王華強，李 展

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

聚氨酯樹脂反應釜信息系統(tǒng)設計與應用

王華強，李 展

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

以聚氨酯樹脂反應釜監(jiān)控系統(tǒng)為背景，針對工人設置配方費時費力且容易出錯、生產操作過程無法追溯等問題，設計了基于組態(tài)王和數(shù)據庫的信息化系統(tǒng)。系統(tǒng)使用以太網完成生產過程中各參數(shù)的實時傳遞；使用數(shù)據庫技術對反應釜生產過程中的信息進行存儲和處理；運用DDE通信協(xié)議完成對Excel文件的讀取，使系統(tǒng)可以直接讀取Excel配方表，無需工人手動設置配方；增加了Web技術的應用，使企業(yè)的上層管理人員可以實時了解生產狀況。該系統(tǒng)不僅能安全可靠地通信、快速采集數(shù)據和處理數(shù)據、準確實時地監(jiān)控設備和顯示生產進度，而且可以在未來不斷更新和擴展功能，以滿足企業(yè)對生產的更高要求。生產實踐表明，該系統(tǒng)可以大大降低工人勞動強度，減少工人的操作失誤，提高生產質量，增加企業(yè)的經濟效益。

聚氨酯樹脂； 反應釜； 組態(tài)王； 數(shù)據庫； 遠程監(jiān)控； 信息化

0 引言

聚氨酯樹脂(polyurethane,PU)生產過程中，需要按照提前給定的配方表，把多種原料按順序加入反應釜，然后在反應釜中進行攪拌加工得到所需產品[1]。其中，對原料的加入質量和加入順序要求非常高。如果加入原料時出現(xiàn)差錯，就會對產品質量產生很大的影響。原來的聚氨酯樹脂反應釜監(jiān)控系統(tǒng)，要求工人按照配方表在可視化界面上手動控制，將本次生產所需的原料依次加入。這種方式下，工人有可能因為疏忽而出錯，而且原系統(tǒng)無法把生產過程中工人的操作記錄下來，無法進行問題追溯分析。

針對以上問題，本文在聚氨酯樹脂反應釜監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，設計并實現(xiàn)了基于組態(tài)王和數(shù)據庫的信息系統(tǒng)。工人可以在可視化界面從Excel表格中讀取配方，并把配方保存在數(shù)據庫中。生產過程中的信息和工人操作被記錄到數(shù)據庫中，以便進行問題的追溯分析。系統(tǒng)中增加了Web技術的應用，使企業(yè)的上層管理人員可以實時了解生產狀況。該系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據采集智能化、生產透明化、監(jiān)控實時化，有效提高了企業(yè)的生產效率[2]。

1 反應釜信息系統(tǒng)結構設計

以原聚氨酯樹脂反應釜監(jiān)控系統(tǒng)為基礎，增加數(shù)據系統(tǒng)的設計，創(chuàng)建并維護一個數(shù)據庫，用來保存生產過程中的參數(shù)和工人的具體操作。擴展組態(tài)王的界面和功能[3-4]，用來作為數(shù)據庫的管理系統(tǒng)。反應釜信息系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

下位機PLC通過傳感器與變送裝置將反應釜的實時狀態(tài)發(fā)送給上位機，通過繼電器對閥門、泵、電機等執(zhí)行部件進行控制[5]，并且把從上位機發(fā)送來的配方質量參數(shù)傳送給托利多電子秤。上位機通過可視化界面對PLC傳送來的參數(shù)進行實時顯示，并把重要數(shù)據保存到數(shù)據庫中?？蛻舳耸褂媒M態(tài)王開發(fā)，主要作用是數(shù)據的采集與處理。數(shù)據服務器用來接收并保存客戶端傳送來的數(shù)據，并根據客戶端的請求，發(fā)送相應的配方表、查詢數(shù)據給客戶端。

2 數(shù)據庫系統(tǒng)設計

數(shù)據庫系統(tǒng)是由數(shù)據庫及其管理軟件組成的系統(tǒng)。數(shù)據庫系統(tǒng)是整個信息化系統(tǒng)運行的核心[6]，用于存儲和處理反應釜運行過程的數(shù)據。本系統(tǒng)設計使用MySQL和組態(tài)王作為開發(fā)平臺。

2.1 數(shù)據庫表

數(shù)據庫表的設計基于工廠的實際要求，主要包括基本信息、生產數(shù)據、配方三個部分。

①基本信息包含員工表、部門表和職位表，數(shù)據主要來源于上層管理系統(tǒng)數(shù)據庫。因其數(shù)據量大、修改頻率低、查詢頻率高等特點，可以建立表索引，便于快速查詢所需信息。

②生產數(shù)據包含生產過程信息表、生產過程員工操作表，數(shù)據的來源主要是現(xiàn)場的各種傳感器和工人的具體操作。這部分的數(shù)據采集頻率高、數(shù)據量大，需要進行實時的存儲和處理。生產過程信息表如表1所示。

表1 生產過程信息表

③配方是按工廠提供的各種配方建立配方表，供操作員直接查詢和快速導入，免去手工設置的步驟，減少出錯的概率。由于配方表是提前設定好的，很少進行修改，主要用于查詢，所以建立表索引，便于快速查詢所需配方。配方表如表2所示。

表2 配方表

2.2 數(shù)據庫管理設計

組態(tài)王作為一個國內組態(tài)軟件的品牌，不僅自己有歷史庫，而且只需要簡單的配置就能和關系數(shù)據完成數(shù)據的交互[7-8]。為了縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，直接選用組態(tài)王作為數(shù)據庫管理系統(tǒng)的開發(fā)軟件。

組態(tài)王和關系數(shù)據庫數(shù)據交互必須借助于開放數(shù)據庫連接(open database connectivity,ODBC)[9]，所以要建立組態(tài)王與某個關系庫連接，必須保證裝有組態(tài)王的機器上有對應數(shù)據庫的ODBC驅動。數(shù)據交互的結構框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據交互的結構框圖

Fig.2 The block diagram of data interaction

首先在系統(tǒng)ODBC數(shù)據源中添加數(shù)據庫。然后通過組態(tài)王SQL訪問管理器和SQL函數(shù)實現(xiàn)各種操作。

組態(tài)王SQL訪問管理器用來建立數(shù)據庫列和組態(tài)王變量之間的聯(lián)系。通過表格模板在數(shù)據庫中創(chuàng)建表格，通過記錄體建立數(shù)據庫表格列和組態(tài)王之間的聯(lián)系，允許組態(tài)王通過記錄體直接操縱數(shù)據庫中的數(shù)據。

組態(tài)王SQL函數(shù)可以在組態(tài)王的任意一種命令語言中調用。這些函數(shù)用來建立和斷開連接，創(chuàng)建表格，插入、刪除記錄，查詢記錄等操作。

①連接mysql數(shù)據庫。使用組態(tài)王SQL函數(shù)SQLConnect(DeviceID,"dsn=;database=;uid=;pwd=")，其中DeviceID是組態(tài)王與mysql數(shù)據庫連接的標志，dsn是ODBC中定義的數(shù)據源名，database是mysql數(shù)據庫中，需要與組態(tài)王建立連接的數(shù)據庫名稱，uid和pwd分別是用戶名和密碼。

②斷開連接。通過SQLDisconnect(DeviceID)函數(shù)，斷開與mysql數(shù)據庫的連接。

③創(chuàng)建和刪除表格。創(chuàng)建表格函數(shù)SQLCreatTable(DeviceID,"DataTable","TableTemplate")，DataTable是將要創(chuàng)建的數(shù)據庫表格名，TableTemplate是表格模板名。刪除表格函數(shù)SQLDropTable(DeviceID,"Table")，Table是數(shù)據庫中表格的名稱。

④插入記錄。SQLInsert(DeviceID,"TableName","BindList")，DeviceID是組態(tài)王與mysql數(shù)據庫連接的標志，TableName是需要訪問的數(shù)據庫表名，BindList為組態(tài)王中定義的記錄體。該命令使用記錄體BindList中的定義，在表格TableName中插入一個新的記錄。

⑤刪除記錄。SQLDelete(DeviceID,"TableName","WhereExpr")，DeviceID是組態(tài)王與mysql數(shù)據庫連接的標志，TableName是需要訪問的數(shù)據庫表名，WhereExpr是指定函數(shù)起作用行的條件。如果列名是字符串，表達式必須在單引號中。

⑥查詢記錄。使用SQLSelect()函數(shù)訪問數(shù)據庫，得到一個特定的選擇集。選擇集中的記錄可以由SQLFirst()、SQLNext()、SQLPrev()、SQLLast()等函數(shù)訪問。具體格式為SQLSelect(DeviceID,"TableName","BindList","WhereExpr","OrderByExpr")，TableName為表格名稱，BindList是組態(tài)王中定義的記錄體，WhereExpr是指定函數(shù)起作用行的條件，OrderByExpr是定義排序的列和方向。

3 DDE協(xié)議讀取Excel配方表

工廠中的工藝人員習慣于使用Excel表格來管理配方，完成配方的制定和修改，然后傳送給各車間。車間按照指定配方手動設置參數(shù)，進行所需產品的生產。這種方法不僅費時費力，而且容易出錯。所以本系統(tǒng)增加了讀取Excel配方表的功能，直接快速、準確地完成參數(shù)的設置，提高了生產效率。

3.1 DDE通信協(xié)議

動態(tài)數(shù)據交換機制(dynamic data exchange,DDE)是Windows平臺上的一個完整的通信協(xié)議，它使支持動態(tài)數(shù)據交換的兩個程序能彼此交換數(shù)據[10]。一個應用程序作為客戶機請求信息，另一個應用程序作為服務器處理信息?？蛻魴C應用程序向服務器應用程序發(fā)送一條消息請求信息，服務器應用程序根據該信息作出應答，從而實現(xiàn)兩個程序之間的數(shù)據交換[11]。DDE對話的內容是通過三個標志名來約定的。

①應用程序名(application),進行DDE對話的雙方的名稱。組態(tài)王運行系統(tǒng)的程序名是“VIEW”；Microsoft Excel的應用程序名是“Excel”。

②主題(topic),被討論的數(shù)據域。組態(tài)王的主題規(guī)定為“tagname”；Excel的主題名是電子表格的名稱，如sheet1、sheet2 ……

③項目(item),被討論的特定數(shù)據對象(domain)。在組態(tài)王定義I/O變量的同時，也定義項目名稱。Excel里的項目是單元，比如 r1c2(r1c2表示第一行、第二列的單元)。

3.2 組態(tài)王讀取Excel表格

組態(tài)王讀取Excel表格時，組態(tài)王程序作為客戶機，Excel應用程序作為服務器。具體實現(xiàn)步驟如下。

①在組態(tài)王中定義DDE設備。在工程瀏覽器中，選擇新建“設備DDE”，設置服務程序名為Excel，話題名為sheet1，數(shù)據交換方式選擇標準Windows DDE交換。

②在組態(tài)王數(shù)據詞典中定義變量。新建多個I/O實型變量，用來關聯(lián)Excel表中多個單元格。例如變量名為物料1名稱、項目名為r2c1和變量名為物料1質量、項目名為r2c2的兩個變量，分別與Excel第二行第一列的單元格和第二行第二列的單元格進行關聯(lián)。

③制作組態(tài)王界面。該界面可以關聯(lián)Excel表格，并且含有按配方表生產的操作按鈕。配方中沒有使用到的物料所對應的按鈕無法操作，配方中含有的物料所對應的按鈕使能，工人可以進行相關操作，這樣可以避免工人的誤操作。

4 Web技術應用

為了使用戶可以方便地查看每日生產信息，系統(tǒng)加入了Web技術進行信息發(fā)布[12]。組態(tài)王提供了For Internet應用版本——組態(tài)王Web版，支持Internet訪問。組態(tài)王Web功能采用B/S結構，客戶可以隨時隨地通過Internet實現(xiàn)遠程監(jiān)控。組態(tài)王進行Web畫面發(fā)布時，瀏覽器端需要安裝Microsoft Internet Explore 5.0以上的瀏覽器以及JRE插件。Web功能結構示意圖如圖3所示。

圖3 Web功能結構示意圖

具體Web界面發(fā)布步驟如下。

①Web發(fā)布的配置。在頁面發(fā)布向導對話框中設置站點信息和LOGO信息，主要進行端口號的設置。端口號是指IE與運行系統(tǒng)進行網絡連接的應用程序端口號，默認為8001。

②發(fā)布畫面。在組態(tài)王的畫面發(fā)布中，發(fā)布功能采用分組方式。將畫面按照不同的功能分成多個組進行發(fā)布。每個組都有獨立的安全訪問設置，可以供不同的客戶群瀏覽。在Web發(fā)布組配置中，設置組名稱為AnliGroup，選中工藝畫面和曲線畫面為發(fā)布畫面，選中身份驗證選項。用戶登錄必須輸入用戶名和密碼。

③在IE瀏覽器端瀏覽發(fā)布的畫面。在進行IE瀏覽之前，首先需要添加信任站點，把進行組態(tài)王Web發(fā)布的機器名或IP地址添加到信任域中。然后在瀏覽器的地址欄中輸入地址，地址格式為http://發(fā)布站點機器名(或IP地址)。組態(tài)王Web定義端口號，輸入登錄的用戶名和密碼，就可以瀏覽發(fā)布的畫面。

工藝畫面中包含了反應釜的各項參數(shù)(電機電流、溫度、質量等)；生產的產品名稱和生產所需的物料種類；系統(tǒng)處于手動狀態(tài)或自動狀態(tài)；各種故障提示。這些參數(shù)反映了整個反應釜的生產狀況，所以對工藝畫面的發(fā)布，使上層管理人員不必走到車間，在自己的辦公室使用瀏覽器瀏覽發(fā)布的工藝畫面，就可以實時了解到反應釜的生產情況。這樣有利于上層管理人員對生產進度的把控，便于生產的管理。

5 結束語

本文設計了基于組態(tài)王和數(shù)據庫的反應釜信息系統(tǒng)，并在聚氨酯樹脂反應釜監(jiān)控系統(tǒng)中得到了實現(xiàn)。配方功能的增加降低了工人的出錯率和工作量，提高了企業(yè)的整體效益。Web功能的運用使上層管理人員可以實時了解生產情況，更加便于生產管理。整個系統(tǒng)利用以太網和數(shù)據庫技術實現(xiàn)上層管理系統(tǒng)和下層系統(tǒng)的銜接、信息采集與交互、遠程監(jiān)控等多種功能。本文以聚氨酯樹脂反應釜監(jiān)控系統(tǒng)為背景，實現(xiàn)了系統(tǒng)的升級，完成了反應釜信息系統(tǒng)的設計，具有開發(fā)周期短、系統(tǒng)功能完善、實用性強等特點，對類似的系統(tǒng)開發(fā)具有參考意義。

[1] 俞金壽,顧幸生.過程控制工程[M].北京:高等教育出版社,2012:4-24.

[2] 劉月剛,馬崇啟.竹節(jié)紗工藝管理信息系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].紡織學報,2013,34(10):141-145.

[3] 楊臨.PLC和組態(tài)王在機房監(jiān)控中的應用[J].現(xiàn)代制造技術與裝備,2016(10):144-145.

[4] 劉敏,徐麗.組態(tài)在PLC控制中的應用[J].電腦編程技巧與維護,2016(6):95-96.

[5] 王華強,侯雷.聚氨酯樹脂反應釜監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].安徽大學學報,2015,39(4):38-42.

[6] 劉文浩,包亞萍,童國道.空調生產線信息化系統(tǒng)設計與應用[J].組合機床與自動化加工技術,2016(9):78-81.

[7] 張艷麗,潘越,曹杰.組態(tài)王數(shù)據庫技術在煤礦通風機監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].煤礦機電,2014(6):81-83.

[8] 唐明媚,唐孝蓉.基于PLC與組態(tài)王的生產進程數(shù)據庫系統(tǒng)設計[J].機床與液壓,2014(2):115-116.

[9] 張輝,張貴軍,王龍龍,等.造紙過程中加藥信息控制信息集成系統(tǒng)[J].計算機工程,2008,34(14):256-258．

[10]劉增祥,夏益青.DDE與OPC技術在工業(yè)自動化系統(tǒng)中的應用[J].可編程控制器與工廠自動化,2008(1):67-71.

[11]田虎,楊承志.基于DDE和組態(tài)軟件的控制系統(tǒng)仿真研究[J].自動化儀表,2009(2):11-14.

[12]王華強,高孝濤.基于組態(tài)王的Web信息發(fā)布系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2015(11):1263-1265.

Design and Application of the Information System for Polyurethane Resin Reactor

WANG Huaqiang,LI Zhan

(School of Electric Engineering and Automation,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

With the monitoring system of polyurethane resin reactor as the background,to solve the problems,such as time-consuming and error-prone for manual setup the formulas,and impossible to trace the operation of the production process,the informatizationsystem based on Kingview and database is designed.In the system,Ethernet is used to complete the real-time transmission of the parameters in production process;the database technology is used to store and process information of process of the reactor;and DDE communication protocol is applied to complete read and write of Excel files.In order to avoid setting up formulas manually,this system can directly read Excel formula table.In addition,application of Web technology is added,thus the management staff at high level in enterprise can master the status of production in real-time.The system can not only realize safe and reliable communication,rapid data acquisition and processing,accurate real-time monitoring the device and display production progress,but also can constantly update and extend the functionality in the future,to satisfy the higher productive requirements of enterprise.Production practice shows that the use of the system can greatly reduce labor intensity and the operational errors of operators,improve production quality and increase economic benefits of enterprise.

Polyurethane resin; Reactor; Kingview; Database; Remote monitoring; Informatization

合肥工業(yè)大學產學研校企合作基金資助項目(12-069、13-214)

王華強(1963—)，男，碩士，副教授，主要研究領域為工業(yè)過程控制。E-mail：wang_hua_qiang@163.com。

TH39；TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705010

修改稿收到日期：2017-02-20