摘 要：為提升濾棒生產(chǎn)的加工控制水平和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)開發(fā)了AF/KDF4濾棒成型機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)。采用ADS及工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，使用C#語言編程，實(shí)現(xiàn)了AF/KDF4濾棒成型機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程讀取。通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和可視化呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了濾棒成型機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、關(guān)鍵工藝參數(shù)的預(yù)警及預(yù)警信息的推送等功能。應(yīng)用結(jié)果表明：使用該系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)濾棒成型機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及參數(shù)的讀取，預(yù)警準(zhǔn)確率為99.1%，濾棒質(zhì)量綜合管控水平得到了有效提升。

關(guān)鍵詞：AF/KDF4濾棒成型機(jī)組；ADS協(xié)議；設(shè)備參數(shù)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；數(shù)據(jù)可視化；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-00-05

0 引 言

濾棒是卷煙產(chǎn)品的重要輔料之一，濾棒的生產(chǎn)控制水平和產(chǎn)品質(zhì)量也是行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)注點(diǎn)。近年來，楊紹勝[1]

采用西門子S7-300PLC和PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)對(duì)KDF2濾棒成型機(jī)組原系統(tǒng)機(jī)型進(jìn)行改進(jìn)，提升了設(shè)備的自動(dòng)化程度。葉恒宇等[2]更改成型機(jī)組ZL22C原倍福系統(tǒng)為西門子系統(tǒng)，提升了設(shè)備作業(yè)率。張永剛[3]通過綜合測(cè)試儀在線取樣，將數(shù)據(jù)反饋至成型機(jī)，改變絲束供應(yīng)量、三醋酸甘油酯噴灑量及凸輪位置，使濾棒重量、圓周、壓降在一定范圍內(nèi)變化，從而滿足生產(chǎn)要求。宋韜等[4]通過RFID射頻、自動(dòng)取樣系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、卷包智慧化管理系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了濾棒批次質(zhì)量監(jiān)控。靳海平等[5]采用ADS（Automation Device Specification）通信協(xié)議，以VC++和Twin CAT控制軟件為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了ZL29型濾棒成型機(jī)組的人機(jī)交互通信。賈志強(qiáng)[6]采用一鍵保存與還原成型機(jī)組參數(shù)值的方法，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)牌號(hào)快速準(zhǔn)確更換。張秋實(shí)等[7]采用WinCC及step7軟件開發(fā)智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)卷煙機(jī)和濾棒成型機(jī)組的除塵設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。李鈺靚等[8]基于WinCC平臺(tái)開發(fā)了濾棒防差錯(cuò)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)濾棒使用的全過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。何江等[9]基于Vue.js 框架設(shè)計(jì)并制作了一種復(fù)合濾棒成型機(jī)上料檢測(cè)系統(tǒng)，利用顏色傳感器、ARM 嵌入式系統(tǒng)等硬件設(shè)備，獲取基棒信息，使用Axios交互機(jī)制設(shè)計(jì)智能信息管理平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)信息的讀取與顯示。

行業(yè)對(duì)濾棒生產(chǎn)中軟件、硬件的研究使得濾棒的生產(chǎn)控制水平有所提升，但設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)仍需到現(xiàn)場查看，且對(duì)濾棒生產(chǎn)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控及運(yùn)行狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)還鮮有研究。因此，本文基于AF/KDF4濾棒成型機(jī)平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)AF/KDF4濾棒成型機(jī)組的參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)AF/KDF4濾棒成型機(jī)組設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集、監(jiān)控、異常預(yù)警、異常消息分發(fā)及追溯，旨在提升濾棒生產(chǎn)的遠(yuǎn)程集控和濾棒的質(zhì)量管控水平，為濾棒的智能生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 問題分析

AF/KDF4濾棒成型機(jī)組是目前國內(nèi)自動(dòng)化及加工能力較高的濾棒生產(chǎn)設(shè)備之一，該機(jī)型額定生產(chǎn)速度為600 m/min，額定生產(chǎn)能力為6 000 支/min。由于其操作、控制、冷卻、安全防護(hù)等方面均采用了新的設(shè)計(jì)理念，使設(shè)備在材料適應(yīng)性、運(yùn)行穩(wěn)定性和濾棒產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、噪聲控制、自動(dòng)化程度和信息管理等方面達(dá)到了較高水平。該設(shè)備配備了較為完善的檢測(cè)裝置，具有詳盡的運(yùn)行日志記錄及狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。但設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的獲取需要在現(xiàn)場由人工通過VISU操作界面查詢和記錄；設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常時(shí)，管理人員及維修人員不方便對(duì)設(shè)備一段時(shí)期的狀態(tài)進(jìn)行集中分析，無法及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，完全依賴于現(xiàn)場操作人員的操作水平與工作狀態(tài)，存在一定的質(zhì)量隱患。由于現(xiàn)場操作人員未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常，導(dǎo)致時(shí)常產(chǎn)生缺陷濾棒。因此對(duì)AF/KDF4濾棒成型機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程感知、監(jiān)控、異常報(bào)警成為濾棒生產(chǎn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展過程中亟需解決的問題。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 總體架構(gòu)

AF/KDF4濾棒成型機(jī)組采用倍福公司的PLC進(jìn)行控制，其提供的自動(dòng)化設(shè)備規(guī)范接口ADS協(xié)議，處于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的應(yīng)用層，通信周期較短，可進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問[10-14]。因此選擇ADS協(xié)議作為軟件與集控服務(wù)器的通信協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)成型機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。采用C#語言開發(fā)數(shù)采程序、人機(jī)交互界面。

系統(tǒng)由集控服務(wù)器、現(xiàn)場操作終端、集控顯示屏、對(duì)講機(jī)呼叫系統(tǒng)等組成，如圖1所示?；贏DS及以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)成型機(jī)運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程讀取及下發(fā)；經(jīng)數(shù)據(jù)處理、分析后，采用C#語言開發(fā)數(shù)采程序、人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)；對(duì)濾棒成型機(jī)組關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在出現(xiàn)異常信息時(shí)，通過車間集控顯示屏進(jìn)行顯示，并同步推送到手機(jī)移動(dòng)端，通過對(duì)講系統(tǒng)向關(guān)鍵崗位人員廣播，確保異常信息得到實(shí)時(shí)關(guān)注和處理。

2.2 AF/KDF4濾棒成型機(jī)組數(shù)據(jù)讀取

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)配置

AF/KDF4濾棒成型機(jī)組Beckhoff控制器內(nèi)已經(jīng)建立了三個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，分別為三個(gè)不同網(wǎng)段，其中一個(gè)網(wǎng)段通過A333交換機(jī)連接IPC和QMU，一個(gè)網(wǎng)段通過A331交換機(jī)連接編程單元，一個(gè)網(wǎng)段通過A330交換機(jī)連接BOB-ME、HCF、SODIM等外圍設(shè)備。部署有線網(wǎng)絡(luò)至A330交換機(jī)上，同時(shí)配置A330交換機(jī)IP，在不影響原機(jī)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的前提下，使AF/KDF4濾棒成型機(jī)組接入企業(yè)內(nèi)部工控局域網(wǎng)[13， 15-16]。設(shè)備連接及ADS Routing網(wǎng)絡(luò)配置如圖2所示。

2.2.2 AF/KDF4濾棒成型機(jī)組參數(shù)數(shù)據(jù)字典構(gòu)建

在Beckhoff TwinCAT系統(tǒng)中，各個(gè)軟件模塊（如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows 應(yīng)用程序等）的工作模式類似于硬件設(shè)備，它們能夠獨(dú)立工作，各個(gè)軟件模塊之間的信息交換通過TwinCAT ADS完成。因此通過使用Beckhoff TwinCat ADS協(xié)議可實(shí)現(xiàn)對(duì)Beckhoff PLC參數(shù)的讀取與寫入。但此項(xiàng)協(xié)議通常只能基于開源Beckhoff PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行，需要知道PLC程序內(nèi)各個(gè)參數(shù)點(diǎn)的準(zhǔn)確變量名或變量的絕對(duì)地址、偏移地址。

本文使用C#語言編寫成型機(jī)參數(shù)讀取程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)AF/KDF4濾棒成型機(jī)組Beckhoff PLC所有運(yùn)行參數(shù)的獲取，包含參數(shù)名、程序內(nèi)參數(shù)點(diǎn)絕對(duì)地址和偏移地址、數(shù)據(jù)類型等信息，以構(gòu)建AF/KDF4濾棒成型機(jī)組參數(shù)數(shù)據(jù)字典。參數(shù)數(shù)據(jù)字典構(gòu)建流程如圖3所示，參數(shù)列表中部分參數(shù)信息見表1所列。

2.2.3 AF/KDF4濾棒成型機(jī)組運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程讀取

獲取到AF/KDF4濾棒成型機(jī)組運(yùn)行參數(shù)列表后，結(jié)合參數(shù)信息、現(xiàn)場VISU操作界面上的數(shù)據(jù)信息及應(yīng)用需求，確立參數(shù)與Beckhoff I/O控制點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。以甘油噴嘴壓力為例，其參數(shù)名為CYCLMAIN.COMMON_SPRAYING_CONTROL.R_PLZ_PRESSURE，參數(shù)類型為real。確定參數(shù)名后，編寫參數(shù)定時(shí)讀取Windows Server程序，并部署到AF/KDF4濾棒成型機(jī)組工控機(jī)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)成型機(jī)Beckhoff I/O控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)程定時(shí)掃描讀取。AF/KDF4濾棒成型機(jī)組參數(shù)遠(yuǎn)程讀取流程如圖4所示。

2.2.4 AF/KDF4濾棒成型機(jī)組運(yùn)行日志遠(yuǎn)程讀取

本文使用C#語言編寫成型機(jī)運(yùn)行日志讀取程序，對(duì)存儲(chǔ)于AF/KDF4濾棒成型機(jī)組工控機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的Log運(yùn)行日志文本及Shift班次信息文本進(jìn)行逐條拆分解析讀取并存儲(chǔ)到SQLServer數(shù)據(jù)庫。Log運(yùn)行日志包含VISU系統(tǒng)內(nèi)所有的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)調(diào)整記錄、警告信息、停機(jī)記錄等信息，Shift班次信息包含VISU系統(tǒng)內(nèi)所有的班次報(bào)告、運(yùn)行時(shí)間、廢品分析、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、停機(jī)統(tǒng)計(jì)等信息，如圖5、圖6所示。通過運(yùn)行日志遠(yuǎn)程讀取可以對(duì)每臺(tái)設(shè)備的參數(shù)調(diào)整歷史、設(shè)備警告信息記錄及停機(jī)歷史信息進(jìn)行整體性記錄，通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析來表征AF/KDF4濾棒成型機(jī)組的整體運(yùn)行狀態(tài)，從而有針對(duì)性地進(jìn)行檢修、維保工作，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 AF/KDF4濾棒成型機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

通過上述步驟可以實(shí)時(shí)獲取AF/KDF4濾棒成型機(jī)組運(yùn)行參數(shù)與運(yùn)行日志數(shù)據(jù)，人機(jī)交互界面的開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬系統(tǒng)與真實(shí)設(shè)備的虛實(shí)映射，以及對(duì)重點(diǎn)部位的集中可視化展示。同時(shí)根據(jù)車間管理工藝標(biāo)準(zhǔn)，梳理關(guān)鍵指標(biāo)的控制標(biāo)準(zhǔn)并制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警策略，對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與邏輯判斷，當(dāng)監(jiān)測(cè)到設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)超過閾值的設(shè)備信息時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)將當(dāng)前異常信息推送至相關(guān)職能人員。

2.3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化展示

使用C#語言編寫應(yīng)用程序部署于應(yīng)用PC上，對(duì)需要的關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行集中可視化展示。主要包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控模塊、關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控模塊等。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控模塊反映當(dāng)前設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，主要包括運(yùn)行狀態(tài)、成型機(jī)生產(chǎn)速度、實(shí)時(shí)產(chǎn)量和廢品量、停機(jī)歷史、故障頻次等衡量設(shè)備狀態(tài)的信息。如圖7所示為關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控模塊顯示的關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)波動(dòng)趨勢(shì)[14， 17-18]。

2.3.2 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警策略

根據(jù)車間管理工藝標(biāo)準(zhǔn)，梳理關(guān)鍵指標(biāo)的控制標(biāo)準(zhǔn)并制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警策略，對(duì)與產(chǎn)品質(zhì)量顯著關(guān)聯(lián)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，為確保異常信息得到實(shí)時(shí)關(guān)注和處理，在車間大屏及移動(dòng)端進(jìn)行預(yù)警提示，見表2所列。

2.3.3 異常信息推送與處理

使用C#語言編寫Windows Server程序部署于集控服務(wù)器上，實(shí)時(shí)對(duì)AF/KDF4濾棒成型機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)測(cè)到設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)超過閾值的設(shè)備信息時(shí)，主動(dòng)將當(dāng)前異常信息抽取存入數(shù)據(jù)庫設(shè)備異常信息表內(nèi)，同時(shí)調(diào)用企業(yè)內(nèi)部一體化應(yīng)用APP預(yù)警信息推送接口，根據(jù)角色權(quán)限配置，按崗位、按上班時(shí)段精準(zhǔn)推送異常信息。例如當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到甘油活門開度低于設(shè)定下限時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信息：“甘油活門開度（XX：當(dāng)前值）低于下限，請(qǐng)檢查甘油活門位置！”。出現(xiàn)異常預(yù)警信息的機(jī)臺(tái)必須視情況進(jìn)行裝盤機(jī)下盒、入庫濾棒凍結(jié)或停機(jī)處理，值班長、在制品檢驗(yàn)工、機(jī)電修理工、操作工應(yīng)及時(shí)對(duì)濾棒質(zhì)量進(jìn)行檢查，根據(jù)預(yù)警信息排查問題產(chǎn)生的根源，并在排查處理消除問題后填寫處理結(jié)果，處理完成后由值班長或在制品檢驗(yàn)工本人進(jìn)行處理確認(rèn)，處理人對(duì)信息和記錄的真實(shí)性負(fù)責(zé)，異常信息狀態(tài)變更為“已處理”。

截取的部分風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警歷史信息及處理措施如圖8、圖9所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確清晰地提示發(fā)生異常的機(jī)臺(tái)號(hào)、時(shí)間、具體異常信息、處理情況及處理時(shí)間等。

3 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)應(yīng)用已覆蓋車間所有AF/KDF4濾棒成型機(jī)組，同時(shí)兼容國產(chǎn)化后的ZL29濾棒成型機(jī)型。如圖10、圖11、圖12所示，通過系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)量、關(guān)鍵工藝參數(shù)、各機(jī)組停機(jī)統(tǒng)計(jì)信息和重點(diǎn)關(guān)注機(jī)臺(tái)等信息。系統(tǒng)自投入使用以來，對(duì)設(shè)備參數(shù)的讀取和預(yù)警的準(zhǔn)確率為99.1%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)濾棒成型機(jī)組的遠(yuǎn)程集控和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

4 結(jié) 語

基于TwinCAT ADS及以太網(wǎng)協(xié)議，使用C#語言編程，實(shí)現(xiàn)了AF/KDF4濾棒成型機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行日志的遠(yuǎn)程讀??；通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和可視化呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了濾棒成型機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、關(guān)鍵工藝參數(shù)的預(yù)警及報(bào)警信息的推送等功能。自系統(tǒng)運(yùn)行至今，參數(shù)的讀取和預(yù)警準(zhǔn)確率為99.1%。AF/KDF4濾棒成型機(jī)組遠(yuǎn)程集中監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)已推廣應(yīng)用至所在工廠所有AF/KDF4濾棒成型機(jī)組，有效避免了因設(shè)備參數(shù)異常引起的重大質(zhì)量問題，降低了產(chǎn)品質(zhì)量缺陷事故發(fā)生的頻次，濾棒質(zhì)量綜合管控水平得到有效提升。

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