（物理电子学专业论文）工业输送线网络监控系统的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着工业过程自动化的实现，工业输送线控制也随之进入自动化阶段。输送线控制 大多数为开关量的控制系统，采用可编程控制器进行控制，能高效、可靠、安全地管理 复杂流程，相比于传统的时问继电器连锁系统有明显的优越性。目前，许多生产装配车 间都采用了用可编程控制器实现自动化输送，自动化输送线在工业生产过程应用非常广 泛。 对于众多在生产过程已实现现场自动控制的企业，如何实现企业信息化、数字化、 网络化管理，有两个途径；一是将设备完全更新，购买全套基于网络开发的新装备；二 是在原有设备基础上进行改造，实现信息化、网络化远程管理。 本课题对可编程控制器控制原理、系统通信协议进行分析，提出一种在已有设备的 基础上进行改造，从而实现基于网络的远程监控的技术。现场采集的数据通过r s - 4 8 5 数据传输技术，将数据传输到上位机，上位机将采集到的数据以逼真的图形界面在屏幕 上直观显示：用m c g s ( m o n i t o ra i l dc o n t m lg e n e r a t e ds y s t e m ) 组态软件编写程序软件， 以图形界面实现对输送线的过程进行控制、监视和故障诊断；运用t c p ，i p 协议，实现 网络远程控制。利用现代化的通讯技术、计算机技术及网络技术，对设备及各种参数进 行远程实时监控，从而实现现代工业设施的自动化、信息化、网络化。 多次试验表明，该系统较好的实现了工业输送线的网络监控与管理。 关键词：输送线协议 网络远程监控 华中科技大学硕士学位论文 a b s 仃a c t w i t ht h er e a l i z a t i o no ft h ei n m i s t r yp m c e s sa u t o m a t i o n ，t h ei n d u s t r y t r a i l s p o r t1 i i l e c o n n d l i i n ga l s oe n t e r si n t oa u t o m a t i cs t a g e 1 r a n s p o nl i n ec o n t r o l l i n gi sm o s t l yr e l a t e dt o s 谢t c hm e a s u r ec o n t r 0 1 a d o p t i n gp r o g r a m m a b l el o 百cc o m r o l l e rc a r i yo nt h ec o n t r 0 1c a i l m a n a g et 1 1 ec o m p l i c a t e dp m c e s sm o r ee m c i e n t l y ，c r c d i b i l i t y 鲫ds a f b l y ，c o i n p a r e d 州t 1 1t h e e l e c i ca p p l i a l l c e sc a t e n as y s t e mi nt r a d i t i o n a lt i m eo b v i o u s l ys u p e r i o r i t y c u h 它n t l y ，m a n y c a ra s s e m b l i n gf 融o r i e sa l l 缸i o p ta u t o m a t i ct r a n s p o r ts y s t e m 谢t hp r o 酽a m m a b l ec o n t r o l l e r t h ea u t o m 鲥o n 蛔n s p o r tl i n e sa r e 印p l i c d 缸t 1 1 ei n d u s t r yp m d u c t i o ni i n ev e r ye x t e n s i v e i y f 0 rn u i r l e m u se n t e r p r i s e sh a sa l r e a d yc a i t i e do u tt h es p o tt oc o n t r o la u t o m a t i c a l l y ，h o w c a r r yo u tt 1 1 em a i l a g c m e mo ft h ee m e r p r i s ei n f o 珊a t i o ni n l p l e m e m ，t h ed a t ai m p l e m e n t ，t l l e n e t w o r ki m p l e m e m ? t h e r ca r et 、v om e t h o d s 0 n ei st 0r e n e we q u i p i n e m sc o m p l e t e l ya 1 1 d p u r c l l a s et t l ec o m p l e t es e ta c c o r d i n gt on e w d e v e l 0 _ p e dn e t w o r ks y s t e m ；m eo 也e ri st or e f o n m eo r i g i n a l e q u i p m e n t s f b u l l d a t i o ni no r d e rc a r r yo mi n f o n a t i o n i r l l p l e m e m ，t 1 1 e 1 0 n g d i s t a i l c cn e t w o r km a n a g e m e n t b a s e do np r o g r 8 舢瑚b l el o g i cc o n t r o l l e rp r i n c i p l ea n dt c p ，i pp r o t o c 0 1 s ，i tp m f o n a r dal o n gd i s t a n c em o n i t o rs y s t e mb a s e do nt 圭l en e 艄r o r kb yr c c o n s t m c t i n g t h ed a t a c o l l e c t i n go nt 1 1 es c e n ed e l i v e rm m u 曲r s 4 8 5i n t e 晌c e ，w h i c hd e l i v e r st l l ed a t at oh o s t c o m p u t e r 1 h eh o s tc o m p u t e rc o l l e c t st h ed a 掘a n dd i s p l a yd i r e c t l yo nt h es c r e e nw i t h 也e l i f e l 龇伊a p hi n t e r f a c e w r i t i n gt h es o f l w 黜w i m t h em c g s o n i t o ra n dc o n 订o lg e n e r a t e d s y s t e m ) c a r r yo u tw i t hn l e 伊a p hi n t e r f a c ef o r 扛a n s p o r tl i i l es u n r e i l l a l l c ea n dp r o b l e m d i a g i l o s i s ，u s i n gt c p i pp r o t o c o l sc a r r yo u tt h en e t w o r k1 0 n g 啪g ec o n t r 0 1 m a k i n gu s eo f m e m o d e mc o m m u l l i c a t i o nt e c l l l l o l o g hc o m p u t e rt e c l l n 0 1 0 9 ya n dn e t w o r kt e c l l n o l o g yc a r r y o nt h cl o n gr a n g et om ee q u i p m e m s 趾dv a d o u sp a r 锄e t e r 。r e a n i m es u p e i s e ，t h u sc a r r y i n g o u tt h ea u t o m a t i o no f m em o d e mi n d u s t r yf a c i l m e s ，i n f o n n a t i o n - b a s e d ，a n dm en e t w o r kt 啪 b ye x p e r i m e n t sf o rm a r l yt i l n e se n u n c i a t e ，i ti ss h o w n t h es y s t e mc a r r i e so u tm o n i t o ra i l d c o n 灯0 1 1 i n gr o l ef o ri n d u s t r y 仃a n 印o r tl i n ew e l l k e yw o r d s ：t r a n s p o r tl i n e s p r o t o c o ln e 呐d r k l o n gd i s t a i l c es u p e n r i s i n g 趾dc o n l r o n m g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名匆写乐。 日期：砌2 ) 年年月以日 学位论文版权使用授权书 本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，即：学校有权 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，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技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，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名 洲扣 闩期：辟年月“日 指导教师签名： 日期：年月日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 随着工业过程自动化的实现，工业输送线控制也随之进入自动化阶段。工业输送线 控制大多数为开关量的控制系统，采用可编程控制器进行控制，能高效、可靠、安全地 管理复杂流程，相比于传统的时间继电器连锁系统有明显的优越性。随着网络信息化的 飞速发展和生产数据的日积月累，应用现代化手段对现场进行优化管理已势在必行。 1 1 课题的意义 随着p l c ( 可编程控制器) 控制功能和网络功能的不断提高，在过程控制系统中， 应用p l c 组成的、基于各种总线结构的d c s 系统、f c s 系统，f 成为当代主流的工业 控制系统。在这些系统中，通过显示装置的人机界面可以实现对整个生产过程的监控， 但对于简单的小型控制系统而言，这种成本就难以接受，所以，通过对现有各种设备的 优化组合，形成一种低成本的应用模式，对于已有设备开发中高科技的应用、推广是十 分必要的。 在现代工业生产过程中，先进国家以网络为基础的分布式自动控制系统的应用同益 广泛。这种系统把工业生产体系分成生产现场和控制中心两大部分，通过专用网络把它 们连接起来，并在它们之间双向传送信息以协调运作。一个控制中心可以远程、实时地 监控分布在附近的多个生产现场，形成一个分布式自动控制体系。系统使工人远离嘈杂 的或有毒有害的生产现场，改善了工作条件，实现生产现场无人值守，少人维护，降低 人力成本，而且减少了生产误差，提高了产品质量。因此以网络为基础的分布式自动控 制系统一直是国内外工业生产发展的趋势。目前我国的工业自动化程度还比较低，开展 上述系统的研究和应用对优化我国产业结构、提升整体工业的科技水平和竞争力有着十 分重要的意义。 工业输送线远程网络监控技术是利用现代化的通讯技术、计算机技术和自动监测技 术，对各远端设备及各种参数进行远程实时监控，从而实现现代工业设施的自动化、信 息化、网络化。现代化企业中，各现场、工作站等逐步要求无人职守，研究网络化远程 实时监控系统在自动控制技术与应用领域有着重要的意义。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外工业输送线控制和远程监控技术现状和发展趋势 1 2 1国内外工业输送线控制技术现状和发展趋势 工业输送线是将产品进行输送，并将产品工装板在各装配工位精确定位，装配完成 后能使工装板循环的产品输送装置。输送线的驱动链与输送链直接啮合，传递平稳，运 行可靠，是工业生产中常用的设备。随着工业过程自动化的实现，各种生产装配车间， 如电视机装配、热水器装配、空调装配等都采用了自动化输送线，可以说自动化输送线 在工业生产过程得以广泛应用【l j 。 中国的工业自动化正处在从最初的相对封闭向开放化转变阶段，企业的外部变化要 求自动化系统承担起更重要的责任。这就使自动化系统除了要对生产过程进行控制以 外，还要担负起把生产过程信息传送到企业的管理系统甚至供应链上的任务，优化企业 全部生产过程，提高企业竞争力。在开放的企业环境中，自动化系统不再是一个封闭的 个体，而必须是企业开放中的一部分，能够让所有的人和所有的系统都了解底层的生产 信息，并优化生产过程。 ( 1 ) 工业过程自动控制的发展历史 工业过程自动控制包括对生产设备连续顺序控制，压力、温度等的自动控制，产品 物理结构、化学成分等的品质检测等，其应用的意义不仅仅在于将人们从繁重单调的劳 动中解放出来，而且是保证大规模工业生产的生产效率和产品质量的有效手段。自动控 制技术伴随着工业生产的规模扩大和对产品质量的更高追求不断发展，企业为追求更大 的效益和更高的产品竞争能力也促进了自动控制技术的发展，国外自2 0 世纪6 0 年代出 现第一套工业过程控制系统以来，已经历3 个主要发展阶段： 1 1 工业生产线自动逻辑控制和模拟量p i d 调节等控制技术的应用，实现了工业生 产线的连续自动生产。该阶段主要采用继电逻辑控制技术和工业二次仪表，由于控制技 术落后，控制系统可靠性不高，工艺参数调节精度不高，加之检测手段落后，生产过程 必须有大量的人工参与，生产效率和产品质量无法保证。 2 1 随着计算机技术的发展，出现了可编程序控制器( p l c ) 。由于采用了计算机技 术，可以应用算法复杂的模糊控制技术等先进控制理论，控制软件取代了大部分硬件功 能，控制系统的设计、制造、调试、更改和维护大大简化；同时计算机技术也促进了检 华中科技大学硕士学位论文 i 受| | 技术的发展，因此控制系统的可靠性和工艺参数调节精度大大提高。 3 ) 计算机技术、通讯技术、控制技术的发展，便于集中管理的集中监控技术日趋 成熟并得到广泛应用，控制系统进一步向全数字化、全分散式、全开放可互操作和开放 式互联网络的新一代现场总线控制系统( f c s ) 发展。 ( 2 ) 工业输送线自动控制技术的发展趋势 】) 网络化 随着网络信息化的飞速发展和生产数据的日积月累，采用传统的管理方式和数据手 工记录模式已不能满足现代企业的发展要求。生产信息的实时采集、数据统计和查询的 网络化己成为现代企业提高工作效率，降低生产成本的有效手段。要实现现场数据和设 备信息的实时采集和数据分析，指令的远程下达以及对设备的控制等功能，迫切要求分 布广泛的现场生产数据实现网络化。 对工业过程控制系统输送线控制系统而言，必须将工业自动化输送线分解为若 干个控制子系统，这些独立的控制子系统之间如不进行有效协调、集中监控管理，整个 输送线就无法正常运行。网络化就是将各个控制子系统通过通讯网络建立数据交换联 系，并实现集中监控，相互协调生产、工艺、质量参数，接受管理人员的工作指令；还 可以实现远程多条输送线的集中监控管理，合理调配各项生产要素，最大限度地降低制 造成本。这就是建立在网络化基础上的控制系统。 2 1 智能化 在复杂的工业自动化生产线中，各控制子系统的控制任务重、实时性强，不可能通 过通讯网络集中控制，控制子系统必须独立完成控制任务，并向中控传送控制状态、控 制参数、报警信息等，接受中控指令。另外工业过程控制系统应具有预警提示、故障寻 迹提示、辅助决策等智能功能。控制器、检测设备的智能化才能使工业过程控制实现真 正的集散控制。工业过程控制系统的智能化减少了人工干预，但需要人工调度指令、维 护保养、分析决策等，因此仍需要人机接口；同时系统的智能化使人工工作量大大减少， 信息量大大增加，需要表达清晰，操作简便、友好的人机接口，提高人员的参与程度和 工作兴趣。开发具有大屏幕显示、动态指示、实物动画、人机对话等功能的更加友好的 人机接口也是智能化的方向。 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 数字化 在工业过程控制系统中有许多控制变量需要处理，传统的模拟量传输精度低、抗干 扰能力差，影响控制回路的控制精度；同时数据采集量不准确会影响数据处理及科学分 析，检测器、传感器、执行器、控制器的数字化是实现精确控制和科学分析的基础。 网络化、智能化、数字化使控制系统的配置简洁灵活，满足生产过程的精确控制， 便于生产工艺的调整，满足输送线的自动控制技术的需要。 浙大中控为适应网络技术的发展，特别是i m e m e t 、w e b 技术的发展，融合现场总 线技术，嵌入式软件技术、先进控制技术与网络技术，推出了w 曲f i e l de c s 1 0 0 基于网 络技术的控制系统| 2 j ，真正实现了工业自动化系统的网络化、智能化、数字化。 1 2 2 远程监控技术国内外研究动态和发展趋势 二十世纪六十年代后期，i m e m e t 首先在美国出现，八十年代得到广泛的使用。尤 其九十年代至今，i n t e m e t 已经变成覆盖全世界的计算机网络，再加上网络技术的日臻 成熟和其给人们提供的数据共享、信息传递快捷可靠、不受时空限制和交互性等优点， 使因特网已经成为信息时代的主要信息载体，并引起工业界和学术界的广泛关注。 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究 3 】【4 】。1 9 9 7 年1 月， 首届基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有 来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监控系统开放 式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望 由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于i n t e m e t 的下代远程监控诊断示范系统， 这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系 统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w 曲组网、用实时j a 、，a 和b a y e s i a nn e t 初步形成在i n t e m e t 范围内的信息监控和诊断推理。另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c l l i n c i n f o r n l a t i o n m a l l a g e m e n to p e ns y s t e ma m 趾c e ) 、s m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l 砒ep 刚e n t i o n t e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t i o n a i le n 酉n e e r i n gm a i l a g e m e n t ) 等，也纷纷通 过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标 准。许多大公司也在他们的产品中加入了i n t e m e t 的功能，如b e n t l c y 公司的计算机在线 4 华中科技大学硕士学位论文 设备运行监测系统d a 切m a i l a g e r 2 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e t d d e ) 的方式向远 程终端发送设备运行状态信息；著名的n a t i o n a li n s t m m e n t s 公司也在它的产品l a b w i n d o w “c v i 以及l a bv i e w 中加入了网络通讯处理模块【5 】，因而可以通过w w w 、f t p 、 e - m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送。法国a l a r m 研究组对生产过程的智 能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应用。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究目前，华中科技大学、西安交大、哈尔 滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果，如华中科技大学开发 的汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d 、西安交通大学研制的大型旋转机械计算机状态 监测系统及故障诊断系统r m m d 、哈尔滨工业大学的微计算机化机组状态监视与故障 诊断专家系统m m m d e s 等。 目前远程监控技术的主流是应用i n t c m e t 技术，在t c p i p 协议和w w w 规范的支 持下，合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所 有信息并及时做出响应将来，嵌入式系统的发展会越来越迅速，越来越成熟，这项新技 术迟早必将用于远程箍控系统上，是监控系统未来发展方向之一。嵌入式监控系统可以 使信息实现本地化处理【6 j ，改善服务器性能，可以使每一个设备具备上网与服务功能， 即每一个设备都可以独立进行服务，从而大大提高监控的质量和范围。 1 3 本课题的主要研究内容 1 3 1 系统功能要求和主要技术指标 ( 1 ) 实时生产过程监视、刷新显示，现场工作状况、采集的数据以及报警信息能 及时上传到p c 机： ( 2 ) 控制中心同时可以监视多个测控点的情况，可以任意切换各个远端的画面； ( 3 ) 全面支持t c p i p 协议，可方便连入i 曲彻e t 和i n t e m e t ： ( 4 ) 测控中心监控机采用图形化人机界面，操作直观、简便； ( 5 ) 检测到报警，能自动切换报警发生点的画面到指定的监视器上，并自动打印； ( 6 ) 现场监控和远程监控兼备，向上层网( 如企业管理网) 的互联功能； ( 7 ) 多级密码权限管理功能，针对不同的管理级别提供不同操作权限，以提高系 华中科技大学硕士学位论文 统的保密性和安全性。 1 3 2 本文主要研究内容和章节安排 本文主要研究内容有： ( 1 ) 首先对工业输送线的控制过程进行分析和研究，了解p l c 的控制原理，在研 究现有工业输送线可编程控制器( p l c ) 的基础上，对工业输送线自动控制原理进行分 析研究。 ( 2 ) 对输送线网络数字监控系统的具体构架进行设计。 ( 3 ) 对p l c 通信机制进行分析，对t c p 口协议进行阐述，设计工业输送线的网 络协议，以实现远程监控。 ( 4 ) 用工控组态软件m c g sw w w 具体设计网络监控软件和监控窗口界面，使数 据通信全面支持t c p i p 协议，可方便连入i m r a n c t 和i n t e m e t ，以实现网络监控。 ( 5 ) 对网络数字监控系统进行调试和测试。 本人在课题研究中，主要进行整体方案的设计；根据输送线运行情况，分析p l c 的控制过程；重点研究工控组态软件( m c g s ) 编程实现p c 对工业输送线的监控；对 系统进行调试和测试。 章节安排： 第一章绪论，主要分析课题研究的意义及国内外本系统的研究动态和发展趋势： 第二章系统总体方案设计，首先对p l c 的控制原理进行了分析，针对深圳商巨的 输送线进行提出系统设计方案； 第三章通讯及网络协议，对系统的通讯及网络协议进行阐述； 第四章组态软件m c g s ，对课题选用的软件m c g s 进行介绍； 第五章系统软件设计，用m c g s 进行主控窗口设计、用户界面程序设计、和运行 策略设计； 第六章系统运行测试，对进行系统运行调试和测试； 第七章总结。 华中科技大学硕士学位论文 2 基于网络的工业输送线远程监控系统总体方案设计 要实现基于i m e m e t 远程控制，不仅需要考虑原有工业输送线控制的特点，还需要 考虑i 网络技术和改进后系统的新特性。比如数据传输的可靠性和准确性；设备的实时性； 协议的简单化，实现少延迟，快速投递；网络数据的传送和更新不仅是动态的、实时的， 而且要有很好的兼容性；t c p i p 协议和现场总线协议的兼容性，真正达到数据畅通无阻。 2 1 p l c 基本控制原理与方法 2 1 1 可编程控制器( p l c ) 工作原理 p l c 是采用c p u 的工业用控制器，与普通计算机有相似之处，属于串行工作方式， 但如果采用普通计算机所使用的等待命令工作方式或查询工作方式，都满足不了原并行 逻辑控制电路的要求，为此，p l c 采用了与普通计算机工作方式差别较大的“循环扫描” 工作方式。 所谓扫描，就是c p u 从第一条指令开始执行程序，直到最后一条( 结束指令) 。扫 描过程分为三个阶段，即输入采样( 刷新) 、用户程序执行和输出刷新三个阶段，这三 个阶段称为一个扫描周期1 7 】。普通继电器的动作时间大于1 0 0m s ，一般p l c 的一个扫描 周期小于1 0 0 m s 。 对于继电器控制电路，根据工艺要求，操作人员可随时进行操作，因此，p l c 只扫 描一个周期是无法满足要求的，必须周而复始地进行扫描，这就是循环扫描。在扫描时 间小于继电器动作时间的情况下，继电器硬逻辑电路的并行工作方式和p l c 的串行工 作方式的处理结果是相同的。p l c 循环扫描示意图如图2 1 所示【8 】。 扫描周期 一， 月1 1 j t 刚叫r h r1 扫描周期 一一l 一。，一l一 磊u 出 1 输入。 一 _ 叶i r j 1 _ w t 一输出一 输入 刷新 皇 凄 采样 图2 1p l c 循环扫描示意图 图2 2 是p l c 工作原理示意图9 1 ，从图中可以形象、直观地看出信息在输入回路、 运算回路、输出回路中的传递和处理过程。 7 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = ；= = 一 外部输出 2 1 2 p l c 的i 0 点 图2 2 p l c 工作原理示意图 i 0 端予是p l c 与外部设备( 输入设备、输出设备) 连接的通道。i o 点的作用是 将设备与p l c 进行连接，使p l c 与现场构成系统，以便从现场通过输入设备( 元件) 得到信息( 输入) ，或将经过处理后的控制命令通过输出设备( 元件) 送到现场( 输出) ， 从而实现自动控制的目的。 洲斟d 。划柑峥 i c o m l r j n lx oix li 凇 x 3 艏ix ，x 6x 7 p l c 图2 3 输入回路的连接 输入回路连接的示意图如图2 3 所示1 0 】。输入回路的实现是c o m 通过具体的输入 元件连接到对应的输入点上，通过输入点x 将信息送到p l c 内部。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= g = = = = = = 输出回路就是p l c 的负载驱动回路，输出回路连接的示意图如图2 4 所示。p l c 仅提供输出点，通过输出点，将负载和负载电源连接成一个回路，这样负载的状态就由 p l c 的输出点进行控制，输出点动作负载得到驱动。 弛糕 矾描谢黼 一 i 。m l iv 0iv ii i ”| 。o h 叫y 4 i y 5l 怕iy 7 刚v l o l y y 2 i y l 3 p l c 图2 4 输出回路的连接 2 i 3p l c 软元件 p l c 内部有许多被称为继电器( 输入继电器、辅助继电器、输出继电器) 、定时器、 计数器和数据寄存器等的软元件【1 1 】。任何一个软元件均有无数个触点，这些触点在p l c 内部可随意使用。用这些软元件的线圈和触点可构成与继电器一接触器控制相类似的 控制电路( 梯形图) 。 图2 5p l c 软元件及其关系 图2 5 表示出了p l c 软元件及其关系【1 2 ，箭头表示软元件之间的信息传递方向。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 4 p l c 控制系统的组成 p l c 控制系统由硬件和软件两个部分组成【1 3 】，如图2 6 所示。硬件部分：将输入元 件通过输入点与p l c 连接，将输出元件通过输出点与p l c 连接，构成p l c 控制系统的 硬件系统。 匿圈 u 仁 图2 6p l c 控制系统组成 软件部分即控制思想，用p l c 指令将控制思想转变为p l c 可接受的程序。 2 2 深圳商巨输送线介绍 2 2 1深圳商巨输送线各单元部分 ( 1 ) 输送线移载单元 ( 2 ) 输送线旋转单元 图2 7 输送线移载单元实物图 1 0 坚至 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 输送线提升单元 图2 8 输送线旋转单元实物图 图2 9 输送线提升单元实物图 2 2 2 深圳商巨输送线p l c 控制过程 课题研究的对象为深圳商巨有限公司生产的输送线，p l c 选用光洋s u 6 型，图2 1 0 为光洋s u 6 型p l c 实物图。工业输送线设备的运行过程为：首先系统复位，然后，当 操作者按下启动按钮后，进入p l c 自动控制中，p l c 按预先编排的程序控制机组设备 的运行，即按设定的时间或条件，以及预先规定好的动作顺序，输出信号，使被控对象 按规定的工艺流程自动运行。开电源，系统初始化，当光眼6 处无工装板时，皮带运行， 工装板运行至光眼6 处：移载单元( 图2 7 ) 的升降器下降，吸住硬盘后，升降器上升 华中科技大学硕士学位论文 至输送线上层，后升降器前行，再下降，将工装板放至光眼1 处；阻档1 下降，工装板 向前进，移至旋转单元( 图2 _ 8 ) ，旋转单元顶升器上升，进行检测，逆时钟旋转1 8 0 0 ， 然后顺时钟旋转1 8 0 0 ，检测结束，顶升器下降；工装板继续前进，至提升单元( 图2 9 ) ； 当工装板运动至光眼4 时，提升器下移，皮带运行，工装板运行至移载单元。如此一个 周期后，循环运行。 图2 一1 0 光洋s u 一6 型p l c 实物图 表2 1 给出了输送线配备的光洋s u 6 型p l c 输入、输出点的分配关系。 表2 1p l c 输入、输出点分配 a慧停 1蔓位2停止3篇幼 t自动，手动56穆载上限 7罄蛾中狠 l 口穆载下报i l穆载后狠1 2移裁莆暇1 3丽升上鼠 输入庸“壤秀下藏1 5缝转搛1 6麓转翥限 1 7囊舟上嘏 铷接舟下瓣 2 l光瞩l2 2光哦22 3毙峨3 2 哇光“芏5先l 鼬臻光目酗2 7真空升关 舶3 l3 23 3 0樯真空 l馥障指拳2自搿# 秉3 t厩点指示5穆载上升6移戴下降 t移藏后强 1 0摄丹避援 1 1撬升出鞭1 2皮带i 毒仟1 3瞧蘩避开 输出点 l d 1 6斌仟指宋1 6移载慧避l 磺舟上升 2 0壤畀下毒2 l挂转左麓2 2臌 宕挂2 3提升上升 捌撬升下辫2 5驵掐器l2 6陋持薯2 2 t髓掐器3 3 0 3 l3 23 3 2 3 系统总体方案设计及关键技术 2 3 1 工业输送线数字远程控制系统总体方案设计 基于i n t e m e t 远程测控系统的主要有以下几部分组成：w e b 服务器、现场测控设备、 监控p c 、交换式以太网、浏览器等。 华中科技大学硕士学位论文 工业输送线数字远程控制需综合运用计算机网络技术、工业控制技术和人工智能技 术。整个系统由自动控制系统、远程传输系统、中心控制系统三部分构成，下面分别进 行叙述。 ( 1 ) 自动控制系统及前端系统 自动控制系统利用p l c 控制技术，按照生产指令，通过系统的自动识别功能和输 送链，自动地、柔性地把托盘箱上生产物料，以最佳的路径，最快的速度，准确地从生 产场地的一个位置输送到另一个位置，完成托盘箱和生产物料的时空转移，以保证工厂 的设备和生产的高效率地运行。 前端系统主要由数据采集设备和监控网关设备几大部分构成。数据采集设备包括报 警信号采集及其他参量采集设备，这些设备负责采集监控现场的数据； 监控网关设备是整个系统中最重要的设各，负责将采集到的报警等模拟信号编码、 压缩为数字信号，按照标准的协议通过网络传输。 ( 2 ) 远程传输系统 传输系统是远程监控系统的关键组成部分，负责各种信号和指令的上传下达。系统 可以通过现有以太局域网、i n t e m e t 完成数据传输，借助双绞线、数字光纤、电话线等 远程数字传输媒介，将数据信号传送到中心控制端，同时将中心端发出的控制信号传回 远端基站。 ( 3 )中心控制系统 中心控制系统是整个数字化远程监控系统的大脑，负责楚个系统的管理和控制工 作，接收来自各远端监控现场的监视图像、报警信号和各种设备的状态数据，并向各远 端监控现场各种遥控动作设备发送动作指令。 系统结合先进的计算机软、硬件技术和网络技术，提供优秀的软件操作管理界面， 建立基于t c p i p 通讯协议，应用局域网技术的分级分控管理体系，实现与现有计算机 网络的完美结合和高度的资源共享。 2 3 2 工业输送线网络控制系统总体结构 工业输送线控制采用分布式控制技术，通过工业控制网络组成生产过程控制系统和 实时、安全的监控系统。工业输送网络监控系统总体结构如图2 1 1 所示。上位机监控 华中科技大学硕士学位论文 计算机采用p c 机，进行系统全面的监控和管理；由安装在现场的p l c ( 光洋s u 6 ) 控 制器作为下位机与现场电气设备和执行机构直接连接，执行可靠、有效、具体的分散控 制。输送线的上位p c 与现场的p l c 通过r s - 2 3 2 ，r s 4 8 5 转换接口连接。采用r s 4 8 5 标准总线网络进行数据传输，使得传输距离更远。这样就构成了工业输送线的分布式控 制网络。 图2 一“工业输送线网络监控系统总体结构图 2 3 3 数字远程监控的关键技术 ( 1 ) 网络数据库技术 在i n t e m e t 上实现远程测控，首先要通过i n t e m e t 获得系统的设备状态和故障信息， 同时又要让远程监控设备或故障诊断系统在异地的数据库上得到查询。i n t e m c t 的w e b 服务器包含的信息量巨大，覆盖区域广，以前它主要采用h t m l 编写，表现形式多样， 表现力强。但用h t m l 所组成的是一种静态文件，不适应w e b 上数据的实时、动态更 新，很难满足设备的实时性要求。 目前，基于组件的数据库技术刊实现了在分布异构下可重用、可移植、可互操作。 组件是一个分布对象，规定了组件必须按照统一的接口规范向外界声明服务；组件也是 独立可重用的二进制代码，它既可以用不同平台开发，也可以分布在网络上的不同平台 上，被不同的平台所重用。应用组件数据库技术实现的w e b 数据库可以满足远程测控 1 4 华中科技大学硕士学位论文 系统的需要。 ( 2 ) 现场总线技术 现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通 讯网络，遵循i s o 的o s l 开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。f c s 则是 用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互 连的实时网络控制系统。 作为新一代控制系统的体系结构，现场总线技术具有如下特点： 1 ) 实现系统的全分散控制。 2 ) 系统的开放性。 3 ) 设备的智能化与功能自治性。 4 ) 互操作与互用性。 5 ) 对现场环境的适应性。 现场总线的这些特点和传统控制系统的体系结构相比，具有节省硬件数量和投资、 减少安装费用、降低维护开销、用户具有高度的系统集成自主权、提高了系统准确性和 可靠性、便于实现基于网络的远程监控等优点。 但目前，由于现场总线技术出现的时间还不长，仍处于发展阶段。现在应用的现场 总线产品主要是低速总线产品，而高速现场总线产品正展开激烈的竞争。高速现场总线 主要应用于控制网络内的互连，连接控制计算机、p l c 等智能程度高、处理速度快的设 备，以及实现低速现场总线网桥间的连接。以太网是高性能现场总线的最好选择，不仅 保证实现现场总线与i n t e m e t 的数字式互连、互操作性和开放性，还可以保证网络的实 时性、可靠性等。采用e m e m e t 的现场总线可保证技术的持续发展，千兆e t l l e m e t 技术 已走上成熟，吉比特以太网产品也推向市场1 1 5 】，另外e t i l e m e t 受到广泛的软、硬件开发 技术的支持，几乎所有的编程语言都支持e m e m e t 的应用开发。采用e t l l e m e t 作现场总 线来实现远程测控，必将推进控制领域的彻底开放，实现控制技术更加迅速的发展。 ( 3 ) 远程监控网络中的延时处理技术 系统中的延时处理技术是实现基于i n t e m e t 远程监控的关键，处理不好将影响艇体 系统的性能。系统的延时主要有数据采集延时和数据传输延时所组成，采集系统一般采 华中科技大学硕士学位论文 用双缓冲方式，采集延时= 采集间隔+ 缓存点数。一旦采集方式确定，系统的信号延时就 主要有网络传输延时决定了。 对于采用介质访问控制协议的交换式以太网来实现远程测控的网络系统来说，有两 个有效的方法来解决时延问题。采用全双工通信快速交换式以太网不会有延迟，也不会 产生延迟的不确定性，另一个方法就是努力减小通信数据量，可以按照媒体的压缩方法： 按信号工程特性减少信号的冗余信息和按视觉显示原理降低信号的冗余度，对系统信号 进行压缩。 ( 4 ) 故障诊断技术 故障检测、报警与诊断技术随着8 0 年代初期以来人工智能和专家系统技术在各个 行业的兴起和成功应用，在工业自动控制领域中占有越来越关键的地位。传统故障诊断 技术采用的专家系统的知识库是封闭的或半封闭的，其知识库的构造和知识的输入与修 改均需由设计者来进行。而适合远程测控系统的故障诊断专家数据库必须基于w e b 数 据库开发式的体系结构，专家系统的设计者只需要完成一个简单实用的专家系统框架， 不需要设计者去填充专家系统的知识库，知识库的填充是由系统的维护和使用者在使用 的过程中不断去充实，从故障诊断的成功经验中提取相关的知识。基于w e b 数据库的 故障诊断方法已成为目前故障诊断方法的研究热点，它能结合系统的物理特性和有限的 经验知识有效地进行诊断。 ( 5 ) 网络安全技术 随着i n t c m e t 应用普及，网络安全问题日益突出，如何设计一个稳定、可靠、安全 和经济的企业网，应对日益增多的网络攻击、病毒破坏和黑客入侵等问题已成为企业网 络建设和运营所关注的重点。数字远程测控系统必须把网安全问题放在重要的位置。网 络通信的数据安全主要包括：数据传输的安全性，即保证在i m e m e t 上传输的数据不被 第三方窃取；数据的完整性，即数据传输过程中不被篡改；身份验证，保证交换数据时 确认对方的真实身份。 目前，网络安全已成为数据通信领域的一个重要研究方向，人们研究开发了各种各 样的网络安全技术来保证网络通信的安全，采取的安全措施主要有防火墙技术、数据加 密技术和防病毒技术等。数据加密技术是为提高信息系统的数据安全性、保密性和防止 华中科技大学硕士学位论文 秘密数据被破解所采用的主要手段之一。应用最为广泛、综合功能最强的是防火墙技术。 防火墙是一种用来控制网络之间互相访问的网络互连设备，通常是软件和硬件的组合 体，它在h l t e m e t 与内部网之间建立起一个安全网关，保护了内部网络免受非法用户的 侵入。 远程测控可根据不同的网络安全要求采取不同的安全措施，对安全有特殊要求的系 统，可以采用专用的网络；对网络安全要求一般的系统，可使用网络防火墙，并对数据 进行加密。当然，无论采用何种安全措施，最重要的是要加强网络安全管理意识。 2 4 小结 以p l c 的循环扫描控制方式，分析了p l c 控制系统的原理和组成。以深圳商巨的 输送线为研究对象，讨论输送线数字控制系统的功能要求，分析本课题的网络通信机制， 提出本课题总体设计方案，并指出系统设计时要解决的关键技术问题。 华中科技大学硕士学位论文 3 通讯及网络协议 p l c 与p c 机之间，网络中不同的工作站、服务器之间能进行数据传输，源于协议 的存在。随着网络的发展，不同的开发商开发了不同的通信方式。当今局域网中最常见 的三个协议是交叉平台t c p i p 和m i c r o s o f t 的n e t b e u i 、n o v e l l 的i p ) ( s p x ， 每种网络协议都有自己的优点，但是只有t c p i p 允许与i m e m e t 完全的连接。t c p ，i p 是在6 0 年代由麻省理工学院和一些商业组织为美国国防部开发的，t c p i p 网络协议是 网络互连的标准协议，连入i n t e m e t 的计算机进行的信息交换和传输都需要采用该协议。 在整个计算机网络通信中，使用最为广泛的通信协议便是t c p i p 协议。而且，在w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r 系统下实现和其他操作系统的连接与通信，以及配置各种专门功能的服务器 ( 例如，配置d n s 服务器、d h c p 服务器以及实现与n e t w a r e 或u n i x 系统的连接) 的过程中，t c p i p 是使用最频繁的一个网络