（机械电子工程专业论文）微机控制纤维缠绕机及辅助设备网络监控系统的研究.pdf

摘要 在复合材料的成型工艺中，纤维缠绕成型工艺由于具有产品强度高( 拉 伸强度密度) 、可整体成型及能更好的发挥纤维高强度特性等特点，得到了 广泛的应用。而作为其缠绕设备，随着纤维缠绕技术的发展也在不断完善， 但近年来计算机技术、通信技术、网络技术高速发展，企业信息化程度的不 断提高，各个设备及各个工序之间数据量交换的不断增大，传统的将这些纤 维缠绕设备作为独立单元的生成模式，己越来越不适应于纤维缠绕工业的自 动化进程了。因此，将纤维缠绕设备网络化，通过网络环境对这些设备进行 集中管理、实时监控，己成为缠绕制造领域内的个重要发展方向。 本课题以武汉理工大学复合材料缠绕装备研究所研制开发的缠绕装备为 监控对象，在提出了网络监控系统总体结构的基础上，对这些设备实现了网 络互联、集中控制，视频监控以及数据交换，并设计开发了相应的监控软件， 从而建立了一个现场设备级的网络监控中心，其主要研究内容有： ( 1 ) 监控网络的构建。主干网络采用工业以太网结构，将以纤维缠绕机为 主的缠绕装备组建成一个小型的监控网络，并实现与上层网络( 企业局域网 或i n t e m e t ) 的互联。 ( 2 ) 现场设备的集中监控。采用标准的r s 2 3 2 ( 4 8 5 ) 现场通讯标准、t c p i p 协议，客户机绡务器模式以及自定义的上层通讯协议及数据格式，对纤维 缠绕机及辅助设备实现本地或远程的网络监控，以及设备与设备之间、设备 与上层网络之间的数据交换。 f 3 ) 视频监控的网络实现。采用m i c r o s o r 公司的d i r e c t s h o w 技术，u d p 协议，m p e g 的编码格式以及流媒体技术实现网络视频实时监控。 ( 4 ) 监控软件的编制。采用m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 6 。0 程序语言，基 于面向对象的编程思想，开发出具有良好交互性界面、客户机朋艮务器模式 下的、具有本地和远程监控功能的监控软件。 关键字：纤维缠绕，网络监控，工业以太网，视频监控 i l a b s t r a c t i nt h ef i e l do f f o r m i n gp r o c e s s e sf o rc o m p o s i t em a t e r i a l s ，f i l a m e n tw i n d i n g f o r m i n gp r o c e s s i s w i d e l yu s e d b e c a u s eo fi t s g o o dp e r f o r m a n c e w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ff i l a m e n t w i n d i n gt e c h n o l o g y , t h ee q u i p m e n t f o rf i l a m e n t w i n d i n gf o r m i n gp r o c e s s e s a r ea l s o i m p r o v e dc o n t i n u a l l y n l ec o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k t e c h n o l o g y , w h i c h a r eu n d e r r a p i d l yd e v e l o p i n g ，a r e a d o p t e dm o r ea n d m o r eb ye n t e r p r i s e s t m sr e s u l t si n 也ef a c tt h a tt h et r a d i t i o n a l m a n u f a c t u r i n gm e t h o d s ，w h i c ht a k et h ee q u i p m e n ta ss e p a r a t ep r o d u c t i o nu n i t s ， c a r ln o tf o l l o wu pt h ea u t o m a t i z a t i o nt r e n do ff i l a m e n tw i n d i n gm a n u f a c t u r e s o i ti so n eo ft h ei m p o r t a n td i r e c t i o ni nt h ef i e l do ff i l a m e n tw i n d i n gm a n u n c t u r e t om o n i t o ra n dc o n f r o le q u i p m e n t s u s i n g n e t w o r k t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , w et a k es e v e r a lf i l a m e n tw i n d i n ge q u i p m e n ta st h em o n i t o r i n g c o n t r o l o b j e c t s ，w h i c h a r e d e v e l o p e db y i n s t i t u t eo ff i l a m e n t w i n d i n g c o m p o s i t e se q u i p m e m o fw u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y a f t e rp r o v i d i n g t h e c o l l e c t i v es t r u c t u r eo fn e t w o r k m o n i t o r i n g c o n t r o l s y s t e m ，s o m e r e l a t e d t e c h n o l o g yi se x p l o r e da n dr e s e a r c h e d t 1 1 em a i nt a s k su n d e r t a k e ni nt h ep a p e r s k l - ea sf o l t n w s ： ( 1 ) c o n s t r u c to fm o n i t o r i n gc o n t r o ln e t w o r k u s i n gt h ei n d u s t r i a le t h e m e t t e c h n o l o g y , w ec o n n e c t m a n y f i l a m e n t w i n d i n g m a c h i n e sa n d a u x i l i a r y e q u i p m e n t s i n t oas m a l l m o n i t o r i n g c o n t r o l n e t w o r k ，w h i c h c a r la l s ob e c o n n e c t e dw i t l le n t e r p r i s en e t w o r ko ri n t e r a c t ( 2 ) i m p l e m e n to fm o n i t o ra n dc o n t r o l f o rf i e l d e q u i p m e n t r s 一2 3 2 ( 4 8 5 ) s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc r i t e r i o n 、t c p i p p r o t o c o l 、c l i e n t s e r v e r m o d ea n d c u s t o m e du p p e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la r ea p p l i e dt ot h i ss y s t e mt oi m p l e m e n t l o c a lo rr e m o t em o n i t o r i n gc o n t r o lf o rt h ef i l a m e n tw i n d i n ge q u i p m e n ta n dd a t a e x c h a n g e b e t w e e n e q u i p m e n t a n d u p p e r n e t w o r k f 3 1i m p l e m e n to fv i d e om o n i t o rb a s e do nn c t w o r k m i c r o s o f td i r e c t s h o w t e c h n o l o g y 、u d pp r o t o c o l 、m p e gm e d i a f o r m a ta n ds t r e a mm e d i a t e c h n o l o g y a r e i n t r o d u c e dt oi m p l e m e n tt h et e a lt i m ev i d e nm o n i t o rb a s e do nn e t w o r kf o rt h e f i e l de q u i p m e n t ， ( 4 ) d e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gc o n t r o ls o f t w a r e b a s e do no b j e c to r i e n t e d t h o u g h t s t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e du s i n gm i c r o s o f tv i s u a lc 抖6 0 d e v e l o p m e n tk i t ，a n di s f e a t u r e dw i t hg o o di n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ，c sm o d e , a n d i o c a lo rr e m o t em o n i t o r i n gc o n t r o lf u n c t i o n s k e yw o r d s ：f i l a m e n tw i n d i n g ，n e t w o r km o n i t o t i n gc o n t r o l ，i n d u s t r i a le t h e m e t ， v i d e nm o n i t o r i i i 武汉理上大学硕七学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 微机控制纤维缠绕机及辅助设备网络监控系统是武汉理工大学机电工 程学院复合材料缠绕装备研究所的预研课题。 1 2 课题研究的目的及意义 第一个纤维缠绕技术专利于1 9 4 6 年在美国注册，随即针对固体火箭发 动机壳体和压力容器开展系统研究，因为其成型工艺具有产品强度高( 拉伸 强度密度) 、可整体成型及能更好的发挥纤维高强度特性等特点，得到了广 泛的应用。近年来，通用纤维缠绕技术不断完善和提高，一系列新的纤维缠 绕技术解决了特殊结构形状的适应能力问题，开辟了新的领域。纤维缠绕技 术的研究与应用，正在步入一个新的高速发展时期l ”。 随着纤维缠绕技术的不断发展，其缠绕装备也得到不断的革新。从另一 个层面上说，纤维缠绕技术的发展不仅取决于传入缠绕制品的优良特性和 广泛应用以及来源多、成本低的原材料，而且还取决于其缠绕装备的机械化、 连续化、自动化的程度。缠绕成型过程中离不开缠绕机及其他辅助设备，因 此对这些设备的不断完善也在定程度上促进着纤维缠绕技术的发展。 2 0 世纪4 0 年代后期第一台纤维缠绕机问世，早期的缠绕机都是机械式 的，它是由一个电动机拖动主轴和小车组成。主轴转动和小车往复运动的速 比关系通过挂轮或变速装置协调，实现一定缠绕角和线形规律的缠绕。当更 换制品时，要计算速比，调换挂轮和链条节数，比较麻烦，新制品生产准备 时间过多，机器缺乏灵活性，所以随着缠绕制品几何形状的变化和应用范围 的扩大，发展了数字程序控制缠绕机。 数控缠绕机用拨码开关做数据输入，改变参数容易，简化了操作，有一 定的灵活性。但在非线性缠绕时仍须设计加工木制凸轮，而且拨码开关只能 存放少量信息，数控系统没有编程运算功能，改变制品时准备工作仍很大， 所以还不能满足复杂制品缠绕的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 7 0 年代又发展了微机控制缠绕机。微机控制的纤维缠绕机( m c f w ) 控 制功能是靠事先存放在存贮器里的缠绕应用程序来完成，改变缠绕程序就改 变控制逻辑。改变程序容易，这就大大增加了缠绕机的灵活性和适应性，即 具有良好的柔性1 2 】i 。 近年来虽然缠绕机及辅助设备也得到了不同程度的革新，具有了更大的 柔性，能够满足越来越多形状各异的制品的缠绕要求，制品的精度、一致性 和其他物理性能也有所提高，但是随着计算机技术、通信技术、网络技术高 速发展，企业信息化程度的不断提高，各个设备及各个工序之间数据量交换 的不断增大，传统的将这些设备作为独立单元的生成模式，已越来越不能适 应企业现代化进程了，在某种程度上也阻碍了纤维缠绕技术的发震。因此， 现阶段又到了缠绕装备进一步革新的时候了。 众所周知，信息社会里，发展步伐正在加快，在线的即时控制成了现实 生产中获得高效益的最基本手段。对事物发展状况的即时了解是即时控制的 前提，利用目前的网络来了解现场是最好的方法了【4 1 。 例如，以一台纤维缠绕机来说，只有用网络监控( 或基本的远程管理) 才能增加可用性。可用性系数是可靠性( 平均无故障时间) 延伸后的一个指 标，定义式如下： 4 ：丝竺 m t b f + f 丁7 r 式中m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 一平均无故障时间； m t t r ( m e a n t i m e t o r e p a i r ) 一平均维修时间； a ( a v a i l a b i l i t y ) 一设备使用率，建成可用性系数。 由式可知，要提高a 值，除增加m t b f 之外，更主要是减少平均维修时 间( m t t r ) ，平均维修时间与发现故障、定位故障、人员到场、备件提供、 恢复过程等环节有关，如果使用现场监控自动录像、管理员配备有数字自动 寻呼机 4 1 ，缠绕机生产维修部门可以在i n t e r a c t 上随时测览到故障过程现场 参数和画面，无疑对备件运送、人员调度、组织和排除故障大有帮助。由此 可见，用网络监控能提高缠绕机的a 值。这一点对以纤维缠绕为主要任务 的缠绕机如此，如果将整个缠绕过程中的方方面面、所有设备由个网络系 统集中监控，使生产效率保持最高话，那么这时的网络监控就不是只局限于 武汉理 火学硕士学位论文 在减少m t t r 提高a 值，而是直接提高生产率了。 所以，将纤维缠绕装备网络化，通过网络环境下对这些设备进行集中管 理、实时监控，实现生产制造过程中的物流、价值流的优化运行，使企业以 较低的成本，较短的开发周期，制造出符合市场需求的高质量缠绕制品，是 现代缠绕制造技术必然的发展方向【5 】。 虽然网络监控技术已日趋成熟，但应用在纤维缠绕这一领域还是一片空 白，本课题目的就是设计与开发出这样一个网络监控系统，以满足纤维缠绕 制造技术的进步需要。 1 3 纤维缠绕成型工艺简介【6 】川【8 】【4 3 】 纤维缠绕成型工艺是指采用连续纤维( 带) 经过树脂浸胶或采用预浸胶 纤维( 带) ，按照一定的规律缠绕到芯模上。然后在加热或常温下固化，按 照一定条件的修整，制成一定形状的制品的一种生产工艺。其流程如图1 1 ， 图卜1 纤维缠绕成型工艺图 3 干 法 工 艺 武汉理工夫学硕士学位论文 缠绕成型的主要设备是缠绕机，辅助设备有浸胶装置、张力装置、加热固化 装置、脱模装置、修整装置及纱架装置等。 1 3 1 纤维缠绕成型工艺的特点 纤维缠绕成型工艺的特点是：制品呈各向异性，强度的方向性比较明显， 层间剪切强度低；制品的几何形状有局限性，仅适用于制造圆柱体、球体、 锥体、椭圆体、某些正曲率回转体制品以及部分上述形体的条件组合，对负 曲率回转体制品及绝大多数非回转体难以缠绕；设备及辅助设备较多，投资 较大。 与其它成型工艺相比，缠绕成型制得的玻璃钢制品具有的优点是：比强 度高，可超过钛合金；制品质量高而稳定，易实现机械化自动化生产；成本 较低，通常采用廉价无捻纱作原料，生产效率高。 1 3 2 纤维缠绕成型工艺的分类 纤维缠绕成型工艺按树脂基体的状态不同分为干法、湿法和半干法三种。 1 干法在缠绕前预先将玻璃纤维制成预浸渍带，然后卷在卷盘上待用。 使用时使浸渍带加热软化后绕制在芯模上。这种方法可提高缠绕速度，可高 达1 0 0 2 0 0 r n m i n ，缠绕张力平稳，设备清洁，劳动条件得到改善，易实现 自动化缠绕，可严格控制纱带的含胶量和尺寸，制品质量较稳定，但缠绕设 备复杂、投资较大。 2 湿法缠绕成型时将玻璃纤维经集束后进入树脂胶槽浸胶，在张力控 制下直接缠绕在芯模上，绕后固化成型。这种方法的设备较简单，对原材料 要求不高，但缠绕张力不易控制，在缠绕过程中对缠绕设备如浸胶辊、张力 机构、导纱辊等要经常清理，否则，一旦在辊上发生纤维缠绕结，就将影响 生产正常进行。 3 半干法这种方法与湿法相比，增加了烘干工序，与干法相比，缩短 了烘干时间，降低了胶纱的烘干程度，使缠绕过程可以在室温下进行，这样 既除去了溶剂，又提高了缠绕速度和制成品率。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 纤维缠绕成型工艺的原材料 纤维缠绕所用的原材料的优劣及工艺性的好坏直接影响制品质量。原材 料主要包括玻璃纤维及其织物和树脂粘结剂两大类。 1 玻璃纤维玻璃纤维在缠绕制品中是主要承力材料，所以要求它有 较高的强度和模量，对粘结剂有良好的浸润性，生产过程中不起毛、不断头， 同束纤维中各股张紧程度应均匀，有良好的存储稳定性。玻璃纤维需要进行 表面处理，以增强与树脂的粘结性，从而充分发挥玻璃纤维高强特性。在浸 胶前应进行除湿处理。 2 树脂主要选用环氧树脂、酚醛树脂和不饱和聚酯树脂等。树脂选 用要考虑制品的性能要求如强度、耐热、耐老化等，对玻璃纤维有良好的粘 结和浸润性，粘度低，固化温度不高，毒性小，树脂强度大和模量高等。 1 3 4 纤维缠绕工艺参数的选择 纤维缠绕工艺过程一般包括芯模和内衬的制造，树脂胶液的配制，纤维 热处理烘干、浸胶，在一定张力下进行缠绕、固化、修整、检验、脱模、最 后加工成制品。对于具体制品究竟是采用干法还是湿法或半干法的缠绕工 艺，要根据制品的技术要求，设备情况、原材料性能及生产批量等确定。 影响缠绕制品性能的主要工艺参数有：玻璃纤维的烘干温度和热处理时 间、玻璃纤维浸胶后胶液含量及分布、缠绕张力制度、固化制度、纱片缠绕 位置、缠绕速度和环境温度等。这些因素多半是紧密地联系在一起的。合理 地选择工艺参数是充分发挥原材料特性，制造高质量缠绕制品的重要因素。 1 缠绕的烘干和热处理玻璃纤维表面含有大量水分，影响树脂与纤维 的粘合，同时使纤维表面微裂纹扩展，因此玻璃纤维使用前必须经过烘干处 理，尤其对于湿度较大的地区和季节，烘干处理更为必要，一般在6 0 8 0 烘干2 4 小时即可。当用石蜡乳剂性浸润剂时，玻璃纤维需进行高温除蜡 处理。 2 纤维的浸胶纤维的浸胶位于最靠近丝嘴的入口端，纤维经过浸胶后 通过丝嘴立即缠到芯模上，这样可以避免纤维在缠绕的过程中失去较多的树 脂- 使得纤维的含胶量更加精确。纤维浸胶的最大影响因素就是树脂的粘度， 武汉理j ：犬学硕士学位论文 它对制品的影响非常大。 3 缠绕张力张力大小、各束纤维间张力的均匀性以及各缠绕层之间纤 维张力的均匀性，对制品质量影响极大，合适的缠绕张力能使树脂产生预应 力，从而提高了树脂抵抗开裂的能力。各束纤维间如果张力不匀，当承受载 荷时，纤维会被各个击破，使总体强度大大降低。为了试制品各缠绕层不致 在张力作用下处现内松外紧现象，应使缠绕张力逐层有规律递减，以保证各 层都有相同的初始应力。缠绕张力对纤维浸渍质量和制品含胶量也影响较 大。 4 缠绕速度缠绕速度是指纱线速度，应控制在一定的范围内。速度 过, b n 生产率过低；速度过大则树脂溅洒、胶液浸不透或杂质易吸入，小车 运行不稳。一般湿法纱线速度最大不能超过0 9 m s ，小车速度最大不超过 0 7 5 m s 5 固化制度固化制度是保证制品充分固化的重要条件，直接影响制品 的物理机械机能。固化制度包括加热的温度范围、升温速度、恒温温度及时 间、降温冷却等。 要根据制品的不同性能要求采用不同的固化制度，而且不同的树脂系统， 固化制度也不同。一般都要根据树脂配方、制品性能要求，以及制品的形状、 尺寸及构造情况，通过实验来确定合理的固化制度。 1 3 5 纤维缠绕成型制品的应用 由于缠绕成型工艺及其制品有着许多优点，因此纤维缠绕玻璃钢制品在 民用工业及军用工业上得到比较广泛的应用。 1 压力容器有受内压容器( 如各种气瓶) 和受外压容器( 如鱼雷等) 两 种。目前压力容器应用广泛，如宇航、火箭、飞机、舰艇等运载工具及医疗 等方面都有应用。 2 化工管道用于输送石油、水、天然气、化工流体介质等，它可部 分代替不锈钢，具有轻质、高强、防腐、耐久、方便的特点。 3 存储槽车各种用以运输或存储酸、碱、盐、油介质的储罐、槽车， 具有耐腐蚀性好、重量轻、成型方便等优点。 6 武汉理工大学硕士学位论文 4 军工制品如火箭发动机外壳、火箭发射管、雷达罩、鱼雷、鱼雷 发射管等。 纤维缠绕制品在航空航天方面的应用，最重要的制品仍然是火箭发动机 壳体，其特点是生产高性能的、精确缠绕的结构，最常用的材料是s 玻璃纤 维一环氧树脂，最新的发展是把纤维缠绕同先进复合材料技术联系起来，如 硼、碳纤维和芳纶纤维等高模量、高强度增强材料和新型耐热聚合物的复合， 通过高精度的微机控制缠绕设备制造的制品将大大扩大纤维复合材料的防 腐性能等。总之，纤维缠绕复合材料今后的方向是：提高质量、减轻重量、 渐变工艺、降低成本、扩大应用范围。 1 4 主要研究内容 本课题的要完成的任务是将武汉理工大学复合材料缠绕装备研究所研 制开发的缠绕装备组建为一个网络监控系统，其主要研究内容有： 1 纤维缠绕装备监控网络的构建。 2 现场设备的集中监控，包括本地监控和远程监控。 3 视频监控的网络实现。 4 监控软件的编制。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章网络监控系统简介 监控系统原先是零散的、分别的对一些专用设备，如动力设备、环境控 制设备等进行监控，其形式在2 0 世纪8 0 年代是集散系统，9 0 年代是总线 技术，到如今正在兴起的工业以太网技术【9 j 。随着通信、计算机、自动化技 术的发展，带动了监控技术发展与应用，发展非常迅速，逐渐演变成集中监 控系统。例如，在前几年，电信、移动通信、电力等部门的设备管理一般是 传统的门卫值守方式，随着应用发展，机房设备增多，机房增多而且位置分 散，出现了大量增加的管理人员，由于管理系统的厂家不同，又造成操作管 理人机界面繁多，带来诸多不便，进行统一监控或异地监控更是不可能，这 样的局面非常不适应现代生成管理发展。另一方面，近几年信息的交换传输、 嵌入式技术、电源集成等先进和现代技术设备为集中监控系统、远程管理和 设备网络化的建立及应用又打下了良好的基础。 2 1 网络监控系统的特征【4 】 网络监控系统的最大的特点就是数字化、网络化、智能化，具有这些特 点的监控系统又可以称为现代网络监控系统。 1 数字化 监控系统的数字化是系统中的信息( 包括视频、音频、控制等) 从模拟 状态转为数字状态的过程，监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控 制等方式和结构都与此相关。信息流的数字化、编码压缩，加上开放式的协 议，才能使监控系统与信息管理系统实现无缝连接，并在统一的操作平台上 实现管理和控制。 2 网络化 监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡。 集散式系统采用多层分级的结构形式，其硬件和软件均采用标准化、模块化 和系列化的设计。系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、 控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简 单化等特点1 4 4 1 。 武汉理1 人学顶十学位论文 系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界 限，使整个网络系统硬件和软件资源得以共享，以及任务和负载的共享。 3 智能化 采用计算机为控制中心，通过系统软件实现控制界面的可视化、统一化， 控制环境的多媒体化，可以方便的实现对视频切换、音频切换、报警输入、 行动输出等智能化控制，进而达到自动化对事件的分析、统计、处理，实现 监控的智能管理。 可以说前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化、管理智能 化是现代监控系统的发展方向。而数字化是网络化的前提，网络化又是系统 集成化的基础。 2 2 网络监控系统的发展历程 2 2 1 集散系统的出现 最初诞生的传统监控系统是单片机、p c 机、工控机为核一t l , 的多个分散 单元的合体。形成早期集散控制系统的雏形。当总线出现以后，一般借助 s - 1 0 0 或p c 总线形成监控系统。但是由于连线过长和过多，用这些总线形 成的监控系统的稳定性较差，抗干扰能力较弱，难以实现大范围的有效监控。 图2 - 1典型的集散控制系统 随后出现的是集散控制系统( d c s ) ，它由多台微处理机分散在现场的不同位 武汉理工大学硕士学位论文 置，彼此之间以高速数据通信进行连接。图2 - l 是典型的d c s - u x l 系统结 构图，可以进行计算机反馈控制和顺序控制，简称为t d c s 系统，有标准型、 增强型两种类型。各有两种控制箱卡，可根据实情选定数量和型式。其中主 插卡箱可插处理卡和i l l 总线接口卡，分插卡箱可插i o 接口卡，这些插卡 内没有c p u 。标准型，可执行最多1 6 回路的反馈控制及顺序控制。增强型 由一台主插卡箱或由主插箱带分i o 插卡箱所构成。r l 总线规格为 l k m 1 m b i t s ，其最大长度带4 个光适配器时可达1 5 k m 。由此可见，集散控 制系统把分散的、单回路的监控系统采用计算机进行统一管理，用各种i o 板卡代替控制室的仪表，利用计算机的强大功能对被控系统集中进行实时监 控，极大的推动了工控技术的发展。但是，在通信方式上，处于现场的控制 级和检测级仍采用4 2 0 m a 模拟量通信 4 1 。而现场采集设备所占的比例最 大，数据最多，这就使得布线相当繁杂、安装费用增加、维护量加大，并明 显缺乏开放性，因此未得到很好的发展，几乎胎死腹中。 2 2 2 现场总线的发展 进入2 0 世纪9 0 年代后，随着计算机局域网( l n ) 的出现，网络与通信 技术的发展，现场总线( f i e l ds u s ) 技术逐步成熟与发展起来。现场总线是一 种工业总线，它是自动化领域中计算机通信体系最底层的低成本网络。国际 电工委员会( i e c ) 和现场总线基金会( f f ) 对现场总线做了如下定义：现场总线 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网 络【4 1 。 现场总线以串行通信方式取代传统的4 2 0 m a 的模拟信号，一条现场 总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设备与 高层的系统通过公用传输介质交换信息脚1 。现场总线网络( f c s ) 既是一种信 息网络，又是一种自动化系统，它与传统的集散控制系统( d c s ) 相比，有以 下特点【1 0 i ： 1 f c s 采用数字化的信号传输，在通信质量和连线方式上都有优越之处， 在网络传输中采用了防止碰撞、检查纠错等技术措施，实现了高速、双向、 多站点之间的可靠通信。 1 0 武汉理丁大学硕士学位论文 2 f c s 把输入输出单元控制站的功能融合到现场仪表中，每个现场仪 表都有自己的c p u ，进行测量、调节、诊断、输出等功能的操作。每个现 场仪表成为总线中一个节点，节点间通过现场总线连接，任何一个节点出现 的故障都不会影响到其他的节点。 3 f c s 采用数字通信方式，因此可以采用多种传输介质进行传输。根据 控制系统中节点的空间分布情况，也可以采用灵活的拓扑结构，这样就为自 动化系统的旌工和调试带来了极大的方便，建立新的控制系统，即省时间， 又省材料。 由此可见，现场总线与d c s 相比，具有鲜明的技术特点与无可比拟的优 势。因此，许多国际组织和工业控制公司纷纷推出自己的现场总线标准和产 品，使其对监控领域的技术进步起到了巨大推动作用。 2 2 3 工业以太网的兴起 随着自动化技术的飞速发展，监控网络化的逐步深入，现场总线网络在 工业控制领域已慢慢的暴露出了它的不足【“l ： 首先，标准不统一，协议众多，各个协议间兼容性不好，互操作性低； 其次，设备之间传输的数据日趋复杂，信息量越来越大，甚至出现了w e b 网页，以现在的总线带宽和传输速率还不能达到要求； 再次，现场生成的数据由于传统的串行设备的限制，通常被分发到许多 不同的计算机中，为了整合这些分散的数据，用户需要在设备、人力和时间 上进行大量的投入l q 。 最后，当前的总线网络在空间和距离上有一定限制，不易于车问之间的 网络互联，也不易于与上层企业级网络互联。 正是基于以上现场总线的一些不足，工业以太网技术出现了。以太网作 为一种成功的网络技术，进入市场已近2 0 年了，在办公自动化和商业界获 得了广泛的应用。因为以太网具有高通信速度、低布线成本、具有很好的数 据整合功能、支持越来越多的软件和硬件、稳定和可靠等诸多优点，现已经 成为最受欢迎的通信网络之- - 1 1 2 】。 当初，以太网是为办公自动化设计的，并没有考虑它将会用于工业领域， 武汉理工大学硕士学位论文 因此将它应用与工业领域必然存在一些问题，主要体现在1 1 叫： 1 信号传输的实时性：传统上的以太网采用总线式拓扑结构8 0 2 3 的 c s m a c d ( 载波侦听多点存取冲突检) 。即每一点先侦听信道，若已有数 据在介质上传输，则依据一个算法后退等待，再侦听至信道空闲，才开始发 送数据。这样，当网络负荷较大时，就不能保证数据传输的最大迟滞要求， 即工业控制的实时性要求。 2 数据传输的可靠性：工业控制对数据传输的可靠性较之普通局域网要 严格得多，传统以太网在工业现场恶劣的环境下，数据传输的可靠性显然达 不到工控领域里数据传输的可靠性要求。 社会是进步的，技术是发展的，为使以太网适用于工业领域一些解决办 法也应运而生。为达到信号传输的实时性要求，首先要提高网络传输的速率， 采用高速以太网( 目前带宽已达到1 0 0 0 m 以上) 结构，对于同样的通信量， 通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，也意味着实时性的提高；其次采用 交换机技术代替原有的总线型c s m m c d 技术，将整个网络通过交换机分成 若干个子网，避免由于多个站点共享并且竞争信道导致发生碰撞，减少了信 道带宽的浪费，提高了信道利用率。为提高数据传输过程中的可靠性，采用 的方法是冗余容错连接，即在主连接通道之外，复加冗余通道，通过一个具 有冗余功能的接入设备连接两个通道，当主通道出现问题时，副通道随即启 动，从而保证了数据在工业控制网络中的可靠传输c ”1 。 这些问题的解决，为以太网进入工业领域铺平了道路，以它为网络结构 的网络监控系统目前也如火如荼的发展起来了，且已逐步成为监控领域内的 主流网络了。 2 3 网络监控系统的总体框架 2 3 1 网络概念 国际标准化组织f t s o ) 与1 9 7 7 1 9 8 4 年之间提出了开放系统互联参考模 型o s i r m ，这个模型把网络通信系统分为了7 层 1 4 】，每一层使用的是下一 层的功能来提供上一层的服务，如图2 - 2 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 1 物理层 物理层是o s i 的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。 物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可 靠的环境。 i s oo s i r mt c p i p 应用层应用层 f t pt e l n e t 表示层 d n ss m t p 会话层 传输层 t c p u d p 网络层互联网层i p 数据链路层嚣暑毳 王 l a n 以太网等 物理层 图2 2 i s oo s i r m 参考模型与t c p i p 层次结构 2 数据链路层 数据链路可以粗略的理解为数据通道。物理层要为终端设备之间的数据 通信提供传输媒体及其连接。每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联 络两过程，这种建立起来的数据收发关系就叫做数据链路。 3 网络层 主要提供路由功能。路由器选择和中继，建立终端网络连接，采取分时 复用技术在一条数据链路上复用多条网络连接，差错检测与恢复，流量控制， 网络管理等。 4 传输层 传输层是两台计算机经过网络技能型数据通信时，第一个端到端的层次， 具有缓冲作用。现在各种通信子网在性能上存在着很大差异，但对于上一层 的会话层来说，却要求有一性能稳定的界面，传输层就承担了这一功能。 5 会话层 会话层提供的服务可使应用建立和维持会话，并能使会话获得同步。会 话层使用校验点可使通信会话在通信失效使从校验点继续恢复通信。 7 6 5 4 3 2 ， 武汉理工犬学硕士学位论文 6 表示层 表示层的作用之一是为异种机通信提供一种公共语言，以便能进行互操 作。这种类型的服务之所以需要是因为不同的计算机体系结构使用的数据 表示发不同。 7 应用层 应用层是开放系统的最高层，是直接为应用进程提供服务的。其作用是 在实现多个系统应用进程相互通信的同时，完成一系列业务所需的服务。 2 3 2 总体结构 网络监控是电工电子装置系统、计算机软硬件以及网络、通信等多方面 的有机组合体，它以智能化、网络化、交互性好为特征，结构比较复杂。利 用0 s 1 7 层模型内容和形式，把相应的测量控制模块硬件和应用软件，以及 应用环境等有机的组合，可以形成一个统一的网络监控系统总体框架，如 图2 3 所示。 图2 - 3 网络监控总体框架示意图 可以看出，带网络功能的智能监控设备是网络监控体系结构中最基本的 部件，具有信息采集、存储、传输和分析处理的原理特征。而智能化监控设 备与网络智能化监控设备相比，少了自带的网络嵌入式接口，要另外与网络 专用接入接1 ：3 相连才能与网络连接，或者与计算机连接，利用计算机的网络 囤囤 武汉理r _ 人学硕十学位论文 接口与网络连接，同时，这台计算机也是设备的本地监控机。 这里，我们借助于o s i 的术语，大概的将网络化设备体系结构分为被控 对象层、传输层、应用层。这里的“层”并没有像o s i 那样概念严密，仅 按功能、作用来划分。 2 2 3 实现功能 从图2 3 可知，工作站、监控中心直接与管理人员打交道，提供友好的 人机界面，显示近地或远地设备工作状态及测量的数据，显示打印报警信息， 接收管理人员的指令，遥控设备的工作状态。当所监控的设备类型、用途不 同时，也可以采用多个工作站，各负其责，并行工作。通过工作站或监控中 心，可以实现以下功能【4 ： 1 远程监视各种设备的状态。如工业设备、高低配电设备、u p s 、电机、 居民小区监视、防盗系统等。 2 遥测某种参数。如：电压、电流、功率、频率、以及温度、湿度等。 3 对所测的参数设定界限。当参数超限时产生报警，报警方式可以是声 音、光信息显示等多媒体方式等。 4 对所采集的数据分类，按预先设定定义的公式、表达式计算，统计数 据，以报表、图形、曲线方式显示、打印。 5 根据应用系统设定，发出控制被控对象的指令，使被控对象按照设定 方式运行。 武汉理工大学硕+ 学位论文 第3 章缠绕装备监控系统网络平台的设计与实现 微机控制纤维缠绕机及辅助设备网络监控系统，因为涉及到纤维缠绕的 特殊工艺，与一般的监控系统相比，比如楼字监控、u p s 监控、配电设备监 控等，其技术要求更高，因而技术难度也较大。本章在难点分析的基础上， 提出满足该系统技术性能要求的总体方案，并对系统整个网络平台的结构进 行了细致的分析和详细的阐述。 3 1 总体方案的确定 3 1 1 技术要求 1 将微机控制纤维缠绕机及其辅助设备，主要包括纤维缠绕机、固化 机、修整机、脱模机、液压釜等组建为一个网络系统，实现集中监控。 2 通过监控中心，能分别对这些设备独立控制、数据采集及处理，能 分别进行启动、停止、及运行其他一些控制指令。 3 实现视频监控的功能。 4 在远端，不在本地能够对这些设备进行远程监控，包括数据的交换、 控制指令的远程执行及视频的网络监控。 5 当设备出现故障或运行不正常时，具有网络报警功能。 6 数据集中管理，在监控网络内实现数据的同步更新，做好历史记录、 日志管理。 7 对不同的用户实行不同的权限。 8 整个系统要具有良好的可扩展性，给新的设备预留空间。 3 1 2 难点分析 通过上节对该系统功能和需求的分析，可知该系统使用条件特殊、技术 要求高，实现该系统有一定难度： 1 因为在这些纤维缠绕装备中，每种设备都有不同控制方式及接 2 1 ， 因此将它们组建为网络系统时，就需要对每种设备的现场网络及入网方式进 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 行设计，增加了组网难度。 2 监控中心与网络上的客户端( 包括本地和远程) 之问数据传输是基 于t c p i p 协议的，但由于设备众多，数据种类繁杂，因此有必要自己定义 上层的数据通信的应用层协议，也增加了一定难度。 3 在视频网络监控的实现过程中，要做到实时的视频传输，因此视频 文件在网络上要不停的发送和接收，在软件实现上有一定难度。 4 整个网络监控系统各个监控站点的数据要做到同步更新，其在解决 上也存在一定难度。 3 1 3 总体方案3 1 岫“1 本课题中，系统的网络平台采用的是工业以太网加现场总线网络相结合 的网络结构，这主要是因为纤维缠绕工艺的特殊性决定的。在纤维缠绕过程 图3 1 系统总体结构图 中每个工艺都有相应的设备，对应于每个工艺的控锖类型不只一种，设备也 可能不只一台，若要实现集中管理，就要整合这些不同控制方式的设备和不 同类型的数据，所以这就需要构建设备一级的现场网络和基于这些不同现场 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 网络之上的主干监控网络。其监控网络总体结构分为三个层次：现场设备层、 网络传输层、监控中心层，如图3 1 所示。 处于底层的现场设备通过一个串口到以太网的协议转换模块接入监控 网络中，而各个现场设备是由r s - - 2 3 2 接口或r s - - 4 8 5 接口( 当有多台设 备或有多个控制内容需要组成现场网络时) 与这个转换模块相连。 整个监控系统的软件体系采用c s ( 客户机绡臣务器) 模式，监控中心的 主机作为服务器，与各个客户机即远程机通过t c p i p ，应用自定义的上层 协议通讯，详见第四章。 视频的监控网络是基于系统的主体网络之上的，但视频监控的实现又因 其技术特点，具有相对的独立性，在第五章中将会详细阐述。 3 2 主干监控网络的构建 主干监控网络采用工业以太网结构。在第二章中己做过介绍，工业以太 网是由普通以太网发展起来的，它和普通以太网比较，只是在硬件上有一些 改变( 主要体现在数据传输的实时性和可靠性上) ，使之更适合于工业领域， 所以它的构建过程同一般以太网基本一样。 3 2 1 结构的设计 工业以太网的主要特征是所有网络中的站点本质上都连接在一条公共 的总线上以广播的方式通信，最核心的部件是交换式集线器或网络交换机， 它即起到了公共总线的作用0 7 。本系统中选用了台湾研华公司的 a d a m 一6 5 1 0 工业级的以太网集线器。a d a m - 6 5 1 0 是一款1 0 m b p s 的工业交 换式集线器，带有8 个双绞线端口，可以连接8 个以太网设备，其主要参数 如下【12 1 ： 接口：网络：1 0 b a s e t 标准； 端1 2 ：8 x 1 0 m b p s ，1 x 1 0 m b p s 上行； 接头：r j 4 5 ： 兼容性：i e e e 8 0 2 3 ，i e e e s 0 2 3 u ： 过压保护( 电源) ：3 0 0 0 v d c ； 武汉理【：人学硕士学位论文 传输距离：2 0 0 0 m ； 电源要求：l o 到3 0 v o c ； 工作温度：一1 0 到7 0 c ( 1 4 f 1 5 8 f ) 。 主干监控网络采用星型拓扑结构【8 】，如图3 - 2 所示。以a d a m 6 5 1 0 为中 图3 - 2 主干监控网络结构 心，监控中心通过以太网卡，现场设备通过一个特定的以太网转换接口，以 双绞线作为连接介质接入集线器中，从而组建成为一个主干监控网络。 监控中心即为监控服务器，在这里选用了威达公司的p 4 工业控制计算机 作为监控主机。对于现场设备来说，监控主机即为它们的本地上位监控机， 而且整个系统中所有的数据交换都由它来集中管理，因此对它的性能要求也 较高。 在这里还应用了双网卡技术【l9 】。因为本监控系统是一个内部网络的应 用，它与外部网络是隔离的，监控对象对于远程客户机来说是不可操作的， 因此处在监控网络外部的客户机要想对这些设备进行监控，就必须通过一个 中间层接口来进行，在这里监控中心就充当了这个中间层接口的角色。在这 台监控主机内内置有两块以太网卡，一块对内用于对设备的集中监控，一快 对外与外部网络主要是企业局域网或i n t e r n e t 通讯，为远程监控和上层企业 级网络信息集成