吳 晗，楊 穎，周亞軍*

(1.杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.浙江三鑫自動(dòng)化工程有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

輪胎是影響汽車(chē)舒適性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的主要因素之一，輪胎的高質(zhì)量要求顯得尤為重要。隨著我國(guó)輪胎工業(yè)對(duì)全自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)展的追求，輪胎廠將由“自動(dòng)化孤島”向過(guò)程全自動(dòng)化和企業(yè)信息化發(fā)展。其中，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控是信息化管理實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。但輪胎生產(chǎn)中，車(chē)間各子系統(tǒng)分散，控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不盡相同，在互聯(lián)不同子系統(tǒng)和構(gòu)建集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將發(fā)揮至關(guān)重要的作用［1］。目前生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化一般以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和OPC 等技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，并且通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)與管理信息系統(tǒng)鏈接，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。本研究介紹子午線(xiàn)輪胎生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 OPC 技術(shù)簡(jiǎn)介

OLE(object linking and embedding)是對(duì)象鏈接與嵌入的縮寫(xiě)，是微軟為Windows 操作系統(tǒng)下，解決應(yīng)用軟件與各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的通信而推出的一個(gè)工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是用于服務(wù)器/客戶(hù)機(jī)鏈接的開(kāi)放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。大型工業(yè)控制系統(tǒng)常采用了幾家不同公司的控制設(shè)備，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)上位機(jī)的監(jiān)控軟件，必須對(duì)每一種設(shè)備都編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。OPC 作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供了信息交換的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口，采用OPC 統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，硬件廠商只需提供一套符合OPC 技術(shù)的程序，軟件開(kāi)發(fā)人員也只需編寫(xiě)一個(gè)接口就可以方便地對(duì)設(shè)備的所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)，而不管連接的設(shè)備是哪個(gè)具體廠商提供，從而降低了系統(tǒng)集成的成本。OPC 服務(wù)器由服務(wù)器對(duì)象、組對(duì)象、項(xiàng)對(duì)象等組成。OPC 服務(wù)器對(duì)象與客戶(hù)端對(duì)象相對(duì)應(yīng)，它將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、服務(wù)器狀態(tài)等自身的各種信息傳送給客戶(hù)端;組對(duì)象為客戶(hù)端提供組織數(shù)據(jù)的方式;OPC 項(xiàng)對(duì)象用來(lái)實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端與數(shù)據(jù)源的連接，項(xiàng)對(duì)象包括質(zhì)量、品質(zhì)和時(shí)間戳等基本屬性［2］。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

全鋼子午線(xiàn)輪胎生產(chǎn)的主要工序包括密煉、半制品(鋼絲壓延、復(fù)合擠出、內(nèi)襯層壓延、裁斷、鋼圈成型、鋼圈敷貼等)、胎胚成型、硫化和質(zhì)檢，整個(gè)生產(chǎn)流程比較復(fù)雜。制造過(guò)程的信息化和網(wǎng)絡(luò)化由控制層和監(jiān)控層組成，系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。

在控制層，對(duì)應(yīng)每一道工序，由PLC(可編程邏輯控制器)為主站，傳感器、執(zhí)行器為從站構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)，對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)和報(bào)警進(jìn)行采集。系統(tǒng)運(yùn)用OPC技術(shù)將數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳遞給上位數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。用于監(jiān)控的上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)控和生產(chǎn)過(guò)程報(bào)警信息的顯示。遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接Web 服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)權(quán)限進(jìn)行對(duì)應(yīng)權(quán)限的操作，保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全［3-4］。

2.2 控制層設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體框架

全鋼子午線(xiàn)輪胎生產(chǎn)工序較為復(fù)雜，本研究以全鋼子午線(xiàn)輪胎三復(fù)合胎面擠出生產(chǎn)線(xiàn)為例，介紹生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三復(fù)合胎面擠出生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制結(jié)構(gòu)

三復(fù)合擠出生產(chǎn)線(xiàn)主要工序有:喂料、三復(fù)合擠出、收縮、連續(xù)稱(chēng)重、壓延、上下坡、冷卻、裁斷、分選稱(chēng)重、卷取等［5］。擠出之后的工序稱(chēng)為輔線(xiàn)，三復(fù)合擠出機(jī)采用直流電機(jī)控制，共4 臺(tái)、輔線(xiàn)調(diào)速采用交流變頻電機(jī)，共21 臺(tái)、裁斷工序采用伺服電機(jī)，共2 臺(tái)，還有接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)等［6］。生產(chǎn)線(xiàn)采用西門(mén)子PLC 315-2DP 作為主控制器，變頻器采用三菱FR-A7NP，伺服驅(qū)動(dòng)器采用力士樂(lè)IndraDrive 驅(qū)動(dòng)器，直流驅(qū)動(dòng)器采用西門(mén)子MASTERDRIVES 驅(qū)動(dòng)器，開(kāi)關(guān)量等采用I/O 模塊IM 153-1，用PROFIBUS DP 構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)，進(jìn)行正確的物理連接后，要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)，也就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邏輯上的連接，步驟如下:

(1)PLC 通過(guò)PROFIBUS DP 連接底層設(shè)備，需要在STEP7 V5.4 軟件平臺(tái)上組態(tài)PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò):設(shè)置PROFIBUS DP 的工作模式為DP 主站模式，總傳輸速率1.5 Kbps，配置文件為DP，分配主站地址為1。變頻器、伺服電機(jī)、分布式I/O 等設(shè)置為DP 智能從站，對(duì)智能從站組態(tài)，首先在STEP7 平臺(tái)上安裝智能從站的GSD 文件，將相應(yīng)智能設(shè)備拖拽到PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)中，并設(shè)置從站站地址和診斷地址，站地址用于數(shù)據(jù)通訊，DP 從站通過(guò)診斷地址將故障信息發(fā)送給主站。對(duì)于從站是驅(qū)動(dòng)器的需要選擇PPO 類(lèi)型，它規(guī)定PLC 與驅(qū)動(dòng)裝置通訊時(shí)報(bào)文中有效數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu);并確定I/O 所占用的字節(jié)數(shù)以及地址，用于與主站通信。

(2)PLC 通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接到上位機(jī)，需要對(duì)PLC 進(jìn)行以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)配置:上位PC 機(jī)中安裝支持TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)卡CP1613，同時(shí)設(shè)置以太網(wǎng)卡CP1613 的IP 地址和子網(wǎng)掩碼。IP 地址一般設(shè)置為默認(rèn)的192.168.0.X，子網(wǎng)掩碼為默認(rèn)的255.255.255.0。PLC 側(cè)需要有以太網(wǎng)接口或者添加工業(yè)以太網(wǎng)處理器模塊CP343-1，在STEP7 的HW Config 界面中設(shè)置CP443-1 的IP 地址，該地址必須和上位機(jī)在同一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)中。子網(wǎng)掩碼地址設(shè)置為默認(rèn)的255.255.255.0，MAC 地址設(shè)置為CP 模塊上標(biāo)出的MAC 地址。

(3)OPC 服務(wù)器配置:OPC 服務(wù)器采用西門(mén)子廠家提供的SIMMATIC NET，運(yùn)行“Station Configurator”應(yīng)用程序，添加“OPC Server”組件和“IE General”組件，組態(tài)PC 站，并在STEP 7 中組態(tài)PC 站和PLC。

(4)組態(tài)設(shè)置完成后通過(guò)MPI接口將組態(tài)信息下載到S7-300 中。利用SIMMATIC NET 軟件自帶的OPC Scout 測(cè)試客戶(hù)端與服務(wù)器端的通信，通信成功即實(shí)現(xiàn)OPC 客戶(hù)端與PLC 的通訊［7］。

2.3 監(jiān)控層設(shè)計(jì)

本地監(jiān)控的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警監(jiān)測(cè)和歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)。系統(tǒng)采用不受PLC型號(hào)影響的OPC接口技術(shù)，生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)和報(bào)警數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與本地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行通訊.本地監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖3 所示。OPC 客戶(hù)端以統(tǒng)一方式訪問(wèn)不同設(shè)備的OPC 服務(wù)器以獲得生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警信息顯示從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)時(shí)將上一時(shí)刻的數(shù)據(jù)信息存放到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為歷史查詢(xún)的數(shù)據(jù)來(lái)源。

(1)OPC 服務(wù)器。OPC 服務(wù)器由設(shè)備廠家提供，上文已對(duì)其進(jìn)行了配置。

(2)OPC 客戶(hù)端。為了訪問(wèn)OPC 服務(wù)器，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的OPC接口，OPC 基金會(huì)提供兩種接口方式—自動(dòng)化接口和自定義接口。客戶(hù)端的開(kāi)發(fā)有3 種方法:ActiveX 控件開(kāi)發(fā)、OPC 快速開(kāi)發(fā)工具包開(kāi)發(fā)和COM 技術(shù)開(kāi)發(fā)。為了發(fā)揮OPC 服務(wù)器的最佳性能，這里使用COM 技術(shù)開(kāi)發(fā)客戶(hù)端。開(kāi)發(fā)客戶(hù)端的編程語(yǔ)言使用C++，可以訪問(wèn)兩種接口。客戶(hù)端開(kāi)發(fā)流程主要包括:

圖3 本地監(jiān)控系統(tǒng)框架

①連接服務(wù)器。首先用CoInitialize()函數(shù)對(duì)COM 庫(kù)初始化，通過(guò)CLSID FromProgID()函數(shù)獲取OPC 服務(wù)器的CLSID，本例SIMATICNET 的ProgID 為OPC.SimaticNET，通過(guò)函數(shù)Connect-ToServer()即可連接OPC 服務(wù)器。

②添加組、項(xiàng)等對(duì)象。分別利用IOPCServer和IOPCItemMgt接口指針的AddGroup()和AddItem()函數(shù)添加組，項(xiàng)。

③完成數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)操作。使用IOPCSyncIO接口指針的Read()和Write()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。

④釋放接口連接，刪除組(RemoveGroup)、項(xiàng)(RemoveItems)，斷開(kāi)與服務(wù)器的連接［8］。

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。在組態(tài)軟件中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以提供給數(shù)據(jù)顯示模塊。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)最重要的是實(shí)時(shí)性，因此組態(tài)軟件編程時(shí)需要設(shè)置定時(shí)刷新功能，定時(shí)通過(guò)OPC 客戶(hù)端和服務(wù)器讀取壓力、溫度、速度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)更新前數(shù)據(jù)信息，用戶(hù)可以查詢(xún)歷史運(yùn)行情況而進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析［9］。

(4)人機(jī)界面。系統(tǒng)將壓力、溫度、速度等現(xiàn)場(chǎng)重要的生產(chǎn)工藝參數(shù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。操作員可以根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)可以根據(jù)生產(chǎn)需要實(shí)時(shí)的改變生產(chǎn)工藝參數(shù)，達(dá)到生產(chǎn)要求。同時(shí)系統(tǒng)還具有報(bào)警顯示功能，可根據(jù)生產(chǎn)要求設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)警上、下限，故障發(fā)生時(shí)及時(shí)提示操作員進(jìn)行故障排除，同時(shí)將報(bào)警信息存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶(hù)從歷史數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)，可以對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)歷史運(yùn)行情況進(jìn)行查看和歷史報(bào)警信息分析。

遠(yuǎn)程監(jiān)控的作用是用戶(hù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)就可以監(jiān)控整個(gè)輪胎生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程，保證用戶(hù)快速、有效地管理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控層的核心是Web 服務(wù)器。在Web 服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的制作和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。當(dāng)用戶(hù)遠(yuǎn)程瀏覽網(wǎng)頁(yè)時(shí)向Web 服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，Web 服務(wù)器調(diào)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)與用戶(hù)進(jìn)行交互，顯示動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。

全鋼三復(fù)合擠出生產(chǎn)線(xiàn)監(jiān)控畫(huà)面如圖4 所示。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)全鋼子午輪胎生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖4 全鋼三復(fù)合擠出生產(chǎn)線(xiàn)監(jiān)控圖

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)全鋼子午線(xiàn)輪胎生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)設(shè)計(jì)了基于OPC 的輪胎生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，研究結(jié)果表明，系統(tǒng)通過(guò)控制層實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，達(dá)到生產(chǎn)要求，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員通過(guò)本地監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)將傳統(tǒng)的本地監(jiān)控系統(tǒng)拓展到遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)跨地區(qū)對(duì)生產(chǎn)的一體化監(jiān)控、管理和診斷，有效提高企業(yè)對(duì)生產(chǎn)管理的控制能力。

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