宋 建，方 嵩，駱繼國(guó)

（1.華南理工大學(xué)廣東省高分子先進(jìn)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640；2.華南理工大學(xué)聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640；3.廣州晶品智能壓塑科技股份有限公司，廣州510530）

塑料制品在各行各業(yè)中隨處可見，其產(chǎn)量仍逐年上漲，塑料擠出成型作為三大塑料成型工藝之一，其制品在所有塑料制品中占比約為40%[1-2]。為了滿足塑料制品不斷增長(zhǎng)的需求，塑料擠出成型設(shè)備也在向著高效、智能化的方向發(fā)展，有些企業(yè)生產(chǎn)的塑料擠出機(jī)使用自主研發(fā)的集中控制系統(tǒng)，比如巴頓菲爾辛辛那提公司的BCtouch UX 控制系統(tǒng)，可以將多臺(tái)設(shè)備連接到一起，所有工藝參數(shù)均可集中監(jiān)控，還支持外部聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)[3]。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)的中小企業(yè)的塑料擠出加工車間的擠出機(jī)使用的是儀表控制柜，設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)使用儀表顯示但沒有記錄功能，在日常生產(chǎn)中生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)主要由現(xiàn)場(chǎng)巡視工人定時(shí)記錄，這樣不僅實(shí)時(shí)性差，效率低，而且也不利于車間的管理。而更換帶有集中監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)功能的擠出機(jī)設(shè)備的高昂成本讓大部分中小企業(yè)望而卻步。

近年來，隨著PLC 集成的功能越來越強(qiáng)大，在工廠的改造升級(jí)中常常用到[4-5]，甚至可以用PLC 來進(jìn)行設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，加上車間物聯(lián)網(wǎng)的興起[6]，使得數(shù)據(jù)監(jiān)控的方式也有了更多的選擇。本文在詳細(xì)調(diào)研廣東某公司的塑料擠出加工車間后，提出利用PLC 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為該車間設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以快速搭建完成且?guī)缀醪桓膭?dòng)原有設(shè)備，系統(tǒng)通過采集、監(jiān)控和分析生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控，來提高該車間的生產(chǎn)效率與管理水平。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 擠出機(jī)儀表控制柜內(nèi)部通信

企業(yè)需要集中監(jiān)控的數(shù)據(jù)主要包括擠出機(jī)主電機(jī)和喂料電機(jī)的運(yùn)行速度與電流、各溫區(qū)溫度以及機(jī)頭熔體壓力。實(shí)地了解后發(fā)現(xiàn)企業(yè)采用的是儀表型控制電柜，電柜內(nèi)有主電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器1 個(gè)，喂料變頻器1 個(gè)、喂料伺服驅(qū)動(dòng)器2 個(gè)，溫控表8 個(gè)。其中，變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器均帶有RS485 接口且支持Modbus 通信協(xié)議；采用廠家的配套通信變換器可將8 個(gè)溫控集成為一個(gè)Modbus RTU 從站；熔體壓力傳感器的輸出為0～10 V 的模擬量信號(hào)，無法直接組網(wǎng)，在此將其接入主電機(jī)變頻器的多功能模擬量輸入端子，然后通過讀取變頻器相應(yīng)的寄存器便可獲得熔體壓力信號(hào)數(shù)據(jù)。通過上述的改造，僅使用一條RS485 總線便可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)擠出機(jī)儀表控制柜內(nèi)部所有數(shù)字設(shè)備的組網(wǎng)，具體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

1.2 集中監(jiān)控系統(tǒng)

圖1 儀表控制柜內(nèi)部設(shè)備通信連接Fig.1 Communication connection of equipment inside the instrument control cabinet

擠出機(jī)儀表控制柜集中監(jiān)控系統(tǒng)由擠出機(jī)儀表控制柜、PLC 及其通信模塊、交換機(jī)、本地計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器等組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.2 System structure topology diagram

在該系統(tǒng)中，由PLC 作為數(shù)據(jù)采集、匯總的裝置，通過其擴(kuò)展的RS485 通信模塊與所有儀表控制柜內(nèi)部的設(shè)備進(jìn)行通信，并將所需數(shù)據(jù)采集、匯總到一起。通過PLC 的以太網(wǎng)口車間現(xiàn)場(chǎng)的PC 可以訪問并保存匯總的數(shù)據(jù)，同時(shí)無線網(wǎng)關(guān)也會(huì)通過以太網(wǎng)讀取PLC 中匯總的數(shù)據(jù)，然后使用4G 無線網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器中儲(chǔ)存。車間現(xiàn)場(chǎng)的PC 使用Wincc 組態(tài)，其運(yùn)行界面上可進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控與展示。遠(yuǎn)程PC 和移動(dòng)設(shè)備可以通過瀏覽器訪問和配置云服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控。

2 數(shù)據(jù)采集與匯總

儀表控制柜內(nèi)部設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與匯總是使用西門子S7-1200 PLC 及其拓展的通信模塊完成的，S7-1200 PLC 是一款經(jīng)濟(jì)型模塊化的控制器，可拓展連接8 個(gè)信號(hào)模塊用于數(shù)字量和模擬量的輸入輸出，同時(shí)擁有強(qiáng)大的通信拓展功能[7-8]。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該車間共有6 條塑料擠出加工生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線有5 個(gè)從站需要進(jìn)行通信訪問，車間總計(jì)30 個(gè)從站。查閱手冊(cè)可知[9]，該P(yáng)LC 拓展的單個(gè)RS485 通信模塊可連接31 個(gè)從站，連接方式采用終端匹配的總線結(jié)構(gòu)，即用一條總線將從站一個(gè)一個(gè)串接起來。雖然從數(shù)量上來說1 個(gè)通信模塊就足夠連接所有的設(shè)備，但是考慮到以下兩點(diǎn)，在此選擇使用2 個(gè)通信模塊。

（1）使用2 個(gè)通信模塊可以提高數(shù)據(jù)采集頻率。因?yàn)镽S485 采用半雙工的工作模式，數(shù)據(jù)是通過逐個(gè)訪問設(shè)備獲取的，所以一條總線上的設(shè)備越多，訪問周期就越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)采集頻率就越低，使用2 個(gè)通信模塊直接將一條總線上的設(shè)備減少到原先的一半，相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集頻率就提高了1 倍。

（2）使用2 個(gè)通信模塊可以提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。如果使用1 個(gè)通信模塊連接30 個(gè)從站，那么系統(tǒng)只剩余1 個(gè)從站的擴(kuò)展，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)需要增加多個(gè)要監(jiān)控的設(shè)備時(shí)就無法全部接入系統(tǒng)，而使用2 個(gè)通信模塊就能解決這個(gè)問題，使系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性都得到提高。

PLC 程序使用TIA Portal V14 軟件進(jìn)行編寫，數(shù)據(jù)通過通信方式采集。在此，要將所有的通信設(shè)備的通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括從站地址、波特率和檢驗(yàn)方式，將波特率設(shè)為9.6 kbps，從站地址按順序進(jìn)行設(shè)定，校驗(yàn)方式設(shè)置為偶校驗(yàn)。然后PLC 作為Modbus 主站先使用MB_COMM_LOAD 指令塊對(duì)串口初始化，再使用MB_MASTER 指令塊對(duì)通信設(shè)備進(jìn)行輪詢。輪詢時(shí)由主站發(fā)出消息，在一定時(shí)間內(nèi)從站回應(yīng)消息，若無回應(yīng)主站再發(fā)出消息一次，若再無回應(yīng)則跳過該從站并報(bào)“從站超時(shí)”錯(cuò)誤[10]，當(dāng)某條生產(chǎn)線故障或維護(hù)停機(jī)時(shí)，該生產(chǎn)線的儀表控制柜內(nèi)的設(shè)備因斷電而無法回應(yīng)主站輪詢會(huì)導(dǎo)致等待時(shí)間加長(zhǎng)，造成輪詢周期變長(zhǎng)，數(shù)據(jù)采集頻率下降。為了使數(shù)據(jù)采集頻率不受生產(chǎn)線之間開關(guān)機(jī)的影響，采取了一種更加靈活的方式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。以生產(chǎn)線為單位將所有設(shè)備分組（一個(gè)控制柜內(nèi)所有設(shè)備為一組），然后在程序中設(shè)置開關(guān)表示生產(chǎn)線的開機(jī)狀態(tài)，只有在開關(guān)開啟的時(shí)候，即生產(chǎn)線開機(jī)狀態(tài)下才會(huì)輪詢?cè)摻M設(shè)備，開關(guān)的狀態(tài)在現(xiàn)場(chǎng)PC 的運(yùn)行界面上進(jìn)行設(shè)定，該程序流程如圖3所示。

圖3 PLC 分組輪詢?cè)O(shè)備的程序流程Fig.3 Program flow chart of PLC group polling device

3 在線監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在線監(jiān)控包括車間現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和云端監(jiān)控兩部分，二者運(yùn)行上互相獨(dú)立，但數(shù)據(jù)均來源于生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)采集與匯聚PLC。在此，要將S7-1200 PLC設(shè)置為允許借助PUT/GET 通信從遠(yuǎn)程伙伴訪問，這樣外部設(shè)備就可以通過PLC 的以太網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。

車間現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控是在Windows 系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上使用Wincc 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)的。Wincc 是西門子公司提供的一款基于Windows 操作系統(tǒng)的人機(jī)界面HMI 系統(tǒng)，其功能強(qiáng)大，而且為二次開發(fā)提供了良好的開放性，在過程可視化和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面獲得了廣泛應(yīng)用[11-12]。

此項(xiàng)目中使用組態(tài)軟件為SIMATIC Wincc Professional V14，軟件安裝完成后首先是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，在此PLC 的IP 地址被設(shè)定為192.168.2.100，計(jì)算機(jī)的IP 地址要和PLC 的處于同一網(wǎng)段故設(shè)為192.168.2.10，計(jì)算機(jī)還需配置PG/PC 接口，打開PG/PC 接口設(shè)置窗口為應(yīng)用程序訪問點(diǎn)S7ONLINE（STEP7）點(diǎn)選Broadcom NetLink（TM）Gigabit Ethernet.TCPIP.1（此為計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡名稱）。然后使用軟件組態(tài)完成以下幾個(gè)功能：

（1）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。將PLC 中采集匯總的數(shù)據(jù)與Wincc 建立數(shù)據(jù)連接，在運(yùn)行界面中設(shè)定相應(yīng)的顯示區(qū)域，設(shè)定界面刷新時(shí)間為500 ms，數(shù)據(jù)會(huì)按這個(gè)時(shí)間刷新顯示。

（2）數(shù)據(jù)記錄與歷史數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)記錄使用Wincc 的數(shù)據(jù)日志來完成，在軟件中創(chuàng)建和組態(tài)數(shù)據(jù)日志，設(shè)定日志名稱和儲(chǔ)存位置，然后組態(tài)變量記錄，設(shè)定需要記錄的數(shù)據(jù)所連接的變量以及數(shù)據(jù)記錄的周期。記錄的數(shù)據(jù)使用時(shí)序趨勢(shì)圖窗口進(jìn)行滾動(dòng)展示，同時(shí)也通過該窗口查詢歷史數(shù)據(jù)。

（3）關(guān)鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)視。在所有監(jiān)控的數(shù)據(jù)中與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的主機(jī)電流值需要嚴(yán)密監(jiān)視，正常生產(chǎn)狀態(tài)下主機(jī)的電流波動(dòng)穩(wěn)定，出現(xiàn)波動(dòng)較大時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量往往會(huì)出現(xiàn)問題，因此在Wincc 的報(bào)警規(guī)則中添加主機(jī)電流的限值監(jiān)控，當(dāng)超出限值后報(bào)警提醒現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)檢查處理以減少損失。

（4）設(shè)備開機(jī)狀態(tài)選擇。PLC 程序中設(shè)置了只有上電開機(jī)的設(shè)備才被輪詢采集數(shù)據(jù)，將控制此事件的變量連接至Wincc 界面的開關(guān)控件即可手動(dòng)選擇設(shè)備開機(jī)狀態(tài)。完成以上功能的組態(tài)，車間現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控就基本完成。

云端監(jiān)控是借助SymLink 物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)Q102 和云服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)的。Q102 物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)是基于Linux 開發(fā)的，配備串行通信和以太網(wǎng)通信端口，搭載4G 無線通信模塊，使用智能網(wǎng)關(guān)配套的SymLink 軟件平臺(tái)可以快速開發(fā)通信協(xié)議插件來訪問設(shè)備，同時(shí)軟件平臺(tái)也會(huì)發(fā)布市場(chǎng)上主流的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和PLC 通信協(xié)議來幫助用戶開發(fā)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)[13]。實(shí)現(xiàn)云端監(jiān)控分為兩步：

第一步配置網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)。將網(wǎng)關(guān)與PLC 通過交換機(jī)建立物理連接，在網(wǎng)關(guān)的開發(fā)軟件中采集驅(qū)動(dòng)選擇SIEMENS S7-1200 以太網(wǎng)通信協(xié)議，按PLC 的數(shù)據(jù)地址配置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)表，在轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)里面選擇使用云服務(wù)器的MQTT 轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，將配置好的工程上傳至網(wǎng)關(guān)完成配置。

第二步配置網(wǎng)頁(yè)界面展示數(shù)據(jù)。云服務(wù)器公司提供數(shù)據(jù)配置平臺(tái)，可以在網(wǎng)頁(yè)上配置網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，使用折線圖和柱狀圖展示歷史數(shù)據(jù)，將開機(jī)狀態(tài)和主機(jī)電流添加至云端監(jiān)視，設(shè)定報(bào)警規(guī)則，當(dāng)開機(jī)狀態(tài)改變或主機(jī)電流超限時(shí)報(bào)警觸發(fā)指令發(fā)送郵件至指定郵箱，配置完成后可以使用PC或移動(dòng)設(shè)備瀏覽該網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程查看設(shè)備數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

擠出機(jī)儀表控制柜集中監(jiān)控系統(tǒng)已在廣東某公司的塑料擠出加工車間安裝運(yùn)行。

在車間現(xiàn)場(chǎng)的PC 對(duì)控制柜數(shù)據(jù)時(shí)刻進(jìn)行監(jiān)控和記錄，無須額外的人員去巡視、記錄設(shè)備運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，如主機(jī)電流波動(dòng)較大時(shí)立即報(bào)警，技術(shù)人員能以最快的速度得知異常發(fā)生，使車間的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率都得到了提升，異常發(fā)生過后還能導(dǎo)出完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該系統(tǒng)應(yīng)用以來得到了車間員工的充分肯定，車間PC 的運(yùn)行界面截圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面Fig.4 On-site computer monitoring interface

在云端同樣監(jiān)視和記錄著車間擠出機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在設(shè)置報(bào)警規(guī)則以及郵件發(fā)送觸發(fā)條件后，即使不主動(dòng)上線查看也會(huì)有郵件將設(shè)備狀態(tài)變化和異常報(bào)警在第一時(shí)間發(fā)送給管理人員，對(duì)車間的管理和業(yè)務(wù)決策都能提供一定的幫助。技術(shù)專家可以在遠(yuǎn)程PC 或移動(dòng)設(shè)備上登錄云服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)查看詳細(xì)數(shù)據(jù)，在遇到生產(chǎn)問題時(shí)可以提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)。瀏覽器網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控瀏覽器界面Fig.5 Remote monitoring browser interface

5 結(jié)語(yǔ)

本文以廣東某公司的塑料擠出加工車間為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了擠出機(jī)儀表控制柜集中監(jiān)控系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集部分使用2 個(gè)RS485 通信模塊，加快了數(shù)據(jù)采集頻率也增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性；在PLC 程序中設(shè)計(jì)了可選擇的分組輪詢方式，使各生產(chǎn)線之間的開關(guān)機(jī)狀態(tài)不相互影響，保證了數(shù)據(jù)采集的頻率。在數(shù)據(jù)監(jiān)控部分，通過開放PLC 的外部訪問權(quán)限，使用Wincc 軟件組態(tài)車間現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控PC 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、展示和報(bào)警功能，使用網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了云端在線監(jiān)控。經(jīng)過實(shí)地應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)傳輸可靠，能夠監(jiān)控和記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行生產(chǎn)問題的分析和診斷時(shí)，可導(dǎo)出數(shù)據(jù)為管理者提供數(shù)據(jù)參考；在日常生產(chǎn)中可減少車間員工的工作量，提高塑料擠出加工車間的生產(chǎn)效率。