李建明

（廣東風華高新科技股份有限公司，廣東肇慶，526040）

1 系統(tǒng)的研究目的及意義

智能制造離不開車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的支撐，而生產(chǎn)設(shè)備信息數(shù)據(jù)的收集分析是生產(chǎn)信息化、智能制造的基礎(chǔ)。在壓敏電阻的制造過程中，高溫爐是壓敏電阻芯片的核心設(shè)備，燒結(jié)爐的溫度均勻性、送料系統(tǒng)的穩(wěn)定性將會嚴重影響產(chǎn)品的電性能參數(shù)，從而影響產(chǎn)品的合格率。而目前人工記錄數(shù)據(jù)工作量大并上傳不及時，也不利于故障的及時發(fā)現(xiàn)和質(zhì)量問題的追塑，導致決策與實際生產(chǎn)脫節(jié)。為此，我們基于公司局域網(wǎng)的平臺，設(shè)計了一套高溫燒結(jié)爐過程數(shù)據(jù)收集及分析系統(tǒng)，對高溫燒結(jié)爐關(guān)鍵的性能參數(shù)進行實時收集和存儲，同時根據(jù)收集到的各種數(shù)據(jù)進行整理、統(tǒng)計與分析，達到對設(shè)備的生產(chǎn)過程狀態(tài)及產(chǎn)品質(zhì)量進行預判，并根據(jù)預判的結(jié)果采取必要的應急措施，實現(xiàn)產(chǎn)品燒結(jié)過程的智能化調(diào)控。

2 方案的設(shè)計

■2.1 需要收集的數(shù)據(jù)類型

（1）燒結(jié)爐各溫區(qū)的溫度：溫度數(shù)據(jù)是燒結(jié)爐的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，直接影響產(chǎn)品的燒結(jié)性能，實時掌控溫度數(shù)據(jù)有利于生產(chǎn)極早發(fā)現(xiàn)問題和過程質(zhì)量問題的追溯。

（2）燒結(jié)爐的用電量：燒結(jié)爐是高能耗的設(shè)備，每天耗用接近3 千度電，實時掌控耗電數(shù)據(jù)有利于公司能耗的管控，同時從另一方面監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)。

（3）運行狀態(tài)開關(guān)量：通過PLC 采集各繼電器I/O 信號，實現(xiàn)設(shè)備運行監(jiān)測。

（4）PLC：歐姆龍可編程控制器進行綜合數(shù)據(jù)采集處理。

■2.2 系統(tǒng)的主要構(gòu)成

系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)和用于數(shù)據(jù)監(jiān)控顯示的人機組態(tài)平臺組成，具體的原理圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

高溫燒結(jié)爐數(shù)據(jù)類型多樣，有熱電偶的模擬量信號、各按扭及位置傳感器的開關(guān)量信號、以及溫控表的數(shù)字信號等?？紤]系統(tǒng)實現(xiàn)和后續(xù)維護的難易程度，我們采用技術(shù)成熟的溫控表把熱電偶的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號；接著溫控表內(nèi)的數(shù)據(jù)通過RS-485 的通訊方式與可編程控制器（PLC）進行交換，存儲在PLC 指定的位置；其它的開關(guān)按扭及位置信號，可直接 與PLC 的I/O 模塊連接，并進行邏輯處理。為確保數(shù)據(jù)收集的穩(wěn)定和精準，各連接線材、走線通道和各電器部件的布局都進行了防干擾的設(shè)計。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)組建

由于燒結(jié)爐車間溫度高、環(huán)境差，故把主控機放置在距離燒結(jié)爐較遠的位置。為了確保各信號點與主控機的通訊安全穩(wěn)定，我們在公司現(xiàn)有的局域網(wǎng)絡(luò)平臺上增設(shè)了一個通訊點，為負責數(shù)據(jù)收集及處理的 PLC 指定一個IP 地址，遠程主控機的組態(tài)系統(tǒng)便能與PLC 進行數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)了燒結(jié)爐數(shù)據(jù)的顯示、設(shè)定、統(tǒng)計、存儲等功能。

2.2.3 組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

燒結(jié)爐的運行信息被自動地傳送到遠程的主控機上。主控機需要有一個總控的“大腦”，對大量收集到的數(shù)據(jù)進行分類、整理、分析、存儲并實時地監(jiān)控。這就是主控機的核心“監(jiān)控系統(tǒng)”。軟件系統(tǒng)在過去都需要由專業(yè)的電腦軟件工程師用第三方軟件或語言（VB、VC）進行編寫，這樣系統(tǒng)開發(fā)成本高，開發(fā)周期長并且靈活性不夠，為此工業(yè)自動化大公司都加大了組態(tài)軟件技術(shù)的研發(fā)投入。目前國內(nèi)的組態(tài)軟件（如：亞控組態(tài)和力控組態(tài)）有快速的發(fā)展，技術(shù)日趨完善并得到了廣泛的應用。組態(tài)軟件作為一個高集成性的開發(fā)平臺，窗口界面通俗易懂，常用功能設(shè)計成各種標準模塊，方便二次開發(fā)員組合調(diào)用，無需編寫復雜的語言并配置豐富多彩的圖型、按扭、表格、電器部件，滿足設(shè)計開發(fā)員各種組態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)直觀、立體、生動的組態(tài)界面。

本系統(tǒng)根據(jù)燒結(jié)爐的管控需求，主要設(shè)計編寫了“監(jiān)控畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、溫度歷史曲線畫面、報警畫面、報表畫面”等功能。

3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

■3.1 PLC 可編程控制器

燒結(jié)爐關(guān)鍵的功能是溫度的控制，溫度的數(shù)據(jù)源自于熱電偶的模擬量信號并交由溫控表的A/D 轉(zhuǎn)換模塊接收。由于溫控表多，數(shù)據(jù)量大，響應速度要求高，故選用具有高度集成性與穩(wěn)定性的 PLC 作為數(shù)據(jù)接收與分析核心模塊。PLC 與各溫控表通過RS-485 的通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，同時把數(shù)據(jù)存儲在指定的寄存器內(nèi)并對數(shù)據(jù)進行邏輯處理；接著PLC 擴展了通訊模塊，采用Modbus 形式，由局域網(wǎng)絡(luò)與主控電腦進行互通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程收集與管控。

圖2 數(shù)據(jù)收集分析控制系統(tǒng)硬件線路圖

■3.2 溫度控表

溫控表一方面負責接收熱電偶的模擬量數(shù)據(jù)，另一方面通過溫控算法對爐溫進行控制，同時又需要與PLC 進行通訊，故選用帶RS-485 通訊功能的溫控表。

■3.3 通訊模塊

PLC 收集到各監(jiān)控點發(fā)來的數(shù)據(jù)后，通過簡單的處理再傳送到主控電腦的組態(tài)系統(tǒng)上并接收系統(tǒng)的指令，這一過程需要組建一個網(wǎng)絡(luò)（公司現(xiàn)有局域網(wǎng)），也需要建立一種PLC 和電腦系統(tǒng)都能識別的協(xié)議標準，故選用了PLC 擴展的通訊模塊。通訊模塊選用Modbus 標準串行通訊協(xié)議，把Modbus RTU 格式轉(zhuǎn)換成 Modbus TCP 格式。

■3.4 端子排

安裝在上側(cè)的端子排主要接入熱電偶的模擬量信號，安裝在下側(cè)的端子主要是接入工業(yè)電源及開關(guān)量的信號。

■3.5 主控電腦

考慮到車間的復雜環(huán)境，確保數(shù)據(jù)的完整，主控機選用了穩(wěn)定性好工控電腦。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

■4.1 開發(fā)軟件（組態(tài)軟件）的介紹

為了縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，所以在開發(fā)軟件上選用組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺進行二次開發(fā)。組態(tài)為模塊化任意組合，可以滿足研發(fā)員各種設(shè)計要求，同時有利于設(shè)計者后期的軟件修改、升級；軟件提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，設(shè)計人員不需掌握太多的編程語言技術(shù)，就能編寫一個復雜的工程；軟件支持OCX 控件發(fā)布的wed 功能，IE 瀏覽客戶端可以獲得與組態(tài)王運行系統(tǒng)相同的監(jiān)控畫面和數(shù)據(jù)顯示、報表顯示、報警顯示。

組態(tài)軟件支持常見的PLC 設(shè)備、智能儀表、智能模塊，其強大的報警與報警信息篩選功能也為非常靈活，可以為企業(yè)提供一個對整個生產(chǎn)流程進行數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺，使企業(yè)能夠及時有效地獲取信息，及時地做出反應。

■4.2 組態(tài)功能及界面設(shè)計

根據(jù)數(shù)據(jù)管控要求及設(shè)備生產(chǎn)情況，使用組態(tài)王軟件對過程數(shù)據(jù)收集分析控制系統(tǒng)進行開發(fā)，具體設(shè)計成果如下：

4.2.1 建立數(shù)據(jù)變量管理庫

圖3 為組態(tài)軟件數(shù)據(jù)變量管理庫，系統(tǒng)軟件編寫的第一步是統(tǒng)計好需要收集的每個數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的類型創(chuàng)建每個對應的過程變量并定義過程變量的地址和屬性，這樣就讓組態(tài)軟件與 PLC 形成了約定的通訊規(guī)則，確保了收集到的數(shù)據(jù)能實時傳送到組態(tài)系統(tǒng)上，組態(tài)系統(tǒng)界面上設(shè)定的工藝參數(shù)也能實時發(fā)送到PLC 執(zhí)行。

圖3 數(shù)據(jù)變量管理庫

4.2.2 主畫面

圖4 主畫面劃分為功能顯示區(qū)域和燒結(jié)爐關(guān)鍵溫度數(shù)據(jù)顯示區(qū)域。功能顯示區(qū)域可以直觀看到整個系統(tǒng)的主要功能（參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、報警畫面、報表畫面等）；溫度數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，將實時顯示燒結(jié)爐各溫區(qū)的設(shè)定數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)對比結(jié)果，實時發(fā)出閃爍報警。

圖4 主畫面

4.2.3 參數(shù)設(shè)置畫面

圖5 參數(shù)設(shè)置畫面可以根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求錄入并存儲不同的工藝配方參數(shù)（配方數(shù)據(jù)無限條）。配方參數(shù)庫建立完成后，無需操作員工手工錄入，只需掃碼讀取，提升了工作效率，防止誤操作。

圖5 參數(shù)設(shè)置畫面

4.2.4 實時報警畫面

圖6 實時報警畫面能存儲系統(tǒng)的登錄狀態(tài)和報警信息（故障點、故障時間、故障數(shù)值等），為生產(chǎn)決策提供參考，為后續(xù)質(zhì)量追溯提供依據(jù)。

圖6 實時報警畫面

5 系統(tǒng)搭建及試驗結(jié)果分析

■5.1 系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)搭建使用的主要材料為：PLC 可編程控制器（帶網(wǎng)絡(luò)功能）、溫控表、電腦、開關(guān)按扭、導線等其他材料。

圖7 PLC 可編程控制器

圖8 帶通訊功能的溫控表

圖9 遠程主控電腦

圖10 交換機（局域網(wǎng)）

■5.2 試驗結(jié)果分析

在所有設(shè)備、軟件搭建完畢后，接著對高溫燒結(jié)爐數(shù)據(jù)收集分析控制系統(tǒng)進行調(diào)試。實現(xiàn)了組態(tài)系統(tǒng)通過將過程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計信息、趨勢信息、報警信息，極大地增加公司的生產(chǎn)控制能力、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、減少成本及原材料的消耗。