張麗，呂霞，王鵬

（萊鋼集團(tuán)有限公司 ， 山東萊蕪 271104）

0 引言

隨著工業(yè)過程自動化水平的提高，以及工廠級信息集成的要求，需要高速、高精度的采集和處理大量過程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率在1～1 000 ms 連續(xù)可調(diào)，不但能滿足對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速性能的要求，同時提供方便且功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能。近幾年在我國過程自動化數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用越來越廣泛。本文以寬厚板為例，分析探討PDA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

1 PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于PC 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于其可以以統(tǒng)一及同步的方式處理大量數(shù)據(jù)，并且對不同數(shù)據(jù)格式及通信方式都提供很好的解決方案，因此非常適用于分布式多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)組成大致可分為數(shù)據(jù)源、通信和應(yīng)用程序3部分，如圖1 所示。

圖1 PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1) 數(shù)據(jù)源為PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，可以是智能設(shè)備中存儲區(qū)的數(shù)據(jù)，PLC、變頻器、儀表等數(shù)據(jù)；也可以是控制流程中的模擬與數(shù)字信號，如按鈕、指示燈狀態(tài)，變送器的輸出等；也可以是通過OPC 方式所獲取的數(shù)據(jù)。

(2) 通信鏈路是指數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換，即將數(shù)據(jù)源以某種通信協(xié)議通過VME、PCI、PCI Express 或PCMCIA 等總線接入計算機(jī)。PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持TCP/IP、OPC、Profibus DP，Modbus等多種通訊協(xié)議，根據(jù)不同的通訊協(xié)議，可以有多種鏈接方式接入計算機(jī)。

(3) PDA 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，用于運(yùn)行數(shù)據(jù)采集服務(wù)器端應(yīng)用程序ibaPDA，可以對采集信號在線顯示，并完成對數(shù)據(jù)采集設(shè)備參數(shù)配置，同時將生成的*.dat 數(shù)據(jù)文件存儲于存儲器中。如果加入了與數(shù)據(jù)庫的接口，還可以將數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫中。

2 PDA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通訊及組態(tài)

2.1 通訊協(xié)議的確定

對于寬厚板軋線來說，需要進(jìn)行采集的模擬量和數(shù)字量信號總數(shù)較大，包括加熱爐區(qū)，粗精軋區(qū)等，每個區(qū)域需要進(jìn)行采集的信號總數(shù)大概有一兩千個，每套PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量較大。而Profibus DP采用的令牌控制適用于重通信負(fù)荷的應(yīng)用環(huán)境。

再者，寬厚板控制系統(tǒng)在L1 基礎(chǔ)自動化級與現(xiàn)場級之間大量采用Profibus DP 現(xiàn)場總線連接，若采用Profibus DP 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，幾乎不需要對硬件進(jìn)行改動，只需要在主站中完成網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和通信接口的編程，因此，我們決定采用Profibus DP 的通信方式連接控制器和PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.2 PDA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Profibus DP通訊的實(shí)現(xiàn)

PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過Profibus DP 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其主要工作原理是在不改變原PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，加入第三方Profibus DP 從站設(shè)備，通過對主站進(jìn)行PLC 編程，將PLC 變量地址內(nèi)的數(shù)據(jù)，也就是需要被采集的信號發(fā)送至該從站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；或者加入第三方Profibus DP 總線監(jiān)聽設(shè)備，監(jiān)聽Profibus DP 總線上的數(shù)據(jù)，只要用戶知道被采集信號的地址，就可以對該信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在該P(yáng)DA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，應(yīng)用了型號為ibaL2B _S7 Direct Access 的通信卡。ibaL2B 通信卡是標(biāo)準(zhǔn)的PCI 接口板卡，通過PCI 總線來連接數(shù)據(jù)采集計算機(jī)和Profibus DP 主站設(shè)備，其系統(tǒng)連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ibaL2B 通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ibaL2B 板卡相當(dāng)于Profibus DP 的標(biāo)準(zhǔn)從站，通過在Profibus DP 網(wǎng)絡(luò)中組態(tài)，可以讓Profibus DP 主站將需要采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至該板卡所代表的從站中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。

2.3 PDA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

寬厚板控制系統(tǒng)采用的編程組態(tài)軟件是西門子的PCS7，我們利用PCS7 來完成對Profibus DP 網(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)和相關(guān)程序編制工作。首先，需要在系統(tǒng)硬件組態(tài)中加入PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對應(yīng)的Profibus DP 從站，組態(tài)的全部工作在PCS7中的對應(yīng)HW config（Hardware configuration）窗口中完成。

裝入iba 提供的 ibaL2B _S7 Direct Access 對應(yīng)的GSD文件IBA_0F05.GSD，將對應(yīng)ibaL2B _S7 Direct Access 從站拖入硬件組態(tài)窗口，掛接到 Profibus DP 總線上。以切頭剪區(qū)域?yàn)槔捎诓杉盘枖?shù)量較多，且考慮到采集的信號類型，在切頭剪區(qū)中 Profibus DP 總線網(wǎng)絡(luò)上組態(tài)4個IBA_0F05.GSD 從站，其 Profibus DP 總線PDA硬件組態(tài)畫面如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)畫面如圖4所示。

圖3 切頭剪 PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Profibus DP 硬件組態(tài)畫面

圖4 切頭剪 Profibus DP 總線PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)畫面

3 利用PDA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)離線分析工具ibaAnalyzer 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大的離線分析能力，其離線分析功能獨(dú)立于數(shù)據(jù)采集功能，利用由ibaPDA 數(shù)據(jù)采集軟件所生成的數(shù)據(jù)文件，可以在任何一臺計算機(jī)上用離線分析軟件ibaAnalyzer 來打開，對數(shù)據(jù)離線分析以及完成生成報表、打印輸出等功能。由PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)文件后綴名為.dat，數(shù)據(jù)文件中集成了不同信號的數(shù)據(jù)測量值，每個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)都加蓋時間戳記。對于調(diào)試及故障分析，可以以從L1 級基礎(chǔ)自動化獲得的過程數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析，同時，也可以以L2 級過程自動化或L3 生產(chǎn)自動化級獲得的產(chǎn)品品質(zhì)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析，從而定量的分析影響其品質(zhì)的因素，為改進(jìn)或優(yōu)化生產(chǎn)加工工藝提供一個簡單易行的量化參考工具。

對于故障分析，通常用時序因果分析法對多個相互關(guān)聯(lián)的信號進(jìn)行分析，可以快速確定故障原因，減少故障持續(xù)時間。以某次粗軋機(jī)軋制第二道次時不擺位為例，分析故障原因。圖5是粗軋PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中截取的軋機(jī)擺位的相關(guān)信號曲線，其中從上往下信號依次為：

Actual Step RM Roll:粗軋程序?qū)嶋H進(jìn)程

RM AGC:FrRef（AGC）（tons）：粗軋 AGC軋制力設(shè)定值（噸）

RM AGC:FrAct（tons）：粗軋AGC軋制力實(shí)際值（噸）

RM Actual Counter（For Setpoints）：粗軋機(jī)實(shí)際道次計數(shù)

RM Next Counter（For Setpoints）：粗軋機(jī)下一個道次計數(shù)

RM Preset Request to L2：粗軋向二級預(yù)請求信號

Preset L2 RM Receive：二級接收信號

分析IBA，如圖Actual Step RM Roll曲線可以看出，鋼板在第二道次軋制時，軋制力出現(xiàn)異常波動，如RM AGC:FrRef（AGC）（tons）所示，導(dǎo)致模型認(rèn)為此道次軋制力為600多噸，同時造成粗軋機(jī)道次計數(shù)沒有變化如圖 RM Actual Counter（For Setpoints）和RM Next Counter（For Setpoints）曲線所示，認(rèn)為第二道次沒有軋制完成二級設(shè)定值無法下發(fā)。因此軋機(jī)第二道次不擺位。再由圖RM Preset Request to L2可看出，操作人員手動請求二級設(shè)定值，但因?yàn)榇藭r道次計數(shù)仍保持為第二道次，二級認(rèn)為此申請無效，如 Preset L2 RM Receive 所示，因此仍不擺位。操作工手動軋制幾道次后，道次計數(shù)正常，軋制恢復(fù)正常。

圖5 粗軋PDA軋機(jī)擺位的相關(guān)信號曲線

4 結(jié)論

PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能通過多種通信方式與控制系統(tǒng)連接，擴(kuò)展性好，而且數(shù)據(jù)采集速率高，能滿足數(shù)據(jù)分析對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速性能的要求，目前已在寬厚板軋線上成功應(yīng)用，同時PDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)離線數(shù)據(jù)分析功能強(qiáng)大，為控制系統(tǒng)前期調(diào)試以及故障原因查找提供依據(jù)，同時也為數(shù)據(jù)報告的生成以及生產(chǎn)決策系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]王琳,商周,王學(xué)偉.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[J].電測與儀表,2008,41(464):3-7.

[2]劉艷云.具有PCI 和并行接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息,2008,24(6):16-18.

[3]廖常初.S7-300/400 PLC 應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:30-45,56-66.

[4]張強(qiáng).采用SPC3設(shè)計Profibus-DP智能從站[J].自動化儀表,2006,26(3):15-18.

[5]王平.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007:7-15,45-56.

[6]侯維巖,費(fèi)敏銳.PROFLBUS 協(xié)議分析和系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006:32-68.

[7]周福慶,杜文藝,王海軍.企業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的采集及其質(zhì)量控制[J].統(tǒng)計與咨詢,2008,3(13):33-37.

[8]丁修堃.軋制過程自動化[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1986:7-9,44-49.