鋼筋焊網生產設備控制與信息管理系統研發

發布時間：2023-07-19 10:33

致謝 I

摘要 III

Abstract V

第一章緒論 1

1.1論文研究背景及意義 1

1.2國內外研究現況 3

1.3本文主要研究內容 6

第二章鋼筋焊網生產設備控制和信息管理系統需求分析 9

2.1鋼筋焊網生產工藝流程 9

2.2鋼筋焊網生產控制系統需求分析 11

2.2.1設備功能需求 11

2.2.2設備結構設計 12

2.2.3焊網設備控制系統需求 17

2.3信息管理系統需求分析 19

2.3.1信息管理系統功能需求分析 19

2.3.2信息管理系統功能方案設計 20

2.3.3信息管理系統軟硬件需求 22

2 4本章「小結 25

第三章鋼筋焊網生產控制系統方案設計與實現 27

3.1焊網設備控制系統架構設計 : 27

3.1.1硬件架構設計 27

3.1.2軟件架構設計 28

3.2生產信息輸入處理 35

3.2.1信息輸入模塊描述 35

3.2.2設計與實現 36

3.3自動生產功能實現 44

3.4鋼筋焊網生產控制軟件設計 45

3.4.1系統登錄模塊 45

3.4.2任務列表模塊 46

3.4.3焊網配置模塊 47

3.4.4狀態監視模塊 48

3.4.5調直焊機手動操作模塊 49

3.5本章小結 50

第四章鋼筋焊網信息管理系統方案設計與實現 51

4.1系統整體架構設計 51

4.2服務器數據傳輸軟件 53

4.2.1 Windows通訊開發平臺開發框架 53

4.2.2基于WCF的服務器軟件實現 54

4.3系統數據庫設計 56

4.3.1系統數據庫選擇 56

4.3.2數據庫概念模型設計 57

4.3.3數據庫邏輯結構設計 57

4.4信息管理系統軟件實現 60

4.4.1登陸管理模塊. 60

4.4.2生產任務配置模塊 61

4.4.3運行狀態監控模塊 62

4.4.4廠務信息模塊 64

4.4.5報警維護模塊 66

4.4.6設備數據報表模塊 67

4.5本章小結 68

第五章鋼筋焊網生產控制與信息管理系統試驗研究 69

5.1焊網設備控制系統運行試驗 69

5.2信息管理系統數據采集試驗 71

5.3服務器穩定性測試 72

5.3.1多終端運行試驗 72

5.3.2長時間穩定性運行試驗 73

5.4本章小結 75

第六章總結與展望 77

參考文獻 79

攻讀碩士學位期間科研成果 83

參與的主要科研項目 83

第一章緒論

【本章摘要】本章首先闡述了國內建筑工業化對于鋼筋焊網自動生產管理系統的迫切需求。之后，通過研究討論國內外對鋼筋焊網生產控制和信息管理系統發展現況，得出研究生產符合國情的鋼筋焊網生產系統對于國內建筑工業化發展的重要意義。最后提出本論文對于鋼筋焊網生產控制和信息管理系統的主要研究內容。

1.1論文研究背景及意義

建筑行業是我國國民經濟的支柱產業，在我國的經濟發展中占有非常重要的地位。傳統的建筑生產方式存在能耗大、工程質量和安全保障水平低、生產效率不高等問題，建筑業如何轉型并實現可持續發展已迫在眉睫。2013年，國務院出臺《綠色建筑行動方案》，提出了建筑工業化的目標，這對提高工程質量、縮短工程周期、節約人力物力、保護環境、降低能耗等多方面有了新的要求和標準。在國家十三五規劃中，更是提到建筑領域高端裝備要向智能化信息化方向發展。建筑工業化成為實現建筑產業結構優化升級的重要途徑之一〔I】。

建筑行業領域中，鋼筋焊接網是新興的高需求基礎建材，所謂鋼筋焊接網是利用調直后的鋼筋進行縱向和橫向的排放，按照要求的間距排列且互成直角，通過電阻點焊技術焊接在一起的網片〔2】。在商用、民用的房屋建設、港口、橋面架設、隧道襯砌、碼頭地坪、礦一山、壩基等各種土建工程領域中有著十分廣泛的應用。尤其近年來，中國的鋼鐵消費主要集中在建筑和工業行業，對于鋼筋焊網的需求也是與日俱增。

在我國20世紀80年代以前,鋼筋焊網在現澆混凝土結構工程方面鮮有應用，具體的施工過程中，仍以傳統的螺紋連接，綁扎為主要的鋼筋連接手段。采用傳統的綁扎方式，不僅人工成本高，工作強度大，施工環境雜亂惡劣，影響施工安全，而且存在著施工效率低，質量無法保證，成型網片結構不穩定等問題。使用鋼筋焊接網片相對于綁扎成型的鋼筋網具有以下優點卩四：

(1)提高工程品質，網片間隔整齊，剛度大、彈性好，抗裂能力強。

(2)提高生產效率，省去現場綁扎等時間。縮短施工工期，節省加工場地。

(3)鋼材資源合理利用，工廠自動化生產線制作，鋼筋損耗微乎其微。

(4)統一管理，減少人工操作遺漏、錯誤或偷工減料等情況發生。

(5)良好的綜合效益，焊網具有良好抗拉、設計強度，節省約30%鋼筋用量。降低鋼筋工程造價約5%?8%。

到了 20世紀90年代，我國鋼筋焊網的生產使用已逐漸形成規模，同時也被國家科委，建設部列為重點推廣項目，并制定了國家標準。

而國外一些發達國家，對于鋼筋焊接網的應用已有數十年的歷史，德、日、英、美等國均為鋼筋焊接網制定了一套完善的標準，并有成熟專業的工廠成批生產定型鋼筋焊網來對供應市場需求。如今，其諏筋焊接網在鋼材用量中占比較大, 德國的鋼筋焊接網用量占比甚至達到鋼筋總用量的50%-65%以上⑶。相較之下，我國雖然有了近幾年的發展應用，但國外昂貴的設備和標準化的鋼筋生產并不符合我國國情，鋼筋焊網生產設備的不足，導致我國鋼筋焊網仍未形成規模，與發達國家差距相去甚遠。

鋼筋焊接網的推廣勢在必行，其經濟效益和社會效益顯著。受到我國政府的大力支持，不但設為重點推廣項目，而且多次指定修改國家標準、規程、圖集，各省市也下發文件，重點推廣鋼筋焊接網的使用⑷。而要維持鋼筋焊接網行業的快速發展，需要設備制造商進行優化生產，提高產品質量，結合當下科技技術，實現優質高效復合國情的智能鋼筋焊網生產設備的研發。

隨著世界工業的發展，“工業4.0”、工業互聯網等概念隨之提出，工業生產信息化的時代已經悄然到來，信息對于制造企業的組織、管理、決策、發展等方面有著至關重要的作用。從信息技術角度來看，信息技術將推進經濟發展和社會進步，制造企業將不可抗拒地加入信息網絡時代，利用先進的信息技術建立企業綜合信息管理系統是企業獲得競爭優勢的必要手段。

本文正是考慮到進口鋼筋焊網設備難以滿足國內市場對生產鋼筋焊網的需求，加之國內鋼筋焊網生產設備的不足【7］。從而為進一步提升鋼筋焊網制造企業生產管理能力和鋼筋焊網生產設備生產效率，提出并實踐從生產設備單機生產控制系統到信息管理系統方面研究，對鋼筋焊網生產線進行智能化升級，實現鋼筋焊網生產線的數字化、信息化、互聯化的提升。

1.2國內外研究現況

300多年前，在德國紐倫堡就出現了細小金屬網貿易。隨著機械化進程的推進，18世紀末，西歐地區實現了鋼絲產品的機械化生產。到19世紀中葉，各種鋼絲編織網得到了快速發展。1855年，第一臺鋼絲編織網機器在英國投入使用。隨著鋼絲網焊機的發展，鋼筋焊網逐漸替代了鋼絲編織網°〕。二戰后，歐洲各國進入高速的戰后恢復時期，鋼筋焊網的設備廠商由于當時時局的需要，也進入了快速發展的階段。后來的發展使得鋼筋焊網達到了較高的品質，產品趨于多樣化，成本大幅降低。推動了鋼筋焊網的應用和鋼筋焊網設備的研發。及至今日，國外，尤其是歐洲國家，鋼筋焊網加工設備在世界上已然處于技術上的制高點，其生產的鋼筋焊網質量好，成本低，標準化程度高。其生產的標準焊網大批量的供應市場銷售，焊網行業成熟，市場穩定，有著一套成熟的行業標準。當下，生產加工設備廠家主要有奧地利EVG公司、意大利OSCAM、SCHNELL、MEP公司等。

國外鋼筋焊網制造商技術先進，實力雄厚，生產的鋼筋焊網焊機焊接性能好，生產效率高，但由于國外的鋼筋焊網加工業標準化程度很高，焊接網片規格單一，而且成套設備價格昂貴，耗電量驚人［7］。而國內目前是按照生產設計來制造網片，所以鋼筋網規格種類繁多，一個工程往往需要大量小批量特種網片。加之國內經濟條件，綜合之下，國外進口設備并不能滿足國內的需求。

與發達國家相比，我國鋼筋焊網的應用還處于剛剛起步的階段，然而，我國政府政策的大力支持以及近年土建工程的增加推動了鋼筋焊網的使用，鋼筋焊網設備的研發與應用也逐年增多。中國建筑科學研究院建筑機械化研究分院研制 GWC系列鋼筋焊網成型機，獲建設部科技成果進步一等獎，國家科技進步三等獎。技術性能達到了國際先進水平，是替代進口設備的立項機型⑺。業界普遍認可的天津建科機械，其研發的GWC-2050鋼筋焊網生產線在國內外都有不錯的應用和良好的口碑⑶。此外，還有很多其他實驗室、院校等科研機構也在積極進行相關的理論研究課題。山東大學岳明君課題組提出了基于PC的純軟件開放式數控系統的解決方案，其所設計實現的鋼筋焊網生產設備能夠自動識別模型，生產制造各種異型鋼筋網片，是國內業界較為領先的研究成果岡。

國內生產制造的鋼筋焊網設備正逐步趕上國際水平，焊機生產的焊網比之國外產品也不遑多讓，更兼價格劃算，生產的焊網種類繁多，十分符合國內對鋼筋焊網生產設備的需要。但由于國內總體工業實力欠缺，其生產的焊網制造設備多是針對具體小批量焊接任務實現，而且企業信息孤島現象嚴重，計劃管理部門和生產車間信息交互能力不足，往往導致生產、計劃信息脫節[1°],難以處理對于大批量異型網片的焊接任務，同時，無法實時對鋼筋焊網生產設備的生產數據進行采集，對設備故障和現場異常等處理不及時，不同型號的網片任務切換時，需要人工實時調節，輔助生產，對生產效率造成極大影響。

現代化的機械制造已不再是傳統的單機生產的概念，而是將傳統生產制造、研發、服務等各個階段與互聯網技術充分融合，形成制造與信息化的統一，從而提高企業的生產效率〔網□管理信息系統（Management Information System,以下簡稱MIS）是對企業進行收集、存儲、讀取和處理的數據系統，對企業不同層次的管理者提供及時信息，以協助其進行企業生產、組織、控制、決策等管理活動。將設備釆集的信息轉化為有效信息、實現信息及時共享是信息管理系統的重要功能何。

從世界發達國家發展階段來看，管理信息系統可以分為三個發展階段〔⑵。

第一階段（1953年至1965年）：單項數據數據階段，又稱為電子數據處理階段。這個階段源于計算機在管理領域的使用。起初，只是用于代替人的手工勞動。由于受到計算機硬件設備的限制以及軟件數據管理的缺失，計算機對于數據管理的處理能力有限，主要適用于簡單的單項數據的處理，如計劃管理、統籌分析、資金結算、報表登記等。

第二階段（1965年至1970年）：綜合數據處理階段，該階段也稱為事務處理系統階段。由于計算機硬件設備性能的提升以及相應數據庫管理軟件的誕生，管理信息系統對于企業信息的采集和處理明顯加快，出現了多個用戶共享同臺計算機設備資源的“多用戶分時系統"。該階段管理系統的處理方式已經有獨立設備集中式的批處理發展為面向終端的實時聯機處理。計算機已然能夠對獨立控制管理子系統進行數據的反饋和采集。如成本控制管理系統、原料采購管理系統等。

第三階段（1970年至今）：管理信息系統（MIS）階段，該階段也稱為現代管理信息系統。隨著網絡信息化技術的提升，計算機系統對企業各種子系統的管理功能進行統一的集中化管理，以人為主導，利用網絡設備進行信息的采集、傳輸、存儲、處理和維護，以提高企業生產運行效率為目標，形成了集企業運作、管理、控制和決策的全方位集成信息系統。現代化信息管理系統通過構建企業的網絡集群，通過服務器分發、傳輸數據，數據庫進行數據管理與生產設備組成分布式處理系統，利用運籌學等數學方法，實現了軟硬件的數據資源共享。

綜上可知，二十世紀五十年代，最初由美國開始使用計算機進行企業的數據管理。經過半個世紀的發展，隨著計算機設備和技術的革新，管理信息系統的應用也是飛速發展。六十年代初期，美國企業的管理項目不足300,而到了七十年代中期便已然達到了 2600多項。發展至今，在美國，90%的財務會計工作均由管理信息系統進行實現，物資、計劃管理、科技運算等方面也高居不下，約占 80%到90%[12]o國內計算機推廣起步較晚，但隨著國際間緊密的技術交流，近幾年也得到了飛速發展。正是由于信息管理系統對企業發展的重要性，實現信息管理系統成為了諸多研究學者的關注對象。

目前，管理信息系統研究主要集中在系統的開發方法以及系統的集成方面。

信息系統的開發主要有具有生命周期思想、自頂而下的結構化法以及基于新一代系統開發工具和快速開發方法的原型化法。結構化法基于系統的思想，通過使用系統工程的方法，以用戶至上為原則，采用結構化、模塊化的手段對信息系統進行分析、設計和實施，直到項目不能夠滿足企業的管理需求時再進行重新構建，從而實現了信息系統的生命周期。在此之上，美國著名學者James Martin以實現總體規劃、局部設計結合的完整信息資源開發和方法，利用數據處理部分間的溝通交流，選擇性地開發系統功能、利用信息管理系統信息提高企業管理效率 [13]o此外，E.Yourdon提出的結構化開發方法是二十世紀八十年代使用最為廣泛的開發方法，方法通過對系統進行自頂而下對系統進行分析設計、規劃、實時，從系統頂層業務管理人員逐步深入基層對目標模塊進行設計，然后拼接調試，逐漸構成整體系統。原型化法使用系統工具對信息管理系統進行快速構建。這種方法撰棄了先對系統進行周密的調研分析做法，采用增量式和螺旋式的開發模型，通過開發人員對用戶的需求理解，在于用戶不斷地溝通交流中進行管理信息系統的構建。

綜合信息管理系統集成是面向整個企業或組織的管理信息系統，強調企業或組織的統一性，以一個系統的角度去分析處理數據流程，使系統之間相互關聯制約，將企業或組織的各種信息資源進行整合，消除企業“信息孤島”現象，實現和諧統一的新型管理系統〔⑴。

可以看到，實現鋼筋焊網制造企業的信息管理系統，有助于改善焊網生產車間信息獲取滯后的問題，促使管理人員把控車間設備狀態，是當今世界大勢所趨，也是車間有序管理和信息化生產的重要基礎［⑷。綜上，本文正是通過結合云計算，物聯網技術，研究能夠高效管理大批量異型網片焊接任務的信息管理系統，滿足國內市場對于鋼筋焊網生產流水線的需求。

1.3本丈主要研究內容

本文結合國內建筑工業化對于對于鋼筋焊網自動生產管理系統的迫切需求。之后，通過研究討論國內外對鋼筋焊網生產控制和信息管理系統研究現況，綜合現代信息管理系統的概念提出了針對鋼筋焊網生產的設備生產控制和信息管理系統，從現場鋼筋焊網生產設備到車間總控構建了一體化的生產管理系統。

以下各個章節的主要內容安排如下：

第一章，首先闡述了國內建筑工業化對于對于鋼筋焊網的生產需求，通過研究討論國內外對鋼筋焊網生產控制和信息管理系統的發展現況以及近年來國家對制造升級的大力推廣，提出鋼筋焊網生產管理系統的研究意義。最后本論文對鋼筋焊網生產控制和信息管理系統的主要研究內容進行規劃。

第二章，首先介紹了生產控制和信息管理系統的整體生產工藝流程，并按照設備生產控制系統到信息管理系統功能需求順序，對各個部分進行了功能需求分析以及軟硬件的性能需求分析。進而確定鋼筋焊網生產設備控制系統以及信息管理系統的軟硬件需求，并針對軟硬件可行性做出分析，選定軟硬件配置、控制平臺選擇以及軟硬件整體架構的設計。

第三章，從現場鋼筋焊網設備的軟硬件架構設計入手,硬件設備采用Beckhoff 公司開發的基于工業以太網的運動控制系統，使用配套的現場PLC開發程序來與C#上位機程序進行互聯通訊對設備生產控制系統進行構建。針對生產控制系統中較為典型的生產任務信息輸入處理以及C#上位機與PLC程序之間自動生產功能進行描述，最后對生產控制系統進行了實現。

第四章，本章對信息管理系統進行方案設計以及具體的軟件實現，通過采用三層C/S模型對信息管理系統進行整體構建，完成對系統涉及的生產設備應用程程序及服務器管理的功能模塊劃分，并針對信息管理系統具體實現所需要的軟硬件進行選型。在確認后，分別對車間服務器數據管理傳輸軟件、信息管理系統軟件以及系統的數據庫邏輯結構進行設計和實現。

第五章，對生產控制系統與信息管理系統進行了生產運行測試。測試結果表明生產控制系統能夠良好實現生產多種異型鋼筋焊網的設計目標，同時，對于設備的報警維護功能以及數據采集功能進行了測試。其次，對于信息管理系統的數據采集以及服務器的穩定性進行了測試。測試結果證明本文所設計生產控制系統以及信息管理系統能夠滿足鋼筋焊網生產車間的生產需求

第六章，對全文的研究工作和研究成果進行了總結，對后續的需要進一步完善的研究內容進行規劃。

第二章鋼筋焊網生產設備控制和信息管理系統需求分析

【本章摘要】本章首先介紹了生產控制和信息管理系統的整體生產工藝流程，并按照設備生產控制系統到信息管理系統的功能需求順序，對各個部分進行了功能需求分析以及軟硬件的性能需求分析。進而確定鋼筋焊網生產設備控制系統以及車間管理系統的軟硬件需求，從而選定軟硬件配置、控制平臺選擇，完成了系統軟硬件整體架構的設計。

2.1鋼筋焊網生產工藝流程

通過鋼筋焊網生產控制及信息管理系統實現鋼筋焊網的自動化生產是本文的主要目標。為實現該目標，需要現場生產與信息管理系統的協同配合，首先，任務管理人員對信息管理系統進行車間生產任務的輸入，并通過信息管理系統的任務管理模塊，實現對現場設備生產控制系統的鋼筋生產任務派發；生產控制系統在對生產任務進行模型解析和數據提取之后，將結合下位機PLC程序的狀態，按照焊網生產工藝流程對硬件PLC進行運動控制的指導，從而完成鋼筋焊網的生產［15］。

生產制造鋼筋焊網的主要工藝流程有：鋼筋調直剪切、橫縱鋼筋生產運輸、鋼筋網片焊接、成品出網等，如圖2.1所示：

(1)鋼筋調直剪切

生產控制系統與硬件驅動結合，通過控制系統下發的網片生產信息，驅動鋼筋調直機調直指定長度的鋼筋，完畢后暫停電機，使用切斷裝置執行鋼筋切斷步驟。之后，按照生產信息，依次分配橫筋落料、縱筋落料接收機構對橫、縱鋼筋進行分批順序采集。

(2)橫縱鋼筋運輸

每批橫縱鋼筋采集完畢，等待橫縱筋輸送裝置處于閑置狀態后，遞接給橫縱筋輸送裝置并返回初始位置。依此流程，執行所有的橫縱鋼筋生產采集工作。

橫縱鋼筋輸送裝置接收鋼筋后，縱筋在送往焊機前需要提前進行齊頭處理，保持當前批次焊機方向出頭量相同，確保網片縱向焊接形狀；橫筋由于開缺網等

異型網片的存在，需要齊頭后在焊機焊接前使用推動桿推動指定距離，如此，兩根處于同一焊接批次的橫筋便可以在同一焊接批次中處于不同位置，從而形成缺口，實現異型網片的焊接功能。齊頭后，橫縱鋼筋通過輸送裝置，輸送至橫縱鋼筋焊接承載機構，并脫離輸送裝置，準備接下來的焊接任務。而輸送裝置在完成輸送任務之后，返回初始位置，等待輸送下一批橫縱鋼筋［罔。

（3）鋼筋網片焊接

橫縱鋼筋的焊接承載機構在滿載鋼筋的條件下，會在焊機閑置情況下，拖動縱筋，輸送橫筋至焊機下方，完畢后，返回初始位置，準備下一批次鋼筋的遞送, 而焊接機構在承載機構輸送完畢后，會按照生產信息對當前焊接批次的橫縱筋執

行焊接任務，焊機下降至焊點上方后，等待焊接指令進行焊接。焊接任務開始, 焊接機構會從焊網一側開始依次焊接。

(4)成品出網

焊接完畢后，抬升焊機，焊接機構另一側抓取網片焊接完畢部分，向外拖出, 若當前網片整體焊接完畢，則網片拖至焊網倉儲機構；若當前網片焊接任務未完成，則按照焊網信息拖出指定距離，從而實現橫筋間距的無極調節。

2.2鋼筋焊網生產控制系統需求分析

2.2.1設備功能需求

鋼筋焊網生產設備是以生產各種包含異型網片在內的鋼筋焊網為主，輔以完成生產小批量固定長度的調直鋼筋等生產任務的自動化流水線設備。為完成主要的生產任務、確保設備的自動化高效運行，需要控制系統實現：

(1)鋼筋焊網設備生產控制系統具備識別CAD圖紙能力，通過讀取圖紙中的網片信息，向硬件驅動系統下達指令。圖紙的識別，可以實現焊網設計與實際生產的解耦。不但方便生產者向生產設備輸入生產信息，同時，也便于生產單位對生產任務進行指定和派發，利于生產過程的控制管理。

(2)生產控制系統可以執行多種焊接任務，除正常方形標準焊網外，還需要具備處理開孔網、開缺網以及其他異型網的能力。如圖2.2為各種類型示例網

(c)開缺網 (d)雙開網

圖2.2鋼筋焊網類型

<3)為實現高效生產，鋼筋焊網設備生產控制系統需要提供人機接口對任務數量，任務的執行優先權重進行設置。在控制軟件中指定生產計劃，實現車間連續的無人化生產。

(4)鋼筋調直，運料，按照生產圖紙自動進行橫縱鋼筋間距調整排布，焊接過程自動化，無需人工干預。加工時，針對不同規格的鋼筋，控制系統根據焊接具體的規格，實時調取數據庫查詢，并自動下發焊接主控板[191,調整輸入不同的焊接參數。

(5)鋼筋焊網設備生產控制系統應提供手、自動、調試模式的切換功能。在自動環境下自主進行無人化連續生產；在手動環境下，對設備各部分進行測試, 檢修，完成設備日常維護；在調試模式下，對設備緊急故障進行排除和維護。

(6)能夠自動檢測設備故障，停機報警。發生硬件故障時，顯示可能故障原因并記錄故障類型；非硬件故障，即生產故障時，鋼筋焊網生產設備控制軟件需要提供人工操作接口 [2°],使得維修工人能夠在調試模式下控制伺服系統和氣壓、液壓系統。

2.2.2設備結構設計

鋼筋焊網生產設備進行鋼筋焊網的加工，需要經過盤條鋼筋調直、剪切、落料，橫縱鋼筋分類、齊頭、運輸，橫縱鋼筋交叉點焊接，焊網成品拖運等步驟完成0】。機構整體排布方式如圖2.3所示。

圖2.3鋼筋焊網生產設備硬件結構示意圖

設定垂直于焊接主機排布方向為縱筋方向，平行于焊接主機排布方向為橫筋方向。通過示意圖，可以將鋼筋焊網生產設備硬件部分劃分為鋼筋盤料盤，鋼筋調直機，橫縱筋剪切分類漏斗，縱筋運料盤，橫筋運料盤，縱筋齊頭拖運裝置, 橫筋轉運小車，橫筋送料盤，橫筋焊接距離調整機構，焊機主機，成品抓取裝置。

(1)鋼筋盤料盤

生產用鋼筋主要為直條、盤條兩種，直條鋼筋可以直接用于鋼筋焊接綁扎，但運輸分揀需要額外人工，且常常需要按照長度要求，對鋼筋重新進行切割，難以實現自動化程度較高的操作，不適合鋼筋焊網生產設備；盤條鋼筋在進行焊接之前需要調直剪切固定長度，但盤條鋼筋運輸方便，加工流程固定，在調直機調直指定長度后切斷，生產穩定，適合自動化生產。故設備采用盤條鋼筋作為生產原料。鋼筋盤料盤主要作為存放盤條鋼筋的存儲機構，當鋼筋調直機從料盤抽取鋼筋時，鋼筋繞料盤縮緊，最終從料盤上方滑岀。需要注意的是，料盤需保證鋼筋不糾纏，不打結。故設計料盤時，設計為下粗上細，確保鋼筋的正常滑出。

(2)鋼筋調直機

鋼筋調直機主要采用交變彎曲變形的調直方式，使具有多值原始曲率的鋼筋經交錯排列的矯直輻后發生多次反復彎曲，原始曲率不平均度逐漸減小，最終達到調直的效果0Q】。

鋼筋調直裝置主要由導入裝置，前壓料輻，送絲部分，調直部分，檢測裝置, 后壓料輻，承料裝置構成。

鋼筋通過導入裝置壓入調直機；使用前壓料楹壓緊，防止鋼筋送絲抖動；由送絲部分的伺服電機轉動，通過液壓缸提供的壓緊摩擦力進行送絲工作；調直部分交錯調直棍使鋼筋多次反復彎曲，實現調直；調直后鋼筋通過后壓料楹送至承料機構㈤。

調直鋼筋長度的大小由送絲部分的伺服電機和檢測裝置的光電編碼器控制，伺服電機和編碼器相互檢測調節，形成閉環控制網絡，保證鋼筋長度。

每次進行鋼筋調直，需等剪切機構恢復初始位置，否則承料機構的出頭鋼筋會與切刀相互碰撞，發生危險。再觸發液壓缸與伺服電機壓緊，為送絲部分提供摩擦力，鋼筋調直完畢，伺服電機空轉，承料機構壓緊鋼筋，防止鋼筋剪切發生抖動。

為加強鋼筋調直機工作過程中存在的卡筋故障發生時的安全防護功能，在打開調直機護罩時會自動切斷伺服電源以及氣缸電路。防止維修人員發生意外事故。

（3）橫縱鋼筋剪切分類漏斗

橫縱筋分揀工作可以采用橫縱筋分開生產或分類運輸兩種方式進行。橫縱筋分開生產可以同時進行橫、縱筋的生產，二者生產互不干擾，均直接運往焊接主機即可，但前者會增加設備體積和設備裝置數量，調直、料盤、剪切等數量翻倍；換筋時也需要更多的工時進行操作。而分類運輸方式，只增加橫縱筋分揀裝置，設備數量較少，結構更為靈活精簡；實際生產時，由于網片批量生產，橫縱筋的分揀運輸除了所有批次最初始時橫縱鋼筋剪切會有所等待外，生產過程幾乎沒有延誤，效率并不輸于分開生產方式。綜上，本鋼筋焊網生產設備采用鋼筋分類運輸方式進行生產。

由于采用橫縱筋分類運輸的方式，經常的切換橫縱筋會極大的降低生產效率，故此處采用橫筋運料漏斗和縱筋運料盤對鋼筋進行分揀。鋼筋切斷前，需要根據生產數據信息判斷當前生產批次為橫筋批次還是縱筋批次。

當前批次為橫筋批次時，需要保證縱筋運料盤在初始位置或未在切斷裝置正下方，橫筋批次分揀前，氣缸抬升橫筋分揀漏斗，使鋼筋切斷后落入，經短暫延時，鋼筋跳動減弱，再打開漏斗，鋼筋落入下方橫筋運料盤，橫筋運料盤確認接收信號后，轉動接收齒片，空出間隔，從而為下一次鋼筋接收做好準備。按此步驟，依次完成橫筋采集步驟。

當橫筋批次生產結束，執行縱筋批次時，橫筋分揀漏斗的氣缸觸發，使漏斗降下，動作完成后，縱筋運料盤移動至剪切機構下方。鋼筋切斷后由于高度低，不存在鋼筋跳動現象，鋼筋直接落入縱筋運料盤；縱筋采集到鋼筋后，按照生產信息移動固定間隔距離，以完成不同網片形狀要求。按此步驟，依次完成縱筋采集步驟。

(4)縱筋運料盤

縱筋運料盤采用鋸齒狀采集平臺以方便鋼筋的采集，每一個折疊的齒槽可以容納一根鋼筋，相鄰齒槽間隔固定，一般設定為5CM,以此確定縱筋網片的單位間距。

(5)橫筋運料盤

橫筋運料盤采用卡齒結構，仿縱筋運料盤結構，但卡齒安裝在鏈條上。當橫筋經漏斗落下，運料盤接收信號，將觸發兩側電機啟停一次。此時，卡齒序列前進一個單位距離，空出新的卡齒承接橫筋。

(6)縱筋齊頭拖運裝置

縱筋運料盤完成縱筋采集工作之后，便將當前批次采集的縱筋運往縱筋齊頭拖運裝置。縱筋齊頭裝置采用雙氣缸結構，當運料盤到達指定位置并停止后，雙氣缸依次觸發，首先平齊縱筋，利用鋼架將縱筋對齊，之后將鋼筋抬升，脫離運料盤吸附至縱筋拖運裝置。完畢后，齊頭裝置降下，縱筋拖運裝置拖動鋼筋離開運料盤，若焊接主機部分存在未完成焊接鋼筋，則拖運裝置將鋼筋運至軌道中央待命，若焊接主機無焊接任務，則將鋼筋輸送至焊接主機。待焊接主機焊接任務執行，焊接氣缸將鋼筋從拖運裝置的磁吸附裝置壓離，拖運裝置返回初始位置，等待下一批縱筋齊頭運輸。

(7)橫筋轉運小車

橫筋運料盤完成橫筋采集工作之后，橫筋轉運小車從初始位置抬升托舉支架，將橫筋運料盤與當前批次采集的橫筋分離。之后，啟動伺服電機，將鋼筋運離橫筋運料盤。若橫筋送料盤尚有未焊接橫筋，則橫筋轉運小車將鋼筋運至軌道中央待命，若橫筋送料盤已然空置，則將鋼筋輸送至橫筋送料盤，到達指定地點后，橫筋轉運小車下降托舉支架，將鋼筋鋪于橫筋送料盤。任務結束后，橫筋轉運小車返回初始位置，等待下一批橫筋運輸任務。

(8)橫筋送料盤

橫筋送料盤結構類似橫筋運料盤，采用卡齒結構。不同之處在于，橫筋送來盤接收橫筋轉運小車運輸的鋼筋后，會直接將鋼筋依次送至橫筋焊接距離調整機構進行距離調整，以適應不同焊接網類型的生產。

(9)橫筋焊接距離調整機構

橫筋焊接距離調整機構采用四臺小型伺服電機，主要按照生產信息，將橫筋調整至焊點位置并輸送抬升至焊接大梁。異型網片需要多次將橫筋輸送至大梁，才能觸發橫筋焊接準備完成信號。

(10)焊接裝置

焊接裝置主要由焊接大梁和40臺焊機組成，焊機適用兩套焊接電路系統，從而分為奇偶兩組，提升焊接效率。

當橫筋，縱筋運輸至焊機下方并觸發相應準備信號后，焊機由氣缸觸發下壓，將縱筋壓至位于大梁上的橫筋上方，接觸后進行電焊。由于大梁承重有限，每次焊接奇偶分次落下兩臺焊機進行焊接。

一輪焊接任務完成后，待成品抓取裝置抓出，橫縱筋輸送就緒后，開始下一輪焊接任務。

(11)成品抓取裝置

成品抓取裝置是由兩組帶有40個互為反向的夾頭大梁及相應伺服電機組成，第一組大梁主要負責網片第一次焊接時從焊機下方拉出網片焊接完成部分，待第一組大梁抓取完畢后，第二組大梁承接網片拖取工作，并按照生產信息每次拖取固定距離，完成網片橫筋間隔的調整功能。待生產完成后，第二組大梁將整張網片拖送至網片成品倉儲位置。完成后，返回初始位置，等待下一張網片的焊接拖取工作。

2.2.3焊網設備控制系統需求

結合前文所述的鋼筋焊網自動生產設備的生產工藝流程、功能需求、具體功能設計，確定設備具體的硬件和軟件需求。

（1）硬件設備需求

伺服電機是通過伺服控制器控制的具有控制精度高，變速范圍廣，方便控制調節的補助馬達間接變速裝置。特別適合需要一定控制精度的場合使用岡。

鋼筋焊網設備由于生產焊網結構，對于焊點位置和鋼筋長短等長度信息比較敏感。故設備中多次使用伺服交流電機作為設備的動力裝置來控制各個運動機構來進行鋼筋焊網的生產工作。系統總計12臺伺服交流電機，電機分布如圖2.4 所示：

縱筋亦頭拖運裝置詒

橫筋焊接距離調整機構3臺

圖2.4伺服電機分布情況

鋼筋調直機需要1臺伺服電機來控制調直鋼筋長度、橫縱筋送料運輸裝置需要3臺伺服電機，縱筋運料盤來控制縱筋下落位置并負責將鋼筋送至縱筋齊頭運輸裝置；縱筋運輸裝置需要將鋼筋準確運送至焊機主機下方，實現縱筋焊接的準備工作；橫筋送料小車需要將橫筋從橫筋運料盤送至橫筋送料盤。

橫筋焊接距離調整機構需要4臺小型伺服電機，其中3臺用來將橫筋水平太高送至焊接大梁，完成橫筋焊接準備任務；還有1臺用來對橫筋橫向位置進行調整，以實現鋼筋橫向距離的擺放，完成異型網片的焊接任務。

焊接主機部分需要1臺伺服電機來抬升焊接大梁，針對不同的焊網規格設備不同的焊接高度，實現網片的標準化生產。

成品抓取裝置需要2臺伺服電機，抓取裝置1用來實現網片第一次焊接后從焊接主機下拖出并送至抓取裝置2；抓取裝置2獲取網片后會根據生產數據信息, 對網片進行拖出，實現橫筋間隔的調整，含接任務完成后，將焊接網片拖送至產品倉儲裝置〔同。

輸入輸出量（以下簡稱10量）可以控制檢測氣缸位置，傳感器觸發情況、信號燈的指示以及控制交流電機的通斷。

在整個生產過程中，需要使用大量的傳感器，傳感器對生產過程進行檢測，判斷設備模塊是否完成相應模塊的生產任務，如橫筋送料盤轉動距離的電機通斷、氣缸驅動縱筋齊頭裝置是否完成鋼筋的對齊；傳感器對故障進行檢測，如縱筋輸送裝置是否從縱筋送料盤中吸附所有鋼筋、鋼筋矯直機是否開啟，開啟后則需要關閉調直機構的供電等。

同理，結合傳感器的使用，氣缸和交流電機驅動設備機械結構完成相應的固定機械運動。總計傳感器178處，氣缸14個，交流電機13處，指示燈以及工業控制臺上48個手動操作按鈕，共計102個輸入量、232個輸出量。

除上述所述，鋼筋焊網設備還需要配置供電、供氣、供水以及焊接控制系統，來輔助實現鋼筋焊網的生產過程。

供電系統為所有的硬件設備提供電力，特別劃分為兩塊電力主板為焊接模塊進行電力供應配備；供氣系統為所有的氣缸提供氣體供應；供水系統主要為焊接主機進行提供冷卻作用；焊接控制系統單獨負責對焊機提供焊接過程控制和基本而焊接參數進行設置，該控制系統可以通過串口通訊與上位機通訊。

（2）軟件功能需求

結合前文所述的鋼筋焊網自動生產設備的功能需求，可以總結軟件控制系統需要實現以下功能：

A.能夠識別CAD文件，分解包含各種異型網片的圖形數據，形成網片加工生產信息。

B.能夠配合硬件運動控制系統，及時準確下發生產指令，指導硬件進行鋼筋焊網的生產任務。實現自動化生產。

C.提供人機操作界面，方便操作人員對生產任務和生產參數進行設置。同時, 動態顯示加工狀態，加工步驟及其他加工參數。

D.提供手自動，調試模式的切換功能，方便設備的生產維護。

E.提供10監視、報警提示功能，記錄數據庫，方便開發人員和生產者對設備進行升級改造。

2.3信息管理系統需求分析

通過對鋼筋焊網生產制造企業的實地調研，分析總結后，發現鋼筋焊網生產車間在實際生產過程中，主要存在4個共性問題：

（1）鋼筋焊網生產任務信息需要人工手動配置，配置效率低，易出現人工失誤導致生產效率下降。

（2）生產任務配發交互性差，缺乏生產任務的統一調度，導致實際生產不可控，靈活性差，往往計劃與實際生產脫節。

（3）缺乏生產過程信息，無法對設備運行狀態進行采集監控，缺乏及時準確的基礎數據，導致任務下發、設備報警維護等處理延遲，使設備利用率降低。

（4）設備故障原因采集管理難度大，日常維護效果差，難以實現設備的優化升級。

23.1信息管理系統功能需求分析

針對以上問題，結合企業管理和實際生產訴求，歸納為三方面的功能需求：

（1）信息管理系統應用程序可以結合車間生產設備的狀態、條件進行比對，對車間設備的生產任務進行查看、統計以及派發。

（2）鋼筋焊網生產設備需要對設備運行狀態進行監控操作，將實時數據采集并上傳信息管理系統，并將接收到鋼筋焊網生產設備的生產狀態數據，包含運行狀態、故障報警、停止維護等數據上傳，使信息管理調度人員在中央控制室能夠遠程監視設備的實際生產情況Bl。

（3）構建鋼筋焊網車間生產數據庫，對鋼筋生產設備運行狀態進行統計分析，便于設備維護和改進。

結合以上鋼筋焊網生產車間三方面的功能訴求，本節將從鋼筋焊網生產車間系統的功能結構出發，對信息管理系統的構建進行分析設計。

2.3.2信息管理系統功能方案設計

為實現生產車間信息化管理監控，加強車間管理、提升生產效率，針對上述三方面功能訴求進行任務劃分和解決方案處理，各部分解決方案如下：

(1)生產任務管理。中控室信息管理軟件通過采集車間生產設備狀態，對設備處于閑置、生產任務執行、故障維修等狀態的判定，并向閑置設備派發生產任務。若無空閑設備，則依據設備任務執行進度，將生產任務派發給能夠最早實現生產任務的鋼筋焊網設備。任務的派發采用網絡數據流傳輸的方式，定義傳輸數據流包含生產任務生產數量，生產優先級以及鋼筋焊網的CAD模型，指定IP 設備接受到生產任務后會按照生產優先級對生產任務進行排序并生產。

(2)鋼筋焊網生產設備狀態監控。中控室信息管理軟件對現場鋼筋焊網生產設備進行編號，并將設備基本狀態顯示在中控信息管理軟件設備列表界面以及車間大屏展板。狀態包含運行狀態，包含待機、停機、維修、報警故障、生產運行。進一步，對于單機設備的詳細狀態可以在重點關注設備界面查看，包含當前生產進度，如鋼筋調直、運料、焊接、成品入庫；以及設備當前任務進度，剩余網片數量，任務查看，任務優先級等。除設備信息查看外，信息管理系統軟件還應對車間總體環境參數進行采集示，如設備工作溫度、供給氣壓系統、水循環系統、焊機焊接系統進行監控記錄［約。

(3)車間生產數據采集。信息管理系統軟件需要將車間設備運行的任務數量，操作記錄，故障情況，維修狀態等記錄數據庫。同時提供數據查看功能，將數據以條圖、餅圖、變化圖等形式展示，同時系統需要兼具數據導出功能，方便生產者對數據進行分析處理。

按照解決方案，對系統功能進行設計，分為賬號登陸管理模塊、生產任務管理模塊、車間設備運行狀態監控模塊、報警維護模塊以及鋼筋焊網設備數據報表模塊。各模塊具體功能如圖2.5所示。

圖2.5中控信息管理系統功能模塊圖

(1)賬號登陸管理模塊

該模塊主要負責生產者賬號信息進行管理，出于車間設備以及中控設備的安全考慮，用戶信息統一管理在中控室數據庫，擬采用獨立用戶賬號管理軟件進行信息的處理。包含用戶注冊、修改、查詢、注銷設定四個子功能模塊。用戶信息包含賬號、工卡、密碼、隸屬部門、權限等級，以區分不同生產者信息，用戶可以采用賬號登陸或者刷卡登陸方式進行登陸，依照當前用戶權限查看操作相應權限開放的功能模塊。

(2)生產任務管理模塊

生產任務管理模塊負責對車間設備任務進行統計分配，一方面采集車間設備任務執行進度，根據當前設備待執行任務生產數量，預測設備生產耗時；另一方面根據生產者添加任務訂單，對訂單任務按照優先級和生產效率優先方式進行設備任務的派發。當設備發生異常或故障時，該模塊將暫停該設備當前生產任務，并將剩余任務重新派發其他生產設備。待設備異常排除，恢復待機狀態后，將重新派發新的生產任務。

（3）車間設備運行狀態監控模塊

車間設備運行狀態監控模塊主要以車間設備監視和設備運行參數統計顯示任務為主。車間設備監視是對設備當前生產任務進度、設備故障信息、維護狀態進行查看。少部分權限擁有者可以對設備任務進行添加、刪除、修改優先級的操作；設備運行參數顯示是當前設備運行狀態以及經統計顯示的各種圖表，如設備利用率，生產任務完成數量等，大部分權限擁有者都可以對該部分進行查看。

（4）廠務信息模塊

廠務信息模塊主要對車間生產環境參數進行統計顯示，主要包括設備工作溫度、供給氣壓系統、水循環系統、焊機焊接系統等。該模塊當前數據直接于圖表中顯示，也可以通過點擊模塊變化圖來查看近期生產環境參數變化。

（5）報警維護模塊

報警維護模塊主要負責對車間設備進行報警故障狀態以及維護操作的日志統計顯示任務。故障發生時，中控室監聽到車間設備的報警狀態以及報警信息，將修改當前設備運行狀態，標注可能的報警故障原因并記錄數據庫該條報警信息。設備報警解除，維修人員在單機設備填寫故障統計報表，數據上傳信息管理系統軟件，同樣記錄數據庫不同數據表，兩數據表外鍵關聯，導出后可查看本次故障情況。維護工作主要對導入設備維護報表進行分析，定時提醒維護人員對設備進行生產維護，并將本次維護信息記錄入庫。

（6）鋼筋焊網設備數據報表模塊

鋼筋焊網設備數據報表模塊主要提供數據庫報表的接口顯示，根插數據庫查詢結果，在該模塊可以選擇相應的數據報表進行查看和導出Excel。鋼筋焊網設備數據庫包含員工信息表，數據記錄表，操作記錄表，環境信息記錄表，車間設備生產情況表，維修記錄表，報警記錄表，水循環系統記錄表，氣壓記錄表，車間工作溫度記錄表，車間人員管理記錄表等。

2.3.3信息管理系統軟硬件需求

結合前文所述管理系統功能需求以及具體功能設計，確定管理系統的硬件和軟件需求如下。

(1)硬件設備需求

信息管理系統的功能結構，決定了系統需要采用分布式的應用模塊來進行信息管理的各個功能的實現，服務器作為整體結構的中樞，需要具備足夠的運算能力存儲能力、安全容災型、支持操作系統類型以及拓容性〔26】。

系統的運算存儲能力需求取決于車間生產設備數量以及數據流量的多少，本系統由于用于鋼筋焊網車間生產以及數據采集，設備總數不多，且數據主要用于控制管理和顯示，對于計算能力的要求并不高，故而，只需要對設備通訊流量以及存儲能力進行評估即可。

服務器主要容載車間系統數據庫，車間數據采集頻率按照不同功能模塊而異 [27】，經測量評估，一臺生產設備每秒鐘進行約67個生產變量的通訊，記為70 個變量，考慮到數據庫其他非生產數據的記錄，數據存儲量大小約為500Byte/s, 車間數據庫通常存儲一年內生產數據，合計單臺設備需存儲15.76GB；通訊基于 TCP/IP協議，每次數據包流量大小約在1500字節，故流量計算約為105KB。車間生產設備包含四個車間共計二十臺設備，故生產設備需求服務器數據庫容量 315GB，總體帶寬2MB左右。信息管理系統由于其本身對車間生產設備進行監控，服務器需發送設備總體運行生產信息，數據流較大，評估后預留500KB的帶寬以及10GB的服務器存儲容量。其他應用程序對數據采集頻率要求不高，且流量較小，故總體計算，服務器需數存儲容量350GB,以及至少3MB的數據帶寬。

由于車間生產條件的限制，不能進行云服務器系統的搭建，只能使用硬件獨立主機進行服務器的架設。硬件獨立主機的服務器安全容災機制一般通過數據庫和主機的生產備份實現，故車間服務器需要采購兩套以備用，來提供主服務器異常故障情況的發生的安全保障。

最后，本信息管理系統總體采用微軟公司提供的C#高級語言進行實現，決定了基于Windows開發環境的系統架構，同時，車間生產設備采用的Beckhoff 公司的工業控制軟件，也是基于Windows環境進行配置El,這使得單機設備與信息管理系統之間相似度高，可容性強，易實現設備之間的穩定通訊。

綜上，基于滿足硬件性能需求基礎上，選購性價比最優的戴爾(DELL)R740 機架式服務器主機，其硬件性能參數如表2.1所示所示。

表2.1服務器性能參數

規格參數規格參數規格參數

品牌戴爾(DELL) 標配CPU數量 4核內存容量 6GB

型號 r740 CPU型號 5120 硬盤容量 1TB

類型機架服務器芯片類型其他硬盤類型 SATA 接口

機箱規格 2U機架式插槽數量 6個硬盤轉速 7200轉/分

通過表格數據可知，該款戴爾（DELL） R740機架式服務器主機可以滿足信息管理系統服務器的硬件需求。

工業展板車間主要用于中央控制室對生產數據和環境數據的顯示，需要兼具清晰顯示的多屏幕分屏能力，對于性能要求并不高，總體選用液晶拼接屏即可滿足設備需求［29】。

本文選用惠普HR60寸6.3mm液晶拼接屏，設備具有采用DID液晶拼接顯示，雙邊拼縫6.3mm,具有高分辨率、高亮度、高對比度、寬視角的高清LCD 顯示面板，支持1080P全高清數字視頻顯示。其技術參數如表2.2所示。

表2.2工業展板車間顯示屏技術參數

規格參數規格參數

屏幕尺寸

（mm） 1355.9mm X 754.2mm 顯示面積 1329.4mm X 747.7mm

圖像長寬 16:09 分辨率 1920X1080； 1600X1200； 1366

比 X768； 1280X1024； 1280X768

雙邊物理拼縫 6.3mm 色溫 10000K

電源 AV 100V-240V, 50/60HZ,

Universal, ±10% 功耗 420W （正常工作狀態）

點距 0.53 (H) X0.53 (V) 使用壽命 60000小時

響應時間 8ms 整機重量 56KG

色彩 lObit, 16.7m 信號接口 AVVGADVIHDMI

亮度 500cd/m, 800cd/m 溫度工作狀態0?50°C

對比度 4000:01:00 配件電源線

可視角度

（H/V） 178M78° 可選配件機柜式，壁掛式；落地式

（2）軟件需求

綜合信息管理系統功能設計需求，以及硬件設備架構的選型和焊網設備控制

系統的通訊，本文設計信息管理系統軟件主要基于Windows開發平臺，服務器

軟件采用基于WCF技術（詳見4.2節）的Winfbrm宿主程序進行開發，為其他應用模塊提供數據查詢和修改功能，作為系統的結構中樞存在㈤中控室開發信息管理系統軟件，需要通過服務器，動態地顯示生產設備，車間顯示屏幕以及環境采集PLC的數據并進行生產控制，能夠對車間生產設備進行任務調度分配和控制。

2.4本章小結

本章主要對焊網設備控制以及信息管理系統進行需求分析和軟硬件設計，首先通過對系統整體生產工藝流程進行探究，總結鋼筋焊網生產設備以及控制系統所需具備的功能模塊，之后分別對焊網設備控制系統以及信息管理系統進行詳細分析設計，提出滿足生產功能需求的解決方案，并根據工藝流程和功能模塊對焊網設備控制系統以及信息管理系統的軟硬件結構進行分析選型。

第三章鋼筋焊網生產控制系統方案設計與實現

【本章摘要】本章從現場鋼筋焊網設備的軟硬件架構設計入手，硬件設備采用 Beckhofif公司開發的基于工業以太網的運動控制系統，并選擇與運動控制系統配套的現場PLC開發軟件來與C#上位機程序進行互聯通訊對焊網設備控制系統進行構建。針對控制系統中較為典型的生產任務信息輸入處理以及C#上位機與 PLC程序之間自動生產功能進行描述，最后對焊網設備控制系統進行了實現。

3.1焊網設備控制系統架構設計

3.1.1硬件架構設計

(1)控制系統通訊總線選型

工業以太網技術是根據工業生產需求應運而生的產物。隨著現代工業設備智能化的快速發展，設備間數量傳輸量急速增長，由于現場總線標準種類繁多且通訊速率受限，不能滿足設備間通訊的需求；以太網技術快速發展，通訊可達 1000Mbps.且通訊穩定性好，能夠滿足大數據智能設備通訊方面的需求［弘遼35】。

目前，國內外有多種工業以太網協議，大都是基于TCP/IP協議基礎來改造實現。能夠實現毫秒級的通訊周期。EtherCAT是工業以太網中非常具有代表性且具有卓越性能的工業以太網［3鐵

EtherCAT采用主從式結構，EtherCAT系統的信息流由主站發起，沿網線下行至從站設備，從站設備從數據報文信息中提取對應數據行并修改從站設備狀態位，然后繼續下發報文至下一臺設備。最后一臺從站設備修改信息后，將報文信息按原路上傳，依次上行至主站設備。

(2)運動控制系統

EtherCAT主站有多種實現方案，在X86以及ARM平臺上均可以直接使用軟件通過標準以太網媒體接入控制器而無需專有硬件設備來實現。目前，在 Windows. WinCE以及Linux都可以進行EtherCAT主站的架設。其實現方式比較如表3.1所示。

表3.1 EtherCAT的實現方式比較

Windows 系統 Linux系統

產品數量多少

技術支持好自主開發

開發難度簡易、有現成方案開發難度大

德國Beckhoff公司提供的EtherCAT主站控制系統具有性能可靠、應用廣泛等特點自帶的控制軟件TwinCAT 2.0將工業PC變成一個功能強大的PLC或者 Motion Controller控制生產設備，同時Beckhofif公司與微軟公司聯合開發了適用于C++, Java, c#等高級語言通訊的函數庫，便于開發應用程序對硬件機械結構進行控制。

除了采用德國Beckhoff公司的嵌入式主站控制器，本文研究設備還配備了德國Beckhoff公司的拓展10模塊和焊接控制模塊，以及寧波菲士的伺服控制器和伺服電機。最終確定控制系統硬件結構如圖3.1所示。

伺服驅動器 Q拓展臧

伺服電機傳感器、氣缸、電機

圖3.1控制系統硬件結構

3.1.2軟件架構設計

（1）軟件開發環境結構

由上節可知，鋼筋焊網生產設備的運動控制平臺選擇德國Beckhoff公司的嵌入式主站控制器，與之配套，Beckhoff公司提供了和微軟公司聯合開發的 TwinCAT控制軟件。TwinCAT是一套純軟件的控制器，完全利用PC標配的硬件, 實現邏輯運算和運動控制［殉。TwinCAT運行核安裝在IPC或者EPC上，其功能相當于一臺計算機加上一個邏輯控制器“TwinCAT PLC”和一個運動控制器 “TwinCATNC”，可以方便地進行PLC變成，對鋼筋焊網的硬件進行底層控制。同時，Beckhoff公司提供了 TwinCAT與高級語言通訊的函數庫，從而可以借用高級語言來提供良好的人機界面、生產數據的處理以及生產任務的調度。

TwinCAT編程開發環境分為System Manager和PLC Control兩個部分。

TwinCAT System Manager用于進行以太網連接，設備地址映射，設備資源配置和硬件參數配置。System Manager作為數據上傳下載的中間橋梁，將PLC對應的變量映射至機械硬件，從而實現整個設備的控制運行。

TwinCATPLC Control作為獨立的PLC設計的完整開發環境，主要包含程序單元（ProgramOrgemizationUnit,以下簡稱POU）,資源和軟件庫。

POU包含程序（Program,以下簡稱PRG）、功能塊（FunctionBlock,以下簡稱FB）、函數（Function,以下簡稱FC）。程序可以調用FB和FC, FB可以調用FC。程序代碼通常在一個PLC周期只運行一次，負責變量的初始化工作。 FB代碼在程序中重復運行，也可以聲明為不同的實例，作為不同的實例對象存在，每個實例對象都存在自己的生命周期和參數空間，具體用法可以參考高級編程語言的對象。FC代碼同樣可以重復使用，但不存在自己的生命周期和參數空間，而是作為完成程序動作執行的工具而使用。

POU支持多種編程語言，包含指令表、結構化文本兩種文本編程語言以及功能塊圖、梯形圖，連續功能圖、順序功能圖四種圖形編程語言。

PLC工程中的資源包含項目各種對象，包含全局變量，斷電保護，報警錯誤日志以及PLC任務配置信息等。

軟件庫則是德國Beckhoff公司開發，方便PLC程序開發控制的使用參數，包含軟件通訊、運動控制，時鐘，報警信息等函數庫［珂。特別提供了與高級編程語言通訊的ADS函數庫，該函數庫基于TCP/IP協議，通過包裝重寫以太網的 Socket函數，定制為TwinCATPLC程序通訊間的特有函數。利用ADS函數庫可以實現與C++、Java、C#等高級語言通訊，即高級編程語言編寫的軟件通過ADS 提供的庫函數來讀寫PLC程序中的BOOL, FLOAT. DOUBLE> INT等變量，實現對PLC程序流、函數功能塊和函數的調用，完成對PLC程序的控制。

C#是一種面對面向對象的、運行于.NET Framework之上的高級程序設計語言，是一種安全、穩定、簡單、優雅，由C和C++衍生出來的面向對象的編程語言，包含了諸如繼承、接口、虛函數、重構、對象等數據結構，同時在繼承了 C和C++強大功能的同時去掉了其復雜特性，借鑒了 Java的內存管理機制，對數據對象進行自動回收，免去了 C++中令程序員苦惱的內存管理⑷]。使得開發者方便快速地進行程序編寫。同時，微軟公司為C#提供了良好的開發框架，提供了大量的人機界面控件和包含4000多個類組成的函數庫H2],開發者可以使用 WPF或者WinForm開發框架來快速便捷進行人機界面的開發⑷】。

(2)軟件控制系統架構

鋼筋焊網生產設備軟件控制系統的具體實現主要集中在PLC編程以及高級語言C#開發的控制軟件。PLC編程主要實現設備的運動控制模塊以及設備總體程序流程的邏輯控制卩7】。C#軟件一方面通過輸入生產任務，獲取生產鋼筋焊網等生產信息并向PLC下發；另一方面，接收PLC上傳的程序運行狀態變量，根據變量信息來判斷程序當前運行狀態并作出邏輯判斷，指導PLC程序運行。兩者通過ADS進行通訊。軟件控制系統的結構如圖3.2所示。

圖3.2軟件控制系統結構示意圖

PLC程序包含數據管理、函數庫管理以及狀態機控制等，具體結構如圖3.3 所示。

圖3.3 PLC程序結構示意圖

數據管理主要進行數據結構的定義，機械結構的映射以及全局變量的管理工作。是PLC程序和C#開發軟件間相互通訊的重要基石。

為方便進行硬件機械結構的控制，除了定義基本的數據結構之外，還抽象出了伺服電機功能塊以及10拓展模塊。伺服電機功能塊定義了電機指令、啟停、方向、狀態、速度、唯一、報警、報警ID等屬性，通過調用Beckhoff提供的運動函數庫，實現了對伺服電機的使能、絕對運動、相對運動、停止、狀態重置等運動狀態控制以及零位設定和系統調零等功能的方法。10拓展模塊使用Struct 結構，通過Boolean值模擬10拓展模塊的輸入輸出點，實現了對氣缸、傳感器、交流電機、焊機等機構的輸入輸出控制。

機械結構的映射是將PLC參數與硬件結構相聯系的重要關鍵。但由于System Manager的存在大大簡化了這一過程，它相當于硬件結構與PLC程序之間的橋梁，通過主動下發連接信息，獲取到硬件結構寄存器位，并在成套的PLC Control 中將硬件位信息進行參數化，當變量發生變化時，System Manager主動通過以太網進行軟硬件間的傳輸溝通，實現程序對硬件信息的采集和控制［仙。

除了關于硬件控制的相關數據外，程序還需要對大量的全局變量進行管理。全局變量包含運動控制的相關參數，如初始零位、速度、狀態等，基本的焊接參數，輸入輸出量的參數化以及相關手自動模式的過程控制變量。是構成整個程序的重要組成部分。

庫函數管理部分。庫函數組成包含BeckhofF公司配備的標準函數庫以及程序開發時的自定義函數庫。鋼筋焊網生產設備使用的標準函數庫主要包括Timer 庫以及運動控制MC2庫。

Timer庫所提供的定時器函數對程序的動作判斷有極大幫助。鋼筋焊網設備生產設備中主要使用定時器函數與Switch-Case函數配合，在PLC程序不斷掃描的過程中，定義時間周期來對當前步進行判斷，滿足條件則執行下一動作；除此之外，定時器函數可以用來判斷報警以及其他的觸發信號，由于車間中存在各種電磁干擾，適當的對條件進行延遲判斷可以用來消除干擾；此次之外，定時器函數還可以用用來實現最基本的延遲運動、處理等操作。

運動控制MC2庫提供了伺服驅動系統的配套控制方式，包括電機的使能，暫停，絕對運動，相對運動，復位，零位設置，調試運動，報警狀態等一系列函數。

配合標準函數庫，項目設計開發了配合鋼筋焊網生產設備工藝流程的一套功能函數庫。函數庫按照函數使用場合進行劃分，分為功能函數模塊，手動控制模塊以及自動控制模塊。

功能函數模塊主要包含參數初始化、程控模式切換。報警檢測、報警急停、程序復位、焊接參數修改上傳、伺服電機基本參數修改等。輔助程序安全正常運行。

手動控制模塊通過對運動控制MC2標準函數庫進一步封裝而成，提供標準化參數接口對各個伺服驅動器進行參數設置，方便對程序各個軸的控制。

自動控制模塊是按照鋼筋焊網生產設備的工藝流程的生產動作進行拆分，使之形成不可再分的微小功能塊函數，通過對微小功能塊函數進行拼接組合，不但可以實現鋼筋焊網的整個生產過程，而且微小功能塊函數多樣化的組合配合高級編程語言的多線程技術可以使焊網生產設備多個設備模塊同時進行，大大提升生產效率。功能塊函數具體分為鋼筋調直函數，剪切函數，橫筋采集函數，縱筋采集函數，縱筋齊頭函數，縱筋運輸函數，橫筋運輸函數，橫筋距離調整函數，焊接函數，拉出機構函數。

程序狀態機控制包含自動模式、手動模式、調試模式以及故障報警模式。除故障報警模式外，模式的切換由具有最高指令優先級的人工操作控制臺進行控制。模式切換時，對設備參數的當前狀態進行記錄，在未復位情況下切回當前模式，不影響之前指令的運行。

自動模式除開關外，在人工控制臺上不存在輸入接口，運行過程由PLC程序和C#軟件協同運行，具體流程可見本文2.1小節鋼筋焊網生產工藝流程。

在手動模式和調試模式下，生產者可以對鋼筋焊網生產設備進行手動干預。二者不同在于，手動模式只能在人工控制臺操作；操作內容包含但不局限于伺服 10的單點控制，而是配合手動控制模塊對不同工藝流程模塊進行操作，手動進行鋼筋焊網的生產任務；設備報警狀態下，手動模式凍結狀態。調試模式是針對開發者對設備進行測試運行而開發的模式，可以通過C#軟件以及人工控制臺來進行操作；就測試內容而言，限于對伺服、10點狀態的測試工作，不能實現鋼筋焊網的工藝生產任務；但調試模式優先級高于報警狀態，設備報警時，仍可以進行調試模式調節伺服、10設備宙心】。

報警模式平行運行于手自動、調試模式的切換程序，采用后臺監聽的方式，對設備故障采集傳感器、伺服報警模塊進行循環數據釆集，當異常發生時，自動凍結手自動模式，并向C#軟件上傳報警信息，觸發報警蜂鳴器、信號燈，提醒生產者設備運行發生故障。為安全考慮，排除故障后需人工控制臺按下故障解除按鈕，如故障未排除，則繼續觸發報警，反之，繼續當前生產任務或復位后，將重新運行生產任務。

使用C#高級語言進行鋼筋焊網生產設備現場控制軟件結構如圖3.4所示。

圖3.4筋焊網生產設備控制軟件結構

生產者登陸之后通過人機界面可以進行登陸管理，生產任務管理，焊網配置, 狀態監視、報警故障管理以及調直焊機管理等操作。其中，生產任務管理，焊網配置屬于焊接任務前置準備，包含焊接網片輸入輸出，網片數量優先級設置以及焊接網片的焊點調整等配置，莞成后，中央控制軟件生成生產數據，并按照任務過程控制下發PLC程序。狀態監視及調直焊機管理部分則是對生產過程的監視控制，方便對生產過程的狀態釆集。

中央控制軟件程序主要包含四個線程，除了主界面UI線程之外，包含生產過程監控線程、鋼筋調直剪切控制線程以及報警監聽線程。

主界面UI線程主要負責人機交互操作的進行，包含登陸信息管理，CAD文件導入，生產任務管理，生產任務產前設置等生產任務管理，同時進行狀態監視, 生產任務人工干預操作，故障報警管理等操作，中央控制軟件通過ADS庫函數, 保持程序與PLC間實時的通訊監控，實現對生產任務創建、派發、生產、完成等全生命周期的管理，達到維護鋼筋焊網生產設備的正常運行的目標。

生產過程監控線程是焊網設備控制系統中與PLC設備通訊交流最為頻繁的線程，該線程通過與PLC約定Boolean變量，來根據變量取值邏輯來判斷PLC 當前生產運行情況，同樣，該線程也會根據當前生產情況來對PLC的約定變量進行數值修改，達到指導PLC生產運行的目的。

鋼筋調直剪切線程是從生產過程監控中獨立出來的特有生產數據管理線程，專門負責當前焊網生產的橫變量縱筋生產批次，以及橫縱鋼筋生產數據的下發。當生產任務開始時，現場控制軟件生成網片數據和批次信息，鋼筋調直剪切線程讀取默認第一批次橫筋信息，并下發PLC單根橫筋信息，指導PLC生產，當剪切后，下發第二根，依次類推。同縱筋生產。特別當第一個生產任務鋼筋生產完畢后，會及時監聽是否存在剩余生產任務，存在時，監聽PLC橫縱筋接收送料裝置狀態，已回零，則可以及時更新任務，填充設備生產流水線。

報警監聽線程主要負責接收PLC程序上傳的報警觸發信息，中央控制軟件在監聽報警后會對其他線程下發警告并停止當前任務，除此之外，報警監聽線程根據報警觸發信息，判斷報警故障原因，并將其存儲記錄在報警界面及數據庫，其采集的數據信息可以為之后進行大批量故障原因分析提供足夠的數據信息。生產方面，當生產者接收到報警提示后，根據報警線程提供的故障原因對故障進行排除，并通過重置報警按鈕進行報警消除。

3.2生產信息輸入處理

3.2.1信息輸入模塊描述

本論文設計的鋼筋焊網生產系統采用解析CAD文件模型的方式來獲得加工網片數據，這種方式改善了傳統使用圖紙進行焊網綁扎焊接的人工獲取生產信息方式。不但實現了車間無紙化生產，降低了加工時可能存在的生產失誤，同時提高了生產效率，極大地方便網片形狀的設計和管理。

本模塊實現的功能有：

（1）提取鋼筋焊網信息，包含橫縱鋼筋數量，橫縱筋間距，開孔位置，橫筋調整量，拉出位置以及網片總長等；

（2）分析橫縱筋批次信息，橫筋按照設備硬件閑置以二十根橫筋為一個批次，縱筋按照最大出頭量實現的齊次鋼筋分批，統計批次信息并檢查橫筋末筋是否處于異型開孔網焊接處；

（3）網片偏移量修正，由于生產設備閑置，縱筋間距以50MM為單位進行分割，當CAD圖形不標準時，對圖形信息進行修正。

（4）網片信息錯誤檢查，即從CAD模型中提取鋼筋焊網生產信息和初步的信息處理過程中，出現鋼筋位置重疊、鋼筋無可連接焊點以及鋼筋網片超出生產加工范圍等問題時進行錯誤提醒。

3.2.2設計與實現

（1）軟件模型識別設計思路

AutoCAD繪圖環境保存繪圖數據與其他文本文件類似，采用相應的圖元（線段、弧線等）對圖像模型進行抽象記錄，并為開發者保留了 DXF格式的文件可供開發者對模型文件進行信息的抽取。開發者在抽取數據模型信息時需要注意：

A.網片記錄信息采用實際長度進行繪制，以毫米（mm）為單位。

B.鋼筋的直徑規格信息可是使用線條寬度屬性來表示，且線寬屬性需要與圖層信息同步記錄。

C.標定X方向鋼筋為橫筋，Y方向鋼筋為縱筋，首尾橫筋Y坐標小于、大于最大、最小縱筋值，首尾縱筋小于、大于橫筋X坐標值。

D.文件需要保存為AutoCAD 2004 DXF （*dxf）格式，從而使軟件正確對網片信息進行數據解析。

（2）焊網數據解析

程序載入DXF文件，采用字符流讀取的方式對文件內容進行讀取。DXF是 AutoCAD軟件為方便與其他應用程序進行數據交互開發的數據文件格式，其基本組成的圖元有：SECTION, HEADER. CLASSES, BLOCKS, ENTITIED. ENDOF FILE等⑷曲】。其中，ENTITIES代表繪圖的實體元素，包含各種圖形點線面的坐標信息和長度信息，通過固定的標志符進行保存，可以對不同的形狀數據進行提取。

由于鋼筋焊網生產過程中只針對線段信息，因此過濾掉其他圖元信息，只針對DXF模型中ENTITIES分支的AcDbLine線段元素信息進行處理，為存儲圖元數據，創建類模型如下圖3.5鋼筋類圖模型所示。

Bar

batch:int index:int maxX:int minX:int maxY:int minY:int type:string

Bar 0

Bar (int xl, int yl, int x2, int y2)

MaxX(int maxX) :int

MinX(int minX):int MaxY(int maxY):int MinY(int minY):int Length (): int

Type(string type):string Batch(int batch):int Index(int int index):int

圖3.5鋼筋類圖模型

鋼筋基礎類作為橫縱鋼筋類模型的基類存儲基本的橫縱坐標、鋼筋模型、程

度以及生產批次信息。橫縱鋼筋類可以之際集成鋼筋基類進行拓展開發。

設定每條線段的兩個端點定義為起始點和結束點，按照線段X坐標差值和Y 坐標的差值大小來標定線段為橫筋還是縱筋，即判斷與Y坐標軸成小銳角為縱筋，與X坐標軸成小銳角為橫筋。

具體的縱筋、橫信息存儲在構造類型中，定義如圖3.6、圖3.7所示:

z jNext-Batch:bool extendValue:int

ExtendValue(int extendValue):int ZjNextBatch (bool zjNextBatch):bool CompareTo(ZBar zbar):int

圖3.7縱筋類圖

橫筋信息需要在信息輸入之初根據總體鋼筋X軸最小坐標判斷橫向調整位移量并存儲記錄，同時需要根據橫筋生產順序決定當前批次末尾橫筋。與之相對, 縱筋需要根據總體縱筋Y軸最大判斷來進行出頭量和生產批次的調整。

對輸入的焊網模型提取到所有的鋼筋坐標信息后，首先進行數據查驗，將每一條鋼筋數據進行重新整理和數據檢驗，處理過程中，對差值較小的坐標值取平均，使橫縱筋按照垂直平行XY坐標方向，基本處理完成后，找出鋼筋最大最小的X、Y坐標值查看焊接網片是否符合設備的生產加工范圍，其次，檢查橫縱鋼筋是否交叉互聯，防止出現單根不連接鋼筋的生產錯誤出現。

之后對獲取的鋼筋線段信息進行重組，形成網片結構，具體過程詳見本節

(3)。由于CAD文件對于模型的記錄是按照畫圖順序進行記錄，為方便后續處理，在形成網片結構之初，需要對所有橫縱鋼筋進行排序和分批處理。

整體網片類模型結構如圖3.8所示：

BarNet

ZJSignal： int ZJHJOffSet： int zjNum:int hjNura:int Hjlndex:int Zjlndex:int HjBatch:int ZjBatch:int ZJBarS:List<Bar> HjBars:List<Bar> BarNet ()

ZjNum(int zjNum):int HjNum(int hjNum):int Add (Bar bar) : void Delete(Bar bar):void FeatherSort():void

圖3.8網片類圖

鋼筋焊網類是真正對輸入信息進行解析的類，在FeatherSort ()函數中對鋼筋焊網輸入的網片整體數據按照橫縱鋼筋約定劃分標準進行網片數據劃分、填充并多次遍歷進行分類排序，并按照橫筋批次的最大根數對橫筋批次進行劃分；按照縱筋出頭量的多少進行批次劃分。其中ZJBars存儲的是所有的縱筋信息， HJBars存儲所有的橫筋信息，BarNet類還提供接口供外部類對橫縱筋數量進行查詢。

完整的鋼筋焊網生產任務包含焊接網片信息以及相應焊點信息，在實際生產過程中，當焊網鋼筋當前生產批次下發后便會同步下發焊點信息，由于焊點信息存在人工調整的生產需求，因此將焊點信息從焊接網片的類模型中獨立出來，二者共同構成焊接生產任務模型。由于焊點模型類結構屬于焊接網片信息類獨立部分，故不再贅述，焊接生產任務模型如圖3.9所示。

NetTask

weldPointNum:int BarTask: BarNet WeldTaslcWeldNet ____

NetTask (string path) barSort(strin客 path, BarNet barTask):void

圖3.9焊接生產任務類圖

焊接任務生產類對輸入的網片信息直接讀取數據流并分析構成焊接任務。可以直接供焊接任務列表進行調度使用，進行焊接任務的生產工作。

通過DXF文件提取加工信息的程序設計流程圖如圖3.10所示。

圖3.10焊網信息處理流程圖

使用本程序進行焊網信息的提取和處理，由于充分利用C#高級語言特性，使用List和Dictionary等容器，動態進行數據元素添加和排序，加之面向對象的實現方法，降低了焊網生產任務與控制模塊的耦合程度，使程序更易維護和升級。

（3）網片結構生成詳解

橫縱鋼筋數據生成之后，由于橫縱筋本身的坐標特點，橫筋主要對X坐標進行排序，縱筋主要對Y坐標進行排序。由于鋼筋焊網的應用范圍廣泛，國內對焊網生產類型需求較多，往往存在大型焊網的生產任務。尤其對于1 OmxlOm及以上規格的鋼筋焊網來說，形成焊網數據需要對成百上千根的橫縱鋼筋進行排序，此時，高效、應用廣泛的焊網鋼筋排序算法對焊網生產任務的生成效率影響巨大。

快速排序是一種高級排序算法，其主要應用于對包含n個數據的輸入數組進行排序，由于其對不同情況下的平均性能相當好，能夠在較為廣泛的數據范圍內擁有穩定的排序性能，因此，本文焊網網片數據生產部分釆用快速排序法對焊網鋼筋數據進行排序。快速排序的算法期望時間為e(nlogn),且e(nlogn)中隱含的常數因子較小。

如下為鋼筋焊網鋼筋數據的排序過程，主要分為三個步驟：

分解：鋼筋橫筋(縱筋)數據A[p..r]劃分為兩個(可能為空)子數組A[p..q-1] 和A[q+l..r],使得A[p..q-1]中的每個元素都小于等于A[q],而且，小于等于 A[q+l”r]中的元素，下標q也在這個劃分過程中進行計算。

解決：通過遞歸調用進行快速排序，對數組A[p..q-1]和A[q+l..r]排序。

合并：因為劃分排序后的子數組都是經過就地排序后整理所得，因此將其進行合并操作并不需要其他步驟；因此直接將子數組進行合并即可得到整個數組 A[p..r],且完整數組已經排序。

如下為鋼筋焊網鋼筋排序過程實現的偽代碼：

BARSORT(A,p,r)

1if p<r

2then q*-PATTITION(A,p,r)

3BARSORT(A,p,q-l)

4BARSORT(A,q+l,r)

代碼的初始調用是BARSORT(A,l,length[A])o

整個算法的關鍵在于PATTITION過程，它對于子數組A[p..r]進行即時的重新排序工作：

PATTITION(A,p,r)

1x<—A[r]

2i<—p-1

3fbrj<—pto r-1

4doifAOJ^i+1

5then i<—i+1

6exchange A[i]<->A[r]

7exchange A[i+1 ]<~>A[r]

8return r+1

如圖3.11所示，PARTITION在一個包含8個鋼筋數據的數組上進行操作的過程。PARTITION總是將x=A[r]作為主要元素，并圍繞x來對子數組A[p..r]進行劃分。隨著該算法流程的執行，8元素數組被劃分成四個（可能為空）區域。并在第3?6行中采用那個for循環來實現每輪迭代過程。

8 7 1 3 5 jJ A

J 1

2 1 7 1 3 5 4

pj ].j [ r

1 h 1 3 5 JJ I4

.j * r

7 3 5

圖3.11 PARTITION操作實例過程

在第3?6行中循環的每輪迭代之初，對于任何數組的下標k,有:

A.如果 pWkWi,則 A[k]Wx。

B.如果 i+lWkWj-1,則 A[k]>xo

C.如果 k=r,則 A[k]=Xo

依次執行過程，即可以完成子數組的迭代排序過程。從而將子數組進行合并, 形成完整的焊網橫縱鋼筋數組。

將一般的快速排序應用于焊網鋼筋數據的劃分在絕大多數情況下是適宜的。但快速排序的運行時間與劃分與鋼筋數據是否對稱有關，如劃分對稱，則算法性能與合并算法在漸進的意義上來講近乎一樣迅速，如劃分不對稱，則算法性能與插入算法在漸進的意義上來講近乎一樣緩慢。

就最壞情況而言，發生在將焊網鋼筋數組劃分產生的子數組分別包含n-1個元素和1個元素的時候，如每次迭代過程都出現該種不對稱劃分情況，其時間代價為0(n),此時算法的運行時間可以遞歸的表示為：

T(n)=T(n-1 )+T(O)+0(n)=T(n-1 )+0(n) (3.1)

焊網鋼筋排序子過程結合外層循環疊加，可以得到一個算數級數，其和值量級為e(n2)o可見，當元素初始排序不對稱情況下，快速排序算法在焊網鋼筋數據排序中的應用性能并不高。

因此，為提升焊網鋼筋數據排序的算法性能，本文采用隨機化的快速排序算法對焊網數據進行排序處理。對焊網鋼筋數據使用快速排序算法，并向算法中加入隨機化的成分，從而使得算法對不同焊網的鋼筋數據輸入均能夠產生良好的平均情況性能。

使用隨機取樣的隨機化技術，可以使得算法的分析更加簡單。在這種方法中，通過使用隨機化元素替代普通快速排序算法中的A[r]主元來提升算法隨機性。隨機化元素采用從子數組A[p..r]中隨機選擇元素，從而確保在子數組r-p+4個元素中主元選擇的隨機性。

經過修改，排序算法的代碼中需要對PATTITION以及BARSORT進行修改，其偽代碼如下：

RANDOMIZED-PATTITION(A,p,r)

1i—RANDOM(p,r)

2exchange A[r]*—A[i]

3return PATTITION(A5p,r)

新的排序算法調用RANDOMIZED-PATTITION取代原有普通排序的

PATTITION：

BARSORT(A,p,r)

1ifp<r

2then q^RANDOMIZED-PATTITION(A,p,r)

3BARSORT(A,p,q-l)

4BARSORT(A,q+l,r)

隨機化快速排序算法是否能夠焊網鋼筋數據排序的排序性能，本文引入指示器隨機變量來進行論證。定義變量為：

Xij=I｛zi與 Zj進行比較｝ (3.2)

由于每一對元素至多進行比較依次，因此算法執行的總的比較次數為：

X = £U (3?3)

對式(3.3)兩邊取期望，可以得到：

EPQ胡工遼；=丿滬工：；爲+邱4為遼；》 Pr｛zi與Zj進行比較｝ (3.4)

現在來計算時間發生的概率。在Zij中某一元素被選為主元之前，集合Zg整個都是在同一劃分中的。于是，Zij中任何元素都等可能被優先選為主元。因為集合Zij中共有j-i+1個元素，所以，元素選為主元的概率為l/(j-i+l)o于是，有：

Pr⑵與zj進行比較｝=Pr⑵或zj是從Zij中首先選出的主元｝

=Pr｛zi是從Zij中首先選出的主元｝+Pr｛zj是從Zij中首先選出的主元｝

= — (3.4)

j-i + 1 j-i+1 j-i + 1

上式中，由于設計兩事件互斥，故而第二行成立，將等式(3.3)與等式(3.4)綜合起來有：

E[x]=yn4yn —(3.5)

L」厶心1厶戶f+1 j-i+]

故而，通過使用調和函數級數對期望進行界的求取，結果為：

E兇臨◎；*占遼遼仁訂工：；。防)刃(畑)(3.6)

于息本文得到，利用RANOMIZED-PATITION快速排序算法對焊網鋼筋數據進行排序，其運算期望時間為O(nlgn)。

3.3自動生產功能實現

鋼筋焊網生產設備控制系統接收生產數據后，經過輸入過程的處理，焊網任務生產執行流程得以確定。然而任務的實際執行流程還是需要通過德國BeckhofT 公司的基于EtherCAT的運動控制平臺以PLC編程的方式來實現具體的運動控制。基于以下三點原因不適合一次性將現場鋼筋焊網生產設備的生產數據一次性通過ADS通信傳入PLC程序。

（1）鋼筋網焊接設備運動軸、10量等參數較多，控制數據量大。

（2）鋼筋焊網生產工藝復雜，數據結構復雜，需要多層次順序化執行流程。

（3）使用PLC編程，其數據結構有限，無法與C#解析的焊網任務數據對應。

故而鋼筋焊網的自動化生產功能需要PLC程序的模塊化運行函數和C#控制程序通過ADS通訊來配合實現。在PLC程序中，按照生產設備架構設計所完成的函數功能模塊，能夠對應工藝過程來編寫軸和輸出點的控制程序，并將各個生產工藝步驟之間通過設計Boolean量來表示當前工藝步驟是否完成。通過對這些 Boolean進行實時監聽，C#程序得以了解實際生產工藝步驟的當前進度，從而指導PLC程序運行相應庫函數塊完成生產焊接任務。如圖3.12所示。

圖3.12自動生產程序執行流程

C#程序通過ADS通信進行生產任務調度，判斷PLC程序反饋變量所對應的工藝步驟，當該工藝步驟完成，C#便會下達后續工藝步驟啟動指令以及生產數據。

C#程序中的任務生產過程監聽線程會周期性運行每個處于待執行的生產任務，每次網片生產完成或當前任務鋼筋批次生產完成并解除對橫縱筋運輸設備的占用使，便能夠開始下一個生產任務的執行。PLC程序采用循環運行機制，因此, 44

對PLC釆取生產過程的控制需要在C#程序上進行。生產者可以對當前生產任務進行停止、暫停等操作，也可以清除任務執行信息，重新配置新的生產任務。此時，C#程序會啟用PLC程序的初始化模塊，對PLC中的各個工藝步驟模塊參數進行初始化，以便新網片的加工。

3.4鋼筋焊網生產控制軟件設計 3.4.1系統登錄模塊

鋼筋焊網生產現場設備控制軟件在使用之前，需要進行用戶登錄操作。

抿警評運

圖3.13系統登錄界面

系統登錄如圖3.13所示，為方便車間員工的測試使用，登錄可以輸入賬號信息外，也可以直接進行刷卡操作，由發卡器對磁卡信息進行讀取。登錄時，現場控制軟件向服務器發送驗證請求，服務器對發送的賬號信息進行解碼并與數據庫員工信息表進行比對，成功驗證后，服務器返回登錄成功信息，并附帶權限等級, 以及其他員工信息，現場控制系統的使用權限等級按照登錄者的權限等級來設定，不同等級有不同軟件操作范圍H9］。具體權限范圍可見表3.1。

表3.1現場設備控制軟件車間人員權限分配

人員類別操作項目生產操作班組長、主管、負責人車間維修人任務管員理員超級管理員權限

系統登錄參數設置 J V V V

任務列表 V V V

焊網配置 ■J V J

任務配置 V J

狀態監視 V V V

報警監視 V J

鋼筋生產 V V

氣缸點焊 V V J

成功登錄后，生產者點擊系統登錄的參數設置對焊接參數進行設定，該模塊參數在實際生產過程中會對不同的生產任務，向服務器發送焊網規格請求并根據

返回規格數據進行修正，該接口主要對于生產時的微調和實驗，來獲取焊接的最佳工藝參數。反之，登錄失敗，則處于無用戶狀態，無法對設備進行任何操作和界面的切換。

3.4.2任務列表模塊

任務列表對車間生產班組長、生產操作、任務管理員以及超級管理員權限開

放。適用于于臨時生產任務的現場導入。具體操作界面如圖3.14所示。

圖3.14任務列表操作界面

任務列表操作界面分為三個主操作區：緩存任務區、執行任務區以及完成任務區。緩存任務通過任務添加進行Dxf格式的網片數據緩存，添加任務對象后，生成對象包含鋼筋的生產規格和鋼筋生產橫縱筋長度大小和位置分布數據。操作人員可進行刪除任務或加載任務對任務對象進行刪除或加載對象。加載任務可將緩存任務移動至執行任務的末尾，此時，該緩存任務已處于生產任務隊列中。生產隊列中的任務按照列表的生產隊列順序依次執行，為手動調節生產次序，可以通過選中任務并前置或后置對任務順序進行調整［期。完成的任務以及點擊遺棄任務會將生產隊列中的生產任務移動至完成任務區待后續處理。完成任務區可以將任務對象進行重置或移除操作，任務重置則將任務對象移動至執行任務區等待任務生產執行。移除任務則刪除整個任務對象，不保存生產信息。

3.43焊網配置模塊

焊網配置包含焊網焊點配置、當前生產任務的控制和狀態讀取以及生產任務總體進度的獲取。具體焊網配置界面如圖3.15所示

圖3.15焊網配置界面

焊網配置包含左側的焊網視圖以及任務配置的頂層按鈕，當選中當前焊網任務時，焊網視圖自動更新任務數據，顯現焊接網片，默認橫縱筋交叉處進行焊接處理，操作人員可以通過鼠標點擊對焊網進行調整，如圖中所示白色空圈即為非

焊點，配置完成后，生產任務的生產數據變更為調整后的網片信息。對于人工誤調整情況，如整根鋼筋不存在焊點時，將提示報警并重置焊網數據。

位于任務配置下排的當前生任務配置按鈕，方便人員進行任務的直接控制，其中，任務開始按鈕、該任務結束終止按鈕以及任務即刻終止按鈕對應于控制任務即刻開始、待當前完成完成后停止所有任務以及當前即刻終止任務。

窗體右側主要是對生產狀態的顯示，圖片顯示對應當前調直主機生產的是橫筋批次還是縱筋批次以及當前設備生產進行進度，如橫筋運料、焊機等。任務窗口對當前設備分配任務進行顯示，包含任務名稱、任務已經完成數量、任務剩余數量和任務總數量的顯示。

3.4.4狀態監視模塊

狀態監視界面包含伺服電機的調試模式操作、實際運行參數設置以及報警系

統的報警信息顯示和報警復位操作。具體狀態監視界面如圖3.16所示

繼續

圖3.16狀態監視界面

伺服配置部分一方面可以針對整個鋼筋焊接設備的十二個伺服軸進行調試模式運行，在選擇調試模式后，手自動模式自動失效，當前任務也會停止。退出調試模式，則會恢復之前的指令。調試模式下，使能電機進行前進后退操作，以確定當前場景下電機速度是否匹配；另一方面，在測試完畢后，在運行參數部分對實際速度進行設置和查看，并設定零位對任務位置進行標定。

報警信息顯示包含伺服軸報警、傳感器狀態報警以及報警復位操作。伺服軸發生報警異常時，伺服驅動器會顯示報警錯誤ID,由PLC程序提供的伺服軸狀態監控函數可以方便的獲取報警ID,由此，上傳控制軟件，對異常軸的ID進行顯示。傳感器狀態報警一般由PLC程序進行判斷，如鋼筋錯誤排布、鋼筋落入運料車失敗等，都是針對工藝流程中錯誤的傳感器狀態進行監視，為此，配備傳感器部位監測信息，當設備生產當前步驟出現報警異常時，可通過查看當前傳感器狀態是否錯誤，從而判定異常原因。報警異常經操作人員修復后，需要確定報警復位并解除雙重認證機制，來確保異常消除⑴】。

3.4.5調直焊機手動操作模塊

鋼筋焊機手動操作界面包含批量調直鋼筋以及焊接主機部分關于焊接氣缸和焊機焊接的操作。具體調直焊機手動操作界面如圖3.17所示。

吋誌磚網5誨Ml - □ X

用恵錄任務列喪焊冋酉津狀態監視［調直焊機手動操作

調直

開蛤俸止

注料長度：2000 :送料產度；400 1竝議里；0

焊機點焊

□ FI-1 □氣I □氣缸-21 □ ^ii-31

□氣虹-2 口氣XIT2 □氣缸~22 □ PI-32

□氣缸T □ 013 □ ^1-23 □ Pg

□ nsn □ FT4 □ ^1-24 □ PI-34

□ ^XI-15 □ ^Sl-25 □ mt-35

□ D'nil-as

□ PI-7 □ ^XI-37

□ PI-6 □ nxi-i8 □ ^iI-28 O^JI-38

□ nsi-9 □ PI-29 □ PI-39 焊接

□氣缸TO □ FI~2O □ na-3o □ PRO

繼續抿彎薯馀運

圖3.17鋼筋焊機手動操作界面

批量調直鋼筋是鋼筋生產設備附加的鋼筋生產功能。由于鋼筋焊網生產商經常包含其他的鋼筋生產設備，故而該功能可以為其他鋼筋生產設備的研發、生產、調試提供幫助，同時在生產淡季時，使用鋼筋焊網生產設備進行鋼筋調直生產也不失為合理利用生產資源的一種方式。批量調直鋼筋設定調直鋼筋的長度以及批次數量，并能夠在實際生產過程中實時查看當前生產數量。

焊接氣缸和焊機點焊可以輔助鋼筋生產或配合人工控制臺的控制按鈕進行人工指導生產工作。焊接鋼筋過程中，有時因為鋼筋成分含量的變動，導致相同焊接參數下的焊網焊點不牢，此時，需要進行人工進行補焊。焊機點焊部分包含焊接設備對應的40臺焊接氣缸，選取氣缸并操作運行，氣缸會將需要補焊的焊點壓死，點焊焊接操作，控制軟件向PLC程序下發焊接指令，從而完成補焊工作。人工指導生產工作的焊機點焊的操作與輔助生產類似。

3.5本章小結

本章是對焊網設備控制系統進行系統方案設計與實現，通過比對實際生產需求，選定BeckhofT公司出產的運動管理系統軟件，進而確定了設備選用C#程序通過ADS通訊庫實現與PLC運動控制系統的通訊。結合上一章對于焊網設備控制系統的需求分析，對系統的軟件進行實際實現。并針對其中生產任務信息輸入輸出模塊、自動生產功能模塊進行具體的實現描述。

第四章鋼筋焊網信息管理系統方案設計與實現

【本章摘要】本章對信息管理系統進行方案設計以及具體的軟件實現。采用三層 C/S模型對信息管理系統進行整體構建，完成對信息管理系統涉及的車間應用及服務器管理的功能模塊劃分，并針對信息管理系統具體實現所需要的軟硬件進行選型。之后，分別對信息服務器數據管理傳輸軟件、系統的數據庫邏輯結構以及信息管理系統應用軟件進行設計和實現。

4.1系統整體架構設計

隨著計算機技術在生產車間的廣泛使用，企業內網的控制終端在逐步增加，各個模塊和單位之間的通信互聯形成網絡化結構。目前對于計算機網絡應用開發體系結構可以分為兩種，分別為客戶端/服務器結構（Client/Server,以下簡稱C/S 結構）和瀏覽器/服務器結構（Browser/Server,以下簡稱B/S結構）。

C/S結構一般使用高性能服務器，需要配備較高配置的主機或者工作站，配套數據庫使用中大型數據庫，如Oracle、SQL Server#,客戶端軟件需要進行獨立安裝，類似于優酷、微信等，C/S結構如圖4.1所示。

而是直接通過網站對服務器發送訪問請求，服務器根據瀏覽器訪問Url地址資源及方法請求，返回相應的響應報文，客戶端對報文進行解析后，將報文信息顯示在網頁，如百度、Bing等，B/S結構如圖4.2所示。

點比較和適應場景見表4.1所示。

表4.1 C/S結構與C/S結構特點對比

比較項目 C/S結構 B/S結構

安全性高較差

響應速度快速、穩定一般、需要頁面刷新

維護升級成本成本高、所有客戶端需要升級成本低，只需服務器升級

復雜業務處理實現簡便、用戶界面豐富、功能齊全實現復雜、成本較高

應用場景復雜業務處理、公司局域網辦公網站論壇、搜索引擎

考慮本系統整體功能需求，需要構建數據庫以及數據采集管理模塊來對生產數據及設備運行數據進行記錄分析，同時，隨著信息管理系統的完善，系統用戶、管理業務類型也將同步增長。故而，對于信息管理系統的安全性、車間業務可拓展性都有著更高的要求。因此，從實際應用需求出發，信息控制系統采用三層 C/S結構〔刃，分為應用層、業務邏輯層和數據服務層。

應用層包含生產設備控制系統應用程序、中控信息管理系統應用程序以及車間屏幕等應用模塊；業務邏輯層為服務器程序，其通過位于數據服務層的數據庫中提取相應的數據表格信息來為應用程序提供參數信息。這種應用模塊與數據采集模塊的分離的架構方式，實現了系統的模塊化構建，模塊之間可以通過提供業務邏輯的中央服務器獲取數據信息，其模塊功能主體則依據其功能需求進行設計，而無需對其他模塊進行修改，使車間具有良好拓展性，方便信息管理系統后續的維護升級，同時，這種結構還具有方便維護、瘦客戶、系統安全性強、設計開發效率高等優點[53'54]o系統體系架構模型如圖4.3所示。

圖4.3系統體系架構模型

車間服務器軟件采用基于Windows通訊開發平臺開發框架的WinForm應用程序，接收數據并提供相應服務對數據進行操作以及與數據庫的交互［殉。整個系統架構中，服務器軟件充當交互、控制和信息處理中心，而應用層軟件作為具體任務完成、數據采集的執行終端，負責數據釆集并發送服務器，等待服務器任務的回傳并繼續執行；環境數據PLC采集軟件將車間環境信息采集并發送服務器，服務器存儲數據庫中環境數據表。當工業展板網頁投屏向服務器發送數據請求，服務器將從數據庫提取數據并發送，顯示在工業展板；信息管理系統軟件將生產者對生產任務的輸入，通過服務器軟件對存儲數據庫的現場設備信息進行查詢并下發任務；現場設備軟件實時發送生產信息至服務器，存儲于數據庫。通過車間網絡將中控室、現場設備、環境采集PLC等硬件設備互聯，在中控室安裝服務器客戶端和信息管理系統軟件，在現場以及環境采集安裝對應客戶端，并將數據信息集中存放中控數據庫，從而形成完整的控制管理系統卩7〕。

4.2服務器數據傳輸軟件

4.2.1 Windows通訊開發平臺開發框架

Windows 通訊開發平臺（Windows Communication Foundation,以下簡稱 WCF）是微軟公司在SOA （面向服務架構）推出的同于數據通信的應用程序開發框架，是.NET Framework 的一部分。其整合了 WebService、Socket, .NET

Remoting的機制和融合了 Http和Ftp的分布式開發技術，WCF可以支持跨應用程序、進程、網絡的數據通信，能夠寄宿在諸如IIS、Windows Service, Windows Application等多種宿主中網。由于WCF技術兼具統一性，安全性，互操作性等多方面優點，尤其適用于數據接收轉輸，十分適合作為提供服務器的中轉應用來提供應用程序和數據庫的數據通訊服務。

4.2.2基于WCF的服務器軟件實現

服務器軟件采用WCF技術，寄宿于Winfbrm主體構建，是對客戶端進行請求的監聽并作出相應的面向服務軟件［旳。主要對用戶端請求或發送的數據進行接收和處理，并按照不同的服務內容進行操作。其界面如圖4.4所示。

DataServer VI. 02

服務狀態’服務己啟動

服務器軟件點選開啟服務后便可以為客戶端進行服務，主要服務類型為數據庫讀寫，數據收發轉運等，其端口號默認1188,不同服務器可根據本地端口使用情況進行修改。當設備進行訪問登錄等操作時，服務器軟件輸出數據日志內容, 在必要時方便查驗。

由于數據傳輸服務器負擔整個信息管理系統的數據查詢和服務請求，會頻繁

地處理多端數據請求與查詢，服務器根據宿主程序對接收到的數據和請求進行響應。根據服務器處理服務類型，本文對服務器宿主程序功能接口進行設計，如表所示4.2所示。

表4.2服務器功能接口

類別功能接口接口名參數列表返回值

用戶管理注冊功能 URegister @UNum工號 @UName姓名 @UPass密碼 @UFact隸屬車間 @UCard工卡號 1,0

登陸功能 ULogon @UCard工卡號 @UNum工號 1,0

修改功能 UModMsg @UNum工號

@UCard工卡號 1,0

數據庫管理查詢功能 DQuery @DName數據表名數據表

刪除功能 DDelete @DName數據表名 @DCheck刪除條件 1,0

修改功能 DModify @DName數據表名 @DCheck修改條件 1,0

生產設備管理生產數據查詢 MQuery @MName生產參數名復合條件生產數據

生產數據刪除 MDelete @MName生產參數名 ©MCheck刪除條件 1,0

生產數據修改 MModify @MName生產參數名

@MCheck修改條件 1,0

信息管理系統報表數據查詢 CQuery @CName報表名 @CCheck查詢條件報表信息

報表數據刪除 CDelete @CName報表名 @CCheck刪除條件 1,0

報表數據修改 CModify @CName報表名 @CCheck修改條件 1,0

工業展板管理環境數據查詢 BQuery @BName環境參數名 @BCheck查詢條件環境數據

環境數據刪除 BDelete @BName環境參數名 @BCheck刪除條件 1,0

環境數據修改 BModify @BName環境參數名 @BCheck修改條件 1,0

4.3系統數據庫設計

4.3.1系統數據庫選擇

當今的互聯網應用中，最常用的數據庫模型主要是兩種，關系型數據庫和非關系型數據庫。相比非關系型數據庫，關系型數據庫通過其所具有的完全約束條件使得其對于數據的管理、檢索和修改更為簡化。因而具有讀寫速度快、結構修改簡便等特點；同時市場上也因為關系型數據庫的完全約束條件而實現了大量可視化的數據庫管理軟件。目前主流的數據庫有Oracle, SQL Server, MySQL,三者各具特色，其比較見表4.3所示：

表 4.3 Oracle, SQL Server, MySQL 數據庫比較

比較項目 Oracle SQL Server MySQL

安全性高較高一般

易用性復雜較易簡單

復雜查詢具有強大的復雜查詢功能可以支持一般的復雜查詢復雜查詢優化不足

是否開源否否是

環境搭建成本高昂一般較低

特點功能全面、安全可靠、實時性強操作界面功能強大、與微軟系列軟件集成開源易用、成本較低

應用場景大型企業、金融機構等海量數據需求場景開發周期短，中小型企業的快速部署小型企業低成本部署、個人網站架設

本文系統開發周期短，且出于車間數據安全性考慮，選擇微軟系列開發工具, 因而選擇SQL Server數據庫，安裝版本為SQL Server 2012o

4.3.2數據庫概念模型設計

進行數據庫操作，需要先進行數據的概念結構設計，即將現實世界的目標事務經過抽象處理，獲取共有屬性，利用概念來闡述這些共有屬性。為使信息管理系統數據庫覆蓋車間統計數據，需要從車間底層基本元素構建，因此，基于信息管理系統和現場設備生產控制軟件的需求分析和功能要求，圍繞產品和生產設備

兩個主要實體，以實際生產流程為主線構建實體-關系（Entity-Relationship, E-R）模型，來進行系統數據庫的概念模型設計〔"J,如圖4.5所示

圖4.5車間管理系統數據庫E-R模型圖

4.3.3數據庫邏輯結構設計

根據4.4.1節設計的信息系統數據庫概念模型圖，利用SQL Server 2012數據庫管理軟件設計信息系統的邏輯結構。設計包含賬號信息表、生產任務管理表、報警信息記錄表、維護信息記錄表、工序耗時記錄表、操作記錄表、原料庫存信息表、成品庫存信息表、產品出庫信息表、產品質檢信息表等共計十張數據表。

(1)賬號信息表

賬號信息表用來記錄車間員工對應的賬號密碼以及工卡、權限，隸屬部門等, 服務器軟件通過查新該表來獲取并發送員工登陸信息。表結構和字段信息見表 4.4 o

表4.4賬號信息表

字段名稱數據類型字段大小允許

Null 值是否主鍵

Y/N 說明/字段標識信息

EmployeelD Int 5 N Y 員工編號

Employee_Name nchar 20 N N 員工姓名

Workshoplype nchar 20 N N 隸屬部門

Profession nchar 20 N N 工種

Authority nchar 20 N N 權限

Account int 5 N N 賬號

Password nchar 20 N N 密碼

CardID nchar 20 N N 工卡編號

(2)生產任務管理表

生產任務管理表用來記錄當前和歷史生產任務信息，通過中控室的信息控制軟件的任務管理模塊輸入并記錄。表包含任務名稱、數量、優先級、任務生產狀態、任務文件路徑。表結構和字段信息見表4.5。

表4.5生產任務管理表

字段名稱數據類型字段大小允許Null值是否主鍵Y/N說明/字段標識信息

Task_ID int 5 N Y 任務編號

Task_Name nchar 20 N N 任務名稱

Number int 5 N N 任務數量

priority nchar 20 N N 優先級

Task_Status nchar 20 N N 任務生產狀態

lask_Path nchar 20 N N 任務文件路徑

(3)報警信息記錄表

報警信息記錄表用來記錄歷史的報警記錄，通過采集現場生產設備提交的故障信息以及報警異常解除采集的故障信息來為之后的大數據分析統計做基礎，以便設備系統的改良升級。表結構和字段信息見表4.6。

表4.6報警信息記錄表

字段名稱數據類型字段大小允許Null值是否主鍵

Y/N 說明/字段標識信息

AlarmID int 5 N Y 報警編號

Alarm__Workshop int 20 N N 報警車間

Alarm_Device int 5 N N 報警設備

Alarm_Date nchar 20 N N 報警日期

AlarmTime nchar 20 N N 報警時間

EmployeelD nchar 20 N N 報警處理人員

Alarm_Content nchar 100 N N 報警內容

Al^m Type nchar 20 N N 報警類型

(4)維護信息記錄表

維護信息記錄表用來統計設備生產維護信息，主要為設備維護后狀態進行數據統計分析以便升級使用。表結構和字段信息見表4.7。

表4.7維護信息記錄表

字段名稱數據類型字段大小允許Null值是否主鍵

Y/N 說明/字段標識信息

Maintain_ID int 5 N Y 維護編號

Maintain^ int 20 N N 維護車間

Workshop

Maintain_Device int 5 ■ N N 維護設備

MaintainJJate nchar 20 N N 維護日期

Maintain_Time nchar 20 N N 維護時間

Employee_ID nchar 20 N N 維護人員

Maintain_ nchar 100 N N 維護內容

Content

Maintain lype nchar 20 N N 維護類型

(5)工序耗時記錄表

工序耗時記錄表用來記錄現場設備運行生產時每個生產任務的生產耗時以

進行統一的生產任務工序耗時采集工作，采集數據可以供生產任務調度模塊使

用。該表包含生產任務名稱、生產任務類型、鋼筋數量、橫筋批次、縱筋批次、

橫筋生產批次耗時、縱筋生產批次耗時等。具體表結構和字段見表4.8。

表4.8工序耗時記錄表

字段名稱數據類型字段大小允許Null

值是否主鍵

Y/N 說明/字段標識信息

Product_ID int 5 N Y 設備編號

Product_Workshop int 5 N N 設備車間號

Product_Device int 5 N N 生產設備

Task_Name nchar 20 N N 生產任務名稱

Task_Path nchar 20 N N 生產任務路徑

Task_Type nchar 20 N N 生產任務類型

Steel_Number int 100 N N 鋼筋數量

Task_Type nchar 20 N N 生產任務類型

SteeI_Orientation int 200 N N 橫筋批次

Steel_Portrait int 200 N N 縱筋批次

Orientation__Time nchar 200 N N 橫筋生產批次耗時

Portrait_Time nchar 200 N N 縱筋生產批次耗時

除上述數據表外，還有操作記錄表、原料庫存信息表、成品庫存信息表、產品出庫信息表、產品質檢信息表，在此不再詳細給出具體表結構和字段信息。

4.4信息管理系統軟件實現

4.4.1登陸管理模塊

信息管理系統軟件同樣屬于服務器客戶應用，其賬戶信息、登陸權限需要通過服務器端的審核驗證。

信息管理系統登錄模塊界面如圖4.6所示，與現場生產設備控制軟件相同，可以使用賬號或者刷卡登陸。由于中控室本身存在安全門禁，故而，信息管理系統軟件的權限系統向能夠進入中控室的具有主管、任務管理員以及和超級管理員權限的公司員工開放。成功登錄后，信息管理系統軟件主動向服務器申請數據傳輸，以2000ms周期對車間生產數據和環境參數進行接收。圖4-3右半邊顯示圖表為所有生產車間焊網產品質量以及車間設備利用率，其數據正是來源于服務器。

442生產任務配置模塊

生產任務配置模塊是任務管理員進行焊接總任務輸入與分配的主要途徑。輸入過程包含輸入文件的解析以及任務優先級和數量配置，關于輸入文件的解析與任務的分配，已在第四章探討如何讀取DXF格式的數據模型，此處不予贅述。關于生產任務配置的實際操作界面如圖4.7所示。

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圖4.7生產任務配置界面

通過點選生產任務添加，打開任務添加框，選擇電腦中的任務文件，任務管理員通過手動方式添加、設定任務數量和任務優先級。設定后，生產任務在右側圖表進行全任務顯示。此時進行生產任務分配，信息管理系統軟件將生產任務對車間設備分配進行統一下發并執行。生產任務的進度在右側任務欄實時顯示，顯示包含未完成以及已完成任務，任務管理員可以直接對生產任務數量進行修改并重新進行生產任務分配，而不需要重新進行生產任務添加操作。

4.4.3運行狀態監控模塊

運行狀態監控模塊包含車間設備總體運行情況以及單個車間設備任務生產進度，配合生產任務配置界面，任務管理員以及其他信息管理系統軟件的使用者可以全面的了解當前車間生產設備的情況。

圖4.8生產設備運行概況界面

如圖4.8所示是車間設備總體運行情況，設備列表下位設備進度欄，是當前廠區，包含4個車間，每車間5臺設備共20臺設備的當前生產任務進度，存在于所有設備列表界面，方便管理者時刻對生產任務進行查看。設備進度狀態主要包含自動生產狀態的調直、橫筋剪切、縱筋剪切、橫筋運輸、縱筋運輸、橫筋位置調整、焊接、出網共八個以及手動、調試、報警、維護等。待機指當前設備聯網卻無生產任務分配，停機則是指設備未聯網，無相應數據上傳。除進度欄外，為方便管理人員對鋼筋焊網生產設備運行情況的直觀觀察，額外附加生產設備運行情況的柱狀圖顯示。

為進一步查看車間具體設備的生產情況，運行狀態監控設置全部設備運行情況界面，該界面主要為顯示各個生產車間的單一設備狀態而定制，并能夠點擊進入進行遠程設備控制軟件的控制。其界面如圖4.9所示。

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圖4.9設備運行狀態監控界面

該人機界面一次顯示一個車間的所有生產設備，當選擇不同的生產車間，車間內的設備狀態會重新刷新在設備狀態區，并對設備進行標號。根據車間的選擇情況，車間概況畫面也會相應從服務器請求當前車間月產出合格率和設備利用率設備進行顯示。

為方便對當前設備狀態進行報表統計和匯總，該界面還設置了設備運行報表導出功能，可以通過點選設備運行報表按鈕，直接對當前車間的設備狀態進行 Excel表格的導出保存。

444廠務信息模塊

廠務信息模塊主要針對生產車間的車間環境參數進行顯示，當前生產車間總體包含四個水系統、空調系統、空氣供氣系統。

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圖4.10車間環境參數顯示界面

如圖4.10所示，針對各個系統進行當前環境參數的顯示。

為更好管理系統環境參數，對其進行分析比較，各個系統配備了變化圖顯示功能，當點按下系統灰區按鈕，就會彈出當前系統的變化圖選框，如圖4.11所

4.4.5報警維護模塊

報警維護模塊界面是為信息管理系統軟件使用管理者進行及時的提醒服務而設計，主要包含維護計劃導入、維護提醒、統計；報警提醒、報警處理結果等。

圖4.12設備維護信息界面

設備維護界面如圖4.12所示，其整體工作流程為：計劃指定人員生成Excel 表格提交中控系統管理人員；中控人員進行信息錄入；完畢后，系統會按照錄入內容的保養周期進行監聽，當保養周期臨近時，對應設備窗體會變紅，提醒中控管理人員及時安排設備保養維護人員對設備進行操作檢查。設備保養人員在現場設備保養完畢后，填寫個人維護記錄；設備維護記錄上傳服務器，寫入數據庫, 方便設備按時進行下次維護任務和維護任務統計。

圖4.13是報警信息界面，是對及時報警狀態的提醒以及報警信息處理后的處理結果。及時的報警內容包含報警時間，設備號以及報警內容的具體描述，中控管理員可以方便的對設備報警位置、類型進行判斷，并安排人手核實、解決報警故障。故障接觸后，現場人員填寫故障原因及故障結果并上傳服務器，記錄數據庫。

4.4.6設備數據報表模塊

鋼筋焊網設備數據報表模塊是提供企業信息化服務的關鍵，通過該模塊可以查詢到車間生產設備的歷史數據、報警信息、維護信息、生產任務等十余數據庫表的信息，表信息顯示在框體中，并支持Excel導出服務。

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圖4.14鋼筋焊網設備數據報表模塊界面

具體界面如圖4.14所示，信息管理系統軟件管理者首先選定數據表格，表格包含：歷史報警信息表，操作數據表，生產任務表，維護記錄表，空氣供氣系統環境表，空調系統環境表，水循環系統表等十余數據表；進一步，填寫車間號設備號，點選查詢進行數據查詢，如圖查詢1車間T102號設備進行歷史報警記錄的查詢。生成數據便于查看設備報警時間、內容和狀態，有利于設備故障原因的統計分析，從而優化設備性能。

4.5本章小結

本章首先對信息管理系統的整體架構進行設計，采用三層C/S模型技術對車間需求功能模塊進行劃分拆解。在此基礎上，對信息管理系統的重要組成部分，服務器數據傳輸軟件、信息管理系統軟件以及數據庫部分進行了設計實現。

第五章鋼筋焊網生產控制與信息管理系統試驗研究

【本章摘要】本章對文章所涉及的焊網設備控制及信息管理系統進行試驗測試，測試內容包括生產設備控制系統的實際鋼筋生產測試以及信息管理系統的數據采集和穩定性測試。

5.1焊網設備控制系統運行試驗

本焊網設備控制系統于2018年6月20日進行生產系統鋼筋生產的試驗探究, 試驗車間已將基礎硬件系統以及軟件系統搭建完畢，并在此之前多次進行調試測試，完成了絕大半的設備調整和程序修繕工作。本次試運行試驗屬于產品交付的正式測試試驗，需要對設備整體進行生產測試運行。

（1）調試準備工作

首先進行設備調試運行工測試，測試需要檢查各控制柜以及水循環、氣體、空調系統的供電系統和連線情況，避免設備生產故障出現。對網線連接進行檢測，確保工控機與Beckhoff運動控制卡的通訊連接。

系統生產條件確認完畢后，由于設備整體輸入輸出點以及伺服控制系統設備較多，需要事先對設備參數進行修正，調試零位，對點位信息進行信號測試，確保輸入輸出整體受控。

現場電源柜、控制柜如圖5.1、5.2所示。

(2)手、自動模式調試

準備工作完成后，使用生產設備控制軟件，切換到調試模型，對各個軸運動進行運動控制以及參數設定，觀察設備機械結構運動情況，對可能產生的機械結構沖突問題進行重點測試。手動對各個輸出點進行控制，檢測機構實際位置是否否符合生產需求，對量程距離的測試，可以使用鋼筋進行人工生產狀態的模擬。確定回零開關和限位開關的位置，圖5.3為檢測橫筋運料盤，可以安放鋼筋檢測鋸齒槽是否對齊，以確認其機械位置。

圖5.3橫筋運料盤

手動測試完成后，設備需要進行自動模式的空轉測試，以檢測生產過程中的工藝流程是否正確。測試初期可以按照加工工藝步驟進行分步執行，以檢定生產模塊的工藝順序，測試完畢后進行整體測試，以確保整體工藝邏輯的正確性。

(3)鋼筋生產調試

空轉測試完成后，需要進行實際鋼筋網片的生產。實體鋼筋焊網生產過程中，需要對生產設備的運動參數進行調整，使鋼筋焊網獲得更好的產品質量。測試內容包括：異型網片的生產任務的執行情況進行測試；信號延遲參數測試，測定實際生產過程中，信號延遲反應時間消除信號抖動對故障報警影響；對報警故障系統進行測試，查驗系統的安全可靠性等。圖5.4、5.5為設備生產的鋼筋焊網加工樣品0

5.2信息管理系統數據采集試驗

由于在信息管理系統軟件實現時已經進行了數據釆集的實現展示，故而，本次信息管理系統的數據采集試驗針對生產系統的環境系統進行采集測試。

首先對車間PLC環境采集軟件進行賬號登陸和設備連接，確保數據采集卡安裝至現場PLC且能夠正常運行，其次登陸遠程服務器主機界面，在服務器端進行數據采集服務的開啟。

環境參數的顯示是通過中央控制室的工業展板向服務器進行數據請求，待服務器返回車間PLC環境采集數據然后進行顯示。車間工業展板環境數據顯示如圖5.6所示。

圖5.6工業展板環境數據顯示

車間環境參數的采集為5min的固定周期，數據更新周期與之相同，通過在服務器端的數據庫進行數據庫查詢，查詢結果如圖5.7所示，在表HistoryGasData 中的Datatime數據顯示，系統采集數據類型為datetime,采集周期為5min,可以從圖中看到，數據采集卡能夠正常進行數據采集工作，信息管理系統數據采集系統能夠達到項目要求。

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圖5.7車間環境數據庫查詢

5.3服務器穩定性測試 5.3.1多終端運行試驗

為測試服務器多終端承載能力，本試驗同時開啟四個車間總計二十臺生產設備，并持續運行中控車間管理軟件兩套以及工業展板共計二十三臺電腦終端。使用提前準備的已注冊賬號進行登陸測試。同時登陸后，中控信息管理軟件首次提交鋼筋焊接生產任務2000件，并持續對車間焊網設備控制系統進行數據監控。由于實體鋼筋焊網生產測試成本過高，車間設備控制系統進行空轉試驗，并觸發設備報警傳感器，測試設備報警維護功能。

經測試，在同時進行設備登陸后，二十三臺電腦終端各自按照其任務設定進行操作試驗后，各終端設備能夠準確流暢運行各自測試任務。并無系統閃退、異常報錯以及卡頓等現象的發生。因此判定該服務器能夠滿足車間設備的多終端運行能力。

試驗過程，部分終端登陸運行情況如圖5.8所示。

圖5.8設備登陸運行狀態

5.3.2長時間穩定性運行試驗

由于鋼筋焊網生產設備維護周期一般為一周，故而，將上述設備進行空轉運行，并監控數據，持續運行5天，期間，出于保護生產設備的需要，設備每天運行總時長不超過15小時。

對生產數據進行查看，共計二十三臺終端設備都能夠正常查看，信息管理系統運行期間共分配下發任務4532件，生產設備實現生產任務3859件，期間，測試報警觸發功能三處，采集報警數據和解除后報警信息如圖5.9所示。

圖5.9報警及提示處理

最后，進行車間設備生產過程操作信息的查閱，如圖5.10所示，該操作數據

每分鐘進行一次數據采集，每臺生產設備一天內采集28.8KB數據。

圖5.10車間生產過程信息

經試驗測試結果可知，服務器能夠系統長時間穩定運行，能夠實現車間生產管理的需要。

5.4本章小結

本章對焊網設備控制系統與信息管理系統的整體運行進行了生產運行測試。焊網設備控制系統測試過程中，能夠良好實現生產多種異型鋼筋焊網的設計目標，同時，對于設備的報警維護功能以及數據采集功能進行了測試。其次，對于信息管理系統的數據采集以及服務器的穩定性進行了測試。測試結果證明本文所設計焊網設備控制系統以及信息管理系統能夠滿足鋼筋焊網生產車間的生產需求。

第六章總結與展望

隨著國內鋼筋焊網市場的不斷增長，鋼筋焊網設備控制與信息管理系統的研發成為鋼筋焊網供應商的普遍訴求。為此，本文對鋼筋焊網生產設備進行了基于工業以太網的軟硬件的設計描述，提出了鋼筋焊網設備控制系統的解決方案，對鋼筋焊網的任務輸入和焊網生產方式流程進行了具體的設計和測試，解決了手工鋼筋綁扎方式和傳統的PLC生產方式普遍存在的生產效率低、質量不穩定等問題。同時，結合網絡編程技術，針對傳統離散制造車間不能及時反映歸總車間生產設備情況而導致的管理混亂等問題，提出了鋼筋焊網生產信息管理系統的總體架構和具體的實現方法，優化車間生產任務配發機制和生產設備的監視管理水平，從而提高鋼筋焊網設備的信息化管理水平。

本文主要完成的工作有：

（1）對鋼筋焊網設備控制系統進行了需求分析和軟硬件設計，從設備的總體功能需求入手，詳細分析設計設備生產工藝流程，確定了設備整體功能架構和結構需求，選定軟硬件組成結構、對應選型和平臺選擇。從而進一步對軟硬件拓撲結構和模塊進行功能設計和任務分配。

（2）對鋼筋焊網信息管理系統整體系統架構進行分析和設計，在明確車間系統需求前提下，根據車間管理任務和設備條件對信息管理系統進行功能模塊設計。最后結合車間生產任務執行流程確定整個信息控制系統的體系架構模型。

（3）釆用三層C/S架構模式，設計并編寫信息管理軟件、現場設備控制軟件和PLC以及服務器、工業展板，完成車間信息管理數據庫的構建，實現了鋼筋焊網生產車間的智能管理調度，提高了車間總體信息化水平，提高了生產效率，完善了車間總體的生產管理水平。

本課題設計的鋼筋焊網生產信息管理系統，創新之處在于：

（1）實現了鋼筋焊網生產設備控制系統，實現多類型鋼筋網片的自動生產，對比傳統焊網生產方式，提升了生產效率和生產質量。

（2）構建數據采集監控系統，設計適用于本系統的車間物聯網架構和拓撲結構，對鋼筋焊網車間進行信息化升級，極大提升鋼筋焊網生產任務調度以及智能化管理水平。

（3）設計生產任務調度模塊，對車間生產任務管理。

由于時間、精力限制，本課題設計的控制系統還有待完善之處：

（1）生產調度模塊還存在缺陷，未考慮設備故障急停的任務重新分配調度功能；對設備執行任務所需的工藝生產時間分析采集不完全，后期應對該項進行獨立的試驗進行測試運行，精準把握設備運行進度，從而加強生產調度優化。

（2）中控室信息管理系統監控功能需要繼續完善，對鋼筋焊網生產設備當前生產進度和狀態監視所需的數據結構進一步完善，從而實現中控信息管理系統設備對現場設備的遠程登錄控制，實現車間無人化監督生產

（3）鋼筋焊網生產車間生產自動化程度還有待提高，原料配送、倉儲管理以及成品的采集入庫部分還需要進行設計完善，加入系統，提高系統的智能化生產程度。

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