（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式web服务器的热处理远程监控系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh e a tt r e a t m e n ti st h ei m p o r t a n ts t e pi na u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ( a d i ) m a n u f a c t u r e ，t h ec h a n g ei np a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，t i m e ，e t c ，i nt h ep r o c e s s o fh e a tt r e a t m e n t ，h a sd i r e c ti n f l u e n c eo np r o d u c t s p e r f o r m a n c ei n d e x t h et r a d i t i o n a l c o n t r o ls y s t e m so fh e a tt r e a t m e n ta r em o s t l yl i k es o m ei s o l a t e di s l a n d s ，a n dt h e r ei s n oc o m m u n i c a t i o nw i t ht h ee x t e m a lw o r l d t h et a r g e to ft h i sp a p e ri st od e s i g nar e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h eh e a t t r e a t m e n t a f t e ra n a l y z i n gt h ep r o c e s so fa d ih e a tt r e a t m e n t ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h e s y s t e mr e q u i r e m e n to ft h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fa d i h e a tt r e a t m e n t p r o p o s e st w od i f f e r e n ts o l u t i o n so ft h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ma n d m a k e sc o m p a r a t i o no ft h e m t h es e l e c t e ds o l u t i o nd i v i d e st h ew h o l es y s t e mi n t o3 p a r t s ，w h i c ha r e ：t e m p e r a t u r e c o n t r o ls u b s y s t e m ，p l cc o n t r o ls u b s y s t e ma n d e m b e d d e dw e bs e r v e rs u b s y s t e m t h er e s e a r c ho fe m b e d d e dw e bs e r v e rs u b s y s t e mi st h em a i nc o n t e n to ft h i s p a p e r a r m 7 t d m ib a s e ds 3 c 4 4 b o xi se m p l o y e dt ob ec e n t r a lp r o c e s s i n gu n i ta n d t h ep e r i p l h e r a lh a r d w a r ei sc o m p o s eo ff l a s h ，s d r a m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ea n de t h e r n e ti n t e r f a c e f l a s hi su s e dt op r e s e r v eb o o f l o a d e r , u c l i n u xk e m e l a n df i l es y s t e m ；s d r a mi su s e dt ob eo p e r a t i n gs p a c ea n dd a t am e m o r y ；s e r i a l c o m m u n i c a t i o np o r ti su s e dt oc o m m u n i c a t ew i t hp l c ；e t h e m e ti n t e r f a c ei su s e dt o b eh l t e m e ti n t e r r a c e s o f t w a r ea d o p t su - b o o ta ss y s t e m a t i cb o o t l o a d e r t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e p r o c e s so ft r a n s p l a n tu b o o tt oe m b e d d e dw e b s e r v e ra f t e ra n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo f b o o t l o a d e r a n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i co fu c l i n u xa n di n t r o d u c e sh o w t ot r a n s p l a n tj t t ot h es y s t e m b e s i d e s ，an e t w o r kb a s e dc r o s sc o m p i l ee n v i r o n m e n ti sr e s e a r c h e d t l l i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e so nt h ec o n s t r u c t i o no fw e bs e r v e rw i t hb o aa n dc g i o nu c l i n u x ，a n do nt h em e t h o do fm u l t i u s e ra u t h e n t i c a t i o nb ym o d i f y i n gt h es o u r c e c o d eo f b o a a s r e g a r d st h er e a l i z a t i o no ft h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i sp a p e r r e s e a r c h e s t h ea c t i v er e l a t i o nb e t w e e nh t m lp a g e s ，c g ip r o g r a ma n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o n a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h er e a l i z a t i o no fc g i a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o ni sa n a l y z e d k e yw o r d s ：e m b e d e dw e bs e r v e r , h e a tt r e a t m e n t ，r e m o t em o r n i t o r i n g ，$ 3 c 4 4 8 0 ， u c l i n u x i i 独创性声明 y8 6 0 8 2 2 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工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了谢意。 签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 2 翌：) 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 锄签名：照日期：趔p 谬 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 奥贝球铁( a d i 】是二十世纪铸冶技术的一项重大发现，是一种新型铸铁材 料，其强度和耐磨性可与高强度钢材相媲美，同时它还具有一定的韧性和减震 性，可代替高强度灰铁、球铁件、高强度碳钢、合金钢铸件、锻件、焊接件及 表面淬火件，因此有着广泛的应用价值和广阔的市场前景【l 】。然而，该材料只有 通过严格控制铸造和热处理生产过程才能达到比较理想的性能。为此，美国、 英国、芬兰、日本等国家已对a d i 的热处理工艺及设备进行了深入的研究1 2 1 ”， 并己拥有先进的等温淬火热处理生产系统。而我国至今在等温淬火热处理生产 系统的监控方面还处于起步阶段u 】。 传统的热处理监控系统一般都采用温度传感器、位置传感器获取现场温度 及位置信号，用控制仪表或p l c 作为下位机，工控机或普通p c 机作为上位机， 使用c a n 、r s 2 3 2 r s - 4 8 5 、p r o f i b u s 等总线进行组网，实现信息交换、任务调 度、实时监控及数据处理f 4 1 p 】【“。这种控制方式可以满足热处理过程的基本监控 需求，但是，从网络应用层面上来说，这种类型的热处理控制系统就好比一个 信息孤岛，与外界缺少信息交换，工作人员只能在车间机房中对其工作过程进 行监控，限制了整个监控系统的灵活性和扩展性。 在i n t e m e t 技术飞速发展的今天，互联网已经渗透到我们工作生活的各个角 落，将各类控制系统安全而快捷接入i n t e m e t 是大势所趋。在将热处理控制系统 接入到i n t e m e t 后，我们就可以通过i n t e r a c t 远程访问热处理控制系统，实现对 热处理过程的监视和控制，可以对热处理工艺参数进行远程设置。各热处理监 控系统间也能通过i n t e r n e t 进行数据信息交换从而达到知识经验共享，从而优化 和提高系统性能。因此，为热处理过程监控系统提供简单、有效而又安全的 i n t e m e t 接入将可以大大提高整个监控系统的灵活性和工作效率，同时也为热处 理车间的现代化管理提供了必要条件。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 热处理系统应用现状 据不完全统计，全国机械工业有1 0 6 0 0 个热处理厂、点，机械工业热处理 加热炉1 1 万台，热处理年产值5 0 亿元，热处理钢件约7 0 0 万吨、铸铁件3 0 0 万吨。但总体而言，热处理生产组织和管理落后，设备陈旧，检测手段简陋， 工艺管理薄弱，从业人员素质偏低，质量意识不高。在多数工厂是“大而全， 小而全”体制，设备利用率很低，单位电耗平均在1 0 0 0 k w h t 工件以上 7 】造成 了极大的资源浪费。这在很大程度上和热处理工业信息系统的建设滞后有很大 关系。 目前，广泛存在的热处理监控系统可以大概分为以下几类【4 1 5 】【6 1 【7 】【8 1 ： ( 1 ) 使用控制仪表或者p l c 完成系统的部分控制功能。这类系统一般具有 独立的温度控制系统或者位置控制系统，而没有整体的自动控制系统。车间中 一些控制操作仍需要在人的参与下完成，诸如工件的搬运，工件的加热时间控 制和盐浴时间控制等等。这类控制系统严格上来说属于半自动型的控制系统， 一般存在于早期设计的小型热处理厂。由于受技术条件的约束，这类热处理控 制系统一般自动化程度不高、生产效率低，而且工人需要在恶劣的热处理现场 进行手工操控，因此亟待改造。 ( 2 ) 以计算机为主的直接数字控制系统。这类系统由计算机直接对热处理 过程进行控制，计算机取代温控仪表和p l c 作为生产过程控制主要装置。现场 各类传感器信号通过插在计算机主板上的各类i ，o 板卡传到计算机，计算机按控 制规律进行数值计算，并经过输出通道直接控制生产过程。直接数字控制系统 实质上是单回路或多回路的数字调节装置，以工控机为核心，加上过程输入、 输出通道，从而实现了系统的自动控制。这类系统尽管在自动化程度上较第一 种系统有了很大提高，但受计算机软硬件影响较大，控制系统的稳定性较差， 同时对系统维护人员和使用人员的要求也较高。 ( 3 ) 基于计算机、p l c 和智能温控仪表的集散控制系统。这类系统将外部 温度传感器经过变送后直接接入到智能温控仪表，由温控仪表完成对温度的控 制。将位置传感器信号以及其他现场信号接入到p l c 的输入模块，在p l c 内部 进行运算和处理后，通过输出模块送回到现场，实现系统自动控制。工控机作 武汉理工大学硕士学位论文 为上位机通过以太网或串行总线与p l c 及仪表通信，进行数据交换，从而实现 整个热处理系统的实时监控。这类系统由于采用了专用温控仪表和p l c 作为主 要控制装置，系统稳定性得到了很大提高。但这类系统一般成本较高，系统构 成复杂，不便于日常维护，而且没有提供远程监控接口，不支持软件的远程在 线升级和工艺优化，使得系统自由度大大降低。该类系统适合于大型的具有专 业计算机维护人员的热处理工厂。 1 2 2 远程监控系统的网络接入研究现状 随着数字化时代的到来，各种信息的网络共享已经越来越受到人们的重视 和亲睐。将工业监控系统接入i n t e r n e t ，实现监控信息和控制策略的网络共享， 已经成为一个国内外学者研究的热门课题。 目前已有的远程监控系统大致分为以下几种： ( 1 ) 基于c s 模式的网络监控系统。c s 模式，即c l i e n t s e r v e r ( 客户机 服务器) 模式是一种两层结构的网络模式。第一层是在客户机系统上结合了表 示与业务逻辑；第二层是通过网络结合了数据库服务器。在监控系统中，一般 用一台计算机作为s e r v e r ，其他远程监控用户均作为c l i e n t 接入s e r v e r 。s e r v e r 和c l i e n t 之间通过专用的应用程序进行网络通信。c s 通过将任务合理的分配到 c l i e n t 端和s e r v e r 端，降低了系统的通讯开销，可以充分利用两端硬件环境的优 势。但随着企业规模的日益扩大，软件的复杂程度不断提高，c s 模式的弊端暴 露无遗，侧如开发成本高、软件移植困难、系统维护不便、系统拓展不灵活等 等使得这种方式的网络监控系统很难推广使用。 ( 2 ) 基于b ，s 模式的计算机网络监控系统。在b s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏览 器服务器) 体系结构系统中，用户通过浏览器向服务器发出请求，服务器对浏 览器的请求进行处理，将用户所需信息返回至浏览器。这种结构大大简化了客 户机的工作，客户机只需配置少量的客户端软件便可对控制过程进行远程监控。 而服务器将担负更多的工作，数据请求处理、数据加工、结果返回以及动态网 页生成等工作都由服务器完成。实际上b s 结构把两层的c s 结构的事务处理 逻辑从客户机的任务中分离出来，由服务器单独组成一层来担负其任务。这种 结构不仅把客户机从沉重的负担和不断对其提高的性能要求中解放出来，也把 技术维护人员从繁重的维护升级工作中解脱出来。系统维护人员不再为程序的 武汉理工夫学硕士学位论文 维护工作奔波于各个客户机之间，而只需把精力放在功能服务器上即可。b s 结 构的网络模式大大提高了网络监控系统的灵活性，是目前应用较为广泛的一种 网络监控模式。但是在这种监控模式中，由于用户经常是通过远程访问并监控 整个控制过程，因此作为服务器的计算机一般只用来作为远程访问服务器，造 成了一定的资源浪费。另外，当作为服务器的计算机受病毒感染或使用不当时 易造成系统不稳定甚至崩溃，此时则需要专业的计算机人员进行现场维护。 ( 3 ) 基于b s 模式的嵌入式w e b 远程监控系统。嵌入式w e b 系统自提出以 来，得到了各类研究学者、公司企业的极大关注，各式各样的解决方案和实现 方式层出不穷。然而目前基于嵌入式w e b 服务器的远程工业监控系统并不多见， 本文的研究重点便是这类基于b s 模式的嵌入式w e b 热处理远程监控系统。这 类热处理远程监控系统一般采用高性能的1 6 3 2 位处理器作为处理核心构造嵌 入式系统，外部扩展易失性和非易失性存储设备，采用扩展以太网接口的方式 提供t n t e m e t 外部接入，内部则采用c a n 、r s 4 8 5 或r s 2 3 2 总线和下位温控仪 表或p l c 进行通信。通过在该嵌入式系统上构建w e b 服务器，提供基于b s 的 远程访问。由于采用嵌入式系统作为w e b 服务器，使得系统的成本大大降低， 且设备体积小巧，便于安装。而且由于嵌入式w e b 服务器的专用性，使得系统 稳定性大大提高。此外，一旦系统发生故障，可以直接通过i n t e m e t 进行远程软 件维护或软件升级，能以最快速度恢复系统。 1 2 3 嵌入式w e b 服务器研究现状 对于现有的嵌入式w e b 服务器解决方案，从总体上出发可以把它分为以下 几类【9 l 1 0 1 1 1 】： ( 1 ) 硬件上采用内部集成或外部扩展网卡芯片，软件上则采用在应用中直 接嵌入完整的或者经过裁减的t c p 口协议栈的方式，建立直接的i n t e m e t 访问。 在这样的系统中，用软件的方式处理t c p i p 协议，应用起来较为灵活，也便于 升级维护。本文所介绍的嵌入式w e b 服务器即采用了这种方案。 ( 2 ) 在系统上加入一个第三方的t c p i p 设备，以硬件的方式来实现t c p i p 协议，系统只需要负责和该芯片的接口进行连接就可以接入i n t e m e t 。该方案将 t c p i p 协议固化在硬件中，从而提高了系统的性能，而且实现起来也较为简单， 但系统缺乏灵活性，软件的升级也很不方便。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 自己编写t c 聊p 协议栈或者其中的几个特定协议。这种方案和第一 种方案比较类似，不同在于其t c p i p 协议栈是根据系统需要用户自己编写的， 在功能上会比第一种方案匮乏一些，但同时其代码量也将大大降低。 ( 4 ) 使用专门网络和外部网关进行通信，通过外部网关实现和i n t e r n e t 的 连接。这种方案主要解决8 1 6 位的控制器为核心的嵌入式系统或其他不具有网 络接口的设备的网络接入的问题，也是早期大多数嵌入式设备接入i n t e r n e t 的方 法。这种外部网关可以是独立的嵌入式设备，也可以是带有专门网络接口的p c 机。 虽然w e b 技术以及w e b 服务器技术发展到现在已经很成熟了，但如何把 w e b 服务器技术应用到嵌入式设备中，还没有一个统一的标准。上述四种解决 方案在综合考虑性能、价格、开发周期和维护成本等因素的情况下，都能有其 突出的优势，在实际应用中都能占到一席之地。 在硬件方面，由于成本和应用领域的要求，目前应用最多的嵌入式微处理 器是8 位的微处理器。这些微处理器的片内资源比较少，相应的软件也不会太 庞大。因此比较复杂的软件功能不容易在这些微处理器上实现。因为要传送大 量的h t m l 页面，所以会影响微处理器的运行效率，微处理器对其他事件的响 应将会相对缓慢。但是国外有学者在8 0 5 1 只有2 4 k br a m 和3 2 k bf l a s h 的单 片机中成功实现了嵌入式w e b 服务器，提供了包含文本、表单和图像的页面的 传输1 。在资源有限的情况下，服务器所能提供的服务一般都比较简单，而且这 也对开发者有很高的要求，开发者需要对嵌入式系统软硬件知识、t c p ，口协议 和h t t p 服务等知识有着很透彻的理解。一般情况下，为了实现比较复杂的嵌 入式w e b 服务器功能，往往要采用1 6 位以上的微处理器和较丰富的存储资源。 在软件系统方面，可以采用实时操作系统或简单利用循环加中断的结构。 国外许多公司提供了功能强大、性能可靠的实时操作系统。大部分实时操作系 统内部具有对t c p i p 协议的支持，可以实现w e b 服务器的功能，如v r t x 、 n u c l e u s 、p s o s 、o n x 、v x w j r k 、r t x c 、c m x r t x 等产品【1 3 j 。另外有些 国外公司提供了支持c 语言的t c p i p 协议的库函数，这些库函数既可以运行在 实时操作系统环境下，也可以直接连接到用户的软件中。利用以上这些产品有 较高可靠性保证。但是这些产品对国内用户来讲有一个比较大的问题，就是这 些产品的价格比较昂贵，这是影响这些实时操作系统推广的主要原因之一【1 a 而同时嵌入式l i n u x 操作系统以源码开放、价格低廉、功能强大、易于移植等特 武汉理工大学硕士学位论文 点而正在被广泛采用，并已成为一种新兴力量。通过在嵌入式l i n u x 系统上植入 提供w e b 服务的软件从而实现嵌入式w e b 服务器的设计是目前比较流行的一种 实现方式。 1 3 本论文的主要工作 通过以上的分析，本文针对目前热处理系统中存在的一些不足和急需解决 的问题提出一种热处理远程监控系统方案，主要研究的内容包括： ( 1 ) 介绍了热处理工艺过程，针对该过程提出了热处理远程监控系统的两 种解决方案，并对两种方案进行了对比分析。 ( 2 ) 对基于嵌入式w e b 服务器的热处理远程监控系统的结构及备组成子系 统进行了分析。 ( 3 ) 对核心处理器s 3 c 4 4 b o x 与f l a s h 、r a m 、以太网接口和串行通信接 口等接口电路进行研究设计。 ( 4 ) 给出了u b o o t 及u c l i n u x 在目标硬件平台上的移植及实现方式。 ( 5 ) 对利用b o a 、c g i 、h t m l 和串行通信程序在该平台上实现热处理远 程监控系统w e b 服务器给出了详细介绍。 ( 6 ) 提出一种基于网络的交叉编译系统的构建方法。 本文在结构上共分为六章。第1 章为绪论，主要介绍了本课题的研究背景 及目前热处理远程监控系统的研究现状。第2 章为系统总体结构设计，介绍了 热处理工艺过程，针对该过程提出两种解决方案，并对三个子系统进行简要介 绍。第3 章为系统硬件设计，介绍了s 3 c 4 4 b o x 及其外围接口电路的设计。第4 章为系统层软件设计，详细介绍了交叉编译环境的建立、u b o o t 和u c l i n u x 在本 系统的移植。第5 章为应用层软件设计，介绍了在u c l i n u x 操作系统下的b o a 和 c g i 方式的w e b 服务器的建立及热处理远程监控系统应用层软件的具体实现。 第6 章为总结与展望，对全文进行了总结，对本热处理远程监控系统的不足进 行分析并做了未来展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章热处理远程监控系统结构设计 2 1 热处理过程及系统技术指标 2 1 1 热处理工艺过程 奥贝球墨铸铁( a u s t e m p e r e dd u c t i l ei r o n ，a d d 材料在各中性能指标上都 有优秀的表现，已广泛应用于农业机械、建筑机械、工程机械、汽车、铁路和 军工领域【”1 。国内外a d i 的主要应用领域和相关领域专家针对其展开了许多研 究。 生产a d i 是一个复杂的过程 1 6 1 ，其工艺流程如图2 - 1 所示。铸 造球铁铸件是整个工艺流程的第 一步，在铸造球铁铸件时应该根据 产品的技术要求加入合适的合金 元素。由于加工出来的a d i 产品 一般具有高强度高硬度等特点，所 以在进行热处理前应进行粗加工。 以上两步为热处理前的准备工作。 虚框内为热处理工艺过程，该过程 是奥贝球铁生产的关键工序，包括 奥氏体化、等温淬火和冷却清洗三 个步骤。热处理过程中的奥氏体化 加热温度、等温淬火温度、保温时 间等对其产品的各项指标都有着 的直接的影响。奥氏体加热方式有 连续加热方式和阶段加热方式两 种，其中前者适用于壁厚均匀且体 积较小的工件或加热速度较慢的 铸造球铁铸件 l i 粗舡i 一一0 一一一 高温奥氏体化加热 0 等温淬火l 清洗 i 精加工i 成品 图2 1a d i 生产工艺流程 炉子，后者则相反。奥氏体化温度一般采用8 6 0 9 5 0 ，奥氏体化保温时间根据 7 武汉理工大学硕士学位论文 采用加热方式不同取1 2 5 小时不等。在奥氏体化完成后需要对工件进行等温淬 火处理，目前国内采用较多的淬火介质为硝酸盐混合液，为此人们又将淬火成 为“盐浴”。淬火温度一般选在2 3 0 4 0 0 ，淬火时间一般在1 5 - 3 小时内取值。 由于盐液腐蚀性较大，易污染环境，故工件在淬火之后一般需要清洗【1 6 】。经过热 处理之后的工件再经过各种精加工之后就可以作为成品应用了。 根据实际生产过程的需要，可以把热处理控制系统中的自动控制划分为工 艺参数自动控制和运送控制两大类。热处理工艺参数自动控制指对温度和时间 的自动控制。改变热处理工艺参数的数值或将参数进行不同的结合，就能得到 煅烧、淬火、回火、冷却和等等各种不同的热处理工艺。运送控制指的是对运 送工件的机械手的控制，其控制目标是快速、稳定、安全。 在本热处理系统中，使用箱式电炉来进行高温奥氏体化加热，使用盐浴炉 来进行等温淬火，清洗则采用浸泡加高压自来水喷淋的方式来进行。该热处理 车间示意图及工件走向图如图2 2 所示。其中，工件架一次共可存放8 个工件， 高架导轨 图2 2 车间及工件走向示意图 每一个工件从工件架出发，依次经过箱式炉( 步骤1 ) 、盐浴炉( 步骤2 ) ，清洗 区( 步骤3 ) 后被送回到工件架上的原位( 步骤4 ) 。在淬火过程中，机械手将 武汉理工大学硕士学位论文 工件放到盐浴炉中的摇摆装置，由摇摆装置的直线反复运动来搅动盐液，以使 受热均匀。在生产过程中，为了充分利用箱式炉，提高生产效率，当前个处 理工件从箱式炉中取出放到盐浴炉浸洗过脑等温淬火后，便从工件架取出下一 个需要加工的工件放入箱式炉进行奥氏体化加热。 在这里需要注意的是，在同一批进行加工的工件中，会存在不同工件的工 艺参数不同的情况，这样在控制系统设计时必须提供对每个工件的工艺参数进 行设置的功能。 2 1 2 系统技术指标 本系统通过嵌入式w e b 服务器以及p l c 、温控仪表等现场控制设备，实现 对热处理过程的远程监控，需达到以下技术指标： ( 1 ) 三轴机械手能准确按照工艺流程在各工件作业点间运送热处理工件； ( 2 ) 能保持箱式炉内温度在连续加热或阶段加热方式下跟随工艺曲线变 化，在保温阶段保持温度偏差1 0 ； ( 3 ) 能保持盐浴炉温度在给定工艺淬火保温温度下控制偏差1 0 ； ( 4 ) 能通过互联网浏览到目前的生产状况，内容包括箱式炉和盐浴炉的温 度，目前在作业的工件号等； ( 5 ) 能通过互联网设置和查看热处理工件的各项热处理工艺参数； ( 6 ) 能通过互联网控制生产过程的启动、暂停、恢复和停止。 2 2 系统结构设计 2 2 1 系统的方案选择 本系统中所需要控制的对象包括：箱式炉温度、盐浴炉温度、机械手三轴 电机以及其他的一些配套设备，如：炉门电机、摇摆电机、摇摆装置升降电机、 清洗区托架升降电机、喷淋电机和电铃等等。 针对系统的技术指标及应用需求，本文提出两种系统结构方案，并对两种 方案进行对比分析。 第一种方案：热处理控制过程由嵌入式w e b 服务器、p l c 及温控仪表协作 武汉理工大学硕士学位论文 完成。这种方案的系统结构如图2 3 所示。 温 图2 3 方案一系统总体结构图 在这种方案中用温度控制仪表控制箱式炉和盐浴炉的温度，用p l c 对三轴 机械手及其他辅助设备进行位置控制。嵌入式w e b 服务器保存用户设置的热处 理工艺参数，并通过r s 4 8 5 总线与温控仪表和p l c 进行通信，根据热处理工艺 的时序逻辑进行工艺参数的适时下传及运送任务的调度，参与控制过程，所以 同时也是控制器。同时，嵌入式w e b 服务器接入h a t e m e t 并提供w e b 服务，在 接收到远程客户端的访问请求后，通过r s 4 8 5 从温控仪表和p l c 获取现场工况 数据，向客户端返回h t m l 页面，实现现场工况的监视。 第二种方案：热处理控制由p l c 和温控仪表完成，嵌入式w e b 服务器提供 远程i n t e m e t 接入。这种方案系统结构如图2 - 4 所示。 这种方案中同样用温度控制仪表来实现系统的温度控制，用p l c 对三轴机 械手及其他辅助设备进行位置控制。但在此方案中，p l c 是控制系统的主体， 武汉理工大学硕士学位论文 除了完成位置控制模块外，在热处理过程中还需要根据工艺时序进行运送任务 调度及通过r s 4 8 5 总线设置奥氏体化温度和淬火温度。p l c 实时采集箱式炉和 盐浴炉当前温度，存放在存储区中，供嵌入式w e b 服务器查询。嵌入式w e b 服 务器以w e b 页面的方式和远程用户交互，实现远程监控，并通过r s 2 3 2 和p l c 通信，获取现场工况信息和设置热处理工艺参数，但不参与控制过程。热处理 工艺参数同时保存在嵌入式w e b 服务器和p l c 中。 图2 4 方案二系统总体结构图 两种方案的共同点在于嵌入式w e b 服务器都用来提供远程用户的w e b 访 问，并保存热处理工艺参数，不同点在于嵌入式w e b 服务器在第一种方案中参 与了控制过程，而在第二种方案中没有。第一种方案是根据目前运行于一些热 处理车间的控制系统改造而来，使用嵌入式w e b 服务器代替了上位工控机，这 种方案系统结构相对简单，也简化了p l c 控制程序的设计，但是由于嵌入式w e b 服务器参与了控制过程，若嵌入式w e b 服务器发生故障，整个系统将不能运转。 而第二种方案所有的控制过程由性能稳定、抗干扰能力强的p l c 来完成，嵌入 武汉理工大学硕七学位论文 式w e b 服务器为远程客户提供访问热处理监控系统的i n t e m e t 接口，各子系统间 功能相对独立。因此本系统选择第二种设计方案。 本热处理远程监控系统可以分解为以下三个子系统：温度控制子系统、p l c 控制子系统和嵌入式w e b 服务器子系统。以下将对三个子系统分别进行简要介 绍，其中嵌入式w e b 服务器子系统是本文研究的主要对象，将在文章后面章节 中作更详细的介绍。 2 2 2 温度控制子系统 温度控制子系统采用热电偶对箱式炉和盐浴炉的温度进行检测，将获得的 温度信号经过变送后送入温控仪表，仪表内部进行数据运算后送出一定通断率 的双向晶闸管通断信号，将此信号接入主电路，通过控制炉子的平均功率达到 控制温度的目的。 本系统温控仪表采用了技术成熟的智能控制仪表宇光刖7 0 8 ，该仪表结合 p i d 调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定自适应功能及无超调、无欠 调的精确调节；内置了常用热电偶，热电阻非线性校正表格，测量精确稳定； 采用a i b u s + 通讯协议，支持r s 4 8 5 或r s 2 3 2 c 通讯接口；提供1 0 段程序控制， 可实现任意斜率的升、降温控制，具有跳转( 循环) 、运行、暂停及停止等可编 程可操作命令，并允许在程序的控制运行中随时修改程序。采用具备曲线拟合 功能的灿人工智能调节算法，能获得光滑平顺的曲线控制效果：可在程序运行 中编辑事件输出功能，配合控制外部设备动作f 1 7 1 ：在应用中达到了良好的效果。 温控仪表与p l c 之间采用r s 4 8 5 总线进行通讯，实现现场实时温度数据上 传和给定温度设定。 2 2 3p l c 控制子系统 p l c 控制子系统是热处理系统控制部分的主体，其完成的任务包括：三轴 机械手及其他辅助设备位置控制、热处理过程时序控制、根据时序设置温控仪 表的温度工艺参数、查询温控仪表中当前温度值等。 ( 1 ) 硬件设计 硬件上，本系统选用了欧姆龙c j i m 系列c p u l l 处理器，扩展2 个输入模 块c j i w - i d 2 1 1 、2 个输出模块c a l w - o c 2 1 1 及一个支持协议宏的串行通信单元 武汉理工大学硕士学位论文 c j i w - s c u 4 1 。p l c 输入输出模块各接点所接现场信号如表2 - 1 所示。 表2 - 1 输入输出模块现场信号关系表 o 0 0 复位 1 0 0 箱式炉门上极限 o 0 1 运行 1 0 1 箱式炉门下极限 输 o 0 2 停止 1 0 2 x 轴左停止 入 0 0 3 工位1 1 0 3 x 轴左减速 模 0 0 4 工位2 1 0 4 x 轴中停止 块 0 0 5 工位3 1 0 6 x 轴中左减速 i 0 0 6 工位4 1 0 7 x 轴右减速 d 0 0 7 原点右减速 1 0 8 x 轴右停止 20 0 8 原点左减速 1 1 0 摆叉下极限 l 0 0 9 原点 1 1 1 z 轴上层上停止位 1 0 1 1 y 轴左减速 1 1 2 z 轴上层工位 1 0 1 2 y 轴左停止 1 1 3 z 轴下层上停止位 0 1 3 托架上极限 1 1 4 z 轴下层工位 o 1 4 托架下极限 1 1 5 摆叉上极限 2 0 0 运行指示灯 2 1 2 小车变频器输入3 2 0 1 停止指示灯 2 1 3 叉钩上升 输2 0 2 电铃 2 1 4 叉钩下降 出 2 0 3 大车正转 3 0 0 摆叉上升 模2 0 4 大车反转 3 0 1 摆叉下降 块 2 0 5 小车正转 3 0 2 摆动电机 o 2 0 6 小车反转 3 0 3 托架上升 c 2 0 7 大车变频器输入1 3 0 4 托架下降 2 1 2 0 8 大车变频器输入2 3 0 5 喷淋 1 2 0 9 大车变频器输入3 3 0 6 炉门上升 2 1 0 小车变频器输入1 3 0 7 炉门下降 2 1 1 小车变频器输入2 c j i w - s c u 4 1 通信单元具有两个串行通信口，一个支持r s 4 2 2 r $ 4 8 5 协议， 在本系统中用于同温控仪表通信，另一个支持r s 2 3 2 协议，在本系统中用于同 嵌入式w e b 服务器通信。 ( 2 ) 软件设计 系统软件的设计包括两个部分：协议宏设计和控制程序设计。 通信协议宏功能是把同连接在r s 2 3 2 或r s 4 2 2 4 8 5 通用组件等各种通信机 器之间的数据送收信息顺序，通过通信协议宏支持软件，让用户自由编制，然 武汉理- 亡大学硕士学位论文 后再主程序中以p m c r 指令调用实现的用户原始通信协议f 1 8 】。在本系统中串口 1 和温控仪表通信协议宏的设计按照温控仪表的协议定义相应的s t e p 、s e q u e n c e 、 s e n dm e s s a g e s 、r e c e i v em e s s a g e s 。串口2 和嵌入式w e b 服务器的通信协议宏按 通信双方约定好通信协议帧及数据请求命令格式进行设计。 在控制程序编制上，c a l m 系列p l c 相比以往的p l c ，引入了任务的概念， 使得程序的编写更加模块化，简化了编程。控制程序根据热处理工艺分成了五 个任务，分别为：( 1 ) 主程序，( 2 ) 工件架取工件入箱式炉，( 3 ) 箱式炉取件 入盐浴炉，( 4 ) 盐浴炉取件清洗，( 5 ) 清洗区取件上架。 其中，主程序是系统核心程序，其软件流程图如图2 5 所示。任务( 2 ) 、( 3 ) 、 ( 4 ) 、( 5 ) 是工件运送程序模块，在主程序中根据热处理时序控制逻辑进行激 活或关闭。 n 开始 系统初始化 查询仪表温度 甚堡墨兰奎二 i ! 响应上位机请求 完成数据交互 n 下一工件? y 激活任务2 将该工件奥氏体化温度 设置到温控仪表 獬 釜 时间到? y t 磊翮 将该工件淬火温度 设置到温控仪表 竖垄时间型! 二= 一n 淬火时间到? = 、， 上y 百习 垂蕊岁 清洗完成? = ： 一 1 1 一 t 磊高习 图2 - 5p l c 主程序流程图 1 4 武汉理j i 大学硕士学位论文 2 3 4 嵌入式w e b 服务器子系统 嵌入式w e b 服务器子系统为热处理监控系统提供远程w e b 访问，是本文的 主要介绍对象，其系统结构图如图2 - 6 所示。 r s 2 3 2 n t e r n e t 墨錾星卜， ! i h 嵌入式w 曲服务 一一 丁上l i 虚拟文件系统h 型倒 u c l i n u x 内核 与底层驱动 。r ，1软件系统 l j 硬件系统 副s 。c a a h 圊 西由隹圄 图2 - 6 嵌入式w e b 服务器子系统结构图 硬件系统方面，以a r m 为核心平台，扩展h a s h 用于储存软件系统 b o o t l o a d e r 、操作系统压缩内核以及虚拟文件系统，s d r a m 用作b o o t l o a d e r 及 操作系统的运行环境，同时系统运行时的过程数据也存放在s d r a m 中。j t a g 主要用于系统设计阶段的调试和整定，需要提供两路u a r t ，一路用于设计阶段 的运行信息的输出，另一路用于实现和p l c 通信和数据交换。以太网接口实现 了和i n t e r n e t i n t r a n e t 的接入。除此之外，硬件系统还应该包括电源电路、复位 电路及晶振电路等其他$ 3 c 4 4 8 0 最小系统所需电路。 软件部分可以分为以下几个部分： ( 1 ) b o o t l o a d e r 。该程序是系统上电后运行的第一段程序，主要完成系统初 始化以及操作系统内核的加载； ( 2 ) 操作系统内核及虚拟文件系统。操作系统内核完成进程管理、进程间 通信、虚拟文件管理、任务调度等基本功能，虚拟文件系统则为操作系统的运 行及系统的数据文件存取提供文件支持； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) w e b 服务部分。这部分程序主要包括了b o aw e b 服务、c g i 应用程序 以及安全机制。主要完成响应远程用户浏览器请求，对用户的身份信息进行认 证，在通过认证后通过文件、数据管理模块发布网页。远程用户请求的静态网 页直接从文件系统中获取，动态监控数据信息则通过调用接口应用程序c g i 获 取后向客户端返回。远程用户向w e b 服务器提交奥氏体化温度、奥氏体化时间、 淬火温度和淬火时间等工艺参数时，也由对应c g i 程序响应，将获得的工艺参 数通过串口写入到p l c 并保存到文件中； ( 4 ) 用户应用程序。这部分程序是根据系统目标在u c l i n u x 操作系统上开 发的应用程序。目前本系统中用户应用程序是以c g i 的形式存在于w e b 服务中， 提供串口通信及文件读写功能。 其中，b o o t l o a d e r 和操作系统内核为系统层软件，w e b 服务和用户应用程序 为应用层软件。 系统的硬件设计将在第三章详细介绍，系统层软件和应用层软件的设计将 分别在和第四章和第五章中详细介绍。 2 3 本章小结 本章首先介绍了a d i 材料的优点并描述了生产a d i 元件的具体过程，指出 热处理是a d i 材料生产的关键步骤，然后介绍了本热处理车间的概况及工件加 工流程，提出了热处理远程监控系统的技术指标。随后，提出两种系统解决方 案，并对两种方案进行了对比和选择。最后对选定方案的各个子系统进行了简 要介绍。 武汉理工人学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 3 1 系统硬件组成结构 在本系统中，采用了目前广泛使用的s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 作为核心 处理器，通过扩展外部s d r a m 、f l a s h 、以太网接口芯片、串口通信芯片及一些 基本元器件等完成硬件系统设计。系统的总体框图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 系统总框图 系统硬件选型如表3 - 1 所示： 表3 - 1 系统硬件选型表 名称 型号备注 f l a s hs s t 3 9 v f l 6 0 11 6 m b ，1 mx1 6 b i t s d r a mk ：4 s 6 4 1 6 3 2 f 6 4 m b ，1 m x1 6 b i t x4 b a n k s e t h e m e tr t l 8 0 1 9 a s 1 0 b a s e 5 ，1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e t e i a m a 一2 3 2 e u a r tm a x 2 3 2 3 2 a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设计了 大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。a r m 技术具有 性能高、成本低和能耗省的特点，适用于多种领域，比如嵌入控制、消费教育 1 7 武汉理上大学硕士学位论文 类多媒体、d s p 和移动式应用等