（机械制造及其自动化专业论文）生产及设备数据自动采集系统通讯技术的研究.pdf

摘要 摘要 在信息化制造中，数据采集和信息监视通常作用于生产管理层，提供了与 企业经营决策层和现场控制层的接口，实现了企业上层的商务软件与现场数据 的集成。在西方发达国家，信息化技术广泛的应用于生产线的开发。其中信息 化技术中来自最低层的，最直接的现场数据的采集技术的实现对整个生产线的 产品生产具有重要的意义。在德国，来自工作现场的数据主要反映在生产及设 备数据上。生产及设备数据反映了生产线中的现场生产情况和设备情况。我国 目前，在该领域的研究还远远落后与西方发达国家。大多数国内厂商在开发生 产线时，还没有意识或者没有落实生产及设备数据的采集。 本论文正是基于这个前提下，以德国博世汽车公司为例，解决博世汽车在 研发生产线时所遇到的生产及设备数据采集的一些前沿问题。主要为：博世汽 车完全自主开发具有较高自动化程度的生产线具备有生产及设备数据采集功 能，但当一些特殊情况下，博世从外部供应商引进一些生产线时，如何从这些 生产线中采集实时现场数据，并将其传输到博世标准的主控系统中，将变成非 常突出的问题。 本论文的研究基于博世汽车对这个问题的解决建立的完整项目方案，主要 负责其中生产数据数据数据采集终端与主控系统的通讯技术的研究。其具体开 发基于博世企业标准。 关键词：生产数据，设备数据，o p c ，数据采集终端，数据传输，p l c a b s t r a c t a b s t r a c t d a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e mu s u a l l yw o r ko nt h em a n a g e m e n tl e v e li nt h e m a n u f a c t u r i n g a r e a i t p r o v i d e s t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e w o r k i n gf l o o r i n g m a n u f a c t u r i n gl e v e la n dd e c i s i o n - m a k i n gl e v e la n dr e a l i z e st h ei n t e g r a t i o no ft h e m a n u f a c t u r i n ga n db u s i n e s s s i nt h ed e v e l o p i n go ft h ea s s e m b l yl i n em a n u f a c t u r i n g i n f o r m a t i o np l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e ，a n dt h ea b i l i t yt oa c q u i r ed a t af r o mt h e w o r k i n gf l o o rd i r e c t l yr e f l e c tt h ea c t u mq u a l i t yo ft h em a n u f a c t u r i n gl i n e h e r et h e r e a r et w ov e r yi m p o r t a n tc o n c e p t s ：p r o d u c t i o nd a t aa c q u i s i t i o n ( p d a ) a n dm a c h i n e d a t aa c q u i s i t i o n ( m d a ) ，w h i c hc o m ef r o mt h ea c t u a lw o r k i n gf l o o ra n dr e f l e c tt h e a c t u a lw o r k i n gf l o o ri n f o r m a t i o n t h e s ed a t as h o u l db ep r e c i s e l ya n dq u i c k l yg e t t e n b yt h em a n a g e rf o rt h ed e c i s i o n m a k e i nc h i n a ，t h er e s e a r c hi nt h i sf i e l di ss t i l la l i t t l eb e h i n d h a n d o nt h i sb a c k g r o u n d ，i nt h i st h e s i st h ea u t h o ru s e db o s c hc o m p a n ya se x a i ：n p l et o a c q u i r et h ep r o d u c t i o nd a t aa n dm a c h i n ed a t af r o mt h ea s s e m b l yl i n e c u r r e m l ym o s t o ft h ep r o d u c t i o nl i n e si nb o s c ha r ea b l et of i n i s ht h i st a s kd u et ot h es u c c e s s f u l d e v e l o p i n go ft h ea s s e m b l yl i n eb yt h ed e p a r t m e n ta t m o b u t o l l ep r o b l e mi st h a t s o m e t i m e st h el i n e sa r ei m p o r t e df r o mo u t s i d es u p p l i e r s ，w h i c ha r eu n a b l et ot r a n s f e r t h e s ed a t at ot h eb o s c hs t a n d a r ds e l a e l - s on o wt h ed e v e l o p i n gp r o j e c ti su n d e rt h e r u n n i n gt os o l v et h i sp r o b l e m t h i st h e w si so n e p a r to ft h i sp r o j e c ta n d i sr e s p o n s i b l e f o r t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es e r v c ra n dp n 刖m d at e r m i n a l t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt e r m i n a la n dt h ec o n t r o l l e ri nt h el i n ew i l lb en o tt h em a i n t a s ki nt h i st h e s i s a i lt h er e s e a r c hi sb a s e do l lb o s c hc u r r e n ts t a n d a r d i z a t i o n a n di nt h ee n do ft h e d e v e l o p i n gp r o j e c tt h er e s u l tw i l lb ea l s ot h es t a n d a r d i z e d k e y w o r d ：p d a m d a ，p d a m d at e r m i n a l ，d a t at r a n s m i s s i o n ，o p c ，p l c 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检 索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日z ，似北 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签学位论文作者签名： 名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名： 年月日 第1 章绪论 1 1 生产技术 第1 章绪论 1 1 。1 生产技术概论 伴随着2 1 世纪的来临，现代企业的生产制造发生了巨大的变化，生产技 术的概念也不断发展。传统的生产技术只包括了生产现场的机械加工技术和生 产工艺技术。随着人类生产力的发展，特别随着电子和信息技术的发展，对生 产技术的发展和概念的拓宽起着了决定性作用。目前，对生产技术的定义还没 有具体的标准，一般认为产品生产开发过程中所包括的所有技术的综合。生产 技术水平直接决定一个企业发展水平，是决定产品是否具有核心竞争力的关 键。正是由于这些原因，国内外对生产技术的研究一直非常重视。其中生产制 造集成技术和系统技术已经成为该领域的研究热点。生产制造集成技术和系统 技术涉及面很广。其中集成技术包括制造系统中的信息集成和功能集成技术( 如 c i m s ) 、过程集成技术( 如并行工程c e ) 、企业问集成技术( 如敏捷制造a m ) 等：系 统技术包括制造系统分析技术、制造系统建模技术、制造系统运筹技术、制造 系统管理技术和制造系统优化技术等等。 近年来，生产技术的发展已出现很多新的发展趋势。主要出现如下几点。 生产制造的全球化 近年来随着i n t e r n e t 技术的发展，生产制造全球化研究和应用发展迅速。 生产制造全球化包括的内容有：产品设计和开发的国际合作、产品制造的跨国 化、制造企业在世界范围内的重组与集成、制造资源的跨国家协调、共享和优 化利用。 生产制造的敏捷化 敏捷制造是一种面向2 l 世纪的生产战略和现代生产模式，当前全球范围内 敏捷制造的研究十分活跃。制造环境和制造过程的敏捷性问题是敏捷制造的重 要组成部分。制造环境和制造过程的敏捷化包括的内容很广，如：柔性、重构 能力、快速化的集成制造工艺等。 第1 章绪论 生产制造的虚拟化 生产制造的虚拟化是以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真 技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、人工现 实技术和多媒体技术等多种高新技术为一体，由多学科知识形成的一种综合系 统技术。它将现实制造环境及其制造过程通过建立系统模型映射到计算机及其 相关技术所支撑的虚拟环境中，在虚拟环境下模拟现实制造环境及其制造过程 的一切活动和产品制造全过程，并对产品制造及制造系统的行为进行预测和评 价。虚拟制造是实现敏捷制造的重要关键技术，对未来制造业的发展至关重 要。 生产制造的智能化 所谓生产制造智能化是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化 智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和 决策等。智能制造技术的宗旨在于通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延 伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，以实现制造过程的优化。 生产制造的网络化 当前由于网络技术迅速发展，给企业生产制造活动带来新的变革，其影响 的深度、广度和发展速度往往远超过人们的预测。基于网络的生产制造，包括 以下几个方面：制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成；制造环境与整 个制造企业的网络化，实现制造环境与企业中工程设计、管理信息系统等各子 系统的集成：企业与企业问的网络化，实现企业间的资源共享、组合与优化 利用；通过网络，实现异地制造。 生产制造的管理信息化 为了最大限度地发挥企业效率，使企业利润最大化，当前发达国家的企业 纷纷开始尝试最先进的信息化技术，提高企业产品创新能力和高新技术的含 量，实现“数字化制造”、“数字化工厂”。主要体现在生产制造过程中，积极 使用各种信息化系统如e r p 、m e s 等，实现现场信息收集及监控管理，负责生产 作业计划、管理与调度等“。 1 1 2 生产制造中的数据采集技术 现代制造系统的自动化程度高，加工工况、加工条件、加工类型等因素复 杂多变，为保证生产安全高效，产品质量优良，必须对现场设备、工艺、产品 2 第1 章绪论 质量及环境等参数进行实时采集，形成可靠、完善的信息监视技术以保证生产 过程的正常运行。柔性、健壮的信息监视技术对信息化制造系统来说至关重 要。其中工作现场产生的大量信息对企业监视管理有着重要作用，管理者可根 据这些信息实时制定生产计划和组织现场资源。如何将这些现场信息进行采集 变得尤其的重要。现场数据数据采集管理主要为监视、收集和组织来自人员、 机器和底层控制操作数据以及来自工序和物料信息，这些数据可由车间手工录 入或由自动方式获取，可根据实际设备开发要求和成本决定采集方式。在德国 工业界，现场信息的定义主要包括为生产数据、设备数据、刀具信息、物料信 息、生产工序信息以及人员信息。 其中，生产数据直接反映当前现场生产的生产状况，而设备数据直接反映 现场生产的设备状况。生产数据设备数据直接反映了生产现场中的生产和设备 信息，它们一般来自最底层的，但也是最直接的企业数据，是车间信息集成的 一个重要组成部分，对车间生产技术具有十分重要得意义，是企业决策人员做 出决策的重要参考标准“。生产数据设备数据能够正确反映如下信息： 故障数据的评估与分析 最佳化测量行为的监控 车间效率的分析和监控 生产状况显示 设备状况显示 1 1 3 现场数据采集技术发展状况 目前，许多国外知名企业在该领域的研究迈出了重要的一步。在欧美生产 技术中，除了重视传统意义上的生产技术系统以及管理经验的积累，很多企业 在开发或采购生产设备时，以及要求设备本身具备有较好的信息收集功能，能 够自动收集现场信息，为企业监控管理生产提供客观数据，提供分析。在此基 础上，应用一系列先进软件和管理方法，实现对生产的最优化管理，提高生产 和设备利用效率。并且，在目前的较好的管理基础上，仍不断扩展其管理概念 中的广度和宽度，使其始终保证其产品在市场上的优势。如西门子集团开发出 的用于动力传动系项目的移动控制信息系统( m c i s ) ，专门实现从现场采集各种 数据以及相关信息。m c i s 系统为通过将机械生产和装配的生产设施进行联网而 将信息相互连接而提供了一个集成解决方案。作为一种覆盖几个任务领域的集 第1 章绪论 成解决方案，m c i s 在生产过程内提供了一个控制、记录和评价平台。其主要包 括的模块为生产数据采集模块( p d a ) ，设备数据采集模块( m d a ) 等。p d a 模块建 立了e r p 系统与过程控制级之间的一种双向连接，它保证了次品零部件的注 册、数量或编号以及次品原因等与过程有关的数据的传输。m d a 功能包可自动 ( 在某些情况下也以手动方式) 记录设备数据和状态以及和零部件相关的信 息，并提供用于分析和评价该数据的各种功能。 我国近年来，对生产技术已经相对比较重视，许多企业纷纷采用各种管理 软件和采纳国外先进管理手段，实现企业生产的优化。但同时，在强调“软” 的同时，国内由于技术、观念等原因，又相对忽略“硬”，即设备本身具备的信 息采集功能及管理功能。而这一点上，也是国内研发一些大型生产设备时与国 外的差距。一些企业即使意识到这个的重要性，往往也是在设备开发好的基础 上，要求一些软件开发公司单独为其开发设备的现场信息系统，这往往又导致 设备本身与信息系统的兼容问题以及成本过高问题。目前国内，该领域技术比 较成熟的案例是北京机床研究所开发的j c s 车间信息集成技术，也具有较好的 数据管理功能和较好的国内市场。它包括一系列管理系统实现对数控机床的集 成管理。部分功能上已经基本接近国际水平。数据采集终端如图卜1 所示，可 直接安装在机床上的具有全字符键盘和液晶显示的现场数据终端，实现生产现 场工况数据的手动采集与汇报。在数控系统通过t c p i p 联入数据交换网络的情 况下，j c s e t h e r n e t ( v 4 0 ) 机床状态监控软件可以获取机床的完整状态数据， 从而获得更丰富的生产监控信息。j c s 系统中的生产线终端显示查询子系统 j c s s u p e r v j s i o n 是生产线管理系统中的总体信息监控模块，可以实时、形象 地反映生产线中的设备状况和生产状况。使用者可以随时查看各加工设备的运 行状态和操作记录等动态信息。实际应用中此模块可以安装于管理部门，也可 以放在生产线上作为生产线终端系统来使用。但同样，该系统也具有较多的缺 陷。最大的就是没有较好的兼容性，许多管理系统只适合与常规数据机床的信 息管理。并且，这里数控系统中的数据采集都是采用手动采集的方式获取，不 具有较好的可靠性及实时性，对大规模生产数据管理根本不可能适应。 4 第1 章绪论 图卜1 ；数据采集终端m d n c 0 5 1 2 标准化 2 1 标准化的概念 标准化是以在给定的范围内达到最佳秩序为目的，对实际的或潜在的问题 制定共同的和重复使用的规定的活动。标准化是企业组织生产，实行科学管理 的基础和手段。机械工业企业转换经营机制，采用先进制造技术必须加强企业 标准化工作，这是企业实现由粗放式经营向集约化经营转变必不可少的基础措 施。 1 2 2 企业标准化的作用 企业标准化是建立企业现代制度的基础，提高产品质量，改善经营管理、 增强企业竞争力的重要手段。企业标准化的作用主要表现于三个方面：标准化为 企业产品设计开发、生产制造提供技术依据，促进产品质量的提高与企业技术 进步；标准化是提高企业管理水平、实现管理科学化的技术基础，促进企业组 织系统的有效运行；标准化是提高企业市场竞争力和经济效益的技术手段。 生产技术中的标准化工作是柄双刃剑，开展得好，有助于发展生产技术， 节省生产成本；反之，则成为制约因素。事实上，标准化工作中的问题，已经 给企业生产带来了巨大影响。比如，由于标准技术水平偏低，使得产品缺乏竞 争力。产品虽然符合标准，但不能满足市场需求，造成了产品积压和资源浪 费。标准水平高，生产的产品具有极好的质量，满足市场需要，为企业发展做 出重要贡献。 第l 章绪论 1 2 3 我国生产技术中的的标准化发展现状及分析 经过几十年的努力，生产技术中的标准已形成了体系，在我国企业生产技 术中从无到有、从d , n 大的发展过程中，发挥了积极的作用。但是，与发达国 家相比以及于企业生产技术真正需求相比，生产技术领域中的标准适应性差、 竞争力弱，存在两个“脱节”，即标准与市场脱节、标准与科研脱节。 标准与市场脱节，主要表现为现行标准不能满足市场需求，而市场需要的 标准又不能及时制定和修订。而大多生产型标准，普遍存在规定过细、过死， 设计具体加工工艺过多的现象，缺乏必要的用户选择权和技术包容性，客观上 给企业采用新技术、新工艺造成了障碍，也增加了企业的管理成本和交易成 本。 标准与科研脱节，主要表现为标准技术含量偏低，设备和制造工艺落后。目 前，我国生产技术中的许多标准，一方面标准中的大量技术数据和指标直接或 间接来源于国外标准、产品样本，缺乏科学技术研究的支持，缺乏专有技术和 自有知识产权；另一方面标准制定游离于实际需求之外，标准缺乏前期研究， 缺乏适时采用最新科研成果的动力和机制。 因此，加强生产技术标准工作，提高标准化水平已刻不容缓。我国生产技 术标准化的发展可以遵循以下原则： ( 1 ) 市场导向原则 生产技术中的标准化工作必须根据市场需求确定发展重点方向，解决标准 与市场脱节问题，从而不断增强标准的适应性。 ( 2 ) 突出重点原则 生产技术中的标准化工作必须有所为，有所不为。要整合资源，集中力 量，围绕对国民经济发展全局有重大影响、有可能成为新的经济增长点的产业 和产品开展标准化工作，并将其作为近期的工作重点，从而优化标准体系的结 构。 ( 3 ) 技术进步原则 标准化工作必须加强与科技工作的结合，使标准成为优化生产的桥梁，促 进生产技术技术进步和产业升级。同时，通过提高标准技术水平，配合技术法 规的实旅，限制或者淘汰处于寿命衰退期、技术水平落后、严藿污染环境的产 品。 第1 章绪论 ( 4 ) 国际接轨原则 生产技术中的标准化工作必须按照世贸组织的要求和规则来展开，切实加 r 快采用国际标准和国外先进标准的步伐，为提高我国企业生产技术服务“。 1 3 论文来源，背景以及主要任务 1 3 1 论文背景 罗伯特博世有限公司总部位于德国斯图加特，是全球前一百强企业， 2 0 0 5 年销售总额达4 0 0 亿欧元。博世的产品涉及汽车技术、工业技术、消费品 和建筑智能化技术等领域。汽车技术部包括汽油系统、柴油系统、底盘系统、 能源及车身电子系统、汽车多媒体、汽车电子、采埃孚转向机系统和售后市场 等八个部门。为了给博世各个事业部门提供全球最先进的设备生产线，保持博 世核心产品的全球领先地位，罗伯特博世有限公司于1 9 9 4 年成立了a t i o 事 业部，专门负责博世设备生产线以及专用设备的研发。2 0 0 5 年a t m o 的营业额 已达到4 3 亿欧元。图卜2 展示的就是a t m o 研发的用于柴油系统( d i e s e l s y s t e m ，d s ) 喷油器的标准生产线解决方案，目前己在全球d s 部门推广。 图卜2 ：博世喷油器系统生产线以及单个生产站 作为全球最大的汽车零部件企业，博世在汽车工业标准化发展上一直走在 世界前列。目前，博世公司己自行开发出具有独立产权的多个标准。而作为博 世汽车工业母体的a t m o 部门，更为博世标准化做出了重大贡献。a t m o 单独成 第1 章绪论 立了部门，专门负责a t m o 设备生产线中的各标准制定。目前，许多a t 标准 已经成为博世标准，在博世各个事业部进行推广，并作为众多博世供应商向博 世提供原材料的依据。 当前，博世公司各个事业部大多数的生产线直接由a t m 0 进行研发。在这些 生产线研发过程中，a t m o 已经为各个生产线提供了a t m o 成熟的标准化的解决 方案。其中，就包括在研发过程中直接开发系统系统功能模块到生产线中。同 样，也包括从这些生产线中自动或者手动采集生产和设备数据到数据服务器 上，并在全球博世网络服务器中获取管理信息数据。现场数据的采集传输主要 是通过a t m o 自主开发的工作站中的控制系统完成。然而在许多情况下，a t m o 并不可能满足博世各事业部生产的需要，或者在一些特殊情况下，为了更有利 于成本的节省和优化配置设计人员资源，a t m o 仍需要从外部供应商那引进部分 生产线直接进行改造，使其更好的服务于各事业部的发展。在这种情况下，一 个非常突出的问题就出现了，就是如何将这些外部引进的生产线，融合到a t m o 目前的标准方案中。正是在这种背景下，a t m o 已经开始致力提供一系列新的方 案来解决这个问题，并在这些解决方案成熟时，将其正式的纳入标准。其中包 括从这里外来设备中采集生产数据设备数据传输到主控系统中的标准方案。目 前，a t m o 已经开始着手准备生产数据设备数据传输标准解决方案的开发，其 主要有下列三个阶段： 1 实现非a t m o 标准的生产线上的生产数据设备数据向标准服务器的可传输性 以生产线中控制器为西门子产品为先导，论证外部引进的生产线向 a t m o 目前数据采集处理服务器可传输性 成功实现a t m o 引进的大多数生产线生产数据设备数据的可传输性 2 在可传输的基础上，实现传输信息的完全正确性和实时性 3 制定标准 1 3 2 课题来源及主要任务 本课题来自a t m o 部门该标准化研究课题第一阶段的第一步，实现从西门子 控制器中生产数据设备数据采集的可行性。其研发课题为：m o b i l e so p c o n t e r m i n a lz u re r f a s s u n gu n dw e i t e r g a b ev o t lm a s c h i n e n z u s t n d e nr b d e m d e ) a n s y s t e m ed e rf e r t i g u n g s l e i t t e c h n i k 。 实现生产数据设备数据采集关键有二大任务，第一是如何建立生产线中数 第1 章绪论 据采集终端系统与生产线中每个生产站控制系统之间的通讯，第二是如何建立 终端系统与服务器之间的通讯来传递数据信息。而a t m o 部门一些相关工程师以 及和西门子公司一一些工程师已经开始着手于a t m o 数据采集终端系统与生产线中 西门子控制器通讯的研究，这个工作将在2 0 0 6 年年底完成。而本论文的主要任 务就是以博世自行研发的控制系统v e p 3 0 为例，作为数据采集终端，实现终端 系统与服务器之闯的通讯。因此，本论文中，来自现场的实际生产数据设备数 据将通过手动方式输入到终端系统v e p 3 0 中。 基于这一主要目的，本课题主要实现如下任务： 制定生产数据设备数据的定义及其采集技术规范 明晰a t m o 设备生产线开放控制技术以及数据管理的概念 明晰a t m o 在控制技术以及数据管理标准化进程 阐述数据采集技术及其采集系统性能分析 基于当前数据管理标准平台，提出以v e p 3 0 控制器为例，生产数据 设备数据采集系统及各个子系统 结合a t m o 标准规范，开发通讯关键单元，实现v e p 3 0 与数据服务器 之间的通讯 在v e p 3 0 中设计用户界面，用于用户手动输入生产数据设备数据 获取结论并分析后续改进 本论文在德国斯图加特搏世公司a t m o 总部e e s l 2 部门完成。 1 4 本章小结 本章首先介绍了生产技术的概论，现场数据采集技术在国内外的发展状 况。接着。本章还介绍了生产技术中的标准化的重要性。最后，结合前面介 绍，笔者介绍了该论文的写作背景以及论文主要任务。 9 第2 章生产及设备数据采集技术 第2 章生产及设备数据采集技术 2 1 数据采集技术概论 数据采集技术是现代信息科学的重要分支之一，研究生产过程数据的检测 采集、存储、处理和控制等问题，是一门以传感器、信号测量和计算机等为基 础的综合应用技术。在智能仪器、信号检测与处理及工业自动化领域，都存在 着信号测量的问题，将被测对象( 外部世界、生产现场) 的各种参量( 温度、压 力、流量、位移、物位等) 检测采集到后，转换为数字信号，送到计算机存储、 处理和分析等，这一过程称为“数据采集”，相应的系统称为数据采集系统 ( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) ，典型的数据采集系统的结构如图： 上位机 ，1 八数据采集 k 过程现场、r 叫 系统 、r 1 7 图2 - 1 ：数据采集系统的结构 数据采集系统主要由两部分组成：采集子系统和计算机子系统，即下位机智 能数据采集系统和上位机系统。采集子系统实现将客观世界被测对象信号采集 和转换为能被计算机处理的数字信号的功能等：计算机起着对采集数据的存储 和处理、统计分析，提供人机接口及与其他计算机的数据通信和交换的功能。 数据采集和监督控制系统( s c a d a ，s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统是计算机应用于生产过程控制的较简单的形式。这种系统大 量、集中地反映生产过程参数( 如温度、压力、流量等) ，通过检测装置与输入 通道的转换变成数字信号，进入计算机并经过计算机作数据运算和处理。被采 集的信号中，可以包括大量反映生产状况和设备运行状态的信号。这些信号被 采集进来后，经计算机存储和处理，动态显示于工艺流程图上，操作人员通过 计算机实现集中监视、自动记录，方便地获得生产现场的数据和信息。系统运 i o 第2 章生产及设备数据采集技术 行时，收集和存储了大量反映生产过程状况的实时数据或者历史数据，可供生 成和打印各类报表，或在发现过程变量值越限与异常时发出声光报警信号，或 在发生故障时作记录，在系统事故之后作追忆打印等。 在数据采集系统的基础上，计算机不仅执行工艺过程分析、参数优化计算 及决策判断和工艺过程趋势分析，还将信息提供给操作人员据此做出相应操 作，如改变回路控制器的设定值，或者给执行机构一个信号，此时的计算机对 人的操作起着指导性作用。可见，数据采集系统是保证生产过程或产品达到优 质、高产、低耗、安全减轻劳动强度、改善劳动条件、提高劳动生产率的首要 条件和重要手段。 2 2 数据采集系统的特点 生产过程的数据采集系统需要达到的性能和系统的特点有如下几点： 数据采集系统的实时性特点 实时性是指基于计算机的工业数据采集系统应具有的能够在限定的时间内 对外来事件做出反应的特性。工业控制计算机及监控管理软件具有时间驱动能 力和事件驱动能力，即在按一定的时间周期内对所有事件进行巡检扫描的同 时，可以随时响应事件的中断请求。实时性要求计算机有多任务的处理能力， 以便将测控任务分解为若干个并行执行的多个任务，加速程序执行速度。将变 化并不显著、即使不及时做出反应也不至于造成影响或损害的事件，作为顺序 执行的任务，按照一定的巡检周期有规律地执行，而把保持时问很短且需要计 算机及时做出反应地事件，作为中断请求源或事件触发信号，为其专门编写处 理程序，保证在该事件触发时计算机可以立即响应。 数据采集系统的适应能力 无论是大规模的生产过程数据采集系统，还是普通的多路信号采集系统， 只要采用分布式结构，都可以通过选取适当数量的智能模块设备来构成相应规 模的系统，这样的系统实现易于扩展和维护。在计算机、数据采集和控制设备 正常工作的情况下，如果电源供应正常、通信线路畅通以及设备状况良好时， 系统可稳定可靠地长期运行。各个数据采集站并联挂接到总线上，若某个模块 或模块的某个回路故障或者电源中断，只影响该模块所连接的变量的采集，不 会对总线上其它设备造成干扰和影响。 第2 章生产及设备数据采集技术 2 3 数据采集系统的结构形式 数据采集系统有多个结构形式，其中分布式数据采集系统是目前大规模数 据采集中应用最广泛的一种结构。分布式数据采集系统是数据采集技术、计算 机技术和通信技术综合和发展的产物，基于“分散采集，集中管理”的思想设 计的系统结构形式，由若干个“数据采集站”和上位机以及通信接口组成。分 布式数据采集系统结构如图所示，处于分散位置的数据采集站相当于小型的集 中数据采集系统，一般是基于一些智能控制器，位于被测对象附近，可独立完 成数据采集和预处理任务，并将采集的数据传送给上位机。 采用总线构成的分布式数据采集系统与控制网络设备简单，可适应不同地 理位置采集现场的需要，系统成本低，易于工程实现，维护和扩展方便。目前 对于较大规模的数据采集场合一般都采用分布式结构，根据不同的数据采集工 作原理、结构形式和性能特点，分布式数据采集系统的设计和实现中一般都采 用一些智能控制系统作为数据采集终端，采取上下位机的连接方式，从而构成 分布式数据采集系统。分布式数据采集系统结构如图2 2 “。 图2 - 2 ：分布式数据采集系统 2 ，4 生产及设备数据采集技术 第2 章生产及设备数据采集技术 2 4 1 生产及设备数据采集概述 生产及设备数据不同从某些智能仪器中采集相关分析数据，它们直接反映 生产状况和设备运行状态。该数据采集的设计并不是常见的将设备中的模拟量 转换为相关数字量，而是直接以事件的形式来表述当前工作现场状况。目前， 在德国对生产数据设备数据所包括的具体现场信息的定义还没有进行统一， 许多公司自行根据开发要求进行了单独定义。在a t m o 当前生产及设备数据概念 中，其主要包括现场生产线六个主要事件：生产线操作状态、生产线当前工作 状态、产品类型改变、生产线故障、生产线堵塞、生产线工件丢失。数据的传 输直接以事件报文格式传送到服务器中进行储存以及相关处理。操作人员通过 计算机系统对事件的处理直接获取这些事情具体属性，从而做出相应的监控反 应。 在自动化程度较高的生产线中，要进行大量的数据传输与管理。数据必须 经过采集、处理、存储才能产生有用的信息提供给决策者。因此，生产及设备 数据如何能够快速、及时、准确、可靠的传输到计算机系统中是极其重要的。 人们常用“进去的是垃圾，出来的也是垃圾”来形容由于原始数据的不准确而 引起的错误信息的现象。因此，生产及设备数据的准确性和及时性对管理者通 过网络客观了解现场生产状况有着极其重要的意义。 在生产及设备数据采集中，通常有两种类型，一类是自动采集，一类是手 动采集。自动采集是该领域研究目标，许多自动化程度相对比较高的企业都积 极努力实现数据的自动采集。但同样，由于大多数情况p l c 系统，d c s 系统来 自不同企业，有着不同的通讯协议，使得其开发具有较大的难度。并且，自动 采集中要求较强的实时性和可靠性，如何优化程序的质量也是个难题。使得 其自动采集很少能够在一般企业进行推广。第二个比较简单的做法就是采用手 动采集。手动采集相对而言比较容易实现，不需要对系统硬件进行开发。但缺 点就是不能实时反应生产状况，并且存在操作失误。使其结果不能正确的反应 现场生产情况。 在德国斯图加特的机床产业群，生产研发自动化程度较高的流水线，大多 数企业都必须考虑生产及设备数据的准确传输。在德国市场，也有很多企业专 门负责生产及设备数据采集终端的开发，许多终端系统并且可直接安装于生产 线中，只负责整个生产线上的生产及设备数据采集与处理。基本采集原理大致 相同。 第2 章生产及设备数据采集技术 2 4 2 生产及设备数据采集系统的一般组成 生产及设备数据的采集系统，通常由四部分组成：数据采集部分、数据传 输部分、数据存储部分以及数据管理部分。结构如图2 3 ： 图2 3 ：生产及设备数据采集系统 数据采集部分 从生产线中收集生产状况及设备状况信息，由生产及设备数据采集终端完 成。通过生产及设备数据采集终端，直接向生产线中各个工作站采集数据。目 前在德国，由于还没有制定该方面的标准，使得面对众多不同硬件的时候，如 何使得各种生产及设备数据采集终端的采集接口与硬件匹配，也是一个亟待解 决的问题。主要难度体现在：生产及设备数据终端在面对不同的硬件时，都需 要分别为其编写通信接口程序，工作量极大。a t m o 自主研发的生产线中，生产 及设备数据采集的标准规范为：生产线中每个工作站统一使用博世基于p c 式 p l c 系统，能够独自作为生产及设备数据终端。通过在该p l c 中编写程序，可 直接获取单个工作站中的数据。这样就避免了单独的生产及设备数据终端系统 与工作站控制系统的通信难题，避免了单个工作站中的控制系统与单独的生产 第2 章生产及设备数据采集技术 及设备数据终端之间的通讯接口程序的编写。并且采用了分布式数据采集结 构，使得整条生产线中的生产及设备数据结构非常的清楚。 数据传输部分 将生产及设备数据从数据采集终端传输到服务器中。必须有一定的通讯网 络来传输数据。目前广泛应用的是现场总线技术以及以太网通讯技术。现场总 线投术由于其彻底的开放性、分散性和完全可互操作性等特点，正成为未来新 型工业发展方向之一。然而由于目前现场总线技术没有一个统一的国际标准( 目 前的现场总线国际标准i e c 6 11 5 8 ，包含了8 种不同类型的现场总线) ，不同现 场总线的通信协议有很大差异，要实现不同总线产品间的互联及数据传输非常 的困难，但具备较好的传辕实时性和可靠性。以太网以它的低成本、开放性、 广泛的开发和应用软、硬件的支持，使之成为目前应用最广泛的网络技术。以 太网的发展最重要的是提供网络传输的实时性和可靠性。 数据存储部分 将传输到服务器中的数据储存到数据库中以供数据管理层使用。对于自动 化程度较高以及生产批量较大生产线，由于每天都有大量数据要储存到数据库 中，一般都需要使用大型数据库系统。数据库设计是指对于一个给定的应用环 境，创建一个性能良好、能满足不同用户使用要求、又能被选定的数据库管理 系统( d b m s ) 所接受的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地 存储数据，满足用户的信息要求和处理要求。也就是把给定的应用环境( 现实世 界) 内存在着的数据，根据各种应用实现的要求，加以合理地组织，逐步抽象成 已经选定的某个数据库管理系统能够定义和描述的具体数据结构的过程，以便 根据这结构建立起既能反映现实世界中信息和信息之间的联系，满足应用系 统各个应用处理要求，又能被某个( 或已选定的) d b m s 所接受的。能够实现系统 目标的数据库。在分析和表达用户需求时，常使用结构化分析法( s t r u c t u r e d a n a l y s i s 简称s a 方法) 。s a 方法用自顶向下，逐层分解的方式分析系统，用数 据流图，数据字典描述系统。任何一个系统都可抽象为如图2 - 4 所示的结构。 第2 章生产及设备数据采集技术 图2 - 4 ：结构化分析法 数据管理部分 数据管理功能运行于与服务器联网的管理计算机上，实现对数据库中的数 据集中管理监视。在管理计算机上，可根据生产及设备数据实现对现场生产以 及设备进行统一监控。通常管理计算机与数据服务器实行网络连接，可以分散 的在内部网络中实行对生产现场的管理。控制界面的开发通过直接对数据库中 数据的读取，以图表、文字等实行描述当前状况。 2 5 博世- a t 帅生产数据管理 a t m o 生产数据管理系统是个整体概念，它不仅仅包括对单个工作站上的数 据管理，也包括整个生产线上的数据管理。数据处理主要集中于单个工作站上 数据采集以及整个生产线控制系统对数据的处理分析。数据管理主要表现在 p l c 以及数据服务器上。数据管理硬件结构如图2 - 5 ： 图2 5 ：a t m o 数据管理系统 1 6 第2 章生产及设备数据采集技术 2 5 1p l c 控制器 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，主要是实现许多处理过程 的自动控制，例如控制工作站和工厂装配系统。它采用了可编程序的存储器， 用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用 户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产 过程。a t m o 生产线中的可编程控制器硬件都是来自博世公司力士乐集团。而许 多相关接口程序以及软件二次开发都直接由a t m o 完成。博世自主开发的p l c 控 制器为典型的开放式控制，使得生产自动化变得更多产，更灵活，经济效益更 高，并能够将运动，逻辑以及人机界面有效合理的结合实现最优机电控制。在 小型工作站以及小型生产线控制中，般都采用传统p l c 控制系统l 2 0 和l 4 0 系列。而自动化程度较高的场合下，一般采用基于p c 式控制系统v e 和v p 系 列。如图2 - 6 。 s c a l a b l eo p c o nc o n t r o lt e c h n o l o g y 图2 6 ：a t m o 控制系统 基于p c 式控制系统v e 和v p 系列p l c 系统具有强大的数据管理功能。每个 p l c 系统能够实现对单个工作站中各类数据进行统一有效管理。a t m o 自主丌发 的i n d r a l o g i c 编程软件具有可靠的通讯能力、强大的编程功能以及卓越的诊断 能力、监控自力、运行控制功能。i n d r a l o g i c 能够实现对现场工作站数据实时 采集与传输。在p l c 控制层次上，可实现如下数据管理功能： 通过编程实现对现场数据采集 实现p l c 和人机界面的信息流传输 实现信息传输的最优化 第2 章生产及设备数据采集技术 通过对p l c 的操作实现数据的下载和保存 用户可自行配置人机界面所需数据 数据记录可以独立定义 p l c 硬件上保存有每个数据记录的独立目录 2 5 2 主控系统 主控系统是整个生产线的大脑，负责承担了数据管理、车间数据采集、报 警、趋势、数据记录及报表等工作。管理员通过主控系统可详细了解整个车间 的生产运行情况，下达操作控制指令指挥整个车间的生产，以实现车问自动化 控制。a t m o 主控系统为a m s 系统，硬件图如下。组态配置软件为a t m o 自行开 发的o p c o ns e r v e rs y s t e m ( o s s ) ，该软件是高度集成、基于组件并用于监视和 控制线上设备和人机界面监控软件，能根据各个生产线自身特点对其进行配 置。主控系统硬件外形如图2 7 。 图2 7 ：a t m o 主控系统 a m s 主控系统主要实现以下功能： ( 1 ) 控制操作：在主控系统中实现对整个生产线在线实时控制。 第2 章生产及设备数据采集技术 ( 2 ) 显示功能：统一使用微软的w i n d o w sn t 操作系统标准，用实时显示各工作 站运行工况，动态显示各种信号的数值和范围清单。 ( 3 ) 数据采集管理：能从工作站中自动采集到各种数据，建立o r a c l e 生产数据 库、操作信息库、故障信息库。 ( 4 ) 数据处理：所有数据统一在主控机上进行处理，利用采集数据计算主要生 产指标。 ( 5 ) 报警功能：当装配线出现故障时，装配线停止运行，并把故障信息输入到 报警表，屏幕显示报警信息，打印机输出报警信息，声光报警，并可依据报警 信息推出相应的动态画面。 ( 6 ) 报表功能：包括即时报表、日报表、月报表、年报表。 ( 7 ) 安全功能：按不同操作级别分级加密，并记录操作入的员工号和所有操作 信息。 r 口0 1 ( 8 ) 打印功