（材料加工工程专业论文）板材液压成形监控管理系统研究及开发.pdf

摘要 摘要 板材液压成形是一种先进的金属成形加工工艺，近年来得到了大力发展并广 泛应用于汽车、航空航天、厨卫用具等制造领域。这种工艺具有模具成本低、模 具制造周期短、成形极限高等特点。与传统工艺相比，液压成形后的零件精度 高、表面质量好尤其适合于形状复杂、成形难度大、精度要求高的薄板零件的拉 伸成形。 无论在理论上还是实践上，液压成形工艺都还是一项处于探索阶段的技术。 为进一步提高对液压成形技术的认识水平，促进液压成形专用设备的研发，缩短 与国外在该领域的差距，加强和改善与液压成形工艺直接相关的软件和硬件设施 是十分必要和紧迫的。 本文分析了当前工业生产过程中计算机监控管理系统的应用现状，依据集散 控制系统的设计思想，针对液压成形工艺设计了基于p l c 的二级集散控制系统结 构，即采用微机作上位机和p l c 作下位机的上位机下位机系统。该方案是目前广 泛应用于工业控制系统的典型结构，它具有“分散控制，集中管理”的优点。 可以大大提高系统的可靠性及管理水平，提高生产效率。 首先重点解决了通过p l c 编程口实现上位计算机与p l c 之间的串行通讯， 从而达到计算机对p l c 的干预和控制，并使加工过程中的有用数据能实时准确地 反映到上位机，通讯的实现是人机交互的基础。其次，利用v c + + 开发完成了上 位计算机监测、控制、数据管理等各模块。最后，重新设计p l c 程序，使之能够 有机地融入控制系统中，执行上位机下达的命令和任务。 开发完成的板材液压成形监控管理系统具有液压机逻辑动作控制、加工工艺 选择、工艺过程监控、实验数据管理等功能，在计算机上可方便选择或建立要加 载的成形力和压边力曲线形式，由p l c 具体实现对外围各液压系统的闭环控制。 在上位机上可动态显示加工过程中的现场压力变化并可与预定加载曲线对比。 总之，板材液压成形监控管理系统的研发是对液压成形技术研究手段的改善 和促进，实现了液压成形过程的智能化、自动化、信息化和柔性化。 关键词板材液压成形监控系统液压成形设备软件开发 查三些查兰三兰要圭耋竺鎏兰 a b s t r a c t s h ti n e t a li l y d r o f o n n i 】唱i sa d v a n c e d 腓t a l 南n n i n gt e c h n o l o g y i ti sd e v e l o p e d v i g d m u s 哆a i a p p l i e dw i d e i yi l la u t o m o b i l e ，雒r 0 印日c ea i dk i t c h e nh e a l me q u i p 眦n t m n u 矗l c t u r i n gm l d se t ci l lr e c e my e a r s i th a sc l l a r a c t 醯t i c ss u c ha si o wd i ec o s t ，s h o r t m a m f 如t u r i n gc y c l ea n dl l i g h 如n i l i n gl i i n i t c o m p a 咒dw i t ht r a d i t i 0 皿lt e c h n o l o g i e s ， t h ep a r t s 瑚棚缸t u r e di nh y d m f o m l i i l gh a v el l i 曲p r e c i s i o n 柚dg o o ds u m q 岫l 咄 s oi ti ss u i t a b l et op r o c e s ss h e e tp a r t sw i t hc o n l p l e xs h a p ea i l dh 蟾hp r e c i s i o n h y d r 0 南m l i i l gi ss t i l la tt h ee 印l o m t i v es t a g e ，w h e t h e ri nt h e o l yo r i i lp r a c t i c e i n o f d e rt of i l n l l e re n h a i l c et h el e v e lo fu n d e r s t 锄d i i l gh y d m 白m l i i l gt e c l l n o l o g y t o p r o 脚t eh y d r o f o m ：l i i l ge q u i p m e md e v e l o p m e n ta n dt or e d u c ed i s p 盯i t yw i 也o v 髓s e 髓i n t h i sd o 既i i n ，i ti se 蚓吮i m l ye s 辩m i a lt 0s t r e l l g t t i e na i l di m p r o v et h e a n d t i a r d w a r ed i r e c t l yr e l a t e dt 0h ) ，d r 0 南珊i n g t l l i st h e s i sa m l y z e st h ec o 删) u t e fm o 血o r i n ga n d 舢昭e m e ms y s t e ma p p l i c a t i o n 洫t h ec u r r e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o na i l da i l n i i l ga th y d m f o m 血g ，p r o p 0 st w ok v c l so f d c sd e s 培nt h o 咄tb 器c do nt h ep l c ，w h i c hl l s e sp ct a l 【i 1 1 9o nu p p _ e rc o 叫u t e r 衄d p l c t a k i l l go n l o w 盯c o 1 p u t e r t oc 0 1 p o 孤u p p c r - l o w e r c o m r o is y s t e 札砌s p l m i s m o d u l a rd e s i g nw i d e l ya p p l i e di i lt h ei n d u s t i yc o t m ls y s t e mt h tl l a s ”m e d e 。 c e m r a l i z c dc o n t r o lt h ec e m r a l i z e dm a m g e m e n t m e r i ts 0 嬲t og 他a l l ye i l h a n c et h e 咒l i a b i l i t ya n d 圮m 粕a g e m e mk v e lo ft h i sk i n go fs y s t e 坞t oi m p r o v et 1 1 ep r o d u c t i o n e 氐i c i e n c y f 的l y ，s e r i a lc o 删m n i c a t i o nb e t w e e nc o m p m c ra n dp l ct 1 1 1 o u 曲t h e p l c p m g r a m m j n gp o r ti ss o l v e d ，s ot h eu s e 血ld a t ac a n b ep m n l p t l ya 1 1 d c l 】r m e l yr e n c c t e d t op ci i lt h ep m c e s s ，t h a ti st h e 南u n d a t i o no fm a n - m a c l l i l l ei m e m c t i v e s e c o n d l y ，t h e u p p e rc o m p u t e rm 。硫o r c o m r o la n dd a t am a l l a g e m e mm o d u k sa r ed e v c l o p e db y v c + + f i i l a l l y ，p l cp m 掣锄i sr e d e s i g n e dt o 黝b l ei tt oa c c e p tm eu p p e rc o i l l p u t 盯s c o m r o l 柚do r d e r m l dt oc a r r yo u tt a s l 【st t m tt h e 珥| p 盯c o m p i l t 盯i s 跚e s r n 砖m o n i t o r i i 培a n dm 彻a g c m e n ts y s t e mo fs h e e tm e t a l 螂，d r 0 向咖i i l g h a s h y d r o s t a i cm h i n en 的v e m e mc o n t r o l ，p m c e s s l e c t i o l l ，p r o c e 豁n l o 血o r i n g ，e i n p i r i c a l i i d a t i l mm a n a g e m e mf h 【c t i o nc t c f o n i l i 】【l g 南r c ea n dp r e s s u r e - p a d 如r c ec u r v e 啪b e c o i e i l i e n t l ys e k c t e do re s t a b l i s h e di i lu p p c rc o i n p u l e rt h e nl o o p 1 0 c k e dc o n t m l l i l l g t h o s ep 甜p h e r yh y d r a u h cs y s t e m sw i ub cr c a l i z e db yp l c i nf o m l i n gp r o c e s s ，s c e n e p r e s s u r ev a r i a t i o ni sd 舯i c a l l yd i s p l a y e do nt h cu p p e rc o m p u t e r s c r e e na n dc a nb e c o m p a r e dw i t hp r e 甜r 蛐g e dc u r v e i nc o n c l u s i o nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm o 血o r i n ga n dm a l l a g e m e n t s y s t e mo fs h e e tm d a ih y d r o 如m ：l i i l gi m p r o v e s 卸dp m n l o t e st h em a r c hm 吐h o do f h y d r o f o r m i i l ga n dr e a l i z e si n t e e c t u a l i z a t i o i l ，a u t o m a t i o l l i 1 1 f o r m a t i o na i l dn e x i b i l i t yi n 圮h y d r o 南m 血gp r o c e 豁 k 唧r d s s h e e tm e t a i 螂r d r 0 旬r i l l i i l g ；i n o n i t o r e dc o m r o l s y s t e m ；h y d m 南加1 i i l g e q u i p m e m ；s o f c w 盯ed e v e l o p l e n t m 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 液压成形技术概述 近年来，随着成形设备和相关控制技术的发展，以流体为传力介质的板材液 压成形技术在国外迅速发展起来，广泛应用于汽车制造业，并且开始在许多其它 工业领域引起人们的重视，应用前景十分广阔。现代工业产品采用传统冲压方法 成形时，模具设计、制造与调试需要消耗大量的人力、物力与时问，很难适应现 代化发展的需要。这就迫切需要研究一种新的柔性生产方法，达到既降低成本又 缩短制造周期的目的。液压成形技术正是在这种背景下提出来的。 液压成形技术就是采用水、油或其它液体介质传递压力，使坯料在液体介质 压力作用下紧贴刚性凸模或凹模成形。液压成形属于特种成形工艺，与传统板材 成形加工相比，液压成形技术具有以下特点及优点： ( 1 ) 液压成形仅仅需要一个凸模或凹模，另一半被液体介质所代替，减少 了模具成本，一般模具费用可降低3 0 以上。另一方面液压成形的模具可以用便 宜的材料来加工，不同厚度和不同材料的零件可以在同一个模具上生产。因采用 液压加载，模具不易损坏，寿命提高。 ( 2 ) 液压成形能显著改善产品的质量和性能，产品与模具贴合程度好，零 件冻结性好，通过高压塑性变形使残余应力接近完全消除，板材成形极限可明显 超过拉深工艺和纯液压胀形工艺。液压成形零件有高的尺寸精度、好的表面质 量、少的回弹和显著降低的残余应力。 ( 3 ) 液压成形可以成形一些形状非常复杂的零件，尤其适用于尺寸多变、 批量不大的大型板料零件的生产。而用传统的冲压成形是非常困难的。前者能大 量减少成形工序和焊接零件的数量。 ( 4 ) 液压成形特别适合于成形性能差或高强度的材料成形，如铝合金、镁 合金、钛合金、不锈钢和高强度的低合金钢，它还能成形复合材料，这对于减轻 零件重量是非常有帮助的。 按照加工对象的不同，液压成形技术可以分为管材液压成形、板材液压成形 广东工业大学工学硕士学位论文 以及液压胀球。板材液压成形按照液压取代形式的不同又可分为两大类型：液体 代替凹模( 如图1 一l ( a ) ) 和液体代替凸模( 如图1 1 ( b ) ) 。液体代替凹模 时，刚性凸模将板材压入液压室，板材在液压的作用下紧贴凸模而成形；液体代 替凸模时，则是板材在液压的作用下直接被压入凹模，并紧贴凹模而成形。近 年，国内外研究者又在软凸模技术基础上提出了成对液压成形，其原理如图1 一 l ( c ) 所示。在板材液压成形技术中，成对液压成形具有更好的柔性，一次成 形可生产一对产品，减少了模具数量。使复杂形状板材零件的生产简单化与常 规板材成形工艺相比，模具费用可降低3 0 以上尤其对于由上下壳体构成的 零件，这种成形方法的意义更为明显。 圈匿聪 ( a ) 液体代替凹模( b ) 液体代替凸模( c ) 板材成对液压成形 图卜1 板材液压成形示意图 f i g 1 一ls k e t c hm a po fs h e e tm e t a lh y d r o f o r m in g 1 1 2 国内外液压成形技术研究现状及应用情况 最早出现的板材液压成形工艺是橡皮膜液压成形，后又发展为充液拉延工艺 ( 又称对向液压拉深) 。欧、美、日本等国家较早地开展了工艺试验研究及设备的 开发工作，随后虽有一些工业应用的实例，但应用范围仍不广。2 0 世纪7 0 年代中 期以后，日本学者对这项工艺进行了较为细致的试验研究，提出了一些抑制破裂 等成形缺陷的措施，使充液拉延工艺在日本进入了实用阶段，广泛用于反光罩、 航空部件及汽车覆盖件的生产。进入9 0 年代，旨在进一步提高成形极限的充液拉 深新技术也不断出现。提出了充液变薄拉深、液压机械拉深、周向液压充液拉深 等技术，并开发出了相应的设备用于工业生产。由于充液拉深的很多技术优点， 该技术在各国的工业生产中得到足够的重视，并产生了相应的充液拉深成形专用 设备的生产厂家，如瑞典的a p t 公司从6 0 年代开始研究充液拉深成形技术，至今 己经能提供专用的设备。2 0 0 1 年，该公司与德国原s c h a f e rh y d r o f o 硼i n g 公司在 德国共同组建了a p ts c h a f e r 科技公司，该合资公司主要负责液压成形设备的 第一章绪论 生产、液压成形工艺的设计以及用于液压成形的模具的设计和加工。此外还有日 本的l a g a n 公司、a m i n 0 铁工所等。近年来，随着汽车、飞机、电子和环保行业的 发展及减重等方面的要求，德国、日本和其他欧美、亚洲国家在汽车管类零件和 板类零件的液压成形方面获得了重大突破和广泛应用，德国和日本的设备商已占 据了大多数国际设备市场。如图1 4 为日本的m 瓞u o k a 公司采用液压成形技术 生产出的汽车前挡板和防泥板。日产、宝马、大众及美国三大汽车公司都已建立 了自己的液压成形生产线或配套汽车配件厂，专业生产液压成形件。通用、福 特、欧宝等汽车公司也已投资建成了自己的液压成形生产基地。美国、日本和德 国的汽车公司均已计划在中国建立汽车配件液压成形专业制造厂。在车辆上已采 用液压成形零件的汽车公司还有：奥迪、大众、沃尔沃、戴姆勒一克莱斯勒等。 可以预见，液压成形技术随着汽车工业的发展还将继续深入、成熟并扩展到其他 领域。 图卜2 液压成形加工的前档板和防泥板 f 嘻l 一2f r o mb o a r d 锄dn 髂hb o 缸dp m c e s s e db yh y d r o f o m i n g 虽然液压成形工艺有以上所列技术成就，但大都集中于管子内高压或者板料 的软凹模液压成形( 对向液压成形) 。软凹模液压成形工艺的研究现在已接近成 熟，而液体作凸模的形式由于成形时没有摩擦保持效果，且板料流动不易控制， 因此，研究进展一直缓慢。到了九十年代后期，板材成对液压成形才被德国有关 学者提出，并在这时人们开始对液体作凸模的形式进行了一些研究，同时进行了 相关实验。 对于软凸模成形技术( 包括成对液压成形) ，目前的主要研究内容集中在如何 优化成形过程中成形压力的变化曲线以及压边力的旌加曲线。最早的研究并没有 涉及到压边力的问题，因为软凸模工艺主要用来液压胀形某些浅形件：到了近几 广东工业大学工学硕士学位论文 年，为了追求成形件壁厚的均匀性，有研究者开始采用不同的工艺方法来控制法 兰区金属参与流动或者使材料在成形过程中进行材料的二次分配达到所要求的结 果 z o 相对于国外来说，国内对于液压成形的研究较晚。从7 0 年代开始介绍该项 技术的研究和发展情况。上世纪九十年代后，国内众多高校和研究机构开始对液 压成形进行研究，例如哈尔滨工业大学、燕山大学、上海交通大学等分别对液压 成形进行了理论分析和实验研究，在充液拉深工艺参数、成形极限、成形机理等 方面取得一定的成果，总结了不少液压成形的数据和经验，但在液压成形专用设 备的研发上，还显滞后，与设备相配套的监控管理软件更是少有研究。有一些研 究机构也开始在原有通用液压机上进行改造后去适应液压成形的工艺要求。例如 哈尔滨工业大学，上海交通大学等，但距离自动化和柔性化生产还相距甚远。 近年来，随着实验手段的加强和研究的不断深入，液压成形作为一门崭新的 技术，其成形机理和变形规律已被人们所认识。现在的研究热点集中于材料参数 和工艺参数的量化研究( 已超越了定性分析) 、优化成形力、变压边力、液压成 形专用设备研发和生产过程自动化、柔性化和信息化。而计算机软件技术和控制 技术的发展为解决上述问题提供了强有力的工具。 1 1 3 计算机监控管理系统发展及应用 计算机监控系统的发展经历了三个阶段：集中控制系统c c s ( c e l l _ c m l i z e d c o m m ls y s t e m ) ，分布控制系统d c s i s t r i b u t e dc o 曲ls y s t e m ) ，现场总线控制 系统f c s ( f i e l d - b 璐c o m r o ls y s t e n l ) 。 1 集中控制系统c c s 集中式控制系统只需要一台计算机以及有关的i o 设备和c r t 键盘、打印 机等外部设备即可完成系统功能。也就是说，集中控制系统是对系统中所有功能 和对所有被控对象实施的控制均由一台计算机来完成。集中控制系统的优点是整 体性好，协调性好。由于是集中的方式，现场状态集中在一台计算机中处理，故 而中央计算机可以根据全面情况进行控制计算和判别，在控制方式的选择上可以 进行统一的调度和安排。另外，集中式的数据库很容易管理，并容易保证数据的 一致性。但其缺点也很多：( 1 ) 由于各种功能集中在一台计算机，被控对象不 同，软件完成的任务也不同。当被控对象的任务数量增加时，系统的运行效率将 第一章绪论 下降；( 2 ) 软件的可靠性不高。大量而复杂的软件由于设计不良或本身的缺陷， 致使实际运行时出现的故障率增加；( 3 ) 由于所有的处理功能集中在一台计算 机，所以一旦出现故障，其影响面涉及到各部分，产生全局性后果。 2 集散控制系统d c s 上世纪7 0 年代随着电子技术的飞速发展，大规模集成电路的出现，为集散 控制系统的出现莫定了基础。1 9 7 5 年美国h o n e y w e u 公司首先推出了以微处理器 为基础的t d c 2 0 0 0 型总体分散型控制系统，其含义是集中管理、分散控制，因 而称之为集散控制( t o t a ld i s t r i b u t e dc o m r o ls y s t e m s ，简记t d c s 或d c s ) 系统。 d c s 的出现使系统的控制方式发生了质的变化，是控制史上的里程碑。该系统 从综合自动化的角度，按功能分散、协调集中的原则设计，具有高可靠性、高实 时性，是用于生产管理、数据采集和各种过程控制的计算机控制系统。 集散控制系统的主要特征是它的集中管理和分散控制。它以大系统理论为指 导，以先进的四c ( c o m p u t e r ，c o n t r o lc o 眦啪i c a t i o n ，c r t ) 技术为物质基础，采 用危险分散的系统设计思想进行设计。集散控制系统将控制功能分散化、管理操 作功能高度集中化，并吸收了模拟控制仪表的特点而发展起来的一种新型数字综 合控制系统。d c s 采用标准化、模块化和系列化的设计，它是由过程控制级、 控制管理级和生产管理级组成。它具有以通讯网络为纽带的集中显示的特点，而 操作管理、控制相对分散，配置灵活、组态方便，同时是具有高可靠性的实用系 统唧。 集散控制系统d c s 在系统的处理能力和系统安全性方面明显优于集中系 统。由于d c s 使用了多台微计算机分担了控制的功能和范围，使处理能力大大 提高，并将危险性分散。d c s 在系统扩充性方面比集中式控制系统更具有优越 性。系统要进行扩充，只要根据需要增加所需的节点、并修改相应的组态、即可 实现系统的扩充。但这些年来，随着传感器技术、通信技术、计算机技术的发 展，传统的d c s 却日益显露出它的不足，例如：开放性差、分散不够，需要大 量信号电缆及无法监控现场一次仪表设备，传输信号仍采用4 2 0 i r a 的模拟信号 等。因此以工业现场总线( f i e l db u s ) 为基础，以c p u 为处理核心，以数字通信为 变送方式的新一代过程控制系统现场总线控制系统f c s 应运而生。 3 现场总线控制系统f c s 现场总线控制系统的核心是现场总线。根据现场总线基金会( f i e l db u s 广东工业大学工学硕士学位论文 f o u n d a t i o 山的定义，现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开 放的、双向的通信网络。 现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器等， 但不是传统的单功能现场仪表，而是具有一定综合功能的智能仪表。如温度变送 器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且具有p i d 控制和运算功能。现场设 备具有互换性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。现在国际上流行的 设备级的通信网络有多种，如c a n b u s ，l o n w o r k s ，p r o f i b u s ，h a r t 等。 现场总线控制系统f c s 代表了一种新的控制观念现场控制。它的出现 对传统d c s 作了很大的变革。主要表现在：( 1 ) 信号传输实现了全数字化，从最 底层逐层向最高层均采用通信网络互连；( 2 ) 系统结构采用全分散化，废弃了 d c s 的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之；( 3 ) 现场设备 具有互操作性，改变了d c s 控制层的封闭性和专用性，不同厂家的现场设备既 可互连也可互换，并可以统一组态；( 4 ) 通信网络为开放式互连网络，可极其方 便地实现数据共享；( 5 ) 技术和标准实现了全开放，面向任何一个制造商和用户 【8 】。 总之，在工业企业中，工业控制系统是应用效益最直接明显的系统，特别是 d c s 。尽管若干年以前，就有人判定d c s 即将被f c s 所取代，然而，直至今 日，d c s 仍然具有相当的生命力。当今的d c s 与十年前的d c s 相比，发生了 根本性的变化。受信息技术r 网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技 术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等) 发展的影响，以及用户 对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各d c s 厂商( 以h o n e y w e l l ，e m e r i l f o x b o r o 、横河、a b b 为代表1 纷纷提升其d c s 系统的技术水平，并不断丰富其 内容。已经推出了第四代d c s 。第四代d c s 的最主要标志是两个单词： i i 墒m 斌i o n ( 信息) 和in t i 。g m t i o n ( 集成) ，使d c s 变成真正的混合控制系统。过去 我们区分d c s 和p l c 主要通过被控对象的特点( 过程控制和逻辑控制) 来进行划 分。但是，第四代的d c s 已经将这种划分模糊化了，几乎所有的第四代d c s 都 包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现了混合控制。这也是为了适应用 户的真正控制需求。因此，多数的工业企业绝不能简单地划分为单一的过程控制 和逻辑控制需求，而是由过程控制为主或逻辑控制为主的分过程组成的。我们要 实现整个生产过程的优化，提高整个工厂的效率，就必须把整个生产过程纳入统 第。+ 章绪论 一的分布式集成信息系统。如典型的冶金系统、造纸过程、水泥生产过程、制药 生产过程和食品加工过程、发电过程，大部分的化工生产过程都是由部分的连续 调节控制和部分的逻辑联锁控制构成。第四代的各d c s 系统几乎全部采用 i e c 6 11 3 1 3 标准进行组态软件设计，而该标准原为p l c 语言设计提供的标准。 同时一些d c s ( 如h o 雎y w e u 公司的p k s ) 还直接采用成熟的p l c 作为控制站。 多数的第四代d c s 都可以集成中小型p l c 作为底层控制单元。今天的小型和微 型p l c 不仅具备了过去大型p l c 的所有基本逻辑运算功能，而且高级运算、通 信以及运动控制也能实现。 1 2 板材液压成形监控管理系统研究的意义 液压成形工艺仍是一项处于探索阶段的技术，虽然在成形理论方面有了越来 越多的研究和著述，但任何一种先进的思想都要有实践领域的支持和验证，这是 一个相得益彰的过程，所以国内外的专家学者正在逐步加强液压成形工艺的实验 条件和生产条件。计算机监控管理系统的开发就是对液压成形技术研究手段的改 善和促进，是为进一步提高对液压成形技术认识水平的必由之路。计算机监控管 理系统应用于板材液压成形，能够使液压机按照液压成形技术的要求去动作，改 变手动操作的盲目性；能够实现成形力和压边力按预定曲线加载；能够监测和控 制成形过程：能够自动记录试验过程中产生的大量数据并生成图表和曲线，为实 验后的研究提供了直接的保证。总之，计算机监控管理系统实现了液压成形过程 的自动化、柔性化和信息化。 另外，本课题所研发的计算机监控管理系统虽然是配套于改造中的传统液压 设备，但对于液压成形专用设备的研制更具有实际意义，因为改造传统液压设备 以适应液压成形新工艺也是开发液压成形专用设备的一种有益的探索和尝试，这 是必须也是必要的，尤其是在研究的初始阶段。 1 3 课题来源及研究内容 本研究课题最早来源于广州市重点科技攻关项目“复杂薄板件液压成形新工 艺及新装备”。该项目主要研究复杂薄板零件( 如汽车覆盖件、摩托车油箱等) 液压成形过程的理论分析、成形机理与变形规律及该类形状复杂、变形量大的零 件采用液压成形的成套新工艺，在此基础上研究液压成形工艺参数的控制方法， 并在现有通用液压机上进行改造，增加辅助液压系统和基本的控制系统。所改造 广东工业大学工学硕士学位论文 液压机为合肥锻压机床总厂制y h 2 8 1 0 0 1 8 0 一s m 双动薄板拉伸液压机，改造完成 后的设备如图1 3 。 本文为该课题的后续部分，即开发液压成形工艺计算机监控管理系统，主要 内容是液压成形设备监控系统上下位机软件设计，研究针对以集散控制系统 ( d c s ) 为系统结构，将计算机和可编程控制器紧密结合的软件开发方法，实现 具有较高应用价值的液压成形行业监控管理系统软件。其主要功能包括液压机逻 辑动作控制、成形力和压边力曲线自动加载、工艺过程监控、实验数据管理等， 实现设备的智能化和柔性化，为进一步研制出专用的液压成形设备提供理论和实 践上的参考和指导。 图1 3y h 2 8 一1 0 0 1 8 0 一s m 双动薄板拉伸液压机 f i g 1 - 3h y d 咖l i cp r c s so f y h 2 8 - l0 0 l8 0 - s m 本文具体研究内容如下： ( 1 ) 上位计算机与p l c 的通讯机制并完成硬件连接和通讯程序编制。 第一章绪论 ( 2 ) 上位计算机监控管理各模块编程。包括数据库建立、实时数据动态曲 线化显示、实验数据管理、实验参数设置、液压机动作控制等。 ( 3 ) 下位机p l c 程序编制。包括成形力和压边力曲线实现、模拟量数据采 集、数字量输出控制、液压机逻辑动作等等。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章计算机监控管理系统相关技术分析 2 1 集散控制系统 集散控制系统( d c s ) 又名分布式计算机控制系统，是利用计算机技术对生产 过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术，是由计算机技 术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、c r t 技术、图形显示技术 及人机接口技术相互渗透发展而产生的。 集散控制系统上位机采用微型机及工控机，下位机采用p l c 或引进智能化 仪表，由通讯接口及系统软件将上位机和下位机联接，实现集中管理，分散控制 的目的，因此可靠性好，控制精度高，使用方便，扩展灵活。控制的对象可以是 温度、压力、流量、液位、转速等各种过程量，可广泛适用于冶金、电建、石油 化工、塑料、食品等各个工业领域中【17 1 。 2 1 1 集散控制系统的基本组成 从系统的结构分析，集散控制系统都是由三部分组成，即分散过程控制装 置、操作管理装置以及通信系统组成。其关系如图2 一l 所示。 臬 散 控 制 系 统 操作、管理人员 一一l 一一一一一 象中操作管理装置 吲 夯散过程控制装置 _ - 一斗一一 _ 一一 工业生产过程 图2 1 集散控制系统结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo fd c s 1 分散过程控制装置它的主要功能是分散的过程控制，是系统与过程的 接口。其结构特征是： ( 1 ) 需适应恶劣的工业生产环境分散过程控制装置的一部分设备需安装 第二章计算机监控管理系统相关技术分析 在现场，所处的环境差，因此，要求分散过程控制装置能适应环境的温、湿度变 化：适应工业环境中的电磁干扰的影响。 ( 2 ) 分散控制分散过程控制装置体现了控制分散的系统构成。它把监视 和控制分离，把危险分散，使得系统的可靠性提高。 ( 3 ) 实时性分散过程控制装置直接与工业生产过程相联系，为能准确反 映过程参数的变化，它必须具有实时性强的特点。 ( 4 ) 独立性相对集散控制系统，分散过程装置具有较强的独立性。在上 一级设备出现故障或与上一级的通信失败的情况下，它还能正常运行，从而也使 过程控制和操作得以进行。因此，对它的可靠性要求也相对更高。 2 操作管理装置这部分主要由操作站、管理机和外部设备如打印机等组 成。它的主要功能是集中和分散过程控制装置送来的信息，通过监视和操作，把 操作和命令下送至各分散控制。信息用于分析、打印、存储并作为确定生产计 划、调度的依据，在结构上具有信息量大、易操作性和容错性好等特点。 3 通信系统计算机通信系统部分是集散控制系统的中枢。要达到分散控 制和集中操作管理的目的，就需要使下一层信息向上一层集中，上一层指令向下 一层传送进行数据交换。计算机通信系统连接着分散过程控制装置和集中操作和 管理系统等进行信息交换和数据共享，它具有实时性好、动态响应快，可靠性高 等特点【1 8 j 。 2 1 2 集散控制系统的特点 d c s 既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是克 服了二者的缺陷并集中了二者的优势。它具有通用性强、系统组态灵活、控制功 能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试 方便、运行安全可靠等特点。能提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质 量，降低能源消耗和原材料消耗，提高劳动生产率，保证生产的安全，促进工业 技术发展，创造最佳的经济效益和社会效益。 随着计算机技术、控制技术、通信技术、c r t 技术等的发展以及工业生产 对计算机控制水平要求的提高，管理的集中性与控制的分散性这一实际需要推动 了集散计算机控制系统的发展。d c s 的结构是一个分布式、分支树状结构。按 系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级和控制管理级，各级既相互独立又相 广东工业大学工学硕士学位论文 互联系，每一级又可水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同 级的不同功能，如实时控制、实时监视、生产过程管理等，横向分则意味着同级 设备具有类似功能。 概括起来说，有如下三个鲜明的特点： ( 1 ) 实现了分散控制。它使得系统控制危险性分散、可靠性高、投资减 小、维护方便； ( 2 ) 实现了集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合 化和系统化； ( 3 ) 采用网络通信技术，这是d c s 的关键技术，它使得控制与管理都具实 时性，并解决了系统的扩充与升级问题【1 7 】。 2 2 板材液压成形监控管理系统结构及功能要求 根据现在实验室设备条件和功能要求，我们的方案是采用一台三菱p l c ( f x 2 n - 8 0 m t ) 作为下位机，根据预先编制的工艺程序控制液压机的各种动作和实 现成形力、压边力曲线加载。计算机作为上位机，用来完成管理级别上的数据采 集和流程监控。在计算机上可以实时监控p l c 内软元件工作状态或干预p l c 某些 具体输入输出信号：可方便的建立、修改或选择预加载的成形力和压边力曲线形 式；可以动态显示加工过程中现场压力的变化；可以对实验数据进行保存导出等 管理操作。控制系统原理如图2 2 。p l c 分别闭环控制成形液压系统和压边液压 系统。成形液压系统自行研制，原理如图2 3 ；压边液压系统是对液压机原压 边液压回路进行改造所得。 该方案即是在前文论述过的，目前广泛应用于工业控制系统的典型结构，它 具有“分散控制，集中管理”的优点，同时采用微机智能技术，分层次结构和 局部网络通讯技术，若再配以功能丰富的软件包，可以大大提高系统的可靠性及 管理水平，提高生产效率。p l c 与计算机结合，对于传输距离比较近的现场控 制，是一种性能价格比较优的解决方案。其优点是： ( 1 ) 充分利用了p l c 抗干扰能力强，适用于工业现场的特点，又利用了计算 机数据处理和图形显示功能强的优势，两者结合，可提高系统的自动化程度，且 可进行预测控制、定时控制和应用复杂的智能控制策略。 ( 2 ) 在现场级与p l c 配合完成各种功能的模块己经非常成熟，可以最大限度 第二章计算机监控管理系统相关技术分析 图2 2 控制系统图 f i g 2 - 2s k c t c hm a po f c o n t r o ls y s t e m 地利用现有的资源，还可通过p l c 的通信接口和模块进行通信，如本课题中所使 用的f x 一4 a d 模拟量采集模块。即负责采集现场压力并于p l c 保持通讯联络。 ( 3 ) 可以灵活构成高、低档次的控制系统，并可以采用一台高性能计算机带 多台p l c 的控制网络，充分发挥设备性能。 2 3 组态软件 在谈到计算机监控管理系统，特别是d c s 时，必然要涉及的一个概念是 “组态软件”。组态软件就是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在 自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而 不是编程方式1 提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软 件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂 家的计算机和i o 设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和 广东工业大学工学硕士学位论文 1 油箱2 过滤器3 油泵4 电机5 变频器6 溢流阀7 压力表 8 换向阀9 向阀1 0 增压缸 图2 3 成形力液压系统原理图 f i g 2 3h y d r a u li cs y s t e mo ff o r m i n gf o r c e 管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成【2 4 1 。 在d c s 不断发展和完善的过程中，系统的硬件逐渐趋向单元化、功能模块 化，加之标准总线的运用，使得在设计一各种控制系统时，只要选择相应的模块 单元，采用搭积木的方法，即可完成硬件系统的设计。在硬件系统设计趋于简单 化的同时，控制软件的编写却日益成为系统设计的瓶颈。传统的过程控制软件的 编写方法是针对每一个具体的控制对象而编写的一套相应的软件，这种方法在以 前控制系统较小、功能较少的情况下尚能满足需求，但是随着过程控制规模和复 杂程度的日益提高，软件编程的工作量和出错率都到了令人难以忍受的地步。因 此，提供一套像硬件系统一样具有标准化、通用化功能模块的过程控制软件开发 环境势在必行，组态软件就是在这种情况下应运而生的嘲。 组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件的主要目的是使使用者 在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码。下面是组态软 件主要解决的问题【2 6 】： ( 1 ) 如何与采集、控制设备间进行数据交换； ( 2 ) 使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来； ( 3 ) 处理数据报警及系统报警； 第二章计算机监控管理系统相关技术分析 ( 4 ) 存储历史数据并支持历史数据的查询； ( 5 ) 各类报表的生成和打印输出； ( 6 ) 为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域需求； ( 7 ) 最终生成的应用系统运行稳定可靠； ( 8 ) 具有与第三方程序的接口，方便数据共享。 目前世界上有不少专业专业软件公司提供各种组态软件产品。如美国的 i n t o u c h 、f i x 、c i t e c h ，一些原d c s 的系统厂商，如r o n l o u n t ，h o n e y w e u 等公司也陆续推出了新型的、更开放的控制系统以及现场总线产品，并配以“开 放的”组态软件。但这些组态软件的开放性较差，一般仍只针对本公司产品，因 此不能称为通用组态软件。这些专用的组态软件都有很强的仪控特色，且价格不 菲。近些年，国产的组态软件产品凭借其较强的价格优势、易于接受的中文界面 及丰富的功能正逐渐被市场接受。组态软件中应用比较成功的有m c g s 、组态 王、开物、力控等。 2 4 软件开发方法及软件结构 组态软件具有上述的种种优点，因此购买组态软件也可以是本课题的一种选 择，但本课题不采用购买组态软件，而是自主开发，主要基于以下几点考虑： ( 1 ) 组态软件开发版本和运行版本的价格偏高，一套软件只能使用一次且仍需 要二次开发。( 2 ) 现在计算机高级编程语言功能已很强大且易用，如v c + + 、 v b 等，开发中小规模的监控软件已不是困难的事。( 3 ) 本课题的监控管理系统 软件是液压成形技术研究中的一项尝试，具探索性；自主开发有助于针对液压成 形量体裁衣，因地制宜地开发出我们需要的软件模块，有针对性。 软件开发的方法有多种，例如，模块化方法、数据化方法、面向数据结构方 法、面向对象方法等等。任何一款软件都不是使用单一方法开发完成的，都需要 两种或几种方法的综合运用。根据本课题的要求和所使用编程工具的的特点，本 文主要使用了模块化和面向对象的开发方法。开发方法是：首先，把待开发的软 件分解成若干较为简单的部分( 模块) 每个模块分别独立地开发、测试，最后再 组装出整个软件。根据此原则，本系统由大到小、由上到下的软件结构如图2 4 所示。另外，对开发过程中所采用的面向对象设计方法将在下节进行简单介绍 并具体体现于第四章所述系统开发过程中。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 4 软件结构 f 追2 - 4s t m c t u 陀o f s o f l w a r c 2 5 开发工具选择 本系统的开发工具选用w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统平台上的s u a lc + + 6 0 。在 众多基于w 妯d o w s 面向对象程序设计语言中，s u a lc + + 6 o 以其功能强大、实 时性强、与硬件接口方便等特点脱颖而出，与其他语言相比，其优势在于： 1 v i s u a lc + + 6 o 提供了用于开发w 砌o w s 9 8 n t 2 0 0 0 环境下应用程序开 发环境。由于s u a lc + + 6 o 的开发环境具有简便、快速、实用的特点，利用其 开发的w i n d o w s 应用程序具有很高的效率。 2 v i s 吼lc + + 6 0 提供了庞大而齐全的m f