（机械电子工程专业论文）柔性制造系统实时监控系统的设计与实现.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：孑m 扎 同期：沙p 年月日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 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；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 、 ? l 乃同期：矽胗年后日 同期：矽肜年占月日 摘要 摘要 模块化制造系统是一种先进的现代的柔性制造系统，是一种在柔性制造系统基础 上建立的标准化和模块化系统，本文中阐述的模块化制造系统是由5 个单元组成的一 个生产加工系统，它能很好的把此系统的模块化和产品有机的统一起来，而当制造系 统不能与产品变更的要求相适应时，则随时可以对制造系统进行再设计，根据特定的 市场需求或生产需要及时的进行制造过程的重组。而整个模块化制造系统中信息的准 确性、一致性和实时性，直接关系到产品的质量，操作的安全等相关过程，所以此系 统的实时监控信息和有关信息有必要集成起来，以确保安全生产和产品的质量，从而 模块化制造系统的实时监控系统成为了工业生产能否顺利进行的关键技术之一。 论文首先由现代制造系统中的柔性制造系统的发展引出了模块化制造系统的概 念，又由针对制造系统的监控组态引出了模块化制造系统的计算机实时监控系统。详 细介绍了计算机监控组态的硬件和软件组成，还涉及到了几种监控组态软件，论述了 计算机监控系统的分类。随后详细介绍了模块化制造系统的5 个单元的结构，包括硬 件构成，工作原理，电气系统，控制系统及各个单元之间的通信，还有上位机和现场 层之间的通信。 本论文的主要部分是上位机监控组态软件的设计开发，利用国产的监控组态软件 对此系统的每个动作进行了图页的制作，通过该组态在上位机的运行来监视和控制现 场中的各种情况，从而使操作员无需在现场也可对整个系统进行监控。 关键词：模块化制造系统通信监控系统组态 a b s t r a c t 一一# _ _ _ _ 一 a b s t r a c t m o d u l a r i z a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m i sa na d v a n c e dm o d e mf l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，a n d i sak i n do ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e mb a s e d o n s t a n d a r d i z e d a n dm o d u l a r i z a t i o ns y s t e m ， i t d e s c r i b e dam o d u l a r i z a t i o n m a n u f a c t u r i n gs y s t e mc o n s i s t i n go ff i v eu n i t so f ap r o d u c t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m s i nt h i sa r t i c l e ，i ti sg o o dt oc o n t a c tt h es y s t e m s m o d u l a r a n dp r o d u c t so r g a m c u n i t y , w h e n t h em a n d f a c t u r i n gs y s t e m c a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t sc h a n g e 0 i p r o d u c t s y o uc a na l w a y sr e d e s i g no f t h em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，a c c o r d i n gt os p e c i f i c m a r k e td e m a n do rt h en e e d so fp r o d u c t i o nr e s t r u c t u r i n go f t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t i m e l t h ea c c u r a c y , c o n s i s t e n c ya n dr e a l t i m eo ft h ei n f o r m a t i o ni n t h ew h o l e m o d u l a r i z a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，d i r e c t l yr e l a t e dt op r o d u c tq u a l i t y , o p e r a t i o n a l s a f e t ya n do t h e r r e l a t e d p r o c e s s e s ，t h e r e f o r e ，t h es y s t e m r e a l 。t i m e m o n i t o r i n g i n f o r m a t i o na 1 1 dt h eo t h e rr e l e v a n ti n f o r m a t i o nn e e dt oi n t e g r a t e t oe n s u r et h es a f e t y o fp r o d u c t i o na n dt h eq u a l i t y o fp r o d u c t ，t h er e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo f m o d u l a r i z a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e mc a nb e c o m e ak e yt e c h n o l o g yf o rt h es m o o t ho f i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n f i r s t l yt h ep a p e rl e a d st ot h ec o n c e p to f m o d u l a r i z a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e mb y t h ed e v e l o p i n g o ft h ef l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e mt h a t s t ot h em o d e m m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，a l s ol e a d st ot h er e a lt i m ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mo ft h e m o d u l a r i z a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e mb yt h em o n i t o r i n ga n dc o n f i g u r a t i o nf o rt h e m 锄u f a c t u r i n gs y s t e m ，t h e c o m p o n e n t o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h e c o m p u t e s m o n i t o r i n ga n dc o n f i g u r a t i o n i sf u l li n t r o d u c e d ，a l s oi n v o l v e ss e v e r a l c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，d i s c u s s e st h ec l a s s i f i c a t i o n o fc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ， t h e ni n t r o d u c e dt h e s t r u c t u r eo ft h e5u n i t s i nt h em o d u l a rm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， i n c l u d i n gh a r d w a r es t r u c t u r e ，o p e r a t i o np r i n c i p l e ，e l e c t r i c a ls y s t e m s ，c o n t r o ls y s t e m s a n dc o n u n u n i c a t i o nb e t w e e nt h ev a r i o u su n i t s ，a sw e l la sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n h o s tc o m p u t e ra n df i e l dl a y e r t h em a i np a r to ft h i st h e s i si s t h ep cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r es d e s i g na n d d e v e l o p m e n t ，u s i n gad o m e s t i cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r em a k et h i sm a p p a g ef o re a c h i l a b s t r a c t a c t i o nc a 】r r i e do u tt h ep r o d u c t i o n ，b yt h ec o n f i g u r a t i o no ft h e h o s tc o m p u t e rt o m o n i t o ra n dc o n t r o lt h eo p e r a t i o no fs c e n eo fa l lt h ec i r c u m s t a n c e s ，s ot h a to p e r a t o r s 、h od o n tn e e do n s i t ec a na l s om o n i t o r t h ee n t i r es y s t e m k e y w o r d s ：m o d u l a r i z a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m c o m m u n i c a t i o n m o n i t o r i n g c o n t r o ls y s t e m c o n f i g u r a t i o n i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题的来源和背景一1 1 2 柔性制造系统和实时监控系统的发展简介及现状2 1 3 柔性制造系统和实时监控系统的发展动向3 1 4 课题研究的目的和意义4 1 5 本文研究的主要内容一4 1 6 本文的章节安排一5 2 计算机监控系统6 2 1 计算机监控系统的组成一6 2 1 1 计算机监控系统的组成硬件6 2 1 2 计算机监控系统的组成软件6 2 2 监控组态软件9 2 2 1 监控组态软件概述9 2 2 2 监控组态软件的基本构成9 2 3 计算机监控系统的分类1 1 2 3 1 基于可编程序逻辑控制器的计算机监控系统1 1 2 3 2 基于现场总线技术的计算机监控系统1 2 3 模块化制造系统1 5 3 1 模块化制造系统的产生及优点1 5 3 2 模块化制造系统的构成及功能1 5 3 3 模块化制造系统的驱动源1 6 3 3 1 气动系统的气源装置和辅助元件l7 3 3 2 气动系统的执行元件和控制元件1 8 3 4 模块化制造系统的传感器1 9 3 5 模块化制造系统的p l c 2 1 3 6 模块化制造系统的供料单元2 2 3 6 1 供料单元概述一2 2 目录 3 6 2 供料单元的工作原理2 4 3 6 3 供料单元的气动系统2 4 3 6 4 供料单元的控制系统2 5 3 7 模块化制造系统的检测单元2 7 3 7 1 检测单元的概述2 7 3 7 2 检测单元的t 作原理一2 8 3 7 3 检测单元的气动系统一2 9 3 7 4 检测单元的控制系统3 0 3 8 模块化制造系统的加工单元3 1 3 8 1 加工单元的概述31 3 8 2 加上单元的工作原理3 3 3 8 3 加：1 ：单元的气动系统3 4 3 8 4 加下单元的控制系统3 5 3 9 模块化制造系统的操作手单元3 6 3 9 1 操作手单元的概述3 6 3 9 2 操作手单元的1 ：作原理3 7 3 9 3 操作手单元的气动系统3 8 3 9 4 操作手单元的控制系统3 9 3 1 0 模块化制造系统的成品分装单元4 0 3 1 0 1 成品分装单元的概述4 0 3 1 0 2 成品分装单元的上作原理4 1 3 1 0 3 成品分装单元的气动系统4 2 3 1 0 4 成品分装单元的控制系统4 3 3 11 模块化制造系统的通信4 4 4 模块化制造系统的监控系统4 9 4 1 模块化制造系统的监控系统的主要任务4 9 4 2 模块化制造系统的监控系统的的构成4 9 4 3 模块化制造系统的监控系统的系统组态5 0 4 3 1 建立项目5 0 4 3 2 建立硬件系统51 4 3 3 制作画面5 6 5 总结和展望8 3 5 1 研究工作总结8 3 目录 5 2 进一步工作8 4 参考文献8 5 致谢8 7 在校期间发表的学术论文与研究成果8 8 绪论 1 绪论 制造( m a n u f a c t u r i n g ) 是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文 明进步的动力。制造业在一定程度上代表了一个国家国民经济的实力和综合国 力的强弱。生产能力在世界范围内迅速提高和扩展，已形成全球性激烈竞争格 局。任何企业都面临着如何以高质量、低成本、高速度开发新产品，占领市场， 在市场竞争汇总求生存求发展的共同问题。要解决这个问题就必须面对市场和 新技术的挑战，面对未来信息社会和知识经济的强烈竞争格局，并努力了解、 熟悉、掌握和应用各类现代技术去改造现有企业，提高企业的生产效率和竞争 能力。现代制造技术所涉及的内容极其广泛，学科跨度大，其中柔性制造系统 是一类十分复杂的大系统，所以它是集多种高技术于一体的现代化制造系统。 在现代制造系统的发展中，由于数控机床、加工中心等的普及，以及各种 现代制造技术的兴起，使制造系统正向自动化、集成化、智能化方向发展。随 着这些发展，加工过程中工件、刀具和机床状态的实时监控、检测技术等的作 用越来越重要。 1 1 课题的来源和背景 本课题是基于实验室“f e s t o 模块化柔性制造系统 的改造实践而开展的底 层控制系统的构建和上位机监控系统的设计。 在2 0 世纪3 0 年代- 5 0 年代期间，大批量、少品种的产品一般采用由机械式 或液压式的自动车床、组合车床或专用机床的刚性自动化生产线来进行生产加 工，可称为固定自动化( f i x e da u t o m a t i o n ) 方式。此流水线设备的价格相当 昂贵，设备固定，不灵活，只能加工几个指定工件。对于小批量、多品种的产 品，一般可采用单台数控( n c ) 机床，可提供加工一族产品系列的灵活性，从 一种类型的工件转换到另一种类型的工件，不需要改变机床硬件，仅需要改变 控制程序。而对于中等批量、中等规模产品。从2 0 世纪6 0 年代一7 0 年代，结合 刚性自动化生产线与数控机床的特点，将数控机床与物料输送设备通过计算机 联系起来了，形成一个系统来解决中等批量、中等规模品种以及小批量生产领 域的问题，随着科学技术的发展，产品更新换代的周期越来越短，产品的复杂 绪论 程度也随之增高，传统的大批量生产方式受到了挑战。这种挑战不仅对中小企 业形成了威胁，而且也困扰着国有大中型企业。为了同时提高制造工业的柔性 和生产效率，使之在保证产品质量的前提下，缩短产品生产周期，降低产品成 本，使中小批量生产能与大批量生产抗衡，柔性制造系统( f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，简称f m s ) 便应运而生【制。 整个柔性制造系统运行状况如何，实际上就是整个生产制造过程能否顺利 完成，整个生产制造过程实质上信息的采集，传递和加工处理过程，所以整个 柔性制造系统中信息的准确性、一致性和实时性，直接关系到产品的质量，操 作的安全等相关过程，因此，柔性生产系统的实时监控信息和有关信息有必要 集成起来，以确保安全生产和产品的质量，进而应运而生的柔性制造系统的实 时监控系统成为了工业生产能否顺利进行的关键技术之一。为了确保柔性制造 系统的加工质量、设备和工件的安全，避免重大事故，提高机床利用率与加工 生产效率，必须借助实时监控系统。 1 2 柔性制造系统和实时监控系统的发展简介及现状 第一代监控系统起源于2 0 世纪7 0 年代，采用专用计算机和专用操作系统。 如电力自动化研究院为华北电网开发的s d i l 7 6 系统以及日本日立公司为我国铁 道电气化远东系统所设计的h - 8 0 m 系统。第二代监控系统于2 0 世纪8 0 年代出 现，广泛采用集中系统，计算机用量少，由于技术复杂、系统不具有开放性， 熟悉的人不多，而且系统的维护升级、设备的改造更新、多系统的网络互联以 及信息的交换都非常困难，甚至成了不可能。第三代监控系统出现在2 0 世纪9 0 年代，采用通用小型计算机或单片机作为操作系统，是系统价格急剧下降，为 使用者节省了大量的资金，系统维护简单，易于更换和升级。有利于系统的长 时间不断运行。随着技术的飞速发展，第四代监控系统逐渐成熟，各种新型技 术和软件的应用使之功能更加完善，预示着第四代监控系统将会更加适合社会 需求，更加广泛应用于各个领域i j 。 柔性制造系统实时监控系统发展从结构模式上划分经历了三个阶段：即 “点”，“线”，“面”。从一开始的点对点，即一对一通信的监控，该种系统功能 不强，通用性差，而且复杂的现场设备的监控系统需要很多监视器，不但监控 系统不灵活。而且人力和物力消耗更大，且信息实时性不强，是柔性制造系统 绪论 实时监控系统的发展最初阶段。随着计算机技术，总线技术的发展，逐渐出现 了“线”式的监控系统，即某个生产线上的监控信息能够集成到一个计算机上， 这就能顺利完好的完成整个复杂生产线的信息通信，这样也减少了人力和物力 的消耗。在一定的区域内，信息的实时性很强，且提高了生产率，但它只是局 限于现场监控。随着网络技术的飞速发展，i n t e r n e t 正把全世界的计算机系统 通信系统逐渐集成起来，形成全球规模最火的信息高速公路与公用数据网络。 i n t e r n e t 及其相关技术极大地改变了人们的生活方式，使信息传输贯穿整个社 会、遍及全球。而柔性制造系统实时监控系统是采用先进的电子科技手段，对远 端场景进行传感成像、信号传输、集中监视、图像记录以及联动控制的系统。 即“面 式的监控系统逐渐发展起来，现场监控逐渐向远程监控转变，网络化 成了不可阻挡的发展趋势，。网络平台的不断成熟，网络性能的不断完善给予了 监控强劲的推动力，通过网络传输数据、图像和声音逐渐成了新的主流监控方 式。柔性制造系统监控点多且分布广，又需集中监控，相对于现场监控，网络 监控具有其不可比拟的先天优势：首先，无需传统的布线，不仅降低了方案成 本，而且方便灵活，可扩展性强，尤其是对无法布线或布线成本过高的监控点 更是唯一的选择；其次，各级相关管理部门还可以随时随地通过网络远程监管 现场情况，实时性和便利性的优点更加突出。一些大型网络视监控项目的成功 实施也表明网络监控已经进入稳步实质性发展的轨道。 1 3 柔性制造系统和实时监控系统的发展动向 柔性制造系统已成为当代生产改革的主流，虽然真正形成规模的f m s 并不 多，但f m s 的构想和思路得到了充分的承认，尤其是在一些原来采用大批量自 动化生产线进行生产的的离散型金属制品企业里。1 9 7 5 年以后，机械工业进入 柔性自动化时期，1 9 8 8 年统计，国际上以柔性生产方式生产的产品产值已占制 造业总产值7 0 以上，其中美国占7 7 9 6 ，日本占8 0 ，且有不断增长的趋势。据 统计，1 9 8 6 年全世界有4 0 0 条f m s 投入运行使用，到1 9 9 0 年就达到1 5 0 0 条。 据统计，全世界4 0 0 多套f m s 的机床品种构成中，采用多轴加工的机床数量占 】0 5 4 1 。 绪论 1 4 课题研究的目的和意义 柔性制造系统实现可缩短产品变换的时间和制造系统的设计建造周期，提 高制造系统的柔性，实现快速系统集成。尽可能利用已有设备和可重复利用的 制造功能及通用设备，大为降低制造系统购置、建造的投资，提高产品质量， 降低产品成本，缩短新产品上市周期，提高企业的市场竞争力。对柔性制造系 统采用实时监控目的： 1 便于以可视化方式集中监视和控制整个生产制造过程的状态； 2 可以通过监控系统进行生产统计，如产量统计，开工时间，故障时间统 计等； 3 有利于系统的故障诊断和分析； 随着柔性制造技术飞速发展，对工业生产过程的实时监控技术提出了发展 要求，本课题研究的柔性制造系统实时监控系统的设计与实现对提高生产效率， 及时排除生产故障以及进行合理生产调度起着重要作用，很大程度上增强了管 理者对生产系统的实时及控制和及时掌握实际生产信息的能力，提高了整个系 统的信息反馈速度，使得即使远离生产现场也可以对生产进行监控，增强了企 业的应变能力，提高了企业的生产管理水平，这对于实现生产网络化管理有着现 实意义和推广价值。 1 5 本文研究的主要内容 本课题根据柔性制造系统存在的问题提出了模块化的柔性制造系统即模块 化制造系统( m o d u l a rm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ，模块化制造系统是一种针对技 术难度一般的产品的新的制造系统，是一种在标准化和模块化系统基础上建立 的“柔性”生产系统。其特点是，当有一个新产品投产时，标准化的模块可以 快速组成一个新的制造系统，当产品生产完成后，组成制造系统的模块可以拆 下来用于其它新产品的制造系统。而这些标准化的模块可从一个贮备有大量模 块的租货公司租赁。对于技术难度一般、批量较小或中等的产品，模块化制造 系统能满足大批量定制生产的需要，具有高生产率和高柔性的特点。 此模块化制造系统控制动作主要有p l c 来执行，用现场总线进行模块化之 间的通讯，整个模块化制造系统的运行情况有上位机来完成，并有监控系统对 整个过程进行监视和控制。 4 绪论 一：控制系统硬件设计：此硬件欲主要采用可编程控制器( p l c ) 来完成控 制过程。p l c 作为通用工业控制器，是专为在工业环境应用而设计的，即可以用 于单台设备的控制，也可以用于多机群控及自动化流水线，该课题欲采用多个 p l c 控制，p l c 之间的通讯用现场总线来完成，p l c 和上位机之间用专门的传输 介质来完成，远程控制则需要通过网络来完成，本课题综合应用了多种技术知 识，如气动技术，机械技术( 机械传动，机械连接等) ，电工电子技术，传感器 应用技术和p l c 控制技术等，真实的呈现了一个模块化制造系统的工作过程。 二：控制系统的软件设计：该课题将采用与p l c 相对应的编程软件，依据 工件在模块化制造系统中的工序，编辑p l c 控制程序。在这一部分还要通过软 件的设计开发来实现多台p l c 资源由通过现场总线可以共享，也就是对p l c 资 源的分配和使用进行管理，既保证每一台p l c 都能与p c 联机，但又能与每一台 p l c 相连，且任一台p l c 都能有p c 机来控制。 三：实时监控系统设计：采用监控组态软件来对整个模块化制造系统进行 实时监控。实现基于模块化制造系统的上位机系统的设计。这一部分要采用一 台微机作为该模块化制造系统的上位监控机，通过该监控机与各个p l c 之间的 同步串行通信实现监控该模块化制造系统的目的。在这里要进行上位机监控程 序的设计，并制作模块化制造系统上位机监控程序的操作主界面，以实现监视 该模块化制造系统的运行状态，实时显示该模块化制造系统的相关数据等功能。 四：整个系统的实现，调试，运行。 1 6 本文的章节安排 在本文第二章中将详细介绍计算机监控系统的组成及分类，对后面构造模 块化制造系统的计算机监控做了铺挚。第三章中将主要介绍模块化制造系统的 产生、构成及其优点和功能，并详细阐述了各个单元的各种硬件的原理和属性， 在该章中还将详细论述模块化制造系统的控制系统的硬件和软件设计，实现底 层的模块化制造系统达到预计的j 下常的运行。第四章中将主要介绍模块化制造 系统上位机的监控组态系统设计，各个单元的各种动作和报警等的画面的制作， 达到在上位机上能够监控和控制底层模块化制造系统的各个动作的目的。第五 章是对本课题研究内容的总结以及对以后研究工作的展望。 计算机监控系统 2 计算机监控系统 2 1 计算机监控系统的组成 2 1 1 计算机监控系统的组成硬件 计算机监控系统的组成可以有很多种划分方法，最简单的可以按照硬件和 软件两个部分划分。 一般情况下，一个计算机监控系统的硬件可以有以下部分组成：计算机( 含 有可视化的人机界面) 、输入输出模块( 装置) 、检测变送模块( 机构) 、执行模 块( 机构) 。计算机监控系统的组成原理图如图2 1 所示。 图2 1 计算机监控系统的组成原理图 计算机主要有主机、显示器、键盘以及打印机组成。输入装置有模拟量输 入、开关黾输入和计数脉冲输入装置；输出装置有模拟量输出、开关量输出、 步进电机脉冲输出、移向触发脉冲输出和p w m 脉冲输出装置。检测变送装置有 热电阻、液位变送器以及电压检测、厚度检测等装置。执行机构有调节阀、电 磁阀、指示灯和功率放大及交流电机、直流电机、步进电机等装置。 2 1 2 计算机监控系统的组成软件 软件主要有系统软件、丌发软件和应用软件组成，系统软件一般为一个操 作系统，对于比较简单的计算机监控系统则为一个监控程序。开发软件包括高 级语言、组态软件和数据库等。应用软件一般有输入输出处理模块、控制算法 6 计算机监控系统 模块、逻辑控制模块、通信模块、报警处理模块、数据处理模块或数据库、显 示模块、打印模块等。 计算机监控系统的操作系统足指用于管理和控制计算机软硬件资源，并且 能为用户创造便利的工作环境的一组计算机程序的集合。 按照用户的数目多少可以分为单用户操作系统和多用户操作系统，根据程 序运行调度的方法可以将操作系统分为顺序执行系统、分时操作系统、实时操 作系统。顺序操作系统是系统内只含一个运行程序，此程序独占c p u 的时问， 并按程序语句的顺序执行，直至执行完毕，另一程序才能启动执行。d o s 操作系 统就属于此种系统。分时操作系统是将时间分为多个时间片，例如，每隔时间 片的时间为几十至, j j l 百毫秒。由于c p u 的运行速度非常快，二用户的操作速度 和反应速度相对缓慢，所以，在用户数目不多的前提下。每个用户都会感到自 己是在独享计算机的全部资源。u n i x 是典型的分时操作系统，如果计算机监控 系统对实时性要求不高，可以使用分时操作系统。实时操作系统足可以同时有 多道程序运行，每道程序都有相应的优先级别。程序的运行是事件驱动的，当 有多个事件同时出现时，操作系统就按事件的优先级确定哪道程序此时此刻占 有c p u ，以保证优先级别高的事件实时信息被采集。实时操作系统是操作系统的 一个分支，也是最复杂的一个分支之一。 1 ) 组件对象模型( c o m ) 技术 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 技术是在o l e 技术的发展过程中产生的， 在c o m 技术中定义了组件标准，其广泛性远远超过了o l e 所具有的能力。组件 技术是在2 0 世纪9 0 年代中后期提出来的，是在面向对象技术的软件丌发周期 长、维护困难、开放性差、难以重用等问题没有得到好的解决的情况下提出来 的。组件是独立与特定的程序设计语言和应用系统，具有可重用性、能自包含 的软件成分。有了组件技术，可以迅速的进行软件开发，只要在组件库中找出 合适的组件，将其组合起来就可以得到所需的软件，同样，软件的升级也是同 样的简单、灵活。图2 2 所示为利用组件技术进行软件开发的示意图。 计算机监控系统 乡h 件库 豳圆 圈塑习园圃 豳鳓 豳豳 应用软件 图2 2 利j j 组件开发软件示意图 2 ) 用于过程控制的0 l e ( o p c ) 技术 用于过程控制的对象链接与嵌入( o p c ，o l 。ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是基于 c o m 和a c t i v e x 的技术。包含了工业自动化用用中使用的一整套的接口、属性和 方法的标准，是把o l e 应用在过程控制中的技术。o p c 提供了应用程序与i 0 设 备相互数据通信的共同接口，而与过程中的控制软件或装置无关，它位于数据 源和数据使用者之间，为实现世界范围内所有的自动化软硬件的互操作性打下 了基础，为工业自动化软件面向对象的丌发提供了统一的标准。 o p c 对象模型有o p c 服务器对象( o p c s e r v e r ) 、o p c 组对象( o p c g r o u p ) 、 o p c 数据项对象( o p c i t e m ) ，每类对象都包括一系列接口。如图2 3 所示o p c 对 象模型。 图2 3o p c 对象模型 o p c 服务器对象提供了对数据源进行存取( 读写) 或通信的接口方法，数 据源可能是现场的i 0 设备或p l c 或d e s ，也可以是其它应用程序。o p c 服务器 内部封装了与i 0 控制设备通信及进行设备操作的代码，o p c 组对象包含在o p c 服务器对象中，并由客户端定义和维护，每个服务器可以包含多个组对象。o p c 组对象可以通过增加或删除o p c 数据项对象，o p c 数据项对象包含在o p c 组对象 中，一个组对象可以包含多个数据项对象，它同样由客户端定义和维护，数据 项是读写数据的最小逻辑单位，一个数据项与一个现场的信号相连1 3 4 | 。 计算机监控系统 2 2 监控组态软件 2 2 1 监控组态软件概述 监控组态软件在计算机监控系统中起着举足轻重的作用，它是伴随着计算 机技术的突飞猛进发展起来的，监控组态软件作为计算机监控系统的重要组成 部分，比计算机监控系统的硬件系统具有更为广阔的发展空间，尤其是各类嵌 入式系统和现场总线的异军突起，把监控组态软件推到了自动化系统主力军的 位置，监控组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。 在工业控制中，组态一般是指通过软件采用非编程的操作方式，主要有参 数填写、图形连接和文件生成等，使得软件乃至整个系统具有某种指定的功能。 由于用户对计算机监控系统的要求不一样，而开发商不可能专门为每个用户去 开发。以至于只能是事先开发一套具有一定通用性的软件开发平台，生产( 或 选择) 若干种规格的硬件模块( 如现场控制模块、i o 模块、通信模块) ，再根 据用户要求在软件开发平台上进行二次丌发和硬件模块的连接，这种软件的二 次丌发工作就称为组态，相应的软件开发平台就称为监控组态软件，简称组态 软件。计算机监控系统在完成组态之前只是一些硬件和软件的集合体，只有通 过组态，才能使其成为一个具体的满足生产过程需要的应用系统。 2 2 2 监控组态软件的基本构成 目前世界上监控组态软件的种类繁多，仅国产的监控组态软件就有不下3 0 种之多，其设计思想、应用对象都相差很大，因此，很难用一个统一的模型来 进行描述。但是，一般的监控组态软件都至少包含下列组件：图形界面系统、 i o 设备通信、实时数据库系统、第三方程序接口组件、控制功能组件、通信组 件。 以使用软件的工作阶段划分，也可以说是按照系统环境划分，从总体上说， 监控组态软件是由系统丌发环境和系统运行环境两个部分构成的。 系统开发环境是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的 支持下进行应用程序的系统生成工作必须依赖的工作环境。通过建立一系列用 户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系 统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程 序等。 9 计算机监控系统 在系统运行程序下，目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。系 统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运行程 序等。监控组态软件支持在线组态技术，即在不退出系统运行环境的情况下可 以直接进入组态环境并修改组态，使修改后的组态直接生效【3 l - 3 4 1 。 下面举例说明监控组态软件的体系结构： c o n t r o x 2 0 0 0 监控组态软件是一种先进的工业控制软件。它融过程控制设 计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应 用以及信息流汇集在一起，实现最优化管理。它的体系结构如图2 4 所示： - i f -9量 l 外部控制砹符i l 图2 4c o n t r o x 2 0 0 0 的体系结构 c o n t r o x 2 0 0 0 的体系结构由丌发环境、数掘服务、驱动程序及运行环境构成。 开发环境( s t u d i o ) 是一个工程开发设计工具，用于创建监控虚拟现实场景、 监控的设备及相关变虱动画链接以及设定运行系统配置等的系统组态工具。 数据服务( i c o r e ) 作为数据处理的核心，用于根据开发环境的设计进行与硬件 设备通讯的调度和数据的加工处理以及网络数据的传输。驱动程序( d r iv e t ) 负责与外部设备的数据信息交换，每一种通讯驱动程序支持相应类型的外部硬 件设备。运行环境( v i e w ) 是运行界面，从数据服务器获得通讯数据，依据开 发环境的动画设计显示动画画面，实现人与控制设备的交互操作。 在一个计算机监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据手机处 理中心、远程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种 控制、检测设备( 如p l c 、智能仪表、d c s 等) 共同构成快速相应控制中心。 控制方案和算法一般在设备上组态并执行，也可以在p c 上组态，然后下载到设 备中执行，根据设备的具体要求而定。 l o 计算机监控系统 2 3 计算机监控系统的分类 由于计算机监控系统应用上和构成上的差异，其种类繁多。在此，按照计 算机监控系统构成的不同分别介绍不同类型的计算机监控系统 2 3 1 基于可编程序逻辑控制器的计算机监控系统 可编程序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，简称p l c ) 最初 是专门为： 业控制而设计的顺序控制器。2 0 世纪6 0 年代末，美国d e c 公司歼发 了第一台p l c ，并成功应用于美国通用汽车公司的生产线上，该p l c 只能完成逻 辑运算。进入7 0 年代后，随着集成电路技术的发展，p l c 增加了数据的传送、 处理和计算等功能；由于电子器件的集成规模的增加和体积缩小，出现了小型 p l c 和超小型p l c 。p l c 逐渐发展成为一种系列化、实用化和标准化的电子计算 机工业控制装置。p l c 采用了计算机的设计思想，实际上就是一种特殊的工业控 制专用计算机，因此，p l c 具有与通用的微型计算机向类似的硬件结构。p l c 由 中央处理器( c p u ) 、存储器、输入输出接口、智能接口模块和编程器构成，其 结构示意图如图2 5 所示。 图2 5p l c 的结构示意图 归纳起来，p l c 具有以下优点： ( 1 ) 可靠性特别高、抗干扰能力强，能适应各种恶劣的工业环境。 ( 2 ) 采用模块化结构，系统组成灵活方便 ( 3 ) 主要采用梯形逻辑图，编程简单，易学、易懂。 ( 4 ) 安装简单、调试方便、维护工作量小 p l c 一般不需要专门的机房就可以在各种工业环境下运行，使用时只需将现 场的隔阂总设备与p l c 的输入输出装置的接线端相连接即可。如果在现场，可 计算机监控系统 以使用手持编程器直接对p l c 进行编程调试。p l c 的输入输出的接线端均有发光 二极管指示，调试起来非常方便。 p i 。c 主要是为现场控制而设计的，其人机界面主要是：开关、按钮、指示灯 等。在2 0 世纪9 0 年代后，许多的p l c 都配备有计算机通信接口，通过总线将 一台或多台p l c 相连接，将p l c 的高控性能与个人计算机的友好人机界面相结 合，此类型的计算机监控系统称为p l c s 。p l c s 的组成示意图如图2 6 所示。 图2 6p l c s 的组成原理图 计算机作为上位机可与提供良好的人机界面，进行全系统的监控和管理， 而p l c 作为下位机，之下那个可靠有效的分散控制。计算机与p l c ，p l c 和p l c 之间通过通信网络实现信息的传递和交换。所有的现场控制都是由p l c 完成的， 上位机只是作为程序编程、参数设定和修改、数据采集所用。所以即使上位机 出了故障，也不会影响生产过程的正常进行，大大的提高了系统的