薛士龍，張輝，黃永峰，劉偉

(1.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306;2.上海勝屹自動(dòng)化工程有限公司，上海 201399)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)汽車性能的要求不斷提高.提高汽車生產(chǎn)過(guò)程的精密程度是解決上述問(wèn)題的重要措施，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配是提高汽車性能的最重要環(huán)節(jié).人工操作已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度的要求，因此工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)代汽車裝配生產(chǎn)的核心控制架構(gòu).［1-2］

小型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配流水線的工位包括螺栓擰緊工位、凸輪軸連桿安裝工位、缸體打標(biāo)工位、流水線線體控制工位、殼體密封油封壓裝工位等.數(shù)據(jù)的采集和管理系統(tǒng)是工業(yè)流水線中必不可少的系統(tǒng)，可以提高生產(chǎn)過(guò)程的精密程度，也可為后期產(chǎn)品的維護(hù)和數(shù)據(jù)追溯提供數(shù)據(jù)支持.油封壓裝工位用于發(fā)動(dòng)機(jī)軸承密封圈安裝，是發(fā)動(dòng)機(jī)裝配流水線中具有代表性的工位.本文采用OPC技術(shù)和串口通信技術(shù)，構(gòu)建油封壓裝工位監(jiān)控系統(tǒng)［3］.

1 油封壓裝工位監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

油封壓裝工位監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)管理層、監(jiān)控層、控制層、設(shè)備層，見(jiàn)圖1.

圖1 油封壓裝工位監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

管理層和監(jiān)控層的功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和應(yīng)用.管理層位于整個(gè)系統(tǒng)頂部，負(fù)責(zé)對(duì)整條發(fā)動(dòng)機(jī)裝配流水線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和管理.監(jiān)控層是嵌有監(jiān)控軟件的工控機(jī)，對(duì)流水線中具體工位進(jìn)行數(shù)據(jù)管理.監(jiān)控軟件采用VB 6.0編寫，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備層數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警顯示等功能.［4］

控制層選用西門子CPU315-2PN/DP型PLC為系統(tǒng)主站，主站中分配有一個(gè)DI模塊和一個(gè)DO模塊，作為操控臺(tái)的數(shù)據(jù)輸入和顯示.PLC通過(guò)以太網(wǎng)與工控機(jī)實(shí)時(shí)通信，通過(guò)Profibus-DP通信方式與兩個(gè)DP從站進(jìn)行通信.從站1主要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備層上料滑臺(tái)的控制.從站2主要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備層簡(jiǎn)單I/O設(shè)備(包括油封壓機(jī)、輔助氣缸)的控制.

設(shè)備層包括油封壓裝工位的所有執(zhí)行機(jī)構(gòu).執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括上料滑臺(tái)、油封壓機(jī)、輔助氣缸.上料滑臺(tái)電機(jī)采用西門子MM440變頻器輸出控制，有利于實(shí)現(xiàn)定位;油封壓機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳感器和監(jiān)控軟件進(jìn)行反饋控制;輔助氣缸通過(guò)I/O實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制.

監(jiān)控軟件通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)壓力、位移傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感器支持研華USB-4716數(shù)據(jù)采集卡，壓力、位移參數(shù)通過(guò)串口通信［5-6］進(jìn)行采集.油封壓裝工位工作中，壓力、位移傳感器用于檢測(cè)壓機(jī)壓裝的位移值和壓機(jī)受到的壓力值，這兩個(gè)參數(shù)的精度直接影響到油封壓裝的質(zhì)量.

2 監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件基于VB 6.0開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)的主要功能包括:用戶登錄、控制參數(shù)設(shè)定、通信設(shè)置與維護(hù)、數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)報(bào)警顯示、歷史數(shù)據(jù)保存等.監(jiān)控軟件工作流程如下:

(1)壓裝前準(zhǔn)備工作.用戶登錄，確認(rèn)用戶使用權(quán)限;通信情況檢測(cè)，檢測(cè)監(jiān)控軟件與PLC通信是否正常.

(2)壓裝工位正常工作過(guò)程.下達(dá)壓機(jī)工作命令;讀取壓機(jī)工作的壓力、位移值;數(shù)據(jù)處理，生成壓裝曲線并顯示壓裝結(jié)果，或生成相應(yīng)報(bào)警信息.

(3)工位工作結(jié)束.存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù).監(jiān)控軟件工作流程見(jiàn)圖2.

2.1 監(jiān)控軟件通信

監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的主要工作是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件與PLC和數(shù)據(jù)采集卡之間的通信，并設(shè)計(jì)軟件界面.實(shí)現(xiàn)通信是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能的基礎(chǔ)條件.軟件通信的實(shí)現(xiàn)主要包括軟件與PLC的OPC通信和軟件與數(shù)據(jù)采集卡的串口通信.［7］

2.1.1 OPC 通信的實(shí)現(xiàn)

OPC是一種能夠提供高效信息集成和數(shù)據(jù)交互功能的工業(yè)通信接口標(biāo)準(zhǔn)，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制中具有廣泛的應(yīng)用.實(shí)現(xiàn)OPC通信包括實(shí)現(xiàn)硬件組態(tài)和軟件程序的編寫.［8］在油封壓裝系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控軟件與S7-300 PLC的通信，西門子PLC作為OPC服務(wù)器，VB作為OPC客戶端，在SIMATIC NET和STEP 7軟件環(huán)境下，完成OPC服務(wù)器與S7-300連接通信的硬件組態(tài)，用VB編寫OPC客戶端和服務(wù)器端程序［9］.圖3為工控機(jī)與PLC硬件連接.

圖2 監(jiān)控軟件工作流程

圖3 工控機(jī)與PLC硬件連接

在硬件連接的基礎(chǔ)上需要進(jìn)行硬件的組態(tài)，組態(tài)過(guò)程在SIMATIC NET和STEP 7軟件環(huán)境下完成.安裝SIMATIC NET之后，通過(guò)運(yùn)行Station Configuration Editor，配置PC站硬件機(jī)架，作為OPC通信的服務(wù)器;通過(guò)STEP 7組態(tài)PC Station，并下載到OPC服務(wù)器中，完成硬件組態(tài).然后，調(diào)用 OPCDAAuto.DLL控件，并定義監(jiān)控軟件與PLC通信的變量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組發(fā)送和接收.［10-11］

2.1.2 數(shù)據(jù)采集卡與監(jiān)控軟件之間通信的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用的USB-4716數(shù)據(jù)采集卡提供帶有16位分辨率的16SE/8Diff.模擬量輸入、傳輸速度為200 kS/s.USB-4716數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)USB接口與工控機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)串口通信.數(shù)據(jù)采集卡的讀入電壓范圍為－5～+5 V，壓力值采用TOX-ZPS壓力傳感器采集，位移值采用NOVO電阻式位移傳感器采集.TOX-ZPS壓力傳感器需要根據(jù)功率選擇信號(hào)放大器處理其讀入的信號(hào)，方能接入板卡.

在實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集卡通信的過(guò)程中，直接采用研華提供的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件和第三方制作的ActiveX控件，可在一定程度上降低程序開發(fā)的難度和成本，具有較好的靈活性和標(biāo)準(zhǔn)性.研華公司的Advantech DLL Driver軟件支持USB-4716等多種型號(hào)數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，提供adsapI32.DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，其中包含一系列能對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行底層I/O操作的函數(shù).在全局模塊的說(shuō)明部分用Declare聲明所要使用的DLL函數(shù)，就可以從VB調(diào)用這些DLL函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡中數(shù)據(jù)的讀取和應(yīng)用.［12-13］

2.2 軟件界面的設(shè)計(jì)

在VB 6.0的環(huán)境下，運(yùn)用OPC和串口通信技術(shù)設(shè)計(jì)汽車裝配流水線的監(jiān)控界面.界面設(shè)計(jì)主要包括人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)和軟件功能的設(shè)計(jì)，其中實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件功能是關(guān)鍵步驟.

(1)登錄界面.用戶通過(guò)輸入用戶名和密碼登錄監(jiān)控系統(tǒng).根據(jù)客戶要求，登錄界面具備分權(quán)限登錄功能，不同權(quán)限的用戶對(duì)系統(tǒng)的可控范圍不同.

(2)應(yīng)用主界面.主界面(見(jiàn)圖4)分為工具欄、產(chǎn)品型號(hào)選擇欄、檢測(cè)狀態(tài)欄、通信狀態(tài)欄、壓裝曲線表等5部分.工具欄的功能包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)查看、退出系統(tǒng)等;產(chǎn)品型號(hào)選擇欄可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品型號(hào)的選擇;檢測(cè)狀態(tài)欄顯示壓裝過(guò)程中的壓力、位移實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和壓裝結(jié)束后的壓裝結(jié)果;通信狀態(tài)欄顯示監(jiān)控軟件與PLC的通信情況;壓裝曲線表包括一個(gè)循環(huán)過(guò)程的壓力和位移曲線.

圖4 監(jiān)控軟件主界面

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用.在系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)功能具有非常重要的作用.本文設(shè)計(jì)的軟件應(yīng)用ADODB函數(shù)組件對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理應(yīng)用，界面數(shù)據(jù)顯示使用DataGrid控件.［14］功能包括:用戶數(shù)據(jù)設(shè)定、新型號(hào)產(chǎn)品入檔、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ).圖5為數(shù)據(jù)庫(kù)在監(jiān)控軟件中的應(yīng)用.

3 結(jié)束語(yǔ)

圖5 壓裝歷史數(shù)據(jù)保存界面

本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC、上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡的通信，完成數(shù)據(jù)的采集分析處理和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制層的反饋控制，真正實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件的檢測(cè)和控制功能，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求.該油封壓裝工位監(jiān)控軟件已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)的結(jié)果比較理想，具有一定的實(shí)用價(jià)值.

［1］段明皞，蘇錫年，朱曉民，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2008，30(2):84-86

［2］路澤永，李立華，冷向東，等.汽車裝配線中的信息化和網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)［J］.可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2011(11):97-99.

［3］王德權(quán)，吳盼，黃鵬.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2011(6):125-127.

［4］胡毅，于東，劉明烈.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2010，7(1):23-28.

［5］陳加敏，薛士龍，張寧，等.自動(dòng)化集裝箱碼頭監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(3):16-18.

［6］胡紅錢，劉曉勤，施偉峰.基于Powerlogic系統(tǒng)架構(gòu)的船舶自動(dòng)化電站監(jiān)控系統(tǒng)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(3):20-24.

［7］張寧，薛士龍，陳加敏，等.基于OPC技術(shù)的自動(dòng)化集裝箱碼頭監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(1):21-24.

［8］石靈丹，華斌，朱歆州，等.基于OPC技術(shù)的PC與西門子PLC的實(shí)時(shí)通信［J］.船電技術(shù)，2011，31(1):9-12.

［9］周金峰，肖伸平，曾紅兵.基于OPC技術(shù)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)客戶端實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24(3):40-42.

［10］張俊彪.基于OPC Server的PC與S7-300/400的通信［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，27(4):83-86.

［11］胡忠德.基于OPC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27(11):42-48.

［12］高雪飛，朱開宇，蘇震.基于研華數(shù)據(jù)采集卡和MCGS組態(tài)軟件的離子鍍膜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2012，39(2):253-255.

［13］陶培琪，徐婭萍，熊平.VB環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集卡測(cè)控系統(tǒng)［J］.鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22(4):129-131.

［14］郭琦.Visual Basic數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2003:9-14.