（纺织工程专业论文）基于以太网的小样纺纱监控系统开发.pdf

学位论文的主要创新点 一、设计并实现了数字化小样纺纱网络监控系统。利用该系统能够实 现对纺纱现场生产工艺过程的远程监控，实现网络化的纺纱生产管 理，提高生产效率，对于纺织企业进行网络监控管理有一定参考价值。 二、设计了基于以太网的数字化小样纺纱网络监控系统的组网方案。 以可编程控制器( p l c ) 以太网模块为核心，主机与p l c 网络模块之 间采用t c p i p 协议进行通信，通过p l c 对伺服控制器、变频器等执 行机构进行远程监控。 三、设计了c s 模式的数字化小样纺纱网络监控系统。以s q ls e r v e r 作为后台数据库，综合运用数据库技术、网络通信技术、计算机技术， 实现了c s 模式的网络监控系统，开发了网络监控系统客户端与服务 器端软件系统，为纺织厂进行信息化建设奠定了基础。 ，； 。 基于以太网的小样纺纱监控系统开发 摘要 计算机网络技术普及的今天，网络控制技术已经成为自动化技术研究和设计 的热点，传统的控制方案已无法满足现代化工业生产的要求。随着 e t h e r n e t i n t e r n e t 技术和控制技术的相互结合，基于e t h e r n e t 的分布式网络控制系 统作为实现现场微观控制和企业宏观决策一体化的优越模式在工业过程控制中 赢得了越来越广泛的应用。 目前在我国纺织机械工业中，单体设备控制的自动化程度已相对比较成熟， 可编程控制器、变频器、伺服电机、人机界面、自动化仪表等产品已被广泛应用， 能够满足独立工艺设备的控制要求，例如，天津工业大学自主研发的数字化小样 纺纱设备就广泛的使用了自动化产品。但是单机自动化这对于纺织厂的生产和管 理是远远不够的，要提高生产效率，必须协调好各种设备和人员之间的关系，而 目前的状况是虽然单机设备有相对高的自动化程度，但工厂信息化程度都很低， 各个工序之间、设备之间包括操作员之间不能相互协调，成为信息孤岛，造成资 源的浪费和生产管理的缺失。 本课题就是在数字化小样纺纱设备的基础上开发一种网络监控系统。为了方 便纺纱的生产管理，利用计算机和以太网通信等技术，设计出一种纺纱生产的网 络监控系统，将纺纱生产装置用e t h e m e t 网络连接起来，用一台主控计算机进行 监控，远程客户端可以查看车间内各台机器的生产工艺参数，并可对其实时设置 修改。主要工作包括以下几个方面：分析了数字化小样纺纱监控系统的组网方式， 利用以太网通信技术组建分布式监控网络；利用p l c 及网络模块支持的通信协 议，应用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 和s q ls e r v e r2 0 0 0 开发了客户端及服务器软件， 以实现对纺纱设备的远程监控；对监控软件及整个监控系统进行调试，分析测试 结果，提出了改进方向。 关键词：纺纱工艺；纺纱设备；以太网；通信；网络监控 t h ed e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e mf o rs a m p l e s p i n n i n gm a c h i n e b a s e do ne t h e r n e t a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h en e t w o r kt e c h n o l o g yo fc o m p u t e r , c o n t r o ln e t w o r k t e c m l o l o g yh a sa l r e a d yb e c o m et h ec e n t e r o fa u t o m a t i ct e c h n i c a lr e s e a r c hi nt h e i n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d t h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o ls c h e m e h a sb e e na l r e a d yu n a b l et o m e e tt h ed 锄a n df o rm o d e r n i z e di n d u s t r i a lp r o d u c t i o n w i t ht h ei n t e rc o m b i n a t i o no f e t h e m e t i n t e m e tt e c 王l r l o l o g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ln e t w o r k ， a sas u p e r i o rm o d eo fi n t e g r a t i o n o fs c e n em i c r o 。c o n t r o la n de n t e r p n s em a c r 0 d e c i s i o n s h a v eb e e ng a i n i n gm o r ea n dm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n s i ni n d u s t r l a l p r o c e s s i n gc o n t r o ls y s t e m t h ea u t o m a t i o nd e g r e eo fs i n g l ee q u i p m e n tc o n t r o lh a sb e e nr e l a t i v e l ym a t u r e 1 n c h i n a st e x t i l em a c h i n e r yi n d u s t r y p l c ，f r e q u e n c y c o n v e r t e r , s e r v om o t o r , m a n m a c h i n ei n t e r f a c e a n da u t o m a t e di n s t r u m e n t a t i o np r o d u c t s h a v ew l d e a p p l i c a t i o n si nt h es a m p l es p i n n i n gm a c h i n e st o s a t i s f yt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n to f i n d e p e n d e n tp r o c e s se q u i p m e n t f o re x a m p l e ，t h ea b o v ea u t o m a t i cp r o d u c t s w e r e w i d e l ya d o p t e di nt h ed i g i t a ls p i n n i n gm a c h i n ed e v e l o p e db yt i a n j i n p o l y t e c h n i c u n i v e r s i t y h o w e v e r , i ti sn o te n o u g hf o r t h et e x t i l ep r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n to n l y w i t hs i n g l ee q u i p m e n ta u t o m a t i o n i no r d e rt o n e c e s s a r yt o c o o r d i n a t ev a r i o u se q u i p m e n t i m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , i ti s a n dp e r s o n n e l a l t h o u g ht h es i n g l e e q u i p m e n tc u r r e n t l yh a sr e l a t i v e l yh i g h a u t o m a t i o nl e v e l ，t h ef a c t o r yh a sl o w e r i n t e p ，a t e da u t o m a t i o nd e g r e et h a nt h a ti nt h es i n g l ee q u i p m e n t f o rt h er e a s o n ，a l l p r o c e s s e s ，e q u i p m e n t sa n do p e r a t o r s w e r ei n f o r m a t i o ni s l a n d sa n dc a nn o t b e c o o r d i n a t e d f u r t h e rm o r e ，i tw a sa l s or e s u l t i n g i nt h ew a s t eo fr e s o u r c e sa n d p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t an e t w o r km o n i t o rs y s t e mb a s e do nt h ed i g i t a ls p i n n i n ge q u i p m e n t 1 sd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r i no r d e rt of a c i l i t a t et h ep r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n to fp r o d u c i n gy a r n ， t h ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw a sa d o p t e dt od e s i g n an e t w o r km o n i t o r s v s t e mf o ry a r np r o d u c i n ga sf o l l o w f i r s t l y , t h ey a r np r o d u c ed e v i c e s w e r ec o n n e c t e d w i t he t h 咖e t ，a n ds u p e r v i s e da n dc o n t r o l l e dw i t ha h o s tc o m p u t e r a sar e s u l t ，r e m o t e c l i e n t sc a nt h e nc h e c kt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fa l l m a c h i n e ，a n da tt h es a m et i m e m o d i f yt e c h n i c a lp a r a m e t e r si nt i m et h r o u g he t h e m e t t h ef o l l o w i n ga s p e c t sw e r e r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , a n a l y z e dt h ec h o i c eo f n e t w o r k ，a n dm a k eu s eo ft h e t e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra n de t h e m e tc o m m u n i c a t i o nt os e tu pt h ed i s t r i b u t e dn e t w o r k m o n i t o r i n gs y s t e m s e c o n d l y , i no r d e rt or e a l i z et h er e m o t em o n i t o r i n go fs p i n n i n g e q u i p m e n t ，t h ec l i e n ta n ds e r v e rs o f t w a r eh a v eb e e nd e v e l o p e db ya c c o r d i n gt ot h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fp l ca n dn e t w o r km o d u l e ，u s i n go fm i c r o s o f tv i s u a l b a s i ca n ds q ls e r v e r2 0 0 0 t h i r d l y , t h ec o n t r o ls o f t w a r ea n dt h ew h o l en e 咐o r l ( m o n i t o rs y s t e mh a v eb e e nd e b u g g e d ，a l s oa n a l y z e dt e s tr e s u l t sa n d p u tf o r w a r dt ot h e i m p r o v e m e n td i r e c t i o n k e y w o r d ：s p i n n i n gp r o c e s s ；s p i n n i n gm a c h i n e ；e t h e r n e t ；c o m m u n i c a t i o n ；n e t w o r k m o n i t o r 目录 第一章绪论1 1 1 纺纱工艺过程简介2 1 1 1 初加工2 1 1 2 开松、除杂、梳理与混和一2 1 1 3 集合成条3 1 1 4 牵伸和并合。3 1 1 5 加捻和卷绕3 1 1 6 纺纱生产流程分析4 1 2 纺织企业生产管理信息化的发展5 1 3 网络监控系统的发展综述6 1 3 1 集散控制系统。6 1 3 2 现场总线技术6 1 3 3 工业以太网技术。7 1 4 本课题研究的目的及意义8 第二章以太网监控系统的设计与组建1l 2 1 系统设计思路1 1 2 1 1 系统方案的提出1 1 2 1 2p l c 网络的结构1 1 2 1 3 组网方式的选择1 2 2 1 4 基于c s 模式的管理信息系统m i s 1 3 2 2 以太网通信技术及在p l c 通信中的应用。1 5 2 3 1 以太网技术概述1 5 2 3 2 以太网通信技术的应用现状16 2 3 网络监控系统的组建1 7 2 3 1 数据通信系统的基本构成1 7 2 3 3 系统通信的实现l8 2 3 4 系统软硬件组成结构18 2 ，4 本章小结2 0 第三章软件开发工具2 1 3 1v i s u a lb a s i c 6 0 语言概述21 3 1 1v i s u a lb a s i c 的发展2 1 3 1 2v i s u a lb a s i c 的特点2 2 3 1 3v i s u a lb a s i c 6 0 的面向对象特性2 3 3 2 数据库管理系统选择2 4 3 3v b 中的数据库技术2 5 3 3 1d a o 技术2 5 3 3 2r d o 技术2 5 3 3 3a d o 技术2 6 3 3 4s q l 简介2 8 3 3 5 与s q ls e r v e r 数据库通信的建立2 9 3 4 总结3 0 第四章p l c 与上位机的通信31 4 1e t h e r n e t 网络通信单元31 4 1 1e t h e m e t 网络通信单元3 1 4 1 2e t h e m e t 网络单元通信的设置实现3 2 4 2 基于e t h e r n e t 网络通信单元的通信组网3 4 4 3p l c 的实现方式3 5 4 4 上位机的实现方式3 5 4 4 1w i n s o c k 网络通信控件。3 5 4 4 2 面向上位计算机的f i n s 通信协议一3 6 4 5 本章小结3 9 第五章系统分析与总体设计4 l 5 1 系统需求分析与结构设计4 1 5 1 1 在线监视模块4 2 5 1 2 合同管理模块4 2 5 1 3 设备管理模块4 2 5 1 4 历史数据模块4 2 5 1 5 用户管理模块4 2 5 1 6 系统维护模块4 2 5 2 数据库结构设计4 2 5 3 程序界面设计与实现4 9 5 3 1 用户登录界面4 9 5 3 2 用户管理界面5 0 5 3 3 设备管理界面51 5 3 4 在线监控界面设计5 3 5 4 本章小结5 5 第六章总结与展望5 7 6 1 总结5 7 6 2 未来研究的展望5 8 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 3 附勇专：6 5 附录l ：服务器端主要程序代码6 5 附录2 ：客户机程序主要代码：7 4 附录3 ：p l c 内部定义的部分变量。7 9 致谢8 3 第一章绪论 第一章绪论 纺织工业是中国国民经济的传统支柱产业，也是国际竞争优势比较明显的重 要产业之一，对扩大就业、增加农民收入、积累资金、出口创汇、繁荣市场、提 高城镇化水平、带动相关产业和促进区域经济发展发挥了重要的作用。中国是世 界上最大的纺织品生产国与出口国，中国棉纱、棉布、昵绒、丝织品、化纤、服 装等产量均居世界第一位，服装出口多年来始终保持世界第一的位置。纺织品的 生产和出口对于我国的经济发展和外汇平衡来说至关重要，同时对世界纺织品的 供求平衡和贸易格局也是举足轻重的。改革开放以来，中国纺织工业高速发展， 面对变幻莫测的全球市场竞争，t q c s e 是现代企业的立足之本，是企业成功的 关键。如何以最快的时问( t ) 、最优质的产品( q ) 、最低的生产成本( c ) 、最好 的服务( s ) 、最佳的生产环境( e ) 来赢得市场，是企业面临的最大问题【l - 2 】。在 这种大趋势下，大力提高我国纺织企业的生产管理水平，实现纺织企业生产管理 自动化、信息化和智能化具有十分重要的意义。 随着计算机硬件和网络技术的发展，计算机在纺织领域的应用己从一般事务 处理上升到生产过程的监控和产品辅助设计。综观近几年国内外的纺织机械展览 及相关的综合报道，国外纺织机械及纺织生产过程已经大量采用信息技术。例如： z i n s e r 公司的r i n g 2 p i l o t 系统用于细纱机和络筒机的工艺数据的监控； b e n n i n g e r 公司的b e n 2 t r o n i c 中央电脑控制系统用于整经机上的工艺控制； m a h l o 公司的o p t i p a cv m c 2 1 0 a 工艺控制系统用于纺织生产的监控；丰田公司 r x l 2 c o n c e p t 高速环锭细纱机采用信息技术监控细纱断头和锭子故障等【3 】。国 内的纺织机械及纺织生产过程也开始重视信息技术的应用，如清梳联网络监控系 统【4 1 、基于c s 模式的织机检测系统【5 1 、基于i n t r a n e t 的电子提花机的监控系统6 1 、 基于工业以太网的染色设备监控系统【7 j 等，都在原有自动化设备基础上利用信息 技术提高了生产管理的信息化水平，从而提高了生产效率。 由纺织纤维制成纱线的过程称为纺纱工程，纺纱的目的是把大量紊乱而有纺 纱价值、但又含有各种杂质、疵点的纤维纺制成具有一定性能的连续纱线。纺纱 是多工序、长流程、多机台并行的生产过程，其主要工艺过程包括原料混合、丌 松、梳理、并合、牵伸、加捻、卷绕等多个环节【8 】。对纺纱过程的生产运行进行 监控，可以快速方便的对生产流程进行管理、实时查看工艺和设备运行情况等信 息，有利于提高生产自动化水平、提高产品质量、减轻劳动强度、提高劳动生产 率，对生产任务进行有效的分配和管理。 天津丁业人学硕十学位论文 1 1 纺纱工艺过程简介 1 1 1 初加工 从农田采摘下来的棉花除了棉纤维外还含有棉籽及其他杂质，在纺纱前必须 除去棉籽而制成无籽的皮棉。这种初加工一船在棉纺厂外进行，称为轧棉p j 。 进人工厂的原毛中一船含有羊毛脂、羊汗、羊粪、羊尿以及草刺、砂土等杂 质在纺纱前必须先行去除。在此之前还需对羊毛分支分级，以便合理利用原料。 麻类纤维( 包括些麻、亚麻、黄麻等) 的原麻中除含有纤维素外，还含有一 些胶质和杂质。这些胶质和杂质大部分包围在纤维的表面，使纤维粘结在一起。 在纺纱前或纺纱过程中必须将这些影响纺纱加工和纱线质量的非纤维素杂质全 部或部分去除。例如，苎麻要在纺纱前去除胶质和杂质，使其单纤维相互分离， 成为精干麻，苎麻纺织厂把这部分初加工称为脱胶。 绢丝原料中含有丝胶、油脂、泥沙污染物和其他杂质，在纺纱前必须去除， 制成较为洁净、疏松的精干棉，工厂中把这部分初加工称为精练。 1 1 2 开松、除杂、梳理与混和 开松是利用角钉、锯齿、刀片或梳针等扯松或打松机件，对纤维块进行撕扯、 打击，解除纤维相互问的联系力，将它开松成较小的纤维块或纤维束。 陈杂主要是依靠打击机件对纤维打击时，使纤维和杂质获得不同的动量，或 利用纤维与杂质比重、大小、形态等的不同，依靠气流、振荡等作用，配合尘棒 使纤维和杂质在加工过程中得以分离。 纺纱原料即使是同品种，由于产地和批号不同，性状上也有一定的差异， 而成纱无论在外观质量还是内在质量上都要求长期保持均匀一致，所以一般采用 混和原料纺纱。混和就是按照成纱品质要求，将各混和成分均匀地分布在成纱的 各部分内，从而使纱线各部分的性质一致。 在实际纺纱过程中，开松与混和往往是同时发生的，而且开松是清除杂质以 及实现充分混合的必要条件。只有将原料开松成单纤维状态，才能实现单纤维间 的混和，并较好地清除与纤维粘附紧密的细小杂质。 由于开松、除杂不可能将纤维块分离成单纤维，并消除细小杂质，所以需要 进一步加工。粗梳是进一步开松、除杂与混和的有效方法。所谓粗梳就是利用表 面具有梳针或锯齿的工作机件梳理纤维束，使其进一步分解成单纤维，实现更为 细致的开松、除杂与混和。 2 第一章绪论 1 1 3 集合成条 成条是紧跟在开松、梳理、混和之后进行的。成条使纤维材料具有了纱线的 雏形，但它并不是纺纱过程中必不可少的。如果在充分地开松、除杂、梳理与混 和均匀后，纤维立即被纺成足够均匀、具有一定线密度纱线的话，那么就不需要 成条。但在目前情况下还做不到这一点，所以成条还是目前纺纱过程中的一个基 本作用。最初的成条一般是在梳理机上实现的。 1 1 4 牵伸和并合 一般所形成条子截面中的纤维根数较成纱中多几百倍，因此必须将条子抽 长、拉细才能纺成纱。在传统的纺纱过程中，这是由罗拉牵伸来实现的。最简单 的罗拉牵伸装置是由表面速度不同的两对罗拉( 喂人罗拉、输出罗拉) 组成。当 输出罗拉所握持的纤维从喂入罗拉所控持的纤维中抽出来时，由于摩擦作用，这 些纤维的另一端被伸直到一定程度，并相互平行，所以在牵伸过程中也提高了条 子中纤维的伸直度、平行度。在传统纺纱过程中，牵伸是在并条机、粗纱机、细 纱机上逐步实现的。 在纺纱过程中，由于各部分纤维性质不一致，机械或工艺条件不够完善，必 然会使细纱产生不均匀，不均匀不仅影响成纱外观，而且影响成纱强力等特性。 所以，在纺纱过程中一般将两根或两根以上的相同或相似半制品( 如条子) ，沿 着其长度方向合并加工，这一作用称为并合。并合可减少产品单位长度的重量不 匀以及在各种纤维混纺时的混和不匀。 1 1 5 加捻和卷绕 随着条子的伸长、拉细，纤维变得更加伸直、平行，但纱条的强力变得非常 低，易产生意外牵伸，甚至无法承受加工过程中的张力，所以必须设法增加纱条 的强力。在传统纺纱中，都是采用加捻的方法( 真捻和假捻) 来提高纱条的紧密 度而给予纱条以必要的物理机械特性。所谓加捻，就是使纱条的相邻界面间产生 相对的角位移。真捻是将纱条的一端握持，而另一端则由于机械作用绕本身轴线 回转，结果使相邻截面之间产生相对的扭转。假捻则是两端握持，中间某点绕自 身轴线回转，从而导致相邻截面间的角位移。 为了便于运输和贮存，半制品和成纱都必须卷绕成一定的卷装形式，卷绕虽 不影响成纱的结构及成纱质量，但在很大程度上影响机器的生产效率。因为它影 响着落纱、落筒的次数，并影响到后工序的接头次数。 天津1 = 业大学硕士学位论文 1 1 6 纺纱生产流程分析 以精梳棉纺为例，生产过程主要包括梳理工序、精梳工序、并条工序、粗纱 工序、细纱工序，其生产过程是将原棉加工成具有一定卷装规格的细纱。整个工 艺流程如图1 1 所示，其中： 图1 1 纺纱生产流程 轧棉工序：将棉株采摘下来的籽棉上的纤维和棉籽分离开，采用皮辊轧棉机 和锯齿轧棉机进行加工。 开清棉工序：开清棉工序所采用的单机种类较多，可分为自动抓棉机、棉箱 机械、开棉机械、清棉机械四大类，完成开松、除杂、混合、成卷的任务。 梳理工序：棉纤维采用盖板式梳理机，毛、麻、绢丝纤维因纤维长度长而采 用罗拉式梳理机，梳理是利用表面具有梳针或锯齿的工作机件梳理纤维束，使其 成为单纤维状态，且进一步清除细小的杂质，并使各成分的纤维得到充分混和， 然后集拢成为细而长的均匀条子，有规律地摆放在条筒内或绕成球。 精梳工序：利用梳针对纤维进行更为细致、充分的梳理，所使用的一般是间 歇性精梳机，纤维丛在握持状态下先梳理其前端，拔取时再梳其尾端。精梳能排 除纤维丛中的短纤维、纤维结、杂质以及混和纤维，并显著提高纤维的伸直平行 度。为了适应精梳机工作的要求，在喂入精梳机前须经过精梳前准备工序，尽量 消除粗梳条子中的弯钩，提高纤维的伸直平行度，预先制成适应于精梳机加工的 卷装。 并条工序：并条工序是将多根条子( 一般为6 1 2 根) 并合在一起，利用罗 拉对纤维条进行牵伸和梳理，并制成具有一定线密度的均匀条子。并合可以使各 成分纤维充分混合且提高条子的均匀度；而牵伸可将喂入条子抽长、拉细，提高 纤维伸直平行度。所使用的设备为并条机。 粗纱工序：粗纱工序是将较粗而均匀的须条进行适当的牵伸，由于粗纱条细 而松散，易产生意外伸长，因而采用加捻或搓捻( 假捻) 的方法来提高纱条紧密 度，给粗纱条以必要的强力。为了运输和下一工序喂入的需要，制成的粗纱要卷 绕在粗纱管上。所用的设备为粗纱机。 细纱工序：要得到具有一定线密度、强力和其他物理机械特性的连续细纱， 4 第一章绪论 则需将粗纱经过适当的牵伸以达到所要求的线密度，并加捻成纱，最后卷绕成细 纱纱管。完成这一工序的设备是细纱机。 1 2 纺织企业生产管理信息化的发展 长期以来纺织工业一直被认为是夕阳产业、劳动密集型产业，行业信心遭受 打击，大量产业资本向股市、楼市转移【l o 】。特别是在我国，由于纺织生产设备总 体上比较落后且工人的工资水平较低，很多纺织厂宁愿多用一个劳动力而不去引 进相应的新机器、新设备，即使在沿海比较发达的省份这种情况也比较常见。这 样就阻碍了新设备的推广和纺织厂总体生产管理自动化水平的提高。但是，由于 国际化大生产的发展和竞争的日趋激烈，我国纺织品依赖廉价劳动成本参与国际 市场的局面己难以持久，如不及早采取措施，必将影响纺织品和服装出口的增长 【l l 1 2 】 o 进入2 l 世纪后，纺织工业必须加快用高新技术改造落后的工艺和装备，实 现产业的升级，推广新技术、新工艺，提高纺织厂的生产管理的自动化水平势在 必行。 可以从以下几个方面着手来提高纺织厂的生产管理水平： 1 ) 进一步提高电控系统的档次和水平。除继续和扩大应用可编程序控制器、 变频器和显示器等传统工控设备外，还需结合使用要求进一步开发计算机应用系 统、伺服系统和网络系统，提高纺织机械的智能化水平。 2 ) 提高纺织机械的自动化程度，为纺织厂提高劳动生产率创造条件。纺织 机械的自动化水平得到提高后，可以减少人为误差，能体现工艺在运行中的要求， 可以以自动操作代替人工，降低生产用工和减轻劳动强度，从而大幅度降低生产 成本。 3 ) 采用合适的方法，将纺织厂的所有纺织机械联接成网络。这里要分两种 情况：有一些比较新型的纺织机械自身带有网络接口；而其它还有一些纺织机械 在出厂时没有集成网络联接的功能，这就需要通过改造，在原机器的基础上加入 信号采集处理装置与网络通讯模块，使之能联入厂内的监控网络。早期用的多机 控制系统是集散控制系统，又称分布式控制系统( d c s ) ，它利用计算机技术对 生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。现在用的比较多的则是现场总 线技术及工业以太网技术，它们各自的特点将在后面一节做简单的概述。 4 ) 建立一个纺织企业内部的计算机网络管理系统，即一个联接车间、分厂、 管理科室、决策层等企业内部生产和经营管理部门的局域网，实现企业内部各类 数据的采集、输入、传输与分析处理，为管理层和决策层提供快速准确的管理决 策信息。在此基础上建立一个面向国内外市场的、能促进企业快速有效适应市场 5 天津工业大学硕十学位论文 的联接i n t e r n e t 的广域网，实现市场预测、产品设计、生产销售的有机结合，最 终建立一个具有较高水平的优化型生产管理系统。 近年来，由于国际上对纺织产品的生产周期和性能质量的要求的提高以及纺 织类机械成本的降低，国内的一些纺织厂开始采用一些性能比较优良的纺织机械 来装配生产车间。可以预测，在不久的将来，只有那些具有较高的生产管理自动 化水平的纺织厂才能适应市场的要求，才能在激烈的国内国际竞争中赢得自己的 一席之地。 1 3 网络监控系统的发展综述 1 3 1 集散控制系统 计算机从它问世后的近5 0 年中，经历了从电子管、晶体管、集成电路、大规 模集成电路到超大规模集成电路等几个发展阶段。随着大规模集成电路技术的发 展，1 9 7 5 年美 h o n e y w e l l 公司推出了第一套集散控制系统( d c s ) t d c 一2 0 0 0 ，它 的特点就是：集中管理、集中操作，分散控制、分散危险，特别适合大规模生产 过程和大型设备的管理、控制和操作，随着计算机性能价格比的不断提高、通用 计算机技术、控制理论与技术、显示技术的发展，特别是网络技术的发展，集散 控制系统逐渐发展起来 1 3 】。集散控制系统是以多个微处理机为基础利用现代网络 技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、 监视管理的控制系统。 我国8 0 年代从国外引进了第一台d c s ，经过近2 0 年左右的消化吸收和创新， 现在国内d c s 产品己具有较强的竞争力，在技术上形成了初步与国外产品相抗衡 的局面，部分产品已经走出国门，进入国际市场，d c s 系统朝着信息化、集成化、 混合控制( 包含了过程控制、逻辑控制和批处理控制) 、开放化方向发展【l 引。比 如当今发展迅猛的现场总线控制系统( f c s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 、计 算机集成流程系统( c l p s ) ，等等。 1 3 2 现场总线技术 进入2 0 世纪9 0 年代以后，随着网络与通信技术的发展，现场总线( f i e l db u s ) 技术逐步成熟并发展起来，它是现代计算机、通信和控制技术的集成，即通常人 们所称的3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n t r 0 1 ) 技术【1 5 j 。f c s 是一种全数字 式、双向传输、多分支结构的通讯网络，是将自动化最底层的现场控制器和现场 智能仪表设备互连而成的实时网络控制系统【l6 1 。现场总线控制系统( 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， 6 第一章绪论 有以下特点： 1 ) f c s 采用数字信号传输，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。 2 ) f c s 采用彻底的分散控制功能模块，由于使用了具有综合功能的智能仪 表，现场总线将控制功能由传统的控制站下放到现场仪表设备中，提高了系统的 灵活性和自治性，每个现场仪表成为总线中一个节点，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 系统为开放式互联网络，既可以与同层网络互连，也可以与不同层 网络互连。不同厂家的网络产品可以集成在同一现场总线控制系统中，只要他们 遵守相同的通信协议，就可以实现各层网络之间的信息交流。 4 ) 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 统的施工和调试带来了极大的方便，建立新的控制系统，既省时间，又省材料 1 7 q 8 o 由此可见，现场总线与d c s 枉t 比，具有鲜明的技术特点与无可比拟的优势。 目前已丌发出有4 0 多种现场总线，如i n t c r b u s 、b i t b u s 、d e v i c e n e t 、m o d b u s 、a r c n e t 、 p n e t 、f i p 、i s p 等，其中最具影响力的有5 种，分别是f f 、p r o f i t b u s 、h a r t 、 c a n a l l o n w o r k s 总线。 1 3 3 工业以太网技术 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 控制领域也有许多瓶颈问题：首先，现有的现场总线标准种类过多，且各有自己 的优势和适用范围，用户如何取舍是比较棘手的问题；其次，控制系统中如果有 多种现场总线同时存在，用户希望将工业控制系统与数据信息网络实现无缝集 成，真j 下实现企业级管控一体化，系统功能组态会变得相对复杂；另外在本质安 全、系统可靠性、数据传输速度等方面存在一些技术瓶颈或不符合现代企业对信 息的要求5 1 。 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它 支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。近些年来，随着 网络技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。 这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的 通讯协议是必然的要求。 以太网进人工业控制领域，同样也存在一些问题，其中主要的是【2 0 】：实 7 天津工业大学硕士学位论文 时性问题：以太网采用的c s m a c d 的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。 一条总线上挂多个节点平等竞争总线，等待总线空闲。这种方式很难满足工业控 制领域对实时性的要求。这也是以太网技术进入工控领域的技术瓶颈；对工 业环境的适应性与可靠性：以太网是按办公环境设计的，需要使抗干扰能力、外 观设计等符合工业现场的要求；适用于工业自动化控制的应用层协议，目前 信息网络中定义的应用层协议所定义的数据结构等特性不适合应用于工业过程 控制领域现场设备之间的实时通信。因此，还需定义统一的应用层规范；本 质安全和网络安全：工业以太网如果用在易燃易爆的危险工作场所，必须考虑本 质安全问题。另外，工业以太网由于使用了t c p i p 协议，因此可能会受到包括病 毒、黑客的非法入侵与非法操作等网络安全威胁；q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 问题：随着技术的进步，在工厂控制底层的信号已不局限在单纯的数字和模拟量 上，而是包括a u d i o 及低分辨的v i d e o 信号，网络应能根据不同用户需求及不同的 内容适度地保证实时性的要求。 随着网络技术的不断发展，以上出现的问题已经完全或部分得到解决。近 些年来出现了快速交换式以太网技术，采用全双工通信，可以完全避免c s m a c d 中的碰撞，并且可以方便地实现优先级机制，保证网络带宽的最大利用率和最好 的实时性能。它完全避免了c s m a c d 、主从、令牌等可能的低效率；对于不 同工业环境网络设备生产厂商采取了专门的抗干扰措施，使其更加符合工业需 求；在应用层协议方面用户可以根据需要对t c p i p 协议栈进行增减，另外还 需要制定更加符合工业要求的网络协议；设备生产商提供适应工业环境的器 件，使用密封性好，坚固、抗震动的以太网设备与连接件用来解决本质安全问题； 采用用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理， 但针 对工业自动化控制网络安全问题的解决方案还需要认真研究；随着网络速度 的提高和网络协议的进一步完善，q o s 问题也得到了解决。 这些问题的解决，为以太网进入工业控制领域铺平了道路，各行各业的以太 网络监控系统也如火如荼的发展起来了，且己逐步成为监控领域内的主流网络 了。 1 4 本课题研究的目的及意义 本课题基于现有数字化小样纺纱设备，利用计算机技术、通信技术、网络技 术及数据库技术，将纺纱设备网络化信息化，通过网络环境对设备进行集中管理、 实时监控，从而达到提高纺织企业生产管理信息化水平的目的。 本课题设计出一种纺纱生产的网络监控系统，利用该系统可以对纺纱生产的 运行状态进行实时监控，尤其是任何一台授权的计算机都可通过网络进行远程监 8 第一章绪论 控，可快速方便的对设备状态、生产工艺、生产进度等进行监控，从而为纺纱的 生产管理带来了极大方便。本系统中涉及到的组网方案、c s 系统等可应用到各 生产企业，如纺纱厂、织布厂、染整厂等，对提高企业生产管理信息化水平具有 一定参考价值。 9 第二章以太网监控系统的设计与组建 第二章以太网监控系统的设计与组建 2 1 系统设计思路 2 1 1 系统方案的提出 目前，由天津工业大学自主研发的数字化小样纺纱设备已经开发完毕，数字 化小样纺纱设备结合了机电一体化技术、计算机控制技术、伺服驱动和变频调速 技术，实现试纺过程各种工艺参数的在线检测、显示、自动控制和自动调节等， 对教学研究、纺织厂打样及产品研发有着不可替代的作用【2 l 】。考虑到对生产工艺 进行监控管理需到现场