（机械制造及其自动化专业论文）集成监控技术的研究及其在钢管在线测量系统中的应用.pdf

摘要 随着钢管在线测量系统的发展，其上位机软件实现集成式监控就成了一件岌 需进行的工作。在天津钢管公司、烟台鲁宝钢管有限公司一些背景项目的支持下， 本文对使用d e l p h i 这种快速开发工具实现集成监控进行了一定的研究，并把研 究和生产相结合，在项目中对课题进行了实施检验，并取得了成功。 第一章综述了在线测量系统的发展现状和集成监控技术的发展趋势；说明了 国内在线测量系统上位机监控软件存在的问题，阐述了在线测量系统集成监控软 件开发的必要性；陈述了课题的来源和论文的主要工作和意义。 第二章分析了在线测量系统流水线类型及各工位工艺；提出了集成监控软件 的设计思想；分析了软件功能层次，确定了软件结构、数据结构以及软件开发平 台；完成了集成监控软件的总体设计。 第三章完成了集成监控软件的组态部分设计。说明了组态的一般原理和功 能；给出了各个组态的具体实现方式。 第四章完成了集成监控软件的运行态部分设计。详细叙述了运行初始化流 程；重点设计了定时处理流程；介绍了诊断电录生成。 第五章完成了集成监控软件的通信部分设计。介绍了一些通信的基本概念； 给出了上位机与工作设备、上位机与p l c 之间的通信方式：阐述了访问本地数据 库和网络数据库的方法和需要注意的问题。 第六章介绍了两项有代表性的集成监控软件的实旌情况；说明了集成监控软 件在不同类型在线监控系统中的应用：显示了集成监控软件的灵活和高效的特 点。 第七章总结了集成监控软开发和应用过程所做的工作，并对系统的改进方向 进行了展望。 关键词：钢管、在线测量、流水线、d e l p h i 、上位机、集成、监控、组态、 通信、框架 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fp i p eo n l i n em e a s u r es y s t e m i tb e c a m en e c e s s a r yt o r e s e a r c ho ni t si n t e g r a t e dm o n i t o rp r o g r a m i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fs o m e p r o j e c t s i nt i a n j i np i p ec o m p a n ya n dl u b a op i p ec o m p a n y , t h er e s e a r c ha n d s u c c e s s f u ld e s i g no fi n t e g r a t e dm o n i t o rp r o g r a m ( d e l p h iv e r s i o n ) a r ep r c s e n t e d t h e m a i nc o n t e n t sa r es h o w na sf o l l o w s ： i nc h a p t e rl ，t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e so f m o n i t o rp r o g r a ma n dp i p eo n l i n em e a s u r e s y s t e ma l ei n t r o d u c e d t h e nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f r e s e a r c ha n dp r o b l e m so nt h e mi n c h i n aa r ed e s c r i b e d a n da l s o ，t h en e c e s s i t i e so ft h ei m p r o v e m e n ta r ee x p l a i n e d f i n a l l y , t h es o u r c e so f t h i sp r o j e c ta n dt h em a i nc o n t e n t sa sw e l la st h es i g n i f i c a n c eo f t h i sp a p e ra r em e n t i o n e d i nc h a p t e r2 ，t h ed c t a i lo fp i p eo n l i n em e a s u r es y s t e mi sp r e s e n t e d t h ed e s i g n m e t h o do ft h es y s t e mi sa s c e r t a i n e d t h ef a b r i c so fs o f t w a r ea n dt h ed a t as y s t e ma r e g i v e n t h eo v e r a l ld e s i g no f t h es o f t w a r ei sf i n i s h e d i nc h a p t e r3 ，t h ed e s i g no fc o n f i g u r a t i o np a r ti ni n t e g r a t e dm o n i t o rp r o g r a mi s f i n i s h e d t h ep f i n c i p l ea n df u n c t i o no fc o n f i g u r a t i o na r ed i s c u s s e d t h er e a l i z a t i o no f a l lk i n d so f c o n f i g u r a t i o ni se x p m i a l e d i nc h a p t e r4 ，t h ed e s i g no fp a n n i n gp a r ti ni n t e g r a t e dm o n i t o rp r o g r a mi sf i n i s h e d t h ei n i t i a l i z a t i o np r o c e s si se x p a t i a t e d t h em a i nd e a l i n gp r o c e s si sd i s c u s s e d t h e d i a g n o s t i cd i a r yi si n t r o d u c e d i nc h a p t e r5 ，t h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o np a r ti ni n t e g r a t e dm o n i t o rp r o g r a mi s f i n i s h e d t h eb a s i cm e t h o do f c o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e d t h ew a y so f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n da p p l i c a t i o n s ，a n db e t w e e np ca n dp l cs y s t e m ，a r c e x p a t i a t e d t h ew a y t oq u e r yd a t a b a s ei n v o l v e d i nc h a p t e r6 ，t h ed i f f e r e n c e si nt w ot y p i c a lp r o j e c t sa lei n t r o d u c e d t h ev i r t u e so f i n t e g r a t e dm o n i t o r i n ga r ep r o v e d i nc h a p t e r7 ，t h ew o r ko f d i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da n d p r o s p e c to f i m p r o v i n g d i r e c t i o no fs y s t e mi sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：s t e e lt u b e ；o n l i n em e a s u r e ；s t r e a ml i n e ；d e l p h i ；s u p e r v i s o rc o m p u t e r ； i n t e g r a t e d ；m o n i t o r ；c o n f i g u r a t i o n ；c o m m u n i c a t i o n ；f l a m e ； 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 _ 1 1 课题背景 1 1 1 钢管市场现状 我国自从1 9 9 6 年钢铁产量超过1 亿吨以来，已疑连续8 年成为世界辫一钢 铁生产大国，并且年增长速度保持在2 0 左右，年增产量达3 0 0 0 万吨。统计数 据表骥，我嗣镧铁产量已进入商蜂期，年产量已经突皴2 亿吨。专家j 鬟计，这一 塞峰耀要持续黉2 0 2 0 年浚嚣，弱2 0 0 5 年，我蓬钢铁年产塞蒋超过3 亿蟪。 钢管广泛熄应用于祝械、建筑、石化等行业，也怒圈防工业的重要辛孝睾幸。2 0 0 0 年以来，钢箭产星与钢铁产量旗本保持同步增长，年平均增长率达到2 3 7 5 ， 钢管总产量跋居世界第一位，成为名副其实的钢管大围。钢管中又以焊管增长速 度最快，年乎均增长率达到了2 7 3 i ，高于无缝钢管。 1 1 2 在线溺量系统介绍 钢管主臻w 以分为无缝管和焊管两种。无缝管怒揩金属材料经过热轧、冷拔 等加工手段，赢接由圆柱钢坯加工而成的钢管。焊管鼹指由钢板经过包凝焊接成 型靛钢管。 i l 强l ，l 热簸光缝舔警生产工笼溅程 钢管的生产工艺非常复杂。以热轧无缝钢管为例( 如图i 1 ) ，管坯谶入车间 后按照工艺要求锯成定尺长度，然后依次经过环形炉加热、三辊穿孔机穿孔、连 浙江大学硕士学位论文 轧机轧制、定径机定径，需要减径的再经加热后送至减径机上减径。从定径或减 径机轧出的成品管，送至链式冷床上冷却，冷却后锯成定尺长度的钢管( 有的需 要热处理) 输送到斜辊式矫直机上矫直，矫直后依次经过超声波探伤，水压试验， 随后进行其他各项精整工序。精整后的成品经过感应加热炉后进行涂油打捆入 库。 目前市场竞争日趋激烈，对钢管产品性能、质量、外观等方面的要求也越来 越高。企业的产品要想占有更多的市场份额，则需要通过i s 0 9 0 0 1 这样的质量 体系论证，建立一套产品质量跟踪系统。钢管生产厂通常采用给钢管喷印、打印、 涂色带的方式标记信息。 在线测量系统处在钢管生产工艺流程的末端，位于探伤检查之后，涂油和打 捆入库之前，由测长、称重、喷标、涂色、打标、分选等工艺模块组成。工作的 时候，在线测量系统通过测长、称重两个模块得到钢管的长度和重量，再综合其 它工艺信息，如炉号、班号、材料、长度、重量、生产厂家等，按一定的标准在 钢管的表面进行喷标、涂色、打标，并按照工艺要求对钢管进行分选。 两年来，作者一直从事钢管在线测量系统监控软件的编写工作。前一阶段， 项目组成功的研制了全自动钢管在线测量系统，填补了国内的空白。在接下来的 项目中，项目组对系统的监控软件不断改进，对各个软件功能进行模块化，最后 初步达到了集成监控的目的。 本论文就是在总结两年来开发成果的基础上撰写而成。 1 。2 集成监控技术的发展及其在在线测量系统应用现状 1 2 1 集成监控技术的发展 监控系统，顾名思义，在生产中起到一个监视和控制的作用。监控技术从原 始的人工查看到现在的集成监控，经历了以下四个阶段的发展历程。 最初，由于科技水平的落后，对现场的生产情况采用人工观察仪表数据的办 法。这在很大程度上取决于操作人员的经验和责任心，容易造成操作失误。特别 在一些难以直接进行测量观察的工段，如冶金、化工、电力行业中许多高温、高 腐蚀、高污染的些工段，如何快速准确的掌握现场生产情况成为十分头痛的问 题。 后来，在现场安装了远程监控仪表，把采集到的各种实时数据，用电流或电 压信号通过电缆传给调度中心，并显示在调度台和模拟屏上。操作员可以随时看 到这些参数，有效地对生产系统进行实时监控。 然后，计算机在工业监控中得到广泛的应用。随着工业生产的发展，控制系 统变得越来越复杂，它对安全性和可靠性的要求也越来越高，需要对更多的数据 4 浙江大学硕十学位论文 作标识及记录。计算机可以对各个工段的各种动态参量加以组织分析，再以数据、 图表、色彩及音响等形式形象直观地呈现在值班人员面前。借助于计算机监控系 统，值班人员能提前发现事故隐患，做到防患于未然。万一发生事故也能迅速找 出事故原因，及时的加以处理，缩短停工时间，减少经济损失。它还可以对全场 的生产情况作详细的统计分析，为科学管理、最优生产提供可靠的依据和现代化 手段。 随着计算机技术的快速进步，监控软件也向着集成化的方向发展。不同的工 业系统中，监控系统拓扑结构相差很大，工作设备也各不相同。即使在相同的工 业系统中，由于传统的监控系统大多是针对某一特定的工程实例来开发的，也具 有很大的局限性。一旦实例发生变化，就需要对软件的控制功能和显示画面进行 修改，有时还需要改动软件的整体结构，造成很大的工作量。因而监控软件向着 结构化、模块化、规范化、工程化的方向不断发展和整合，形成了集成监控软件 的原型。 集成监控软件的特点就是：根据工业生产的实际情况和操作人员的测控需 求，只要进行简单的组态和配置就能使系统正确的运行，当生产现场的情况发生 变化时也只需工程技术人员修改组态配置信息，就可以重新组成一个新的系统， 并正确的运行起来。这不仅体现在工作量的减少、工程周期的缩短和工程质量的 提高上，还能大幅加强企业竞争力、加速企业资金周转、为企业取得更多利润。 1 2 2 集成监控技术在在线测量系统中的应用现状 在线测量系统的监控技术自上世纪末开始进入集成监控阶段。特别是本世纪 初，我国一些大型的钢铁公司为了提高钢铁产量，参与国际竞争，产品要符合国 际标准，耗巨资从国外引进了整条在线测量系统的生产线和集成监控软件。这些 集成监控软件往往使用p l c 厂商提供的配套软件开发平台，通常我们称之为“组 态软件”。 以s i e m e n s 公司为例，它在向客户提供p l c 系统及p l c 开发平台( s t e px ) 的同时，也向客户提供上位机集成监控程序的组态软件( w i n c e ) 。w i n c e 平台 是s i e m e n s 的软件开发人员基于c 系列语言开发的，它的内置组件托管了所有和 s i e m e n s 系列p l c 系统、总线系统、二级网络系统相关的互动通信。用户在使用 它时，不需要理会底层通信的状态就可以读写或者操作通过m p i 电缆、p r o f i b u s 、 二级网络连接的各个s i e m e n s 系列的设备。 国内也有少量系统集成商在钢铁研究院和科研院校的协助下进行在线测量 系统监控软件的开发。他们也是采用p l c y 商提供的组态软件，因为这样不仅使 上位机监控系统和p l c 控制系统能很好的自动通讯，还可以快速的搭建风格统一 的自动化监控系统。 p l c 厂商提供的组态软件固然可以快速生成和p l c 之间的接口程序，但是它的 浙江火学硕上学位论文 缺点也是非常明显的。 首先，组态软件的购买需要付出昂贵的价格。由于p l c 厂商在组态软件开发 中投入了巨大的成本，所以必须在经营活动中予以收回。虽然p l c 厂商不愿意抬 高销售价格致使组念软件的推广使用遭到限制，但一般国外的p l c 厂商推出的组 态软件还是在万元以上。而且每套软件只能够在一台计算机上得到授权码，这意 味着每套软件只能被使用在一个项目中。 其次，由于组态软件是p l c 厂商自行开发的专用平台，那么自然而然得不到 社会编程人员的共享资源支持。组态软件只是对p l c 的数据接口进行了集成，但 是实际应用中在线测量系统上位机一般有5 、6 种不同的数据接口。在没有共享组 件支持下进行开发，其难度和开发速度可想而知。譬如有些开发商在采用组态软 件w i n c c 和p l c 系统通信之后，还需要强大的数据库功能支持及程序间数据的通 信。于是同时使用了w i n c c 、p b 、c + + b u i l d e r 几种平台进行开发，造成了很大的 麻烦和安全隐患。 另外，组态软件的高集成度也带来了很大的问题。在一个模块种类和数目比 较多的在线测量系统流水线中，调控系统资源的使用瓶颈成了一个让人为难的 事。因为开发者无法拆开p l c 厂商集成的部分，自然也就无法避免消耗系统资源 的波峰。所以即便s i e m e n s 、霍尼韦尔这样的大公司开发的成熟平台，在应付复 杂系统时仍然不能避免死机和画面切换很慢的情况。 1 3 课题研发主要内容和本论文所作主要工作 1 3 1 课题的需求分析 如上所述，用集成监控的思想对在线测量系统上位机软件进行通用平台的开 发就成了一个岌待进行的工作。但是在开发工作进行之前，必须先明确市场的需 求。 首先，它必须保证价格便宜，能够为大多数的企业所接受，功能要比较强， 能够满足大多数生产的要求，操作要简单，一般操作人员经过短期培训即可基本 掌握操作方法。 其次，在不同的工程实例中，在线测量系统的具体情况可能是完全不同的。 生产线类型、位置布置、工位数目、生产工艺，甚至具体设备，都有可能完全不 同。这就需要软件能根据在线测量系统的实际设备情况和生产工艺的具体需求， 只要进行简单的组态和配置，就能使系统正确的运行起来，当在线测量系统簏工 现场的情况发生变化时，只需调试人员修改组态配置信息，就可以重新构建一个 系统。 6 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 课题的开发目标 基于以上原因，本课题的主要目的是开发一套适用于工业监控，并针对在线 测量系统做专门资源配备优化的集成监控软件。 它将具备以下这些特点。 第一，通用性好。整个软件采用分层封装的设计思路，组态部分负责流程的 设计和工位的关联，既能完成系统级的配置，也能实现具体的某一变量的组态。 运行态部分负责程序运行时数据的动态刷新、记录、报警等等。而通讯部分负责 现场仪表的数据交换和网络数据服务。 第二，功能完备。具有实时监控、分级报警、数据存储、报表显示等功能。 是一款可靠、开放和具有良好扩展能力的监控软件。 第三，人机界面友好，全中文的图形操作界面，操作人员操作方便，易于掌 握。 1 3 3 研发主要内容和本论文主要工作 在天津锅管公司、烟台鲁宝钢管有限公司些背景项目的支持下，作者对使 用d e l p h i 这种快速开发工具实现集成监控进行了一定的研究，并把研究和生产相 结合，在各个项目中对课题进行了实施检验。 作者主要参与完成了以下几项工作： 1 广泛全面的对系统的集成监控技术进行了研究，确定了软件的总体结构和 设计方案，在统一的开发平台上实现了对在线测量系统的集成监控。 2 对集成监控程序的组态部分进行了开发，增加了代码的复用性，实现了 系统的定制和灵活升级。 3 对集成监控程序的运行态部分进行了研究，设计并优化了运行态程序的 数据结构，设计了软件的数据库并在工程实践中进行不断的改进。 4 对集成监控程序的通信部分进行了开发，并对多种设备的通信进行了封 装。 5 在对集成监控软件进行研究的同时，与项目组起完成了三条流水线的设 计、施工、调试、验收的工作。作者在项目组中担任上位机软件的所有工作。 集成监控的开发，特别是具有广泛适应性的集成监控系统的开发，是一项工 作量比较大的工作。由于作者水平有限，在本论文中难以面面俱到，疏漏不足之 处，敬请批评指正。 7 浙江大学颈+ 学位论文 1 4 论文内容安排 论文的内容共分七部分，包括：绪论、集成监控总体设计、组态部分设计、 运行态部分设计、通信部分设计、集成监控的项目实例、结论及展望。 绪论包含了课题背景和来源、集成监控的发展及其在在线测量系统中的应用 现状、课题开发目标等内容。 集成监控总体设计包含了软件设计思想、软件结构设计、数据结构设计、开 发平台选择等内容。 组态部分设计包含了对组态的一般原理、组态的功能的介绍，以及各种组态 的实现等内容。 运行态部分设计包含了初始化流程、定时处理流程、诊断记录生成等内容。 其中定时处理流程包含了主流程、报警系统等监控程序的核心内容。 通信部分设计包含了上位机与p l c 和上位机与工作设备之问的通讯，本地数 据库和网络数据库的访问方法等内容。 集成监控的应用包含了课题在天津和烟台两处有代表性实施的内容。 结论及展望包含了对课题的研究总结和对未来发展的展望。 浙江大学硕士学位沦史 第二章集成监控总体设计 本章首先对集成监控软件进行了目标分析，确寇了其设计思想。然簸在此基 础土，对软髂缝稳帮数据结构进行了设计，给后续露节分为组态都分、运行态部 努、逶绩鄂分兰黎努难款 孛送行浚诗疆供了瑾论依鬃。竣爱蠢牙发平台黪逸箨进 行了简要静说明。 2 1 集成脓控软件目标分析和设计思想 由予本课题中戆集或鉴控款髂篷帮硬锌设备系统蜜甥联系豹，辑缓农越软箨 进幸亍孽标分轿之前，翥要对奁绞测鲞系统及其各个工笼模块逮行奔绣。 霞2 1 在线溅量系统嚣缭稳 2 1 1 集成监控软件相关硬件设备系统介绍 窟廖唐廖囱廖廖 图2 2 硬件设各系统的组成 下面将对各个工艺模块进行介绍。 9 浙江大学硕士学位论文 1 ) 对齐工艺模块 对齐模块一般位于整个在线测量流水线的前端，其主要作用是使钢管在测 长、喷标、打标、涂色、分选模块之前就处在一个确切的位置，给测长、喷标、 打标、涂色提供了一个轴向基准。对齐的端面那条线通常被称为“金属线”。 对齐模块一般不会单独占用一个工位，有两种实现方式。 如果所在工位是钢管辊道末端，那么一般用挡钢头对齐。钢管在辊道的推动 下，末端靠在挡钢头上，这样挡钢头的位置就决定了后续工艺模块的工作位置基 线。 如果所在工位是移钢机或者钢槽，那么可以通过气缸或者液压缸推动齐平 板。因为推程一定，齐平板会把钢管对齐在同一基线上，达到对齐的效果。 由于钢管的反弹，机械问隙，移钢误差等因素，对齐模块的基准线定位精确 度一般在0 2 o 7 m m 之间，符合后续工序的要求。 2 ) 测长工艺模块 测长是在线测量流水线的个不可缺少的组成部分，用于对钢管长度的测 量。由于旋转式光电编码器具有技术成熟、安装方便、精度高、价格低廉等特点， 一般用它作为生成长度最小刻度值的转换器。但是由于机械滑动、机械松动等累 计误差，或者气缸、液压缸的推程局限，一般不会只使用编码器单独测量钢管的 长度。而是使用多对光电管先对钢管长度进行区间划分，然后再根据编码器的脉 冲计数确定区间内的细微尺寸，最后计算出钢管的长度。 测长的方式有辊道测长和推止测长两种。虽说测长方式的选用和系统的串行 并行没有绝对的对应关系，但是出于尽量简化结构，节约成本的目的，一般串行 流水线测长多采用辊道式，并行流水线测长多采用推止式。 辊道测长的方法是，在辊道两侧装上确定位置的两排光电对射管，下方有一 个直接或者间接和编码器连接的摩擦轮。当铜管进入测长区，依次切断光束，我 们可以通过光电管位置初步确定钢管的长度区间，然后根据编码器脉冲计数确定 区间内精确的数值，最后算出长度。 推止式实际上是用气缸或者液压缸代替了辊道驱动，其装置本身也有对齐的 作用，可以确定测量的基准面，所以光电管阵列得长度不一定要超过钢管的长度。 辊道测长的优点在于成本比较低，推止式测长结构复杂，但其本身就具有对 齐的功能。 浙江大学顾十学位论文 3 ) 称重工艺模块 重量是钢管的主要规格指标之一，也是成品钢管贸易结算的主要依据。目前， 国内大部分生产钢管的企业是按a p is p e c5 c t 标准组织生产的，标准规定“外 径不小于9 1 6 i n ( 1 4 1 3 m m ) 钢管应逐根称重，”，同时国家标准也有同样的规 定。为了达到标准的要求，在线测量系统必须具备相应的称重设备。 称重的原理是，钢管的重量变化使称重传感器电阻应变片电阻值发生变化， 电阻值的变化又通过电桥转换为电势差的变化。 称重台架一般安装4 只称重传感器。4 只传感器的电势差经平均化后传入二 次仪表，滤波放大后通过常用的“电容充电放电时间法”进行数字化，最后显示 在仪表面板上，并同时把数值通过串口传送给上位机。 由于流水线串行和并行的特点差异，出现了适用于辊道的抬举式称重和适用 于移钢机的待置式称重。 抬举式就是钢管顺着辊道行走到称重工位的时候停下来，称重支架上升抬起 钢管，使钢管所有重量由称重台架承担。获得重量后，称重支架放下钢管，钢管 继续前行。 待置式就是称重台架上面没有活动部件，由移钢机等台架机构将钢管放置到 称重台架上。获得重量后，钢管被移走，新的钢管又被放置到台架上。 4 ) 涂色工艺模块 涂色是钢管标记的一种方法，根据钢级的不同在钢管上涂上相应颜色、一定 宽度的色带。颜色有棕色、蓝色、绿色、紫色、红色、白色、黄色等，色带的宽 度一般为2 5 m m ，间距为2 5 r a m 。 一般采用电机带动涂色滚轮进行涂色，涂色轮下端浸泡在涂料中，在需要工 作的时候由气缸抬起和钢管接触，在旋转中进行涂色。 5 ) 打标工艺模块 打标的主体设备是打标机。 在打标机工作的时候，打标字符由上位机通过串口传送给打标控制器，打标 开始信号由p l c 通过电缆传送给打标控制器。 具体的打标过程是这样的，钢管由辊道或者移钢机传送到打标工位。钢管停 稳后，打标头在气缸的推动下降落，靠近钢管的表面。打标头内的打印钢针在两 台步进电机的驱动下在二维平面内按字符笔划轨迹行走。同时在高速电磁阀的作 用下，压缩空气推动钢针进行打标。高速电磁阀和步进电机部由打标控制器控制， 浙江人学硕士学位论文 在钢管表面上得到由密集点阵组成的字符或图形。 6 ) 喷标工艺模块 喷标工位的主体设备是点阵式喷标机。在高速电磁阀的作用下，涂料通过喷 标头上的1 6 个小孔呈点状喷出，喷出的涂料点在钢管表面形成各种各样的图形 和符号。 喷标的过程是这样的，钢管停靠在喷标工位后，上位机将需要喷标的字符通 过串口发送给喷标控制器，控制器将字符解析成为相应的点阵，按照点阵喷出的 先后顺序控制电磁阀工作，将阵列喷在钢管表面上。 为了适应不同流水线的需要，喷标的方式分为喷头静止和喷头运动两种。喷 头静止的方式主要用在和辊道配套的串行流水线上，喷头运动的方式主要用于和 移钢机配套的并行流水线上。 喷头静止的方式的优点是结构简单、成本低、占地少，缺点是当钢管在辊道 上运动时由于各种原因可能不非常稳定，所以喷标的图案会有歪曲，效果不是很 好。喷头运动方式的优点是喷标效果非常好，喷标效率也很高。但是由于采用了 悬臂梁、直线导轨和伺服电机等，成本比较高。 7 ) 分选工艺模块 分选就是在已经测量的基础上，对钢管按照属性进行分类。一般分类的条件 是来自于钢管的各种原始属性( 譬如钢管种类、钢级、钢种等) 和钢管的各种工 艺属性( 譬如长度、重量、探伤好坏管等) 。 分选工位的本质就是一组可控的拨料机构，分选信息由上位机处理。上位机 对钢管进行属性分类，并负责钢管的信息跟踪，当钢管行走到预定位置时，p l c 根据上位机发出的指令，对钢管进行拨料。 信息跟踪的实现原理是：钢管移位后，p l c 通过传感器确认生产周期已经完 成。上位机从p l c 得到确认信息后，将钢管数据对象组按照真实的情况进行模 拟移位。也就是说，这里的信息跟踪是一种顺序跟踪，不牵涉到钢管的身份识别。 2 1 2 软件目标分析 软件设计思想体现在两个方面。一是实现软件的功能目标，二是实现软件的 工程目标。软件的功能目标主要是针对软件的使用要求提出的，而软件的工程目 标是开发者自身对于程序的系统性实现的要求。 这里先对监控软件的功能目标和工程目标进行分析，然后根据它们确立监控 浙江大学硕士学位论文 软件的设计思想。 1 ) 监控软件的功能目标 工业企业结构的调整、用户需求的变化促使技术不断进步，在自动化软件上 这种趋势体现褥尤为明显。需求决定产品，只有满足需求的产品才有生存约空问， 这是不变的规律，制造业的发展，带来了对自动化软件需求的提升，也决定了自 动化软件将由过去单纯的组态监控功能，向着更高和更广的层面发展a 首先，集成监控软件要包括人机界面，如i n t o u c h 、i f i x 、组态王等；基于 p c 的控制软件，统称软p l c 或软逻辑，像亚控的k i n g a c t 以及即将推出的组态王嵌 入版、s i e m e n s 的w i n a c 等；有的还包括生产执行管理软件，许多专家也将这一类 软件归为m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) + 像t n t e l l u t i o n 公司的i b a t c h 、 w o n d e r w a y e 公司的i n t r a c k 等，另外，与通用办公自动化软件相比，自动化软件 还应包括相应的服务。 其次，集成监控软件还可以具备如下功能：工业过程动态可视化、数据采集 和管理、过程监控报警、报表功能、为其他企业级程序提供数据、批次处理等等。 2 ) 监控软件的工程目标 监控软件是一类工程。工程是将理论知识应用于实践的科学。就软件工程而 言，它借鉴了传统工程的原则和方法，以求高效地开发高质量软件。其中应用了 计算机科学、数学和管理科学。计算机科学和数学用于构造模型与算法，工程科 学用于制定规范、设计范型、评估成本及确定权筏，管理科学用于计划、资源、 质量和成本的管理。 软件的工程目标是：生产具有正确性、可用性以及开销合宜的产品。正确性 意指软件产品达到预期功能的程度。可用性指软件基本结构、实现及文档为用户 可用的程度。开销合宣性是指软件开发、运行的整个开销满足用户要求的程度。 这些目标的实现不论在理论上还是在实践中均存在很多问题有待解决，它们形成 了对过程、过程模型及工程方法选取的约束。 软件的工程目标特别强调需求的地位，因为软件工程活动是“生产个最终 满足需求且达到工程目标的软件产品所需要的步骤”。需求活动包括问题分析和 需求分析。问题分析获取需求定义，又称软件需求规约，需求分析则生成功能规 约。设计活动一般包括概要设计和详细设计。概要设计建立整个软件体系结构， 包括子系统、模块以及相关层次的说明、每一模块接口定义等：详细设计产生程 序员可用的模块说明，包括每一模块中数据结构说明及加工描述。实现活动把设 计结果转换为可执行的程序代码；确认活动贯穿于整个开发过程，实现完成后的 浙江大学硕上学位论文 确认，保证最终产品满足用户的要求；支持活动包括修改和完善，伴随以上活动， 还有管理过程、支持过程、培训过程等。 由此分析，监控软件基本上要达到以下几个方面的工程目标。 第一，低价格。这是由市场因素决定的，特别是在国内市场。但低价格不应 该在牺牲产品质量的前提下取得，而应在提高软件产品性能价格比的同时。降低 产品的开发成本以期取得理想的价位。 第二，完善的功能。现在用户对系统软件的要求已经不仅仅停留在检测和控 制上，随着工业技术的进步，更科学、更合理的生产概念已被应用到生产中去， 而诸如故障诊断、远程维护、历史显示等等功能也被要求加入监控软件中。只有 不断完善软件的功能，才能适应客户的需要。 第三，良好的兼容性。受很多因素影响，各工矿企业所用的硬件和软件平台 可能会有很大不同，所以软件系统必须能够运行在大量不同的硬件、软传平台上。 第四，过硬的质量。实时性、安全性、可靠性是控制软件最重要的功能，直 接决定软件产品的好坏。 2 1 3 软件设计思想 综合以上对监控软件的功能目标和工程目标的分析，我们确立了“框架”化 的监控软件设计思想。 “框架”，即面向对象应用程序框架( o b j e c t o r i e n t e da p p i c a t i o n f r a m e w o r k s ) ，是一项非常有潜力的技术，它能通过复用已经证明为有效的软件 来降低软件成本、提高软件质量， 本课题在框架中规定了集成监控体系中应用体系结构，定义了整体层次和结 构、数据结构和关系、结构各部分的主要责任以及控制流程。框架还预定义了参 数系统，规划了应用程序的骨干，让程序遵循一定的流程，而其本身也展现了一 定的风貌和功能，以便于设计者不必费力于重复乏味的细节实现，能集中精力于 集成监控技术本身的专业功能拓展和工艺流程编辑。 框架中涵盖的面向对象技术，是现实世界中以抽象为基础的软件思维的一种 崭新方式，使集成监控软件的内部结构发生了巨大变化，带来了良好的可构造性、 可扩充性和可复用性。 下面就将从在线监控系统的硬件体系结构开始，对本课题的主体应用框架进 行展开，进而设计出软件结构及其各组成部分的职责和关系。 2 。2 软件结构设计 监控软件的结构层次和硬件设备结构层次是在很大程度上相关的。参见图 2 3 ，在线测量系统硬件结构主要是由操作人员、上位机、p l c 系统、现场仪表设 浙江大学硕上学位论文 备、远程网络等组成。 操作人员 远程网络h 上位机 上上上上 葫两 塌场 p l 戗仪 - 未表 c 词 诌 系 统 名 名 图2 3 在线测量系统硬件结构 上位机的接口主要包含了人机接口、设备仪表接口、p l c 接口、网络接口等。 它通过这些接口和外围的仪表设备、操作人员进行通信。并把数据处理的结果显 示给操作人员。 2 3 1 集成监控系统的层次 根据在线测量系统的硬件层次，我们可以看出，上位机的监控层是系统的核 心，它通过通讯层和外界取得联系，外界联系体包含了以现场仪表设备为主的一 系列设备。所以我们将整个集成监控系统划分为三层( 如图2 4 ) ：监控层，通信 层和现场仪表设备层。 图2 4 集成监控系统的层次 监控层包括操作界面部分、数据管理部分和实时监控部分，主要完成对系统 的监测，控制等功能。 浙江人学硕士学位论文 通信层指通信部分，除了现场随测的数据传送钤，还提供监控层和现场仪表 层之间的透明通信服务。这样监控层无需知道现场仪表的具体细节，就可以收取 和发送数据。 现场仪表层包括底层所有的二次仪表和设备控制器，主要完成底层的保护及 数据采集工作。 对于一些大的控制站点，由于测控点多，对硬件的要求比较高，可以将各个 部分分离成数据库服务器、操作站与通信站等，使用多台计算机来运行，软件只 要做适当的调整即可。 2 3 2 集成监控软件的结构 i 集成监控软件l f 组态部分 il 运行态部分 l i 通讯部分 上 匐 上上 - l上 窜 上上 上上上上j _ 系流括变椁 枉 勇赧访 调 p 网 翁鹈未量苗 始l 绍 红细缍鲴缍 化 面警龄 名 c 浦 局弓 ，一 括 拯 拯 癌态杰态蔻 帮掣象i z l 口 程 一 _ 一 _ 。， _ 一 一 图2 5 集成监控软件的结构 确立监控系统的层次后，开始对监控软件的结构进行设计。由于集成监控软 件只关乎在上位机里运行的软件部分，所以根据软件各部分的作用，我们把集成 监控软件分为了组态部分、运行态部分和通信部分三部分( 如图2 5 ) 。 在这里的结构分类里，借用了“组态”的概念。在本课题中的组态这个词语， 和我们通常所说的组态不同，在通用的组态软件中，对软件进行二次开发的技术 人员往往可以通过图形化的界面表达自己的设计理念。而在本课题中，我们的集 成监控系统的开发是直接面对用户的。这里的“组态”，更多是指在一定环境下 的模块化组装。所以在本课题中作者称之为“组态部分”，而不是有通用意义的 “组态软件”。 组态部分按照层次包含了系统组态、工位组态、流程组态、报表组态、变量 组态和模块组态等内容。它来源于“框架”思想，适用于大多数具有结构统一性 和逻辑可分性的区块。组态是系统软硬件结构的一种表现方式，也是模块化设计 的一种执行方式。 运行态部分包括了初始化流程、界面刷新、报警引擎、诊断记录等等，它通 过通信部分和外界产生联系，和设备没有直接联系，是监控软件的控制核心。 淅江大学硕士学位论文 通信部分包含了和运行态部分相关的所有信息交流的实现，是运行态程序和 外界的数据进出通道。 2 3 数据结构设计 软件的结构设计完成之后，软件的主体应用框架就确立起来了。从某种角度 上来说，软件的活动就是数据在主体应用框架内的流动、变化和汇集。数据在这 些过程中并不是没有结构和组织的，结构之间也并不是没有关联的。我们把对数 据的结构和关联的设计称为数据结构设计。 在本课题中，我们通常把具有某种相同属性的数据按照自然的逻辑关系组合 成为一个整体，使对数据的操作变得方便而合理。这种面向对象的方式使程序的 逻辑性、和可靠性有了很大的提高，它也是“框架”思想在数据结构设计中的一 个体现。 数据结构设计自然的分为两部分。体现数据流动和变化特点的称为实时数据 结构设计，体现数据汇集特点的成为数据库设计。 2 4 1 实时数据结构设计 在设计软件时，应用框架内部应采用统一的数据结构以保证良好的兼容性。 下面将介绍在组态部分和运行态部分中都需要使用的实时数据的数据结构。 在实际的工业控制系统中会包含许多的变量，有必要将这些变量进行分类以 便于管理。 下面以工位为例进行介绍： 工位通常代表着实际工业生产现场中的检测点和控制点，也可以用于代表某 些具有实际意义但又不能直接监测的变量，即虚拟工位。工控软件的运行是紧紧 围绕工位展开的，从数据通信、报警处理、控制算法、趋势记录到标准画面、报 表打印，无一不以工位为基础，以对工位的引用为基本操作途径。工位组态与引 用的正确与否，在很大程度上决定着系统的可靠性与稳定性。为了实现工位正确 的组态与引用，将所有的工位集合起来，形成一个工位字典，并定义工位字典的 规范及操作。 工位字典存储在与数据库相关的数据表中。我们把每一个变量抽象为工位的 一个属性。设计时，把工位的组态信息记录在该表中，引用时，从中抽取所需信 息。 每一工位属性还应包括许多子属性，完成对一个变量的全面描述。在复杂的 子属性中，往往还会有更下一层的细分。常见的工位根据复杂的程度一般有三、 四个层次。 在该程序中定义了许多类似于工位的数据结构，譬如钢管( 产品) 、用户、 1 7 浙江大学硕士学位论文 料筐等等。这些结构形成的字典和工位字典也有着一定的关系。所有的变量最后 以树型结构组织起来，形成了实时数据的结构。 有关数据结构的细节将在变量组态中进行详细的介绍。 2 4 2 数据库设计 数据在主体框架内汇集的时候，需要选择数据的存贮模式。这样就自然对数 据库进行选择和设计。 数据库分为本地数据库和网络数据库两种。本课题对不同的需求使用了不同 数据库的支持。 本地数据库里存储了所有需要存储的组态数据、实时数据。有了这个数据库， 运行态程序不仅可以正确的引导启动和配置工位属性，也可以在系统突然掉电或 瘫痪后重启时快速恢复到正常状态。组态数据和实时数据由于内容相对固定，实 时性要求比较高，数据量也不是很大，所以存储在同个数据库中，以不同的表 项区分开来。这样在程序运行时，仅需要打开一个数据库，就可以对不同的表项 进行操作。 网络数据库一般选用关系数据库s q ls e r v e r 作为远程服务器，实现了一般工 业软件少有的开放性和灵活性，将办公室和工厂现场真正地连接在一起。历史数 据数据量比较大，共享性质比较强，所以选择了使用o d b c 访问方式存储在网络数 据库上。为了防止网络故障时数据丢失，还在本地数据库中建立了历史数据备份。 用户可以通过数据快速分析生产情况、汇总和统计生产数据，作为指挥、决策的 依据。另外还设计了一些小程序，用于初次生成数据库的各表项和修复数据库。 2 4 软件开发平台的选择 要开发一个优秀的程序，需要选择一个合适的开发工具。由于本课题中的软 件主要用于工业工程项目中，所以我们需要选择一个在效率方面特别突出的开发 工具。 通常把一个开发工具效率的因素归结为五点，一是可视化开发环境的性能， 二是编译器的速度和已编译代码的效率，三是编程语言的功能及其复杂性，四是 数据库结构的灵活性和可扩展性，五是框架对设计和使用模式的扩充。 d e l p h i 是b o r l a n d 公司推出的集成化开发工具，它在效率方面具有极为优越 的性能，可用于快速开发运行于w i n d o w s 9 x 和w i n d o w sn t 操作系统上稳定的应用 程序。它包含了一系列的具有丰富功能的编辑工具，使编写w i n d o w s 应用程序变 得十分直观。 另外delphi 拥有我们认为所有工具中最灵活的数据库结构。对大多数 基于本地、客户服务器和0obc 数据库平台的应用程序来说，b d e 的功能都非 浙江大学硕十学位论文 常强大。 2 5 本章小结 本章提出了集成监控设计的总体方案。具体包括： 1 分析了软件的功能目标和工程目标，确立了集成监控软件的设计思想。 2 在对系统硬件结构分析的基础上，确定了集成监控软件的功能层次和组成 结构，给后续章节按照组态部分、运行态部分、通信部分进行设计和论述打下了 基础。 3 根据实时数据和数据库的具体特点，确定了实时数据的逻辑结构和数据库 类型的选用。 4 根据软件工程应用的特点，选用了d e l p h i 作为软件的开发平台。 浙江大学硕士学位论文 第三章组态部分设计 集成监控的组态部分决定了监控的任务，即监测什么东西。由于组态层次和 功能的不同，组态也分系统组态、工位组态、流程组态、报表组态、变量组态、 模块组态和模板组态。 本章将在对组态的一般原理迸行介绍之后，逐一阐述以上各种组态的实现方 式。 3 1 组态的一般原理 组态，简单的讲就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体 任务的过程。与硬件生产相对照，组态与组装类似。如要组装一台电脑，事先提 供了各种型号的主板、机箱、电源、c p u 、显示器、硬盘、光驱等，我们的工作 就是用这些部件拼凑成自己需要的电脑。当然软件中的组态要比硬件的组装有更 大的发挥空间，因为它一般要比硬件中的“部件”更多，而且每个“部件”都 很灵活，因为软部件都有内部属性，通过改变属性可以改变其规格( 如大小、性 状、颜色等) 。 在