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浙江理工大学硕士学位论文 基于c s 伽的纺织生产设备控制系统架构设计 摘要 纺织工业作为我国重要的加工产业，在国民经济发展中具有举足轻重的地位。纺织 生产设备作为纺织产业中的一个重要核心部分，它要针对纺织科技进步的要求，及时地 为纺织工业提供相适应的技术装备。计算机控制技术在纺织生产设备中的普遍应用，将 成为新世纪纺织工业全面进入数字化阶段的重要条件。 本课题以嵌入式纺织生产设备为研究背景，提出了通过计算机支持的协同技术 ( c s c w ) ，以以太网为数据传输网络，以远程管理终端、无线现场管理终端、生产管理服 务器和现场控制终端为协同工作成员的纺织生产设备控制系统方案，四者通过信息交互 来完成对纺织生产设备的协同控制、协同管理、故障协同诊断等功能。 本论文对开发基于c s c w 的纺织生产设备控制系统架构作了比较详细的需求分析， 结合纺织企业的特点以及纺织品生产工艺流程，对整个系统的总体架构进行规划，并根 据系统所要实现的功能，对系统进行划分和设计。论文以电脑横机为研究实施背景，结 合电脑横机的工艺流程，对基于c s c w 的电脑横机控制系统中需要传输的数据进行详细 分析，并对通信网络中数据传输延迟问题进行了探讨。另外，本文结合以太网的物理特 性及需要传输数据的特点，从提高整个控制系统中数据传输的实盼i 生和可靠性两个关键 环节对系统的应用层通讯协议部分进行设计，并对协议实现的主要流程进行详细阐述。 针对上述研究，论文中采用l i n u x 下c c + + 编程技术，进行了远程管理终端、生产管理 服务器和电脑横机的模拟应用验证，对所制订的应用层通讯协议进行模拟实现。 关键字：c s c w 、嵌入式控制系统、电脑横机、通讯协议 浙江理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sam a j o rp r o c e s s i n gi n d u s t r y ，t h et e x t i l ei n d u s t r yh a sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nn a t i o n a l e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t e x t i l ep r o d u c t i o ne q u i p m e n ti sa ni m p o r t a n tp a r to ft h et e x t i l e i n d u s t r y ，w h i c hp r o v i d i n gs u i t a b l et e c h n o l o g ye q u i p m e n ta c c o r d i n gt ot h ea d v a n c e m e n ta n d d e v e l o p m e n to ft e x t i l et e c h n o l o g y t h eu n i v e r s a la p p l i c a t i o no fc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y i nt e x t i l ep r o d u c t i o ne q u i p m e n tw i l lb eo n eo ft h ei m p o r t a n tc o n d i t i o n so fd i g i t a lt e x t i l e i n d u s t r yi nn e wc e n t u r y t h i sp a p e rr e f e ran e w t e c h n o l o g yw h i c hs u p p o r t e db yc o m p u t e r - 一c s c 彤t a k ee m b e d d e d t e x t i l ep r o d u c t i o ne q u i p m e n ta st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ；t a k ee t h e r n e tn e t w o r kf o rd a t a t r a n s m i s s i o n ；t a k ed i s t a n tc o n t r o lt e r m i n a l s ，w i r e l e s sm a n a g e m e n tt e r m i n a l s ，p r o d u c t i o n m a n a g e m e n tc o n t r o ls e r v e ra n dc o n t r o lt e r m i n a l sa st e x t i l em a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n tc o n t r o l s y s t e m s i n c o l l a b o r a t i n gt h ew o r kg r o u p ，w h i c ht h r o u g hm e s s a g ee x c h a n g et o a c h i e v e c o l l a b o r a t i o ni nc o n t r o l ，m a n a g e m e n ta n df a u l td i a g n o s i so f t e x t i l ep r o d u c t i o ne q u i p m e n t t h i sp a p e ra n a l y z et h ed e v e l o p m e n to ft h et e x t i l ep r o d u c t i o ne q u i p m e n tc o n t r o ls y s t e m b a s e do nc s c w , a n da d j u s t i n gt h es t r u c t u r eo ft h ew h o l e s y s t e mc o m b i n i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h et e x t i l ei n d u s t r ya n dt e x t i l ep r o d u c t i o np r o c e s s ，a n dd i v i d ea n dd e s i g nt h e s y s t e ma c c o r d i n gt o i t sf u n c t i o n t h i sp a p e rt a k ec o m p u t e rf l a tm a c h i n ea sr e s e a r c h b a c k g r o u n d ，c o m b i n i n gt e c h n o l o g yp r o c e s so fc o m p u t e rf i a tm a c h i n e ，a n a l y s i sd i g i t a l s i n c o m p u t e rf l a tm a c h i n et r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n dr e s e a r c ht h ep r o b l e mo fd e l a yi n t r a n s m i s s i o n i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rc o m b i n i n gt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fe t h e r n e ta n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd a t at r a n s m i s s i o n ，i m p r o v i n gt h et w ok e ya s p e c t s t i m ea n dr e l i a b l ei n d a t at r a n s m i s s i o no f t h ec o n t r o ls y s t e m ，a n de x p l a i n e dt h em a i np r o c e s s a b o v ea l l ，t h ep a p e r t a k ec c + + l i n u xt e c h n o l o g y ，s i m u l a t e dv a l i d a t i n gd i s t a n c em a n a g e m e n tt e r m i n a l ， p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t s e r v e ra n dc o m p u t e rf l a tm a c h i n e ，r e a l i z e dt h ea p p l i c a t i o n t r a n s m i s s i o na g r e e m e n t i i 浙江理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：c s c w ；e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m ；c o m p u t e rf l a tk n i t t i n gm a c h i n e ： c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l i l l 浙江莲工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口 。 学位论文作者签名：毒妖j 毒又饷 日期：枷乞年6 月吟日 指导教师签名：乌b * 飞掰 日期：硼年6月如日 f 灞江蓬二大学学位论文愿割性声鞭 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是 本人在导师妁指导下，独立避雩亍硬突工作质取褥熊成果。狳文中己臻磕注器秽 引用的内容外，本论文不包信任何其他个人或集体已经发表裁撰写过的作品及 黢果斡蠹雾。论文为本人亲自撰写，我对所写的爽窭受责，并完全意识至本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文佟者签名：弓琢：敬砰 日期：p 硝年6 月修日 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 i 1 课题研究背景 1 1 1 纺织设备生产控制系统发展现状 纺织工业作为我国重要的加工产业，在国民经济发展中具有举足轻重的作用。纺织 生产设备作为纺织产业中的一个重要核心部分，它要针对纺织科技进步的要求，及时地 为纺织工业提供相适应的技术装备。通常，纺织生产设备的发展能带动整个纺织行业向 前进步，并且它同纺织技术的发展具有相辅相成的关系：纺织技术的提高促进了纺织生 产设备的更新进步，而相应的纺织生产设备的进一步发展也能带来纺织技术的革新。2 0 世纪的后几十年，全世界纺织工业通过大量的投资，进行一系列技术改造，使纺织生产 设备走上了高速度、自动化、智能化的发展道路“。 目前，新型的纺织生产设备普遍采用了计算机控制技术。这项技术的内容包含了先 进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，有p l c 、工控机、单片机、人机界面、 现场总线等组成的控制系统；先进的驱动技术，有变频调速、交流伺服、步进电机等； 智能检测仪表、智能传感器和智能执行机构等“。 1 1 2 研究课题的提出 计算机控制技术在纺织生产设备中的应用，使其具备了自动化、智能化的控制功能， 实现了纺织生产过程中各种工艺参数的在线检测、显示、自动控制和自动调节，实现了 生产设备运行的自动监测、显示、超限报警、自停、甚至故障自动排除。高度自动化的 生产设备能严格按照设定的工艺要求，以定性、定量、规范化的机械动作实现传统纺织 生产中依靠操作人员技术熟练程度完成的各种简单重复的手工操作，保证和提高了产品 质量，提高了生产效率，降低了产品成本，增强了产品的竞争力叭”1 。但同时也存在 着如下缺陷： ( 1 ) 随着纺织生产设备控制系统的复杂性增加，不但增加了设备控制系统的开发 难度，而且复杂的系统还会带来设备运行可靠性等方面的问题。 ( 2 ) 工厂成功生产的关键在于人和设备之问能相互补充、相互协作【2 0 】。计算机控 制系统具有动作精确、测量准确、处理快速和重复控制等特点，而人可以开发行动策略， 能对不精确数据进行推理，对困难具有适应能力。为了获得人一一机之间的有效结合， 浙江理工大学硕士学位论文 一个重要的因素是“人机接口”，因为“人机接口”提供了人和任务过程之间的通讯， 所以它保证了人和机器之间恰当的关系。但现在的纺织生产设备控制系统一般不具备现 场生产状况的上行报告功能，即只能简单的实现一些控制命令的下传。设备生产状态的 实时状态查询和统计实现起来比较困难，从而导致在整个生产过程中，人机之间的交互 协作无法体现出来。 ( 3 ) 现场总线技术在纺织生产设备中的应用适应了现代纺织工业的高质量、低成 本、小批量、多品种、快速响应、高效低耗、清洁生产的需要“。然而就目前来看，现 场总线通讯协议与上层管理信息系统或进一步的i n t e r n e t 所广泛采用的t c p i p 协议 是不兼容的，也存在协议转换问题。这些都增加了控制和管理信息一体化网络的实现难 度m l 。所以从上层管理信息网络到底层设备控制网络采用统一的网络协议和高速、高带 宽的网络模型已经成为当今工业控制界的共识。 随着嵌入式控制技术和网络通信技术的飞速发展，我们设想通过计算机支持的协同 技术( c s c l ) ，开发以嵌入式控制系统为纺织生产设备的控制核心，以以太网为数据传输 网络，以远程管理终端、无线现场管理终端、生产管理服务器和现场嵌入式控制终端为 协同工作成员的c s c 控制系统，由四者的信息交互，协同工作来弥补目前纺织生产设备 控制系统中的不足，并且在提高整个系统性能的同时，减少每一组成分系统的复杂性， 从而提高控制系统的可开发性。对于现场控制终端，主要是完成控制执行程序，处理传 感器输入信号和机器的同步信号，及时发出各种控制指令，使执行机构完成各种特定的 动作，自动完成纺织生产：将复杂的人机交互控制界面在本执行终端中剥离出去，只保 留简单的成本，系统采用嵌入式系统技术( 嵌入式控制设备和嵌入式操作系统) ，这样 可以大大降低系统开发的复杂程度，提高可靠性：由于在生产现场控制终端中具有网络 通信的能力，因此，通过数据通信与生产管理服务器、远程管理终端进行实时通信，从 而使整个系统具有很好的远程和现场管理能力。通过生产管理服务器，可以实时统计记 录和管理众多的生产控制设备，并可使管理人员实时了解生产现场状况。通过无线现场 管理终端可以在生产现场查看每台机器的生产状态，也可以实现对每台机器的单步调 试。由于远程管理终端不需要实时执行能力，可用普通的平板电脑或p d a 设备，从而在 实现复杂的人机交互能力的同时，开发能力大大提高。 生产的管理控制、可管理的现场信息反馈、生产设备远程故障诊断与排除都可以通 过本系统实现。 2 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 3c s c l r 简介及研究现状 1 1 3 1c s c i r 概念 计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 可以定 义为：地域分散的一个群体借助计算机及网络技术，共同协调与协作来完成一项任务。 它通过建立协同工作环境，改善人们进行信息交流的方式，消除或减少人们在时间和空 问上的相互分隔的障碍，从而节省工作人员的时间和精力，提高工作质量和效率”1 ”。 可以看出，c s c w 技术的出现和发展是在计算机技术及网络、通信技术发展基础之上 的。人们不再局限于单机单用户的完成一项工作，并且由于技术的发展导致社会分工越 来越明确，越来越细，协作的需要越来越迫切，需要多人多机的协同，突破时间和空间 的限制，同步或异步的完成同一个工作任务潮，因此，计算机协同技术就应运而生了。 1 9 8 4 年，由m i t 的i r e ng r i e f 和d e c 公司的p a u lc a s h m a n ”“州，第一次正式提出了计 算机支持的协同工作( c s c w ) 的概念。 1 1 3 2c s c w 的特点 c s c w 是一种全新的交流与工作模式。在c s c l 系统中，事务处理的主体用人工智能 中的一个概念来形容就是a g e n t 。这些a g e n t 可以是自动化设备，也可以是人、组织、 人一机系统( 包括各种计算机辅助系统、管理信息系统) 。每个a g e n t 都是一个自治单元， 它们本身一方面有着比较丰富和完善的问题求解能力( 自主决策功能) ，另一方面具有 与外界环境保持协调一致的沟通能力( 通信功能) 。这些a g e n t 在物理上可以是分散的， 而在功能上却是独立的，各节点之间是一种松散耦合的关系，节点问通过传递消息相互 联系，在共同的通信语言基础上相互协调合作，共同完成任务嘲。总的说来，c s c w 系统 具备以下特点“7 1 ： 分布性 c s c w 应支持用户使用地理位置分散的计算机，c s c w 系统本质上应是一 个分布式系统，并且应支持与协同无关的透明性，如位置透明性。 开放性 开放性是指能提供一个环境使不同的c s o 系统能相互开放地使用，即 提供不同c s c w 应用之间的互操作( i n t e r l o p e ra b i l i t y ) ，从而可以将多个c s c i r 系统连接为一个整体，避免被独立使用。 异步性 协同中不同成员具有自己不同的操作序列。即使同一工作组中的不同 成员也具有自己的独立行为。 异质性 异质性不仅仅体现在c s c w 系统的各个节点可能运行在不同的硬件、软 3 浙缸= 理工大学硕士学位论文 件平台上，还体现在c s c w 系统内挂接的异质数据源之间的互操作乃至异种c s c w 系统之间的合作”3 。 工作协同性c s c w 系统的根本要求就是要能支持工作组内、组间的工作协同。 信息共享性信息共享是协同工作的核心，通信是c s c w 的基础。 自动化支持自动化支持是c s c w 系统追求的目标。 1 1 3 3c s c w 国内外研究现状 ( 1 ) 国外研究现状。国外对c s c w 研究较早，并且相当重视。许多发达国家的政府 和企业还专门资助些大学和研究部门开展这方面的研究项目。”。目前，国外对c s c i r 的理论和技术研究主要集中在协作机制及建模、协作过程的协调和交互模式、群体通信、 c s c l r 原型系统的设计和实现等方面，已有大量的文献可供参考。例如：在协作机制和建 模方面，有u e lz a c k l a d 等人提出的姒d e t n 方法。k s c h m i d t 的基于人工制品 ( a r t i f a c t ) 理论的建模，0 1i v e rf r i c k 的基于s d l 的协调机制的形式化描述，c u n n a r t e e g e 的面向对象的系统建模方法等：有代表性原型系统包括：k e e i f e i t s 的 d o m i n o ，w i n o g r a d 的c o o d i n a t o r ，d e c i n d i o 的c h a o s ，t r e v o r 的c o l a 平台口目嗍。 ( 2 ) 国内研究现状。尽管c s 硎这一技术领域在世界范围得到了较高的重视，在我 国也己经开始逐渐得到重视，但目前我国对c s c w 的宣传还很不够。c s c w 的概念在高等 科研院校及研究所已经形成，但是要延伸到国民经济的各个领域，得到企业的主管部门、 产业的主管部门甚至政府主管部门的理解与支持还有一段距离。 1 1 4 引入c s c w 的可行性分析 l 。1 4 1 理论上的可行性 商业化的c s c w 系统已经在办公自动化、医疗应用、远程教育等领域中得到应用5 1 。 工业控制也是一个潜在的应用领域，这是因为c s c w 系统能提供关于被控对象的最新信 息，这一点对于任何基于人、机的控制系统的成功应用都是非常关键的。由于操作人员 所需信息通常与控制系统所需信息一致，所以将c s c w 技术与工业控制相结合是非常合理 的。 1 1 4 2 实践上的可行性 c s c w 是在计算机和网络通信技术发展的基础上发展起来的，本文从这两个方面来讨 论把c s c f r 技术应用到纺织工业控制系统中的可行性。 4 浙江理工大学硕士学位论文 1 ) 计算机控制技术在生产设备中的应用 一般来讲，把c s c f r 引入到工业控制系统中，会给控制本系统的处理器带来附加的 计算量和i o 需求。这对于早期的没有使用操作系统的嵌入式纺织生产设备是很难实现 的，因为它们是为了实现某些特定功能，使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进 行处理，不具备现代操作系统的基本特征( 如进程管理、存储管理，设备管理、网络通 信等) 。随着控制对象及其实现功能的复杂性增加，这种没有操作系统的嵌入式控制系 统已经不能满足现代纺织生产设备控制系统的需求。近年来，高性能微处理器的出现及 实时操作系统的发展为解决这一问题提供了良好的硬件和软件支持。3 2 位的高性能微处 理器具有更宽的总线带宽，更高的主频速度，数据处理能力大大提高；而其丰富的外设 接口，使其具有良好的可扩展性，可以方便的挂接各种外部功能模块。实时操作系统技 术则具备良好的实时性和多任务调度能力，同时为用户提供了友好的嵌入式软件开发平 台”。将嵌入式微处理器技术和嵌入式实时操作系统技术应用于纺织生产设备的控制系 统中，无疑将大大提高设备的实时控制和数据处理能力，同时为远程协同控制系统提供 强大的网络通讯能力”。 随着高档嵌入式处理器控制器价格的下降及嵌入式技术的飞速发展，越来越多的 公司进行嵌入式纺织生产设备的开发。这些新产品主要是属于以往产品的升级产品，具 有更高的智能化水平和生产精度。所以基于网络连接的柔性化、数字化的嵌入式产品是 今后纺织生产设备的发展趋势“4 。 ( 2 ) 以太网的发展现状 对于工业控制系统来说，控制网络一般必须满足两个主要标准：有限的时间延迟和 可靠的传输”1 ，传统的共享式以太网采用的是带碰撞检测的载波侦听多路访问控制协议 ( c s 姒c d ) ，一般认为该协议不能满足控制系统实时性的要求，但是随着以太网自身带 宽的迅速增加，使冲突几率大大减小外，交换机技术和全双工通信方式的出现也使数据 冲撞及重发机会最小化1 。在交换式以太网中，每个端口就是一个冲突域，各个冲突域 通过交换机进行隔离，实现了系统中冲突域的连接和数据帧的交换。这样，交换机各端 口之间同时可以形成多个数据通道，正在工作的端口上的信息流不会在其他端口上广 播，端口之间报文帧的输入和输出已不再受到c s l l a c d 介质访问控制协议的约束。由以 上分析可知，交换机技术使数据帧之间发生冲突的几率大大降低了，但在半双工方式下， 由于设备端1 3 和交换机端口属于同一冲突域，即使只连接一台设备，也不能同时发送和 浙江理工大学硕士学位论文 接收。例如，当设备在接收交换机端口传来的数据时，即使有数据要向：发送，也只能 等待，且等待时间不固定( 随数据帧长度而定) ，这种情况下，虽然冲突率很低，但仍然 降低了网络的实时性和确定性，采用全双工通信方式，设备可在发送的同时接收数据帧， 不需等待，从而极大地提高了传输的实时性，此时数据传输延迟主要取决于交换机的软 硬件性能，延迟时间趋于定值。总的来说快速以太网、交换机技术和全双工通信技术的 发展使以太网更适应于实时应用= 2 ”。 以太网在工业通讯网络中的使用，将构建从底层的现场生产设备到先进与优化控制 层、企业管理决策层的综合自动化网络平台，从而可以消除企业内部的各种自动化孤岛： 并且随着支持t c p i p 协议的嵌入式控制系统在生产设备开发中的应用，以太网技术直接 应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋”“制。 1 2 研究意义及主要研究内容 1 2 1 研究意义 开发基于c s 明的纺织生产控制系统对我国纺织工业的发展有着重要的现实意义： ( 1 ) 促进了新型嵌入式纺织生产设备的开发并降低了开发难度，提高了设备控制 系统的稳定性。纺织生产设备的智能化无疑为系统工作的协同化创造了有利条件，而计 算机协同技术在纺织生产设备控制系统中的引入，同时对开发新型的具有自主知识产权 的嵌入式纺织生产设备有极大的促进作用。在本系统中由于在纺织生产设备控制系统中 将复杂的人机交互控制界面从现场控制终端剥离出去，所以大大降低纺织生产设备现场 控制终端开发的复杂程度，提高了设备控制系统的可靠性。 ( 2 ) 实现了对众多生产设备的集中管理。由于每一个现场控制终端都有一个固定 的地址，它们通过网络与生产管理服务器连接，所以可以方便地对它们进行集中管理。 ( 3 ) 实现生产运营状况同企业的经营管理策略紧密结合。由于现场控制终端具有 较强的运算能力和网络通讯能力，所以它可以将设备所执行的状态信息通过自身的网络 接口实时地传输到网络上去，从而使管理人员及时了解生产现场状况。实现对生产、运 营情况的随时掌握。 ( 4 ) 可管理的现场信息反馈。及时地把生产设备的工作状况及故障信息统计出来， 这样能给维护工人提供一些数据，让他们有目的有计划地进行维护保养，同时还可以给 技术诊断人员提供故障诊断的依据，另外还可以对设备的工作性能进行有效检验。 ( 5 ) 节省人力资源。如对每台机器产量的统计等大量重复计算工作，则可以由生 6 浙江理工大学硕上学位论文 产管理服务器来进行统一处理，从而可以减轻人的劳动强度，减少人力资源消耗。 ( 6 ) 工作参数在线设置。由于本系统是基于网络的，所以可以方便地实现纺织工 艺参数的在线下传。如织机在生产时，每台机器都需要频繁地从工艺设计部门得到花样 文件和织造参数，在没有网络的情况下，只能依靠工人一趟趟从设计部用软盘拷贝，不 仅浪费人力物力，还常常造成花样文件的泄密。 ( 7 ) 整个控制过程由于是通过人与生产设备之间的信息交流来进行协作，所以使 整个控制过程更具有智能化和人性化。 1 2 2 研究目标 ( 1 ) 开发基于c s c l r 的纺织生产设备远程控制系统架构，建立纺织生产设备控制、 生产管理和设备故障诊断一体化的协作平台。 ( 2 ) 通信是实现协同工作的基础，为了实现控制系统中各个部分的信息交流，从 而达到协同控制的目的。本文就基于c s c w 的电脑横机控制系统的应用层通讯协议部分 进行了深入研究 1 2 3 主要研究内容 ( 1 ) 分析目前纺织生产设备控制系统的发展现状，提出了开发智能化的具有开放式 控制系统的新型纺织生产设备、建立管控一体化的c s c w 协同控制系统。并对c s c w 技 术应用于纺织工业控制领域的可行性从理论和实践两方面进行了详细分析。 ( 2 ) 对开发基于c s c w 的纺织生产设备控制系统作了比较详细的需求分析，同时结合 纺织生产设备的特点及其工作环境对整个系统进行了总体规划，并根据系统所要实现的 功能，对系统进行划分和设计。 ( 3 ) 在研究了基于c s 哪的纺织生产设备控制系统体系结构的基础上，以电脑横机为 研究背景，开发基于c s c w 的电脑横机控制系统，结合系统所要实现的功能及所要传输 的数据特点，对系统中应用层通讯协议部分进行深入研究。 ( 4 ) 结合系统所要实现的功能，对基于c s c w 的电脑横机控制系统的应用层通讯 协议的主要流程进行详细设计。 ( 5 ) 用软件方式对基于c s c w 的电脑横机控制系统的应用层通讯协议加以模拟实 现。 本论文的内容组织结构如图1 1 所示。 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 蔓上 第二章基于璐c w 瓣纺织生产设备 控制系统总体规划与设计 u l 。3 零章夸缝 网1 1论文的组织结构 c s c w 技术是计算机技术及网络、通信技术发展的必然产物，它符合人们分工协作 的需求。本章针对目前纺织生产设备控制系统中的缺陷，提出了开笈基于c s c w 的纺 织生产竣各控铡系绞蕊设想，势量麸理论童窝实践上霹疑霹簿牲遴缮7 详缀分辑，藏磊 掇出本课题研究的意义和研究主要内容。 s ril；l， 浙江理工大学硕士学位论文 第二章基于c s c w 的纺织生产设备控制系统总体规划与设计 2 1 基于c s c l r 的纺织生产设备控制系统功能需求分析 c s c l 系统应用于不同的领域则有不同的具体要求。结合纺织企业的特点以及纺织品 生产工艺流程，作者对开发基于c s c w 的纺织生产设备控制系统进行了详细的需求分析， 具体如下： 功能需求 ( 1 ) 协同控制。要求处于生产现场的设备操作平台与设备的管理终端分离，现场 操作员只做常规设备工作的操作，而一些命令的下传则可在远离生产线的管理室内通过 网络来实现，其中包括查询命令和工艺参数在线设置命令。查询命令主要实现花型文件 查询、在线用户查询、在线设备查询、设各生产信息查询、设备故障信息查询、设备故 障在线检测、生产现场信息状况查询等。工艺参数在线设置命令主要是花型文件的在线 下传，代替以软盘或其它可移动存储介质把花型文件从c a d 室复制到机台。 ( 2 ) 协同管理。管理层人员可以在企业网或外部网上及时了解生产现场的生产情 况，而不必亲自到生产现场采集监测数据。并可以根据生产现场提供的数据，对车问、 机台和工人等生产单位在各时间段中的生产量进行统计，对不同种类纺织产品生产量进 行统计。可为各单位业绩考核、销售业务等提供参考。 ( 3 ) 协同诊断。技术人员在对设备运行状态和设备关键部件在线检测以及设备故 障信息检索等综合分析的基础上，对设备运行状态的发展趋势进行预测，并对设备的性 能进行分析，这样可以提早预知设备劣化的速度以便为生产安排和维修计划提前作好准 备，对于已有的故障，可以通过专家系统进行诊断，如果是专家系统也解决不了的问题， 则可以邀请生产设备制造商和其它专家通过电子白板与本企业技术人员进行协同会诊， 以减少因设备故障停机而给企业带来的经济损失。 非功能需求 ( 1 ) 运行可靠。这是最基本的也是最重要的要求。首先，纺织生产车间一般来讲 环境相对恶劣，系统能否适应这种环境是不可避免要面临的考验；其次，系统负担着生 产设备管理控制的重要任务，一旦出现故障，将造成整个控制过程的混乱，引起严重后 果。所以能否确保长期可靠的运行是本系统首要考虑的问题。 ( 2 ) 技术先进。先进技术的采用可以大大提高远程过程控制的效果，便于生产管 9 新江理工夫学硕士学位论文 理，可带来可观的经济和社会效益。但是也不能盲目追求新技术，而是要在生产设备、 网络技术等硬件条件成熟的前提下采用。 ( 3 ) 操作方便。目前，大多数生产现场设备的操作多在命令行方式下进行，对现 场操作工人要求比较高的计算机操作水平，而且操作实现起来比较困难，因为计算机协 同控制系统主要操作界面在远端，所以可以利用现在流行的面向对象的软件开发工具做 成友好的图形用户界面，将命令方式隐藏在后台运行，这样既方便了操作，又可以对设 备进行有效的协同管理和控制。 ( 4 ) 应用灵活。在c s c w 控制系统中，被控制对象应适用于不同的设备，即应具有 良好的通用性，能灵活地扩充、修改和升级。为此，在系统的总线结构、通信规约上要 标准化，采用国际国内的标准和规范，设计指标要留有一定余地。软件的设计也应规范 化、模块化。 ( 5 ) 经济合理。一般来说，可靠、方便、价廉是用户方便最起码和最重视的内容， 而先进、灵活则是设计人员方面更多考虑的内容。 2 2 基于c s c l 的纺织生产设备控制系统总体规划 2 2 1 网络架构 随着光纤光缆价格的下降，组建光纤局域网的成本也越来越低，目前，光纤以太网 已经逐步走入工业控制领域。光纤所具有的良好的抗噪声干扰性能使得以太网在环境恶 劣的环境下也具有较高的可靠性。因此，我们采用光纤来进行组建纺织生产设备控制网 络，这样不仅可以解决网络的远距离传输问题，并且由于光纤具有较好的电磁兼容性， 可以大大提高网络的抗干扰能力和可靠性。通过光纤进行组建的网络具有较大的带宽， 为将来网络的扩充、速度的提升留下了很大的空问n 1 1 。为克服传统以太网的数据碰撞率 和数据延迟较大的问题，还需要一些专用的工业以太网交换机和以太网集线器。另外， 生产管理服务器要求用配置较高的计算机来充当，其操作系统采用比较稳定的l i n u x 。 远程管理终端则可以用普通p c 机或p d a 设备等。 2 2 2 系统组成 如图2 1 所示，本系统主要包括了四部分：远程管理终端、生产管理服务器、现场 控制终端( 即嵌入式纺织生产设备) 、无线管理终端。现场控制终端运行在生产现场，而 管理终端( 操作工、各级领导、技术人员等) 则通过远程的客户端应用程序来实现与现场 生产设备之间的交互。生产管理服务器通过i n t r a n e t 与远程管理终端和现场嵌入式控 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 制终端相连接，各部分相互协作，共同实现对纺织生产设备的管理控制。无线管理终端 用来实现对设备的系统设备设置和单步调试。 信息机房 生产车问 旷= 一= 图2 1 基于c s 口的纺织生产设备控制系统架构图 2 2 2 1 远程管理终端 远程管理终端为用户提供了与生产现场设备进行交互的人机界面。它包括多个用 户，不同的用户具有不同的操作权限。通过远程管理终端应用程序，用户可以实现对设 备的集中管理、对产量的统计、在线查看生产设备的运行状态并可以在终端显示出来以 及在线对设备进行故障诊断排除等各种功能。根据操作用户的不同，其具体功能如图2 2 所示。 浙江理工大学硕士学位论文 图2 2 远程管理控制终端功能图 2 2 2 2 现场无线管理终端 现场无线管理终端通过无线接入点与企业网络相连。现场无线管理终端在参与协作 时。首先要通过生产管理服务器的认证。从生产管理服务器获取对某台机器或某些机器 进行操作的权限，然后才能对指定机器进行访问。 操作人员通过用户认证后，可以通过无线管理终端对每台机器的运转状况进行实时 查看。在机器投入生产之前，对机器的基本参数通过网络通信进行配置，同时还可以实 现对现场生产设备的单步调试。 2 。2 2 3 生产管理服务器 生产管理服务器是远程管理终端了解现场生产状况的枢纽，在本系统中它为远程管 理终端与生产设备的现场控制终端提供了交互协作的场地，包括系统的事务处理逻辑， 异地异步、异地同步管理和并发机制等。它的主要功能体现在两个方面：协同控制和数 浙江理工大学硕士学位论文 据库管理。 ( 1 ) 协同控制应当具备如下几方面的功能： 启动协同：启动协同的模式可分为自启动协同和申请启动协同，其中自启动协 同是指进入系统时便启动协同过程，进入协同的管理过程；而申请启动则是指首先提出 申请经过身份验证后进入协同过程。本系统中远程管理终端用户参与协作时是申请启动 协同模式，现场控制终端参与协作时为启动协同模式。 对共享信息的管理：包括共享信息的存储格式，如临时信息，文件方式，数据 库方式等；访问方式：对应不同的信息的存储格式，对信息的访问方式自然不同；访问 冲突时，冲突的解决算法，如先进先出，优先级，令牌算法等汹1 。 对协同成员的管理：在本系统中协同成员主要为远程管理终端用户和嵌入式控 制终端智能设备。对成员的管理包括成员登录，成员身份管理，成员动作管理，成员问 的互操作管理等。 对协同信息的管理：包括协同信息的发送、接收、处理等。 退出协同的方式：如退出协同的形式可以为自动退出或强制退出等。系统也可 以同时规定多种退出方式供用户选择。 关闭协同的方式：关闭协同的方式可以有自动关闭，如当所有成员都退出时， 协同过程自动关闭；强制关闭：系统管理员强行关闭协同过程，删除协同成员等。系统 也可以规定多种关闭方式供用户选择。 ( 2 ) 生产管理服务器要管理的数据主要包括：生产设备的资料信息、用户的资料信 息、产品产量信息、花纹数据信息，设备知识专家库和现场设备状态库等。 生产设备的资料信息是有关设备的机器号、设备的地址、配套的设备生产厂家， 设备的类型等数据； 用户的资料信息是有关用户名、用户口令、用户的身份( 即用户的角色) 等数 据； 产品产量信息是指某一时问段某一产品的产量信息； 花型数据信息是包括花型的名称、花型的编号、花型文件的大小、花型的编织 时间及花型文件的存储地址等； 设备知识专家库，即在每一次系统运行过程中发现异常，现场控制终端都要对 异常进行描述，并通过网络传送给生产管理服务器记入知识库。当技术人员对异常进行 浙江理工大学硕士学位论文 处理后，则将把异常的起因及解决办法，记入专家库。 现场数据库，即设备在运行时产生的状态信息。其中包括机器的运转状态信息和 生产状态信息。 为了克服生产管理服务器作为系统瓶颈资源所带来的缺点，可以将生产管理服务器 分为应用服务器和数据库服务器两部分，应用服务器是应用逻辑处理的核心，它是具体 业务的实现，主要负责服务器程序的主要工作，比如用户的在线列表管理、设备在线列 表管理、系统状态、用户角色管理等。应用服务器和远程管理终端及现场控制终端之间 的通信数据应尽量简洁，远程管理终端将请求信息发送给应用服务器，应用服务器则返 回执行结果。数据库服务器则主要完成数据的存储、数据的访问、数据的完整性约束等。 在数据层服务器中还应包含系统的数据处理逻辑，即接受应用服务器对数据库操作的请 求，实现对数据库查询、修改、更新等功能，把运行结果提交给应用服务器。 考虑到系统的稳定性，系统应采用具有容错功能的双数据服务器结构，其中一个作 为主服务器，一个作为辅服务器，两个服务器保持状态的一致。一般情况下由主服务器 工作，当主服务器故障时，由辅服务器工作，当主服务器恢复正常时，从辅服务器读入 当前的状态信息，然后接替辅服务器的工作，后者进入空闲状态。这样做，虽然在数据 复制时占用了一些系统资源，但是系统的稳定性得到了保证。 2 。2 2 4 现场控制终端 最底层的控制终端即嵌入式控制终端处于生产现场。它由嵌入式处理器和实时操作 系统构成独立的控制系统。它所实现的主要功能如图2 3 所示。首先是自检功能，自检 功能的实现是为了保证纺织设备和控制系统的可靠运行。其次是控制功能，现场嵌入式 控制终端在接收到生产管理服务器发送过来的数据后，先对数据信息类型进行判断，如 果为控制数据，则执行相应的操作，如果为纺织工艺参数即花型文件数据则先接收存储， 待传输完毕后，然后由设备的执行机构根据花型文件中控制信息，协调并控制设备各个 执行部件正常工作。 在纺织生产设备运行期间，嵌入式控制终端对纺织生产设备的执行状态信息进行快 速采集，为生产管理服务器提供服务。即实时地对被控设备的运行状况、生产状况和工 序工艺等信息通过网络发送给服务器。当设备在运行过程中出现错误时自动进行报警， 并把报警信息通过网络发送给生产管理服务器。从而远程操作管理人员可以通过与生产 管理服务器建立连接而清楚地了解各生产设备的运行状态，实现远程管理控制终端对生 浙江理工大学顿士学位论文 产设备豹实对管理帮鉴控。 2 2 ，3 系统搂块划努 圈2 3 现场控制终峭功能图 根据本系统所要实现的功能，我们可以把整个系统划分为七个功能子系统：用户在 线管理子系统、设备在线管理予系统、生产控制子系统、生产现场信息反馈子系统、设 螽放障诊瑟子系统秘生产警溅子系统，鏊2 4 为整个系绕戆功能模块鬻： 浙江理1 = 大学硕上学位论文 图2 4 基于c s c w 纺织生产设备控制系统功能模块 2 3 基于c s c l r 的纺织生产设备控制系统系统设计 2 3 1 用户在线管理系统 用户在线管理系统包括两个部分：用户登录认证和用户注销。用户登录认证：当 远程管理终端用户在参与协作时首先要进行登录认证；用户注销：当离开系统时，必须 向生产管理服务器注销自己的身份。 2 3 1 1 用户登录认证 用户登录认证系统主要是用来判断用户的合法性，以保证整个系统的安全使用。在 进入系统时，用户输入用户名和口令，并让用户选择以何种身份参与协作，然后将这些 信息发送给服务器，服务器则通过调用相应数据库对用户的合法性进行判断，在证明合 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 法后，进入相应的用户界面。同时由服务器记下用户名、i p 地址、以及用户的身份。至 此，客户登陆完成。 2 3 1 2 用户注销 当用户要退出本系统时，首先向服务器发出注销请求，服务器接收到用户的注销请 求，将从在线用户名单上销去该用户的名字，同时发送注销成功的消息。用户接收到注 销成功的消息后，就可以离开系统。 2 3 2 设备在线管理系统 设备在线管理系统主要包括三部分：设备登录、设备初始化和设备注销。当设备上 电后，由现场控制终端主动向生产管理服务器发出一个登录消息，服务器首先根据其地 址判断此设备是否具有上次未完成的任务，如果有，则取出相应未完成信息，对设备进 行初始化，同时将设备的基本信息复制到设备在线列表中去，然后通知设备首先完成上 次没有完成的工作。如果没有未完成任务，则打开设备信息库，查找出来该机器的型号， 机器类型、机器制造厂商和机器的i p 地址，并将这些信息在在线设备名单中记录下来。 设备则进入就绪等待状态。 当设备要退出本系统时，由现场控制终端向服务器发出注销请求，服务器接收到用 户的注销请求，将从设备在线名单上销去该设备的登录信息。 2 3 3 生产控制系统 生产控制系统主要是完成纺织工艺参数的查询和下传，本系统中所指纺织工艺参数 主要是文件类型的参数。 花型文件查询：远程管理终端用户通过用户登录认证后，可以访问生产管理服务器 的花型文件数据库，并进行有选择查询。 花型文件下传：用户如果找到所需要的花型文件，则向生产管理服务器发