碩士論文-汽車安全氣囊生產線監(jiān)控系統的研究與實現.pdf

上海大學 碩士學位論文 汽車安全氣囊生產線監(jiān)控系統的研究與實現 姓名 胡榮 申請學位級別 碩士 專業(yè) 機械電子 指導教師 沈俊杰 沈立紅 20080201 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G l t A D U d ET H E S I SO FS H A N G H A IU N I V E R S I T 摘要 安全氣囊是衡量現代汽車安全系統的一個最為重要的指標 它與汽車設計 以及駕駛者的安全密切相關 所以安全氣囊的生產尤為重要 追溯每一個產品 生產的相關信息更為重要 論文首先論述了研究生產線監(jiān)控系統的意義 然后詳細介紹了虛擬儀器技 術的特點以及優(yōu)勢 與傳統儀器相比 虛擬儀器在智能化程度 處理能力 性能 價格比 可操作性等方面都具有明顯的技術優(yōu)勢 隨著各種新興技術不斷融入 到監(jiān)控組態(tài)軟件中 監(jiān)控組態(tài)軟件有著更強的競爭力和更為廣闊的市場前景 而且隨著用戶需求的不斷提高和技術的不斷進步 軟件也需要逐步完善和更新 換代 我國工業(yè)控制領域流行的監(jiān)控軟件主要有i F i x W i n C C 等 但是由于這 些大型軟件價格昂貴 軟件所能實現的功能有限 所以使用其它軟件 如目前越 來越流行的L a b V I E W 測控軟件 替代上述監(jiān)控軟件 來實現其監(jiān)控功能 以適 用于中小型系統中是一重要課題 本文針對延鋒百利得汽車安全系統有限責任公司北京 克萊斯勒3 0 0 C 安全 氣囊生產的具體運行環(huán)境 對系統的需求分析 總體設計 數據集成 數據庫 的選擇以及功能模塊實現等問題進行詳細的闡述 本文重點討論了監(jiān)控系統的數據集成以及實現 采用工業(yè)以太網和現場總 線 P R O F I B U S D P 通訊技術實現了監(jiān)控系統和現場設備之間的連接 其中 控 制領域數據交換的熱門技術 o P C 技術起到了關鍵作用 借助S n v I E T I CN E T 的O P C 服務器 為本監(jiān)控系統的實時數據共享與交換提供了良好的基礎平臺 本監(jiān)控系統運行可靠 實踐表明對安全氣囊 提高生產效率 進行實時控制以 及追溯信息管理等各方面都起到了重要的作用 達到了課題預期的目標 關鍵詞 監(jiān)控系統L a b V T E W 0 P C現場總線實時監(jiān)控 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G R A D U A T ET H E S I SO FS H A N G H A JU N I V E R S I T A B S T R A C T S a f e t yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d i c a c o r s t h a tam e a s u r eo fm o d e r n a u t o m o t i v ea i r b a gs a f e t ys y S t e m s a Sw e l la st h ev e h i c l ed e s i g ni sc l o s e l yr e l a t e dt o t h es a f e t y s e c u r i t ya i r b a gp r o d u c t i o ni sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t ar e t r o s p e c t i v eo ft h e p r o d u c t i o no f r e l e v a n ti n f o r m a t i o ni Sm o r ei m p o r t a n t A tf i r s tP a p e r sr e s e r c ho nt h es i g n i f i c a n c eo ft h ep r o d u c t i o nc o n t r o ls y s t e m a n d t h e ni n t r o d u c e di nd e t a i lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n a sw e l l 勰 a d v a n t a g e s C o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ni n t h e i n t e l l i g e n c e p r o c e s s i n gp o w e r p e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t o p e r a b i l i t y a n do t h e r a s p e c t so ft h et e c h n o l o g yh a so b v i o u sa d v a n t a g e s w i t ht h ee m e r g i n gt e c h n o l o g yi n t o t h eS C A D A c o n t r o lg r o u pS o f t w a r es t a t eh a ss t r o n g e rc o m p e t i t i v ee d g ea n dm o r e b r o a dm a r k e tp r o s p e c t s M o r e o v e r w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fu s e rn e e d s a n dt e c h n o l o g i c a la d v a n c e m e n t s t h es o f t w a r ea l s on e e d sag r a d u a l l yi m p r o v i n ga n d u p g r a d i n g C h i n a si n d u s t r i a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r ep o p u l a rm a i n l yi F i x W i n C Ca n dS Oo n b u td u et oh i g hp r i c e so ft h e s el a r g e s c a l es o f t w a r e t h es o f t w a r e c a l lr e a l i z et h ef u n c t i o no fl i m i t e d t h eu s eo fo t h e rs o f t w a r e s u c ha st h ec u r r e n t g r o w i n gp o p u l a r i t yo fL a b V I E Wm o n i t o r i n gs o f t w a r e t h ea l t e r n a t i v em o n i t o r i n g s o f t w a r et oa c h i e v ei t sm o n i t o t i n gc a p a b i l i t i e st oa p p l yt os m a l la n dm e d i u m s i z e d s y s t e mi sa ni m p o r t a n ti s s u e T I l i sP a p e rf o c u so nB e i J i n g C h r y s l e r 3 0 0 Ca i r b a gp r o d u c t i o no fs p e c i f i co p e r a t i n g e n v i r o n m e n tw h i c hi nt h et h eY a n f e n gK E Ya u t o m o t i v es a f e t yL i m i t e d t h es y s t e m n e e d sa n a l y s i s d e s i g n d a t ai n t e g r a t i o n a sw e l la st h ed a t a b a s eo fc h o i c et oa c h i e v e f u n c t i o n a lm o d u l e ss u c hi S S U e sa sd e t a i l e d I t l a y s s t r e s so nt h ed a t ai n t e g r a t i o no ft h es y s t e m T h es y s t e mC a nb e c o m m u n i c a t e dw i t ht h ef i l e de q u i p m e n tw i t ht h ea i do ft h et e c h n i q u eo fI n d u s t r i a l E t h e m e ta n dF i e l d b u s P R o F I B U S D P 0 P Cp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h es y s t e m d e v e l o p m e n t w h i c hi st h en e w e s tt e c h n i q u eo fd a t ae x c h a n g e A tp r e s e n t t h e m o n i t o t i n gs y s t e mh a sr u nn o r m a l 彤t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v ep r o d u c t i o n e m c i e n c ya n dr e a l t i m ec o n t r o la n dt r a c ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t a n do t h e ra r e a s h a v ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l et oa c h i e v et h ed e s i r e do b j e c t i v e so ft h ei s s u e K e y w o r d s M o n i t o r i n gS y s t e mL a b V I E WO P CF i e l d b u sR e a l t i m em o n i t o r i n g V I 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G R A D U p r ET H E S I SO FS H A N G H A IU N E R S I T 原創(chuàng)性聲明 本人聲明 所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已發(fā) 表或撰寫過的研究成果 參與同一工作的其他同志對本研究所做的 任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意 簽名 監(jiān)日期 絲斗 本論文使用授權說明 本人完全了解上海大學有關保留 使用學位論文的規(guī)定 即 學校有權保留論文及送交論文復印件 允許論文被查閱和借閱 學 ?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨热?保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定 上海大學碩士學位論文 T H E P O S T G R A D U A T ET H E S I SO FS H A N G H A IU N I V E R S I T 第一章緒論 1 1 課題來源 本課題來源于上海上大機電設計研究院和上海延峰百利得汽車安全系統有 限公司合作的重點項目 北京一戴克克萊斯勒3 0 0 C 安全氣囊生產線的設計 依據延鋒百利得汽車安全氣囊生產的要求 設計了生產設備以及監(jiān)控系統 本論 文主要研究了監(jiān)控系統的設計思想 開發(fā)過程以及相關的軟硬件 1 2 安全氣囊生產研究背景和意義 1 2 1 研究背景 汽車是現代文明的標志之一 但汽車交通事故也是現代文明社會的災難之 一 死亡和受傷的損失是相當驚人的 截至2 0 世紀9 0 年代中期 美國戰(zhàn)后汽車交 通事故的死亡人數相當于美國在兩次世界大戰(zhàn)中死亡人數的總和 中國自改革開 放以后 公路交通的死亡人數也在逐年上升 如果從汽車死亡的人數看 情況則 更為嚴重 2 0 0 0 年我國公路交通死亡人數已高達9 萬余人 高科技的發(fā)展 出現 了新型汽車安全部件 即汽車安全氣囊 安全氣囊對乘員的保護效果是非常出色 的尤其與安全帶配合使用時效果更為明顯 故被稱為駕駛員的 救命袋 據 M o r t o n 公司資料介紹 安全氣囊與安全帶配合使用可減少輕重傷 1 9 9 0 年3 月1 2 日 克萊斯勒汽車公司生產的兩輛L e B a r o n 轎車在美國弗吉尼亞 l C u l p e p e r 附近 的公路上相撞 它們的速度高達7 0m i l e h 結果兩車嚴重撞損 但兩車的氣囊同 時打開 兩位駕駛員只受了輕傷 美國政府的一項對配有安全氣囊汽車的調查數 字表明 在1 6 7 次碰撞事故中 除1 4 名駕駛員受到一些輕傷外 其余人員均安全 無事 這些事故都并非僥幸 是安全氣囊起了很大的保護作用 安全氣囊的出 現 給汽車乘員帶來了福音 同時也給汽車工業(yè)帶來了繁榮 這使得汽車的安全 性更為重要 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G R A D U 艇T H E S I SO FS H A N G H A IU N I V E R S I T 汽車的安全性分為主動安全和被動安全兩種 主動安全是指汽車防止發(fā)生事 故的能力 被動安全是指在萬一發(fā)生事故的情況下 汽車保護乘員的能力 當汽 車發(fā)生事故時 對乘員的傷害是在瞬間發(fā)生的 例如 以車速5 0 公里 時進行正 面撞車時 其發(fā)生時間只有十分之一秒左右 為了在這樣短暫的時間中防止對乘 員的傷害 必須設置安全裝備 目前主要有安全帶 防撞式車身和安全氣囊防護 系統 S u p p l e m e n t a lI n f l a t a b l eR e s t r a i n tS y s t e m 簡稱S R S 等 由于很多事故是難 以避免的 因此被動安全性也非常重要 安全氣囊作為被動安全性的研究成果 由于使用方便 效果顯著 造價不高 得到了迅速的發(fā)展和普及 我國2 0 0 0 年 實施了C M V D R2 9 4 關于正面碰撞乘員保護的設計規(guī)則 該法規(guī)等效于歐洲 E C E R 9 4 法規(guī) 最近 我國的側面碰撞法規(guī)已經開始實施 這將對我國車輛的碰 撞安全性能和駕乘人員保護系統提出更高的要求 安全氣囊是由美國人約翰 赫特里特 J o h n H o t r i c h 發(fā)明 他是一位自學 成才的賓夕法尼亞州工程師 1 9 5 2 年 在遭遇一次事故后 他萌發(fā)了設計撞車 安全裝置的想法 在這次事故中 約翰為躲避一個障礙物而猛打方向盤進行制動 他和妻子都用手臂本能地保護坐在前座中間位置上的女兒 這次事故后他意識到 必須要有一個良好的方法來保護乘員 兩周之后他繪好了設計圖紙交給了代理 人 這份圖紙確定了今天安全氣囊的雛型 1 9 5 3 年8 月1 8 日 他獲得了 汽車 緩沖安全裝置 的美國專利 由于每個氣囊只能使用一次 只要引爆就不再有下一次保護的能力 也不能 塞回去再使用 引爆后必須回廠換一個新的氣囊 但正是這唯一一次的使用 決 定了駕乘者的生與死 它正是這樣一種關鍵的汽車安全部件 作為一種汽車的安全產品 汽車安全起囊自身的生產過程首先就要確保安全 性和準確性 以保證產品在唯一一次使用中達到設計要求 但是 制造者無法保 證零部件信息錄入的準確性 也無法在成品組裝完成之后 進行一次綜合的功能 測試 這給產品的質量檢測帶來了很大的困難 對于每一件安全氣囊 制造商只 能嚴格精確地控制生產過程 設置系列質量檢驗點 用來保證不選用有缺陷的組 件 以及保證合格的組件正確地被裝配起來 除此之外 另外一個重要的措施就 是保存詳細的產品零部件數據記錄 在每次車禍中 如果安全氣囊提早打開或無 法打開 一旦確認是由于氣囊自身的質量問題所造成的 就要查找該氣囊所有組 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G R A D U A T ET H E S I SO FS H A N G H A IU N l V E R S I T 成部件的數據記錄 通過檢查這些數據記錄 不但可以發(fā)現造成氣囊質量問題的 原因 還可以進一步確認 在哪個時間段 哪些車輛 哪個班次也采用了這些有 相同問題的安全氣囊 從而及時地通知汽車廠商 組織汽車召回 消除安全隱患 同時 每件安全氣囊的生產數據都必須保存若干年 一旦某件安全氣囊出現質量 問題 就可以追溯這件產品的整個生產過程信息 找出問題所在 提出相應的系 統解決方案 2 1 計算機信息技術的迅速發(fā)展大大加快了制造企業(yè)的現代化與信息化的進 程 制造業(yè)信息化已成為全球化的發(fā)展趨勢 以企業(yè)資源計劃E R P E R P E n t e r p r i s eR e s o u r c eP l a n n i n g 為代表的管理數字化是制造業(yè)信息化技術特點的重 要體現 也是我國制造業(yè)信息化工程的重要方面 計算機技術與管理科學的結合 促進了現代企業(yè)管理技術的形成 企業(yè)管理涉及企業(yè)經營戰(zhàn)略 經營目標 組織 與文化 制造資源 資金與成本 技術與產品開發(fā) 生產計劃與控制 供應鏈與 企業(yè)協同等方面 現代企業(yè)管理技術基于現代企業(yè)管理模式 在資源集成 信息 集成 功能集成 過程集成和企業(yè)間集成基礎上 通過集成化管理與決策信息系 統支持企業(yè)全面 合理 系統地管理生產和經營過程 可以最大限度地發(fā)揮企業(yè) 內外部資源 技術和人員的作用 大幅度提高企業(yè)經濟效益和市場競爭力 然 而 長期以來 許多企業(yè)為了提高生產效率 加強競爭能力以及滿足市場的需求 投入巨資配置了控制系統和E R P 系統 以改善現場一線的生產能力和企業(yè)的管 理能力 但是由于控制系統與E R P 系統各自為政 造成兩種系統脫節(jié) 信息阻 斷 嚴重的阻礙了現有系統能力的充分發(fā)揮 迫切的需要一層新的系統來填補這 一空隙 以實現管控一體化 3 流程工業(yè)一般是指通過分離 混合 成型使原材料增值的行業(yè) 它的生產 過程一般是連續(xù)的或成批的 需要嚴格的過程控制和安全性措施 具有工藝過程 相對固定 周期短 產品規(guī)格比較少 但有批量大的特點 流程工業(yè)經過十多年 的發(fā)展 分為三層結構 即B P S 經營計劃系統 M E S 制造執(zhí)行系統 P C S 過程 控制系統 通常三層結構表述為E R P M E S P C S 簡稱為計劃層 執(zhí)行層 控制層或 管理層 生產層 控制層 E R P 層是以決策為核心的整體資源優(yōu)化的技術 P C S 是 以產品的質量 數量和滿足工藝要求為目標的以設備綜和管理控制 為核心的技術 而M E S 層是以生產綜合指標為目標的生產過程優(yōu)化控制 生產 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G R A D U A T ET H E S I SO FS H A N G H A IU N I V E R S I T 運行優(yōu)化操作與優(yōu)化管理的技術 當前 幾乎所有的汽車行業(yè)都已經有了底層的生產控制系統 也有實施了 E R P 系統 但是管理層和控制層之間卻缺乏聯系 目前存在的問題 一是有大量 的自動化孤島 二是E R P 與P C S 之間的斷層 三是E R P 系統維護功能不全 上述問題將導致生產工序之間信息阻斷 后面的工序不能對前面工序的操作變化 作反應或者及時調整 同時 E R P 系統與過程控制系統之間的信息阻斷 造成管 理者不能及時準確掌握生產一線的信息 缺乏協調 延誤決測的下達 從而很難 對生產資源進行有效的分配 最終影響生產 因此 在流程工業(yè)過程中 為了生產過程長周期 平穩(wěn) 安全經濟的進行 生產 必須對過程控制系統提出苛刻的要求 以解決生產過程的控制和決策問題 主要表現在 一是建立復雜的信息模型和及時處理數量巨大的傳感器 數據量 計算量 二是解決數據實時采集的多種方式 三是處理大量的不確定因素 如環(huán) 境動態(tài)變化 信號的不穩(wěn)定 噪聲干擾等 近年來 一些M R P E R P 軟件試圖將 其車間管理的功能向下延拓 而一些底層控制軟件如D C S 軟件 各種組態(tài)軟件 等嘗試向上延伸功能 可是盡管增加了一些功能模塊 卻收效不大 E R P 軟件缺 少足夠的控制信息 無法做到與控制系統緊密相連 D C S 各種組態(tài)軟件等控制 軟件又缺乏足夠的管理控制信息 不能實現對生產的管理與控制 因此造成了企 業(yè)內部的信息傳遞瓶頸 不能對市場變化作出快速響應 這主要是雖然重視了計 劃管理和底層控制 卻忽視了車間執(zhí)行功能 因此重視執(zhí)行功能對企業(yè)來說 可 以起到事半功倍的效果 于是制造執(zhí)行系統M E S 應運而生 作為車間層的管理 信息系統 同時又能夠實時檢測監(jiān)控設備層的運行狀況 4 生產監(jiān)控系統 既要及時采集各種控制系統的數據 并與E R P 系統實現無 縫連接 溝通了E R P 系統與過程控制系統之間的聯系 消除了企業(yè)中存在的信 息孤島現象 使得企業(yè)中的信息暢通無阻 上傳下達 能幫助企業(yè)降低生產成本 減少失誤 提高產品的質量和產量 最終提高企業(yè)的整體運營效率 獲取最大經 濟效益 1 2 2 研究意義 近些年來 在企業(yè)信息化建設過程中 人們普遍關注的不是信息應用系統 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G R A D U A T ET H E S I SO FS H A N G H A IU N I V E R S I T 的開發(fā) 更多的是關注信息系統為企業(yè)管理做了哪些事 像生產管理 M E S 經營管理 E R P 等無不是從管理的角度去建設評價信息化項目 另外 企業(yè)生 產的控制系統D C S 雖然越來越成熟 但好像走進了一方面D C S 捍為自己系統的 獨立性 另一個方面好多企業(yè)在D C S 應用上僅僅是代替了過去的常規(guī)的調節(jié)器 深層次的開發(fā)很少 但是隨著信息化的不斷深入 人們越來越深刻意識到企業(yè)的 生產控制和管理信息相關 于是提出了管控一體化的思想 雖然目前也僅僅是在 理論的階段 實質性的進展很少 真正做到管控一體化的就更少 所以有必要結 合國內以及國外的一些生產線監(jiān)控與管理系統案例 了解管控一體化的進程 研 究車間級監(jiān)控與管理系統的開發(fā)過程 對于加快我國企業(yè)信息化進程具有重大意 義 1 3 生產線監(jiān)控系統的國內外研究概況 1 3 1 國外研究概況跚 現代化的企業(yè)管理經歷了M I S C I M S 直至現今的管控一體化三個階段 E R P 的應用 包括早期的M R P M I 沖一I I 等 已有2 0 多年歷史 1 9 9 7 年世界市場營業(yè) 額約6 8 億美元 E R P 產品已做到大型化 特色化 支持多種行業(yè)和各種類型企業(yè) 有多種版本 有基于I n t e m e t 的E R P 解決方案 應用的效果可以由A R C 調查報告為 證 A R C 調整后得出結論為 流程工業(yè)管控一體化技術可獲得如下經濟效益 產 品質量提高1 9 2 勞動生產率提高1 3 5 產量提高1 1 5 所以國外應用很廣 尤以E R P 為主 M E S 近1 0 年也逐漸普及 國外有多家專業(yè)從事流程工業(yè)管控一體化軟件開發(fā)的工程公司 E R P 方面 有S A P B A N N P E O P L ES O F T R O RA L E G A R T N E RG R O U P 等公司 M E S 方面有A S P E N T E C H C A M S T A RS Y E T E M M O U N T A I NS Y E T E M 等公 司 還有西門子公司的由P C S 7 過程控制系統擴展的全集成自動化 T 認 G E F a n u c 公司的以新理念的P A C 與企業(yè)高級自動化管理和控制軟件P r o f i e y T M 結合 的智能化生產管理和控制系統 羅克韋爾自動化公司的以底層控制平臺 C o n t r o l L o g i x 為基礎發(fā)展起來的集成架構 I n t e g r a t e dA r c h i t e c t u r e A B B 公司的 以底層過程控制平臺S y s t e m8 0 0 X A 為基礎發(fā)展起來的I n d u s t r i I T 施耐德公司 上海大學碩士學位論文 T 臟P O S T G R A D U 玎ET H E S I SO FS H A N G H A IU N I V E R S I T M O D I C O N 的透明工廠 H o n e y w e l l 公司的E x p e r i o nP K S 系統 F o x b o r o 公司 的I AS e r i e s A 2 系統 橫河電機公司的企業(yè)技術解決方案 E T S e R M E m e r s o n 公司的P l a n t W e b 系統 1 3 2 國內研究概況嘲 國內對E R P M E S 等方面的軟件需求很旺盛 所以外國相關公司均在國內 設有辦事處 或與中方合作 而且也陸續(xù)推出中文版軟件 國內原來搞財務軟件 公司和搞自動化 計算機的公司也擴展了這方面的業(yè)務 較有名的有用友 金蝶 和利時 浙大中控 太極等公司 中國于2 0 世紀8 0 年代初開始應用M R PI I 系統 如沈陽第一機床廠率先實 施了以M R P 為核心的計算機輔助生產管理系統 我國的有些高校和研究所也開 始了關于M R PI I 的技術研究工作 早期的M R P 應用系統比較強調物料庫存管理 與生產計劃 且多采用的是主機 終端式計算機系統 早期的M R PI I 應用企業(yè)取 得了較明顯的效益 并為我國制造企業(yè)展示了現代企業(yè)管理模式 2 0 世紀9 0 年以來 開始有較多企業(yè)應用E R P 系統 特別是 國家8 6 3 高 技術計劃C I M S 應用示范工程在很大程度上大大推動了我國制造業(yè)應用M R PI I E R P 系統的進程 有覆蓋十多個行業(yè)的2 0 0 多家企業(yè)在實施C I M S 應用示范工 程 其中 許多企業(yè)采用了M R P I I E R P 系統 這使得M R P I I E R P 系統在C I M S 環(huán)境下更上了一個臺階 并給企業(yè)帶來了更大的經濟效益 其中 北京第一機床 廠通過實施C I M S 與E R P 應用示范工程取得明顯效果 獲得美國制造工程師協 會頒發(fā)的 工業(yè)領先獎 該企業(yè)還培育出了國產化的E R P 軟件產品 九五 期間 8 6 3 計劃還支持了國產化E R P 軟件產品的研發(fā)與應用 推動了我國E R P 產業(yè)早期的發(fā)展 進入2 0 0 0 年以來 隨著中央提出 以信息化帶動工業(yè)化 戰(zhàn)略 我國企業(yè) 信息化與現代化發(fā)展步伐明顯加快 特別是 科技部提出了 制造業(yè)信息化工程 經貿委提出了 企業(yè)信息化 行動 帶動和掀起了我國企業(yè)應用E R P 的高潮 近兩年 我國眾多企業(yè)在積極實施E R P 系統 現已有數千家企業(yè)應用E R P 系統 有些早期實施M R PI I 的企業(yè)在使其系統升級為E R P 系統 并在不斷深化應用 功能更加強大 集成化程度越來越高 先進的E R P 管理系統提高了企業(yè)的市場 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G R A D U A T ET H E S I SO FS H A N G H A IU N l E R S I T 競爭力 獲得顯著經濟效益 巨大的E R P 市場也刺激了國產化E R P 產品應用的 不斷深入和我國E R P 軟件產業(yè)的迅速發(fā)展 現已有國產化E R P 軟件商數十家之 多 十五 8 6 3 計劃也在大力支持和推動E R P 管理系統的研究 并重點支持了 1 0 個E R P 軟件產品的研發(fā) 對E R P 應用實施和產業(yè)發(fā)展產生較大影響和推動作 用 E R P 系統應用實施的熱潮正在全國各省市全面鋪開 并在制造業(yè)信息化工程 中發(fā)揮著積極推動作用 西門子自動化 中國 的P C S 76 1 系統 橫河電機介紹的C E N T U MC S 3 0 0 0 系統 A B B 中國 介紹的S y s t e m8 0 0 x A 系統 上面三家推出的新系統均屬于流 程工業(yè)底層控制平臺及其擴展系統 它們具有一共同點 那就是近年來通過網絡 化改造和軟件平臺整合 進行了向中層和上層的功能擴展和延伸 這些系統包含 了P C S M E S 和E R P 三個層面所構成的管控一體化系統 如西門子公司的全集成 自動化T I A 橫河電機公司的企業(yè)技術解決方案E T S e R M A B B 公司的 I n d u s t r i a lI T 的架構特征 這也是當今企業(yè)自動化和信息化系統發(fā)展的主流趨勢 這意味著 在現代化的大型企業(yè)中將可能掀起新的一輪推進 管控 體化 的高 潮 1 4 論文的主要研究內容 本論文是以作者攻讀碩士學位期間承擔課題的工作為基礎 在第一章中闡述 了生產線監(jiān)控系統的背景 意義以及國內外研究現狀 第二章闡述了虛擬儀器技 術在工業(yè)現場中實現監(jiān)控功能的優(yōu)勢 第三章先分析了監(jiān)控與管理的對象 然后 確定了系統的技術方案 第四章詳細介紹了O P C 技術 數據采集的種類和方式以 及通信協儀等相關內容 為監(jiān)控系統的設計提供了理論依據 第五章根據前面兩 章的內容詳細介紹了利用L a b V I E W 進行系統軟件開發(fā)的流程 并通過實驗驗證 了系統的高可靠性以及穩(wěn)定性 第六章對全文進行總結 同時歸納了創(chuàng)新點 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G R A D U 姐 ET H E S I SO FS H A N G H A IIm W E R S l T 第二章虛擬儀器技術 2 1 虛擬儀器技術介紹咖嘲嘲n 帥 n 幻 2 1 1 虛擬儀器的基本概念 虛擬儀器 V i r t u a lI n s t r u m e n t 的概念是由美國國家儀器公司 N a t i o n a l I n s t r u m e n t s 最先提出的 所謂虛擬儀器是基于計算機的軟硬件測試平臺 它可 代替?zhèn)鹘y的測量儀器 如示波器 邏輯分析儀 信號發(fā)生器 頻譜分析儀等 可 集成于自動控制 工業(yè)控制系統之中 可自由構建成專有儀器系統 虛擬儀器是 智能儀器之后的新一代測量儀器 虛擬儀器的核心技術思想就是 軟件即是儀器 它是利用計算機的硬件資 源 C P U 存儲器 顯示器 鍵盤 鼠標 標準數字電路 G P I B R S 2 3 2 接口 總線 新型的V X I 接口總線 信號調理和轉換電路 圖像采集電路 現場總線 等 以及計算機軟件資源 數據分析與表達 過程通信 圖像用戶界面等 經 過有針對性的開發(fā)測試 使之成為一套相當于使用者自己專門設計的傳統儀器 2 1 2 虛擬儀器的特點及優(yōu)勢 虛擬儀器是基于計算機的功能化硬件模塊和計算機軟件構成的電子測試儀 器 而軟件是虛擬儀器的核心 如圖2 1 所示 其中軟件的基礎部分是設備驅動 軟件 而這些標準的儀器驅動軟件使得系統的開發(fā)與儀器的硬件變化無關 這是 虛擬儀器最大的優(yōu)點之一 有了這一點 儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短 虛 擬儀器中應用程序將可選硬件 如G P I B V X I R S 2 3 2 D A Q 板 和可重復 用庫函數等軟件結合在一起 實現了儀器模塊間的通信 定時與觸發(fā) 原碼庫函 數為用戶構造自己的虛擬儀器 V I 系統提供了基本的軟件模塊 由于V I 的 模塊化 開放性和靈活性 以及軟件是關鍵的特點 當用戶的測試要求變化時可 以方便地由用戶自己來增減硬 軟件模塊或重新配置現有系統以滿足新的測試要 求 這樣 當用戶從一個項目轉向另一個項目時 就能簡單地構造出新的V I 系 統而不丟失己有的硬件和軟件資源 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G l 乙 U A T ET H E S I SO FS H A N G H A IU N I V E R S I T 虛擬儀器技術的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統 且功能靈活 很容易構建 所以應用面極為廣泛 虛擬儀器技術十分符合國際上流行的 硬件 軟件化 的發(fā)展趨勢 因而常被稱作 軟件儀器 它功能強大 可實現示波器 邏輯分析儀 頻譜儀 信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能 配以專用探頭和軟 件還可檢測特定系統的參數 如汽車發(fā)動機參數 汽油標號 爐窯溫度 血液脈 搏波 心電參數等多種數據 它操作靈活 完全圖形化界面 風格簡約 符合傳 統設備的使用習慣 圖2 1 虛擬儀器的開發(fā)框圖 2 1 3 虛擬儀器與傳統儀器的比較 虛擬儀器相對于傳統儀器 有四大優(yōu)勢 性能高 擴展性強 開發(fā)時間少 完美的集成功能 虛擬儀器具有傳統獨立儀器無法比擬的優(yōu)勢 如表2 2 所示 虛擬儀器傳統儀器 開發(fā)和維護費用降至最低開發(fā)和維護費用開銷高 技術更新周期短 1 2 年 技術更新周期長 5 1 0 年 軟件是關鍵 系統性能升級方便 通過網硬件是關鍵 升級成本較高 且升 絡下載升級程序即可級必須上門服務 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G R A D U T ET H E S I SO FS H A N G H A II 唧E R S I T 價格昂貴 儀器間一般無法相互利 價格低 儀器間的資源可重復利用 用 開放 靈活與計算機同步 可重復可配置封閉 儀器間相互配合較差 功能單一 只能連接有限的獨立設 可以與網絡及周邊設備方便連接 備 用戶可定義儀器功能只有廠家能定義儀器功能 表2 2 虛擬儀器與傳統儀器特點的對比 在高速度 高帶寬和專業(yè)測試領域 獨立儀器具有無可替代的優(yōu)勢 在中低 檔測試領域 虛擬儀器可取代一部分獨立儀器的工作 但完成復雜環(huán)境下的自動 化測試是虛擬儀器的拿手好戲 是傳統的獨立儀器難以勝任的 甚至不可思議的 工作 主要表現在以下幾個方面 傳統儀器的面板只有一個 上面布置了種類繁多的顯示和操作元件 由此導 致許多識讀和操作錯誤 虛擬儀器與之不同 它可以通過在幾個分面板上的操作 來實現比較復雜的功能 這樣 在每個分面板上就可以實現功能操作的單純化和 面板布置的簡潔化 從而提高操作的正確性和便捷性 同時 虛擬儀器的面板上 的顯示元件和操作元件的種類與形式不受標準元件和加工工藝的限制 由編程來 實現 設計者可以根據用戶的要求和操作需要來設計儀器面板 在通用硬件平臺確定后 軟件取代傳統儀器中由硬件完成的儀器功能 儀器的功能是由用戶根據需要用軟件來定義 不是事先由廠家定義的 儀器性能的改進和功能擴展只需更新相關軟件設計 不需購買新儀器 虛擬儀器開放 靈活 與計算機同步發(fā)展 與網絡及其他周邊設備互聯 由于其以P C 為核心 使得許多數據處理的過程不必像過去那樣由測試儀器 本身來完成 而是在軟件的支持下 利用P C 機C P U 的強大的數據處理功能 來完成 使得基于虛擬儀器的測試系統的測試精度 速度大為提高 實現自動化 智能化 多任務測量 可方便地存貯和交換測試數據 測試結果的表達方式更加豐富多樣 上海大學碩士學位論文 T H EP O S T G R A D U i r ET H E S I SO FS H A N G H A IU N I V E R S r r 虛擬儀器可在較高性價比的條件下 降低系統開發(fā)和維護費用 縮短技術更 新周期 近年來 隨著網絡技術的發(fā)展 己經形成了網絡虛擬儀器 這是一種新型的 基于W e b 技術的虛擬儀器 使得虛擬儀器測試系統成為I n t e r n e t I n t r a n e t 的一部 分 實現現場監(jiān)控和管理 在當前流行的C S D 網絡模式下 利用嵌入式技術 包括數據庫嵌入和網絡模塊的嵌入 可以充分利用有效資源 提高試效率 2 1 4 虛擬儀器開發(fā)工具的比較 目前可用于虛擬儀器開發(fā)的軟件可以分為如下兩大類 它們都包含界面設計 模塊和功能函數設計模塊 文本式編程語言 如 V i s u a lC V i s u a lB A S I C J a v a C B u i l d e r L a b W i n d o w s C V I 等 圖形化編程語言 如 L a b V I E W H P N E E 等 虛擬儀器的重要組成部分是軟件開發(fā)平臺 它是代表虛擬儀器的整個驅動軟 件 因此 軟件開發(fā)平臺的水平在很大程度上代表了虛擬儀器的水平 隨著計算 機技術和軟件技術的飛速發(fā)展 各種專用儀器開發(fā)系統的功能也越來越強大和完 善 虛擬儀器的重要組成部分是軟件開發(fā)平臺 它是代表虛擬儀器的整個驅動軟 件 因此 軟件開發(fā)平臺的水平在很大程度上代表了虛擬儀器的水平 隨著計算 機技術和軟件技術的飛速發(fā)展 各種專用儀器開發(fā)系統的功能也越來越強大和完 善 這里有N I 公司的L a b V I E W L a b W i n d o w s C V I H P 公司的V E E i O t e c h 公 司的D A S L a b K E I T H L E Y 公司的V I E W D A C H E MD a t e 公司的S n a p M a s t e r 等 其中別具特色且在世界上銷售量最大的要數N I 公司的L a b V I E W 了 L a b V I E W 是建立在W i n d o w s N T 3 1 9 5 9 8 2 0 0 0 X P 基礎上的圖形化儀 器開發(fā)系統 也可用于M a o O S S u n H P U X 等 用L a b V I E W 編寫的儀器 軟面板 其界面友好操作簡單直觀 與傳統文本語言相比 用L a b V I E W 編程 易學易懂省時省力 可以節(jié)省大量系統開發(fā)時間 即使對于沒有文本語言基礎的 非軟件工程師來說 也可以很快學習 掌握并應用L a b V I E W 來開發(fā)虛擬儀器 L a b V I E W 是一個完全的開放的儀器開發(fā)系統 利用它可以構成任意形式的虛擬 儀器 如G P I B V X I P X I 串行系統 P L C 和插入式數據采集系統等 并 11 上海大學碩士學位論文 1 H EP O S T G R A D U J T ET H E S I SO FS H A N G H A IU N I V E R S I T 可通過互聯網與其它數據源連接進行動態(tài)數據交換 還可以在L a b V I E W 中嵌 入A c t i v e X 控件 從其它開發(fā)環(huán)境調用L a b V I E W 的源代碼 或用L a b V I E W 動態(tài)鏈接庫的形式在W i n d o w s 下或在其它平臺下以分享庫的形式調用現存代 碼 L a b V I E W 具有以下特點 L a b V I E W 使用 所見即所得 的可視化技術建立人機界面 提供了大量的 儀器面板中的控制對象 如表頭 旋鈕 圖表等 L a b V I E W 使用圖標表示功能模塊 使用圖標間的連線表示各功能模塊間的 數據傳遞 使用大多數工程師和科學家所熟悉的數據流程圖式的語言書寫程序源 代碼 這樣使得編程過程與思維過程非常近似 L a b V I E W 繼承了傳統的編程語言中的結構化和模塊化編程的優(yōu)點 這對于建 立復雜應用 提高代碼的可重用性來說是至關重要的 L a b V I E W 可以采用編譯方式運行3 2 位應用程序 這就解決了其它用解釋 方式運行程序的圖形化編程平臺運行程序速度慢的問題 L a b V I E W 支持多種操作系統平臺 如w 砌o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 N 吖x P P o w e r M a c i n t o s h H P U X S u nS P A I 屺等 在以上任何一個平臺上開發(fā)的L a b V I E W 應用程序都可以直接移植到其它平臺上 L a b V I E W 提供了大量的函數庫供用戶直接調用 從基本的數學函數 字符 串處理函數 數組運算函數和文件I O 函數到高級的數字信號處理函數和數值 分析函數 還提供了許多具有標準接口 如V X I G P I B 等 儀器的驅動程序 用戶可以使用現成的模塊方便地組建自己的測試系統 L a b V I E W 是一個開放式的開發(fā)平臺 L a b V I E W 提供D L L 庫接口和C I N 節(jié) 點使用戶有能力在L a b V I E W 平臺上使用由其它軟件平臺編譯的模塊 借助D D E A c t i v e X D a t aS o c k e t 等技術 擴充系統的開發(fā)能力 L a b V I E W 運用多線程技術改善系統的運行及可靠性 綜上所述 虛擬儀器是計算機技術 儀器技術 測量技術 D A A D 轉換 技術 軟件等技術完美的結合 成為當今測量測試領域里的一支最重要的力量 L a b V I E W 是個強大的開發(fā)工具 具有各種集成的模塊 在實時監(jiān)控 測試等領 域占有一定的地位 上海大學碩士學位論文 T H E P O S T G R A D U A T ET H E S I SO FS H A N G H A IU N I V E R S I T 2 2 工業(yè)現場監(jiān)控功能介紹 由于本系統是基于現場總線的 所以對基于現場總線的工業(yè)車間進行了分 析 現場總線控制系統P C S 是一種開放式 全數字式的控制系統 現場總線技術 的特點是 信號傳輸全數字 控制功能全分散 標準統一全開放 現場總線技術 是繼集散控制系統 D C S 后新一代全分布式控制系統 它已經被廣泛應用于汽 車 造紙 石油化工 電力和樓宇自控等各個控制領域 現場總線控制系統是信息控制一體化系統的主體 構成了信息控制一體化系 統的 過程級 和 監(jiān)控級 完成了全部的測量控制等分散的工業(yè)自動化過程 和任務分配 協調等集中的監(jiān)控管理 實現了人們對工業(yè)自動化系統 集中管理 分散控制 的經典要求n 6 1 形成了從測控設備到控制計算機的全數字通信網絡 企業(yè)綜合自動化系統實現從最高決策層 管理層 到最低設備層 現場層 的綜合管 理與控制 操作站是由監(jiān)控計算機 即上位機 和網關組成 監(jiān)控計算機與底層的下位機 實時的交換數據 并負責全系統的控制 管理和信息綜合 下位機實現了對現場 數據的采集 對現場參數的控制 組態(tài)等功能 現場的數據采集 預處理 過程 控制及向上位機傳送數據等任務均由下位機完成 監(jiān)控軟件是將生產線系統工作 的情況實時地 動態(tài)地 直觀地反映給操作者 同時根據所控制系統運行的邏輯 規(guī)則對現場設備進行控制 必要時 操作者還可以人為的進行干預 監(jiān)控組態(tài)軟件主要解決的問題 1 如何與采集 控制設備間進行交換數據 2 設備的數據如何與計算機圖形界面上的各個元素關聯起來 3 如何處理事故報警和系統報警 4 如何建立數據庫以及存