（机械制造及其自动化专业论文）钢铁企业生产线监控管理系统研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 网络化制造是网络技术、信息技术与全球化制造模式相结合的产物，它带来了企业制 造模式与组织模式的创新。钢铁自动化生产线监控管理是钢铁企业网络化制造的重要组成 部分。钢铁自动化生产线作为钢铁生产的重要基础，其设备工艺繁杂、产品品种规格众多， 生产效率和产品质量受到设备稳定性和工艺参数动态调整等因素的直接影响。本文针对钢 铁自动化生产线的监控管理模式展开研究，主要内容如下： 首先，根据控制系统的功能和监控对象类别，建立钢铁企业自动化生产线监控管理系 统的体系结构，主要包括设备监控管理系统、过程监控系统和生产监控管理系统等三部分， 并论述了各部分的功能。在此基础上，从监控管理系统信息交互平台的体系结构、信息交 互平台的信息流、信息集成框架中的网络结构等方面对监控管理系统信息交互平台进行研 究和设计。 其次，提出利用专用装置对生产线进行监控管理的模式。设计专用装置的硬件结构和 软件系统，通过专用装置将生产线上的任务信息、设备信息和工艺信息有机集成，使得各 监测点的信息能够实时传输。 最后，论述生产线设备的实时信息采集，建立设备可靠性概率模型，实现设备的状态 维修。针对某热轧生产线的需求，设计视频监控软件，实现生产的远程监控，并通过专用 装置实现视频信息的交互。 关键词：网络化制造；自动化生产线：专用装置；远程监控 a b s t r a c t n e 铆o r k e dm a l l 证i a c t u r i n gi st h eo u t c o m eo ft h ec o m b i n a t i o no fn e t 、r k t e c l l i l 0 1 0 9 y ， i 1 1 f o r m a t i o nt e c h j l o l o g ya n dg l o b a l i z a t i o nm a n u f i a c 蛐gm o d e ，i tb r i n g s i i u l o v a t i o nt 0t 1 1 e e n t e 印r i s em a i 】l l f a c t u r i n gm o d e la 1 1 do r g 锄i z a t i o n a lm o d e l s t e e la u t o m a t i c p r o d u c t i o n1 i n e m o m t o n n gm 2 u l a g e m e n ti sai m p o r t a n tc o m p o n e n to fs t e e le n t e 印r i s en c t w o r k e dm 咖f a c t u r i n g s t e e la u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n ei sa ni m p o r t a n tb a s i so fs t e e lp r o d u c t i o n ，i t sp r o c e s se 州p m e n t i s m u l t i f 撕o u s ，i t sp r o d u c tv a r i e 哆s p e c i f i c a t i o ni sn u m e r o u s t h ep r o d u c t i o ne 街c i e n c ya n d p r o d u c tq 砌时i sd h c t l y 盛c t e d b yf a c t o r sa se q u i p m e n ts 切b i l i 锣a l l dp r o c e s sp a r a m e t e r s d 舯i ca 哇i u s 乜i ：t e n t t h es t u d i e so nm em o i l i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tm o d eo ft 1 1 es t e e la u t o m a t i c p r o d u c t i o nl i l l ea r ea sf o l l o w s ： f i r s u y ，a c c o r d i n gt om em n c t i o no fc o n 缸0 is y s t e ma 1 1 dc a t e g o r yo fm o i l i t o r i l l go b je c t s ， e s 切b l i s hs t e e le n t e 叩r i s ea u t o m a t i o np r o d u c t i o nl i n em o n i t o r i n gm a i l a g e m e ms y s t e ms 臼m c t u r e ， i i l c l u d et 1 1 r e ep a r t sa se q u i p m e n tm o i l i t o r i n ga n dm a l l a g e m e n ts y s t e m ，p r o c e s sc o r l 仃o ls y s t e m ， p r o d u c t i o nm a i l a g e m e mc o n t r 0 1s y s t e m ，a n dd i s c u s s e sm e 丘m c t i o no fe a c hp a r t a c c o r d i n gt o 让l e s t u d i e sa b o v e ，r e s e a r c ha n dd e s i g nn l em o l l i t o rm a l l a g e m e n ts y s t e mi i l f o n l l a t i o ni n t e r a c t i v e p l a t f o n l li nt 1 1 em o i l i t o r i n gi n f o 彻a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，t l l es y s t e ms 臼m c t u r eo fi n t e r a c t i v e p l a t f - o h i l ，i b m l a t i o na l sm ei n t e r a 【c t i v ep l a t f b m lm f o n n a t i o nn o w ，m ei 1 1 f 0 m l a t i o ni n t e 擎a t i o n 丘锄e w o r ko fn e t v v o r ks t m c t u r e ，e t c s e c o n d l y ，也em o d e lo fa u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n em o 血o r i n ga n dm a i l a g e m e n tb a l s e do n s p e c i a ld e v i c ew a sp r o p o s e d t h eh a r d w 2 u r ec o n f i g u r a t i o na i l ds o f t w a r es y s t e m so ft h es p e c i a l d e v i c eh a db e e nd e s i g n e d t h em o i l i t o r i i l go fi o m a t i o nc a nb e 缸a 1 1 s m i n e di 1 1r e a lt i m eb yt h e s p e c i a ld e v i c ew h e r em et a s ki i l f o m a t i o n ，p r o d u c t i o ni i l f o n 】：1 a t i o n 锄dd e v i c ei 1 1 f o n 】a a l i o nw i l lb e i n t e 铲a t e do 娼a 1 1 i c a l l y f i i l a l l y ，d e s c r i b em ed a t ai i l f 0 加：l a t i o n c o l l e c t i o no fp r o d u c tl i l l e e q u i p m e n t ，e s t a b i i s h e q u i p m e n tr e l i a b i l i t yp r o b a b i l i t ) ，m o d e la n dr e a l i z e t i l e e q u i p m e n tm a i n t e n a i l c eo fs t a t e a c c o r d i l l gt o 也ep r o d u c ts t a ：t u so f ah o t r o l l e dp r o d u c tl m e ，d e s i g nav i d e os u r v e i l l a n c es o f t w a r e w i l i c hc a i la c m e v e sr e m o t em o i l i t o r i n g ，a n di i l f o m a t i o ni n t e r a c t i o n 也r o u g has p e c i a ld e v i c e k e yw o r d s ：n e t w o r k e dm a l l 洲n g ；a u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e s ；s p e c i a l ld e v i c e s ；i b m o t e m o n i t o r i n g 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题背景 第一章绪论 根据相关部门的统计报道，我国钢铁业2 0 1 1 年钢材进口量1 5 5 8 0 1 万吨，同比下降 5 1 7 ：钢坯进口量6 3 5 9 万吨，同比下降0 1 5 ；进口钢材、钢坯折合粗钢进口量1 7 2 1 0 5 万吨。与此同时，出口钢材4 8 8 8 1 0 万吨，同比增长1 4 8 6 ；出口钢坯0 4 9 万吨，同比增 长9 6 5 2 ；出口钢材、钢坯折合粗钢出口量5 2 0 0 6 0 万吨。全年净出口粗钢3 4 7 9 5 5 万吨， 粗钢净出口量占全国粗钢产量的5 0 9 。 2 0 1 1 年，我国钢材进口额2 1 5 7 6 亿美元，同比增长7 2 8 ；钢材出口5 1 2 6 6 亿美元， 同比增长3 9 2 4 ，实现钢材贸易顺差2 9 6 9 亿美元。进口钢材均价为1 3 8 4 8 4 美元吨，同 比上涨1 3 1 3 ；出口钢材均价1 0 4 8 8 美元吨，同比上涨2 1 2 2 。进口钢材均价高于出口 钢材3 3 6 0 4 美元吨，表明我国进口钢材的品种和质量总体水平平均高于出口钢材【l 】。 根据以上报道可以看出虽然当前我国的钢铁行业发展较好，并且具有良好的竞争力， 但是在高质量钢材方面，依然需要大量的依赖国外进口，因此对我国钢铁企业的生产管理 优化仍需继续。 由于我国的钢铁企业起步晚，建国之后才大规模的对钢铁工厂进行推广，早期使用的 设备都已经陈旧，严重制约了企业的生产效率和生产质量，制约了我国钢铁企业的快速发 展【2 1 。虽然经过国家的政策支持，在近期对钢铁企业的生产设备进行了技术改造，并投入 资金修建新厂，但是我国的钢铁企业整体水平和国际上的先进技术水平还是有着较大的差 距。钢铁企业的管理部门通过对生产过程中的设备信息和产品信息进行实时掌控，并且能 够对出现的问题事故进行及时的解决，可以有效的提升产品的质量【3 】。现代的钢铁企业通 过实现对生产线上的信息进行监控管理可以实现产品质量的提高，增强竞争力。 随着钢铁企业生产线生产效率的不断提高，对生产设备安全、可靠及高效运行提出了 更高的要求，生产线检修手段落后和检修能力不足等问题也逐渐暴露，并越来越成为钢铁 生产安全、可靠及高效运行的瓶颈。对于目前的钢铁企业，虽然已经装备了各种监测装置 来确保设备的正常工作状态，但是这些检测装备只能对已经产生了的异常状态进行报警， 通过人工手段对异常状态进行判断，而不能提前预防。同时，确保生产设备运行安全，相 关工作人员必须定时给设备进行检修，有时会造成不必要的人力物力耗费，而且效率低， 时间长，依靠原有的制造系统终端，越来越难以达到越来越高的信息交互需求。 1 2 课题意义 钢铁企业在自动化生产时，如果能够通过监控管理技术对生产线生产过程中的生产信 息进行实时采集，经过整理和对比判断生产状态，通过对生产指令的控制，调节生产工艺 参数，优化工艺路线，有效提高产品品质。同时，通过对异常状态的判断，并及时维护和 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 修理，可以有效的降低设备故障率，保证生产的稳定运行。 生产线的监控管理通过对监控软件和数据采集装置的综合利用，能够满足生产线实际 工作环境的需要，为了减小钢铁企业在生产线生产过程中的经济负担，增强钢铁企业内部 信息交流与共享能力，提高钢铁企业生产线的监控管理功能、降低成本、提高质量，实现 设备功能集成和信息共享，使工作人员能够快速、全面地了解生产线上的信息，并根据对 实时信息的掌握，实现工艺参数的动态调整和生产的动态调度，该系统在钢铁企业中的运 用可以提升有效产品质量，增加产量，加强我国钢铁行业实力，缩小与国际发达国家之间 的水平差距【4 】。 冶金企业中设备众多，对自动化生产线设备进行监控管理是正常生产的重要保证。网 络化监控管理终端是由运行在网络环境下的一组信息终端、嵌入式软件和管理服务器软件 以及运行于信息终端和服务器的对等网络协议等构成的一个系统。信息终端安装在生产线 的关键设备上，嵌入式软件运行于信息终端上以完成指定的功能。采用高度集成化设计的 信息终端，其具有高可靠性和强抗干扰能力，操作简单便捷，通过利用企业内部网络和互 联网，实现快速音视频信息交互能力，方便了自动化生产线设备的监控管理。该信息终端 除了在冶金行业中推广应用，还可以扩展到其他制造领域，如汽车制造、化工、电力等领 域，其市场容量会越来越大，其经济和社会效益将日益显著。 1 3 研究现状 网络化制造是网络技术、信息技术与全球化制造模式相结合的产物，它带来了企业制 造模式与组织模式的创新。钢铁自动化生产线监控管理是钢铁企业网络化制造的重要组成 部分【5 】o 网络化制造由于其先进性和高实用性在全球迅速兴起和蓬勃发展，国内外对其的研究 热潮持续不断，主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 将网络化技术灵活的应用于企业的内部，实现生产线上生产设备工作信息和设 备功能的集成【6 】。 ( 2 ) 通过对产品的网络化协同功能，这个当前非常活跃的并行工程问题进行开发， 实现对企业产品的开发过程的集成。 ( 3 ) 企业与企业之间的网络化合作和动态联盟。 ( 4 ) 基于网络的供应链问题和后勤问题。 ( 5 ) 将网络化技术应用于企业的经营活动，通过互联网实现企业的电子商务功能。 企业的网络化制造已经在全球范围内吸引了大量关注和高度重视，并引发了对网络化 制造研究的热潮，经过近十几年的积极研究，出现了大量的理论成果和研究成果，并在通 过在企业和机构中的大力推广和应用，涌现出了很多新的成果，包括：计算机集成制造系 统( c m s ) 、敏捷制造( a m ) 、虚拟企业( m l a lc o m p a n y ) 、分布式网络化制造系统( d n m s ) 、 动态联盟( m 融o 唱a i l i z a t i o n ) 、分散网络化制造系统( d n p s ) 和区域性虚拟网络系统 ( r v n s ) 等等【 。本文讨论的生产线监控管理系统就是基于目前网络化制造的快速发展进 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 行研究的。 目前的很多企业采用p c 机作为终端，但是由于钢铁企业生产车间环境恶劣的特点， p c 机有着的易受干扰，稳定性差的缺点，难于推广应用【8 】，因此通过使用网络化制造的思 想，结合网络化技术的多功能性和高灵活性，摒弃传统计算机网络和b l t e m e t 上使用的系 统庞大、操作复杂、价格昂贵、易受电脑病毒侵扰、系统安全性差的各类计算机设备，利 用多种先进现代化技术和装置，对监控管理技术进行研究。为了能够采集和传输生产线数 据，实现对生产线的检测，需要运用控制理论和网络化技术等现代化技术对生产线监控管 理系统进行设计，达到控制生产正常运行，保证产品质量的目的，并运用智能化控制技术， 根据生产线的生产信息，对设备运行状态进行预测，防止事故的发生，保障生产线运行稳 定。 目前的网络监控系统是由早期的集中监控发展而来的，集中监控使用大型仪表来监控 重要设备的运行状态【9 】。由于现代化企业的生产模式多样，有着产品多样化、功能复杂化 的趋势，所运用和产生的数据量急速增长，包括产品设备的物理量、生产工艺数据、制造 加工的特征参数等，想要达到对生产过程中的复杂数据进行实时监测、监控和管理，仅仅 运用过去的面向单一、功能简单、彼此不开放的传统监控系统无法及时有效控制和处理， 无法满足现代化数字生产的需要，制约了企业的发展。 随着现代化的监控管理技术的广泛应用和日益增长的企业生产功能需求，监控管理技 术受到了越来越多的重视，自提出以来就持续快速的发展。早期的远程监控管理技术主要 运用与医疗系统中并已经逐渐完善。机械行业中虽然也大量运用了监控管理系统，但是仍 然发展缓慢，其应用经过了多个阶段【1 0 】。 最初的是利用单台计算机的单机监控管理系统。 其后，在1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司推出了第一套集散控制系统( d i g t r i b u t e dc o n 的l s y s t e m s ，d c s ) ，也称为分布式计算机控制系统( d i g t r i b u t e dc o i n p u t e rc o n 们ls y s t e m s ) ，其 使用微处理器，让监控装置能够和上层计算机连接，彼此之间又互相独立、不做联系，实 现了企业对产品生产过程的集中监视和分散控制【1 1 】。代表产品有f o x b o r 0 的i as 耐e s ： h o n e ”e l l 公司的t d c 3 0 0 0 l c n ；日本y o k o g a w a 公司的c 咖一) 口l b a i l e y 公司的 吓i - 9 0 ；w e s t i i 翊o u s e 公司的w d p f i i ；等。我国自主研发的集散控制系统装置有浙 大中控的j ) | ，- 3 0 0 x ，清华大学的d c s 1 0 0 、上海自动化所的d 一2 0 0 0 等 1 0 1 。 远程监控系统是最新的监控管理技术【1 2 】。该技术通过对网络技术的应用，根据生产现 场的不同可以大致分为两种： 第一种是没有生产现场的生产监控系统，远程计算机通过网络获取采集装置的数据； 另一种是拥有现场监控的远程监控系统。通过现场总线技术的使用，利用信息采集装 置对生产现场的生产信息进行采集和整理，并运用局域网连接形成的企业内部网，将生产 信息传递到监控系统中。通过对企业内部网的运用，充分利用网络技术的高实时和易交互 特点，使现场的数据采集装置在生产线上采集的实时生产信息能够快速的传递到远程终 端，并彼此共享，远程监控人员和维护专家根据对生产信息进行分析和处理后，判断设备 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 的运行状态，对故障的类型和程度进行判断并提出维护方案，输入生产管理指令并下发， 指令通过网络也可以快速传递到生产现场，对现场生产进行反馈，指导现场工作人员进行 操作，实现了监控和管理的集成。远程操作人员也可以通过系统的操作对现场设备进行监 控，以方便维护设备的正常运营，为企业节省维护资本【1 3 】。 由于注意到了远程监控系统的高实用价值和多发展空间，全世界范围内都在对其进行 积极研究。早在上世纪九十年代末期，s t a i l f o r d 大学和m i t 就联合举办了会议对远程监控系 统在互联网上的应用进行了讨论，并对远程监控的体系、规程、协议进行了讨论和展望。 另外，许多国际组织，如c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o m t i o na i l de n g i i l e e r i n g m a l l a g e m e n t ) 、m i m o s a ( m a c h i l l e 巧i n f o n n a t i o nm a n a g e m e mo p e ns y s t e m 舢l i a n c e ) 、 s m f p t ( s o c i e t yf o rm a c l l i l l e 巧f a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 等，也通过对网络技术的应 用，实行了生产的远程故障诊断和监控f 1 4 】。n a t i o m li i l s 饥吼e n t s 公司利用网络化通讯技术实 现多传递方式的监控数据传送，将此技术应用于l a bw i n d o w s c v i 以及l a b v i e w 中； a l 删研究组研究并应用了对生产线上的生产状态监控，通过智能装置对获取数据的收 集与诊断，能够对发生的事故进行警报。 同时国内的很多大学和研究机构也对远程监控系统展开了研究并且投入到了实际生 产应用中。例如同济大学的远程服务系统；华中科技大学的汽轮机工况检测；广西大学的 机车运行状态远程监控【1 5 1 ；西安交通大学针对大型旋转机械计算机的监控；哈工大设计的 微计算机监控系统等，这些研究都显示了我国对前沿技术的掌握和探索，以及获得的成果。 1 4 研究内容和思路 本文根据钢铁企业自动化生产线，研究网络化制造系统中所应用的一种创新的软硬件 一体化信息交互终端，将音视频和多种数据通过对等网络技术传递交互，实现实时在线、 远程交互、信息共享、远程诊断。利用广域网或局域网的网络化制造特色功能，如实时交 互车间层和设备层信息与上层的高效交互装置。并用于在企业内部搭建统一的交互式通信 和管理平台，实现实时在线的交互式跨地域通信、远程会议、车间调度、任务管理、数据 收集、部门协作、车间监控等。本文将分为多个层次进行研究。 首先根据对国内钢铁企业生产状态进行的调查，记录生产过程中存在的常见问题并进 行分析，分析国内外研究状态，了解目前的前沿内容，分析研究现状和目前形势，探讨自 动化生产线监控管理的现实意义。 然后通过分析自动化生产线监控体系结构，并且根据该结构和生产线工作环境的需要 提出生产线监控管理模式，并在此基础上对监控管理交互平台进行研究。 设计专用装置将应用技术具体实现并投入生产实践中，对其功能进行探讨，通过对专 用装置的使用，实现对企业生产线信息采集和状态监控，通过企业网络和互联网，使远程 人员获得实时信息，判断问题原因，提出解决方法并对工作人员进行指导。 最后针对某企业生产线上的生产信息监控，通过专有装置对生产信息的采集和处理， 判断其生产状态的稳定性可行性，实现对生产线的设备生产信息监控。并根据生产线上的 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 具体要求和实际需要开发相关应用软件并验证功能，对应用与专用装置的嵌入式视频软件 进行设计和分析。 1 5 本章小结 首先阐述了制造业的目前状况，通过对国内外制造环境的分析，探讨我国钢铁企业的 发展趋势，说明对钢铁企业实行生产线监控管理的重要性，然后对本文研究的目标和内容 进行概述，最后对网络化生产监控模式具体操作实行的方法思路进行介绍，简单阐述了研 究思路。 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 第二章钢铁自动化生产线监控管理系统及其信息平台 随着钢铁企业生产线生产效率的不断提高，对生产设备安全、可靠及高效运行提出了 更高的要求，生产线检修手段落后和检修能力不足等问题也逐渐暴露，并越来越成为钢铁 生产安全、可靠及高效运行的瓶颈。对于目前的钢铁企业，虽然已经装备了各种监测装置 来确保设备的正常工作状态，但是这些检测装备只能对已经产生了的异常状态进行报警， 通过人工手段对异常状态进行判断，而不能提前预防。同时为了确保生产设备运行安全， 相关工作人员必须定时给设备进行检修，有时会造成不必要的人力物力耗费，而且效率低， 时间长，依靠原有的制造系统终端，越来越难以达到越来越高的信息交互需求。 在现有工厂车间环境中，易受干扰、操作困难、成本高等是现有p c 机为终端信息交 互设备存在的通病。因此提出钢铁自动化生产线监控体系结构，将本结构应用于实际企业 生产线并观察生产线工况，然后讨论生产线的监控管理模式。通过监控数据及视频对生产 线上产品、设备进行监控、故障诊断及维护，保证生产安全，缩短设备维修时间，减少设 备维护支出及停产造成的损失。 2 1 生产线监控管理系统 生产线是钢铁企业的重要组成部分，其设备工艺繁杂、产品品种规格众多，生产节奏 快且衔接紧凑，一旦出现故障容易迅速扩大造成严重后果，不但会降低到产品质量和工作 效率，影响企业的正常生产行为，更有可能造成生产线秩序混乱，甚至引发事故威胁工人 的操作安全，中断生产导致经济损失，因此对自动化生产线进行实行监控是很有必要的【1 6 】。 通过分析自动化生产线监控体系结构，并且根据该结构和生产线工作环境的需要对监 控体系结构进行划分来进行研究。图2 1 为其监控体系结构图。 钢铁自动化生产线监控系统 vt， 生产任务 工艺要求 生产监控管理系统 质量要求 过程监控系统 生产指令 设备监控管理系统 库存管理质量设计轧制策略车l 件跟踪设备状态检测 协调工序制定计划 模型设定自适应计算 。殳备状态信启 设备维修管理 生产实绩 实时上艺参朔 质量信息 产品信息 收集生产实绩质量管理轧机控制实用工具 故障管理 十十千 网络数据库、现场总线、p l c 图2 1 监控体系结构图 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 ( 1 ) 设备监控管理系统 设备监控管理系统通过采集设备的实时信息来进行基于状态的设备维修，将数据检测 和自动化结合起来，实现设备的监管一体化。本部分主要可分为对生产状态的检测和对设 备的维修管理。 通过对实时状态信息的监控，将调整的生产计划和工艺指令发送给生产过程监控系 统，使工艺参数的及时调整，实现设备状态实时控制，确定维修计划，对生产工艺和生产 计划进行制定，利用智能化仪表信息的实时掌握，并对设备进行动态维护管理，预防故障 发生。 ( 2 ) 过程监控系统 过程监控系统通过将数学模型和智能控制结合对生产线设备运行进行控制，保证产品 质量和设备的正常状态。可以根据系统的功能和对象不同，分为多个子系统。 设备监控管理系统接收到了生产线设备的实时数据后会将其传送到过程监控系统的 数据通讯子系统；数据通讯子系统能够对接收到的数据进行识别和检验，并将过程监控系 统对数据处理分析后设定的新指令传送到设备监控管理系统，进行生产控制；轧件跟踪子 系统用于对轧件的跟踪，判断实际位置并保存，能够根据工艺要求进行自动控制；过程监 控子系统能够将上级系统接收到的实时生产数据通过画面显示出来，以供操作人员观看， 并能够对系统检测到的设备故障进行诊断和存放。 ( 3 ) 生产监控管理系统 生产监控管理系统通过掌控的实时生产信息辅助生产动态调度，按照其管理范围分为 生产任务管理、技术信息管理和质量管理。 生产任务管理系统接收上级系统下发的任务订单和产品工艺要求，制定生产计划，确 定工艺流程，对生产线进行质量管理。技术信息管理系统的任务是对生产计划和生产控制 系统的信息进行收集和整理，通过对这些数据的分析处理，制定生产线的工作数据，实现 对工艺的优化，并对各类数据进行存储为今后对比使用。上级管理系统将实时生产数据传 输给质量管理系统，通过质量管理系统对生产数据和技术标准的对比、判定产品质量并返 回结果，将调整的生产指令送回现场，控制产品质量。 根据上面的生产线监控管理系统的划分，系统的流程如图2 2 所示。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 2 系统流程图 2 2 监控管理系统信息交互平台的研究 ( 1 ) 监控管理系统信息交互平台的体系结构 监控管理系统信息交互平台能够覆盖企业的生产、服务、管理等环节，通过网络技术 等多种现代技术对企业制造过程的实时信息交互，使各设备和系统间信息共享，同时可以 对制造设备的性能进行监控，实现企业、客户、供应商的整体集成。监控管理系统信息交 互平台需要将制造设备和上级系统连接，制造设备之间互相连接，设备层和应用系统实时 信息交互，对设备优化管理和利用。 如图2 3 为监控管理系统信息交互平台的体系结构。 _ | | 一7 。o 差层砬角系统：i 鬟鬻。攀ij 。 j j ；一爹。? 摹。攀j 。 二鎏至1 雹一 监控管理系统信息交互平台 图2 3 监控管理系统信息交互平台的体系结构 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 监控管理系统信息交互平台的功能主要包括于系统两大模块中，为了实现这两个模块 的功能，还需要使用现代化工具，如即插即用和服务查找技术、数据和信息转换工具和设 备联网软硬件工具等。 ( 2 ) 信息交互平台的信息流 监控管理系统信息交互平台通过提高各生产部门之间的协作，将物质、资金、信息统 一，增加企业职能部门的横向沟通，提高响应速度，增强生产柔性【l 7 1 。 监控管理系统信息交互平台有效的改善企业生产业务环节，节约信息交流浪费的时间 和费用，提高信息交互效率，形成完整的信息流闭环过程。 监控管理系统信息交互平台的主要作用为控制产品的制造，并对其生产信息进行监 控。对信息的合理划分能够加强企业部门间的信息集成共享，方便对产品数据和信息进行 统计分析，为生产的效率质量比较提供依据。 ( 3 ) 信息集成框架中的网络结构 传统的控制系统通常将以太网应用于上层管理系统和制造执行子系统间，设备通过专 用软件进行控制，其低开放度严重影响了信息的集成交互和系统的维护管理。制造企业生 产线上的相关人员需要对企业的实时生产信息、监控信息全部了解，这需要一个统一的对 信息集成的网络平台的支持。监控管理系统的网络结构是其交互平台信息集成的基础，其 开放性、标准化、多功能集成的特点能够充分利用先进的计算机技术，提高系统灵活性， 有效节约企业维护和运行成本【l 引。 数控系统 分散式i 0 图2 4 信息集成网络结构 监控管理系统信息交互平台中信息集成框架如图2 4 所示， 与现场设备之间采用现场总线，剩余的位置都采用以太网。 p l c 系统 除了少量的现场控制系统 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 2 3 监控管理系统信息交互平台的实现 2 3 1 信息交互平台的设计 由于现有的数控集成与普通加工设备大都是独立运行的，其生产信息无法有效与外部 交流，企业无法通过连接网络，及时接收市场讯息并按照市场变化对生产进行管理协调， 降低了企业的竞争力 1 9 】。 目前很多企业监控管理活动采用p c 机对其进行的支持【2 0 1 ，但是钢铁企业生产车间环 境恶劣且易收病毒攻击，p c 机有易受干扰，稳定性差的缺点，其稳定性和抗干扰行难于满 足要求，同时其体积大价格高，且不具备某些必须功能，p c 机也无法满足信息交互平台对 设备控制的实时性要求。因此，为了能够实现对生产线生产过程的实时监测管理，和对生 产数据进行采集和交互，控制生产正常运行，保证产品质量，需要开发出一种新的并能够 良好的应用的信息交互终端。 监控管理系统信息终端可以解决当前终端的问题，作为监控管理系统信息交互平台的 硬件部分，它可以有效的增加生产设备和系统间的信息交互能力【2 l 】，增强制造功能，降低 生产成本。该终端能够在企业内部网中将设备集成，实现工厂运行监控。 现场设备通过企业内部网与企业信息系统集成，通过互联网实现远程故障诊断、控制 和管理，从而达到设备和上层管理系统间的对等交互。通过互联网和企业内部网的支持构 成站点，监控管理系统可以集成生产线车间的制造信息和企业应用，成为网络化分布式数 字制造系统。 当企业或现场人力不足时，可以通过网络对当现场出现的较复杂问题进行诊断，并邀 请更多专家进行协助，获取更多的故障处理意见，拓展设备诊断的范围和资源，提高系统 故障诊断的效率和准确性。 企业中的监控管理设备通过集成多种现代化技术和信息交互终端的应用，可以有效的 解决企业信息集成，方便制造车间和设计层之间的交互，促进产品的数字化设计，提高企 业生产制造的响应速度，改变车间生产环境，提升企业综合竞争力【2 2 1 。 ( 1 ) 与信息终端连接的现场设备可以对相关人员提供多种生产实时信息，并且拥有 人机交互能力，能够在数据库中对车间的生产状况和数据进行保存，并以供日后查看和调 用，通过的生产数据进行统计，能够有效的对生产状态进行判断，方便对生产调度，改善 质量。 ( 2 ) 管理人员能够在联网的终端上对生产过程实时远程监控，通过对等网络观察现 场生产信息，并通过网络信息共享，将生产活动信息传送到e i 心中，使c a d c m 和e i 冲 计划系统间的集成加强，同时可以加强多企业间的车间协同管理和控制，节约资源提升效 率。用户可以通过开放性技术实现用户化功能特征，使系统按用户的需求进行集成，拓展 功能。 ( 3 ) 当检测装置发现机床故障或者判断机床可能故障时，通过e m a i l 对相关人员传送 信息，进行警报并告知状态，能够对设备的维修提出指导和建议，从而使设备更快速的修 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 复，缩短停机时间，减少企业损失。 ( 4 ) 将企业制造车间设备层的所有设备作为组成动态的网络化制造系统的部分，实 现制造系统的可重配。 本信息交互终端还需要相关软件和技术的支持来完成其多样化的功能，达到设计要 求，实现对生产的监控管理，改善生产环境，实现企业间的连接共享，充分利用企业资源， 提高效率【2 引。 2 3 2 信息交互平台的技术支持 生产线监控管理系统的开发涉及开发多功能的信息交互终端平台，构建网络协议，设 计嵌入式软件和服务器软件等。 ( 1 ) 多功能信息交互终端平台 对监控管理系统信息交互终端平台的开发包括了硬件和软件部分。其中硬件部分开发 的内容为：c p u 与相关部件的高速电路集成技术；硬件在车间环境下的抗干扰性研究；终 端的人机工程设计。软件部件开发包括了操作系统的设计、人机界面的开发和设备驱动程 序的设计。 ( 2 ) 网络协议 本监控管理系统具有音视频快速信息交互能力，并且在每一工位上都安装有信息终端 进行交互。若采用常规的网络架构，势必造成服务器堵塞，整个系统无法正常运行，因此 我们采用先进的对等网络技术来解决这一问题，所涉及的研究内容包括：对等网络基础协 议的开发等。 ( 3 ) 嵌入式软件 本监控管理系统的信息交互终端嵌入不同的专用软件，就形成生产线的不同的网络化 监控管理功能。针对当前网络化制造的急需，本项目将研制以下两个嵌入式软件： 1 ) 企业中上层与设备层的信息交互软件，以支持企业对自动化生产线的网络化任务 下达，图纸下达、网络化监视与控制以及装备工作数据采集及上传等。 2 ) 设各资源的跨企业共享支持软件，以支撑虚拟企业、企业集团、企业联盟实现装 备的远程管理和监控。 ( 4 ) 服务器应用软件 本监控管理系统可采用b s 架构形式访问服务器，因此，很容易的实现与基于b s 架 构的管理信息系统和设计系统的集成。同时，为有效的实现对等网络技术，提高通信速度， 以及管理本装置的信息终端使用的合法性【2 4 】，研制相应的服务器端应用软件：开发通信流 量均衡软件、信息终端、及时消息软件和用户认证软件。 2 4 本章小结 本章首先对监控管理系统进行划分，从其划分的三部分对监控管理平台的实现进行研 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 究，通过监控管理系统信息交互平台来实现监控管理的目标，强化上层应用系统与设备层 制造信息间的连接和信息共享，促进企业信息的无缝连接。分析了监控管理信息交互平台 的结构、功能和技术工具，针对企业内部和企业间的状况研究监控管理系统信息交互平台 的框架和网络结构。分析了信息交互平台的信息交互模式，对实现信息交互平台的设计和 技术支持进行了探讨。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 第三章基于专用装置的钢铁企业自动化生产线监控管理模式 在当前的钢铁企业生产线上，迫切需要更方便实用的网络化监控管理装置。根据上章 提出的监控体系结构，论述了基于该结构和实际企业生产线工况的生产线监控管理模式。 依照监控管理系统信息交互平台的设计，使用专用装置对钢铁生产线进行监控和网络化管 理。专用装置通过与钢铁企业内部网络结合，实现对生产线信息的采集和控制，使资源得 到合理配置，从而提高企业的生产效率。通过监控数据及视频对生产线上产品、设备进行 监控、故障诊断及维护，保证生产安全，缩短设备维修时间，减少设备维护支出及停产造 成的损失。 监控管理系统是软件和设备的综合应用，根据监控体系结构和生产线实际工作环境的 需要，对专用装置进行设计，将其应用于钢铁企业生产线，能够减小钢铁企业在生产线生 产过程中的经济负担，增强钢铁企业内部信息交流与共享能力，提高钢铁企业生产线的监 控管理功能、降低成本、提高质量的设计目的。远程的操作员可以通过网络技术，使用专 用装置对现场的生产状态进行监控和管理，通过监控管理技术对生产线生产过程中的生产 信息采集，快速掌握生产线上的信息动态，经过整理和对比后判断生产状态，通过对生产 指令的控制，调节生产工艺参数，优化工艺路线，及时的对工艺参数进行动态调整，可以 有效的对产品品质进行提高。 3 1 钢铁自动化生产线监控管理系统专用装置 为了减小钢铁企业在生产线生产过程中的经济负担，增强钢铁企业内部信息交流与共 享能力，提高钢铁企业生产线的监控管理功能、降低成本、提高质量，研究提供了一种用 于钢铁企业生产线上的网络化监控管理装置。 3 1 1 专用装置硬件结构 根据监控管理体系结构和工作环境的需要，对专用装置的硬件结构进行设计，包括装 置的外部配件和内部的嵌入式系统一体化装置。利用主控制板完成信息的处理、显示和交 互等功能。 图3 1 为其硬件模块图。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 l c 。hl c 。控制器l 仁二 牟= 纠s 。r a m l 触摸屏h 鐾蔷嚣目g 刮溉d 黜 摄像头 i 聱嘉篓瞀 a u12 5 0 i 存储器hu s b 接口旧剖以太网接口 l 扬声器卜_ 一舢p 谈u np 剖r s 4 8 s 接口 黑兰目存鼢旧 辱= 纠r s 2 3 2 接口 s d 插槽h “ l 。 图3 1 专用装置硬件模块图 主控制板包括中央处理器，与中央处理器电连接的f 1 a s h s d r a m 存储器、时钟电源 电路、键盘触摸屏电路、l c d 电路、音视频输入输出电路，所述中央处理器还与r s 4 8 5 总线接口、e m e m e t 总线接口连接，c p u 处理器还与通用输入输出接口、l c d 背光逆变器 连接。该专用装置高度化集成，小巧易操作抗干扰，信息交互处理速度快。 ( 1 ) 中央处理器模块，是整个网络化监控管理装置的核心部分，采用i m 公司的 a u l 2 5 0 ( 主频为5 0 0 z ) 为核心进行设计。它通过解释指令、传输数据、控制其他硬件， 完成操作程序、处理消息指令和通讯协议以及其它控制。 ( 2 ) 存储器模块，它与中央处理器相连，能够存储系统应用所需要的软件和生产线 上的数据，采用了n o rf l a s h 和n a n df 1 a s h 混合设计的方案【2 5 1 。 ( 3 ) 存储扩展接口，与c p u 相连，用于扩展存储设备，包括s d 卡插槽。 ( 4 ) 数字模拟i o 接口，通过对外部采集信号和控制信号的转换实现对连接设备的数 据采集和远程监控。6 个数字输入和4 个数字输出；4 个模拟输入( 0 1 0 v d c ，1 2 位精度) 。 ( 5 ) 以太网接口，提供连接到各种网络的以太网接口，可用于连接底层提供以太网 接口的设备或者制造企业局域网和广域网【2 6 1 。 ( 6 ) u s b 接口，设计了一个主接口用于外接设备，一个设备接口用于p c 机主机等。 ( 7 ) r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 接口，生产线上的设备大都带有r s 2 3 2 、r s 4 2 2 瓜s 4 8 5 ，利用通讯 软件可实现多个设备的联网运行，此外可以根据需求扩展串口( 最多至1 2 8 口) 。 ( 8 ) l c d 显示模块，显示部分采用了工业级t f t3 2 位彩色l c d ，是用户与终端进 行交互的输出单元。通过此模块既可以实现各种数据信息的输入和输出，也可通过中央处 理器内置的媒体加速器实现视频硬解码。 ( 9 ) 触摸屏输入模块，操作人员可以通过该模块输入文字和控制指令。 ( 1 0 ) 语音输入输出模块，包括内置扬声器和麦克风、音频编解码单元，利用a c 9 7 控制器，通过p s c 支持a c 9 7 协议，支持多达4 个音频解码器【2 饥。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 3 1 2 专用装置软件结构 专用装置作为控制系统信息集成和交互的中心，能够对生产中的实时信息和人员物资 信息进行监控，利用企业生产线上的监视装置和信息交互平台，实现信息交互，使监控管 理装置能够将实时采集的数据进行传递，监控设备状态并存储【：刀。 对远程数据的采集与控制是由与监控管理装置相连的传感器和各种输入设备来收集 生产线的信息，再根据预先设定的程序，在网上远程控制生产线的一些设备自动完成某些 操作。 文字信息的输入由文字输入设备来完成，l c d 显示器用来完成文字和视频信号的显 示，视频信号的采集则是由c c d 视频输入设备来完成的，通过音频设备采集音频并传输。 由一体化集成的硬、软件系统构成的监控管理装置可以实现生产线长期处于工作状态 甚至可以直接用于企业生产线的数据和音频视频等信息的采集、传递与监控，能够强化企 业信息交互。 该装置可以适应生产线恶劣工作环境。图3 2 为软件系统方案。 应用程序