1、学 位 论 文面向柔性制造过程的智能监控组态研发河北工业大学硕士学位论文面向柔性制造过程的智能监控组态研发摘 要柔性制造过程的监控，是指借助有效的设备和技术手段，采集设备运行状态有关信息，及时发现和处理设备的故障，其在加工过程中极为重要。近年来，在制造过程监控中普遍应用了工业组态技术，取得了明显的效果。但是，由于缺乏组态监控方法的系统研究及规范化的组态设计方法，组态技术在制造过程监控领域的应用还存在一定的局限性。论文总结了复杂制造过程的特点和监控方法，分析了现有工业组态软件实时化、柔性化、集成化的监控特点及局限性，提出了单元协同、信息交互的组态思想，研究了复杂过程监控的组态设计要求及单元规范化
2、设计方法，实现了规范化的信息管理、信息交互和信息共享。然后，论文针对柔性制造过程监控问题，通过将柔性制造过程监控方法及组态监控技术相结合，深入研究了用于柔性化数控制造过程中的组态监控模式及组态单元规范化设计，实现了面向柔性制造过程的单元化、信息化、多模式化的组态监控。在此基础上，针对曲轴系列零件数控加工过程监控任务，通过对复杂曲轴数控制造过程监控方法的分析，研发了曲轴加工过程智能监控系统，实现了曲轴零件集成化、柔性化、实时化及多空间模式窗口的组态监控，实际应用结果证实了论文提出的理论思想及应用方法的正确性和可行性。论文针对柔性制造过程监控问题，重点研究了基于组态的复杂过程监控技术，实现了曲轴系
3、列零件数控制造过程的组态监控。研究结果表明：基于规范化、单元化、集成化思想的智能组态监控技术，可以更好的满足用户不同角度和不同层面的监控要求。关键词：柔性制造，过程监控，工业组态，组态单元河北工业大学硕士学位论文RESEARCH AND DEVELOPMENT OF INTELLIGENT MONITORING CONFIGURATION ORIENTED FLEXIBLE MANUFACTURING PROCESSABSTRACTMonitoring of flexible manufacturing process is acquiring the related information
4、of equipment operational state by using of effective instruments and technical method, then finding and dealing with the fault of equipment in time. It is very important in the manufacturing process. Recently, the industrial configuration technology has been applied for monitoring of manufacturing p
5、rocess universally, and has achieved distinct consequents. However, because of laking of the systematic research of configuration monitoring method and the standard configuration design method, configuration technology still has some limitations in the application of manufacturing process monitored.
6、The paper summarized the characteristics and monitoring methods of complicated manufacturing process; analyzed the monitoring characteristics and limitations of the industrial configuration software, which is real-timely, flexibility and integration; and proposed the configuration theory of unit coo
7、peration and information interaction. Then, we studied the demand of configuration design and standard unit design methods of complicated process monitoring, and achieved normalized management, interaction and sharing of information.And then, the paper focused on the problem of monitoring of flexibl
8、e manufacturing process. By integrating its monitoring methods and configuration monitoring technology, the paper deeply studied the configuration monitoring mode and standard design methods of unit used in flexible NC manufacturing process, and achieved the unitization, informatization, multi-model
9、ing of configuration monitoring oriented the flexible manufacturing process.Based on above, the paper focused on monitoring task of machining process of series of crankshaft work pieces, and by analyzing the monitoring methods of complicated machining process of crankshaft, we developed the intellig
10、ent monitoring system of machining process of crankshaft, and achieved real-time working, flexibility, integration and multi-mode windows of configuration monitoring. The results of this research proved that the theory and applied methods are valid and feasible which are proposed in this paper.We fo
11、cused on the problem of monitoring of flexible manufacturing process, and mainly researched complicated process monitoring technology based on configuration. We achieved configuration monitoring of machining process of series of crankshaft work pieces. The research result indicated that intelligent
12、configuration monitoring technology based on the idea of standardization, unitization and integration can satisfy users monitoring requirements in different point of view and level .KEY WORDS: flexible manufacturing, process monitoring, industrial configuration, configuration unit河北工业大学硕士学位论文目 录第一章
13、绪论 .11-1 课题背景及意义 .11-1-1 过程监控在机械制造中的重要地位 .11-1-2 组态监控技术的广泛应用 .11-1-3 课题的提出 .21-1-4 课题的意义 .21-2 国内外研究现状 .21-2-1 柔性制造过程监控的研究现状 .21-2-2 组态软件的研究现状 .31-2-3 组态软件在柔性制造过程监控中的应用现状 .41-3 本文主要研究内容 .4第二章 复杂过程组态监控方法研究 .52-1 复杂过程监控方法研究 .52-1-1 过程监控的基本概念 .52-1-2 复杂过程监控的要求 .52-1-3 复杂过程监控的方法 .62-2 工业组态监控技术 .72-2-1 工
14、业组态基本知识 .72-2-2 工业组态结构划分 .82-2-3 组态监控技术的特点 .92-2-4 组态监控的组态过程 .102-3 复杂过程监控组态设计方法 .132-3-1 复杂过程监控组态设计要求 .132-3-2 复杂过程监控组态设计方法 .132-3-3 组态单元的设计 .142-4 小结 .17第三章 柔性制造过程组态监控技术研究 .183-1 柔性制造过程监控方法 .183-1-1 机床加工过程监控方法 .183-1-2 物料流监控方法 .203-1-3 工件尺寸测量及补偿方法 .213-2 柔性制造过程的组态监控方法 .223-2-1 监控系统组态过程 .223-2-2 机床
15、加工过程组态监控 .243-2-3 物料流组态监控 .253-2-4 工件制造组态监控 .263-3 柔性制造过程监控组态设计方法 .27iii河北工业大学硕士学位论文3-3-1 柔性制造过程监控组态基本单元设计 .273-3-2 柔性制造过程监控组态拓展单元设计 .293-4 小结 .30第四章 曲轴系列零件集成数控加工组态监控技术研究 .314-1 曲轴加工监控方法研究 .314-2 曲轴加工过程的组态监控方法 .324-2-1 曲轴加工过程组态监控系统的软件平台 .324-2-2 曲轴加工过程组态监控系统的功能 .334-2-3 曲轴加工过程组态监控方法 .334-4 小结 .39第五章
16、 曲轴零件数控加工过程组态监控系统的开发 .405-1 组态监控系统方案设计 .405-2 组态监控系统的开发 .415-2-1 建立硬件通讯连接 .415-2-2 构造实时数据库 .425-2-3 监控界面开发 .445-2-4 系统运行与测试 .475-3 小结 .48第六章 结论 .496-1 主要结论 .496-2 未来展望 .49参考文献 .50致谢 .53攻读学位期间所取得的相关科研成果 .54iv河北工业大学硕士学位论文第一章 绪论1-1 课题背景及意义1-1-1 过程监控在机械制造中的重要地位现如今，在制造业中自动化技术不再仅仅满足于柔性化、集成化的要求，而是向着智能化、信息化
17、和网络化的方向发展，这是一种更高层次上的自动化，因此，它对与产品生产密切相关的过程监控技术的研究提出了更大的挑战。过程监测和控制问题，在自动化、无人化加工系统中极为重要，监控系统的好坏直接影响到产品的质量和生产效率，严重时还会造成重大的设备事故。研究表明，监控可以避免 75%的故障发生，就全年有效工时所占百分率而言，无监控时为 10%，有监控时则可达 65%，为了保证 FMC 乃至 FMS、CIMS 这样高度自动化加工系统能正常运行，并持续、高效率地生产出符合质量要求的产品，必须具备对整个加工过程是否正常进行监测的功能，并且金属切削加工中刀具磨损、破损等故障同样极其危险。对加工过程的监控可以及
18、时通知操作人员或计算机，以便采取相应的措施。制造过程中信息量大而繁杂，柔性制造系统需要的高度自动化全天候运转对系统的监控和维护技术提出了很高的要求，实时了解和掌握加工设备的信息，一方面有利于制造系统稳定可靠地连续运行，另一方面可为生产统计和查询提供最直接的客观信息，因此，具有高度准确性、一致性、实时性、智能化、信息化和网络化的监测技术成了研究的热点，并得以迅速发展。近年来，组态监控技术的飞速发展为改进传统监测系统打下了坚实基础，它们的应用带来了监控系统的变革。1-1-2 组态监控技术的广泛应用随着分布式控制系统及计算机控制技术的日趋完善，组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，逐渐发展起来。
19、随着自动化监控设备的价格不断降低，体积不断缩小，另外计算机网络技术的发展使得监控设备间的通信变得简便易行，并且由于传统的工业监控软件开发周期长、价格昂贵、修改困难等缺点，所有的这一切都促进了监控组态软件的普及和推广。组态监控技术使用户能根据自己的监控对象和目的任意的组态，完成最终的监控任务。组态监控技术有如下五个特点 1： 实时多任务性。实际上，不论是在线还是离线系统，都有多个任务需同时完成，如数据的采集与显示，数据的实时处理与存储以及实时传输等。 良好的通用性。组态系统不是针对某一应用进行开发的，通常是针对某一系列问题进行开发，具有良好的通用性，组态系统可以根据用户的需求，构建一套针对特定应
20、用的系统，其通用性减少了重复劳动，缩短了开发周期。 高度可重用性。组态软件均是模块化的，各个功能模块之间具有较强的独立性，不同的工程可应用相同的模块，只需对模块的不同参数进行配置与修改，不同的模块之间则只需更改其逻辑关系。 良好的可扩展性。组态系统开发的特点决定了其本身的可扩展性强，因为组态系统是针对各个模块之间的共性进行抽象、提取，具有高度相似的接口方式、数据格式以及数据通迅规则，为系统新增功能模块提供了保证。 图形化的编程。图形化的编程方式对使用人员的要求大为降低，使用人员不需了解系统的编程方式以及各内部模块之间的逻辑关系，可以将精力集中于系统的构建，对图形采用“拖、拉、连、点”的方式构成
21、组态系统。近年来，由于组态软件的各项优点，监控组态软件走出了自动化技术的工业应用，积极的向家庭自1河北工业大学硕士学位论文动化、电力、智能楼宇、农业自动化、能源监测等多个领域展示了其独特的优势。组态软件能提高自动化工程的效率，减小系统的维护和升级费用。1-1-3 课题的提出 2首先柔性制造系统（FMS）是一个典型的离散事件动态系统，它具有以下特点：（1）以离散事件（零件到达、加工和运输等）的发生和状态变化作为系统的主要特征；（2）系统是动态变化的，当系统在状态转变过程中，又会有新的事件发生。因此，柔性制造系统底层设备是系统控制的主要对象，同时它们又是制造过程中的行为数据产生源。柔性制造系统动态
22、调度、实时诊断和监控能力很大程度上依赖于底层设备信息的采集。FMS 是自动化的机械制造系统，对系统的稳定性与可靠性又很高的要求。加工过程是一个动态的过程，为保证加工过程的连续进行，必须对加工过程进行实时的监视控制。就制造系统而言，信息的主要形式是离散的，如加工尺寸、加工精度等。从一个工件的制造过程来看，工序与工序是相互独立的，而对加工质量来说，工序与工序是相关的。因此，柔性制造过程是一个工业过程或称为工业流程。对于一个生产过程，通过对它的生产过程进行连续不断的监控，从而保证生产出合格的产品，这在化工工业等行业已得到广泛的采用。现如今，过程监控技术在制造业中 NC、CNC 等计算机控制的加工设备
23、也得到广泛的应用，不仅监测加工过程中刀具的切削位置，而且借助于传感器反馈回的加工过程的状态信息，使加工过程中机床的各种运动误差可以得到补偿，可见将过程监控的方式应用到现代加工制造业中，是完全可行的。面向工业过程监控的监控组态技术能方便的实现信息的管理、信息的交互和信息的共享。因此，使用组态技术对柔性制造过程进行监控是完全可行的。1-1-4 课题的意义论文针对制造过程监控的新要求，首先研究了柔性制造过程的离散化加工特点以及程序化集成控制模式，将复杂工业过程组态化技术的单元协同、信息交互及规范化信息管理、信息交互、信息共享思想运用于复杂过程的组态监控单元设计，建立了柔性制造过程的协同监控系统，实现
24、了单元化、信息化、多模式窗口信息动态交互及聚类融合。设计的制造过程监控组态具有模块化的结构，实现功能智能化、自治化，可独立运作和重新配置，支持重组；能够与其它系统方便地集成，能够实现异地、远程监控，最终达到监控网络、管理网络的无缝集成；具有良好的柔性、开放性以及可重组功能。监控组态软件能够即插即用，可根据系统的大小和要求进行监控功能的组态，监控系统的应用程序间也能够实现互操作。在此基础上，针对曲轴系列零件加工过程监控任务，实现了曲轴加工过程监控系统，实际应用结果证实了论文提出的组态单元设计理论及应用方法的正确性和可行性。最后研究结果可以说明，组态监控技术，这种规范化、单元化、集成化的设计思想，
25、能够更好的满足工程设计人员的需要，适用于复杂系统、装备、过程的信息处理、知识获取及监控研究，为工业自动化监控尤其机械制造领域的自动化监控开拓了新的领域。论文提出的复杂过程信息化、单元化、柔性化、集成化的协同思想及可视化模式使复杂过程控制变得更加直观、真实、全面和系统，对解决复杂过程监控中的复杂信息协同处理及可视化交互问题具有重要的理论意义和使用价值。1-2 国内外研究现状1-2-1 柔性制造过程监控的研究现状柔性制造过程监控技术是全面了解数控加工过程及系统控制、加工产品质量保证与控制、运行设备的性能、维修与寿命管理，以及全面客观地掌握生产系统的任务完成情况等诸多方面的共性技术，对提高柔性制造能
26、力及先进制造系统的运行可靠性、延长使用寿命，以及加强制造业、特别是国防科技工业综合制造能力、降低成本，都具有重要意义。华中科技大学在国内开展状态监控与故障诊断研究较早，在杨叔子院士的领导下就机械系统所涉及的多个领域与对象开展了广泛的研究，尤其是在基于时序模型的机床切削状态监控与故障诊断、故障诊2河北工业大学硕士学位论文断系统体系结构、智能制造与控制中的监控与诊断模型及新方法研究等方面颇有建树。哈尔滨工业大学的肖祥胜、马玉林等人“八五”期间在 FMS 状态监控与故障诊断领域取得了一些成果。哈尔滨工业大学振动工程中心承担的国家“六五”、“七五”、“八五”重点攻关项目中有关大型旋转机械状态监测与故障
27、诊断技术的研究课题。在机械加工设备方面，近年来，为提高数控机床的智能化水平，北京理工大学、北京机床研究所等对数控机床在状态监测与故障诊断方面也进行了积极的探索和研究，其重点主要集中在 CNC 系统方面。1-2-2 组态软件的研究现状（一）组态软件的产生在 20 世纪 60 年代虽然计算机开始涉足工业过程控制，但是由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机过程控制系统在各行业的推广速度比较缓慢。70 年代中期，随着微处理器技术的发展，诞生了第一代集散控制系统。而随后的 20 年内 DCS 及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广泛应用。此时 DCS 已具有较丰富的软件用于具体生产流程
28、的设计，这就是监控组态软件的雏形。80 年代中后期，随着个人计算机 PC（Personal Computer ）的普及和开放系统概念的推广，基于 PC 的监控系统开始进入市场，并发展壮大。（二）国内外研究现状从近几年的调查结果来看，组态软件市场的大部分份额仍被国外几家组态软件占据，目前国际上较知名的监控组态软件有：美国 Intelllution 公司的 iFix；美国 Wonderware 公司的 Intouch；美国通用电气公司（GE）的 Cimplicity；美国 National Instruments 公司的 LabVIEW；美国 AB 公司的 RSView32；德国西门子公司的 Wi
29、nCC；以色列 PC Soft 公司的 WizCon；澳大利亚 Citech 公司的 Citech；美国柏元网控信息技术（上海）有限公司的 Broadwin WebAccess ；日本欧姆龙公司的 CX-Supervisor。国内的组态软件起步也比较早，也正在成为市场上的一支生力军，目前实际工业过程中运行可靠的有北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的 MCGS；北京三维力控科技有限公司的力控；北京亚控科技发展有限公司的组态王以及台湾研华的 GENIE 等。（三）典型应用组态软件广泛应用于电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、建筑、制造与加工业、水处理等多种工程领域。下面分别介绍了组态软件在几
30、个领域的应用。（1）物流领域的应用随着现代物流技术的发展，要求控制系统具有高可靠性和自动化水平，因此实现生产过程中各种物料的自动传输和物流信息的自动管理对提高企业的经济效益有着十分重要的意义。华北电力大学的衡军山 3在基于 PLC 和组态软件实现自动化监控系统 一文中，提出基于 PLC 和组态软件的物流输送设备自动化监控系统的设计方法。将物流输送系统采用分布式控制技术，通过工业控制网络组成先进的生产过程控制系统和实时、安全的监控系统。武汉理工大学的张庆英 4在现代物流智能仓储系统安全监控技术与仿真实现 中，选用监控组态软件 PCAuto3.62 实现了对现代物流仓储系统的安全监控管理与仿真，利
31、用其功能强大的实时数据库来显示每一监视参数的测量值和工作状态，并对重要参数的实时变化趋势曲线设定了报警。（2）电力领域的应用由于对电力生产及调度监控系统的要求越来越高，开始利用计算机对电力运行参数进行在线检测、实时故障分析处理、运行状况的实时控制和调度等，已经在电力生产及配电调度的可靠性、安全性、经济性以及提高电力的综合管理水平等方面发挥了重要的作用。在 2005 年 12 月份，北京亚控科技公司就推出了组态王的电力版。组态王电力版基于亚控在自动化与电力行业应用的成功经验与技术，针对电力行业设计了新的组态概念与专用功能。华北电力大学季丹丹 5在基于 OpenGL 电力图形组态软件的研究中，以可
32、视化的 VC+为平台，结合 OpenGL 图形库研究开发了电力图形组态软件。这个软件能灵活、方便、快捷地表征实际电力设备，同时系统运行时能够动态地将图形与实际的工业现场设备数据相连接。（3）化工领域的应用3河北工业大学硕士学位论文为了避免化学反应和反应中的副产品对操作人员的健康造成直接伤害，需要对化工工业流程进行实时监控，所有操作和监视均在微机监控室中进行，实现生产现场的无人化管理。河北工业大学的石伟 6在iFIX 组态软件在化工生产流程中的应用中，以 iFIX 为平台建立化工工业流程的监控系统，对整个化工物料生产过程进行实时监控，并对生产流程中的异常情况，进行实时报警。1-2-3 组态软件在
33、柔性制造过程监控中的应用现状清华大学的张丽琴，在学位论文压铸车间远程监控系统的研究开发一文中，结合压铸车间设备管理一体化的功能要求，完成了压铸车间远程监控系统的设计与开发。在控制终端采用组态王软件开发监控界面，实现远程监控。根据车间控制系统的具体要求，在详细分析生产过程中压铸参数的基础上，合理安排画面布局及功能设置，建立上位机与下位机的通信连接，满足了系统对于铸件质量的控制及现场监控功能的要求。早在 2002 年长春理工大学的吕娣在硕士论文柔性制造过程状态监控技术研究中，针对加工车间的实际需求，采用智能模块、RS485 总线和组态软件 MCGS 完成数据采集与处理，基于集成的观念，设计建造了一
34、个柔性制造过程状态监控系统并实现了信息的集成。通过对柔性制造过程组态监控的调研，到目前为止，将组态监控技术应用到柔性制造过程监控中，监控对象主要是机床状态和刀具换刀过程。但是，对柔性制造过程的机床加工过程及刀具磨破损等监控的实现，存在着一些局限性，其主要原因是对于这些领域的监控组态监控技术存在大量不足之处。因此，对柔性制造过程组态监控的研究变得十分必要。论文通过研究组态技术，为工程人员使用组态软件开发柔性制造过程监控提出标准化的设计方法。1-3 本文主要研究内容设计的智能监控组态是一套基于 Windows 平台的，用于快速构造和生成复杂过程监控的上位机系统，为用户提供解决实际柔性制造过程监控问
35、题的完整开发和应用平台。开发的监控组态，是一种面向柔性制造系统的工业监控软件，它采用开放的接口，提供了直观的人机界面，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和流程控制、动画显示、曲线和报表输出、企业监控网络和智能监控等功能。另外具有专用组态软件的功能，使用户在简单的组态后就能够对柔性制造系统实现具体的状态监控。设计的系统具有专业性强、自动化程度高、易使用、高性能、高可靠性等特点。论文针对柔性制造过程监控问题，重点研究了基于组态的复杂过程监控技术。在此基础上，论文研究了用于柔性制造过程的组态监控模式和单元化设计方法，实现了面向柔性制造过程的单元化、信息化、多模式化的组态监控。最终实现了在
36、曲轴系列零件集成数控加工过程的组态监控。第一章：绪论部分，分析了过程监控在制造领域的意义以及工业组态技术的广泛应用。阐述了课题提出的原因和意义。并分析了工业组态、柔性制造过程监控的现状以及组态技术应用在柔性制作过程监控的现状。第二章：复杂过程组态监控方法研究。论文首先研究了复杂过程监控方法，分析了组态监控技术，然后研究了用于复杂过程监控组态的设计要求和方法，提出了单元规范化的设计方法，实现了规范化的信息管理、信息交互和信息共享。第三章：用于柔性制造过程的组态监控方法研究。其中首先研究了柔性制造过程监控方法和其组态监控技术，在此基础上，深入研究了用于柔性化数控制造过程的组态监控模式及组态单元的规
37、范化设计。第四章：以曲轴系统零件数控加工过程监控为例，研发了曲轴加工过程智能监控系统。对上文提出的理论进行了验证，实现了用于曲轴零件数控加工的组态单元设计。第五章：实现了曲轴零件数控加工过程的实时化、集成化、柔性化的组态监控任务，完成了组态监控系统设计，验证了理论方法的可行性。第六章：对全文进行了总结，指出主要工作内容，并对进一步的工作进行了展望。4河北工业大学硕士学位论文第二章 复杂过程组态监控方法研究生产技术的发展要求现代加工设备在柔性自动化的基础上长时间可靠运行，这就要对运行过程进行自动监视并做出相应的调整、补偿和控制，并能指导维护人员检修、更换，以保证系统可靠地高效运行。制造系统是一种
38、高度自动化、高度复杂、高度集成的系统，其加工工况条件、类型及工件等因素复杂多变，故障或异常的随机性大、类型多。因此，制造过程监控系统要实现多层次分布式的、满足实时和多任务处理要求的监控。同时，需要采用一种多传感器的检测和多参数的综合决策方法，对加工设备的各部分提取多个参数和状态变量，然后进行综合分析、判断，从而达到准确定位故障和正确决策的目的 7。由于制造系统存在着内在的复杂性、多变性、关联性、协调性，因此文中对柔性制造过程监控方法的研究，首先要对一种复杂工作环境及复杂工作循环的监控任务的方法进行研究。2-1 复杂过程监控方法研究2-1-1 过程监控的基本概念 89过程监控是以过程异变检测和动
39、态系统故障检测与诊断技术为基础发展起来的一个新兴研究领域。其主要研究对象包括过程的异常变化或动态系统功能性故障，研究内容涉及过程故障检测、故障幅度辨识、故障时间推断、故障机理诊断、故障影响分析以及针对不同类型故障应该采取的处理措施或对策，等等。过程监控的目的是监视系统运行状态，检测系统是否发生故障，并对故障系统的异变幅度进行定量分析，判明故障类型、时间、幅度、表现形式、作用方式、影响程度，在必要时提出相应的维护与改进措施。随着工业部门的生产设备日益向大型化、连续化、高速化、系统化及自动化方向发展，导致设备的组成和结构越来越复杂，生产系统本身的规模越来越大。功能越强，性能指标越高，各级生产环节的关联度越密切，就会形成了一个具有整体性的生产
