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梯级水电综合自动化系统是以计算机为基础的生产过程监测与控制自动化系统，可以对各级水电站的运行设备进行监控，以实现数据、信息传输、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
水电站综合自动化系统为分层分布式结构，可分为两层：电站控制层和现地控制层。电站控制层设在控制室，负责协调和管理各现地控制层的工作，收集有关信息并作相应处理和存储，、准确、有效地完成对本站被控对象的运行实时监视及事件报警，设备运行的控制与调节，以及电站的生产管理。操作员可以在主控制台通过人机接口对数据库和画面进行在线修改，进行人工设定、设置监控状态、修改限制、事故处理指导和恢复操作指导等功能。现地控制层（LCU）包括机组LCU和公用LCU，现地LCU布置在机组旁，公用LCU布置在控制室，是计算机监控系统较底层的控制部分。原始数据在此进行采集，各种控制调节命令后都在此发出，因此LCU可以是整个监控系统中重要的、对性要求很高的“”控制设备。水电站综合自动化系统的LCU主要由工控机和可编程控制器（PLC）构成。
水电站综合自动化系统的网络结构是一个基于以太网联接的实时通讯网，在控制层设有两个上位机，也可称为值班人员工作站。在现地层（LCU）有4台前置枫，其中公用LCU采用一台工控机作为前置机。每一台机组采用一台工控机作为前置机，共三台。上位机与公用/机组LCU中的前置机速以太网进行连接，网络交换机采用快速以太网交换机，网络拓扑结构为星形结构，通常使用IEC104通信规约。
在LCU系统中采用工控机作为前置机，通过CP5621接口卡使工控机与PLC相连。将PLC采集的数据进行标度变换、越限报警、数据打包等处理后，通过100M快速以太网上传到上位系统中，同时，上位系统的控制命令也通过100M快速以太网经工控机下达给PLC。
一、基于综合自动化系统的遥视监控系统设计
1、设计方法
遥视监控系统的设计目的是为了梯级水电站现场运行环境的重要安防信息及重要设备运行的实时监测，遇要设备运行不正常，机房停电、电源故障、环境温度过高、火灾、空调停运、盗窃等紧急意外情况，能够及时和自动快速报警。系统主要利用当前投运的数据通信网实现各级水电站运行情况“四遥”功能，构成一个完整的远程监测系统，及时了解监测点的信息，提高水电站的运行能力，提高运维效率，降低维护成本和劳动强度，以满足梯级电站实施无人值班集中监控技术的要求。
此设计监控系统方案相对于目前应用的TCP/IP网络技术来说大的优势是利用梯级水电站已有的自动化系统完成基本的、主要的信号采集与处理实现下级电站的重要运行安防信息的远程集中监控，共享了自动化系统的主站资源和通道资源，达到了的性价比。
为了达到无人值班水电站设计的性、实用性、经济性、与现行技术政策的一致性要求，基于梯级水电站综合自动化系统的遥视监控系统设计应遵循以下原则：
1.1充分利用当前投运的数据网实现子电站运行情况“四遥”功能，完成对梯级水电站监控区运行环境重要信息的集中监控。
1.2监控终端以IE浏览器方式浏览各水电站所有运行信息，实现对所辖无人值守水电站运行区域的集中监控。
1.3从实际出发，在有限的预算下保证水电站运行、节约投资，追求的性价比。
为简化解决方案，本方案只对梯级无人值守水电站运行，环境安防、配电、电源、通信设备告警等方面进行监视，所有的信息/监控均通过监控区内新增的现场采集平台进行，视频部分则作为立的部分考虑单组网。
2、系统结构
本系统由以下几个主要子系统构成：动力及设备监控子系统、环境监控子系统、门禁安防子系统、图像监控子系统、监控。
2.1子系统功能
2.2设备监控子系统
该子系统可以实时监测电站监控区内设备工作情况，如市电电压电流、直流电源电压电流、电池组总电压电流（可以扩展到对每单节电池的表面温度、电压进行监测），将传感器输出信号经过相应转换接入水电站综合自动化系统新增采集器输入端子，就可完成对上述参数的监测，当测量值过预先设定的正常工作范围时，会在本地和监控及时发出声、光报警，同时快速拨打预设电话语音通知或发短信通知等。
2.3环境监控子系统
环境监控子系统的监测量主要有：
（1）机房环境：如温度、湿度等；
（2）机房空调：空调开关机状态，远程开关机、对传统空调实现来电自启动等。
把电压型或电流型温湿度（一体）传感器安装在机房的适当位置，将传感器输出信号经过相应转换接入综合自动化系统新增采集器输入端子，就可完成对上述参数的监测。
2.4门禁安防子系统
安保门禁监控管理系统的监测量主要有：①烟感告警；②水浸告警；③红外防盗告警；④门禁状态。
上述监测量，都可以通过采集相关传感器输出的接点状态获得。具体方法是：将对应这些参量的传感器（如烟雾探测器、水浸探测器、红外线传感器、门/窗磁开关等设备）安装在相应的位置，把它们输出的接点信号接入综合自动化系统新增采集器输入端子，通过网络连接就能够实现监控对这些参量的监控。
2.5图像监控子系统
监控对象：各级水电站各个监控区的实时场景；各种设备的外观运行状态（如水位计）
本系统主要包括：
（1）监控摄像机及配件；
（2）网络视频服务器；
（3）图象监控工作站及其图象软件、图象记录软件（这部分包含在监控系统内）。
图象信号的传输是通过在每个监控区配备l台嵌入式网络视频服务器，将视频信号转换为TCP/IP信号。监控图像由摄像机经视频电缆有线连接至网络视频服务器的视频接口，网络视频服务器的网络接口再与网络交换机相连接，然后通过系统通信网络送达监控。网络视频服务器同时提供控制信号输出，用于镜头、云台等的控制。
2.6监控
监控基本的配备是一台服务器，一个工作站，用户还可配置打印机。（可配置多台工作站、监控点）。服务器用于对数据、图像等资料的存储和播放，基本容量>200G。工作站用于对各个监控机房的监控，包括门禁、环境参数、图象等。
本软件将门禁、环境和视频等各个系统地结合起来，其中包括了可立运行的软件、图象软件、图象记录软件、通信协议软件、数据记录软件、WEBSERVER软件”。图象记录软件不仅记录图象，还同时记录各种告警数据，还提供图象查询功能，用户可以按照给定的查询条件对存储于图象记录工作站的图象进行查询和播放。通信协议软件主要完成监控装置与监控的通信。WEBSERVER软件主要完成WEBSERVER和主页的动态刷新等，数据记录软件主要把监控装置的数据记录在标准数据库中。
2.7报警通知及报警联动功能
梯级无人值守水电站的重要设备运行及机房安防信息通过水电站综合自动化系统新增采集器输入端子传送到主站，经主站系统的处理即可完成各电站监测区的重要设备运行及动力环境/通信机房重要安防信息的远程实时监控。例如当发生市电消失、通信设备告警或测量值过预先设定的正常工作范围时，会在本地和监控及时发出声、光报警，同时快速拨打预设电话语音通知或发短信通知等，立即通知当值人员及时赶赴现场处理，避免延误事故的处理。
二、通信网络的组建
为了在各监测区通信站点和监控之间组成信息传输网络，此方案充分利用梯级水电站综合自动化系统通道传输，不需建设专门的通道。
对于已提供了TCP/IP网络的机房，可直接接入，额外添加任何设备。
对于只提供2M或64K通道的机房，则需要提供G703转以太网的转换器。
对于报警通知及报警联动功能，则通过电信部门的系统完成，额外添加专门通道。
基于水电站综合自动化系统的遥视方案优点
1)把视频单元和现场环境模/数量的采集单元立开来，从结构上解决了视频流和运行环境信号流在同一网络的实时传输难题，具科学性。
2)在变电站端数据采集与处理、主站端的接收处理与显示都充分利用了梯级水电站已有综合自动化系统，其建设、，相比其他方案有明显的适用性。
3)各水电站监控区端所需加的传感器少，且能借助综合自动化采集与处理接口，投资较省，相比其他方案有明显的经济性。
4)充分利用梯级水电站综合自动化系统通道传输，不需建设专门的通道。
5)水电站端数据采集与处理、主站端的接收处理与显示、维护方面能与水电站自动化系统合二为一，省去维护多个系统的麻烦，相比其他方案有明显的易维护性。
作为工业自动化部件的称重仪表，不同于商用衡器，往往面临复杂的工况。对于拌和站电磁环境比较恶劣的情况下，一些大规模集成电路常常会受到干扰，导致不能正常工作或在错误状态下运行，造成的后果往往是很严重的。因此对抗干扰性能的了解是称量仪表选型的关键。我们在对珠海市长陆工业自动控制系统有限公司生产的UNI800与TR600和其它同类厂家产品进行反复比较过程中，获得了一个好单片机系统（称重仪表）应具备的抗干扰性能方面的分析经验。在此与**分享，希望以此促进技术水平的提高。
仪表电磁兼容性(EMC)是一项重要指标，它包含系统的发射和敏感度两方面的问题。如果一个单片机系统符条件合下面三个条件，则该系统是电磁兼容的：
1． 对其他系统不产生干扰；
2． 对其他系统的发射不敏感；
3． 对系统本身不产生干扰；
若干扰不能，但也要使干扰减少到小。干扰的产生不是直接的（通过导体、公共阻抗耦合等），就是间接的（通过串扰或辐射耦合）。电磁干扰的产生是通过导体和通过辐射，很多磁电发射源、如光照、继电器、DC电机和日光灯都可以引起干扰；AC电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速单片机系统中，时钟电路通常是宽带噪声的大产生源，这些电路可产生高达300MHz的谐波失真，在系统中应该把他们去掉。另外，在单片机系统中容易受影响的是复位线，中断线和控制线。
1． 干扰的耦合方式
（1） 传导性EMI
一种明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可检拾噪声并把噪声送到其他电路引起干扰。设计人员避免导线检拾噪声和在噪声引起干扰前用去耦办法去除噪声。普通的例子是噪声通过电源进入电路。若电源本身或连接到电源的其他电路是干扰源，则在电源线进入电路之前对其去耦。
（2） 公共阻抗耦合
当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定，来自两个电路的地电流流过共地阻抗。电路a的地电位被电流b调制，噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路b耦合到电路a。
（3） 辐射耦合
经辐射的耦合通称串扰。串扰发生在电流流经导体时产生电磁场，而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。
（4） 辐射发射
辐射发射有两种基本类型；差分模式(DM)和共模(CM)。共模辐射或单天线辐射是由无意的压降引起的，它使电路中所有地连接抬高到系统电地位之上。就电场大小而言，CM辐射是比DM辐射为严重的问题。为使CM辐射小，用切合实际的设计使共模电流降到零。
2． 影响EMC的因数
（1） 电压。电源电压越高，意味着电压振幅越大，发射就多，而低电源电压影响敏感度。
（2） 频率。高频产生多的发射，周期性信号产生多的发射。在单片机系统中，当器件开关时产生电流尖峰信号；在模拟系统中，当负载电流变化时产生电流尖峰信号。
（3）接地。在所有EMC问题中，主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法：单点、多点和混合。在频率1MHz时，可采用单点接地方法，但不适宜高频；在高频应用中，采用多点接地。混合接地是低频用单点接地，而高频用多点接地的方法。地线布局是关键，高频数字电路和低电平模拟电路的接地电路绝不能混合。
（4） PCB设计。适当的印刷电路板（PCB）布线对防止EMI是至关重要的。
（5） 电源去耦。当器件开关时，在电源线上会产生瞬态电流，衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压，高di/dt产生大范围的高频电流，激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降，减小电感或电流随时间的变化可使该压降小。
3．称量仪表对抗干扰与复杂工况处理的硬件要求
在硬件上我们要求仪表厂家具有以下措施：
（1） PCB及电路抗干扰措施
印刷电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施作一些说明。
① 电源线设计
根据印刷线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻；同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
② 地线设计
在单片机系统设计中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合来使用，可解决大部分干扰问题。单片机系统中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。
在地线设计中应注意以下几点：
a．正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10MHz，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz 时，如果采用一点接地，其地线长度不应过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
b. 数字地与模拟地分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地；高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔，要尽量加大线性电路的接地面积。
C．接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条，则接地电位会随电流的变化而变化，致使电子产品的定时信号电平不稳，抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印刷电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3 mm。
d．接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印刷电路板的地线系统时，将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于：印刷电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降；若将接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。
③ 退耦电容配置
PCB设计的常规做法之一，是在印刷板的各个关键部位配置适当的退耦电容。退耦电容的一般配置原则是：
a． 电源输入端跨接10～100μF的电解电容器。如有可能，接100μF以上的好。
b． 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容。如遇印刷板空隙不够，可每4～8个芯片布置一个1～10pF的钽电容。
c． 对于抗噪声能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。
d． 电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。
此外，还应注意以下两点：
a． 在印刷板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1～2kΩ，C取2.2～47μF。
b． CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时，对不用端要接地或接正电源。
（2） 输入/输出的电磁兼容性设计
在单片机系统中输入/输出也是干扰源的传导线，和接收射频干扰信号的拾检源，称重仪表设计时一般要采取有效的措施：
①． 采用必要的共模/差模抑制电路，同时也要采取一定的滤波和防电磁屏蔽措施以减小干扰的进入。
②． 在条件许可的情况下尽可能采取各种隔离措施（如光电隔离或者磁电隔离），从而阻断干扰的传播。
（3） 单片机复位电路的设计
在单片机系统中，系统对整个单片机的运行起着特别重要的作用，因为所有的干扰源不可能全部被隔离或去除，一旦进入CPU干扰程序的正常运行，那么复位系统结合软件处理措施就成了一道有效的纠错防御的屏障了。常用的复位系统有以下两种：
①．外部复位系统。外部“”电路可以自己设计也可以用专门的“”芯片来搭建。然而，他们各有优缺点，大部分“”芯片对低频“喂狗”信号不能响应，而高频“喂狗”信号都能响应，使其在低频“喂狗”信号下产生复位动作而在高频的“喂狗”信号下不产生复位动作，这样，如果程序系统陷入一个死循环，而该循环中恰巧有着“喂狗”信号的话，那么该复位电路就无法实现它的应有的功能了。然而，我们自己可以设计一个具有带通的“喂狗”电路和其他复位电路构成的系统就是一个很有效外部监控系统了。
②．现在越来越多的单片机都带有自己的片上复位系统，这样用户就可以很方便的使用其内部的复位定时器了，但是，有一些型号的单片机它的复位指令太过于简单，这样也会存在象上述死循环那样的“喂狗”指令，使其失去监控作用。有一些单片机的片上复位指令就做的比较好，一般他们把“喂狗”信号做成固定格式的多条指令依顺序来执行，如果有一定错误则该“喂狗”操作无效，这样就大大提高了复位电路的性。
（4） 振荡器
大部分的单片机都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。在PCB上，要求外接是电容、晶体或陶瓷谐振器的引线越短越好。RC振荡器对干扰信号有潜在的敏感性，它能产生很短的时钟周期，因而选晶体或陶瓷谐振器。另外，石英晶体的外壳要接地。
（5） 防雷击措施
室外使用的单片机系统或从室外架空引入室内的电源线、信号线，要考虑系统的防雷击问题。常用的防雷击器件有：气体放电管、TVS（Transient Voltage Suppression）等。气体放电管是当电源的电压大于某一数值时，通常为数十V或数百V，气体击穿放电，将电源线上强冲击脉冲导入大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二管，当两端电压某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃上千A的电流。
（6） 电源系统抗干扰
由于工业电源特别是搅拌设备的电源工况复杂，因此如何在不稳定电源场合确保仪表工作稳定尤为重要。
常用的开关电源与线性电源相比各有优缺点：开关电源作为恒功率器件，外部供电电压高则输出电流小，电压低则输出电流大，从而维持输入到仪表内部的功率恒定，从而减少仪表内部温度差，不会因过热造成元件损坏。而线性电源在电压升高时，电流将增大，特别是电压运行240VAC时，内部温升加快，会造成变压器或三端稳压器等损坏，在220VAC时，会造成运行不或停止运行。所以一般工业控制采用开关电源方式，而试验或商用设备采用线性电源较为合理。
由于电源波动会造成仪表输出的激励电压波动，因此称量值会随之变化，故应采用较为保险的多级稳压方案。UNI800与TR600均采用二级稳压，当外部电压波动，对仪表读数影响甚小；而有些仪表采用一级稳压，称重数值随外部电压波动而异常变化根本无法满足要求。
（7） 模拟信号输出
有些称重仪表厂家为降，往往采用12位脉宽调制方法输出模拟信号，这有几个坏处：①由于脉冲来自单片机系统，占用晶振资源，往往造成输出模拟值滞后仪表读数很多；②低位数的脉宽调制往往在重复性、线性上较差，再加上信号给上位机进行A/D转换又有精度损失，故此方案用于配料精度高场合不可行。 UNI800及TR600由于采用16位DA转换输出模拟信号而成为较佳的选择。
（8） 来自称体的干扰
由于秤体的结构变化或物料的粘附等造成称重数值漂移，因此在启动配料时须有自动清零功能，UNI800与TR600的此功能确保每次配料的准确性。
（9） 信号输入范围
很多添加量较小的材料因秤体自重较重，零位信号较高，放大信号也由于使用3mv/v传感器而接近30mv，对于此要求很多仪表由于放大器设计所限大只能接受25mv信号而导致不能调校，只能通过加电阻下拉信号电压，但这往往对于野外作业的工地是个难题。因此有合理的适合搅拌系统使用信号输入范围也应成为选型要求之一。UNI800及TR600产品，零位可调电压在0-15mv，放大可调大至35mv，非常适合沥青秤、外加剂秤使用。
4．对干扰措施的软件处理方法
电磁干扰源所产生的干扰信号在一些特定的情况下（比如在一些电磁环境比较恶劣的情况下）是无法的，终将会进入CPU处理的的单元，这样在一些大规模集成电路常常会受到干扰，导致不能正常工作或在错误状态下工作。特别是像RAM这种利用双稳态进行存储的器件，往往会在强干扰下发生翻转，使原来存储的“0”变为“1”，或者“1”变为“0”；一些串行传输的时序及数据会因干扰而发生改变；严重的会破坏一些重要的数据参数等；造成的后果往往是很严重的。在这种情况下软件设计的好坏直接影响到整个系统的抗干扰能力的高低。
⑴ 程序会因为电磁干扰大致会一下几种情况：
① 程序跑飞。
这种情况是常见的干扰结果，一般来说有一个好的复位系统或软件帧测系统即可，对整个运行系统的不会产生太大的影响。
② 死循环或不正常程序代码运行。
当然这种死循环和不正常程序代码并非设计人员有意写入的，我们知道程序的指令是由字节组成的，有的是单字节指令而有的是多字节指令，当干扰产生后使得PC 指针发生变化，从而使原来的程序代码发生了重组产生了不可预测的可执行的程序代码，那么，这种错误是致命的，它会有可能会去修改重要的数据参数，有可能产生不可预测的控制输出等一系列错误状态。
⑵ 对重要参数储存的措施
一般情况下，我们可以采用错误检测与纠正来有效地减少或避免这种情况的出现。根据检错、纠错的原理，主要思想是在数据写入时，根据写入的数据生成一数的校验码，与相应的数据一起保存起来；当读出时，同时也将校验码读出，进行判决。如果出现一位错误则自动纠正，将正确的数据送出，并同时将改正以后的数据回写覆盖原来错误的数据；如果出现两位错误则产生中断报告，通知CPU进行异常处理。所有这一切动作都是靠软件设计自动完成的，具有实时性和自动完成的特点。通过这样的设计，能大大提高系统的抗干扰能力，从而提高系统的性。
检错与纠错原理：
来看看检错和纠错的基本原理。进行差错控制的基本思想是在信息码组中以一定规则加入不同方式的冗余码，以便在信息读出的时候依靠多余的监督码或校码码来发现或自动纠正错误。
针对误码发生的特点，即错误发生的随机性和小概率性，它几乎总是随机地影响某个字节中的某一位（bit），因此，如果能够设计自动纠正一位错误，而检查两位错误的编码方式。就可以大大提高系统的性。
⑵ 对RAM和FLASH(ROM)的检测
在编制程序时我们是写入一些检测程序来测试RAM和FLASH(ROM)的数据代码，看有无发生错误，一旦发生要立即纠正，纠正不了的要及时给出错误指示，以便用户去处理。
另外，在编制程序时加入程序冗余是不可缺少的。在一定的地方加入三条或三条以上NOP指令对程序的重组有着很有效防止作用。同时，在程序的运行状态中要引入标志数据和检测状态，从而及时发现和纠正错误产生。
后记
总的来说为了提高单片机系统的电磁兼容性，不仅要合理设计PCB板，而且要在电路结构上及软硬件中采取相应的措施。后我们还对珠海市长陆工业自动控制系统有限公司在冶金、混凝土、粮油饲料、化工、等行业国内外用户应用情况进行了广泛考察，在作为单片机系统的称重控制仪表UNI800和TR600系列的设计、制造、安装和运行的各个阶段，正是通过以上各种抗干扰手段的运用，并经过形形色色的现场环境模拟及实际工作实验，造就了“金刚不坏之躯”，保证称重仪表在各种工况下长期稳定、、地运行。该公司并因此获得同类产品中为数不多的由认证企业公司签发的CE认证，由此获得进入发达国家工业自动化市场的通行证，拥有与世界老牌企业同类产品竞争的利器。因此我公司决定选用该公司产品，实际应用证明我们的选择是正确的，是西筑搅拌设备保证的重要因素之
由于人工转动夹具，操作者在焊接时住夹具的作用力大小不同，会造成角板轴向定位存在误差。同时，整个操作过程操作者要重复转动多次，致使操作者劳动强度较高。种种问题影响了产品质量和生产效率，因此我们设计了一套半自动角板焊接夹具来解决上述问题。
根据机座角板焊接工序的特点，需要能够按要求重复转动固定的角度，故我们采用了伺服电机来控制焊接时的转动角度。伺服电机带有信号反馈，精度高，并且能提供足够的转矩带动夹具的转动。同时，使用单轴数控系统控制伺服驱动器，利用单轴数控系统的编程功能，我们编制出一套程序来模拟人工焊接时的动作顺序，实现了焊接自动化。为了保证焊接质量，我们设计了角板焊接座，用来安放夹具，实现分度转动、上下浮动、卸料等功能。从而较好地解决了半自动角板焊接夹具与凸焊机的接口，大化地利用了原有的设备。
一、系统硬件设计
1. 系统组成
系统的组成以及运行流程。
2. 角板焊接座
角板焊接座的作用是加载并转动工件，提供一个浮动平台，由伺服电机通过焊接座的齿轮副来控制转动角度。焊接座通过弹簧、导套和导柱能上下浮动，在转动时脱开内电，焊接时压紧内电，从而避免夹具转动时的擦碰，能有效提高焊接质量。与焊接座配套使用的是在原有手工焊接夹具基础上改进的夹具，它的作用是固定机壳和角板的相对位置。在焊接座上，我们采用带磁钢的吸盘来吸住焊接夹具，代替人工的手压动作，以保证焊接时夹具不致脱落，避免角板轴向尺寸偏差。为了卸料的需要，我们还在焊接座上安装了卸料机构，它通过两个气缸联接一个卸料环推动焊接夹具脱离带有磁钢的吸盘，完成卸料。3. 伺服系统
伺服电机具有转矩大、精度高、可反馈的特点，可根据脉冲数来控制转动角度和转速。我们选用了上海开通数控有限公司的110HM-8M04030-F 伺服电机，它体积紧凑，转矩达到4N.m。
交流伺服驱动系统是控制伺服电机的装置，我们选用与电机相匹配的KT270全数字交流驱动系统。它采用DSP（数字信号处理器）芯片，加快了数据采集和处理速度，使电机运行性能良好。同时，它能够直接在驱动器面板上设置参数、调试、监视系统状态，外观简洁，结构紧凑。
单轴数控系统KT700B在整个系统中相当于PLC的功能。它具有输入输出功能，自带液晶屏和键盘，可以直接在线编程控制和在线监控。通过它进行编程模拟人工操作步骤，可控制半自动角板焊接夹具。
4. 电气系统和气动系统
主要用来控制输入和输出讯号，与凸焊机接口联接控制执行机构运行位置。
二、系统软件设计
● 系统参数设置
（1）交流伺服驱动器的设置
设置显示状态为监视运行状态；设置控制模式为位置控制模式，以控制伺服电机输出轴的位置；为了使转动加平稳，设置适当的加减速时间；设置保护限制，比如转速、转矩等，以避免异常情况出现导致系统受损；建立工艺文件记录报警参数，及时了解系统的故障模式，采取应对措施。
（2）单轴控制器的设置
根据系统的试运行状况，调整各参数，使其运行稳定；设定系统参数，定义编程用常量、参考点；设置电子齿轮比，通过设置可以将夹具实际转动与脉冲数建立相应关系，便于控制；设定系统值，确保系统稳定。
● 程序编写
程序编写是基于单轴控制器提供的数控指令编写的。指令采用顺序排列，根据人工操作时的顺序，编写程序。用SET指令接受输出信号，用WAT指令接受输入信号。SPEED指令控制速度，POS指令控制位置与角度。此外，还可以采用CALL 调用指令，循环执行相似的命令。
三、试运行发现的问题及解决方案
系统组建好后，进行试生产。运行过程符合设计要求，并按照人工焊接的顺序执行，定位准确。同时，系统可根据实际生产要求，调整运行速度，满足生产节拍的要求。但在实际的操作中发现：夹具与焊接座的制造以及装配质量对系统的稳定运行影响很大。因此，我们对夹具进行了优化，并在装配时进行适当的调整。
起初，夹具易被压翘头，导致焊接后产品尺寸偏差大。我们在凸焊机上增加了预压装置，在焊接前先将焊接座压实，同时增加了护套以提高焊接座的刚度。然而，运行一段时间后发现，工件难以脱离夹具。于是，我们重新修整夹具，调整凸焊机上电的位置，使焊接时工件受力均匀，不会使工件偏移卡死夹具导致难以脱出。同时，调整卸料气缸的压力以及卸料环与焊接座的间隙，使气缸出时加顺畅。卸料气缸在卸料时，弹力很大，容易造成夹具弹出时使操作者受伤，同时损坏夹具。我们在工作台上设置了缓冲板，夹具在弹出后，先接触缓冲板减速，提高了系统的性。
经过一段时间的试运行，角板焊接夹具系统能够按照预定要求，完成整个工作任务。生产出的产品质量符合设计要求，并且避免了人为因素的干扰，降低了操作者的劳动强度。在焊接夹具工作时，操作者可以腾出手进行下一个工件的装配，提高了生产效率。结合伺服系统的应用，将机电一体化技术应用到实际生产中，能够给我们带来多的便利，创造大的经济效益。
1979年美国Three Mile Island（PA）发生的核工厂泄露事故中，操作人员并没有意识到一个关键的阀门被打开了，虽然显示时关闭的。之后他们收到了反应堆液位的错误信息。后来的调查显示，被破坏的可能被排除，如果操作人员当时收到了正确的信息，他们就能够阻止情况失控。
确保不失控
诚然，确实有外部的破坏者。Wonderware公司的信息（Infosec）分析师Rich Clark在一次题为“控制系统向导”的演讲中，列举了17类情况，包括从不满的员工到普通的罪犯，以致有组织的危害国家和的组织和个人。他说，这些人很难别确认，但“他们每天却有很多目标可以攻击。”
Garbrecht说：“从人机接口的角度上，有三种主要的情况，一是公司以外的某些人穿越防火墙，通过网络进入公司，并对人机接口做了某些改动。二是公司内部的某些人以某种原因对公司作了操作。三是公司内部员工，并不是有意要做攻击，只是由于误操作导致流程中或其他方面的问题。”
Clark说，如果公司把控制系统的保安工作交给IT部门，那么公司可能会有麻烦。IT人员通过隔离每台机器来达到保安，他们隔离哪些正在上网的和有可能携带病毒的人，使他们不至于影响企业中的其他部分。这种方法在IT领域确实奏效，但是它牺牲了机器之间通讯的便捷性，并且实时性能不好。
Clark继续说道：“当控制系统被设计时，每台机器都设计成可以不受阻碍地与另一台机器通讯。在控制系统的环境中，多的机器既是服务器又是客户机，这并不符合IT领域中的客户端服务器模型。”Clark指出，控制系统的方案是将控制系统放在一面保护墙后面，然后密切控制受保护区域的所有进出。
在控制系统和整个系统之间的所有通讯经过防火墙。California的一家生物制公司近安装了符合21 CFR 11 标准的用于处理历史数据的新型系统。所有有关过程错误和事件的信息都被存储在服务器中需要的人可以调用。但是工厂的重要数据和控制信息都是存放在与整个系统隔离的网络中的。
Clark引用了“having limited threat vectors。”他说，一个理想的控制系统应该满足以下几条：
·与全部的威胁隔离，包括商业合作企业。
·用强力抗侵蚀设备分层
·只有一个输入输出点
·所有的系统自动化都在一个集合内
·并且企业内的每一个置信机器可以无阻碍地访问另一个置信机器
微软公司称这种模型为“网域隔离”。GE公司通过使用“Application Validator Utility”工具，为它的iFIX软件3.5版本添加了这种特性。这种软件工具可以自动整理对系统文件和功能的修改，减少安装被无意和有意地危机的可能性。
当操作员界面使用GE Fanuc Automation Complicity 的软件时，它允许这个主要的金属设备上的授权用户在工厂中的任何一个位置访问控制数据，但是对控制参数的改动只能在特定的位置完成。
Systek Automated Controls公司的工程副（前International Automation 公司控制工程经理）Joe Quigg警告说：“有意图的人可以制造危险。对于以前的系统，很多情况下，人们可以不受阻碍和无人监管地对系统作修改和改动。而且这种修改缺乏文档备案机制，如果人们改动了系统，而且没有备案，那就根本无据可查。”他继续说道：“很多逻辑系统都带有硬件继电器逻辑，如果某人可以打开控制面板，那么只要他愿意他就可以设置某些旁路。”
他继续说道：“一个设计精良的现代系统被划分为两个部分，标准部分，即日常的控制程序，它是开放式结构的，另一个是不分，如果改动的话就会产生危险，这部分是被锁定的。只有特定的人，使用正确的密码，经过培训和指导才能够对其进行修改。”
应用：性能管理软件、接口，优化操作，达到标准要求
Roche Diagnostics GmbH公司近期在德国Mannheim建立了一条新的置物架流水线，用于照料糖尿病病人和放置诊断产品。为了达到美国食品和物管理（FDA）标准，提高生产效率，增强其过程监控和审核能力，他安装了Wonderware公司的生产和性能管理软件系统，这同时也是Invensys System公司的一个业务单元。
希望找到一个便于使用，能保证其生产过程的系统，而且此系统还要符合F DA 21 CFR Part 11的规定。它选择了Wonderware 公司的两个关键的软件包，InTouch人机接口软件和IndustrialSQL服务器，它包含一个与系统实时相关的数据库。这两个软件包使Roche公司既满足了商业要求又满足了生产的要求，而且还符合FDA的要求。
在这条新的置物架流水线上，小瓶子从托盘中分别选出、分类并放在一起，形成一个包，这个包之后会被送到一个旋转的桌子上，进行进一步处理。贴上标签，一台摄像机用来检查矩阵条形码是否正确和是否合理放置。之后另一台摄像机检查每个瓶子和瓶盖是否是正确的颜色，然后这个包就到了终的包装阶段。这个生产过程的启动、控制和监控都是由使用这个软件的操作人员完成的。人机接口指引操作员一步一步指导结束，操作员不必再从复杂的屏幕选项中作出选择了。
FDA标准要求生产商保持生产数据的可追溯性，这就意味着公司明确过程中的每一步，包括那个操作人员在什么时间完成某项任务。这个程序的用户管理特性和微软2000操作系统提供的特性允许对工厂进行严密的设计，而不必使操作系统直接面对用户。
Dr焎ker Steuerungssysteme GmbH公司的总经理Uwe Dr焎ker说：“使用这种方法的一个益处是用户的管理并不表现为单的一个系统，而是作为整个企业系统的一部分。使用这种操作方法，公司可以很容易地合并并且重用工厂的现有操作系统。而且，这个软件的易用性和统一的接口使Mannheim的操作人员保持置物架流水间运行于优效率下。我们只需采用一个使用单用户管理系统的端对端系统而不需要使用几个昂贵的解决方案。”
这条置物架流水线的操作人员登陆应用界面，根据他们的准入等级，对其验证和授权，以便他们执行特定的操作。对过程流水线的操作包括产品和过程数据的日常创建和编辑，启动、暂停或者停止批处理，或者编辑用户预设值文件。流水线的操作人员使用他们的用户名和密码来登陆。这种登陆技术使公司能够满足FDA数据可追溯要求，并且使生产流水线具有强的防篡改功能。
此软件具有时戳电子签名，能将每一个操作人员与具体的行动联系起来。这个签名和其他相关的数据之后被存储在IndustrialSQL服务器历史数据库中，用开生成一个复杂的审计跟踪。这些审计跟踪可以在任何时候被授权主管或经理察看和打印。信息和电子签名是不能被改变或删除的，这样就形成了一个符合FDA要求的、具有防篡改功能的仓库。
而且，Mannheim工厂还使用一个额外的系统来完成高可用性和数据整合。此系统物理上与主系统隔离开来，但它保持和主系统的数据同步。在主系统失效的时候，同步握手协议检测主进程是何时停止的，并自动切换到备用系统，这是一种失效安保能力。细致入微的公用网络整合同样是所有的数据可以用于整个企业范围的分析。
除了来自于FDA规范的压力外，日渐增长的恐怖主义和产品的威胁总是制公司的主要考虑对象。这种软件管理系统的特性使Roche具有很高的信心，使之能够在生产和包装过程的每一步跟踪并保证质量。
应用：HMI系统给铝制品生产带来和
1990年建于魁北克的美国铝公司Alcoa——Aluminerie de Deschambault是一个需要升级的工厂。他的主要的金属设备使用550人操作，生产原铝锭，然后送到定型设备上生产成各种不同的产品。
过程控制和监控是在一个不能被升级的基于DOS的系统上完成的。数据采集使用一个自制的OpenVMS（VAX）系统。工厂的应用工程师Pierre Boutin解释说：“我们需要一个进行少量工作就可以完成改设置的系统。”
公司的职员也需要好的准入机制来处理数据。例如，30多个工厂的环境小组成员紧密合作，但是他们可以在任何时间在半英里的工厂范围内的任何一个地点进行访问数据。任何一个新型系统都需要提供一种高保密机制，允许授权用户在工厂的任何一个位置访问控制数据，但是对控制参数的修改只能在特定的位置完成。
Boutin和他的同事选择在现有的基础设施上层安装GE Fanuc Automation公司的Cimplicity软件以搭建控制和监控解决方案。过程中的电解氧化铝提取铝的工艺被分为5步。每一步，10到15个GE Fanuc90-70系列的PLC和多个90-30系列的PLC来完成其他监控和控制工作，在每一步里PLC要监控差不多10000个点。
使用星形以太网拓扑网络，装配了Cimplicity软件的PLC和操作人员接口，通过标准10Base-T铜制接线端子，与每一步中的开关连接。每一步都轮流与100Mbps以太网连接，通过光纤引入IT部门。主服务器安放在IT部门，从服务器安放在现场，IT部门的工作人员负责维护系统。
Cimplicity hmi软件工厂版本使用基于客户端服务器结构和开放系统设计的Web技术，用户通过放置在整个厂区的Cimplicity视窗上的Web浏览器，访问实时远程数据。作为对系统内嵌用户访问特性的，IT部门增加了另一个层，在这层上，过程信息可以被所有工作站的授权用户访问，而参数修改只能在的工作站完成。
新型控制和监控系统工作良好，促进IT部门和过程控制部门员工的团队合作，而以前，很多公司这两个部门的合作经常出现断层。Boutin说：“这两组人的合作很出色，这在我们的控制和监控系统的成功运行中起了重要作用。”
应用：PLC控制的机器人使用集成了软件的手持HMI设备
德国Vlotho的Klocke-Robot-Systeme GmbH 公司安装的完备的Rexroth系统，具有高定位精度、短工作周期和低硬件成本的优点。Klock公司的装货和卸货机器人自动操作注塑机完成任务。集成了完备的工能的IndraMotion for Handling系统使用使用连续控制西通IndraLogic，它满足IEC61131-3标准要求，确保已经搭建好的程序模型的可重用性。这个系统的外观和感觉就像一个机器人控制，但实际上是PLC控制。
IndraMotion for Handling系统与完备的移动操作面板配合使用，例如Rexroth VEH30手持式操作人员借口设备。这个组件具有8.4英寸的触摸屏和热插拔能力，可以在设备运行的同时通过以太网方便地与设备互联。一个设备可以完成多个控制任务。用户可以使用手持设备上的恶4个软按钮来编辑动作，也可以通过虚拟键盘教或者输入确定的点。Rexroth IndraDrive的集成的功能满足EN-945-1类别3的要求，这样他就符合整个欧洲的规程，而无须附加的硬件或控制上的改动。
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