仝玉華，杜鵬，孫志杰，徐紅

（山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濰坊 261041）

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型向智能制造升級加速，走在前端的制造業(yè)工廠已計劃建設(shè)智能工廠。智能工廠設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要包括物理工廠數(shù)據(jù)采集、工廠布局，虛擬工廠參考架構(gòu)、工藝流程及布局模型、生產(chǎn)過程模型和組織模型、仿真分析，實現(xiàn)物理工廠與虛擬工廠之間的信息交互等，而數(shù)據(jù)是智能工廠建設(shè)的血液，在各應(yīng)用系統(tǒng)之間流動，是智能工廠的基礎(chǔ)。采集自動化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，進而升級改造為智能化產(chǎn)線，是實現(xiàn)智能工廠的必由之路。本文提出一種自動化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集與上云的解決方案，為實現(xiàn)智能工廠建設(shè)提供技術(shù)幫助。

1 總體方案設(shè)計

為實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集與上云，需要用到的硬件、軟件平臺有顆粒罐裝自動化生產(chǎn)線、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、交換機、路由器、云平臺等。整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 自動化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集及上云架構(gòu)圖

1.1 顆粒罐裝自動化生產(chǎn)線

顆粒罐裝自動化生產(chǎn)線有供料單元、裝配單元、加工單元、分揀單元和輸送單元5 個工作單元構(gòu)成。每一工作單元都自成一個獨立系統(tǒng)，由一臺PLC 獨立控制，分別記為控制器X(X 為1-5)，各PLC 之間通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)的分布式控制?？刂破?-3 為匯川H3U-3232MT-XA PLC（以下簡稱H3U PLC），控制器4、5 為S7-1200 PLC。

H3U PLC 支持Modbus 通信，接口形式為RS 485。

S7-1200 PLC 支持Modbus 通信、PROFIBUS-DP 通信、PROFINET 通信以及S7 通信。S7 通信協(xié)議是西門子S7系列PLC 內(nèi)部集成的一種通信協(xié)議，是S7 系列PLC 的精髓所在。它是一種運行在傳輸層之上（會話層、表示層、應(yīng)用層）、經(jīng)過特殊優(yōu)化的通信協(xié)議，其信息傳輸可以基于MPI 網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)，接口形式為以太網(wǎng)。

1.2 工業(yè)網(wǎng)關(guān)

工業(yè)網(wǎng)關(guān)是一種用于連接工業(yè)設(shè)備和信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，充當(dāng)著數(shù)據(jù)通信的橋梁，將工業(yè)設(shè)備中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議格式，使其能夠與其他設(shè)備或系統(tǒng)進行通信。工業(yè)網(wǎng)關(guān)不僅可以將不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，同時，為工業(yè)云平臺的需求承擔(dān)了自動化OT與信息化IT 對接的使命。本設(shè)計中采用研華ECU-1152智能網(wǎng)關(guān)（以下簡稱ECU-1152），支持4G、Wi-Fi、Modbus RTU、Modbus TCP、RS232/485 等多種通信方式。

1.3 云平臺

新大陸·物聯(lián)網(wǎng)·云平臺，是基于智能傳感器、無線傳輸技術(shù)、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理與遠程控制等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，與互聯(lián)網(wǎng)、無線通信、云計算大數(shù)據(jù)技術(shù)高度融合開發(fā)的一套物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺，集設(shè)備在線采集、遠程控制、無線傳輸、數(shù)據(jù)處理、預(yù)警信息發(fā)布、決策支持、一體化控制等功能于一體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。用戶及管理人員可以通過手機、平板、計算機等信息終端，實時掌握傳感設(shè)備信息，及時獲取報警、預(yù)警信息，并可以手動/自動地調(diào)整控制設(shè)備，最終使以上管理變得輕松簡單。

2 方案驗證

2.1 工業(yè)設(shè)備接入

匯川H3U PLC 通過RS 485 接口與ECU-1152 通信，將三個控制器的A+、B-通過導(dǎo)線分別接到ECU-1152 COM1、COM2、COM3 的A+、B-；S7-1200 PLC 通過工業(yè)以太網(wǎng)接口與ECU-1152 通信，將控制器4、5 通過RJ45網(wǎng)線分別接至交換機的LAN1、LAN2 口。

通過網(wǎng)線將ECU-1152 的LAN1 口、電腦分別接到交換機的LAN3、LAN4 口；交換機的LAN5 口接到路由器的LAN1 口，路由器的WAN 口接互聯(lián)網(wǎng)。

2.2 自動化產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集前，需要先配置網(wǎng)關(guān)。

首先搜索在線設(shè)備，設(shè)置網(wǎng)關(guān)上所選網(wǎng)口的IP 地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。所示然后新建節(jié)點，設(shè)備類型選擇“ECU-1152”，設(shè)置IP 地址、密碼，如圖2 所示。

圖2 添加智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備圖

2.2.1 匯川H3U PLC 設(shè)備數(shù)據(jù)采集

三塊H3U PLC 設(shè)備數(shù)據(jù)采集方式相同，以控制器1為例講述數(shù)據(jù)采集過程。

（1）啟用COM1 口。啟用COM1 口，按照PLC 端Modbus通信參數(shù)設(shè)置ECU-1152 COM1串口參數(shù)，如圖3所示。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)COM 口配置圖

（2）添加匯川H3U PLC 設(shè)備。H3U PLC 與ECU－1152 通過標(biāo)準(zhǔn)的Modbus 協(xié)議通信，所以設(shè)備類型選擇Modbus RTU。

（3）添加H3U PLC 設(shè)備數(shù)據(jù)。Modbus 與PLC 地址點位表如表1 所示。

表1 Modbus 與PLC 地址對照表

啟動按鈕是布爾量，數(shù)據(jù)類型Discrete，地址163490，轉(zhuǎn)換類型N/A，縮放類型No Scale，讀寫屬性讀寫。運行指示燈是布爾量，數(shù)據(jù)類型Discrete，地址064513，轉(zhuǎn)換類型N/A，縮放類型No Scale，讀寫屬性讀寫。運行時間是模擬量，數(shù)據(jù)類型Analog，地址461691，轉(zhuǎn)換類型Unsigned Integer，縮放類型為Linear Scale,MX+B,公式為SCALE×INPUT+OFFSET，其中Scale 為0.1，Offset 為0。同樣的方法，配置空瓶數(shù)量。過程如圖4、5 所示。

圖4 H3U PLC 設(shè)備數(shù)據(jù)添加配置圖

圖5 H3U PLC 設(shè)備數(shù)據(jù)運行時間設(shè)置圖

按照控制1 的數(shù)據(jù)采集方式，完成控制2、3 的數(shù)據(jù)采集。

2.2.2 S7-1200 PLC 設(shè)備數(shù)據(jù)采集

以控制器4 為例講述S7-1200 PLC 設(shè)備數(shù)據(jù)采集過程。

（1）啟用TCP 端口。

（2）添加S7-1200 PLC 設(shè)備。

（3）添加S7-1200 PLC 設(shè)備數(shù)據(jù)。

添加S7-1200 PLC，設(shè)備類型選擇S7－1200，單元號任意，不和同一端口下其他設(shè)備沖突即可，IP 地址設(shè)為PLC 的IP，端口號一般默認(rèn)為102，TSAP 此處一般固定為01.00，如圖6 所示。

圖6 S7-1200 PLC 設(shè)備添加配置圖

控制器4 中需要采集的變量有產(chǎn)量、啟動按鈕、燈的狀態(tài)、X 軸當(dāng)前位置。參考網(wǎng)關(guān)(ECU-1152)和S7-1200 PLC 通信配置手冊，可得到S7-1200 PLC 寄存器地址和智能網(wǎng)關(guān)ECU-1152 的地址映射表，如表2 所示。

表2 PLC 寄存器地址和ECU-1152 的地址映射表

按照地址映射表，在ECU-1152軟件中完成配置（圖7）。

圖7 S7-1200 PLC 設(shè)備數(shù)據(jù)添加配置圖

同樣的方法，完成控制器5 的數(shù)據(jù)采集。

2.3 數(shù)據(jù)上云

首先，在新大陸物聯(lián)網(wǎng)云平臺新建項目，添加智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備，得到設(shè)備ID、設(shè)備標(biāo)識和傳輸密鑰。然后，在ECU-1152 軟件云服務(wù)下SimpleMQTT 配置中，依次配置用戶名、客戶端標(biāo)識符和密碼，見圖8。在軟件中正確配置并下載工程至ECU-1152 后，網(wǎng)關(guān)由離線狀態(tài)轉(zhuǎn)為在線狀態(tài)。

接下來，添加數(shù)據(jù)點，分為傳感器數(shù)據(jù)及執(zhí)行器數(shù)據(jù)。最后點擊下發(fā)設(shè)備中實時數(shù)據(jù)打開，在云平臺可以看到在線設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，如圖9 所示。

圖9 云平臺數(shù)據(jù)監(jiān)測

3 結(jié)語

通過數(shù)據(jù)采集、分析及應(yīng)用，自動化生產(chǎn)線改造升級為智能產(chǎn)線，是建設(shè)智能工廠的必要條件，也是智能制造的基礎(chǔ)。本文提出了一種自動化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集及上云的方案，有效地解決了不同工作站控制器的自動化產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集問題，最終實現(xiàn)了自動化產(chǎn)線的升級改造。經(jīng)驗證，本文完成了自動化生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集及上云，為智能制造實現(xiàn)提供了有效支持。