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 协议是由 r o s e m o u n t 于1 9 8 6 年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备问 通讯的一种协议。它包括i s o o s i 模型的物理层、数据链路层和应用层。h a r t 通讯可以有点对点或多点连接模式。同时h a r t 协议与4 2 0 m a 模拟信号兼容， 因此得到许多公司支持，在智能仪表市场上占有很大的份额。它是模拟系统与数 字系统转变过程中的过渡产品，是当前较有市场的产品。 现场总线技术遵循现场总线协议，将不同厂家生产的分布在不同地区、用途 各异的测量控制仪表互连形成区域通讯网，并可同i n t r a n e t 和i n t e r n e t 互连。 现场总线技术的关键标志是它能支持双向、多变量、总线式全数字通讯，而传统 的4 - 2 0 m a 模拟直流回路只能在一根两芯电缆中单项传输一个参数。随着系统的 浙江大学硕士学位论文基于c a n 总线剑杆织机监控网络系统的研究与开发 日益复杂和信息量的增加，4 - 2 0 m a 电流环传输成为制约信息传输的瓶颈，所以现 场总线替代4 - 2 0 m a 模拟信号标准已成为控制系统发展的必然趋势。 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结 构的通讯网络。它是先进的工业过程控制远程i 0 和高速的工厂自动化应用的局 域网( l o c a l ) ，它具有以下特点：【2 州 1 现场总线可以降低传输过程中的噪声干扰，从而提高仪表的精度( 从 o 5 提高至0 0 1 ) ； 2 用4 - 2 0 m a 模拟信号通信的单向传输，只能进行控制室和现场仪表之间 的点对点通信；而现场总线通信是数字化的信号传输，无论是现场底层传感器、 执行器、控制器之间的信号传输，还是与上层工作站以及高速网之间的信息交换， 全部使用数字信号。在网络同学中采用信息防撞与纠错技术，实现了高速及双向 多节点之间的可靠通信。与传统的d c s 相比，在通讯质量和连线方式上都有重 大的突破，可以在现场仪表相互之间直接联系组成就地控制回路，建立真正的现 场控制； 3 现场总线可以满足多变量仪表和传输管理、组态、自诊断等信息的要求， 现场总线废除了传统d c s 中采用“操作站一控制站一现场仪表”三层主从结构 模式，把i o 及控制功能分散到现场智能仪表中，它们独立完成测量、校正、调 节、诊断等功能，同时用网络协议把他们连接在一起，统筹工作。任何节点出现 故障只能影响本身而不会危及全局，这种彻底的分散控制体系使系统更加可靠， 利用现场仪表的处理能力，将底层控制、累计、报警监视等功能转移到现场仪表 中实现，简化控制室仪表的设计，降低系统成本。 4 现场总线技术及标准是全开放式的。从总线标准、产品检测到信息发布 都是公开的，面向所有的产品制造商和用户( 目前由于已经确定的标准有多种， 所以严格来说是对遵循某种协议的开放) 。) ，不同厂商的产品可以异构的组成统 一的系统，可以相互操作，统一组态，打破了传统d c s 产品互不兼容的缺点， 极大的方便了用户。通信网络可以和其它系统或高速网络相连接，用户可共享网 络资源。 5 由于现场总线技术采用数字通信方式，因此可以采用多种传输介质进行 通信。根据控制系统中节点的空间分布情况采用多种网络拓扑结构。这种多样性 给自动化系统的施工提供了方便。 6 现场总线仪表不再需要上层的a d 、d a 等转换部件，降低组建系统费 用； 7 现场总线仪表节省传输电缆，降低组建系统和工程布线的费用； 8 现场总线仪表实现远程在线组态，运行时的故障自诊断和预测性维护。 现场总线技术的应用，可以改善和提高测控仪表的数据传输精度，节约网络 浙江大学硕士学位论文 基于c a n 总线剑杆织机监控刚络系统的研究与开发 配线和显示仪表，保证现场信息数据的实时共享，方便用户对系统的使用和维护。 1 2 2 虚拟仪器技术 面对市场对产品质量检测的日益严格要求，今年来发展的虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t s ，v i ) 系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决重构产品的仪器测试方 案问题。“软件即仪器”形象地概述了软件在v i 中的主导作用。 图1 1 虚拟仪器技术框图 v i 通过应用程序将通用计算机与仪器硬件资源组合起来，用户可以通过友 好的图形界面( 通常叫做虚拟面板) 操作这台计算机，就像在操作自己定义、自 己设计的一台单个传统仪器一样。图1 1 所示，v i 以透明的方式把计算机资源 ( 如微处理器、内存、显示器等) 和仪器硬件( 如a d 、d a 、数字i o 、定时 器、信号调制等) 的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处 理、表达以及图形化用户接口。 随着v i 的硬件接口驱动程序标准化及软件开发环境的完善，虚拟仪器系统 的功能复用水平得到了明显提高。 仪器的应用程序可选、可组合的硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 、d a q 板) 和通用函数库进行整合，实现了仪器模块间的通信、定时和触发。通用函数库为 构造专有的v i 系统提供了基本的软件模块。由于v i 的模块化、开放性和灵活 性，以及软件占主导特点，当用户的监控要求变化时，可以方便地由用户自己来 增减软硬件模块，或重新配置现有的系统已满足新的测试要求。 选择统一的虚拟仅器测试技术框架将大大缩减开销，使当前的监控投资在未 来仍能得到可靠保护。当用户从一个监控任务转向另一个监控任务时，只需简单 地通过搭积木的方式使用已有的模块构造成新的v i 系统而不会丢弃已有的硬件 和软件资源，避免了仪器编程过程中的大量重复劳动，极大缩短复杂软件的开发 时间。 除了一些成功的商业化虚拟仪器系统( 如美国国家仪器的l a b v i e w ) 外，虚 拟仪器的设计思路本身对检测仪器的开发提供了许多良好的方案决策手段，使新 浙江大学硕士学位论文基于c a n 总线剑杆织机监控网络系统钓研究与开发 的检测设备能支持异常丰富的特性，如仪器设备的快速组网、仪器网与管理信息 网的无缝集成等。 1 3 剑杆织机及其机电一体化控制 1 3 1 剑杆织机 从纺织机械的发展状况可以看到，无梭织机代替有梭织机是织造机械的发展 趋势，而在无梭织机中，剑杆织机占有的份额正迅猛增长。 剑杆织机得到业界如此青睐，主要原因在于它的适应性强。剑头夹住纬纱， 积极将纬纱引入引出梭口，引纬运动是约束性的，纬纱始终处于剑头的控制之下， 因此，对于各种纤维，如棉、毛、丝、麻、玻璃纤维或轻、中、重型织物都可以 用剑杆织机实现织造，特别是近年来，在控制引纬过程中纬纱张力波动，以及尽 可能减少剑头对经纱摩擦等方面取得了突破之后，对纬纱适应性更强，大大提高 了其竞争力。另外，剑杆织机选纬机构采用单独电机直接驱动选纬指，根据纬纱 品种，选纬指位置可以在小范围内做适当调整，以减少纬纱张力波动。在采用多 色纬织造时，换纬便当，更显示出它的优越性。主机若配以全自动变速控制，根 据纬纱性能编程调节主机速度，减少断头，更可以大幅度提高开机效率。 图卜2p ic a n og a m m a x 型剑杆织机 1 3 2 织机的机电一体化控制 从国际纺织机械展览会参展情况看，各类织机已普遍应用电子技术，如电子 测长储纬、电子送经、电子卷取、电子提花开口、故障电子显示等；计算机也已 经普遍应用于织机中，如故障自我诊断系统、产量自行统计系统、花纹图案和织 造工艺参数设定的专家设计控制系统等；机械手在织机中也已有应用。如纬纱断 浙江大学颂士学位论文基于c a n 总线剑杆织机监控网络系统的研究与开发 头自我处理系统【7 8 】。实现织机机电一体化，至少有以下几个方面的优点： 1 、拓宽了织机的功能。机电一体化使系统具有记忆存储功能，并且提高了 自动化程度，改善了劳动条件，降低了工人的劳动强度。 2 、提高了织机的灵活性和应变能力。在不改变或少改变机械结构的条件下， 只需改变电路板或者程序，即可改造织造工艺和产品品种，增加了对市场变化的 快速应变能力。 3 、创造了现代化的管理条件。由于机电一体化具有数据处理功能，为实现 现代化管理提供了准确和及时的数据。再加上多织机控制系统实现网络互联，便 可实现分级监控和管理，组成具有相当规模的现代化控制管理系统。 1 3 3 织机的网络化和信息化 机电一体化在纺织机械中的应用实现了单台机械的优化控制，仅仅如此，还 跟不上时代的步伐。当今世界信息技术日新月异，利用信息网络提供的交流平台， 对我国的纺织行业而言，是一个大的发展机遇1 9 。 借助于生产管理的自动化网络，进行生产经营管理，可以根据客户订单、销 售合同和企业的生产能力，由计算机快速进行成本核算，科学地制定生产计划和 采购计划，并迅速传递到相关部门进行核准和实施；管理层在办公室内利用计算 机系统，可以随时对车间的生产情况进行查询、统计、分析，动态地掌握各工序 的生产状态，便于及时调控生产销售计划的执行，确保产品的品质和按期交货。 这样，可使纺织企业摆脱落后的管理观念、管理方法和管理手段，提高管理的自 动化程度和工作效率，提高产品的质量，降低成本和原料的消耗。增强企业在国 际市场上的竞争力。 从自动化的角度看，纺织成品制造过程的每一步用计算机信息集成技术联接 起来，不仅意味着产品质量、生产效率的提高，丽且它将给我们带来全新的工作 模式和生产方式。 1 4 纺织企业生产管理自动化的发展 长期以来纺织工业由于生产连续性较差，自动化水平低，人们都将它视为 劳动力密集型生产过程的典型。特别是在我国，由于纺织生产设备总体上比较落 后且工人的工资水平较低，很多纺织厂宁愿多用一个劳动力而不去引进相应的新 机器、新设备，即使在沿海比较发达的省份这种情况也比较常见【i 叭。这样就阻 碍了新设备的推广和纺织厂总体生产管理自动化水平的提高。但是，由于国际化 大生产的发展和竞争的日趋激烈，我国纺织品依赖廉价劳动成本参与国际市场的 局面已难以持久，如不及早采取措施，必将影响纺织品和服装出口的增长。 浙江大学坝十学位论文基于c a n 总线剑杆织机监控恤4 络系统的研究1 弓开发 进入2 l 世纪后，纺织工业必须加快用高新技术改造落后的工艺和装备，实 现产业的升级。据预测，无梭布的比重将由目前的1 9 ，到2 0 0 5 年提高到4 0 ，到2 0 1 0 年提高到6 0 ( 发达国家9 8 ) 。棉纺织业的装备将注重采用具有高 速、高效、高技术含量( 简称“三高”1 特点的清梳联、精梳联、自动络简机、细 络联、精细络联和各类高档无梭织机。但从目前看，无论是主机还是器材，国内 约有三分之二的产品不能适应纺织工业产业升级的要求 1 ”。因此，推广新技术、 新工艺，提高纺织厂的生产管理的自动化水平势在必行。 我们可以从以下几个方面着手来提高纺织厂的生产管理水平： 1 进一步提高电控系统的档次和水平。除继续和扩大应用可编程序控制器、 变频器和显示器等传统工控设备外，还需结合使用要求进一步开发讨算机应用系 统、伺服系统和网络系统，提高纺织机械的智能化水平。 2 提高纺织机械的自动化程度，为纺织厂提高劳动生产率创造条件。纺织 机械的自动化水平得到提高后，可以减少人为误差，能体现工艺在运行中的要求， 可以以自动操作代替人工，降低生产用工和减轻劳动强度，从而大幅度降低生产 成本。 3 采用合适的方法，将纺织厂的所有纺织机械联接成网络。这里要分两种 情况：有一些比较新型的纺织机械自身带有网络接口；而其它还有一些纺织机械 在出厂时没有集成网络联接的功能，这就需要通过改造，在原机器的基础上加入 信号采集处理装置与网络通讯模块，使之能联入厂内的监控网络。早期用的多机 控制系统是集散控制系统，又称分布式控制系统( d c s ) ，它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，是融合了4 c ( 控制、计算机、通 信及c r t ) 技术的精粹【l2 1 。现在国际上用的比较多的则是现场总线技术，它把具 有通信能力的智能现场设备作为网络节点，连接成开放式、数字化、多点通信的 底层网络，现场总线是当前自动化领域技术发展的热点，这是一项以智能传感器、 控制、计算机、数字通信和网络为主要内容的综合技术。 4 建立一个纺织企业内部的计算机网络管理系统，即一个联接车间、分厂、 管理科室、决策层等企业内部生产和经营管理部门的局域网，实现企业内部各类 数据的采集、输入、传输与分析处理，为管理层和决策层提供快速准确的管理决 策信息。在此基础上建立一个面向国内外市场的、能促进企业快速有效适应市场 的联接i n t e m e t 的广域网，实现市场预测、产品设计、生产销售的有机结合，最 终建立一个具有较高水平的优化型生产管理系统。 近年来，由于国际上对纺织产品的生产周期和性能质量的要求的提高以及纺 织类机械成本的降低，国内的一些纺织厂( 包括一些中小型的股份制厂) 开始采用 一些性能比较优良的纺织机械来装配生产车间【1 3 叫5 1 。可以预测，在不久的将来， 只有那些具有较高的生产管理自动化水平的纺织厂才能适应市场的要求，才能在 浙江大学顶l ：学位论文基于c a n 总线剑杆织机监控嘲络系统的研究与开发 激烈的国内国际竞争中赢得自己的一席之地。 1 5 本课题研究的意义和内容 1 5 1 本课题研究的意义 在广泛的工业领域，c a n 总线可作为现场设备级的通信总线，并且与其他 的总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。这将是c a n 技术开发应用的一 个主要方向。 例如，瑞士一家公司开发的轴控制系统a c s e 就带有c a n 接口。该系统可 作为工业控制网络中的一个从站，用于控制机床、机器人等。一方面通过c a n 总线与上位机通信，另一方面可通过c a n 总线对数字伺服电机进行控制。通过 c a n 总线最多可连接6 台数字式伺服电机。 在以往的国内监控领域，由于没有更好的选择，大都采用b i t b u s 或r s 一4 8 5 作为通信总线，但存在许多不足，主要有： ( 1 ) 主从结构网上只能有一个主站，其余均为从站。其潜在的危险为：由 于一个b i t b u s 网上只能有一个主节点，无法构成多主结构或冗余结构的系统， 一旦主节点出现故障，整个系统将处于瘫痪状态，因而对主节点的可靠性要求很 高。 ( 2 ) 数据通信方式为命令响应型。网络上的任一次数据都是由主节点发出 命令开始，从节点接到命令后以相应的方式传给主节点，这使得网络上的数据传 输率大大降低，且使主节点控制器非常繁忙，同时，在下端出现异常时，数据不 能立刻上传，必须等待主节点下达命令，灵活性较差，在许多实时性要求较高的 场合，这是致命的弱点，有可能造成重大事故。 ( 3 ) b i t b u s 的物理层采用的是较陈旧的r s 4 8 5 规范，链路层为s d l c 协 议。总体来讲效率较低，尤其是错误处理能力不强。 采用c a n 总线技术可使上述问题得到很好的解决。c a n 网络上任何一节点 均可作为主节点主动地与其他节点交换数据，解决了b i t b u s 中一直困扰人们的 节点无法主动地与其他节点交换数据的问题，给用户的系统设计带来了极大的灵 活性，并可大大提高系统的性能。c a n 网络节点的信息帧可分出优先级，这对 于有实时要求的用户提供了方便，这也是b i t b u s 无法比拟的，c a n 的物理层 及链路层采用独特的设计技术，使其在抗干扰、错误监测能力等方面的性能均超 过b i t b u s 。 c a n 的上述特点使其成为诸多工业测控领域中优先选择的现场总线之一。 把c a n 总线技术充分应用于现有的控制器当中，将可开发出高性能的多织 浙江大学硕+ 学位论文基于c a n 总线剑杆织机监控网络系统的研究与开发 机生产控制系统。利用现有的控制技术，结合控制局域网( c m 技术和通信技术， 通过对现有的织机控制器进行硬件改进和软件开发，并相应地丌发出上位机监控 软件，从而实现多台织机的网络互联，最终实现基于c a n 网络的织机生产集成 系统。这样做的好处很多，比如： 实现单根电缆串接全部设备，节省安装维护开销。 提高实时性，信息可共享；提高多控制器系统的监测、诊断和控制性能。 通过离线的任务调度，作业的下载以及错误监控等技术，把一部分人从 织机工作现场彻底脱离出来。 根据我国纺织工业的现有情况，大多数中小型的纺织企业仍然采用单机作业 的形式l l “，给管理带来很大的不便。在企业中实行先进的网络监控，不仅可以 方便管理，也会大大降低由于管理不便而带来的生产成本，同时也可为在企业内 实现e r p 打下坚实的基础。 1 5 2 本课题研究的内容 本课题涉及整个监控系统底层监控网络到上位机界面、数据库以及上层的生 产管理网络。系统中使用了最新的工业自动化技术现场总线技术。利用现场 总线的优势结合工业上新型的d s p 和并行通讯技术设计出完整的底层通讯系统。 并且利用v b 及其数据库技术编制上位机软件，实现将原来单机作业的纺织机连 接成为高速率、高可靠性的工业监控网络。利用该系统可以对全部织机的运行状 态进行实时监控，也可以实现单独监控，织机的远程启动、停止等，并对织机的 历史状态进行全面的记录，为工厂管理带来极大方便。本系统还利用企业自身局 域网，配以相应的应用软件，构筑基于c s 和b s 相结合的企业内部监控网络， 可有效地对纺织企业的生产进行网络化管理。主要工作包括一下几个方面： 1 。研究国内外计算机监控技术的发展情况； 2 研究机电一体化系统的情况及其设计一般步骤： 3 研究信息系统的设计的现状及其一般步骤 4 分析适合于国内纺织厂实际的生产管理自动化模式； 5 分析了现场总线技术同以往控制技术比较的优点，简单介绍了各种不同 的现场总线及其的应用领域； 6 利用c a n 通讯网络设计出网络监控系统。并研究其底层通讯方式及数 据交换模式； 7 采用d s p 来实现下位机剑杆织机的自动化控制； 8 研究利用并口通讯连接计算机和c a n 总线的方式及其数据传输方法； 9 编制上位机系统控制软件，提供良好的人机界面； 一1 0 - 浙江大学硕士学位论文 基于c a n 总线剑杆织机监控网络系统的研究与开发 1 0 设计上位机与下位机子站之间进行通讯的接口和协议： 11 建立基于c s 和b s 相结合的纺织企业生产管理系统，提供便利的 网络化管理方式 1 2 整个监控系统进行测试； 1 3 ，分析测试结果，提出系统改进方向。 1 6 本课题的主要创新点 本文所研究的课题针对国内外剑杆织机的监控现状，有如下创新之处： 1 采用性能优越的现场总线c a n 总线建立剑杆织机的监控网络，实现 纺织厂生产的自动化管理。 2 采用并行通讯接口来连接底层c a n 网络和上层管理网络，为纺织厂的 网络化和信息化提供了坚实的基础。 3 现场控制子站采用当前控制性能优越的微处理器d s p 应用于织机的 控制，比一般的p l c 控制系统价格便宜，比一般的单片机的控制性能优越，能 实现比较复杂的数据处理，系统性价比得到了提高。 4 采用c s 、b s 相结合的企业管理系统模式，充分发挥两种模式的各自优 点，创建一个高效率的企业生产管理系统。 浙江大学烦上学位论文基于c a n 总线剑杆织机临控网络系统的研究与开发 第二章系统整体功能分析及方案设计 【本章摘要】本章首先分析了监控系统的设计需求；然后以系统的功能分析与原理方案设计 为研究对象，探讨了设计机电系统和信息系统过程中的一些基本思路和原则；最后提出了一 种本监控系统的总体方案。 2 1 监控系统整体设计需求 设计是人类的一种创造性智力活动，它意昧着用一种有规律的方法和过程来 创造并获得对某种问题的解。在各种工程实践中，人们的设计活动往往是由各种 需求与限制因素驱动的，例如： 1 满足实际制定的功能需求； 2 符合明确或隐含非功能需求： 3 ，符合明确或隐含的设计条件限制； 4 符合设计过程的资源限制，如开发经费、时间及支持工具等。 在需求的驱动下的设计创新有两种基本形式：一是某个产业领域内的革新性 技术实现；二是融合多个领域技术知识的复杂系统构造方法。 剑杆织机监控系统的设计任务就是创新性地组建一个复杂系统，其总体设计 目标可以定为如下： 1 应有一套监控方案，能克服当前剑杆织机监控系统的固有缺陷； 2 ，具有足够高的监控效率，实时地对剑杆织机进行监控： 3 能对采集的生产数据进行初步分析，便于管理者对生产进行管理； 4 能对剑杆织机进行故障检测，根据知识库判断被测对象的故障情况； 5 监控系统网络化智能化，实现远程监控和故障诊断； 功能需求： 监控系统信息化网络化，便于生产管理： 监控过程的实时性； 监控系统的安全性； 故障诊断覆盖率高，允许用户增加诊断信息； 非功能需求： 设备对实际使用中许多非功能需求的满足程度直接体现了设计理念的创新 性及设计方法的先进性，监控系统的一些非功能需求来自以下几点： 设备对使用者与环境的影响，如运行噪声、操作的安全与便利性等； 浙江大学硕士学位论文基于c a n 总线剑杆织机监控网络系统的研究与开发 设备总成本的限制，以厂家能接受的程度为前提条件； 设备长时间运行可靠性及寿命周期； 计算机监控结果数据处理模块能提供现场控制更多的有用信息，如生成 年度、季度生产报表或生产变化曲线等： 现代社会技术发展迅猛，商品需求千变万化，厂商会常常增加设备，或者更 改工艺，所以，我们要考虑到现实中多种需求存在的可能性，否则将直接导致错 失市场良机。因此，在系统设计时要给系统的整体功能扩展留有足够的设计空间 已被满足新的需求。可扩充性和