（机械电子工程专业论文）车间数字设备集成控制系统的构建与实验.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 车间作为制造企业的物化中心，它不仅是制造计划的具体执行者，也是制 造信息的反馈者，更是大量制造实时信息的集散地；车间层的资源管理、物流 控制和信息集成是企业生产系统中的重要一环。目前，国内制造企业的车间存 在着许多异构数字设备，这些设备不能直接实现集成控制，无法实现与企业管 理信息系统的直接连通，造成现场信息的浪费，导致制造信息化产生瓶颈。因 此，如何实现车间数字设备的集成控制，综合利用和发挥它们的优势，是目前 许多制造企业所面临的技术难题和生产实际的急需。本文针对目前制造企业车 间数字设备集成控制存在的具体技术问题，对车间数字设备集成控制系统的构 建及控制功能的实现进行研究。 本文在研究车间数字设备集成控制系统在工厂自动化系统中的位置与作用 的基础上，分析了车间数字设备集成控制系统的功能需求，构建了车间数字设 备集成控制系统的体系结构；针对车间数字设备集成控制的具体技术要求，设 计了车间数字设备集成控制系统的硬件结构，并进行组网实验研究；通过对车 间数字设备接口进行分类，构建了一个车间数字设备的典型系统；经过比较分 析常用的工控组态软件，选取了合适的组态软件构建集成控制系统的软件平台； 初步确定了控制信息的提取及传输的方案；以三菱数控设备e 6 0 为例详述了单 台设备的组态过程，并提出了车间数字设备集成控制系统的软件组态实现方案； 构建了车间数字设备集成控制系统模拟实验平台，并进行了相关的实验研究， 实验结果说明了所建立的车间集成控制系统的结构的合理性和控制方案的可行 性。 关键词：车间数字设备，集成控制系统，工业以太网，组态，系统集成 武汉理工大学硕士学位论文 w o r k s h o pa st h em a t e r i a l i z a t i o nc e n t e ro fam a n u f a c t u r a le n t e r p r i s e , i ti sn o t o n l yc r e a t i n gas p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no fm a n u f a c t u r a lp l a nb u ta l s oc r e a t i n ga f e e d b a c ko fm a n u f a c t u r a li n f o r m a t i o n i ti st h ed i s t r i b u t i n gc e n t e ro fag r e a td e a lo f r e a l - t i m ei n f o r m a t i o na b o u tm a n u f a c t u r a l r e s o u r c e sm a n a g e m e n t , l o g i s t i c sc o n t r o l a n di n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no fs h o pf l o o ri sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ee n t e r p r i s e m a n u f a c t u r es y s t e m a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n yk i n d so fe q u i p m e n t si nt h ew 幽h o p o fm a n u f a c t u r ee n t e r p r i s ei nc h i n a , t h e s ee q u i p m e n t sc a n n o tr e a l i z et h ei n t e g r a t e d c o n t r o ld i r e c t l y , n o tt or e a l i z cc o n n e c t i o nd i r e e d yb e t w e e n w o r k s h o pa n de n t e r p r i s e m a n a g e m e n ti n f o 咖a f i o ns y s t e m ，w h i c hm a k c st h ew a s t eo ff i e l di n f o r m a t i o n ，c 磕u s e s t h eb o t t l e n e c ko fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e si n f o r m a t i o n - b a s e d t h ed e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s i n f o r m a t i o n b a s e dn e e d sp 删u c t i 衄d a t ao ff i e l da s n e c e s s a r ya n db a s i ci n f o r m a t i o ns o u r c e s t h e r e f o r e , i ti sc u r r e n t l yf a c i n gm a n y m a n u f a c t u r i n gk e yt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m sa n dt h eu r g e n tn e e df o rp r a c t i c a l p r o d u c t i o n t h a th o wt or e a l i z ei n t e g r a t e dc o n t r o lo ft h ed i g i t a l e q u i p m e n t so f w o r k s h o p ，s y n t h e s i se x e r ta n du s et h e i rs t r e n g t h s hv i e wo ft h ec o n c r e t et e c h n i c a l q u e s t i o n se x i s t i n gi n t h ei n t e g r a t e dc o n t r o lo ft h ea c t u a l e n t e r p r i s e , p r o p o s e d “e s t a b f i s h m e n to fi n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo fw o r k s h o pd i g i t a le q u i p m e n ta n d i m p l e m e n to fc o n t r o lf u n c t i o n ” b a s e do nt h es t u d yo ft h ep o s i t i o na n dr o l et h a ti n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo f w o r k s h o pd l g i t a le q u i p m e n ti nf a c t o r ya u t o m a t i o n , t h i st h e s i sh a sa n a l y s e dt h e f u n c t i o nr e q u i r e m e n to fi n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo f w o r k s h o pd i g i t a le q u i p m e n t ，h a s e s t a b l i s h e ds y s t e ma r c h i t e c t u r eo fi n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo fw o r k s h o pd i 垂t a l e q u i p m e n t hv i e wo ft h es p e c i f i ct e c h n i c a lr e q u i r e m e n to fi n t e g r a t e dc o n t r o lo f w o r k s h o pd i g i t a le q u i p m e n t , h a v ed e s i g nt h eh a r d w a r eo fi n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo f w o r k s h o pd i g i t a 】e q u i p m e n t ，a n dh a v es e tu pn e t w o r ka n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s h a s b u i l tat y p i c a ls y s t e mo fw o r k s h o pd i g i t a le q u i p m e n tb yc l a s s i f i c a t i o no fw o r k s h o p d i g i t a le q u i p m e n ti n t e r f a c e a f t e rc o m p a r e da n da n a l y s e do ft h ec o m m o nc o n t r o l c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，h a ss e l e c t e dt h ea p p r o p r i a t ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et ob u i l da s o f t w a r ep l a t f o r mo fi n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m h a sc o n f i r m e dt h ep r o g r a mo fc o n t r o l i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o na n dt r a n s m i s s i o n m a k et h em i t s u b i s h ie 6 0c n c e q u i p m e n ta s a e x a m p l et oe l a b o r a t et h ep r o c e s so fas i n g l ep i e c eo fe q u i p m e n tc o n f i g u r a t i o na n d u 武汉理工大学硕士学位论文 a d v a n c e dt h ei m p l e m e n t a t i o np r o j e c to fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo f i n t e g r a t e d n t r o l s y s t e mo fw o r k s h o pd i g i t a le q u i p m e n t c o n s t r u c t i o no fs i m u l a t i o n # a t f o l mo f i n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo fw o r k s h o po i # me q u i p m e n t ，a n dp r o g r e s s e dt h er e l e v a n t e x p e r i m e n t s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a ls h o w e dt h a tt h er a t i o n a l i t yo fw o r k s h o p i n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e mt h a th a s 璐t a b l i s h c da n dt h ef e a s i b i l i t yo fc o n t i o ls c h e m e k e y w o r d s ：w o r k s h o pd i g i t a le q u i p m e n t , i n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m , i n d u s t r i a l e t h e m e t , c o n f i g u r a t i o n , s y s t e mi n t e g r a t i o n m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，除了文中特男q 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 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 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。 研究生( 签名) ：掣e l 期：兰叠：尘2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留，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。 i 保密的论文在解密后应遵守此规定) 马 研究生( 签名) ：叠函导师( 签名)期：勘d 6 t 2 口s 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 信息化是当今世界制造业发展的大趋势，是我国制造业实现跨越发展的重 要机遇。随着制造业信息化进程的加快，迫切需要底层车间设备信息来为管理、 决策、控制提供依据。但是由于制造自动化系统中包含了大量的自动化设备， 如数控机床、加工中心、可编程控制器、测量机、运输小车、立体仓库、机器 人、传送带等，这些车间数字设备的硬件来自不同硬件厂商，所以往往在控制 手段、数据采集方式、通信接口及协议等方面存在很大差异，从而造成了车间 数字设备信息采集和集成控制的难度，导致无法实现与企业管理信息系统的信 息直接连通，造成现场信息的浪费。制造企业信息化的发展亟需生产车间数字 设备的数据作为必须和基本的信息源。因此，如何对车间数字设备进行集成控 制，综合发挥和利用它们的信息优势，是目前许多制造企业所面临的技术难题 和生产实际的急需。现场总线技术，尤其是近年来工业以太网技术的发展使这 些变成可能。 1 1 课题研究的目的与意义 本文中所提的离散制造车间数字设备( 文中简称车间数字设备) 专指离散 制造企业使用的具有数字控制功能的设备或仪器，通常包括数控机床、可编程 控制器、工业机器人、三维坐标测量仪、电动执行器、智能仪器仪表等。 现代离散制造企业中的车间数字设备集成控制系统本质上是分布式异构制 造设备构成的系统，要求具有柔性化、敏捷化、智能化的特征，能够满足结构 上的快速重构、性能上的快速响应与分布式的决策，这就必须解决车间异构设 备间的交互与协同，提高车间设备的协作能力。车间生产调度也正在向动态、 敏捷、多资源、智能化的方向发展，迫切需要实时提供车间设备底层的大量基 础信息。 本文以中小型离散制造企业车间设备控制为主体，旨在建立基于工业以太 网的车间设备集成控制系统，从而有利于解决制造车间异构设备间复杂的交互 与协同，提高异构设备自j 的协作能力，实现制造车间管控一体的控制功能。 利用工业以太网对车问设备进行集成控制，在企业信息化体系中实现e 一网 到底，增强车间自治设备间的协商、协调与协作功能，为车间高效的生产管理 与控制提供实施基础。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 车间数字设备集成控制的现状与发展 车间设备包含着许多重要的生产现场信息，这是一种重要的生产资源，整个 生产过程的组织和进行都离不开信息。随着计算机技术、自动化技术和控制技 术的不断发展。在工厂内要将各种设备如传感器、p l c 、加工设备、d c s 等通 过网络连接在一起，进而实现加工制造的自动化。 一般来说，数字设备具有如下特点：( 1 ) 设备按某种特定的应用设计，能 够完成特定任务；( 2 ) 至少包含一个微控制器( 单片机) ，受c p u 的运算速度、 储存器容量和f o 等的限制，难于运行使用复杂的t c p i f 协议；( 3 ) 微控制器 种类繁多，没有统一的软硬件平台；( 4 ) 各类设备有r s 2 3 2 、r s 4 2 2 或r s 4 8 5 接口；( 5 ) 设备接入网络的目的是为了能够对设备信息进行集成以实现远程的 管理、监视、控制。 d n c ( d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 是用一台计算机或网络对多台数字设备综 合控制，完成制造传输、设备状态监控等功能。d n c 是实现机械制造自动化的 较好形式。在d n c 系统中保留原来的各数控机床c n c 系统，并与d n c 系统的 中央计算机组成计算机网络，实现分级控制管理。中央计算机并不取代各数控 机床的插补运算等常规工作，而是主要执行计划调度，数据分配，远程监控等 控制管理功能。 d n c 控制是实现车间数字设备信息集成的一种典型形式。d n c 系统由计算 机进行管理，通过车问网络将数控机床及其它数字设备连接起来，为企业的生 产管理与车间现场的加工控制建立了联系的通道，是自动化车间实现信息集成 和设备集成的有效途径。d n c 的研究开始于2 0 世纪6 0 年代，从直接数控系统 到分布式数控系统，d n c 的发展经历了很大的变化在早期的开发阶段，d n c 系统的含义是直接数字控制，采用一台中央计算机来控制几台仅配置机床控制 器的数控机床，中央计算机负责n c 程序的管理和传送，它解决了早期数控设备 因使用纸带而产生的许多问题。 2 0 世纪7 0 年代以后，由于计算机数控系统( c n c ) 的发展，给d n c 系统 带来新的方向和活力。c n c 系统的硬件电路由小型或者微型计算机加上通用或 者专业的大规模集成电路组成，主要功能几乎全部由系统软件实现，功能强且 具有较高的灵活性。d n c 系统以c n c 机床为主要组成对象，中央计算机主要功 能不仅是负责n c 程序管理和传输，而且还具有机床状态采集和系统监控等功 能。近年来，d n c 系统无论是作为独立的自动化制造模式，还是作为车间层运 行控制模式，都得到了极大的重视和发展。由于计算机网络技术，自动控制技 术的发展以及制造自动化的需要，数控机床等车间底层数字设备的联网运行， 2 武汉理工大学硕士学位论文 及其与上层管理网络的联网要求越来越迫切。用星型、总线型网络或e t h e m e t 将d n c 中央计算机与工厂现场设备连接，构成工厂信息网络集成系统的底层， 这是目前常采用的方法。由此，d n c 系统的内涵和功能也不断得到扩展并发生 变化，发展成为现代的分布式控制。d n c 中央计算机转向以综合管理、集中监 控、计划调度、分配数据等多项功能为主。另外。d n c 中央计算机还是与车间 控制级网络进行信息通讯的节点。并且，随着控制规模的扩大，为保证设备控 制的实时性和系统运行的可靠性，在底层增加了设备层控制装置和接口，构成 一种分布式控制系统。 欧、美、日等国因开展d n c 研究较早，其d n c 系统具有数据传送、数据 采集、工具管理、生产管理、c a d c a p p c a m 接口等全部功能。如美国 c r y s t a c 公司的d n c 系统i “。国内关于d n c 系统的研究始于上世纪7 0 年代 后期，目前已研制的d n c 系统主要有：( 1 ) 数控工段集成管理系统【2 l 【3 】。该系 统由北京机床研究所研制，并在广东轻工业机械集团的数控分厂得到应用。其 特点是研制了数控机床集成器，可实现车间设备的集成控制管理。( 2 ) 国家 c i m s 但r c 的d n c 系统翻h 。该系统由清华大学与北京机床研究所合作研制， 是基于b _ b u s 结构的工作站级控制系统。( 3 ) 国家c i m s 腰r c 与北京第三机 床厂合作开发的d n c 系统1 5 l 。由一台3 8 6 微机控制四台加工中心，它是基于 r s 2 3 2 c 的点对点式d n c 系统。( 4 ) 成都飞机公司的f d n c l 系统1 6 j 。它是由 西北工业大学与成都飞机公司合作开发基于以太网的点对点式d n c 系统。( 5 ) 重庆大学开发的基于c a n 总线和软插件技术的d n c 系统，它采用现场总线网 络实现异构数控设备的集成【7 】嗍1 9 】【1 0 l 。( 6 ) 上海交通大学的基于c o r b a 的 d n c 系统。它建立在车间局域网之上基于软总线技术实现车间设备集成和功能 集成【1 d n c 中应用的通信技术i 拯1 4 l 主要有以下几种：( 1 ) 串行通信方法。利用数 控设备提供的r s 2 3 2 、r s 4 2 2 或r s 4 8 5 接口，采用点对点或星形拓扑结构，实现 串行通信。但这种通信方法存在工控微机多、投入成本高、管理和维护工作量 大和易于出错等缺点。( 2 ) m a p 通信技术。m a p ( m a n u f a c t u f i n ga u t o m a t i o n p r o t o c 0 1 ) 是美国g m 公司发起研究和开发的用于车间环境的通用网络通信标准。在实际开 发上，复杂程度高，开发费用大，老旧设备用此技术实现d n c 几乎不可能。( 3 ) 现场总线技术。目前在d n c 通信中应用的现场总线主要有b i t b u s 、c a n b u s 、 p r o f i b u s 。为解决车间设备的互连问题，重庆大学陶桂宝博士针对数控设备的现 状，研究了基于软插件的车间设备集成系统，此系统采用了c a n 构建现场控制 网络1 4 9 l ；大连理工大学的闫伟国博士研究了d n c 的若干关键技术，提出了局域 网式的d n c 通信结构，将集成d n c 系统模型分为用户层、服务层、代理层、设 3 武汉理工大学硕士学位论文 备层i 卿。荣冈等人【1 5 l 在分析流程工业综合自动化的信息需求和基础数据的获取 与存储方式的基础上，提出了以基础信息模型为核心的统一基础数据基础平台。 北京机床研究所唐华等【1 6 j 采用d n c 网络系统t j c s d n c 进行数控机床的联网，构建 了一个车间生产现场综合数据交换平台，采用r s 2 3 2 4 8 5 、e t h e m e t 联接车间的数 控设备，通过以太网与c a d c a m 、刀具管理系统和生产管理系统联接；j c s d n c 在传统的d n c 通信网络上增加了设备状态采集、车间工况数据采集和生产数据 交换等功能，其数据采集软件、工况数据采集器可以最大程度地采集满足生产 管理所需的工况数据，实现生产、管理所需的数据、工夹具装备等资源信息的 共享。郝永平等m 将接口标准分为网络编程接口标准、数据库编程接口标准和 产品信息接口标准，对比各类接口形式的特点和相互关系，给出制造信息集成 接口一般要求，提出了基于总线型制造信息集成接口的框架结构，示例接口的 表现形式。传统的车问设备主要采用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 串行通信协议，与工业以太 网的连接方式有【1 8 1 9 , 2 0 l ：多串口服务器方式，即采用一台多串口设备服务器实现 对多台车间数字设备的联接，构成的系统柔性和可靠性较低；单串口服务器方 式，即在每台车间数字设备上安装一台单串口设备服务器，将串行接口直接转 换成工业以太网接口，实现任意数控设备与工业以太网的联接。而新型的车间 数字设备大多带有以太网接口，可以直接与以太网相连。如何集成多种通信协 议，适应各种层次的车间设备，同时能够实现信息交互过程中的动态处理，是 车间数字设备集成控制的关键。 1 3 工业以太网 车间数字设备的集成控制已成为制造业发展的必然趋势。现场总线控制系 统( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 是目前车间设备集成控制所采用的主要方式，它 具有全数字化、分散性、网络化和智能化等特点。现场总线技术的发展还存在 诸多问题。首先是通信协议的不统一。1 9 9 9 年i f c 制定的1 e c 6 1 1 5 8 标准中共有 8 种现场总线，由于各种现场总线代表着不同厂商的利益，使得现场总线很难实 现统一。而这些协议间又互不兼容，使得现场总线的互可操作性没有得到很好 的实现。这给现场总线技术的发展和产品的推广应用带来了极大障碍。其次现 场总线传输速率较低。随着仪器仪表智能化程度的提高，传输的数据也必将趋 于复杂，未来传输的数据可能将不再局限于几个字节，甚至是w e b 网页，所以 网络传输的高速性在工业控制中越来越重要。再次，不易与高层网络进行信息 集成。由于现场总线位于整个工业控制系统的底层，只是系统的一个组成部分， 4 武汉理工大学硕士学位论文 仅仅现场总线仍不足以实现系统的全开放结构。因为从控制计算机到操作站， 仍必须采用某个单一系统集成商的产品而该产品内的通信协议是专有的，因 此整个系统远远达不到全开放的要求。 与此同时，用于办公自动化领域的以太网却悄悄地进入工业控制领域，在控 制系统的管理层和控制层等中上层网络通信中得到广泛应用，并有直接向下延 伸应用于工业现场设备间通信的趋势，成为近年来工业自动化领域研究的热点。 与其他现场总线或工业通信网络相比，以太网具有应用广泛、成本低廉、通信 速率高、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大、能实现办公自动化网络与工业 控制网络的信息无缝集成等优点。 因此，工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术 的发展主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展， 并保证技术上的可持续发展。在技术升级方面无需单独的研究投入。以太网能 否运用于实时的工业控制系统曾经是业界争论的焦点，这主要是因为：以太网 采用c s m a c d 碰撞检测方式，在网络负荷较重( 大于4 0 ) 时，网络通信具 有不确定性，不能满足工业控制的实时性要求；传统以太网所用的接插件、集 线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的 要求，在工厂环境中，以太网抗干扰( e m i ) 性能较差；若用于可燃、易爆等危 险场合，以太网不具备本安特性，同时以太网不具备通过信号线向现场仪表供 电的性能。 随着技术的飞速发展，以太网技术在控制领域的应用日趋成熟： ( 1 ) 以太网通信速率的一再提高。以太网产生迟延的主要原因是由于碰撞， 而碰撞产生的概率是由网络负荷决定。通信速率的提高就意味着相同数据吞吐 量条件下，网络负荷减轻和传输延时减少。 ( 2 ) 采用双工星型网络拓扑结构和以太网交换技术。以太网交换机实现冲 突域的隔离，使各端口之间数据帧的输入输出不再受c s m a c d 机制的制约， 再加上全双工通信方式使端口间两对双绞线( 或两根光纤) 上可以同时接收和 发送数据，以太网通信确定性和实时性得到保障。 ( 3 ) 许多公司相继开发出适用于工业环境的以太网器件。美国s y n e r g e t i c 微系统公司和德国h i r s c h m a n n 、j e t l e ra g 等公司专门开发和生产了导轨式集线 器、交换机产品，安装在标准d i n 导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢 固的d b 9 结构。美国n e ts i l i c o n 公司采用n e t + a r m 体系，研制出低成本的 工业以太网通信接口芯片。 ( 4 ) 2 0 0 3 年公布的i e e e 一8 0 2 3 a f 标准中，对e t h e r n e t 的总线供电规范进行 了定义。 5 武汉理工大学硕士学位论文 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在 迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、 工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结 构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。工业以太 网就是顺应这一形势发展起来的新技术。 与其它控制网络相比，工业以太网的优势主要体现在以下几个方面p q ： ( 1 ) t 业以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控 制网络得以统一 ( 2 ) 设备成本下降，因为安装量的缘故，今后现场总线的成本也远远无法 与工业以太网相比。 ( 3 ) 用户应用成本下降，几乎每家企业都有具备工业以太网维护能力的人 员，无需再专门学习一种控制网络。 ( 4 ) 工业以太网易于与i n t e r n e t 集成。在与传统现场总线的对比测试中以太 网显示出的明显优势，使其能够完全胜任控制工程中对实时性、可靠性、抗干 扰性的高要求，工业以太网己被证明是未来控制网络的最佳解决方案。工业以 太网是世界范围内的网络标准，将工业以太网应用到现场设备的努力一直进行 着。通过工业以太网形成真正统一的标准也成为广大用户的希望。故而采用已 经是通用的国际标准e t h e r n c t ，t i ：p 口等协议，并使其在工业领域成熟应用，易 于被广大用户、集成商o e m 和制造商接受。 工业以太网是目前应用最广泛的局域网技术，它具有开放性、低成本和广 泛应用的软硬件支持等明显优势。它最典型的应用形式是e t h e r n e t + t c p 口。它 的底层是e t h e r n e t ，网络层和传输层采用国际公认的t ( 驯口。 工业以太网能满足如下要求： ( 1 ) 充分考虑今后的发展需要，具有高传输速率，目前已到1 0 g b p s ： ( 2 ) 高传输安全性和可靠性，集线器技术的确定性； ( 3 ) 几乎不需考虑网络的拓扑结构； ( 4 ) 传输物理介质：双绞线、光纤、同轴电缆； ( 5 ) 集线器的应用可不需考虑网络的扩展： ( 6 ) 建立种标准：一个新的工控总线标准； ( 7 ) 与r r 连接，“世界标准”的t c p i p 技术的应用； ( 8 ) 在整个网络中的随机网络存取技术； ( 9 ) 低成本、高性能面向未来的开发。 虽然工业以太网采用的是c s m a c d ，一般认为这种协议不能满足控制系统 的实时性要求。但1 0 0 m b s 的工业以太网己开始广泛应用，千兆以太网产品也 6 武汉理工大学硕士学位论文 已出现。而且以太网交换技术的出现，通过全双工交换技术，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，实现网络带宽的最大利 用率和最好的实时性能。美国权威调查机构a r c ( a u t o m a t i o nr e s e a r c h c o m p a n y ) 预测今后e t h e r n e t 不仅将继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系 统的上层网络通信市场，也必将领导未来现场总线的发展，e t h e m e t 和t c p i p 将成为器件总线和现场总线的基础协议。 现在应用的工业以太网通讯协议和企业信息网通讯协议相同，可以实现控 制网络和信息网络的无缝连接。基于工业以太网的车间设备集成控制网络，不 需要昂贵的协议转换设备，确保了系统数据通讯的性能，降低系统成本。必将 大大加快企业的信息化进程，提高企业的综合竞争力。从现场设备层到管理层 完全采用工业以太网技术的管控一体的离散制造企业车间数字设备集成控制系 统有待研究。 1 4 本文的课题支撑与主要研究内容 1 4 1 ，课题支撑 武汉市科技攻关计划项目：“基于工业以太网的工厂数字设备智能集中控制 系统的研制”( 项目编号：2 0 0 4 1 0 0 1 0 0 3 ) 。 1 4 2 本文的主要工作 本文研究是为了加强车间数字设备的信息集成能力，构建基于工业以太 网与组态控制技术的车间数字设备集成控制系统，主要包括以下几方面工作： ( 1 ) 分析车间数字设备信息集成控制系统的基本功能和性能要求，探讨 该系统中设备信息采集及其与企业内部网信息的集成方法； ( 2 ) 研究车间数字设备集成控制系统中的信息采集技术，具体实施方法 为利用设备采集模块和m c g s 软件的设备构件设置来采集设备状态信息，通 过构建的工业以太网网络传送到上位计算机；分析了车间数字设备控制的控制 模式及其网络结构，比较分析了基于网络的车间数字设备集成控制的控制结构， 为后续设计车间数字设备集成控制体系结构提供了理论基础。 ( 3 ) 在对车间数字设备接口进行分类的基础上，构建了一个车间数字设备 的典型系统。在前面车间数字设备集成控制的功能需求和结构模式分析的基础 上，针对车间数字设备集成控制的具体技术要求，设计了车间数字设备集成控 7 武汉理工大学硕士学位论文 制系统的硬件并进行了组网实验。 ( 4 ) 分析了常用的工控组态软件，选取组态软件m c g s 6 2 构建系统软件 平台：初步确定了控制信息的提取及传输的方案：以三菱数控设备e 6 0 为例详 述了单台设备的组态过程，并提出了车间数字设备集成控制系统的软件组态实 现方案。 ( 5 ) 对所构建的车间数字设备集成控制系统进行功能实验和应用效果分 析。提出了车间数字设备集成控制系统软件和硬件实验的方法，实验结果表明， 组态正确，该控制系统可实现其预先设计的功能。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车间数字设备集成控制系统的基本问题 2 1 企业信息化中的车间数字设备集成控制系统 车问数字设备集成控制系统是结合自动化技术、计算机技术和通信技术， 通过工业以太网将车间生产活动所需的数字设备信息与各分散的自动化系统有 机地集成起来，将所有车间数字设备集中控制，构成一个能适应车问生产环境 不稳定性与市场需求多变性的信息集成控制系统。 从功能逻辑的角度来划分，典型的企业信息系统应该是三级网络结构，从 底层向上依次为：过程控制层、制造执行层、企业资源规划层，如图2 - 1 所示 图2 - 1 企业信息系统三级网络结构 基于工业以太网的车间数字设备集成控制系统位于工厂自动化系统中的底 层，即过程控制层与制造执行层之问。 ( 1 ) 过程控制层：主要功能是连接现场设备，如分散式帕、传感器、驱 动器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制、数据采 集、a d 转换、数字滤波、温度压力补偿、p i d 控制等各种功能。如一台加工设 备控制、一条装配输送线或一条生产线上现场设备之间的连锁控制。中控机负 责网络通信管理及所有从站的通信。网络上所有设备生产工艺控制程序存储在 主站中，并由主站执行。 ( 2 ) 制造执行层：这一层一般是由担任监控任务的工作站、p c 机或控制 器作为网络节点构成的局域网段。负责从现场设备中获取数据，完成各种控制、 运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，另外还包括控制组态的设计和下载。 制造执行层的功能一般由上位计算机完成。制造执行层除了上述功能外，还为 9 武汉理工大学硕士学位论文 实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境。例如实时数据库，工艺流程监控、 先进控制以及设备管理等。 ( 3 ) 企业资源规划层：该层又称为信息层。它是实现企业信息集成和管、 控一体化的重要组成部分。它的网络节点主要有高性能计算机、工作站、p c 机 等，包括各类管理、计算用客户机、服务器、数据库等。其主要目的是在分布 式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先中间监控层的数据库中的信 息转入上层的关系数据库中，这样远程用户就能随时通过浏览器或专用客户端 软件浏览网络运行状况以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。 赋予一定的权利后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而实现在广 域网范围内底层测控信息的实时传递。这样，企业各个实体将能够不受地域的 限制进行监视与控制工厂局域网里的各种数据，并对这些数据进行进一步的分 析和整理，为相关的各种管理、经营决策提供支持，实现管控一体化。 在整个结构中，现场设备层是核心。 目前，管理已成为影响车间生产效率的瓶颈。硬件投资达到一定的程度后， 为了提高生产效率和实现高效、高速加工，必须加强管理的信息化、规范化。 车间管理也正向科学管理、现代管理迈进，充分发挥计算机和信息技术的作用， 实现计算机辅助生产管理。车闻设备信息是实现管理信息化的基础，是确保车 间综合集成制造系统可靠、高效运行的关键。 网络技术的迅速发展和市场环境的快速多变对离散制造企业提出了严峻的 挑战，要求实现各类分布资源的集成与优化。车间数字设备资源的集成控制作 为企业信息化的关键技术，要求在提高车间数字设备对复杂动态的网络化制造 环境主动感知和适应能力的同时，实现车间异构设备间的交互与协同、加强设 备的协作能力。 2 2 车间数字设备集成控制系统的主要功能 车间数字设备集成控制系统在功能上应可以实现设备运行状态信息的可靠 高效采集，并实现对整个系统的维护、控制和管理。车间数字设备集成控制系 统应具有以下几方面的功能： 1 通讯功能 该功能是车间数字设备集成控制系统的首要的基本功能。包括： ( 1 ) n c 程序的双向传输。所有数控设备实施联网集中管理，利用网络进 行n c 程序( 包括机床参数，刀补文件，宏程序等) 的双向传输，从而实现n c 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 程序的海量存储、集成化管理。将每台数控机床定义为客户端设备，利用数控 系统自身通讯端口( 一般为r s - 2 3 2 串口) 的通讯功能，操作人员可在数控机床 端进行数据的双向传输以及访问管理服务器端数据的全部操作，服务器端对数 控端的操作请求自动进行相关处理而无需人为干预。保证所有入网数控设备可 在同一时刻进行并发式的通讯传输。 ( 2 ) 在线加工。这项功能需要数控系统本身支持在线加工功能。可实现数 控程序的断点续传、子程序调用等功能。 ( 3 ) 数据共享。实现企业信息控制中心与现场设备之间的信息共享。该功 能主要表现为两个方面：一方面现场设备可以共享企业计算中心的加工程序代 码，实现企业计算中心的计算能力通过网络的延伸；另一方面企业计算中心可 以通过网络接收来自现场设备的制造数据，服务于其它数字设备。从实现方式 上，强调制造数据的共享通过基于i n t e m e t i n t r a n e t 的阿服务来实现，支持 i n t e r n e te x p l o r e r 、n e t s c a p e 等浏览器的浏览。 ( 4 ) 协议转换。由于串行通信机床无法直接接入工业以太网，因此需要为 数控机床提供代理，由代理接收来自工业以太网的信息并转发给数控机床。本 文将这种代理称为基于工业以太网的通讯接口，用串口服务器来实现。 2 控制功能 ( 1 ) 设备状态获取与诊断。该功能是获取设备实时信息的低层、关键部分。 采集系统状态实时数据是生产活动控制中最重要的基础工作。数据采集在可靠 性、快速性、准确性方面具有很高要求，理想的情况采用自动或半自动的实时 数据采集、传输、处理设备，并能对己经获得的数据进行实时动态更新。在由 p i c 控制的单元中，通过读取p l c 中的状态变量，可获取受控设备的状态。数 控系统的诊断大多通过数控系统内部的p l c 进行，诊断的结果可通过工业以太 网反馈到管理计算机。 ( 2 ) 设备远程监控。车间数字设备集成控制系统应能够通过网络实时发布 设备的状态信息，反映设备的运行历史，统计设备的运行报告，同时通过w e b 摄像机实时发布现场的生产情况。这要求一方面采集设备状态，包括：设备开 机、设备关机、加工程序执行、加工程序结束、加工程序编辑、主轴吹屑、油 气润滑、机床报警等。上述这些状态要通过系统运行画面指示的变化直观地反 映出设备的工作状态。同时，在运行画面上还应该实时显示出下列设备信息： 设备开机时间、零件加工程序开始执行时间、程序己经执行的累计时问、当日 已完成的零件数量( 通过加工程序运行结束状态计算) 、当日设备报警次数， 显示系统已运行的时间。如设备的启动、停止、报警等信号，另一方面把这些 采集的信息实时网络发布，同时记录到设备的运行历史数据库，实现对设备全 武汉理工大学硕士学位论文 部生产时间的状态记载。 ( 3 ) 数据记录并查询、统计功能。要求对应于上述设备状态每发生一次变 化，系统都要将状态改变的时间和状态量记录到数据库，形成工作日志，便于 任何时间段的查询。同时，还要具有时间累计统计功能，要求各状态量在同一 时间段的工作时间统计在一个数据表中反浃出来，不同状态量发生变化的时闻 表在不同的数据表中体现出来。 ( 4 ) 报表打印功能。根据实际需要以一定格式将统计分析后的数据记录显 示和打印出来，包括实时数据报表和历史数据报表，是对生产过程中系统控制 对象状态的综合记录。 3 管理功能 1 ) n c 程序的管理 n c 程序作为加工过程中非常重要的一部分资源，对其进行高效的数据化管 理已经成为车间数字设备集成控制系统不可缺少的一部分。n c 程序的管理根据 管理目标对象的不同又可分为对程序进行生命周期内的管理和n c 程序内部信 息管理。对n c 程序的内部属性进行管理主要包括程序号、程序注释、零件图号、 所加工的零件号、加工工序号、加工范围、机床、用户信息等进行管理。可对 程序根据图号、零件名称、工序、机床等进行多种条件的复合查询，同时对加 工程序编辑历程、所用刀具清单、工艺卡片等进行管理。 数控程序员编写的加工程序有时不可能一次就达到加工要求，根据加工过 程，将程序分为四个状态。 编辑程序分处各编程软件指定的文件夹中，由程序员加载至程序库时 关联信息包括：程序号、程序名、程序文本、零件号、零件名称、工艺文件名 称、工序号、工步号、编写者、编写日期、刀具表、零件图片 ( 2 ) 试切处在试切验证阶段的程序 ( 3 ) 锁定试切无误从机床回传到程序数据库中的程序 ( 4 ) 定型审核定型归档的程序， 程序管理流程： 编程人员( 有编辑修改的权限) 编好的程序在完成修改、仿