（控制理论与控制工程专业论文）橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究.pdf

橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究摘要利用嵌入式系统和以太纠技术对传统的检验设备进行了信息化改造，实现了对分散信息的收集和实时监控与管理。本文是通过嵌入式系统的开发和应用，以b l 2 0 0 0 嵌入式系统为基础通过以太网将分散的橡胶检测仪表连到公司的企业网上。本文以应用为主，并辅以相关知识的简要介鲻。本文首先对嵌入式系统做了一个简单的介绍然后就嵌入式系统的一些特点或者说是优点与单片机、普通的p c 机以及p l c 作了相关比较，鳋终分析认为嵌入式系统最符合奉设计要求。接f 来就是按设计要求进行开发和应用，本课题主要涉及嵌入式系统、a d 采样和网络通讯。通过b l 2 0 0 0 采样并经过相应的处理和存储，然后通过以太删按约定格式输出到上位机。采剧p i d 控制算法并实现了对温度的控制。关键词：嵌入式系统：b l 2 0 0 0 ；以太刚；管控一体化；p i d 控制；微内核“c 0 s -j ia d o u tr u b b e ra n a l y s ea p p a r a t u st h ed i s p e r s i o ni n f o r m a t i o n sg a t h e ro ft h es y s t e m sr e s e a r c ha b s t r a c tt h i st e x ti sc o n e e r n i n gt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l yo fe m b e d e ds y s t e m ，a n di sb a s i ct od e v e l o pt h et e r r a c ei n t ot h eb l 2 0 0 0e m h e d e ds y s t e mo nw h i c ht h ed i s p e r s em e a s u r ei n s t r u m e n t sw o u l db el i n e dt oc o m p a n yn e tt h r o u g he t h e r n e t t h i st e x tr e g a r d sa p p l i c a t i o na sp r i n c i p l e ，a n da s s i s t sw i t ht h es y n o p s i si n t r o d u c t i o no ft h er e l a t e dk n o w l e d g e t h i st e x tg i v e sa ni n t r o d u e t i o no fe m b e d e ds y s t e ms i m p l e l yf i r s t ，a n dt h e nm a k e st h er e l a t e dc o m p a r i s o nw i t hs i n g l es li c ec o m p u t e r ，t h ep cm a c h i n ec o m m o n l y u s e da n dp l co ns o m ec h a r a c t e r i s t i c s e so rs a y i n gt h a ts o m ea d v a n t a g e so fe m b e d e ds y s t e m 。f i n a ll yt h r o u g ht h a ta n a l y s i sig e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ee m h e d e ds y s t e mm a t c h st h i sd e s i g nr e q u e s tm o s t t h en e x ts t e pi st op r o c e e dt od e v e l o pw i t ha p p li c a t i o na c c o r d i n gt od e s i g nr e q u e s t 。t h i st e x tp r i m a r i l yi n v o l v e st h ee m b e d d e ds y s t e m 、a da d o p t i o na n dc o n n u n i c a t i o n t h es i g n a la d o p t e db yb l 2 0 0 0w e r ed i s p o s e da n dm e m o r y e d ，a n dt h r o u g ht h ee t h e r n e to nt h ee m b e d e ds y s t e mt h ec h e c k o u tisr i g h t t h ea d o p t i o nv a l u ew i l l b eo u t p u t t e dt ot h em a c h i r ea c c o r d i n gt oe n g a g e m e n tf o r m a t a tl a s tt h e r ea r et h ep r o c e d u r ef l o wc h a r ta n dt h ew h o l ep r o c e d u r ed e s i g nc o n c e r n i n gt h i sd e s i g n 。k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；b l 2 0 0 0 ；e t h e r n e tt e c h n i q u e ；c o n t r o la n dm a n a g e m e n to fi n t e g r a t i o n青岛科技大学研究生学位论文h u 舌由于现代市场经济的飞速发展，参与市场的竞争能力问题、规模化带米的管理控制问题、降低成本的问题、提高效率的问题逐渐成为每一个企业发展过程中所囱临的问题。而企业信息化就很好的解决了这些问题。一个好的信息系统通过信息流的畅通，信息的及时反馈，报警的处理和分析，操作指导等可以促进提高人的执行能力。但要实现企业的信息化，则首先要对工厂底层的数据信息要进行收集。与此同h j 在经过了很长一段利涮的快速发展，尤其是作为过去十年i t 发展的推动力以后，以p c 为代表的通用计算机系统出现了发展缓慢的趋势；与此同日j ，新型i r 产业的发展要求越来越多的设备具有小型化、智能化的特点。为适应这一- 发展趋势，在计算机系统的应用过程中发展了这一类特殊的系统嵌入式计算机系统，即嵌入式系统。由于具备简洁、高效的特点，在过去几年，嵌入式系统表现出了强劲的发展势头；随着二十一世纪的到来，i t 业迎来了一个崭新的、以嵌入式系统为核心的“后p c 时代( p o s 卜一p ce r a ) ”。作为崭新的、面向应用的计算机系统，嵌入式系统在集成了通用计算机系统的共性以外，还包含了很多适合“嵌入式”应用的新技术；因此，嵌入式系统的发展越来越多地受到人们的普遍重视，其强大而灵活的l 】丁应用性得到了计算机、通信和信息等产业的广泛认可，其应用已经扩展到前所未有的广泛领域。嵌入式系统地出现与发展将真正实现计算机的“无处不在”。嵌入式系统本身是一个相当分散的工业，典型特征是面向用户、面向产品、_ 曲向应用的，市场应用彳是嵌入式系统开发的导向和前提，在当前的嵌入式市场中不存在垄断的局面。嵌入式计算机市场也是计算机市场的重要组成部分，芯片级嵌入式计算机数量将远远大于台式机，单板机微控制器产量达几十亿片，嵌入式计算机也将用于通讯控制、汽车电子设备、机电一体化产品。国内嵌入式计算机有巨大的市场。橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究首先家用电器数字化，计算机通信与消费类产品的结合，所谓3 c 产品需求量数以千万台计。其次工业控制、通讯控制、智能仪器、手持式移动电话、掌上型电脑、汽车电子装置、商用终端等对嵌入式计算机每年总需求量也要干百万台；教育电脑、学习机、记字本每年需求量亦在几十力台至几百万台。到2 0 0 5 年我国嵌入式计算机将创造2 0 0 0 2 0 0 5 亿元的效益，嵌入式计算机是信息产、新的经济增长点。嵌入式计算机将向网络化、智能化、规范化、集成化方向发展。随着微处理器、半导体工艺技术的发展，嵌入式计算机向高性能、低功耗、平台源代码公开化方向发展。无论家剧、工业用、军用都将更普及，在营造数字化中国的过程中将发挥不可替代的巨大推进作用。提到列络技术，人们就容易想到伴随p c 而产生和发展的互联网。互联网技术随着i p c 的发展逐渐深入到企业管理和控制过程之中，从而使控制系统与管理系统的结合成为必然。为使企业形成自身发展所需要的最佳解决方案，提高企业的生产效率，增强市场竞争力，就必须发展管控一体化的系统集成技术和系统。自动化技术发展方向就是通过以太恻和w e b 技术，实现开放型分布式智能系统，基于以太网和t c p i p 协议的技术标准，提供模块化、分布式、可重用的自动化方案。2青岛科技大学研究生学位论文第一章绪论1 1 工厂信息化的研究背景与现状工业自动化的发展随着社会技术的进步，从理论研究、技术实现、工程应用不断发展、演变，经历了不同发展阶段。2 0 世纪6 0 年代前，以经典控制论为基础，开发并应用了常规自动调节仪表，完成设备级的自动化，控制要求是安全平稳、控制系统简单独立。6 0 8 0 年代，以现代控制理论为指导，大规模分散式控制系统得以应用，实现生产过程的自动化。自动控制的要求是优质、高产、低消耗。9 0 年代以后，在控制理论应用中出现了许多学科交叉、控制论、信息论、系统论、智能论、协| 司论等；新技术不断出现，控制系统都是以计算机网络为核心的综合自动化系统，可以认为是工厂自动化、企业自动化、管理自动化，这些都是广义自动化系统或综合自动化系统列自动化的要求是满足综合性指标，如市场预测、快速响应、柔性生产、创新管理、提高企业效率、增强企业市场竞争力。随着信息技术的小断应用，每个人都面对许多信息，这些信息大量的以不同形式，如纸张、照片、软盘、光盘等，不同格式，如文本、c a d 形式等，不同软件平台，存在于不同地点。列于生产管理者的挑战，是如何随时随地实时获取管理者关心的合同情况、效益、成本、原材料消耗、生产报告、维修记录、现场橛貌等信息。而剐于过程管理者的挑战，是如何将现场流程图、报警信息、产品资料、维修记录、生产报告、标准操作规程等信息实时组合，以分析过程状态，保证生产计划的实施与生产任务的完成。刘于设备管理者来讲，其挑战是确保设备利用率，他关心的是如何获取报警信息、控制逻辑、现场状态、产品资料功能描述、仓库状态、动态支出等信息，利用这些信息进行预测性维护，资产优化。企业生产出来的最终产品，企业的营销市场部门则对生产订单、生产日程表、产品描述、质量报告以及市场的股价来评定最终产品价值、竞争性及市场策略。所有以上这些信息在企业中都是存在的，而人们所追求的是，在正确的时间，正确的地点，为适合的人提供正确的实州的信息。事实上工业企业的信息集成也经历了不同的阶段。企业中的信息管理可分橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究为：关系管理、企业管理、工j 管理、自动化和控制不同层次。9 0 年代，自动化控制依然是传统的控制及仪表系统，工厂管理系统是离线的报表系统，企业管理也是一样，关系管理则存在多种不同的软件平台。到了2 1 世纪，整个信息管理已出现了松散型的集成。自动化控制已融入了部分管理功能，工厂管理和企业管理合并为一体形成业务流程管理，而关系管理则形成电子商务集成模式。现在的工业企业的信息集成已经到了将业务运作和过程控制一体化的时代，即i n d u s t r i a l i t 时代。1 2 选题目的及意义传统的现场层设备与控制器之问的通信采用一刘一一连线的方式，传输4 - 2 0 m a 2 4 v d c 信号。这种通信技术信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工，一中的“信息孤岛“，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。如果通过以太网改造，使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。理论上此系统采用集散控制系统。它采用分级阶梯控制以及分散控制，其优点为各个分级具有各自的分工范围，并且相互之间又有协调。而且分散控制还包括人员分散、地域分散、功能分散、危险分散、设备分散及操作分散等。分散的目的是使危险分散，并且也提高设备的可利用率。这使分散控制具有可靠性高，并且易于扩展。而集中管理则使上层领导通过网络对所需的内容进行调阅并且也可通过网络实现工业生产调度管理，实现企业生产的实时监督和管理办公自动化，具有集中监控、管理、保护、现场联锁等功能。即实现检测分散、管理集中的思想。在设备上在底层主要使用嵌入式系统，将各仪器连入嵌入式系统再将其连入公司以太网中。而使用嵌入式系统的好处是：高可靠性；在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作：许多嵌入式应用要求实时性，这就要求嵌入式操作系统具有实时处理功能；嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的开发换代也是和具体产品同步进行：嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高4青岛科技大学研究生学位论文可靠性，一般都固化在只读存储器或闪存中，也就是说，软件要求固态化存储，而不是在磁盘等载体中。在实践中，现在市场上橡胶检测仪器颇多，例如有门尼粘度仪、硫化仪、钢丝压延机等，他们在个体上相对独立，即一个测试仪器就要用到一台p c 机，而这些参数在橡胶轮胎的生产过程中又是相当重要的。这在资源上会造成很大的浪费。而且在测试过程中控制范围大、控制点多，导致信息比较分散因此在生产指导以及生产决策上对上层领导来说都产生很大的不便。如果采用分散集成系统的话，就可以用一台计算机控制几台橡胶仪器，并将收集到的数据向上位机进行传送并送到网上实现工厂网络化。这样即节省了资源，而上层领导又可通过工厂网络查询数据指导生产并进行生产决策。从上面的选题目的及意义中，我们可以看出自动化技术的发展使人们认识到单纯提高生产设各单机自动化水平并不一定能给整个企业带来好的效益；因此企业给自动化技术提出的进一步要求是，将整个工厂作为一个系统实现其自动化，目标是实现企业的最佳经济效益。自动化技术从单机控制向工厂自动化、系统自动化方向发展。制造业对自动化技术提出了数字化通信及信息集成的技术要求；即要求应用数字通信技术实现工厂信息纵向的透明通讯。但是由于在现在的1 厂中，许多的老设备之间的连接仍然是一对一的 o 接线方式，信号传递4 - 2 0 m a ( 传送模拟量信息) 或2 4 v d c ( 传送开关量信息) 的模拟信号。带有串口r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 设备已是比较先进的设备，但是义不带有以太网接口不能实现网络化，这样就对工厂底层信息的收集实现管控一体化造成了很大的障碍。但是从成奉上考虑，这些较老的设备又没有丧失生产能力，又不能被淘汰掉。如何将不具备串口r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 及以太网口的仪表和设备接入网络，并实现管控一体化，这是本文要解决的问题之一。其二是控制点多。数据种类较多，牵涉面较广，我们需要的是企业内包括生产过程的操作参数( 如温度、压力、流量、液位等) ，分析化验的质量数据、灌区进出物料的库存数据、机械设备运行数据等一般构成企业的生产信息流、物流、资金流和业务流，包括有实时数据和历史数据。有些数据是专用的，有些数据是可供共享的，有些数据是原始的，有些是经过加工后的数据。不管企业的组成不同，都必须把不同多个部门信息进行集成。橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究数据的集成应包括数据的采集，实时数据库和关系数据库的建立。在数据库建设中，处理不同厂家的产品的互联访问是一个重要的问题。数据采集有人工采集( 如经营管哩部门的祟据，报表，合同以及化验室的分析数据等) ，往往要用人工键入到信息管理系统。自动采集主要是从装置上的设备获得的事实在线数据，它可从接口有网络传输到信息管理系统。目前多采取同时并存的情况，因为对领导层来说，他关心的是数据的及时，准确和完整性，倒不在乎数据采集的方式。在接口的支持下，努力创造无序人工干预通过网络传输的自动数据采集应是努力方向。本文以硫化仪为例，通过嵌入式系统改造硫化仪设备即利用嵌入式系统的i 0 端口将这些分散的信息收集起来，然后再将这些信息通过以太网口连接到公司企业网上就很好的将这些问题解决。1 3 关于嵌入式系统“嵌入式系统”实际上就是“嵌入式计算机”的简称。这种计算机( 或处理器)足作为某个专用系统中的一个部件而存在，其本身的存在并非目的而是手段。像这样“嵌入”到更大的、专用的系统中的计算机系统我们就称为“嵌入式系统”。虽然这种计算机在整个系统中只是一个部件，却通常起到相当于“大脑”的作用，所以事实上所嵌入的计算机就是整个系统的核心，而其他部件则只是外部设备。只是这些外部设备不同于常规的计算机外部设备，面所嵌入的计算机的作用和目的有只限于对这些外部设备的控制和管理而己。1 3 1 嵌入式系统与单片帆的比较单片机又称片上系统( 即s o c ) 顾名思义应该是集成在c p u 芯片上的部件较多，只有将蓖个系统都集成在一个集成电路芯片上，爿能做到低成本、高可靠性。只有在不得已的情况下，才扩充额外的接口芯片。并且单片枧技术已经渗透到各个领域，且与人们的日常生活密不町分，给人们生活和工业生产带来极大莓便。单片机的功能强大，从信号采集、处理到传输都能由单片机来完成。但是，随着网络时代的来临? j 许多电子设备需要联网和更智能化、更强的计算能力，比如音6青岛科技大学研究生学位论文频、视频的数据采集、处理和传输；丰富的图形界面等。单片机越来越不能满足应用对象的需求，开发工作也变得越来越复杂、庞大。并且单片机具有低速、低可靠性的缺点。随着微电子技术的进步，要求芯片的制造成本大大降低，但功能却要大大增强，因此1 6 位和3 2 位的嵌入式微处理器逐渐成为嵌入式系统设计的主流。此外，单片机硬件设计复杂，、汇编或其他语言开发周期长，调试时间长。而嵌入式系统集成度高，针对性强，硬件设计少，模块化，开发速度快。虽然嵌入式系统受市场的大小和生产批量的限制使其造价稍高，但开发周期短的多，可节约大量时间和精力，适合大规模开发生产。1 3 2 嵌入式系统与p c 机的比较嵌入式系统是有特定功能或用途的计算机硬、软件的集合体，分为嵌入式软件系统； l ：j 嵌入式硬件系统。在硬件方面嵌入式系统在芯片上集成了一些】o 接口电路以及其他功能模块，甚至包括一部分内存。因此在智能控制设备、便携式智能仪器等应用场合，出于对产品体积、成本等诸因素的考虑，往往要求将智能控制器部分安装于设备内部，且占用的空间尽可能的小，在这种情况下，处理器没有般意义的硬盘，只有有限容量的内存及常用的f l a s h 电子盘，这样的系统成为嵌入式系统。由此可见这种微控制器与一般的c p u 相比有以下好处：首先，是成本上的优势。微控制器将一些接【_ l 电路和功能模块集成在c p u 芯片上，价格虽然比相应的微处理器高，但如果算上本来就需要的i 0 接口芯片和一些独立的功能模块芯片，往往是很划算得了。其次，采用为控锘器可以在相当程度上缩短产品的设计、开发以及调试阶段，从而也节约了用于这些方面的开支。再次，由于系统中新片数量减少了，整个系统的故障率就会降低。研究和统计表明，单个芯片的故障率与其集成的规模和复杂性的关系并不很大但整个系统的可靠率则为所有元器件的可靠率的乘积。所以，系统中的芯片的数量减少了，系统发生故障的概率就会降低，而且系统的体积也可以缩小。这对于需要嵌入在其它设备或装备中的系统往往有重要的意义。还有，由于一些接e l 电路和功能模块与c p u 集成在同块芯片上这些电路橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究之间的连线长度就降到很小。刘于些高速的，即时钟频率很高的系统，这也是一个很重要的优点。对于频率较高的交变电信号，导线所呈现的电感和电容，从而剥电路的负载能力以及信号延迟等影响都不容忽 ! ! i 。嵌入式系统的操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，也就是软件与硬件的一体化。嵌入式系统目的性或针刘性很强，即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，返也是与通用计算机系统的最主要区别。另外，嵌入式技术与实时性有着必然的联系：由于嵌入式系统是为了特定的甘的而设计的且常常受到空问、成本、存储、宽带等条件的限制，因此，它必须最大限度的在硬件上和软件上“量身定做”，以提高效率，这样的结果最终导致了实时性的增强。以上两方面的特点一般会带来缩短开发周期、降低成奉等好处。因此与通用计算机相比，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，目的就是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用；它的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣，去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更多的性能。1 3 3 嵌入式系统与p l c 的比较今天工厂自动化人员能进行二次开发的软件一是组态，二是梯形图语言。这二者如果能解决的问题还用v b 、v c 去开发，那一定是在做傻事! 借助工具软件开发各类应用系统，既提高了开发速度，降低开发风险，又能节约开发费用。但组态软件只能在p c 机( 或专用p c ) 上运行，梯形图语言只在p l c 可编程逻辑控制器中运行。制约p l c 不能满足用户工艺要求的，不是梯形图语言，而是p l c 的硬件不够灵活。p l c 一般分为许多功能模块例如c p u 模块、i o 模块、温度控制器等，每一个模块体积较大，放到一。个集成的系统中会占用很大的空间。而且p l c 一般用于制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的一离散量的数据采集监视。而嵌入式系统主要由嵌入式微控制器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及青岛科技大学研究生学位论文特定的应用程序等幽部分组成，是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”，体积较小，很容易就可以将其嵌入到一个系统中；并且主要用于实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。通过与p c 、单片机和p l c 的比较中我们可以看出，嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物，这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。它是以应用为中心、软硬件町裁减的、能适应应用系统对功能、呵靠性、成本、体积、功耗等综合性要求的专用计算机系统。嵌入式系统是集系统的应用软件与硬件于一体，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。而且硬件及底层驱动程序已由出产厂家完成，用户只需将精力放在专业开发当中，这极大的减少了开发周期。同时还具有移动能力和网络功能，这些都给信息化带来了极大的方便。1 3 4 关于微内核“c o s i i嵌入式系统只有嵌入式微处理器是不够的，还需要有一个运行于嵌入式微处理器上的操作系统。嵌入式操作系统要有良好的可移植性，能够用在根据应用要求选择的微处理器中；软件开发工作交得规范，容易测试，可实现模块化编程，同时由多个人共同完成一个任务；解决以往开发产品存在的诸多不安全隐患。为了简化结构、降低成本和改进效率许多嵌入式操作系统不采用虚拟存储技术，还有许多操作系统不划分系统空间和用户空间。系统中的所谓进程实际上全是内核线程。每个内核线程都与内核共享同一内存空删，可以直接访问内核的所有资源，包括直接调用内核中的子程序，而各个内核线程的可执行程序则往往与内核静态的连接在一起。这样应用程序中的系统调用实际上就变成了对内核的直接的子程序调用，从而避免了系统调用时的空间切换，有利于提高效率而且由于不需要切换空间，进程的调度切换的效率也可以提高。而2 c o s i i 在可以称得上是操作系统内核的软件中可以说是最小的了。它是可移植的操作系统，目前，c o s i i 已经被移植到几乎所有的微处理器微控制器上。对于比较小、比较专门的嵌入式系统，如我们前面所说，内核与应用软9橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究件之问没有明确的界限，他们共享同一个地址空间，无论是在物理上还是逻辑上都连接成一个整体。因此在包括内核和各种应用在内的整个映像中只有一个m a i n 0 入口函数。“c 0 s i i 它直接把m a i n 0 交给应用的开发者。在m a i n ( ) 中调用内核函数0 s i n i t 0 来完成内核的初始化。然后在完成了相应的初始化以后，还要调用一个内核函数0 s s t a r t0 启动内核的进程调度。其c 0 s i i 的调度机制为：c 0 s i i 最多允许有6 4 个进程存在，每个进程的优先级全都小倒，共有6 4 个优先缴，以0 位最高，6 3 为最低，完全按优先级的高低进行调度，每次总是要找出优先级最高的就绪进程。如果调度的策略并非严格的按优先级调度，而还要考虑其它凼素，那就小只是简单的找到优先级最高的就绪进程就能解决问题了。嵌入式操作系统特别是实时操作系统通常都是严格按优先缴调度的，而通用操作系统则般还要考虑时间片以及累计运行时间的问题。可以这样说：时实操作系统只承认权威性，而通用操作系统还要考虑公正性。所以通用操作系统的进程调度天然就比较复杂。所以，严格按优先级调度，并且每个优先级只允许有个进程，这是c o s i i 得以实现高效的进程调度的关键所在。1 4 以太网简介馓来讲，控制系统l 叫络可分为3 层：信息层、控制层和设备层f 传感执行层) 。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络。目前，以太嘲已经渗透到了控制层和设备层，很多的p l c 和远程i o 供应商都能提供支持t c p f l p 的以太网接口的产品。以太网之所以给自动化市场带来风暴式的革命，主要有3 个原因：低成本的刺激和速度的提高；现代企业对实时生产信息有越来越多的要求；以太网的开放性和兼容性。1 4 1 以太网技术基础以太网由d e c ，i n t e l 和x e r o x3 家公司在2 0 世纪7 0 年代开发，采用载波侦1 0青岛科技大学研究生学位论文昕冲突检测的多路访问协议。设计以太网最初是为了使系统能够不局限于某一种传输介质，如光纤、同轴电缆、无线电波，故取名为以太网。2 0 世纪8 0 年代中期，l e e e 在d e c ，i n t e 和x e r o x3 家公司开发的以太网基础上，制定了8 0 2 3l a n 标准。以太嘲是r c p i p 使用最普遍的物理网络，实际上t c p i p 技术支持各种局域网络协议，包括：令牌总线、令牌环、f d d i ：( 光纤分布式数据接口) 、s l i p ( 串行线路i p ) 、p p p ( 点到点协议) 、x 2 5 数据网等。见图l ：t c p i p 技术支持的各种局域网络协议出于t c p i p 是世界上最大的i n t e r n e t 采用的协议组，而t c p i p 底层物理网络多数使用以太网协议，因此，以太网+ t c p i p 成为i t 行业中应用最普遍的技术。【f l 对当今以太网在自动化领域的应用潮流，国际现场总线技术标准i e c6 11 5 8 发展历程至少给了我们两点启示，这对我们能够清醒面对现实颇有好处：工业自动化技术应用于各行各业，使用一种现场总线技术不可能满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约；技术标准不单是一个技术规范，也是一个商业利益韵妥协产物。国际现场总线技术标准e c 6 1 1 5 8 制定统一的失败，使一部分人自然转向了在i t 行业已经获得成功的以太网技术。埘此，现场总线标准之争，给了以太网进入自动化领域一个难得的机会。积极推进这种技术概念的如法国施耐德公司，面向工厂自动化提出了基于以太网+ t c p i p 的解决方案，称之为“透明工厂”。望文生义可以理解为：“协议规范统一，信息透明存取”。1 4 2 以a 网的优势以太网+ t c p i p 作为办公网、商务网在i t 行业中独霸天下，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统。但为什么近年来会逐步向自动化行业发展，形成与现场总线技术竞争的局面?这主要是因为与目前的现场总线相比，以太网具有以下优点：成本低廉。以太网受到硬件厂商以及开发商的广泛支持，已有多种硬件橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究产品可供用户选择，而且硬件成本很低。而目前采用的具有现场总线通讯能力的设备、仪表主要是国外进口产品，价格较高；国产现场设备多数不具有现场总线通信能力，不能接入现场总线系统。并且目前以太嘲卡的价格只有p r o f i b u s ，f f 等现场总线卡的1 1 0 ，而且随着技术的发展起价格还回大幅度的下降。应用广泛。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，因此以太网有多种开发上具和外发环境町选择。通讯速率高。目前以太网的通信速率为1 0m b s ，1 0 0 m b s 的快速以太网已经开始广泛应用，1 0 0 0 m b s 以太网技术也不断成熟，1 0 gm b s 以太网技术目前正在研究。其速率比现场总线快得多，因此以太网完全可以满足对带宽的要求。实现网络的无缝连接。在以太网上使用t c m p ，其开放性可以使测控网和信息网统一起来。现场信号可以在企业的i n t r a n e t 上及日、j 发布并共享，还可以在i n t e r n e t i n t r a n e t 的任何位置上对现场智能设备进行在线控制、功能组态和远程监控等，实现i 删络控制系统上真正的开放性和互操作性。因为为满足工厂上层管理对底层设备信息的要求，工厂车间底层设备状态及生产信息集成是实现全厂自动化的基础。又由于现场总线多种现场总线协议并存、多种行业甚至企业通信标准并存，即标准协议不统一；而以太网技术的协议规范统一，信息透明存取，所以以太网逐渐被工_ 采用。而且采用t c p i p 协议可以与互联网i m e m e t 连接，是未来e m 黜f a c t o r ) r 的技术基础，这些优点是现场总线技术所不能相比的。因此我们可以用嵌入式系统作为网关实现现场设备与以太网的接口，或者用嵌入式系统改造现场设备的控制部分，并实现与阀络的对接。本文以硫变仪的改造为例着重介绍如何将工厂中老旧的设备连接到工厂企业网中。1 5 小结总而言之，现场缴信息集成是1 厂自动化不可缺少的重要部分。现场级信息集成系统主要完成底层设备单机控制、连线控制、通信连网、在线设各状态监钡4青岛科技大学研究生学位论文及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级m i s 系统数据库提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级信息集成系统是实现工厂自动的基础。青岛科技大学研究生学位论文第二章b l 2 0 0 0 嵌入式系统简介本课题使用的是b l 2 0 0 0 嵌入式系统，b l 2 0 0 0 是一个功能强人的开放的实时嵌入式系统，其r a b b i tc o r er c m2 0 0 0 模块内含r a b b i t2 0 0 0 微处理器、大容量f l a s h 及s p , a m 、内置以a 网接口，可直接通过网络实现监控；具备r s 2 3 2 4 8 5接口，可是各种串行设备快速进行网络连接；内置a d 、d a 转换器，可快速有效的实现a 0 、d a 转换。b l 2 0 0 0 具有4 种版本其中两种具有以太网接口，另外两种没有以太网接口一所有b l 2 0 0 0 都具有2 8 个数字i o 包含5 或7 个双功能模拟、数字输入) ，3个r s 2 3 2 4 8 5 串行口，r a b b k 2 0 0 0 c p u ( 2 2 1 m h z ，1 2 8 k 的s r a m 及2 5 6 k 的f l a s l l ( 可扩展) ，在扳的单刀双掷继电器输出，l e d 显示，7 个定打、j 器，备用电池的时间日期时钟。刘于最常见的应用，b l 2 0 0 0 利b l 2 0 2 0 模块包含4 通道1 2 一位a d d 输入，5通道双功能输入，以及2 通道1 2 位d a 输出。对于不需要高精度模拟数据采集的情况可以选用b l 2 0 1 0 及b l 2 0 3 0 ，具有4 通道i o 位a d 输入，7 通道叔功能输入，没有d a 输出。双功能输入是_ 卣软件设置的，可配置成模拟输入或带域值的开关量输入。所有的b l 2 0 0 0 系列模块可以使用恰当的附助硬件通过以太网互联网进行编程和调试。带有1 0 b a s e - - 以太嘲口的系统可以直接通过网络或互联网进行控制和监视，能够对远端设备开放接口，能够提供网页服务，还能够发送e m a i l 。b 1 2 0 0 0 系列对于大系统来说作为一个具有网络功能的服务处理器也是非常理想的。b l 2 0 0 0 系列的编程使用已工业级的z w o r l d 的d y n a m i ccp r e l l l i e r 软件开发系统。2 1r a b b i t2 0 0 0 软件部分橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究r a b b i t2 0 0 0 微处理器的软件开发平台d y n a m i cc7 3 2p r e m i e r 与c 语言有很大的相似之处，是集编辑、编译、链接、调试、下载于一体，并有完善的i e p i p 协议栈，支持全功能r s 2 3 2 4 8 5 通信，配备各种l o 驱动函数库；完善的文件管理系统，可在f l a s h 或s r 必上建立数据文件，便于存储系统或用户数据，使用起来极为方便，而且还具有很高的可靠性。下面是d y n a m i cc7 3 2p r e m i e r 编程界面图2 - 1b l 2 0 0 0 编程界面f i g 2 - 1b l 2 0 0 0p r o g r a m m e ri n t e r f a c e2 2r a b b i t2 0 0 0 硬件部分r a b b i t 2 0 0 0 的微处理器是r a b b i t 半导体公司所生产的8 位微处理器。它和z 8 0 系列微处理器有相似结构和高度的兼容性；但性能有很大的提高。具有多达4 0 个通用i 0 引脚，内置日历、时钟、看门狗、定时器、多级中断、双d m a 通青岛科技大学研究生学位论文道，呵外扩4 8 m bf l a s h ，用于数据存储。对于8 位总线的微处理器，r a b b i t具有很高的计算速度，这对于实时操作系统是及其重要的。对于r a b b i t2 6 0 0 ，传统的微处理器的硬件和软件的开发已被简化，不再需要在线仿真。用一根接口电缆把p c 串行口和基于r a b b i t2 0 0 0 的目标系统连接起来就可实现软件的开发。r a b b i t2 0 0 0 具有4 个串行端口，具有很强的组网通信能力。它能精确地产生脉冲和边沿，可实现多优先级中断，处理器速度和功耗在程序控制之下，在处理器持续执行指令的h 、j 候，能使用超低功耗模式实现计算和执行逻辑检测，为实现低功耗设计提供了方便。r a b b i t2 0 0 0 可以实现冷启动，因此未经编程的f l a s h 存储器可以接在适当的地方。板片性能：1 12 2 1 m h zr a b b i t 2 0 0 0 微处理器；2 ) 1 2 8 k 静态r a m 和2 5 6 k 闪存；3 ) 高达2 8 个数字i o ：l l 被保护的数字输入( 脉冲达到7 双重目的无缓冲模拟输入，这些输入可以通过软件配置被用做数字输入) 和1 0 个高电流数字接收器输出，这些输出可以被工厂配置作为源输出；4 ) 1 1 模拟通道：9 个1 2 字节a d d 转换输出，两个1 2 字1 了d a 转换输出；5 ) 随机携带的单刀双掷继电器；6 ) 一1 个r j 4 5 以太网端口它满足1 0 b a s e t 以太网协泌的t e e e s 0 2 3 标准；7 ) 8 个状念灯；8 ) 四个连续端口( 2 个r s 一2 3 2 或1 个带r t s c t s 的r s 2 3 2 ，1 个r s 一4 8 5 ，和1 个兼容c m o s 编程端口) ；等功能。2 3 小结b l 2 0 0 0 是一款低成本、高性能的集成一体化单板控制器，适合于设备控制，生产线过程监控。具有极高的i o 密度，体积小巧，具有独立采集、测控能力、方便组煳功能。因此b l 2 0 0 0 的软硬件功能都能够充分的满足系统的需要。例如2 2 1 m h z1 7橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究r a b b i t 2 0 0 0 微处理器就能够很好的满足系统对a d 采样快速性的要求。i o 端口的数目也可以很好的满足对控制点的控制等。青岛科技大学研究生学位论文第三章硫化仪的原理与构成3 1 橡胶硫化特性的测定原理将胶料试样放入其有规定初始压力并保持硫化温度的密闭试验模腔内。一个埋入试样中的双圆锥圆盘以一个小的摆动振幅振荡。圆盘振荡使试样产生剪切应变， ! l | 8 定试样对圆盘的反作用力( 转矩) ，此力取决于胶料的刚度( 剪切模量) 。在一般情况下，转矩与胶料的刚度成正比，但在高转矩的情况下，圆盘轴与传动装置会产生弹性变形，副此不可能在所有的试验条件下转矩与刚度成正比。此外，在小振幅变形的条件下，应变中会有相当大的弹性成分，对常规检验来说，可不必进行校正。随着硫化开始，胶料试样的刚度增大。当转矩上升到稳定值或最大值时，便得到一条时间与转矩的关系曲线，即硫化曲线，曲线的形状与试验温度和胶料特性有关。加3 0甜司分图3 1 平衡状态转矩摊舭橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究从硫化曲线上可以得到如下测量值：m l ：最小转矩。t 。；：超过m l 之后，转矩增加x 单位的时问。t 。( y ) ：达到最大转矩的y 的硫化时间。m n ：曲线上达到的最大转矩。最小转矩m 。取决于胶料在低剪切速率下的剐度和粘度。硫化起始时间t 。是衡量加工安全性的标准。正硫化时间t 。( y ) 是根据最大转矩的某一百分比来测定的。而最大转矩是试验温度下充分硫化的硫化胶刚度的量度。硫化速度指硫化曲线上升的斜率。3 2 硫化仪简介3 2 1 硫化仪构成橡胶硫化仪是由温度受控制的模腔和腔内的双圆锥圆盘组成，圆盘轴被禁固在传动轴上，并以一个小的摆动振幅振荡。它是用于测量生橡胶受控加热后变成熟橡胶的硫化时间、硫化速度及其它橡胶加工性能参数的测量仪器。该仪器足橡胶用于确定胶料配方、最佳硫化点和选择合理硫化条件的必小可少的关键设备。整机机械结构示意图见图3 2 。图3 - 2 机械结构示意图f i g 3 2m a c h i n es t r u c t u r es k e t c hm a p青岛科技大学研究生学位论文3 2 2 硫化仪工作原理将生橡胶试块连同一个圆盘转子放到恒温状态下的模腔内，通过安装在电机出轴上的偏心轮、连杆及传感梁使转子摆动，摆动角度为1 5 。利用应变桥测出转子的转矩，可以获得转矩刚问曲线，这就是硫化曲线。它代表了橡胶硫化时间和机械可加工性能。模腔恒温精度0 1 ，使用插入模腔内的热电偶或其他的温度传感器定期检查和校准模腔的温度。模型应装在电热铝平板之间，用温度控制器控制每一块平白的温度，使之在稳态波动不超过0 3 ，如果模腔温度调至( 1 5 0 c _ _ + 0 3 )，则将( 2 3 5 ) 的试样置入模腔2m i n 后，热产道作用是恢复与初始温度的差应在1 以内。外旋压力1 lk n 。在整个试验过程中模腔应保持在密合状态。在试验中使用的是优肯发泡硫化仪技术参数为：温度范围：室温- 2 0 0 温度准确度：温度误差0 3 温度显示解析度：0 1 马达转速：每分钟1 0 0 次转矩范围：采用2 5 、5 0 、l o o 、2 0 0 磅一英寸四种设定扭矩值单位：公斤公分、磅一英寸、牛顿一米扭矩量i i l l 9 准确度：0 2 9 6摆动角度：0 ，5 。l 。，3 。电压：a c 2 2 0 1 0 ，5 0 6 0 3 h z ，7 安培单相。气压：6 5 p s i 或4 5 公斤平方公分以上。3 3 硫化仪的改造传统的现场层设备与控制器之间的通信采用一对连线的方式传输4 20m a 24v dc 信号。这种通信技术信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的 言息孤岛”，严重制约了企2 1橡胶分析仪器分散信息集成方法的研究业信息集成及企业综合自动化的实现。采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。图3 3 就是实验室整体试验整合图，将这些传统的检测设备通过嵌入式系统改造之后，使其具有网络功能，可以方便的接入以太网。也可以方便的与公司企业网进行通信，从而也为实现企业信息化打造基础。豳如荆稚冬肇涮删辞袜-e圆戗蹬掣扑刊镀罄扑k蜒毒曰帆塑堕坌堡堡墨坌墼堡垒墨堕查鎏塑堑塑一我们以硫变仪的改造为例介绍如何将传统的检验设备进行信息化改造，使其具有网络功能。对于硫变仪整机系统改造电路原理结构示意图如图3 - 4竺竺竺竺兰卜1 l 电机i 一继蜞批阻h ，嵌电怛八器ai 电炉r 模热电阻 _ 1 二，系统b l 2 0 0 0i 气夹l 以太网3 4 温度控制图3 - 4 电路原理结构示意图f 垃3 - 4e l e c t r o c i r c u i tp r i n c i p l es k e t c hm a p3 4 1 工艺要求预热时间大约为l o 分钟，试验温度一般要求为1 0 0 。c ( 有时为1 2 5 。c ) 加热装置可使台板和模腔的温度恒定在试验的o 3 。c 范围内。试样放入模腔后，加热装置应在5 分钟内使模腔温度恢复。合模后在温度回温补偿过程中，不会出现超过其设定温度后又再回降的现象。即确保进行测试温度是在稳定的情况下逐渐上升，不是忽高忽低的温度。3 4 2 温度控制算法根据温控箱的结构及一般热力学原理，可得到以下温控箱为被控对象的传递函数，其近似表达为f j 。( s ，= 舟c 一”= f j p ( s r h2 4青岛科技大学研究生学位论文中：o p ( s ) 为被控对象l 卜| 1 i 含纯滞后的部分。可以看出，它是一个带滞后的一