（机械电子工程专业论文）limno2电池生产线计算机集中监控与远程监控系统研究.pdf

摘要 企业生产规模日益扩大，传统的生产管理模式不能适应现代企业的发展，先进 监控系统的出现也成为必然。通过监控系统管理者可以快速有效地了解现场设备的 运行情况，及时做出改进和维护方案，提高企业响应速度和决策准确度，监控系统 在现代企业生产中具有重要的意义。此外，监测与控制网络系统，在远程科学实验、 高科技军事、网络化生产制造、网络化商业服务等方面也有着广泛的应用前景。本 系统包括两部分：现场集中监控部分和远程监控部分。 现场计算机集中监控系统采用人机工程作为指导思想，以工业级人机界面与 p l c 结合的方法来建立系统。用p l c 作为电气系统的核心控制部件，结合蜂鸣器 和人机交互界面( 触摸屏) 设置，实现了自动停机保护、故障自动诊断功能，形成 了较优化的控制系统：l i m n 0 2 电池自动化生产线群局域网的建立以欧姆龙p l c 通 信协议为基础，利用欧姆龙的串行通信单元构建出l ：n 的上位机链接网络，由上 位机对现场的多条生产线进行实时监控，以m c g s 组态软件作为系统开发平台，开 发了计算机集中监控系统的软件系统，实现了对多条生产线的实时生产状态显示、 自动记录数据、自动生成报表并打印、故障报警与记录、产品质量分析、信息查询 等功能。 基于i n t e m e t 方式的远程监控系统，是在c l i e n t s e r v e r 模式下，根据t c p 口协 议，将套接字( s o c k e t ) 技术和v c + + 6 0 面向对象编程技术结合在一起实现的。多 线程技术的采用，提高了通信的实时性。整个系统采用分层的、面向对象的设计方 法，其结构具有模块化、接口简单、适应性强等特点。 在远程监控系统中，将现场计算机集中监控系统的上位机作为服务器，远程的 客户通过登陆此服务器，实时监控生产线的运行情况。将远程监控系统与计算机集 中监控系统相结合，得到一个开放的监控平台，实现远程客户端与生产现场多台 p l c 的通信，经实验调试获得了成功。 远程监控与计算机集中监控系统给现代企业提供了新的管理模式，对提高企业 生产力和竞争力有重要意义，通过现场实验证明能完全满足企业需要，达到设计预 期目标。 关键词：电池生产线，计算机监控系统，上位机链接，远程监控，组态软件 a bs t r a c t w i t ht h e p r o d u c t i o ns c a l e o fe n t e r p r i s e se x p a n d i n g ，t h et r a d i t i o n a lm o d eo f m a n a g e m e n tc a nn o tm e e tt h e n e e d so ft h em o d e me n t e r p r i s e s ；t h ee m e r g e n c eo f a d v a n c e dm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e c o m ei n e v i t a b l e t h r o u g hm o n i t o r i n gs y s t e m ， m a n a g e r sc a l lq u i c k l ya n de f f i c i e n t l ym a s e r t h eo p e r a t i o no ft h ee q u i p m e n t ，a n de n h a n c e t h e i rr e s p o n s es p e e da n da c c u r a c yo fd e c i s i o n - m a k i n g ，m o n i t o r i n gs y s t e mi s o fg r e a t s i g n i f i c a n c ei nt h ep r o d u c t i o no fm o d e me n t e r p r i s e s 。t h es y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ： r e m o t em o n i t o r i n ga n dl o c a lc e n t r a l i z e dc o n t r 0 1 u s i n g ag u i d i n gi d e o l o g yo ft h em a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n ga n dc o m b i n i n gi n d u s t r i a l h m ia n dp l c ，t h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h es y s t e m i n t e g r a t e sp l cu s e d a st h ec o r ec o n t r o l ，b u z z e ra n dh m is e t t i n g s t oa c h i e v et h e a u t o m a 土i cs h u t d o w np r o t e c t i o n t h es y s t e mh a sa l s ob e e nc a r r i e do u ta u t o m a t i cf a u l t d i a g n o s i sf u n c t i o no ft h ed e s i g n ，s oi t h a sf o r m e dam o r eo p t i m i z e dc o n t r o ls y s t e m ； b a s e do no m r o np l cc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，1 ：nn e t w o r ko fa s s e m b l yl i n e s i s e s t a b l i s h e d 。i tc a nm o n i t o rm a n ya s s e m b l yl i n e so nt h es p o t u t i l i z i n gm c g ss y s t e m a sa p l a t f o r m ，t h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs o f t w a r es y s t e m h a sb e e nd e v e l o p e d m a n yf u n c t i o n s a r ea c h i e v e d ，i n c l u d i n gr e a l - t i m es t a t u sd i s p l a y , a u t o m a t i c a l l yr e c o r dd a t a , g e n e r a t e r e p o r t sa n dp r i n ta u t o m a t i c a l l y , f a u l ta l a r ma n dr e c o r d s p r o d u c tq u a l i t ya n a l y s l s ，q u e r y a n do t h e r s u n d e rc 1 i e n s e n ，e rm o d e ，t h er e m o t ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do n i n t e r a c tw a yi s r e a l i z e dt h r o u g hw i ns o c k e tt e c h n o l o g ya n dv c h 6 0o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g yc o m b i n i n gt o g e t h e ra c c o r d i n gt ot c p i pp r o t o c 0 1 m u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g y a d o p t e dt oi m p r o v et h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n t h ew h o l es y s t e ma d o p t sd i v i d i n g l a y e ra n dt h eo b j e c t - o r i e n t e dd e s i g nm e t h o d , i np o s s e s s i o n o ft h ec h a r a c t e r i s t i co f s t n l c t u l em o d u l a r i z a t i o n ，l e v e l ，i n t e r f a c es i m p l e ，g o o da d a p t a b i l i t ye t c f i n a l l yw eg e ta n o p e nr e m o t ed a t ac o l l e c ts y s t e m t h el o c a lc o m p u t e ri ss e r e ri nt h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m r e m o t ec u s t o m e rc a n l a n dt h es e r e rt h r o u g hi n t e r n e tm o n i t o r i n gt h es t a t u s o fa s s e m b l yl i n e s am o n i t o r p l a t f o mh a sb e e nc r e a t e da n di tc a na c h i e v ec o m m u n i c a t i o nf r o mr e m o t ec l i e n ta n d p l c o n ea n o t h e r t h i ss y s t e mi sd e b u g g e db yt h ee x p e r i m e n ts u c c e s s f u l l y t h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ma n dc o m p u t e rc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mp r o v i d e an e wm a n a g e m e n tm o d e l t ot h em o d e me n t e r p r i s e s f i e l de x p e r i m e n t sh a v e d e m o n s t r a t e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mc a nf u l l ym e e tt h en e e d so ft h ee n t e r p r i s e i th a s a c h i e v e dt h ee x p e c t e dt a r g e t k e y w o r d s ：a s s e m b l yl i n e sf o rl i m n 0 2b u t t o nb a t t e r i e s ，t h et e c h n o l o g yo fm o n i t o rb y c o m p u t e r , h o s tl i n k ，r e m o t em o n i t o r , m c g s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了 文中特别加以标注和致谢之处外，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 含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使片j 过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何袁献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期0 舯簪，月，跆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞i 扛 些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：- 够年 彭扫转 饼啪 签 乳 稚 期 j y 1 刷 锢 叫_ 、 高护 、绐卧 、1p月 学位论文的主要创新点 一、采用模块化设计思路研究开发了适应性与扩展性好的l i m n 0 2 扣式 电池自动化生产线控制系统。 二、将计算机监控技术与l i m n 0 2 电池生产线相结合，利用m c g s 组 态软件开发了计算机集中监控系统，通过r s 4 8 5 串行通信实现上位 机链接现场多个p l c ，由工控机对现场的多条生产线进行集中管 理，对现场数据信息整理分析及故障诊断并提供解决方案。 三、将远程监控系统与计算机集中监控系统相结合，得到一个开放的监 控平台，实现远程客户端与生产现场多台p l c 的通信。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的进步，计算机网络技术以一日千里的速度发展。从1 9 6 9 年第一个分 组交换计算机网络的出现到今天，仅仅经过近4 0 年的发展，计算机网络在现代信息社会 中的地位已不能由第二种方式取代。计算机网络技术的飞速发展，也使监控技术发展到了 新的阶段。采用网络进行监控是计算机网络技术和自动化控制技术发展的必然结果u 】。 i n t e m e t 的广泛应用，为企业的远程监控和管理提供了一个基本环境和技术支撑。如 何利用这一先进的环境和技术进行创新，使之应用于某一具体领域，是目前各行各业不断 努力的方向，尤其是现场总线技术的大力发展和主流成熟的网络技术、软件技术( 如 e t e m e t ，o p c ，a c t i v e x ，w e b 技术、网络安全技术、实时数据库等【2 j ) 进入自动化系统，使 得工业自动化系统的体系结构和运行管理方式发生了巨大变化，出现了新的生产过程监控 系统企业生产管理系统和企业经营管理系统融合为一体的模式，使得企业生产过程远 程监控的内容也发生了巨大变化，从生产过程运行参数的监督，到现场生产过程的远程诊 断、远程调试、远程控制，再到现场测量控制设备的远程组态、远程整定、远程故障诊断 和预测性维护，直至现场生产过程的远程图像传输( 遥视) 等。 本课题主要面向应用领域，研究实际过程控制中不同的控制方法和实现方式，现如今 各高校及科研机构的理论研究已经达到了一定的纵向深度，但就应用于实践的横向广度而 言，则情况并不乐观。如何将更高端的控制方法，应用于控制生产过程中，即如何将理论 应用于实践，找到两者的契合点，将是很有意义的工作。本文就在欧姆龙p l c 的开放通 信协议和现有网络通信技术基础上，开发了l i m n 0 2 电池生产线的计算机集中监控系统 和远程监控系统，将更加先进的控制理论和方法应用此系统中，使控制系统更稳定可靠、 更方便的进行升级和维护，也更便于将学术上的理论方法加入到应用系统中，在实践中进 一步考验和印证。 本文不做更多、更复杂的控制算法的理论研究，根据具体工程项目，研究系统的共性 和个性，设计出更好的控制系统和表现本监控系统的延展性、开放性，同时可以应用于其 他相近的设备的控制系统。 1 2 计算机集中监控与远程监控的国内外现状 i n t e m e t 作为信息时代的主要信息载体，引起了工业界和学术界的广泛关注。它的发 第一章绪论 展对工业自动化技术的冲击是必然的。1 9 9 6 年，美国麻省n o a h a n d o v e 公司首先将p l c 与i n t e m e t 相连。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的工业远程诊断研讨会由斯坦福大学和 麻省理工学院联合主办。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于i n t e m e t 的下一代远 程诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、 b o e i n g 、i n t e l 和f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出 了一个实验性的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i a n n e t 初步形成在i n t e m e t 范围内的信息监控和诊断推理。加拿大的g r a n b y 公司使用w e b 浏览器技术，通过以太网进行机床故障诊断。另外，许多国际大公司都在他们的产品中加 入了i n t e m e t 模块，如美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪器产品l a b v i e w 中新增了 i n t e m e t 模块，可以通过w e b 方式接收测试数据。基于网络技术的远程实验，将成为2 1 世纪科学实验室进行开放性研究的重要模式。目前，国外一些大学己经有了这方面的研究。 澳大利亚r m i t 大学设计的虚拟实验用于进行热传递过程的教学，可以帮助学生快速掌握 抽象的概念【j j 。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。西安交通大学、哈尔滨工业大学、清华 大学、华中科技大学等都先后推出了各具特色的监测诊断系统【4 】。近年来，随着网络技术 以及集散式控制思想的快速进步，西安交通大学轴承所等单位推出了基于、i n t e m e t 网的 组态式集散监测与诊断系统；华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统 k b g m d 、哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s 垄烈5 】 寸。 随着计算机技术、微电子技术、单片机技术的发展以及工业控制规模的日益扩大，工 业监控系统发展成为以计算机为基础，完成对工业网络的监控。监控系统由过去的单机监 控过渡到现在的网络监控，但目前还存在着一些问题，例如网络通信技术不足的问题、集 成网络中实现不同平台的通信问题等。 由于技术、电子技术的发展，导致计算机集中监控技术的智能化、多功能化和自 动化程度进一步提高。计算机集中监控技术作为自动控制技术的一个重要分支，在2 0 世 纪9 0 年代，国外一些发达国家，如美国、德国等已经进入快速发展的阶段【6 】。 目前国外对于工业监控系统的开发处于比较成熟的阶段，一些大公司己经开发出适合 专用和普通用户的监控系统软件( 组态软件) 。专用的组态软件主要是由一些集散控制系 统厂商和p l c 厂商专为自己的系统开发的，比如德国西门子公司的w i n c c 就是针对它们 的p l c 进行组态监控的软件，还有h o n e y w e l l 公司的组态软件、g e 公司的c i m p l i c i t y 等 【7 1 。通用的组态软件并非针对某一类特定的系统，我们可以根据需要选择适合的软件和硬 件来构成自己的计算机集中监控系统。比如美国n i 公司的l o o k o u t 组态软件就可以对工 业一般控制对象进行实时监控。 在我国，计算机集中监控技术的发展主要是从七十年代才开始的。自2 0 世纪8 0 年代 以来，随着现代电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术、机电一体化技术等先进 第一章绪论 技术的快速发展，计算机集中监控系统也得到前所未有的发展。相继有一些大型知名公司 已经开发出一些监控系统软件，方便用户使用。如北京亚控自动化软件科技有限公司的组 态王；昆仑通态公司的m c g s 全中文工控组态软件；北京华富惠通技术有限公司 的开物2 0 0 0 ；三维有限公司的力控系统软件和北京杰控科技有限公司的f a m ev i e w 等【引。 当前我国的计算机控制技术水平同工业发达国家相比，总的来说还存在较大的差距。 我国在这方面的技术和产品相对落后，但各个行业也越来越广泛地应用各种监控系统产 品，进行更进一步的研究设计。国内一些科研单位和高等院校也相继开发出一些自动化程 度较高、功能更加完善的计算机集中监控系统。现在各种先进的控制技术已经应用于计算 机集中监控系统中网，可以说我们国内对于计算机集中监控系统的设计和研究也处于快 速发展阶段【l o j 。 计算机集中监控系统是一个比较复杂的系统。近几年，由于计算机技术、电力电子技 术以及自动控制技术的发展，人们并没停留在传统的控制方法之上，而是采用了先进的现 代控制理论( 如神经网络控制、模糊控制、自适应控制等) 。使得控制策略更加完善，控 制性能更加完好【1 1 1 。 现代科技( 尤其是信息技术) 对计算机控制技术带来了深远的影响，一方面是大规模 地提高了控制系统的功能、可靠性和智能性；另一方面则大幅度地降低了计算机集中监控 产品的价格和大小0 2 ，因此计算机集中监控技术在近年来获得迅猛发展和广泛的应用。 监控系统是当今工业控制技术发展的主流和研究热点，更是未来工业控制中的关键技 术。工业控制的自动化程度要求越来越高，这就需要把计算机和工业装置相结合，来设计 开发可满足控制要求的控制系统。采用计算机集中监控系统可保证现场控制的实时性、准 确性、稳定性【1 3 1 。这不仅能够达到我们的控制要求，丽且还具有很好的可移植性，方便 使用。现在嵌入式系统的发展越来越迅速，越来越成熟，将这项新技术应用到监控系统上， 使监控系统更加完善。 1 3 本课题研究的目的意义和主要内容 1 3 1 本课题的研究意义及目的 随着经济和科学技术的迅猛发展，自动化生产线正在逐渐取代过去的手工操作，成为 现代化大生产的主要应用工具，自动化生产线的应用极大的提高了生产效率，提高了制作 和加工精度。在效率和质量并重的现代生产环境中，凝结着现代高科技水平的自动化生产 线成为企业的首选。而在现代大规模生产中常常在一家生产企业中，拥有几条至几十条自 动化生产线，这些生产线常常是同时运行，各条生产线可能是并行工作也可能是前后工序 的关系。在这种现状下，车间管理者和企业领导对各条生产线的监控与调度就比较复杂。 企业管理者为了适应市场变化和有效管理企业生产，需要实时的了解生产线的运行情况和 第一章绪论 产品的相关信息，因此现代大规模生产企业需要能够对多条自动化生产线的运行情况进行 实时监控的系统。这类监控系统对提高企业生产率，增强企业的市场竞争力，提高产品质 量有积极的作用。另一方面，企业管理者需要在异地对生产现场进行有效的在线实时监控， 作为相隔遥远的设备生产厂家也需要了解用户设备的现场使用情况，并及时处理设备发生 的故障。于是生产线的远程监控系统就逐渐提到了用户和设备生产厂家的议事日程。这种 系统能够实现现场微观检测控制和企业宏观决策的一体化，为工业控制和企业管理、决策 带来一种全新的模式。这一远程监控与控制网络系统在远程科学实验、高科技军事、网络 化生产制造、网络化商业服务等方面也有着广泛的应用前景。 本课题研究的目的在于设计针对大规模自动化生产线群的监控系统( 包括现场计算机 集中监控和远程监控系统) 。既可以实现在生产现场多条生产线实时的生产状态显示，自 动记录数据生成报表并打印，故障报警与记录，产品质量分析等功能，通过网络也可以实 现远程监控。使管理者能够及时准确的了解生产状况，做出正确的决策，也可使得设备的 生产厂家方便的对生产线进行维护和故障诊断。本课题的研究具有十分现实的意义，能够 产生显著的经济效益和社会效益。 1 3 2 本课题的主要研究内容 本课题以l i m n 0 2 电池自动化生产线为研究载体，开发出l i m n 0 2 电池自动生产线 的现场计算机集中监控系统与远程监控系统。 1 3 2 1 计算机集中监控系统 本课题以l i m n 0 2 电池自动化生产线为载体来研究生产线群的计算机集中监控系统。 工控机为上位机实现对多条生产线的计算机集中监控，方案结构如图l - 4 所示。 图l 一4 生产线集中监控系统结构 ( 1 )系统硬件解决方案 本生产线的控制核心是日本欧姆龙公司的c j l m c p u l l 型p l c 。因此建立通信网络 4 第一章绪论 和选用元器件以欧姆龙公司的开发规则为准。 欧姆龙p l c 的网络类型很多。其网络结构体系大体分为三个层次：信息层、控制层 和器件层。信息层处在最高层，负责系统的管理与决策；控制层居于中间，负责生产过程 的监控、协调、优化；器件层处于最底层，为现场总线网，直接面对现场器件和设备，负 责现场信号的采集及执行元件的驱动。对应三个层次主要是以下三种网：e t e m e t 、c o n t r o l l e r l i n k 和d e v i c e n e t 【1 4 1 。， 根据选用的p l c 的型号，综合实际应用和设备成本，本课题选用h o s tl i n k ( 上位机 链接) 通信协议为l i m n 0 2 电池自动化生产线局域网的通信网络协议，此结构实现简单， 成本较低。其网络拓扑结构为总线型，最大支持3 2 个节点，通信比特率可达到兆级【1 5 1 。 我们选用欧姆龙串行通信单元c j l w - s c u 4 1 v 1 ，将其安装在生产线的控制核心可编程控 制器上。网络的通信介质选用屏蔽双绞线，双绞线比同轴电缆或光缆容易处理和维护，减 少了联网费用，通信距离可达1 千米，完全可以满足设备要求。工控机选用研华工控机 i p c 6 1 0 p 4 ，系统平台及应用软件开发平台为w i n d o w s x p 操作系统。 ( 2 ) 软件平台的搭建 本课题主要采用组态软件来编制工控机与多台p l c 的接口程序和实时监控人机界 面。组态软件选用昆仑通态公司出品的m c g s 全中文工控组态软件，m c g s 组态软件具 有全中文界面，支持与欧姆龙p l c 等多种设备的连接。 1 3 2 2 远程监控系统 远程监控系统是在计算机集中监控系统的基础上开发的，远程的客户端可以浏览计算 机集中监控系统上位机的实时信息，通过现场上位机允许的远程客户可以对现场设备进行 远程控制。目前远程监控系统具有两种通信方式：基于公用电话网( p s t n ) 的拨号连接、 基于国际互连网( i n t e r n e t ) 的连接，其数据传输框图如图1 1 所示 匡亘至卜怔三k i 咂巫囹 图1 - 1 远程监控系统通信方式 考虑生产现场的实际情况和连接设备的通用性、可靠性和性价比，本课题采用国际互 联网的数据传输方式。 硬件平台的搭建：通过i n t e m e t 把远程的客户端连接到现场计算机集中监控系统的上 位机上，现场上位机作为远程监控系统的服务器。 软件平台的搭建：本系统所提供的程序是利用v i s u a lc + + 6 0 开发的面向w i n d o w s 的 应用网络接口通讯程序，采用w i n d o w s 提供的a p i ( 应用编程接口) 的网络协议t c p i p 第一章绪论 及其w i n s o c k 的函数和m i c r o s o f t 提供的m f c ( 微软基础类) 类库相结合的原则【1 5 】。 w i n d o w ss o c k e t 是运行在w i n d o w s 平台之上的基于s o c k e t 模型的a p i 。根据所传输 的数据类型不同，w i n s o c k 可分为s t r e a ms o c k e t 和d a t e g r a ms o c k e t 两种类型，s t r e a m s o c k e t 提供面向连接、无差错的、先后顺序一致的、数据包长度不限和非重复的网络信息 包传输，t c p 协议使用该类型套接字实现网络通讯。 t c p i p 能够满足大范围的应用程序要求，能调节网际间的动态环境，建立和管理本 地通信进程与远地通信进程之间的会话，作为支持应用程序，在网际中可靠地传输数据， t c p 提供了一系列保障机制，包括：面向连接的数据管理、可靠的数据传送、流量控制、 滑动窗口、多路复用、全双工传输、优先权和安全性、从容关闭等【1 6 1 。 v i s u a lc + + 6 0 是w i n d o w s 环境下的可视化的高级编程语言。c 语言灵活性好，效率 高，可以接触到软件开发的底层，c + + 可移植性好，具有良好的稳定性，在m f c 中，提 供面向对象的编程方式，对w i n d o w ss o c k e ta p i 进行了封装。它向程序员提供了一种面 向对象的编程接口。本文将结合使用v c + + 6 0 和i n t e r n e t 网络技术进行远程通信。 1 4 本章小结 本章简要分析了国内外计算机集中监控和远程监控系统发展现状，并提出该文将以 l i m n 0 2 电池自动化生产线为载体，去探讨计算机集中监控和远程监控的方法、步骤和结 构的配置等问题。同时简明介绍本课题研究的主要内容、意义，并提出随着我们国家科学 技术的快速发展、大量自动化设备的采用必将推动我国控制技术快速发展。本课题把先进 的控制理论和技术应用到实际生产中，对提高企业生产率和竞争力有很强的经济价值。 第二章计算机集中监控理论及h o s tl i n k 通信协议 第二章计算机监控理论及h o s tlin k 通信协议 2 1 计算机监控概述 随着计算机技术、微电子技术、电子电力技术、检测和传感技术的发展，在以机械、 电子、航空、航天技术等为主的多门技术相互渗透、相互结合过程中逐渐形成和发展了工 业计算机监控系统 1 7 1 。特别是自动化技术与计算机科学技术的相互渗透，与工业控制系 统相结合就发展成为今天的自动化程度很高的计算机控制技术。 在自动控制技术迅速发展的同时，计算机监控技术作为其重要组成部分，也得到了前 所未有的发展。计算机监控技术是自动控制系统的核心部分，它正在向网络化、集成化、 智能化等方面发展【1 8 1 。它是一种高度集成化的技术，不但包含通用的控制技术，而且还 包括通信技术和网络技术，它与应用系统的工艺条件和技术要求紧密相关。我们相信，随 着社会的进步和科技的发展，计算机监控技术也将向着更高的水平迈进。计算机监控系统 己经成为当今工业控制领域的主流【1 9 】。 计算机监控技术所带来的经济效益是勿庸置疑的。通过应用计算机监控技术，可以稳 定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料消耗，降低生产成本。更重要的是 通过应用计算机监控技术还可以提高管理水平和生产效率，能带来极大的社会效益【2 0 】。 随着计算机技术和电子技术的飞速发展，计算机监控技术也得到了迅速的发展。随之而来， 计算机监控技术被广泛应用于工业、交通、军事、航空、医疗、农业等领域中。近几年来， 计算机监控技术的发展相当迅速，已经成为当今工控领域的主流技术。它综合了计算机、 电子、电气、通信、自动控制、机械等领域的许多技术，它是未来我们工业发展的新方向 【2 l 】。 2 1 1 计算机监控的定义及其特点 计算机监控，就是利用传感装置将被监控对象中的物理参量( 如温度、压力、流量、 液位、速度) 转换为电量( 如电压、电流) ，再将这些代表实际物理参量的电量送入输入 装置中转换为计算机可识别的数字量，并在计算机显示器上以数字、图形或曲线的方式显 示出来，从而使操作人员能够直观并迅速地了解被监控对象的变化过程。计算机还可以将 采集到的数据存储起来，进行分析、统计和显示并制作成各种报表。还可根据采集到的物 理参量的大小和变化情况以及按照工艺所要求该物理量的设定值进行判断，然后在输出装 置中输出相应的电信号，并推动执行装置动作从而完成控制任务【2 2 1 。 通常，将计算机监控系统平台的构筑方式称为监控系统的体系结构，它包括系统的软 硬件组成部件的划分、各部件间的连接与约束，如拓扑关系、通信协议等。由此可见，监 控系统的体系结构不仅可为整个系统的分析、设计和构建提供参考框架，也是指导系统在 7 第二章计算机集中监控理论及h o s tl i n k 通信协议 整个生存周期内进行扩展、更新和维护的基础【2 3 】。 因此，监控系统组成结构的研究不仅直接关系到监控系统的开发周期与成本，同时关 系到整个控制系统的实时性、稳定性和交互性，计算机监控技术有以下几个特点【2 4 1 。 ( 1 )体系结构的扁平化和监控管理一体化 由于微处理器的不断发展，现场信号的处理和控制越来越多地会在底层完成，从而使 得计算机监控系统在体系结构上变得扁平。另外，计算机监控系统与生产调度层、管理层 都集成为一体。底层的各类数据可以向上传送，在管理层可以及时地看到现场的各数据， 了解现场的各种情况，生产调度层和管理层的指令也可以很容易地向下传送，因而提高了 管理的效率。 ( 2 )微型化 嵌入式系统也是计算机监控系统的一个发展方向。所谓嵌入式系统，是指计算机监控 系统嵌入到被监控对象之中。微处理芯片技术、液晶显示技术、大容量电子技术的发展为 嵌入式系统的开发提供了可靠的保证。 ( 3 )大型化及网络化 与计算机监控系统微型化相反的方向就是大型化。大型化的特点是：一是监控系统监 控的参量非常多，可以达到数万个甚至数十万个；另一个是监控的地域非常的宽广。 ( 4 )多媒体技术 多媒体技术正在迅速地向计算机监控技术应用的各个领域扩散。通过应用多媒体技术， 可以使操作人员获取现场信号。 2 1 2 计算机监控系统的组成及分类 计算机监控系统的组成有多种划分方法，最简单地可分为硬件和软件两部分。一般地， 计算机监控系统由以下几个部分组成：计算机( 含可视化的人机界面) 、输入输出装置( 模 块) 、检测和变送机构、执行机构2 5 1 ，计算机监控系统组成原理图如图2 - 1 所示。 i o 接口检测卢执行 计算机i “、l 。 i 检测变送j i 稍八r 。 应用程序输入 组态软件数据库i 、l 一 l 检测变送l 板卡 操作系统 li 羽l 硬件l i i i ，i 检测变送i r l硼u 出i 图2 1 计算机监控系统原理图 计算机监控系统与一般计算机控制系统的主要区别就是可视化的人机界面。随着计算 第二章计算机集中监控理论及h o s tl i n k 通信协议 机显示技术和软件技术的发展，特别是近年来个人计算机的广泛应用，人机界面变得越来 越丰富，其作用显得越来越重要。 计算机监控系统由硬件和软件组成的。硬件主要由计算机、输入输出装置、检测变送 装置和执行机构四大部分组成【2 6 】，具体划分如下： 计算机包括主机、显示器、键盘、鼠标、打印机。 软件包括操作系统、组态软件、数据库、应用软件( 控制模块、输入输出处理、逻辑 控制模块、通信、报警处理、显示处理、报表或文件的打印) 。 输入输出装置包括模拟量输入输出、开关量输入偷出、计数脉冲输入、脉冲输出( 步 进脉冲输出、p w m 脉冲输出、移相触发脉冲输出) 。 检测变送装置包括热电偶、热电阻、温度压力变送器、电压频率检测等等。 执行机构包括功率放大及交流直流电机、功率放大及步进电机、继电器、接触器、 指示灯、变频器、电磁阀等。 软件主要分为系统软件、开发软件和应用软件三大部分。系统软件指的是监控系统可 执行程序；开发软件指的是高级语言、组态软件和数据库等；应用软件包括工业中常用的 各种模块比如输入输出模块、控制算法模块、通信模块等【2 7 1 。 我们在开发计算机监控软件时，既要考虑开发软件的周期、难易程度又要考虑在能达 到工业控制要求的同时，适当降低所需的成本。由于购买组态软件的费用很高，而且也得 进行二次开发。所以对于多数用户来说，可使用高级语言来开发监控系统软件。这样既可 以节约成本，又可以达到理想的要求f 2 8 1 。 由于计算机监控系统应用和构成上的差异，其种类繁多。按照监控系统构成的不同， 分为以下四种不同类型的计算机监控系统【2 9 】。 ( 1 ) 基于p c 机的计算机监控系统 p c 机是目前世界上数量最多、应用最广泛的机型，因而可将p c 机应用于计算机监 控系统中。由于其结构简单、操作简便、技术开放，并且拥有极为丰富的应用软件资源， 从而深得开发人员的青睐。因此，基于p c 机的计算机监控系统( 简称p c s ) 在中小型应 用中占有很大的比例。 基于p c 机的计算机监控系统的基本特点是：输入输出装置制作为板卡的形式，并将 板卡直接与p c 机的系统总线相连，即直接插在计算机主机的扩展槽上，如图2 2 所示。 在早期使用比较多的是s t d 总线，近年来主要使用p c i 总线和i s a 总线。工业控制 计算机( 简称工控机i p c ) 主要采用i s a 总线，个人p c 机则普遍采用p c i 总线。由于工 控机自身的特点，在过程监控、数据采集中得到了广泛应用。与其他类型的计算机监控系 统的主计算机相比较，它具有以下特点：构成简单、开放性好、可靠性高、环境适应能力 强和对配置的要求相对不高【3 们。 由于p c 机价格适中、组成灵活、标准化程度高、结构开放、配件供应来源广泛和应用 软件丰富等特点，使其在中小型特别是小型计算机监控系统中占有相当大的比例。p c s 是 第二章计算机集中监控理论及h o s tl i n k 通信协议 一种应用前景很广泛的计算机监控系统。 图2 - 2 基于p c 的计算机监控系统 ( 2 )基于p l c 的计算机监控系统 p l c 是可编程序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 的简称，主要用于工业 控制中。它的主要优点如下【3 l 】：可靠性特别高、抗干扰能力强，能适应各种恶劣的工业 环境；采用模块化结构，系统组成灵活方便；主要采用梯形逻辑图的编程语言，编程简单； 安装简便、调试方便且维护工作量小。 尽管p l c 具有上述优点，但p l c 主要是为现场控制而设计的。2 0 世纪9 0 年代末， 许多p l c 产品都配备有计算机通信接口，通过总线将一台或者多台p l c 相连接，将p l c 高控制性能与个人计算机的友好人机界面相结合，这种类型的计算机监控系统称为p l c s ， 如图2 3 所示为p l c s 的组成示意图。 图2 3p l c s 的组成原理图 计算机作为上位机可以提供良好的人机界面，进行整个系统的监视和管理，而p l c 作为下位机，执行可靠有效的分散控制。计算机与p l c ，p l c 与p l c 之间通过通信网络 实现信息的传送和交换。所有的现场控制都是由p l c 来完成的，上位机只作为程序编制、 参数设定和修改、数据采集所用。因此即使是上位机出现了故障，也不会影响生产过程的 正常进行，这就大大地提高了系统的可靠性。 ( 3 )集散控制系统 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 即集散控制系统，是以微型计算机为基础，利用计 算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术的分散型 第二章计算机集中监控理论及h o s t l i n k 通信协议 综合控制系鲥3 2 】。它采用危险分散、控制分散，操作和管理集中的基本设计思想，以及 分层、分级和合作自治的结构形式，适应现代的工业生产和管理要求，是当今工业控制的 主流系统。它随着计算机技术、控制技术、通信技术和屏幕显示技术的发展而不断更新和 提高，己经广泛应用于石油、化工、发电、冶金、轻工和建材等工业中。集散控制系统一 般包括控制站、工程师站、监控计算机站以及计算机网关等。 控制站( c o n t r o ls t a t i o n ，c s ) ：进行过程信号输入输出和运算控制实现直接数字控 制功能。 操作员站( o p e r a t o rs t a t i o n ，o s ) ：供工艺操作员对生产过程进行监视、操作和管理。 工程师站( e n g i n e e rs t a t i o n ，e s ) ：供控制工程师按工艺要求设计控制系统，按操作 要求设计人机界面，并对d c s 硬件和软件进行维护和管理。 监控计算机站( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rs t a t i o n ，s c s ) ：实现优化控制、自适应控制和 预测控制等一系列先进控制算法，完成监控功能。 计算机网关( c o m p u t e rg a t e w a y ，c g ) ：完成d c s 网络与其他网络的互连与开放。 ( 4 )现场总线控制系统 现场总线控制系统( f c s f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) ，是新一代的自动化系统，它 是在d c s 的基础上发展起来的，它变革了d c s 直接控制层的控制站和生产现场层的模拟 仪表，保留了d c s 的操作监控层、生产管理层和决策管理层。现场总线控制系统具有全 数字化、全分布、双向传输、自诊断、节省布线及控制室空间、开放性、互操作性、智能 化与自治性等优点。如今，现场总线技术己经成为一种非常重要的计算机监控系统，但由 于其开放性，故出现了较多的现场总线标准，其中比较有影响和流行的总线标准有：c a n 总线、p r o f i b u s 总线、f f 现场总线和l o n w o r k s 网络【3 3 1 。 f c s 从下至上依次分为现场控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。 2 1 3 计算机监控系统的设计 在介绍了计算机监控的基本原理之后，还需要掌握计算机监控系统的基本设计方法。 计算机监控系统的设计与开发不仅是一个理论问题，同时也是一个实际工程问题【3 4 】。对 于不同的被控对象和控制要求，相应的设计和开发方法都不会完全一样。例如，对于小型 系统，可能软硬