（电路与系统专业论文）企业智能测控与优化调度系统研究.pdf

摘要 本文针对企业生产中的测控和管理问题，设计了一个实现自动监测管理与智 能生产调度管理功能的系统。该系统属于制造业执行系统( m a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) ，是企业计划管理层和底层控制层的统一。本文对系统 的需求和关键技术进行深入研究，针对实时监测和自动生产调度这两个主要功 能，给出了具体的设计方法。 在实时监测的设计上，系统采用c a n 总线网络，把厂区分散的众多设备作 为节点接入网络。系统利用单片机和传感器完成底层的数据采集；利用c a n 总 线实时传输监测采集的数据。系统在上层设计了上位机和客户端用来保存和显示 从底层接收到的数据。系统的上位机部分设计了服务器模块，服务器中建立数据 库，负责保存采集的电流、压力温度等数据。服务器可以定期地生成每日数据报 表。客户端为管理人员提供管理操作的界面，可以显示出监测的数据结果。 本文所研究的智能生产调度设计，以节约生产成本为目标，可以有效地解决 实际调度中存在的难题。例如临时插入订单、修改订单、设备故障停工等生产信 息的改变，要求系统适应动态调度环境，在动态环境下使新的调度目标和原调度 目标具有一致性和继承性。本文设计了一个柔性调度系统，利用一种改进的遗传 算法来完成最优化调度求解。在利用遗传算法求解时做了适当的改进，使用调度 矩阵作为染色体编码，采用稳态复制和适应度线性变换，改善了遗传算法的运算 效率。设计了重调度方案来解决实际调度中任务变更问题。柔性调度的设计思想 和方案，使得该系统在实际的生产调度中有很强的适应性，具有重要的应用价值。 本系统已应用在橡胶行业生产领域。使用c a n 总线和分布式网络结构有效 地解决了厂区庞大分散、设备繁多等问题给生产监测来带的麻烦。系统的自动生 产调度功能和传统的人工调度相比，不仅提高了工作效率，而且有了科学的理论 依据，让调度结果更加合理，有利于节约成本。采用自动化的监测和智能生产调 度在企业的生产中有重要的意义。 本文详细介绍了该系统的应用环境、需求分析和功能，以及系统的构架、设 计思路与具体方法，具体包括底层硬件和上层软件的设计。 关键词：c a n 总线；数据采集；生产监控；重调度；改进遗传算法；适应度线 性变换 i l a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt os o l v et h ep r o b l e m so fs u p e r v i s i o na n dm a n a g e m e n ti ne n t e r p r i s e p r o d u c t i o n ，w er e s e a r c ha n dd e s i g nas y s t e mw h i c hc a na c h i e v et h ef u n c t i o n so f a u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n di n t e l l i g e n ts c h e d u l i n gm a n a g e m e n t t h es y s t e mb e l o n g st o m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m i t st h eu n i t yo fb u s i n e s sp l a n n i n gm a n a g e m e n ti n u p p e rl a y e ra n dc o n t r o l l i n gi nu n d e r l y i n gl a y e r i nt h i sp a p e rw er e s e a r c ht h e r e q u i r e m e n to ft h es y s t e ma n dk e yt e c h n o l o g yo fd e s i g n i n g w ed e s c r i b et h ed e s i g ni n d e t a i lt oa c h i e v et h es y s t e m sa u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n di n t e l l i g e n t s c h e d u l i n g f u n c t i o n s i nt h ed e s i g no fa u t o m a t i cm o n i t o r i n g ，t h es y s t e mi sb a s e do nc a nb u sn e t w o r k t h ee q u i p m e n t si nd i s p e r s e dw o r k s h o p sa r ec o n n e c t e dt ot h en e t w o r ka sa c c e s s e d p o i n t s t h es y s t e mu s e ss i n g l ec h i pm a c h i n e sa n ds e n s o r st oc o l l e c td a t a ，c a nb u st o t r a n s m i tt h ed a t a i nu p p e rl a y e ro ft h es y s t e mh o s tc o n t r o l l e ra n dc l i e n ta r ed e s i g n e d t os a v ea n dd i s p l a yt h ed a t ar e c e i v e df r o mu n d e r l y i n gl a y e r i nh o s tc o n t r o l l e rw e d e s i g nas e r v e r , a n dd a t a b a s ei sb u i l to ni t d a t a b a s ec a ns a v et h ec o l l e c t e dd a t as u c h a sc u r r e n t ，p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e t h es e r v e rc a na l s og e n e r a t ed a i l yd a t ar e p o r to ft h e d e v i c e t h ec l i e n tp r o v i d e so p e r a t i o ni n t e r f a c ef o ra d m i n i s t r a t o r i tc a nd i s p l a yt h e r e s u l t so fm o n i t o r i n gd a t a t h ei n t e l l i g e n ts c h e d u l i n gs y s t e mc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ea c t u a lp r o b l e m sw i t h t h eg o a lo fr e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s t t os o l v et h ea c t u a lp r o b l e m st h a te x i ti nt h e s c h e d u l i n g ，s u c ha st e m p o r a r yi n s e r t i n go r d e r s ，m o d i f y i n go r d e r sa n dm a c h i n ef a i l u r e ， t h es c h e d u l i n gs y s t e ms h o u l da d a p tt ot h ed y n a m i cs c h e d u l i n gc o n d i t i o n sa n dm a k e t h en e ws c h e d u l i n go b j e c t i v ea n do r i g i n a ls c h e d u l i n go b j e c t i v eo fc o n s i s t e n c ya n d s u c c e s s i o n a ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e di ns c h e d u l i n g i nt h eo p e r a t i o nt h e g e n e t i ca l g o r i t h mi si m p r o v e d m a t r i xc o d i n g ，s t e a d y s t a t er e p r o d u c t i o na n dl i n e a r t r a n s f o r m a t i o no ff i t n e s si m p r o v e dt h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo fg e n e t i ca l g o r i t h m r e s c h e d u l i n gp r o g r a mi sd e s i g n e dt os o l v et h ep r o b l e mo f j o bc h a n g i n g t h ed e s i g n o ff l e x i b l e s c h e d u l i n gm a k e st h es y s t e ma d a p t i v ea n dv a l u a b l e i nt h ea c t u a l p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g i i i t h es y s t e mi sa p p l i e di nr u b b e rm a n u f a c t u r i n gf o rp r a c t i c e t h ec a nb u sa n d d i s t r i b u t e dn e t w o r ke f f e c t i v e l ys o l v et h et r o u b l e sb r o u g h tb yt h el a r g es c a l ew o r k s h o p a n dt h eq u a n t i t i e so fd e v i c e sf o rp r o d u c t i o nm o n i t o r i n g c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l m a n u a ls c h e d u l i n g ，i n t e l l i g e n ts c h e d u l i n gs y s t e mn o to n l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo f w o r k ，b u ta l s op r o v i d e ss c i e n t i f i ct h e o r yb a s i sf o rs c h e d u l i n gr e s u l t s ，a n di ti sm o r e r e a s o n a b l ea n db e n e f i c i a lf o rd e c r e a s i n gp r o d u c t i o nc o s t u s i n ga u t o m a t i cm o n i t o r i n g a n di n t e l l i g e n ts c h e d u l i n gs y s t e mi ne n t e r p r i s eh a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o n ，d e m a n da n a l y s i s ，f u n c t i o n s o ft h es y s t e ma n da l s ot h ec o n s t r u c t i o n ，d e s i g n i n gi d e a sa n dm e t h o d so ft h es y s t e m i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g n i n ga n ds o f t w a r ed e s i g n i n gi nd e t a i l k e yw o r d s ：c a nb u s ；d a t ac o l l e c t i o n ；m a n u f a c t u r em o n i t o r i n g ；r e s c h e d u l i n g ； i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m ；l i n e a rt r a n s f o r m a t i o no ff i t n e s s i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所望交的学位论文是本人在导师指导。卜进行的研究i ：作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注利致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机构的学位或证1 5 而使州过的材料。与我一 同：i j 作的同忠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谢意。 学位论文作者签名：王一钐乙 签字日j j ： 弘口年弓月锣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆苤鲎可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采刚影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权二 5 ) 学位论文作者签名： 王钒 翩签名：诚 签字日期：砂p 年弓月d 日 签字日期：2 0 旧年? 月，移日 致谢 时光飞逝，两年半的硕士研究生生涯即将结束。经过两年半的学习和实践， 我的研究生论文终于完成。这不仅是我一个人的成果，同时也凝聚了我的老师、 亲人和朋友们的心血。 衷心的感谢我的导师孙斌教授。她在我读研究生的这两年半期间，在学习和 学术上给了我精心的指导和教诲，在生活上也给了我极大的关心和帮助。从毕业 论文的选题、课题项目的设计和实现，她时刻都在为我提供指导和帮助，毕业设 计和毕业论文也倾注了孙老师的心血。孙老师治学严谨、思维开阔、为人谦虚正 直、体恤学生，这些都留给了我深刻的印象，孙老师以自己的行动激励着我、感 染者我，是我今后学习和工作的楷模。 衷心的感谢金心宇老师，感谢这两年半期间他对我学习上的指导和教诲，他 广博的知识、活跃的思维和丰富的人生阅历，为我的学术研究提供了许多宝贵的 思路。 感谢实验室的师兄、师弟：杨志国、黄神赐、冯庆坤，感谢电路与系统专业 的同学：朱畅、黄飞、谢煜锋、朱丁丁、张正宜、何群峰、孙玮、周春喜、吴砥 柱、王建毅，感谢电路与系统专业的师弟师妹们，感谢你们对我的学术研究的支 持和帮助，感谢你们对我生活上的关怀和帮助。你们为了营造了一个良好的学术 氛围，感谢你们陪我度过的美好的研究生时光。 感谢我宿舍的兄弟们：胡志卷、马斌、程曦浩、王清波、周升、何群峰、卜 士喜，感谢我身边的朋友们，感谢我那些天南地北的朋友们，祝你们工作顺利， 生活幸福。 最深的谢意送给我的父母和亲人。这六年半的杭州大学生涯，你们一直地在 家乡支持我、鼓励我，让我一直地走下去，顺利完成学业。感谢你们对我的培育。 我永生难忘。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 企业信息化是企业利用先进的通讯和计算机技术，通过对技术资源的深入开 发和广泛利用，不断提高企业生产、经营、管理和决策的效率及水平。信息化管 理是企业发展的核心竞争力。制造业执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ， m e s ) 力i 强了企业上层事务处理和下层实时控制的能力。其主要应用于车间维护、 生产调度、系统监控和数据采集等方面，并且这些方面之间相互联系。目前在国 外m e s 的商业化已经成熟，国内高等院校已开始从事m e s 这方面的研究与开 发工作，在国内也已经开始逐渐的普及。 在m e s 的系统监控和数据采集等方面，为了能更好地保证生产质量，需要 一些设备进行实时监测，例如电流、压力、温度等数据，以这些信息作为反馈， 对生产质量进行监督。在实际生产中，工厂的车间、厂区位置分散，占地面积大， 并且整条生产线生产设备多，因此如果要实地去监督生产、监测生产数据，就会 造成低效率、高成本。为了方便地实时监测生产数据、监督生产状况，可以基于 现场总线采用自动化与智能化的生产监测系统。现场总线技术近年来已广泛用于 工业生产领域，它为实时监测提供了数据传输的网络保障。现场总线可以在复杂 的工作环境中保证数据及时无误地传输。利用数据采集装置完成对所要监控和测 量的设备的数据采集；将每个厂区实现网络化管理，采用分布式网络结构，利用 网络总线来传递信息。这样管理人员就不用穿梭在厂区和设备间，可以把精力从 数据和状态的记录转移到对它们的分析上来。既节约了人力成本又提高工作效 率，保证了产品的质量，提高企业的竞争力。所以实现设备的网络化监测有重大 的意义。 m e s 的另外一个重要事项是制定生产计划和车间调度。在生产中，由于生 产设备、生产能力、原料等限制，客户的生产订单不能立刻完成，因此要有效地 控制库存和交货日期。上层的生产规划负责确定生产目标，如确定生产批量、控 制订单发放和设定交货期；下层的车间调度在有限的生产资源约束下，给目标任 务分配合理的资源。科学的调度可以协调生产，可以提高设备、资源的利用率， 提高生产效率，降低成本，还可以控制库存量，提高交货期满足率，缩短产品制 造周期，同时向车间生产人员提供指导，有助于管理者评价工作情况。在实际中， 浙江大学硕：仁学位论文 由于生产订单多，仅仅依靠人工制定调度计划来指导生产不仅工作量大，而且不 一定能得到令人满意的结果。在遇到新增订单、修改订单或者机器故障时，需要 进行重新调度。人工重新调度的结果往往难以和已完成的调度任务很好的结合， 或者达不到一个最优化的调度方案以达到成本最小。最好的方法是利用计算机来 实现自动调度。智能管理可以根据订单和资源限制，利用遗传算法实现自动调度， 得到优化的调度结果。现代智能管理系统还应提供良好的人机交互界面，为管理 层提供方便有效的管理。 本文研究的企业专用测控与管理系统，把测控和计划管理很好地结合在一 起。为了实现底层生产的监测和控制，考虑到厂区分散和传输实时性，利用c a n 总线组网能满足要求，并设计总线节点，对设备的电流、电压和温度等工作参数 完成数据采集。在生产上实现了实时测控，利用c a n 总线传输测控数据到上端 的管理层1 】 2 1 【3 】，管理层利用监测数据，对生产进行控制和设备管理、文档管理、 生产调度等。本系统中，管理指导生产，测控把生产信息及时反馈以便及时调整 管理，实现了企业的信息化集成。利用c a n 总线传输数据到上位机并保存到数 据库中，在上位机上进行处理、记录、显示等环节。上位机上实现智能管理，有 良好的人机交互界面，实现数据资料管理、在线监测、设备管理、生产调度等。 本系统在橡胶生产领域进行应用实践，在实时监测和生产调度上得到了很好的实 际效果。本文的设计重点主要集中在实时监测和生产调度两部分。 1 2 国内外研究现状 1 2 1c a n 总线应用及研究现状 现场总线技术已经成为当今工业自动化技术的研究热点，c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。c a n 是 一种多主方式的串行数据通讯总线，有高的位速率，高抗电磁干扰性而且能够检 测出产生的任何错误，当信号传输距离达到l o k m 时，c a n 仍可提供高达5 0 k b p s 的数据传输速率。为促进c a n 以及c a n 协议的发展，1 9 9 2 在欧洲成立了c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 。在c i a 的努力推广下，c a n 技术在汽车电子控制系统、 电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了 广泛的应用。现已有4 0 0 多家公司加入了c i a ，c i a 已成为全球应用c a n 技术 的权威【4 1 【5 】。 2 浙江大学顾士学位论文 c a n 总线在组网和通信功能上的优点以及它的高性价比决定了它在许多领 域都有广阔的应用前景和发展潜力。c a n 总线系统开发廉价，许多国际上大的 半导体厂商也积极开发出支持c a n 总线的专用芯片。其中有智能c a n 芯片， 也有非智能c a n 控制器、收发器。 根据国内外资料报道，c a n 技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建 设中。如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点可以随机访问， 通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量都很少。适当的网关如c a n 与t c p i p 协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场c a n 信息转变为 i n t e m e t 的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为c a n 的 形式，此即实现了所谓的远程控制。c a n 总线作为一种可靠的计算机网络总线 已在许多先进技术上得到应用，将c a n 总线应用于智能传感器中，使传感器获 得的信号能通过总线实时地、可靠地、高速而准确地进行传输，也具有很好的抗 干扰能力，是未来智能化传感器和智能化控制网络的发展趋势。 1 2 2 现代企业信息化管理发展现状 本文所研究的系统也属于制造业执行系统，涉及到了数据采集、生产监控和 生产调度等方面，对于生产调度问题的研究，近几十年的相关研究很多，取得了 一定的成绩，相关的文献也很多。生产调度问题是一类经典的优化组合问题，多 数都是n p 难题。以往的研究往往集中在理想加工环境的经典调度问题上：被调 度的工件集合是确定的；工件加工的时间是确定的，并且在计划时全部工件都已 到达；在调度执行过程中没有干扰等。在实际的问题中，有时候可能不符合经典 调度问题的条件，但是可以通过经典调度问题来创新改进。在不断的研究中，形 成了越来越多的方法。传统的研究方法主要分为经典的最优化方法和启发式方 法。近年来，计算机技术的迅速发展以及人工智能、神经网络、遗传算法和仿真 技术等新方法的产生和发展，为调度算法的研究开辟了新思路，也为生产调度方 法的实用化提供了理论基础和技术支矧刚。生产调度在实际中可能会遇到不同的 问题和环境，各个企业的具体的生产调度情况可能是千变万化的，但每种智能化、 科学的生产调度的理论基础和研究方法都基于前面所提到的那些方法种类。现代 企业管理中的生产调度的实现，往往要根据已成熟的理论和方法进行改进，以适 应企业自身独特的要求【7 】【8 】【9 】。 浙江大学硕：七学位论文 本文中系统的生产调度是基于遗传算法进行开发的，并且根据实际的生产要 求，在算法的实现上进行了优化，在调度方案的设计上给出了合理的解决方式。 符合橡胶生产领域中的生产调度要求。通用性和针对性是未来生产调度管理的基 本要求和发展趋势。 1 3 本文的组织结构 本课题研究了应用于橡胶生产行业的测控与管理系统，全面地分析了实际中 的情况、需求和系统具体的设计实现方法。本文把系统分为测控层和管理层两部 分。测控层的设计包括硬件和软件的设计，管理层的设计集中在软件设计上。测 控层的重点是实时监测，技术重点是c a n 总线通信技术；管理层其中的一个重要 功能是实现智能化生产调度，设计重点是利用遗传算法实现生产调度。本文的组 织结构如下： 第二章介绍了系统的需求、整体功能、系统的结构、模块各自的功能及作用、 各模块的设计思路和技术。并且提出了各模块的设计重点和难点。整个系统分为 测控层和管理层，共分为五个模块设计：数据采集模块的硬件设计，c a n 总线 通信，工控机端和服务器端设计，客户端信息资料管理、在线监测、设备管理模 块设计，生产调度管理设计。 第三章介绍了系统设计的测控层和管理层的两大难点技术：c a n 总线通信和 遗传算法。分别介绍了c a n 总线和遗传算法的发展和基本原理。 第四章详细阐述了系统的测控层设计方案和具体实现方法，具体包括数据采 集模块设计、c a n 总线通信技术设计、工控机端和服务器端的设计。 第五章详细阐述了系统的管理层的设计方案和具体实现方法，包括客户端信 息资料管理、在线监测、设备管理模块设计和生产调度管理设计。其中重点介绍 了生产调度设计的实现。其中详细论述了如何使用改进的遗传算法来设计柔性调 度系统。 第六章介绍了系统测试结果和在实际中的应用结果。系统实际应用在橡胶厂 生产领域，作为应用实践，得到了很好的实际效果。本章给出了实际应用的界面 效果图。 一 第七章对本文设计的系统做了总结，以及对未来的展望。 4 浙江大学硕士学位论文 第二章系统的功能结构和设计思路 2 1 生产监测与管理系统的需求分析 本文所设计的生产监测与管理系统应用在企业生产中，不同的企业对于系统 的具体要求会有一些差别，但从整体上看，企业对制造业执行系统的需求基本一 致，即监测和管理。系统的监测和管理功能可以普遍适用于生产型企业。 一个好的制造业执行系统，对于生产监测的要求是能够实时监测、自动监测 并且要方便地为管理人员提供结果反馈。传统的人工现场监测，可以监测设备的 工作状态、工人的操作过程，以此作为反馈来保证设备的正常运行，保证生产的 产品质量。人工现场监测具有实时性，并且可以及时反馈信息来指导生产。但对 于大规模的生产来说，人工现场监测会暴露出一些缺点。例如监测结果不便于集 中处理，需要很多人力资源去执行现场监测，工作效率低等。因此现代化企业生 产需要用自动化监测来替代人工现场监测。对于自动化监测系统的需求，同样要 有传统方式的实时性，同时在信息的反馈上有要明显的改良。自动化监测系统可 以替代人工，在现场实现自动监测功能，并且可以通过网络把结果反馈到管理人 员做统一的处理，使监测系统具有自动化和网络化的特点。这样在大规模的生产 领域，管理人员不用到生产车间便可以方便的得到生产线上的设备和工人操作信 息。生产监测系统可以节约人力资源成本、提高工作效率、方便管理。 对系统的另一个重要的需求就是在管理上实现自动生产调度功能。和人工调 度相比，生产调度系统应该具有自动化和智能化的特点，不但要比人工调度更有 效率，而且要让调度结果更加科学合理，为企业带来更大的利益。对生产调度的 要求有： 1 )适应复杂的调度环境，满足多种约束的调度条件。例如在多机调度 情况下，机器数量的限制、生产工具的限制、可用原料的限制。最 终的调度结果应尽量能满足所有的约束，否则调度结果会失去可行 性，达不到预期的效果。 2 )要制定合适的性能指标，以此为目标进行调度。一般以性能和成本 作为参考来制定合适的目标。实际中一些条件是相互制约的，例如 以降低成本为目标，就可能造成交货日期拖延的结果。因此制定一 个合理的指标作为调度目标，应该综合考虑多种因素，找出个适 浙江大学硕士学位论文 合企业自身的调度目标。 3 )调度系统要以科学的算法作为支持，这样才能保证调度结果既合理 又科学，能为企业带来利益。在实现调度的过程中，要建立准确的 数学模型，把实际的问题用数学化的方式来表达，利用科学的算法， 计算出最优的调度结果。 4 ) 根据实际工作情况的特点，调度分为静态调度和动态调度。静态调 度指在决策时刻，调度环境的各种信息是确定已知的，而且在调度 执行过程中不再改变。动态调度是指在决策时刻，调度环境的部分 信息已知，根据逐步获得的信息不断更新调度。实际生产环境中存 在大量的扰动事件，如机器故障，新机器的加入，订单的加入、取 消或改变。实际中企业往往需要调度系统能够适应动态调度环境。 系统应该提供动态调度方案。 一个智能化的生产调度系统要可以满足以上几个方面。满足上面的四点可以 保证生产调度可以为企业节约人力成本、提高调度管理效率、实现更多利润。上 面四点是企业对调度系统的基本要求，不同的企业对调度系统可能有特殊的需 求。调度系统要设计得有适应性和针对性。 除了生产监测和生产调度两个重要的需求以外，系统还可以满足其他一些需 求，例如生产错误报警提示、生产控制、数据管理、设备管理、文档资料管理等 功能。总之，系统要在生产和管理之间为工作人员提供一个良好的沟通交互，真 实的反映生产，为管理提供信息反馈，制定工作计划，更好地去指导生产。 2 2 系统功能介绍 本系统实现的功能是企业的生产监测与智能管理。针对需求和技术特点， 系统可分为两层：测控层和管理层。 测控层是系统的底层，完成实时生产监测任务。在设计时，测控层又分为 底层和上位机两部分。要实现实时监测，必须实现现场的数据采集和数据的传 输。为了保持系统的健壮性，还要用数据库来为系统提供服务。测控层的功能 是负责对设备工作时的相关数据进行采集，利用c a n 总线对设备节点进行组网， 每个节点上采集的数据通过c a n 总线传输到上位机的数据库，为在线监测和设 备管理提供数据。测控层组成分布式网络，使得管理层可以实现集中管理，并 6 浙江大学硕士学位论文 为管理层提供数据交互的服务。 管理层的功能实现建立客户端上，利用客户端直观地为管理者提供信息和 平台，主要实现在线监测、设备管理、资料信息管理、生产调度等。其中在线 监测、设备管理和资料信息管理都利用测控层发送的数据。在线监测可以实时 地看到生产过程中的操作是否规范；设备管理通过采集的数据来观察设备的运 行状态；资料信息管理可以为每r 的实际生产记录生成报表、管理数据库、保 存一些技术参数和资料给其他模块调用；生产调度则是利用遗传算法实现自动 调度，为每日的工作安排计划。管理层为管理人员提供客户端，客户端的界面 使得管理操作更加方便。 在一些传统的制造行业中，生产跟管理是分开的，计划跟生产不适应会导 致资源浪费或成本增加。管理对生产要有指导作用，生产的效果也要反馈到管 理层，来检验管理是否有效。本系统的测控层与管理层之间有良好的衔接和联 系，使计划和实际生产不会脱节，计划可以根据当前的生产情况及时的调节。 2 3 系统结构 整个系统的结构如图2 1 所示： 图2 1 系统结构 数据采集、c a n 总线传输、工控机和服务器组成了系统的测控层，这四个部 分实现了测控层的功能。管理功能在p c 上实现，主要是利用服务器中的数据和 软件来进行管理，分为资料信息管理、在线监测、设备管理、生产调度。 测控层四个部分的功能分别为： 7 画 目；回 浙江大学硕士学位论文 数据采集器完成对设备工作时相应数据的采集和预处理，通过c a n 总线将 节点数据传到工控机【1 0 】【1 1 】。 c a n 总线负责信号和数据的上行和下行传输，要求具有实时性和准确性。 工控机主要负责接收c a n 总线上各数据采集器上传的数据并进行初步的处 理，然后把数据上传到服务器上【1 2 】。工控机同时负责对c a n 总线上的设备的 应答请求进行回应；对设备进行控制时，工控机发出控制信号到相应节点。 服务器负责采样数据的存储和报表的存储，同时向用户终端提供数据访问服 务【1 3 】。服务器和上面管理层可以通过互联网进行连接和通信。 管理层的主要功能分别为： 资料信息管理主要负责数据的保存、调用、删除以及一些工艺参数设定的管 理。负责定期生成新报表、删除旧数据、更新订单信息。 在线监测功能为管理人员提供直观的界面，监测每个设备的工艺参数来判断 工人的操作是否合理。 设备管理功能是把设备运行时的一些参数例如电压、电流、温度等在客户端 上直观的显示出来，它记录着设备的工作状态。 生产调度功能是利用前面的几种管理提供的资料和数据，为生产制定一个科 学的生产调度计划，用它来指导生产的进行。 通过对系统功能和结构的明确划分，我们可以明确系统的需求和实现系统所 需要的大致技术和方法。 2 4 系统的设计思路及技术 系统的结构如图2 1 所示，在具体设计时，根据涉及的技术特点和功能需求 分类，把整个系统的设计重点分成以下5 个方面： 数据采集模块的设计； c a n 总线通信设计； 工控机端和服务器端的设计； 客户端信息资料管理、在线监测、设备管理模块设计； 生产调度管理设计。 其中数据采集和c a n 总线通信设计属于测控测底层设计，工控机和服务器属 于测控测的上位机设计；管理层各模块属于p c 客户端上的设计。在客户端上， 8 浙江大学硕士学位论文 把生产调度管理的设计与其他三个管理模块的设计分开，是由于生产调度管理的 技术难点突出，并且核心的遗传算法与其他三个模块设计差别较大。文档资料管 理、在线监测、设备管理这三个模块设计时具有相似之处，在研究设计方案时放 在一起来讨论和解决。当然由于功能的不同，在设计实现时信息资料管理j 在线 监测、设备管理还是属于三个不同模块，在软件编程时要分开设计。 数据采集模块利用传感器把非电压信号转化为电压信号，利用单片机和a d 转换实现数据采集。单片机的软硬件设计是这部分的重点。 c a n 总线通信需要c a n 收发器。收发器安装在单片机上，在单片机内部程序 里完成c a n 总线通信的底层软件设计。c a n 总线数据要送到工控机端，与工控机 端的通信也需要软件程序的支持，这部分软件设计在工控机模块完成。c a n 总线 通信技术的重点在总线协议的使用和单片机的c a n 总线通信的软件编程上。 工控机端使用c a n 总线适配卡与总线相连，接收总线数据。c a n 总线及适配 卡提供库函数，供工控机端c + + 编程使用，通过调用库函数才可以实现c a n 总线 上的数据与工控机程序之间读写。工控机端与服务器端程序采用c + + 进行软件编 程，并且使用m y s q l 建立数据库。该模块的设计重点在于工控机端与c a n 总线 数据通信部分和服务器数据库的设计上。 客户端使用c + + b u i l d e r 进行界面开发，除生产调度以外的其他管理层功 能均通过软件编程，在客户端界面上实现。客户端信息资料管理、在线监测、 设备管理模块设计的重点在于该模块与服务器数据库之间的数据通信和客户端 界面的程序设计上。 生产调度模块基于遗传算法使用c + + 进行软件编程，最后利用m f c 编程做出 调度的软件界面。该模块的设计难点在于数学模型的建立和利用遗传算法进行 求解的软件程序设计上。设计重点围绕在遗传算法的改进和动态调度的设计上。 本文对系统的研究和设计的难点主要在c a n 总线与上位机数据通信设计和 管理功能特别是生产调度的实现上。 9 浙江大学硕士学位论文 第三章c a n 总线通信技术和遗传算法概述 3 1c a n 总线概述 3 1 1c a n 总线的发展 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线是德国b o s c h 公司从上世纪8 0 年代 初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而设计的一种串行 数据通信协议。2 0 世纪8 0 年代初期，由于欧洲汽车工业发展发展的需要，消费 者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这 就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提 出c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通 讯，减少不断增加的信号线。于是b o s c h 公司设计了个单一的网络总线，所有 的外围器件可以被挂接在该总线上，于1 9 8 6 年正式公布了这一总线，且命名为 c a n 总线。 尽管最初研究c a n 总线是应用于汽车系统，但c a n 的第一个市场应用却 来自于其他领域，如电梯、纺织及其他工业车间。特别是在北欧，c a n 早己得 到非常普遍的应用。c a n 总线协议也逐渐的发展和标准化，之后历经技术规范 2 0 a 、2 0 b 后己形成了c a n 国际标准( i s 0 11 8 9 8 ) 。 3 1 2c a n 总线的特点 c a n 总线是一种有效支持分布式控制的串行通信网络，基本设计规范要求 有高的位速率和高抗电磁干扰性，而且能检测出产生的任何错误。当信号传输距 离达到1 0 k m 时，c a n 仍可提供高达5 0 k b i t s 的数据传输速率。由于c a n 总线 具有很高的实时性能，因此，c a n 已在汽车工业、航空工业、工业控制和安全 防护等领域中得到了广泛的应用。 c a n 遵从o s i 模型，按照o s i 基准模型，c a n 规范定义了模型的最下面两 层：数据链路层和物理层。按照i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路层又划分为： 逻辑链路控制层( l l c ) 和媒体访问控制层( m a c ) ；物理层又划分为：物理信令层 ( p l s ) 、物理媒体附属装置层( p m a ) 和媒体相关接口层( m d i ) 【1 4 】。应用层协议可以 由c a n 用户定义成适合特定工作领域的任何方案，不过现在也有很多硬件厂商 将应用层做成芯片，减轻用户工作量。由于c a n 总线具有的独特的优点，其在 l o 浙江大学硕士学位论文 工业领域中已得到相当广泛的应用。目前，基于c a n 总线的获得广泛应用的应 用层协议有：d e v i c e n e t 、c a n o p e n 、c a l 、c a nk i n g d o m 等。 c a n 能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的是双绞线。 信号使用差分电压传送，两条信号线被称为c a nh 和c a nl ，静态时为2 5 v 左右，此时状态表示为逻辑1 也可以叫做“隐形”。c a nh 比c a nl 高，表示 逻辑0 ，称为逻辑0 ，称为“显性”，此时，通常电压值为c a nh = 3 5 v 和 c a n l = 1 5 v 。 c a n 具有以下的优越特点： 低成本； 高的总线利用率； 很远的数据传输距离( 最远1 0 k m ) ： 很高的数据传输速率( 高达1 m b i t s ) ： 可根据报文i d 决定接收或屏蔽该报文； 可靠的错误处理和检测机制； 发送的信息遭到破坏后，可自动重发； 在错误严重的情况下节点具有自动退出总线的功能； 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息和优先级信息。 3 1 3c a n 通信协议介绍 c a n 采用了c s m a c d 技术。c s m a c d 是“载波侦听多路访问冲突检测 ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t ) 。利用c s m a 访问总线，发送 前对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。利用这种 方法，可以允许多个节点挂接到同一网络上。当检测到一个冲突位时，所有节点 重新回到“监听”总线状态，直到该冲突时间过后才开始发送。在总线超载的情 况下，这种技术可能会造成发送信号延迟。为了避免发送时延，可利用c s m a c d 方式访问总线。当总线上有2 个节点同时进行发送时，必须通过“无损的逐位仲 裁”方法来使有最高优先权的报文优先发送。在c a n 总线上发送的每一条报文都 有唯一的一个1 1 位或2 9 位数字i d ，当发生冲突时，仲裁器根据i d 的大小决定 优先级。i d 越小优先级越高，发送优先级最高的，其他的退出总线。 报文传输分由以下4 种不同的帧类型所控制和表示： 浙江大学硕士学位论文 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧，实现主动请 求数据。 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加的延 时。 数据帧可以使用标准帧和扩展帧两种格式。数据帧由七个不同的位场组成： 帧起始( s t a r to ff r a m e ) 、仲裁场( a r b i t r a t i o nf r a m e ) 、控制场( c o n t r o lf r a m e ) 、数据场 ( d a t af r a m e ) 、c r c 场( c r cf r a m e ) 、应答场( a c kf r a m e ) 署l l 帧结尾( e n do ff r a m e ) ， 其中数据场的长度可以是0 。 远程帧也有标准格式和扩展格式，由六个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、 控制场、c r c 场、应答场和帧结尾。 错误帧由两个不同的场组成：错误标志( e r r o rf l a g ) 和错误界定符( e r r o r d e l i m i t e r ) 。错误标志场可以在总线上由多个节点信号重叠而成。c a n 总线的检 错能力包括： 1 ) 能检测到所有的全局错误； 2 ) 能检测到发送器所有的局部错误； 3 ) 可以检测到报文里多达5 个人以分布的错误； 4 ) 检测到报文里长度低于1 5 为的突发性错误； 5 ) 检测到报文里任意奇数位错误。 对于没有检测到的报文错误，其报文错误率仅为4 7 x 1 0 。1 1 。 过载帧包括两个位场：过载标志( o v e r l o a df l a g ) 和过载界定符( o v e r l o a d