王曉東，趙志誠(chéng)，劉紅兵，葉澤甫

(1.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 太原 030024；2.山西格盟中美清潔能源研發(fā)中心有限公司， 太原 030000)

0 引言

隨著科技不斷發(fā)展，智能制造、數(shù)字化車(chē)間等逐漸在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用，尤其是鑄造行業(yè)，在面對(duì)越來(lái)越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，既要降低產(chǎn)品成本又要提高產(chǎn)品質(zhì)量，正運(yùn)用智能控制技術(shù)和信息管理系統(tǒng)對(duì)底層設(shè)備以及企業(yè)管理方面進(jìn)行升級(jí)改造。在鑄造領(lǐng)域中，消失模鑄造表現(xiàn)優(yōu)異，不僅簡(jiǎn)化了工藝，而且生產(chǎn)出的鑄件成品率高，表面粗糙度低，尺寸精度比較高，大大減少了后期的加工。但是其澆鑄工藝流程比較復(fù)雜，從鐵水出爐到澆鑄、保壓和冷卻都是連續(xù)完成的，為了掌控澆鑄時(shí)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)需要對(duì)有關(guān)變量進(jìn)行連續(xù)測(cè)量、監(jiān)視和記錄。雖然目前很多企業(yè)采用了大量的自動(dòng)化設(shè)備用于澆鑄系統(tǒng)，但是各個(gè)環(huán)節(jié)之間銜接不緊密，生產(chǎn)設(shè)備依舊是相互獨(dú)立，缺乏有效的信息交互，無(wú)法很好地對(duì)多個(gè)工序的多個(gè)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。為了提高生產(chǎn)效率，減少能耗，降低人員的傷亡概率，提高車(chē)間的數(shù)字化集成程度，建立一個(gè)完善的澆鑄監(jiān)控系統(tǒng)使得生產(chǎn)技術(shù)人員對(duì)鑄造設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程管理具有重要意義。

為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的智能控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能制造，眾多的研究者對(duì)鑄造和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中智能監(jiān)控進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[1]提出了一種針對(duì)選礦工業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)的監(jiān)控組態(tài)平臺(tái)，通過(guò)因子分析、Pearson相關(guān)分析為管理人員進(jìn)行決策提供了有價(jià)值的信息；文獻(xiàn)[2]針對(duì)燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)消失模鑄造過(guò)程中出現(xiàn)的縮孔的位置以及大小，運(yùn)用View cast模擬軟件進(jìn)行了預(yù)測(cè)，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝；文獻(xiàn)[3]介紹了一種運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及MCGS組態(tài)軟件平臺(tái)的石墨化過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)變壓器調(diào)控算法，降低了能耗，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝；文獻(xiàn)[4]針對(duì)自鎖閥瞬態(tài)監(jiān)測(cè)和控制難以同步進(jìn)行的問(wèn)題，提出了一種基于組態(tài)王自鎖閥瞬態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要針對(duì)單體設(shè)備進(jìn)行可視化分析,缺乏有效的數(shù)據(jù)分析功能；文獻(xiàn)[5]提出了一個(gè)針對(duì)煉鋼一連鑄一熱軋一體化計(jì)劃的模型和智能算法，并通過(guò)實(shí)例仿真驗(yàn)證了模型和算法的有效性；文獻(xiàn)[6]提出了一種采用PLC和變頻器的負(fù)壓鑄造監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)真空泵電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制以獲得準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)負(fù)壓值，但是該系統(tǒng)只是對(duì)單體設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，通用性不強(qiáng)，沒(méi)有將負(fù)壓監(jiān)控系統(tǒng)與澆鑄車(chē)間的整體監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)；文獻(xiàn)[7]提出了連續(xù)鑄造過(guò)程的監(jiān)控系統(tǒng)，利用PLC和人機(jī)交互界面(HMI)對(duì)鑄造過(guò)程中的溫度、液位以及距離等主要參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)控，并在生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證。

然而目前針對(duì)消失模鑄造監(jiān)控系統(tǒng)的研究比較少，難以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)和研究的需要。因此，本文將MCGS組態(tài)軟件以及PLC技術(shù)運(yùn)用到澆鑄生產(chǎn)監(jiān)控上，設(shè)計(jì)研發(fā)了澆鑄監(jiān)控平臺(tái)，為自動(dòng)澆鑄過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供一種借鑒。

1 澆鑄工藝流程

在消失模鑄造整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，負(fù)壓澆鑄包含了多個(gè)工序，不同工序之間存在著一定邏輯關(guān)系，澆鑄工藝流程如圖1所示。

圖1 澆鑄工藝流程示意圖

首先移送造型結(jié)束的砂箱至澆鑄線，當(dāng)下一包鐵水吊至澆鑄機(jī)后，掃描鐵水包的包批次號(hào)上傳至制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)獲取可以澆鑄的砂箱以及產(chǎn)品信息，在澆鑄之前監(jiān)控鐵水溫度，隨后檢測(cè)澆鑄工位并將澆鑄機(jī)移送到目標(biāo)工位，打開(kāi)負(fù)壓系統(tǒng)抽負(fù)壓使?jié)茶T線的負(fù)壓達(dá)到預(yù)設(shè)值。然后，澆鑄待澆鑄砂箱，同時(shí)監(jiān)測(cè)鐵水重量變化。澆鑄結(jié)束后，按照產(chǎn)品配方的保壓時(shí)間開(kāi)啟保壓系統(tǒng)等待鐵水塑形，最后在取件工位進(jìn)行泄砂吊活。

圖2所示是生產(chǎn)線平面示意圖，整個(gè)生產(chǎn)線包含了兩條造型線、三條澆鑄線以及一條返回線。兩條造型線可同時(shí)工作，造型結(jié)束之后將砂箱移動(dòng)至澆鑄線，進(jìn)行澆鑄；澆鑄完成等待保壓時(shí)間結(jié)束后讓其自然冷卻。為了保證生產(chǎn)節(jié)拍以及產(chǎn)量的要求，三條澆鑄線是動(dòng)態(tài)交替澆鑄的：一條線進(jìn)行澆鑄，一條保壓、冷卻，第三條線將冷卻后的砂箱移動(dòng)至返回線進(jìn)行落砂取件，同時(shí)移送造型完成的砂箱至此，循環(huán)往復(fù)。

圖2 生產(chǎn)線平面示意圖

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

澆鑄監(jiān)控系統(tǒng)主要包括上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制層、數(shù)據(jù)采集模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要是以MCGS組態(tài)軟件以及西門(mén)子PLC S7-1500為核心，對(duì)采集上來(lái)的工藝參數(shù)進(jìn)行展示和監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可以手動(dòng)設(shè)置相應(yīng)運(yùn)行參數(shù)并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線傳送至下位機(jī)PLC控制器。PLC控制層是由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的，每個(gè)子系統(tǒng)都設(shè)有獨(dú)立的PLC控制器，根據(jù)系統(tǒng)需要部分PLC控制器之間通過(guò)無(wú)線AP Client的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，協(xié)同控制末端執(zhí)行器動(dòng)作[8]。數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)澆鑄時(shí)的鐵水重量、溫度、砂箱內(nèi)的負(fù)壓值以及澆鑄工位等的監(jiān)測(cè)，一部分?jǐn)?shù)據(jù)是直接采集現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)，另一部分是通過(guò)相應(yīng)傳感器獲得的。這些數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)顯示在HMI并同時(shí)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)了底層控制器與上層信息管理系統(tǒng)之間的信息交互。澆鑄監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 澆鑄監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

安全、穩(wěn)定、快速的數(shù)據(jù)傳輸體系是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸體系可以分為上層信息管理網(wǎng)絡(luò)以及子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。上層信息管理網(wǎng)絡(luò)采用冗余千兆以太網(wǎng)，采用48口的工業(yè)級(jí)交換機(jī)，并且和子系統(tǒng)之間采用光纖進(jìn)行鏈路聚合，保證數(shù)據(jù)能夠及時(shí)地在底層設(shè)備和上層管理系統(tǒng)之間傳遞[9]。各子系統(tǒng)間主體網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)，由于部分設(shè)備設(shè)置在移動(dòng)物上，所以局部會(huì)采用AP Client進(jìn)行組網(wǎng)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文構(gòu)建的澆鑄過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)以西門(mén)子S7-1500為主控單元，并與觸摸屏TPC1570GI構(gòu)成了上位機(jī)系統(tǒng)，下位機(jī)系統(tǒng)包括了采用分散控制的各子系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電之間的電氣隔離，為整個(gè)系統(tǒng)提供隔離電源，選用了容量是2 000 VA的三相干式隔離變壓器(380 V變220 V)，此外動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備還包括了斷路器C65N-2P/10 A、中間繼電器MY2NAC24V和24 V電源模塊LRS-150-24以及其他測(cè)量設(shè)備，提高了控制功率和控制信號(hào)[10]。

系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸采用MOXA的AWK3131A-EU AP/Client組網(wǎng)，噪音已由-86 dBm降低至-94 dBm，頻率設(shè)置為5GHz，通道設(shè)置為36，信道帶寬為20 MHz。

3.1 子系統(tǒng)核心模塊設(shè)計(jì)

子系統(tǒng)PLC控制層均采用西門(mén)子S7-200 SMART PLC作為控制模塊的核心，用于采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息并將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)系統(tǒng)，并根據(jù)來(lái)自上位機(jī)系統(tǒng)的控制指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。

此模塊的硬件組成如圖4所示，S7-200 SMART PLC主要包含了中央處理器(CPU)，通信模塊(CM)，功能模塊(FM)，信號(hào)模塊(SM)，電源模塊(PS)等。系統(tǒng)選用CPUSR20作為CPU，模擬量輸入模塊EM AE08(8AI)以及擴(kuò)展通信模塊SB CM01(RS485/RS232)，將SB CM01的接口方式設(shè)置為RS485與觸摸屏通訊。

圖4 子系統(tǒng)核心模塊硬件組成

各子系統(tǒng)的PLC能夠直連各傳感器、監(jiān)控器、顯示器和儀表等，采用多級(jí)分布式控制思想以模塊化的方式構(gòu)建一個(gè)擴(kuò)展性和靈活性較高的系統(tǒng)，單獨(dú)一個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

澆鑄監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊主要包括鐵水重量采集、鐵水溫度采集、澆鑄工位監(jiān)測(cè)以及包批次號(hào)采集。

3.2.1 鐵水重量采集

系統(tǒng)采用稱(chēng)重上限為2 T的電子地磅秤，精度2 kg。利用西門(mén)子PLC采集稱(chēng)重顯示器的實(shí)時(shí)重量值，由于稱(chēng)重儀表具有RS232串行通訊接口所以通訊線選用了PC/PPI+電纜,波特率為9 600，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)起始位，一個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)。根據(jù)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)重量PLC會(huì)計(jì)算出每個(gè)鑄件已用鐵水量，對(duì)比產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)重量控制澆鑄機(jī)是否繼續(xù)傾倒鐵水。每包鐵水可澆鑄多個(gè)鑄件，在澆鑄過(guò)程中鑄件的品質(zhì)很大一部分取決于鐵水的溫度，因此要盡可能減少單件澆鑄時(shí)間，依據(jù)檢測(cè)到的鐵水重量設(shè)定提前量，提前停止傾倒鐵水，不僅提高了澆鑄速率也避免了鐵水浪費(fèi)。

3.2.2 鐵水溫度采集

系統(tǒng)采用KZ-300BW數(shù)字式無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)檢測(cè)鐵水的溫度，包括無(wú)線測(cè)溫槍KZ-300BWQ和無(wú)線鋼水測(cè)溫儀KZ-300BWB，利用無(wú)線傳輸技術(shù)代替了傳統(tǒng)昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線，具有抗震、精度高和使用方便等特點(diǎn)。測(cè)溫儀有4～20 mA的輸出端口，通過(guò)S7 200 SMART PLC模擬量輸入模塊EM AE08(8AI)可以將此電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度值。檢測(cè)到的溫度值會(huì)與保存的設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，低于設(shè)定值則立即報(bào)警，同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳遞至OPC服務(wù)器，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控鐵水溫度。

3.2.3 澆鑄工位檢測(cè)

澆鑄工位檢測(cè)是澆鑄的必要環(huán)節(jié)。目前常用定位方式的載體有：激光雷達(dá)、紅外傳感器、射頻技術(shù)(RFID)、超聲波傳感器、ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、編碼器和陀螺儀以及加速度計(jì)混合定位等，其中基于超聲波傳感器、激光雷達(dá)、紅外傳感器、ZigBee、藍(lán)牙、WiFi等定位方式都需要被檢測(cè)物體反饋特定信號(hào)才能夠確定位置坐標(biāo)，但是在惡劣的工況環(huán)境以上方式很難進(jìn)行有效的定位。因此本系統(tǒng)選用了RFID技術(shù)作為澆鑄工位定位方式。

在澆鑄工位區(qū)域內(nèi)建立平面坐標(biāo)系，以150 mm為一個(gè)單位放置RFID標(biāo)簽對(duì)橫軸和縱軸進(jìn)行劃分，讀寫(xiě)器選用超高頻一體式讀寫(xiě)器，考慮到高溫環(huán)境RFID標(biāo)簽選用了超高頻抗高溫標(biāo)簽以及相應(yīng)的RS485通訊線纜，用接近開(kāi)關(guān)來(lái)觸發(fā)RFID讀寫(xiě)器動(dòng)作，通過(guò)讀取澆鑄工位兩側(cè)的X/Y坐標(biāo)信號(hào)就可以確定澆鑄工位，同時(shí)將采集到的坐標(biāo)信號(hào)進(jìn)行換算后通過(guò)HMI顯示。圖5為澆鑄工位一側(cè)RFID標(biāo)簽實(shí)況圖。

圖5 澆鑄工位RFID標(biāo)簽安裝圖

3.2.4 包批次號(hào)采集

包批次號(hào)決定了此包鐵水可以澆鑄的砂箱，避免了澆錯(cuò)、漏澆等情況的發(fā)生。采用霍尼韋爾無(wú)線二維工業(yè)掃碼槍1 902 GSR，掃描得到的包批次號(hào)會(huì)顯示到澆鑄機(jī)觸摸屏上，確認(rèn)無(wú)誤后將此包批次號(hào)傳送給MES。MES接收到包批次號(hào)后將匹配的砂箱號(hào)下發(fā)至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，為了能夠更直觀的進(jìn)行展示會(huì)對(duì)相應(yīng)位置的砂箱進(jìn)行標(biāo)記。該掃碼槍具有很強(qiáng)的條碼掃描和數(shù)字圖像采集功能，能夠精確讀取手機(jī)、電腦、電子屏幕上的任何二維碼，適用于復(fù)雜惡劣的工況環(huán)境，對(duì)一維、二維、塑料包裝袋上的細(xì)小條碼、疊碼、破損條碼都能識(shí)別。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

澆鑄監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括以PLC為主的軟件設(shè)計(jì)和MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)兩部分。下位機(jī)系統(tǒng)軟件采用編程軟件STEP 7-MicroWIN SMART進(jìn)行編寫(xiě)，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件McgsPro進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，管理人員可通過(guò)兩者構(gòu)建好的監(jiān)控系統(tǒng)獲取澆鑄車(chē)間實(shí)時(shí)的澆鑄信息并根據(jù)系統(tǒng)分析后的結(jié)果做出決策。

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

澆鑄監(jiān)控系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-1500 PLC作為主控單元，采用分布式結(jié)構(gòu)，各子系統(tǒng)都設(shè)有相對(duì)獨(dú)立的S7-200 SMART PLC，信息采集模塊采集的設(shè)備狀態(tài)以及相關(guān)信息經(jīng)由各子系統(tǒng)中的PLC分析處理后，對(duì)信息進(jìn)行分類(lèi)，選擇信息的走向，最終匯總至與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)直連的主控PLC中進(jìn)行解析。澆鑄機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)PLC程序流程如圖6所示。

圖6 澆鑄機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)PLC程序流程圖

在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法以模塊化為核心，為了能夠適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化，使得系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中更具有靈活性，在設(shè)計(jì)PLC程序時(shí)采用了多種控制策略和防呆防錯(cuò)措施。

當(dāng)獲取澆鑄機(jī)的實(shí)時(shí)位置和運(yùn)行方向后，通過(guò)坐標(biāo)換算，得到澆鑄機(jī)在觸摸屏上的相對(duì)位置；當(dāng)準(zhǔn)備澆鑄時(shí)開(kāi)啟待澆鑄線的真空泵并啟動(dòng)澆鑄線將氣缸升起與砂箱進(jìn)行對(duì)接，同一時(shí)間只能啟動(dòng)一條澆鑄線，防止另外兩條澆鑄線砂箱在移動(dòng)過(guò)程中由于砂箱底部升起的氣缸突然升起導(dǎo)致氣缸與砂箱發(fā)生碰撞；在砂箱移動(dòng)過(guò)程中利用RFID技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線內(nèi)所有的砂箱進(jìn)行排序，如果排序出錯(cuò)則立即報(bào)警并手動(dòng)更新砂箱序號(hào)；當(dāng)下一鐵水包準(zhǔn)備就緒后，通過(guò)掃描對(duì)應(yīng)的包批次號(hào)將其傳至MES，可以獲得此包鐵水對(duì)應(yīng)的可以澆鑄的砂箱；在可澆鑄砂箱內(nèi)選擇準(zhǔn)備澆鑄的砂箱開(kāi)啟負(fù)壓閥；等待真空度達(dá)到設(shè)定值后開(kāi)始澆鑄，并從MES獲取鑄件的相關(guān)參數(shù)；澆鑄結(jié)束后開(kāi)始保壓，每一澆鑄階段都對(duì)應(yīng)不同的砂箱狀態(tài)；等待此澆鑄線全部澆鑄后關(guān)閉此澆鑄線，準(zhǔn)備澆鑄下一澆鑄線。

1)重量采集程序設(shè)計(jì): 重量?jī)x表串行通訊接口為15芯RS232形式，PLC與儀表通訊之初需要先將15芯串行線改接成9芯RS232形式，使用自由端口模式控制串行通信端口，即將PPI通信更改為自由端口模式。每組數(shù)據(jù)由10位組成，第1位為起始位，第10位為停止位，中間8位為數(shù)據(jù)位，通過(guò)配置SMB30來(lái)選擇合適的波特率和奇偶校驗(yàn)，隨后設(shè)置相應(yīng)的接收指令，例如：消息開(kāi)始、結(jié)束條件、超時(shí)檢測(cè)和最大接收字節(jié)數(shù)等。數(shù)據(jù)接收完成后進(jìn)入接受完成中斷RCV_Complate(INT0)清除狀態(tài)位并計(jì)算重量。如果出現(xiàn)組幀錯(cuò)誤、奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、超限錯(cuò)誤或斷開(kāi)錯(cuò)誤，則接收消息功能將自動(dòng)終止。

2)RFID程序設(shè)計(jì):在澆鑄工位定位時(shí)采用RFID技術(shù)，RFID讀寫(xiě)器型號(hào)為SG-UR-I81，標(biāo)簽型號(hào)為SG-UT-405MT，通訊接口為RS485，通信協(xié)議為Modbus RTU[11]。PLC為主站，RFID為從站進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。通過(guò)MBUS_CTRL指令來(lái)初始化、監(jiān)視或禁用Modbus通信，設(shè)置相應(yīng)的模式(PPI/Modbus)、奇偶校驗(yàn)、端口和超時(shí)時(shí)間等，通過(guò)MBUS_MSG執(zhí)行對(duì)從站RFID的請(qǐng)求并處理響應(yīng)。在MBUS_MSG中需要配置和從站通信的RFID地址，讀寫(xiě)功能說(shuō)明，Modbus起始地址，要操作的數(shù)據(jù)元素?cái)?shù)以及輸出Error。程序已發(fā)送請(qǐng)求并接收響應(yīng)后，Done出為FALSE。響應(yīng)完成或MBUS_MSG指令因錯(cuò)誤中止時(shí)，Done輸出為T(mén)RUE，此時(shí)Error輸出為1，根據(jù)Error類(lèi)型進(jìn)行異常處理，處理結(jié)束后需要清除當(dāng)前的狀態(tài)位，重新發(fā)送請(qǐng)求。

為避免系統(tǒng)意外斷電后數(shù)據(jù)丟失，將一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)設(shè)置成斷電保持性變量并進(jìn)行存儲(chǔ)。在手動(dòng)更新砂箱排序時(shí)，各排序子系統(tǒng)以及上位機(jī)觸摸屏都可以對(duì)同一砂箱號(hào)進(jìn)行寫(xiě)操作，但是同一時(shí)間只允許一方對(duì)其進(jìn)行寫(xiě)操作，因此通過(guò)優(yōu)先級(jí)排序控制的方式處理各方請(qǐng)求。

4.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的組態(tài)軟件是McgsPro，配套內(nèi)核是Unix的G系列觸摸屏，具有功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)周期短，能夠很好地滿(mǎn)足澆鑄監(jiān)控系統(tǒng)的要求。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，該設(shè)計(jì)包括了設(shè)備驅(qū)動(dòng)、人機(jī)界面、腳本、I/O組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)、運(yùn)行策略以及各種數(shù)據(jù)管理等[12]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的圖形與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和傳感器進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，生產(chǎn)線啟動(dòng)之后，人機(jī)界面通過(guò)數(shù)字顯示、動(dòng)畫(huà)構(gòu)件以及圖形色彩的形式來(lái)反映實(shí)際生產(chǎn)線的運(yùn)行情況，操作人員可以通過(guò)HMI對(duì)整條生產(chǎn)線進(jìn)行整體監(jiān)控。

本文所設(shè)計(jì)的人機(jī)界面包括了澆鑄機(jī)狀態(tài)監(jiān)控界面、稱(chēng)重界面、排序界面以及報(bào)警界面。澆鑄機(jī)狀態(tài)監(jiān)控界面如圖7所示，包含了稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)、產(chǎn)品參數(shù)、澆鑄機(jī)動(dòng)態(tài)軌跡和砂箱澆鑄狀態(tài)等，此外在此界面可進(jìn)行包批次號(hào)的采集以及對(duì)負(fù)壓系統(tǒng)的控制。界面中的動(dòng)畫(huà)構(gòu)件代表了具有實(shí)際意義的生產(chǎn)工序，可以通過(guò)自定義屬性、綁定事件、自定義其形狀和樣式以及相應(yīng)的約束條件來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中各圖元間存在的邏輯關(guān)系。以閃爍不同顏色邊框或圖標(biāo)來(lái)表示生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如砂箱的4種顏色代表澆鑄過(guò)程中各階段的澆鑄狀態(tài)。通過(guò)一定的組合與嵌套形成更高一級(jí)的工序單元，進(jìn)而復(fù)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)工藝流程。

圖7 澆鑄機(jī)狀態(tài)監(jiān)控界面

其他界面圖標(biāo)都以標(biāo)簽的形式在狀態(tài)監(jiān)控界面上顯示，用戶(hù)可以根據(jù)需要單擊相應(yīng)標(biāo)簽，使當(dāng)前界面跳轉(zhuǎn)至其他功能界面中。例如單擊【排序窗口】，對(duì)應(yīng)的子界面如圖8所示。

圖8 砂箱排序界面

在排序窗口中可以實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)線所有的砂箱澆鑄狀態(tài)以及排序情況，并與報(bào)警記錄相互配合，為客戶(hù)提供手動(dòng)處理異常情況的方案。當(dāng)有被定義的事件、約束或報(bào)警閾值被觸發(fā)后，系統(tǒng)會(huì)在報(bào)警HMI窗口中給出相應(yīng)的提示信息，以幫助操作人員對(duì)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)精確監(jiān)控，每一條報(bào)警記錄都包括了報(bào)警時(shí)間、對(duì)象、報(bào)警值以及具體報(bào)警描述。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的監(jiān)控界面如圖9所示。圖中，可對(duì)負(fù)壓系統(tǒng)進(jìn)行啟?？刂?，控制負(fù)壓系統(tǒng)真空泵和負(fù)壓閥開(kāi)合、監(jiān)測(cè)負(fù)壓系統(tǒng)是否正常，澆鑄線啟動(dòng)之后可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控砂箱的澆鑄狀態(tài)、鑄件的相關(guān)參數(shù)、澆鑄機(jī)的動(dòng)態(tài)位置以及運(yùn)行軌跡，采集并顯示鐵水包實(shí)時(shí)重量和相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了澆鑄全過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)。此外，監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)影響鑄件品質(zhì)的關(guān)鍵變量，當(dāng)出現(xiàn)超限報(bào)警或存在異常的開(kāi)關(guān)變量時(shí)會(huì)提示操作人員對(duì)相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行異常情況處理，以保證鑄件品質(zhì)。

圖9 監(jiān)控主界面運(yùn)行效果

5.1 澆鑄過(guò)程監(jiān)測(cè)

利用澆鑄監(jiān)控平臺(tái)對(duì)澆鑄溫度、重量、負(fù)壓、速率等生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。首先記錄澆鑄機(jī)從電爐出湯口行駛至澆鑄工位的時(shí)間，計(jì)算耗時(shí)，然后測(cè)量鐵水的溫度，確保其滿(mǎn)足最低溫度要求，根據(jù)鐵水包的包批次號(hào)，從MES中獲取澆鑄完成后的保壓時(shí)間；當(dāng)開(kāi)始澆鑄時(shí)記錄每一個(gè)砂箱的澆鑄用時(shí)，以及移動(dòng)澆鑄機(jī)的耗時(shí)，計(jì)算每包鐵水的澆鑄速率。

以變速箱體為例，其物料圖號(hào)是186856-15C，實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)為：負(fù)壓-43.3 kPa，澆鑄起始溫度范圍在1 450～1 500 ℃間，平均澆鑄一個(gè)100 kg的機(jī)殼耗時(shí)控制在35 s以?xún)?nèi)，保壓時(shí)間為6 min。與傳統(tǒng)的搖包澆鑄相比，本系統(tǒng)的運(yùn)用節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，降低了安全隱患，提高了生產(chǎn)效率。此外，本系統(tǒng)所有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)都會(huì)同步至MES中，進(jìn)而向產(chǎn)品全生命周期管理邁近了一步。

5.2 澆鑄工位定位系統(tǒng)測(cè)試

首先利用RFID上位機(jī)對(duì)RFID讀寫(xiě)器以及標(biāo)簽進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)的匹配，其次通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)中的報(bào)警窗口對(duì)實(shí)際澆鑄過(guò)程中澆鑄工位定位系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，澆鑄工位定位中RFID最優(yōu)參數(shù)為：FCC認(rèn)證下頻段為902～920 MHz,功率為18 dBm，讀寫(xiě)距離為150～200 mm，在讀寫(xiě)次數(shù)達(dá)4 000～8 000情況下，準(zhǔn)確率為100%。

在各條生產(chǎn)線的入口處均設(shè)置有RFID讀寫(xiě)器，如果澆鑄機(jī)已移動(dòng)至下一位位置但是砂箱號(hào)沒(méi)有更新，則讀寫(xiě)器砂箱號(hào)讀取異常報(bào)警，可在報(bào)警窗口可查看具體故障原因以及相應(yīng)解決方法。以上述RFID參數(shù)為前提進(jìn)行為期7天的測(cè)試，測(cè)試發(fā)現(xiàn)各處的RFID讀寫(xiě)器均能準(zhǔn)確識(shí)別砂箱編號(hào)，即能夠準(zhǔn)確定位至澆鑄工位。對(duì)測(cè)試結(jié)果分析可知，RFID定位系統(tǒng)能夠?qū)嶋H生產(chǎn)的需求，同時(shí)系統(tǒng)的可靠性非常高。

5.3 網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試

采用計(jì)算機(jī)自帶的網(wǎng)絡(luò)診斷工具(Packet nternet Groper)檢測(cè)中控室主機(jī)與位于澆鑄機(jī)上監(jiān)控平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，此時(shí)澆鑄機(jī)距離無(wú)線AP最遠(yuǎn)，無(wú)線AP與中控室主機(jī)相連。實(shí)測(cè)結(jié)果如下，數(shù)據(jù)包：已發(fā)送6 226，已接收6 226，0%丟失；往返行程的估計(jì)時(shí)間(以毫秒為單位)：最短1 ms，最長(zhǎng)233 ms，平均3 ms。從測(cè)試結(jié)果中可得知現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)低，能夠滿(mǎn)足澆鑄生產(chǎn)需求。

本文設(shè)計(jì)的澆鑄監(jiān)控系統(tǒng)，不僅完成了人機(jī)交互界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和畫(huà)面同步顯示，而且實(shí)現(xiàn)了控制策略能有效指導(dǎo)各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種澆鑄監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)人機(jī)交互界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)壓系統(tǒng)真空泵和負(fù)壓閥的控制、監(jiān)測(cè)負(fù)壓系統(tǒng)是否正常，顯示澆鑄機(jī)的動(dòng)態(tài)位置以及運(yùn)行軌跡，采集并顯示鐵水包實(shí)時(shí)重量和相關(guān)參數(shù)等。通過(guò)無(wú)線AP Client的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)建了底層控制器之間數(shù)據(jù)傳輸通道,結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，降低了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)；此外可查詢(xún)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，達(dá)到了生產(chǎn)線集中監(jiān)視、控制和管理的目的，降低了成本以及安全隱患，滿(mǎn)足了企業(yè)多樣化、個(gè)性化的生產(chǎn)柔性需求，提高了生產(chǎn)效率，完善了生產(chǎn)工藝，提高了車(chē)間的自動(dòng)化水平。