（机械电子工程专业论文）分布式网络化制造系统监控.pdf

摘要 摘要 网络化制造系统监控是网络化制造实现的枢纽和协调中心，系统的优劣将直 接影响到网络化制造的敏捷性和灵活性。随着计算机和网络技术发展，现代制造 业的自动化程度、效率越来越高，网络化制造过程中自动搬运的地位也越来越突 出。同时，自动搬运系统已是当今柔性制造系统、计算机集成制造系统、自动化 仓储系统中物流运输的有效手段。课题是以网络化制造中自动搬运的实现及其监 控展开的研究。 首先，论述了两级监控体系的构成以及主要研究内容，并以网络化制造中无 人搬运车控制器设计及驱动和分布式物流运输系统为中心，以分布式网络一无线 测控和基于c a n 总线的视频监控系统为辅助展开论述。 随后，详细介绍了无人搬运车控制器设计，它是以m c s 一5 1 系列单片机和a d a m 系列数据采集模块为核心，辅助以传感器和其它电子器件、装置，实现了网络一 无线模式下的人工和自动控制。文中给出了无人搬运车控制器简单的避障算法和 引导算法以及站点识别的实现方法，同时就无人搬运车控制及其组成的分布式搬 运系统分别给出相应的软件设计。 然后，文中分别论述了信号采集、传输的实现手段分奄式网络一无线测 控的软硬件设计，以及环境可视化的实现手段基于c a n 总线的视频监控系统 的人机界面丌发。同时也就系统的辅助功能进行了简单的阐述。 最后，就本课题所作的工作做了一个简要的总结，并对分布式网络化制造系 统监控今后进一步研究提出了一些建议。 关键词：分布式；网络化制造：监控系统：无人搬运车控制器；串行通信 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e m e a s u r i n g a n dc o n t r o lli n go f n e t w o r k e d i a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( m c n m s ) ist h eh i n g ea n dc o n t r o l l n gc e n t e ro fn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g a g i l i t ya n df l e x i b i l i t yo fn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n ga r ed i r e c t l ya f f e c t e d b yw h e t h e rt h ep e r f o r m a n c eo fm c n m sisg o o do rn o t w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o i o g y ，m o d e r nm a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o ni s i n c r e a s i n 9 1 ye x t e n s i v e ，a n dg e t t in gm o r ea n dm o r ee f f i c l e n t ，a c c o r d i n g l y a u t o m a t e dt r a n s p o r t a t i o no fr e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gi sb e e o m i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t s i m u l t a n e o u s l y ，a u t o m a t e dt r a n s p o r t a t i o nh a sb e e nt h e o u t s t a n d i n gl o g i s t i c sm e a n so ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c o m p u t e r i n t e g r a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， a n da u t o m a t e ds t o r a g es y s t e m t h es t u d y o ft h et h e s i sr e l a t e dt ot h er e a l i z a t i o na n dm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g o fa u t o m a t e dt r a n s p o r t a ti o ni nn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g f i r s t l y ，t h et w o s t a g es t r u c t u r eo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ， a n dt h er e s e a r c hw a r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h em a i ns t u d yw a s ，t h e d e s i g na n dd r iv i n go f c o n t r o l l e io fa u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e ( a g v ) 。a n d t h ed i s t r i b u t e dl o g i s t i c ss y s t e m d i s t r i b u t e dn e t w o r k r a d i om e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n g ，a n d t h em o n i t o r i n gv i d e o s y s t e m b a s e do nc a nb u s ，w e r e a f f il i a t e dt ot h em a i as t u d y s u b s e q u e n t l y ，t h ed e s i g no fa g vc o n t r o l l e rw a si n t r o d u c e di nd e t a i 1 t h ek e yc o m p o n e n t so ft h ec o n t r o l l e rw a r em c s 5 1m i c r o “c o n t r o l l e ra n da d a m s e r i a l sd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e s a n dt h ea c c e s s e r i a lc o m p o n e n t sw e r e s e n s o r s ，o t h e re l e c t r o n i ce l e m e n t sa n de q u i p m e n t s w i t ht h o s ec o m p o n e n t s ， t h ec o n t r o l l e rc o u l dm a k ea g vw o r km a n u a l l yo rf r e e l yi nn e t w o r kr a d i o t h et h e s i sg a v es i m p l ea l g o r it h i n so fa v e i d i n go b s t a c l e ，a n da g vt r a c t jo n r m e t h 。dt h a tm a k ea g vf i n dd e s t i n a t i o n w a sa l s od i s c u s s e d b yt h es a m et o k e n t h es o f t w a r ed e s i g no fc o n t r o l l i n ga g va n dd i s t r i b u t e dl o g i s t i c ss y s t e m c o m p o s e do fa g v s w a sg iy e n ， t h e n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fd i s t r i b u t e dn e t w o r k r a d i o 一1 i 一 摘要 m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g ，b yw h i c ht h es y s t e mc a na c q u i r e sd a t a ，w a s i n t r o d u c e d ：t h ed e s i g no fh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h em o n i t o r i n gv i d e o s y s t e mb a s e do nc a nb u s b yw h i c ht h es c e n ec o n t r o l l e rc a nb e e ns e e nb y v i d e o ，w & sa l s oi n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t h ea c c e s s o r i a lf u n c t i o n s o ft h ew h o l es y s t e mw e r ea ls oi n t r o d u c e d f i n a l l y ，as u m m a r yo ft h et h e s i sw a sg i y e na n ds o m es u g g e s t i o n sf o r t h ef u r t h e rs t u d yo ft h es y s t e mw e r ep r o v i d e d k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e d ： n e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n g ：m e a s u r i n g a n d c o n t r o l1i n gs y s t e m ：c o n t r o l e ro fa u t o m a t e dg u i d e dv e h i c i e ：s e r i a l c o m m u n ic a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志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了谢意。 虢肄隅甥 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲毖瓷! 鲤新虢趁眺趟 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 制造是需求和效益驱动的社会性人为产出活动，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：制造业是国家经济的基础产业，是社会财富 的主要创造者、国民收入的主要来源，制造业的发展水平反映了国家( 地区) 的 经济实力、科技水平、国防能力，多数国家都把制造业发展作为国家的战略重点， 工业化国家7 0 8 0 的物质财富来自制造业：制造技术是制造业生存和发展的技 术支柱，制造技术发展是国民经济持续增长的根本动力，工业发达国家普遍认为： 从某种意义上讲，制造技术已经成为国家命运的主宰。现代制造技术综合了多门 科学发展的最新理论成果，它的发展程度已经成为衡量国家综合实力和科技发展 水平的重要标志，“先进制造技术是一个国家、一个民族赖以繁荣昌盛的最根本 的基础”“。 1 1 1 现代制造业面临的挑战“f 7 - 8 1 机械制造业是所有工业部门的基础，它担负着为国防业、工农业等部门提供 先进的技术装备和精良的工艺，二十一世纪的机械制造业必须面对三个现实： ( 1 ) 全球化趋势经济全球化、市场国际化、服务世界化、贸易和投资全球化， 已是不可逆转的时代要求，产品国际间分工协作更加频繁和紧密，制造业必须适 应这一趋势； ( 2 ) 市场客户化趋势市场经济已经是全球市场的主要体制，客户驱动市场， 市场牵动企业。咀生产为中心、以企业为主导的传统模式己不能适应现代理念， 企业要想生存、发展必须适应市场，走向世界； ( 3 ) 现代科技进步微电子、计算机、通讯、网络、新材料、自动化、现代管 理等科学技术迅速发展，催生出以信息技术为核心的新技术革命的到来，各个 行业都面临严峻的挑战和机遇。 这几点使得制造业的传统模式已经不能满足时代的要求，制造业必须与时俱 进，紧跟时代步伐。产品( p r o d u c t ) 必需具备：优良的功能( f u n c t i o n ) 、优良 的上市速度( t i m et om a r k e t ) 、优良的质量( q u a l i t y ) 、优良的价格( c o s t ) 、 北京t 业人学工学硕士学位论文 优良的服务( s e r v e r ) 、优良的环境( e n v i r o n m e n t ) ，从而提高企业的应变能力， 使产品具有优良的竞争力。这些要求的驱动下，产生了诸多先进的制造技术。 1 1 2 现代制造业的关键技术 以信息技术为主导高科技为制造业的发展提供了支持，推动着制造业变革， 先进制造技术的产生，现代制造业主要关键技术分为制造新技术和管理新模式： ( 1 ) 制造新技术集成化c a d c a m c a p p c a e p d m 、计算机集成胄4 造( c o m p u t e r i n t e g r a lm a n u f a c t u r i n g ，c i m ) 、并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 、 快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ，r p m ) 、智能制造 ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g ，i m ) 、虚拟隹0 造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 、 绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ，g m ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ，a m ) 、 柔性制造( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g ，f m ) 、下一代制造( n e x tg e n e r a t f o n m a n u f a c t u r i n g ，n g m ) 、全球制造( g l o b a l i z a t i o nm a n u f a c t u r i n g ) 、现代集成 制造( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a lm a n u f a c t u r i n g ，c i m ) 、虚拟产品开发( v i r t u a l p r o d u c td e v e l o p m e n t ，v p d ) ： ( 2 ) 管理新模式计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a lm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ，c i m s ) 、精良生产( l e a np r o d u c t jo n ，l p ) 、物料需求计划( m a t e r i a l r e q u i r e m e n tp l a n n i n g ，m r p ) 、制造资源规划( m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e p l a n n i n g ，m r p i i ) 、企业资源管理( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ，e r p ) 、及 时生产( j u s ti nt i m e ，j i t ) 、管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ， m i s ) 、并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ， a m ) 、现代集成制造系统( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) ； 制造技术发展过程中，人、技术、管理始终是核心要素，制造技术和管理模 式统一互补，现在制造技术不断向信息化、集成化方向发展。纵观制造业发展， 经历了功能自动化阶段、信息集成阶段、过程优化阶段、敏捷化阶段。这个信息 化过程显示：制造业网络化将是现代制造业发展方向，分却式网络化制造 ( d i s t r i b u t e dn e t w o r k e dm a n t l f a c t u r i n g ，d n m ) 将成为重要的先进制造技术。 1 1 3 分布式网络化制造系统监控的构成 1 1 3 1 网络化制造概念 网络化制造( n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ) 产生的背景是计算机网络技术、 第1 苹绪论 经济全球化、现代集成制造哲理等综合发展的结果。它是指：在远程异地模式下 利用计算机技术、通信技术、先进制造技术等实现协同设计、信息共享、远程监 控及企业的信息交流；通过i n t e r n e t i n t r a n e t e x t r a n e t 实现实时数据的传输、 分析、处理、监控、异常工况的专家诊断，以及厂家信息的发布，电子商务等。 网络化制造是制造业信息化的主要趋势，是提高行业、区域核心企业及企业 群体综合竞争力的重要手段，目前已经成为发达国家“重振制造业，提高国家竞 争力”的主要战略。 网络化制造主要应用于企业之间有效的信息交互和资源共享，先进的网络技 术和信息传输手段为解决企业的“信息孤岛”问题提供了有效的途径。 1 1 3 2 网络控制结构 制造业的技术、工艺不断发展和更新，为了实现对多变的、复杂的制造系统 进行有效控制，可靠性容错能力、可更改性可扩展性、可重构性适应性成为 衡量控制结构性能重要因素。制造系统的控制结构有三种基本方式：集中式 ( c e n t r a l i z e d ) 、递阶式( 1 l i e r a r c h i c a l ) 、分布式( d i s t r i b u t e d ) 。 集中式控制方式，随着制造系统的进一步扩大和分工的细化，中心控制器很 难对系统中所有部件进行控制，容易形成制造系统的瓶颈，同时系统的响应速度 慢且不一致，控制软件也难以更改。 递阶式控制方式，由于其固有的主从关系，使系统间的层次较多，特别是当 系统变得非常大的时候，它的响应性能差，系统的容错性、可扩展性、可维护性 等性能显著下降。 减少系统的层次及层次间的信息传递量，提高子系统的独立性，已成为先进 制造系统的控制结构发展趋势。应运而生的分布式控制结构是一种以自主性控制 单元的协作决策为基础的控制结构，它使系统的控制性能更加灵活。由于没有主 从结构，挨个系统更易于模块化，使系统的复杂性降低。虽然分布式控制结构也 有一定的不足，但较其它两种结构有无法比拟的优点，其更易适应于制造业的复 杂性和多变性。 113 3 分布式网络化制造系统 综合利用网络的分布性、协同性、广域性和分布式控制的优点，产生了一种 新的制造系统一一分柿式网络化制造系统( d i s t r b u t e d n e t w o r k e d 北京l 业入学工学硕士学位论文 m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，d n m s ) ，它是一种由多种、异构、分布式的制造资源， 以一定互联方式，利用计算机网绍组成制造系统，是种面向群体协同工作并支 持开放集成性系统“。开放性、多平台性、相互协作性和灵活的响应性是它的出 发点。 网络化制造系统以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征，基本目标是将现有 的各种在地理位置上或逻辑上分布的异构制造系统企业，通过其代理连接到计 算机网络中，以提高各个制造系统企业间的信息交流与合作能力，进而实现制 造资源的共享，为寻求市场机遇，及时、快速地响应和适应市场需求变化，赢得 竞争优势，求得生存与发展奠定了颦实的基础，从而也为真f 实现制造企业研究 与开发、生产、营销、组织管理及服务的全球化开辟了道路“。根据这个定义， 分布式网络化制造系统框架及功能如图t - 1 所示。 图卜1 分布式网络化制造系统框图 f i g 1 一ls c h e m a t i cd i a g r a mo f d i s t r i b u t e dn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 系统由局域网( l a n ) 、广域网( w a n ) 构成，它们在空间上和功能上是分散 的。企业的局域网负责本企业的生产、管理、信息更新等活动，广域网作为企业 行为区域性扩展的手段，同时把企业联系起来实现信息通信、资源共享、电子商 务等。这种结构具有鲜明的集成性、层次性、可扩展性及可重组性：同时容错能 力、跨平台性、歼放性、实用性也都比较好。 系统功能由以下分系统组成：工作现场监控系统；产品数据管理统；网络数 据库系统；产品协同开发技术支持系统；制造环境管理系统；供应链管理系统； 网络化企业动态联盟系统：电子商务系统等。这些分系统既能集成运行，也能单 独应用。 分布式网络化制造系统监控是网络制造实现的枢纽和协调中心，它将直接影 第1 章绪论 , l a l n - 络化制造的敏捷性、灵活性，从某种意义上讲，它决定了网络化制造的实现。 由于监控对象、监铡设备的不同，监控系统有很大差别，但它们的主体结构大致 一样。图卜2 所示是一个监控系统实例的结构“。 图卜2 分布式网络化制造系统监控实例 f i gl 一2a ne x a m p l eof1 i l o 1 it o r i n ga n dc o n t r o li i n go fd n m s 图卜2 采用客户机n 务器模式网络结构，通过客户企业现场监控计算机把 监测数据通过公共开关电话网络( p s t n ) 或防卫数据网( d d n ) 传输到企业产品服 务网站或一些专用数据服务器供客户浏览、检索，以实现数据资源共享，为网络 化制造提供数据参考。同时也为数据以太网传输、企业联盟间的资源共享以及专 家诊断提供了先决条件。 1 1 4 课题研究的意义“3 4 。“7 。“”3 目前，网络技术在国民经济的各行各业都发挥着越来越大的作用，把网络用 于制造业产品设计、维护、和设备运行状态监控等环节必将带来巨大的经济效益。 网络监控服务技术以因特网为桥梁，跨越企业、用户和研究机构在时间和空间的 距离，实现全球范围内的监控专家知识与设备运行状态故障诊断数据共享，实现 对镣4 造业关键技术设备进行远程监控和管理，为设备的高效安全运行提供可靠的 北京i 业丈学i 学硕寸：学位论文 技术保障。网络加工工况的监控也是实现异地制造、设备重组和制造系统优化的 手段和工具，通过异地工况信息集成系统，可以在计算机网上了解可选设备的实 际工作状态，从而根据产品质量要求选择所需要设备，优化系统组合。 通过网络监控服务技术的研究，切实加强科研院所和生产企业的技术合作， 实现“产、学、研”三结合，进一步促进信息技术和网络技术在制造业中广泛应 用，催生出以制造业为内涵的信息服务业，促进制造业的数字化、信息化以及信 息化服务、中介咨询业的形成，以达到敏捷制造、绿色制造在制造业广泛应用。 通过网络监控服务技术的研究，使数字化、网络化计划制造业中具体化，达 到运作精良、信息快捷、资源优化、保障有力，以提升制造业的总体水平，使我 国的制造业在新的竞争中处于有利位置，能够适应国际竞争的需要。 1 2 网络化制造研究概况n ”2 ” 1 2 1 国际研究概况 1 9 9 1 年美国里海大学向美国国会的报告美国2 l 世纪制造业战略提出敏 捷制造( a m ) 的概念，根据这个报告，1 9 9 5 年美国建立全国性的企业网，其目 的是把美国制造业系统联系在一起。1 9 9 3 年克林顿政府又提出先进制造技术为国 家关键技术。 1 9 9 5 年，美国国防部丌始制造系统的敏捷基础设施网课题研究，有多个 大学、科研机构企业参加这一项日，它的目标是开发一个国家信息基础框架，并 利用这个信息框架提供各种制造服务，以实现敏捷制造。 1 9 9 6 年美国国防部、通用电气研究和开发部组建计算及辅助制造网络 ( c a m n e t ) ，它包括“塑料应用设计服务”、“环境制造服务”、“材料选择服务”、 “供应上预选资格服务”四部分，其目的是为合作企业的过程集成提供支持。 1 9 9 7 年美国国际制造企业研究所发表美国一俄罗斯虚拟企业网研究报告， 该项目是美国国家科学基金研究项目，目的是开发一个跨过虚拟企业网的原型， 使美国能够利用俄罗斯制造业的能力。 美国斯坦福大学，开始基于新快速成型加工的快速产品开发与制造服务系统 的研究( 1 9 9 6 1 9 9 9 ) 。 美国斯坦福大学和麻省理：r ：学院合作开展“基于i n t e r n e t 示范系统”研究， 该项目得到了b o e i n g 、f o r d 等1 0 多家公司的支持与合作，并建立了一个面向半 爱；1 章堵论 导体制造设备基于i n t e r n e t 的远程诊断服型系统。美国密执安大学也在进行机 械加工远程诊断与制造系统的研究工作。 美国加州大学伯克利分校，1 9 9 6 2 0 0 0 年着手研究开放式网络化c n c 体系结 构及网络化接入、基于j a v a 的w e b c a d 、w e b 工艺咨询。 欧洲中小企业网在意大利、希腊、匈牙利、西班牙共同参与下完成，该项目 的主要目标是设计和开发一个参考结构和一个开放平台来支持中小企业生产环 境下零件制造和产品组织。 澳大利亚联邦科技与工业研究组织( c s i r o ) 将远程诊断纳入“智能制造系统 计划面向2 1 世纪的全球制造”项目，应用对象面向c n c 平板切割机床。 德国制定p r o d u k t i o n 2 0 0 0 全球化生产工程框架，其目标是开发2 1 世纪的现 代化生产框架。 日本山崎马扎克公司( h t t p ：w w m a z a k c o m c n ) 智能化刀具管理、智能化 同程安排、智能化监控。对多台机器的加工状况时实监控，通过公司局域网或拨 号网络，监测机器的运转实况和机器生产量。 1 2 2 国内研究概况 我国在制造业的信息化程度上还远远落后于世界发达国家，就劳动生产率而 言，我国制造业只是美国的1 2 3 、r 本的1 2 5 、德国的1 1 8 。大部分企业技术 创新能力薄弱，不少关键技术及设备仍然依赖国外。“。为了紧跟国际步伐1 9 9 5 年在北京召开8 6 3 c i m s 发展战略研究会，将敏捷制造列为国家8 6 3 c i m s 课题重 要研究内容，些科研院所相继开始一系列的研究，并取得定的成果。 华中科技大学提出了分布式网络化制造系统的初步构想“，开发出了华中网 络数控系统”以及基于i n t e r n e t 的数控设备远程故障诊断技术“”等。 同济大学和香港大学提出了分散网络化生产系统，其目的是使香港和内地的 资源优势通过因特网有机集成起来。 同济大学以上海大众汽车冲压生产线为研究对象，初步实现了一个面向制造 企业的工业现场远程监控诊断系统。 分散网络化制造系统于1 9 9 8 列入固家“九：丘”科技攻关项目，于2 0 0 0 年通 过验收。同时，同济大学和香港理工大学合作进行了这方面的研究，利用i n t e r n e t 实现了设备、产品信息发布、文件传输等功能。 北京t 业人学工学硕七学位论文 i 1 9 9 8 年重庆大学提出了区域性网络化制造的概念，并于2 0 0 0 年开始了国家 “8 6 3 ”项目“区域性网络化制造系统及应用工程预研项目”。 1 9 9 8 年上海交通大学先进制造技术中心开始提供快速成型制造网上服务。 2 0 0 1 年3 月2 3 日，南京理工大学建立了一个c s c w ( 计算机支持的协同工作) 网络化制造的实验环境，并与香港生产力促进中心、香港科技学院联合，成功地 进行了网络化异地设计、制造的演示实验“。 根据国内外在网络监控方面研究的现状的分析，可以得出以下四点结论： ( 1 ) 制造企业计算机和数控设备应用已达一定的水平，局域网基本建立，部门 内网络协作工作模式初具雏形。实施制造网络时，必须考虑现有资源和组织管理 模式，网络监控系统应具有开放、灵活及与平台无关的特性。 ( 2 ) 目前完整实用的监控系统尚不存在，大部分系统从本质上讲是许多单目标 监控简单组合，有以下缺陷： 依赖于具体监控目标，难于适应多目标的监控； 接口能力较差，难于实现对c i m s 中丰富信息的充分利用； 所用的感知融合技术将不同信号及特征视为独立与平行，没有反映出信号 之问以及信号与监控目标之问的内在联系。 ( 3 ) 重点开发和推广应用基于网络的异地协同设计与制造，异地协同设计的三 维可视环境的建立，产品图形及仿真结果的网络发布与浏览，工艺参数的网络化 与传输；异地过程监控模型，产品模型数据的异地修改，异地设计与制造的产品 模型数据管理系统，全球化采购及网络化销售服务，安全防范机制。 ( 4 ) 网络化集成制造环境中有两种重要的通信需求： 面向文字传送的实时通信，如经营决策的信息传送、产品设计图形文件的 传送及数据库查询等； 面向制造过程的实时通信，如机器人的实时控制、加工零件的信息传递及 传感器信号传输等。 过去说c 狼来了”，现在“狼”真的来了。中国企业要与“狼”共舞，首先 必须使自己成为“狼”。如果还是“羊”，就要被“狼”吃掉。那么中国的制造业 怎么样彳能从“羊变成狼”呢? 其中很重要的一条就是用信息技术武装自己， 通过信息化发展先进生产力。目前科技部已经与国务院信息办、国家经贸委、国 第l 章绪论 防科工委、信息产业部、教育部等联合组织实施制造业信息化工程“。 1 3 课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题是北京市2 0 0 3 年自然科学基金重点项目( 4 0 3 1 0 0 1 1 )“基于制造业 的网络化智能监控服务系统关键技术研究”的子课题，针对分布式网络制造系统 监控的理论和实践进行研究。 1 ，3 。2 主要研究内容 分布式网络化制造系统监控在网络化制造过程中处于举足轻重的地位，有较 广泛的应用前景。着针对分布式网络化制造的特点，综合了多方面的因素，进行 了详细论证，制定了整体研究方案。主要研究内容及相应的工作为： ( 1 ) 分布式网络化制造监控系统框架的规划。它包括系统结构方案确定和系统 总体规划，以及基于v c + + 6 o 的局域网监控平台的建立； ( 2 ) 独立研制开发了无人搬运车控制器。其中包括方案的比较和确定，电路板 设计、加工( 外协) 、硬件组装调试等： ( 3 ) a g v 控制器相关软件的设计。其中包括：基于汇编语言的a g v 控制器的驱 动程序，v c + + 6 0 语言下的上位p c 机的无人搬运车控制软件以及搬运系统监控 软件； ( 4 ) 无人搬运车站点识别实现方法研究，它主要涉及到无人搬运车站点识别装 置硬件实现以及相应的实现软件； ( 5 ) a g v 搬运系统监控的实现，它包括：分布式网络一无线测控装置采集方案 可行性的论证，相关软硬件设计，数据采集结果的上位机处理、分析程序的编写。 v c + + 6 0 语言环境下，基于c a n 总线视频监控系统人机界面开发以及原有功能的 完善； ( 6 ) 分布式网络化制造系统监控的一些辅助功能。如网上讨论、信息发送、 o r a c l e 9 i 数据库的组建等。 北京工业大学工学硕土学位论文 第2 章分布式网络化制造系统监控方案 2 1 两级监控系统结构 分布式网络化制造系统监控是综合利用先进制造技术、计算机网络术、自动 控制技术、检测技术、微电子等现代科学技术，实现对制造业中的开放式数控设 备分布式监测和控制。监控目的是对设备状态、刀具状态、产品加工质量等信息 提供实时数据，并根据监测结果做相应的诊断和可能的趋势预测，必要时做出一 定的控制，以避免故障出现。监控系统是网络化制造的“眼睛”，是网络化制造 实现的枢纽和协调中心，它的优劣将直接影响到网络化制造的敏捷性和灵活性。 同时，它也是先进制造技术( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，a m t ) 中其它 制造系统中的关键组成部分。该系统网络体系上有多种结构，课题中采用两级网 络监控体系结构企业级监控网和制造厂商服务协作网，如图2 一l 所示“3 1 。 图21 两级网络监控系统结构 f i g 2 - 1t w o s t a g es t r u c t u r eo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m 图2 一l 中，两级网络体系结构是由广域网( w a n ) 和局域网( l a n ) 组成，这 两级结构分别自成体系，个体功能上相对独立，总体功能上互补a 其中，局域网 第2 章分布式网络化制选系统监摊方案 为企业级监控网，负责监测参数的数据采集、存储，以及部分数据处理，同时把 原始数据或处理结果传入广域网中；广域网为制造厂商服务协作网，实现故障诊 断、资源共享、远程设备监控操作以及企业网络报表、网络打印、数据库查询等。 同时，通过广域网实现企业联盟间网络功能，如企业间协同设计、技术支持、故 障会诊等。这种两级体系结构的优点是：系统实质是分布式结构，有较好的适应 性、可扩展性及安全性，该系统可满足多种设备的监控需求。 图2 一l 所示系统，主要基于以下目的： ( 1 ) 实现对数控机床等制造业关键机电设备进行远程监控和管理 ( 2 ) 实现监控专家知识、设备运行状态故障诊断数据的网络共享 ( 3 ) 实现异地制造、设备重组、制造系统优化的手段和工具 ( 4 ) 提高设备故障诊断的准确性、可靠性 2 2 监控系统功能实现 目前，自动化制造过程中物流及其在网络化制造的作用引起很多国家重视， 同时我国这方面还相对较落后；同时总课题进度还是初级阶段很多研究成果还不 到位，以及现有数控设备开放性不是很理想等主客观原因，提出了基于局域网的 分柿式监控框架，如图2 2 所示。系统构成及其功能分述如下： ( 1 ) a d a m 模块及t p c i 2 4 0 ta d a m 4 0 0 0 为台湾研华公司分布式数据采集模块， 它实现无人搬运车和测控装罱的网络一无线功能。t p c i 2 4 0 t 为台湾研华公司基于 m i c r o s o f tw i n d o w sc e3 0 操作系统的工业控制计算机，它实现测控装置的部分 监测数据处理； ( 2 ) 无人搬运车( a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e ，a g v ) 以网络一无线方式与监 控中心信息交换，主要是作为待加工物料的工作站传输以及成品指定位置的流动 工具。它是无人车间物流手段，可以提高自动化生产效率，节约成本等。多台a g v 有序地运作于工作站点间，组成分布式物流系统，每个a g v 相对独立； ( 3 ) 摄像机负责现场级状况的视频信息采集，可以采用带有网络接口网络摄 像机或普通摄像机，可采用网络接入方式( 网络摄像机) ，也可以通过一定的设备 接入p c 机。其目的是实时、直观地提供现场级工作状况的视频信息。同时，视频 也是一些恶劣环境下不可缺少的监控手段； ( 4 ) 测控装置用于对工作站点的监测和控制，固定于相应的工作站点，把监 北京工业丈学】学礤l ：学位论文 i i 测数据直接传到工控机中或以网络一无线方式传到网络中。它实现监测数据的网络 化传输，为监控提供量化指标依据，同时这个测控装置还有定的控制能力，以 实现紧急情况的应急处理。每个装置自成体系，多个测控装置有序地分布在相应 的工作站上，形成分布式网络一无线测控系统； ( 5 ) 数据库管理系统( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，d b m s )分布式数据库 系统，可以采用o r a c l e 或s q ls e r v e r 等数据库，它挂在一台或多台服务器上， 可形成专用数据库，它是网络化制造系统的“大脑”，完成历史数据的存储及查询 等操作； ( 6 ) 软环境a ) 打印、数控代码和文件网络化传输、数据库存取、信息及资 源共享、多客户设备远程操作，这些是分布式网络化制造的本质要求。b ) 网络讨 论，如实现设计人员的方案论证、技术人员的技术探讨、专家会诊等。c ) 网络信 息安全，以及其它的辅助功能。 图2 - 2i n t r a n e t 中的监控系统框图 f i g2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ll i n gs y s t e m i ni n t r a n e t 图2 2 采用客户机服务器( c s ) 模式网络拓扑结构，这种结构将数据存取 和应用程序分离，由数据服务器执行数据操作，客户机来执行应用程序，用户在 客户端通过网络同服务器打交道，客户端包括用户界面和企业逻辑，网络上传送 第2 苹分布式网络化制造系统监控方案 的数据主要是客户端向服务器发出的请求以及服务器发给客户端的响应结果和出 错信息。c s 可以显著地减少局域网传输量、降低了对数据控制的难度，提供了多 用户丌发特性，保障了用户投资“”。 2 2 1a g v 搬运系统 考虑到制造现场环境，系统通讯方式采用网络一无线通讯。网络一无线通讯由 台湾研华公司的数据网关a d a m 一4 5 7 0 ( d a t ag a t e w a y ) 和无线m o d e m a d a m 一4 5 5 0 ( r a d i om o d e m ) 模块实现： a d a m 一4 5 7 0 模块和a d a m 一4 5 5 0 模块组成网 络收发单元，每个a g v 控制器各装有一块a d a m 一4 5 5 0 模块完成和上位机的数据交 换。每个a d a m 一4 5 7 0 模块固定i p 地址，a d a m 一4 5 5 0 模块右下角为以十六进制表示 的各自地址。a d a m - 4 5 7 0 模块和a d a m - 4 5 5 0 模块个数可根据实际需要扩展。该系 统结构框架如图2 3 所示。 1 9 2 1 6 8 】7 4 1 7 5 1 9 2 1 6 8 1 7 4 1 0 0 复鱼l a o vb , i 鱼 a o vf , j 区立习一一 图2 - 3a g v 搬运系统框图 f i g ，2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fa g vl o g i s t i c ss y s t e m 在无线通讯方式实现上曾打算用n o r d i c 公司n r f 系列无线射频芯片，虽然它 有成本低、编程简单等优点，也有许多成功的资料 2 9 ，3 0 ，3 1 ，但是它的外围 器件质量要求较高，成品通讯距离较近( 开阔环境下5 0 0 m 左右) 。综合比较多种 器件后，采用a d a m 一4 5 7 0 和a d a m 一4 5 5 0 模块实现无线通讯。采用a d a m 模块尽管成 本高，但是它的性能良好：几乎不要丌发周期，良好的兼容性、稳定性、适应性， 通讯距离也较远( 5 0 0 m 2 0 k m ) ，同时系统很易实现网络一无线方式通讯，a d a m 一4 5 7 0 北京1 业大学7 1 学硕士学位论文 还可以把p c 机串行口个数扩展，拓宽了p c 机串行通信能力。 a g v 搬运系统由多个a g v 构成，每个a g v 都有自己的十六进制地址( o o h f f h ) ， 具有手动和自动两种操作模式，系统可以分别对每个a g v 进行监控。 a g v 控制器的硬件主要构成有：核心控制芯片用a t m e l 公司a t 8 9 c 5 2 ，8 2 5 5 a 、 m a x 2 3 2 c p e 、l m 3 2 4 、l m 7 8 0 5 等辅助芯片，实现数据无线收发的a d a b l 一4 5 5 0 模块， 几种传感器，继电器等。 a g v 部分实物示意如图24 所示。为了便于表述，设