基于RS-485總線的分布式金剛石加工監(jiān)控系統(tǒng)研制

1 引言

特種金剛石聚晶的合成，對(duì)加工工藝要求的非常嚴(yán)格，產(chǎn)品質(zhì)量好壞受合成爐加溫工藝、加壓工藝影響較大。目前傳統(tǒng)的金剛石聚晶加工合成設(shè)備采用人工通過監(jiān)測(cè)電流、壓力顯示儀表進(jìn)行手工操作控制，對(duì)操作工素質(zhì)的要求較高，產(chǎn)品的合格率及生產(chǎn)效率也難以提高。本課題項(xiàng)目，主要研究基于總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，給特種 金剛石聚晶合成控制提供一個(gè)硬件基礎(chǔ)，改變?cè)瓉淼谋O(jiān)控手段，實(shí)現(xiàn)了加工工藝參數(shù)的自動(dòng)精確監(jiān)測(cè)和按造加工工藝控制，減少人為因素造成的不合格產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的成品率。本文介紹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試方法。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

考慮到金剛石聚晶合成現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電設(shè)備較多，現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾嚴(yán)重等，如采用傳統(tǒng)的模擬信號(hào)長距離傳輸采集，不易保證信號(hào)質(zhì)量;再加上各合成設(shè)備分布較散、監(jiān)測(cè)點(diǎn) 比較分散，監(jiān)控中心距各監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離又較遠(yuǎn)，因此系統(tǒng)采用如圖1所示的基于rs-485總線的分層分布開放式體系結(jié)構(gòu)模型，即系統(tǒng)由加工工藝監(jiān)測(cè)中心(遠(yuǎn) 方)、集中監(jiān)測(cè)層和就地?cái)?shù)據(jù)采集、控制層組成，實(shí)現(xiàn)管理集中、監(jiān)測(cè)分散的設(shè)計(jì)思想。從體系模型結(jié)構(gòu)上，分為三個(gè)層次:

(1) 數(shù)據(jù)采集、控制層—主要包括由合成裝置、智能數(shù)據(jù)采集、控制器及傳感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集控制層，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸總線采用rs-485總線，完成現(xiàn)場(chǎng)裝置控制工 藝參數(shù)從監(jiān)控層計(jì)算機(jī)的下載接收。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)集中監(jiān)測(cè)層—由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)組成，主要完成從上層下載工藝參數(shù)及對(duì)每個(gè)合成爐的加工工藝加載、數(shù)據(jù)采集、初步處理和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)控監(jiān)測(cè)管理層。

(3) 遠(yuǎn)控管理監(jiān)測(cè)層—主要面向具有管理和調(diào)度權(quán)限的管理人員，由監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)和服務(wù)器等組成，在此完成集中監(jiān)測(cè)管理及對(duì)每個(gè)合成爐加工設(shè)備的工藝輸入。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)如圖1所示，主工控機(jī)采用研華工控整機(jī)，根據(jù)受控設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)分布情況，選擇rs-485總線結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制硬件選用具有rs-485總線輸 出的ad4000系列模塊和開發(fā)具有rs-485總線輸出的智能傳感器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 智能傳感器模塊

智能傳感器模塊有溫度傳感器、電流傳感器、壓力傳感器。傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2 智能傳感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3.2 輸入輸出模塊

ad4000系列其內(nèi)建的微處理器具有信號(hào)處理、模擬量信號(hào)輸出、開關(guān)量信號(hào)輸入輸出接口，可通過rs-485總線網(wǎng)絡(luò)，獨(dú)立提供智能信號(hào)調(diào)理，具有傳輸 距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、使用靈活、維護(hù)方便、便于聯(lián)網(wǎng)和擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于分布式集散控制系統(tǒng)的使用，使管理和操作人員在勞動(dòng)強(qiáng)度減輕的同時(shí)，所要監(jiān)測(cè)的范圍也更寬了。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，信息的主要表現(xiàn)是文本以及一些簡單的開關(guān)狀態(tài)的顯示，這很難適應(yīng)現(xiàn)代化企業(yè)的優(yōu)化管理的要求。21世紀(jì)末，隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，信息媒體的多樣性、交互性和集成性，使用戶能夠更直觀有效地控制和使用信息。在監(jiān)控系統(tǒng)中引入多媒體技術(shù)，將大大提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平。

4.1 組態(tài)軟件的選取

開發(fā)一個(gè)在線生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，必然要涉及到很多不同類別的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸控制、多種媒體信息的處理和集成等。若采用傳統(tǒng)的最底層編程的方式，人力物力耗費(fèi)較大，開發(fā)周期長等缺點(diǎn)。因此選用組態(tài)軟件作為本系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境。它包含目前流行的多種硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，支持 adm4000系 列，支持rs-485、rs-232、rs-422以及tcp/ip等通訊協(xié)議，具有activex控件及動(dòng)畫功能、32位程序，可運(yùn)行于win98、 win2000/nt平臺(tái)。

4.2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

軟件核心部分:數(shù)據(jù)采集與處理、控制算法模塊、輸出控制模塊、通訊模塊、加工參數(shù)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫等組成，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示:

圖3 系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)示意圖

軟件采用面向?qū)ο竽K化開發(fā)方法，對(duì)各工程模塊進(jìn)行獨(dú)立組態(tài)設(shè)計(jì)，再利用組態(tài)軟件提供的工程合并功能，在管理監(jiān)測(cè)層進(jìn)行系統(tǒng)集成。在開發(fā)過程中也使用了系統(tǒng)化方法:

(1) 測(cè)點(diǎn)的系統(tǒng)編碼:對(duì)所有的測(cè)點(diǎn)和設(shè)備模塊的可能故障和狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)化編碼，最終存入數(shù)據(jù)庫中，可以更加高效的快速查詢，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

(2) 變量的系統(tǒng)描述:設(shè)計(jì)中利用組態(tài)軟件對(duì)變量可以中文命名等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)被監(jiān)測(cè)的參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化定義，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)的類型、監(jiān)測(cè)位置、監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)等，增強(qiáng)了系統(tǒng)軟件的可讀性和維護(hù)性。

5 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本監(jiān)控系統(tǒng)采取的是現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)控方式。我們利用企業(yè)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)端管理層之間的數(shù)據(jù)共享;也實(shí)現(xiàn)了對(duì)于局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)(安裝了監(jiān)測(cè)軟 件)的聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)資源共享以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)是進(jìn)一步研究方向。另一方面，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障遠(yuǎn)程診斷及設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)具有更重的意義。

以上介紹的適用于企業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)，主要解決了以下幾個(gè)問題:

(1) 采用集散分布式監(jiān)測(cè)模式解決了集中管理和分布監(jiān)控的問題;

(2) 提出適和復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，既保證數(shù)據(jù)的高可靠性，又便于資源共享;

(3) 采用組態(tài)技術(shù)和多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)自動(dòng)化模擬顯示和監(jiān)測(cè);

(4) 實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)共享。

6 結(jié)束語

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際投入運(yùn)行，證實(shí)該系統(tǒng)完全適合這種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)過程監(jiān)控自動(dòng)化，提高工作效率具有積極的作用。同時(shí)該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐證明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想同樣適用開發(fā)其它其他工業(yè)環(huán)境下的監(jiān)控系統(tǒng)。