基于CPS的智能制造单元监测系统的研究

发布时间：2017-09-03 12:20

  本文关键词：基于CPS的智能制造单元监测系统的研究

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【摘要】：如今智能制造和智能监控已经是制造业发展的主要趋势。智能监控是涉及机械、电控、计算机等多方面的综合技术。分布式监控是智能监控的具体实现,能够同时对不同节点,不同产品的数据进行监控并进行分析处理,已广泛受到制造企业的重视。目前智能制造产品的市场多为美国、德国、日本等发达国家所占有。这些产品相对价格昂贵,对于医学加工、显微加工等空间与经济受限的环境成本较高。因此,本文基于实际工程项目,致力于具体监测问题的解决。主要工作内容是以CPS(信息物理系统)为思想,以自主研制小型数控铣床为节点并对其各轴的信息、机床本体状态信息进行监测。整个论文主要进行了以下研究:在基于CPS五层理论模型的基础上研究了智能制造单元机床节点信息物理系统模型。采用构建机电一体化对象的方式,使用UML对机床进行了抽象建模,为智能制造单元信息物理系统打下基础。对数控铣床监测系统所需电气设备方案进行了分析设计。结合机床本体Mach3数控系统软件及其运动控制卡对配电方式、输入输出信号、驱动器接口通信等方面进行了深入了解,为监测系统的搭建打下基础。研究了基于Profinet总线的上位机监测系统开发。将机床的IO、RS485等通信端口的信息通过PLC IO模块进行采集输入到西门子S7-1200 PLC中。上位机采用Win CC与Simatic Manager进行组态编程,实现与PLC通信。在该物理架构下,机床监控系统的经济性和外观得到了极大的改善。对分布式任务调度的算法进行了设计。为后续监测系统上位机中任务调度模块的实现打下基础。研究了基于MFC界面的监测系统设计。以Visual Studio 2010为开发平台,通过OPC通讯协议与Win CC通信,进而完成机床重要参数的监测以及部分控制功能的上位机实现。通过基于TCP协议的SOCKET编程来实现监测系统与机床之间代码文件传输的功能,并以上述基于遗传算法的任务调度模块为基础来完成任务调度功能。实现了可拓展为针对多节点的上位机监测系统。基于以上的研究,对数控铣床各轴信息及状态信息进行了监测实验。实验表明,该监测系统满足开发需求。
【关键词】：CPS 监测系统 分布式 任务调度
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG547;TP274
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题背景及研究目的和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及分析11-15
• 1.2.1 信息物理系统（CPS）技术简介11-12
• 1.2.2 国外研究现状12-14
• 1.2.3 国内研究情况14-15
• 1.3 课题主要研究内容15-18
• 第2章 智能制造单元信息建模技术研究18-29
• 2.1 引言18
• 2.2 智能制造单元信息物理系统模型18-19
• 2.3 智能制造单元节点建模方法简介19-20
• 2.4 基于UML的智能制造单元节点建模20-28
• 2.4.1 智能制造单元节点建模视角20-21
• 2.4.2 智能制造单元节点建模思想21
• 2.4.3 机电一体化对象模型建立21-22
• 2.4.4 UML智能制造单元节点建模流程22-23
• 2.4.5 智能制造单元节点用例模型23-24
• 2.4.6 智能制造单元节点序列模型24-25
• 2.4.7 智能制造单元节点协作模型25
• 2.4.8 智能制造单元节点类关系模型25-28
• 2.4.9 智能制造单元节点状态模型28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 智能制造单元监测系统硬件组态设计29-36
• 3.1 引言29
• 3.2 智能制造系统常用监控方式29-30
• 3.3 智能制造单元监测系统方案制定30
• 3.4 西门子S7-1200 PN监测上位机组态30-35
• 3.4.1 Win CC架构30-31
• 3.4.2 监测系统整体方案31-32
• 3.4.3 监测系统PLC程序框架32-34
• 3.4.4 Win CC组态上位机34-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第4章 智能制造单元任务调度研究36-44
• 4.1 引言36
• 4.2 任务调度问题描述36-38
• 4.2.1 JSP调度maxn/ m/ G/ C数学模型37
• 4.2.2 JSP调度问题的实现方式37-38
• 4.3 遗传算法重要步骤38-39
• 4.4 任务调度算法实现39-43
• 4.4.1 具体实现流程39-42
• 4.4.2 MATLAB仿真实现42-43
• 4.5 本章小结43-44
• 第5章 智能制造单元监测系统软件设计及实验44-64
• 5.1 引言44
• 5.2 软件需求分析44-46
• 5.2.1 环境需求45
• 5.2.2 功能分析45-46
• 5.2.3 性能分析46
• 5.3 软件模块设计46-50
• 5.3.1 启动界面设计47-48
• 5.3.2 OPC进程48-50
• 5.3.3 SOCKET进程50
• 5.4 OPC进程软件模块实现50-56
• 5.4.1 OPC进程设计流程50-51
• 5.4.2 数据处理模块详细设计51-54
• 5.4.3 OPC进程界面设计54-55
• 5.4.4 OPC客户机测试55-56
• 5.5 SOCKET进程软件模块实现56-58
• 5.5.1 SOCKET进程设计流程56-57
• 5.5.2 SOCKET进程界面设计57-58
• 5.6 监测系统综合实验58-63
• 5.6.1 铣床监测系统试验样机介绍58-59
• 5.6.2 WinCC上位机实验现象及分析59-60
• 5.6.3 OPC客户机监测实验现象及分析60-61
• 5.6.4 VC监测系统总界面实验现象及分析61
• 5.6.5 SOCKET客户机服务器传输文件实验61-63
• 5.7 本章小结63-64
• 结论64-66
• 参考文献66-71
• 致谢71

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本文编号：784965