徐國忠，高長水，孫小偉，李春

(1. 南京華格電汽塑業(yè)有限公司，江蘇 南京 210014； 2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

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注塑車間遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐國忠1，高長水2，孫小偉2，李春2

(1. 南京華格電汽塑業(yè)有限公司，江蘇 南京 210014； 2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

摘要：國內(nèi)現(xiàn)階段注塑生產(chǎn)的分散性特點(diǎn)導(dǎo)致生產(chǎn)管理部門既不能實(shí)時(shí)地了解各臺(tái)機(jī)器的生產(chǎn)狀態(tài)，又沒有足夠的數(shù)據(jù)用以分析出現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)問題的原因。為了克服傳統(tǒng)注塑生產(chǎn)的弊端，在對(duì)注塑生產(chǎn)過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出構(gòu)建基于RS-485、Device-Net現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的注塑車間遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制過程以及軟件實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集以及生產(chǎn)任務(wù)分配等功能。

關(guān)鍵詞：注塑機(jī)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；設(shè)計(jì)；工業(yè)以太網(wǎng)

0引言

人為監(jiān)控機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)、記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理模式已經(jīng)不能滿足規(guī)?；⑺苌a(chǎn)的要求。多數(shù)注塑成型機(jī)的生產(chǎn)商開始關(guān)注注塑生產(chǎn)的集中管理，部分生產(chǎn)商甚至已經(jīng)開始對(duì)在注塑車間組建局域網(wǎng)，建立新型注塑車間管理系統(tǒng)展開研究和應(yīng)用[1]。然而對(duì)于多數(shù)已經(jīng)存在的注塑成型機(jī)，其通信接口依然是不開放的，即使部分廠商開放了通信接口，其遠(yuǎn)程監(jiān)控的方案也只是將各臺(tái)機(jī)器的RS-232通信接口連入MODEM實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。這種方案通信不穩(wěn)定，容易受到環(huán)境的干擾[2]。鑒于現(xiàn)場總線的發(fā)展，本文構(gòu)建了基于RS-485、Device-Net現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控方案。該方案可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各臺(tái)機(jī)器的生產(chǎn)狀態(tài)，采集生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)共享，無紙化分配生產(chǎn)任務(wù)等功能。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)生產(chǎn)過程和產(chǎn)品品質(zhì)的分析，需要對(duì)每臺(tái)注塑成型機(jī)的5個(gè)關(guān)鍵開關(guān)量以及溫度、流量、壓力等15個(gè)模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。分別選用歐姆龍DRT2-MD16開關(guān)量輸入輸出模塊、DRT2-AD04模擬量輸入模塊、帶ModBus-RTU通信功能的溫濕度儀表構(gòu)建底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。選用歐姆龍CJ1W-DRM21 Device-Net總線單元、CJ1W-SCU41-V1串行通信單元實(shí)現(xiàn)開關(guān)量模塊、模擬量模塊以及溫濕度儀表與PLC的通信。PLC則選用內(nèi)置EtherNet/IP端口的歐姆龍CJ2M-CPU35實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)的以太網(wǎng)通信。另外選用歐姆龍NB7W觸摸屏實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的接收和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的上傳。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)采用面向?qū)ο蟮腃++語言編制，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的異地實(shí)時(shí)監(jiān)測，各機(jī)器生產(chǎn)任務(wù)的遠(yuǎn)程分配，與產(chǎn)品品質(zhì)相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及調(diào)用；下位機(jī)采用梯形圖編制，不僅可以對(duì)各儀表、PLC遠(yuǎn)程智能模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和運(yùn)算以供上位機(jī)讀取，而且可以主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)起通信，上傳生產(chǎn)數(shù)據(jù)、機(jī)器報(bào)警等信息。

2.1　模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件的功能，將軟件分為以下4個(gè)模塊：安全模塊、生產(chǎn)過程監(jiān)測模塊、生產(chǎn)任務(wù)分配模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

安全模塊：實(shí)現(xiàn)用戶登錄驗(yàn)證、用戶權(quán)限設(shè)置。

生產(chǎn)過程監(jiān)測模塊：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測，并將相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)值寫入數(shù)據(jù)庫。

生產(chǎn)任務(wù)分配模塊：遠(yuǎn)程分配生產(chǎn)任務(wù)的相關(guān)工藝參數(shù)。

數(shù)據(jù)處理模塊：查詢每模產(chǎn)品的參數(shù)信息、生成相關(guān)報(bào)表。

2.2　系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)方式

系統(tǒng)主要功能是由生產(chǎn)過程監(jiān)測模塊和生產(chǎn)任務(wù)分配模塊實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)流程圖

3系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

3.1　Device-Net現(xiàn)場總線技術(shù)

Device-Net現(xiàn)場總線是基于CAN技術(shù)的分布式、開放型高性能通信網(wǎng)絡(luò)。分布式結(jié)構(gòu)使得設(shè)備之間以一根電纜相互連接和通信，減少了配線和安裝的時(shí)間。Device-Net技術(shù)的規(guī)范和協(xié)議都是開放的，其開放型特征提供了部件間的互換性和即插即用的功能 。另外總線技術(shù)提供了硬件I/O接口很難實(shí)現(xiàn)的設(shè)備級(jí)診斷功能[3]。

本課題鑒于生產(chǎn)現(xiàn)場需要監(jiān)測的開關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)位置分散，配線不便，選用歐姆龍Device-Net總線單元和遠(yuǎn)程智能模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。為了避免長線信號(hào)傳輸時(shí)的信號(hào)反射和回波，在總線兩端接入終端電阻。

3.2　協(xié)議宏

系統(tǒng)中溫度、濕度數(shù)據(jù)的采集是通過帶RS-485通信功能的智能儀表完成的。因?yàn)楦髦悄軆x表采用的通信協(xié)議不同，所以一個(gè)RS-485串行接口不能同時(shí)與多個(gè)儀表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。幸而歐姆龍PLC提供了協(xié)議宏通信功能，其實(shí)現(xiàn)方法是在協(xié)議宏支持軟件CX-Protocol中根據(jù)不同儀表的串行通信協(xié)議規(guī)范編輯通信序列，然后在PLC梯形圖中由PMCR指令調(diào)用通信序列即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)RS-485串行通信接口與多個(gè)智能儀表之間的數(shù)據(jù)交換[4,5]。

3.3　工控機(jī)與PLC之間的以太網(wǎng)通信

由于注塑車間機(jī)臺(tái)位置分散、電磁干擾強(qiáng)，而且信息傳輸距離遠(yuǎn)。因此，在工控機(jī)和PLC之間選用工業(yè)以太網(wǎng)通信，借助于VC++6.0開發(fā)環(huán)境中的WinSock控件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[6,7]。

3.3.1生產(chǎn)任務(wù)分配程序設(shè)計(jì)

生產(chǎn)任務(wù)的分配是指上位機(jī)將產(chǎn)品的工藝參數(shù)寫入PLC數(shù)據(jù)區(qū)，然后由觸摸屏解碼并顯示的過程。產(chǎn)品的名稱及工藝參數(shù)包含漢字字符，而歐姆龍PLC與上位機(jī)通信協(xié)議規(guī)定其間的通信報(bào)文是由十六進(jìn)制字符構(gòu)成的[8]，因此，需要將漢字轉(zhuǎn)換成unicode字符集中與之對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制字符。這里調(diào)用Windows的API函數(shù)MultiByteToWideChar將漢字字符轉(zhuǎn)換為unicode字符[9]，然后在觸摸屏上以u(píng)nicode格式解碼即可實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的顯示。部分程序?qū)嵗缦拢?/p>

int CTaskDisDlg::s2u(const char *pSrc, BYTE *pDst)

{WCHAR wchr[ 4096 ];

intnDstLen=::MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, pSrc, -1, wchr, nDstLen);

if (nDstLen>0)

{For (int i = 0; i < nDstLen ; i++ )

{ /*取高位放在第一個(gè)BYTE*/

*(pDst++)=HIBYTE (wchr[i]);

/*取低位放在下一個(gè)BYTE*/

*(pDst++)=LOBYTE (wchr[i]);

}

}

else

{ ……

} return nDstLen;

}

3.3.2數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)

首先添加一個(gè)WinSock控件m_client，分別設(shè)置通信協(xié)議、本地端口號(hào)、PLC端口號(hào)、PLC的IP；然后定義兩個(gè)VARIANT型變量存放本地IP和端口信息，調(diào)用控件的bind函數(shù)綁定本地IP和端口；最后定義一個(gè)字節(jié)數(shù)組存放命令幀，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中數(shù)組不可以直接傳遞，因此借助于一個(gè)SAFEARRAY型變量將數(shù)組封裝成VARIANT型變量，再調(diào)用控件的SendData函數(shù)發(fā)送命令。部分程序?qū)嵗缦拢?/p>

m_client.SetProtocol(1); //1=UDP;0=TCP

……

VARIANTvtLocalPort,vtLocalIP;

……

m_client.Bind(vtLocalPort,vtLocalIP);

BYTE send_data_buf[2048];

……

SAFEARRAY *psa;

psa=SafeArrayCreate(VT_UI1,1,rgsabound);

long len;

for (len=0; len

SafeArrayPutElement (psa, &len, &send_data_buf [len]);

VARIANT send_var;

send_var.vt =VT_ARRAY|VT_UI1;

send_var.parray =psa;

m_client.SendData (send_var)

3.3.3數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的接收在OnDataArrivalWinsock函數(shù)中完成。首先調(diào)用WinSock控件的GetData函數(shù)將接收到的十六進(jìn)制數(shù)寫入一個(gè)VARINT型變量；然后定義一個(gè)SAFEARRAY型指針變量指向VARIANT型變量；最后通過SAFEARRAY型指針將接收到的數(shù)據(jù)逐個(gè)字節(jié)寫入數(shù)組。部分程序?qū)嵗缦拢?/p>

VoidCPlant_MonitorDlg::OnDataArrivalWinsock(long bytesTotal)

{VARIANT recv_var;

SAFEARRAY *psa_recv;

……

m_client.GetData(&recv_var,Vtype,Maxlen);//接收數(shù)據(jù)包

psa_recv=recv_var.parray;

BYTE recv_data_buf [2048];

long len;

for (len=0; len< bytesTotal; len++)

SafeArrayGetElement (psa_recv, &len, &recv_data_buf [len]); //數(shù)據(jù)存入接收數(shù)組

}

4軟件介紹

軟件界面分為4個(gè)部分：1) 車間所有機(jī)器工況顯示部分，根據(jù)各臺(tái)機(jī)器的當(dāng)前工況是正常生產(chǎn)、停機(jī)、維修分別顯示綠色、紅色、黃色；2) 任務(wù)分配部分，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)工藝參數(shù)的分配；3) 相關(guān)歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表查詢部分，可供查詢歷史數(shù)據(jù)、已完成生產(chǎn)任務(wù)的報(bào)表等；4) 網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)測部分，實(shí)時(shí)監(jiān)測上位機(jī)與PLC的網(wǎng)絡(luò)連接情況。系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)主界面

5結(jié)語

設(shè)計(jì)的注塑車間遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)展和適應(yīng)能力。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程并且可以為產(chǎn)品品質(zhì)分析提供足夠的數(shù)據(jù)，能夠滿足大部分注塑車間生產(chǎn)管理的要求。數(shù)據(jù)處理模塊為設(shè)備和產(chǎn)品診斷模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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Design and Application of Remote Monitoring System for Molding Injection Plant

XU Guo-zhong1, GAO Chang-shui2, SUN Xiao-wei2, LI Chun2

(1. Nanjing Huage Electronics& Automobile Plastic Industry Co., Ltd.，Nanjing 210014，China; College of

Mechanical and Electrical Engineering， 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Abstract:At this stage, due to the independence of all machines in the molding injection plant, the department of production management neither monitors the state of the machine in real time nor analyses the quality problem with enough datum which are closely related with the producing process. In order to overcome these disadvantages, this paper proposes to establish the remote monitoring system, based on RS-485,Device-Net,Industial Ethernet for molding injection plant and gives out the system structure, control flow and implement method with VC++.The experiment indicates the functions of real-time monitoring, data acquisition, task distribution can be achieved successfully.

Keywords:molding injection machine; remote monitoring; design; industrial ethernet

中圖分類號(hào)：TP277.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0206-03

作者簡介：徐國忠(1970-)，男，江蘇宜興人，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化/工業(yè)自動(dòng)化。

收稿日期：2014-08-30