注塑車間遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用

徐國忠，高長水，孫小偉，李春

(1. 南京華格電汽塑業(yè)有限公司，江蘇 南京 210014； 2. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

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注塑車間遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用

徐國忠1，高長水2，孫小偉2，李春2

(1. 南京華格電汽塑業(yè)有限公司，江蘇 南京 210014； 2. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

摘要：國內現階段注塑生產的分散性特點導致生產管理部門既不能實時地了解各臺機器的生產狀態(tài)，又沒有足夠的數據用以分析出現產品品質問題的原因。為了克服傳統(tǒng)注塑生產的弊端，在對注塑生產過程進行分析的基礎上，提出構建基于RS-485、Device-Net現場總線和工業(yè)以太網的注塑車間遠程監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)結構、控制過程以及軟件實現方法。試驗表明，該系統(tǒng)能夠實現實時監(jiān)控、數據采集以及生產任務分配等功能。

關鍵詞：注塑機；遠程監(jiān)控；設計；工業(yè)以太網

0引言

人為監(jiān)控機器運行狀態(tài)、記錄生產數據的管理模式已經不能滿足規(guī)?；⑺苌a的要求。多數注塑成型機的生產商開始關注注塑生產的集中管理，部分生產商甚至已經開始對在注塑車間組建局域網，建立新型注塑車間管理系統(tǒng)展開研究和應用[1]。然而對于多數已經存在的注塑成型機，其通信接口依然是不開放的，即使部分廠商開放了通信接口，其遠程監(jiān)控的方案也只是將各臺機器的RS-232通信接口連入MODEM實現遠程監(jiān)控。這種方案通信不穩(wěn)定，容易受到環(huán)境的干擾[2]。鑒于現場總線的發(fā)展，本文構建了基于RS-485、Device-Net現場總線和工業(yè)以太網的遠程監(jiān)控方案。該方案可以實時監(jiān)控各臺機器的生產狀態(tài)，采集生產過程中的關鍵數據并實現局域網內數據共享，無紙化分配生產任務等功能。

1系統(tǒng)硬件設計

根據對生產過程和產品品質的分析，需要對每臺注塑成型機的5個關鍵開關量以及溫度、流量、壓力等15個模擬量數據進行采集。分別選用歐姆龍DRT2-MD16開關量輸入輸出模塊、DRT2-AD04模擬量輸入模塊、帶ModBus-RTU通信功能的溫濕度儀表構建底層數據采集網絡。選用歐姆龍CJ1W-DRM21 Device-Net總線單元、CJ1W-SCU41-V1串行通信單元實現開關量模塊、模擬量模塊以及溫濕度儀表與PLC的通信。PLC則選用內置EtherNet/IP端口的歐姆龍CJ2M-CPU35實現與工控機的以太網通信。另外選用歐姆龍NB7W觸摸屏實現生產任務的接收和生產數據的上傳。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結構

2系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)采用上下位機結構，上位機采用面向對象的C++語言編制，可實現生產過程的異地實時監(jiān)測，各機器生產任務的遠程分配，與產品品質相關的生產數據的存儲及調用；下位機采用梯形圖編制，不僅可以對各儀表、PLC遠程智能模塊的數據進行采集和運算以供上位機讀取，而且可以主動向上位機發(fā)起通信，上傳生產數據、機器報警等信息。

2.1　模塊設計

根據軟件的功能，將軟件分為以下4個模塊：安全模塊、生產過程監(jiān)測模塊、生產任務分配模塊、數據處理模塊。系統(tǒng)軟件模塊設計如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)軟件模塊設計

安全模塊：實現用戶登錄驗證、用戶權限設置。

生產過程監(jiān)測模塊：實現生產數據、狀態(tài)監(jiān)測，并將相關生產數據、生產狀態(tài)數值寫入數據庫。

生產任務分配模塊：遠程分配生產任務的相關工藝參數。

數據處理模塊：查詢每模產品的參數信息、生成相關報表。

2.2　系統(tǒng)主要功能實現方式

系統(tǒng)主要功能是由生產過程監(jiān)測模塊和生產任務分配模塊實現的，實現流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)主要功能實現流程圖

3系統(tǒng)通信設計

3.1　Device-Net現場總線技術

Device-Net現場總線是基于CAN技術的分布式、開放型高性能通信網絡。分布式結構使得設備之間以一根電纜相互連接和通信，減少了配線和安裝的時間。Device-Net技術的規(guī)范和協(xié)議都是開放的，其開放型特征提供了部件間的互換性和即插即用的功能 。另外總線技術提供了硬件I/O接口很難實現的設備級診斷功能[3]。

本課題鑒于生產現場需要監(jiān)測的開關量信號和模擬量信號位置分散，配線不便，選用歐姆龍Device-Net總線單元和遠程智能模塊實現數據的采集。為了避免長線信號傳輸時的信號反射和回波，在總線兩端接入終端電阻。

3.2　協(xié)議宏

系統(tǒng)中溫度、濕度數據的采集是通過帶RS-485通信功能的智能儀表完成的。因為各智能儀表采用的通信協(xié)議不同，所以一個RS-485串行接口不能同時與多個儀表實現數據交換。幸而歐姆龍PLC提供了協(xié)議宏通信功能，其實現方法是在協(xié)議宏支持軟件CX-Protocol中根據不同儀表的串行通信協(xié)議規(guī)范編輯通信序列，然后在PLC梯形圖中由PMCR指令調用通信序列即可實現一個RS-485串行通信接口與多個智能儀表之間的數據交換[4,5]。

3.3　工控機與PLC之間的以太網通信

由于注塑車間機臺位置分散、電磁干擾強，而且信息傳輸距離遠。因此，在工控機和PLC之間選用工業(yè)以太網通信，借助于VC++6.0開發(fā)環(huán)境中的WinSock控件實現網絡通信[6,7]。

3.3.1生產任務分配程序設計

生產任務的分配是指上位機將產品的工藝參數寫入PLC數據區(qū)，然后由觸摸屏解碼并顯示的過程。產品的名稱及工藝參數包含漢字字符，而歐姆龍PLC與上位機通信協(xié)議規(guī)定其間的通信報文是由十六進制字符構成的[8]，因此，需要將漢字轉換成unicode字符集中與之對應的十六進制字符。這里調用Windows的API函數MultiByteToWideChar將漢字字符轉換為unicode字符[9]，然后在觸摸屏上以unicode格式解碼即可實現工藝參數的顯示。部分程序實例如下：

int CTaskDisDlg::s2u(const char *pSrc, BYTE *pDst)

{WCHAR wchr[ 4096 ];

intnDstLen=::MultiByteToWideChar(CP_ACP, 0, pSrc, -1, wchr, nDstLen);

if (nDstLen>0)

{For (int i = 0; i < nDstLen ; i++ )

{ /*取高位放在第一個BYTE*/

*(pDst++)=HIBYTE (wchr[i]);

/*取低位放在下一個BYTE*/

*(pDst++)=LOBYTE (wchr[i]);

}

}

else

{ ……

} return nDstLen;

}

3.3.2數據發(fā)送程序設計

首先添加一個WinSock控件m_client，分別設置通信協(xié)議、本地端口號、PLC端口號、PLC的IP；然后定義兩個VARIANT型變量存放本地IP和端口信息，調用控件的bind函數綁定本地IP和端口；最后定義一個字節(jié)數組存放命令幀，由于網絡環(huán)境中數組不可以直接傳遞，因此借助于一個SAFEARRAY型變量將數組封裝成VARIANT型變量，再調用控件的SendData函數發(fā)送命令。部分程序實例如下：

m_client.SetProtocol(1); //1=UDP;0=TCP

……

VARIANTvtLocalPort,vtLocalIP;

……

m_client.Bind(vtLocalPort,vtLocalIP);

BYTE send_data_buf[2048];

……

SAFEARRAY *psa;

psa=SafeArrayCreate(VT_UI1,1,rgsabound);

long len;

for (len=0; len

SafeArrayPutElement (psa, &len, &send_data_buf [len]);

VARIANT send_var;

send_var.vt =VT_ARRAY|VT_UI1;

send_var.parray =psa;

m_client.SendData (send_var)

3.3.3數據接收程序設計

數據的接收在OnDataArrivalWinsock函數中完成。首先調用WinSock控件的GetData函數將接收到的十六進制數寫入一個VARINT型變量；然后定義一個SAFEARRAY型指針變量指向VARIANT型變量；最后通過SAFEARRAY型指針將接收到的數據逐個字節(jié)寫入數組。部分程序實例如下：

VoidCPlant_MonitorDlg::OnDataArrivalWinsock(long bytesTotal)

{VARIANT recv_var;

SAFEARRAY *psa_recv;

……

m_client.GetData(&recv_var,Vtype,Maxlen);//接收數據包

psa_recv=recv_var.parray;

BYTE recv_data_buf [2048];

long len;

for (len=0; len< bytesTotal; len++)

SafeArrayGetElement (psa_recv, &len, &recv_data_buf [len]); //數據存入接收數組

}

4軟件介紹

軟件界面分為4個部分：1) 車間所有機器工況顯示部分，根據各臺機器的當前工況是正常生產、停機、維修分別顯示綠色、紅色、黃色；2) 任務分配部分，實現生產任務工藝參數的分配；3) 相關歷史數據、報表查詢部分，可供查詢歷史數據、已完成生產任務的報表等；4) 網絡連接監(jiān)測部分，實時監(jiān)測上位機與PLC的網絡連接情況。系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)主界面

5結語

設計的注塑車間遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的擴展和適應能力。試驗表明，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)控生產過程并且可以為產品品質分析提供足夠的數據，能夠滿足大部分注塑車間生產管理的要求。數據處理模塊為設備和產品診斷模塊的設計與應用奠定了基礎。

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Design and Application of Remote Monitoring System for Molding Injection Plant

XU Guo-zhong1, GAO Chang-shui2, SUN Xiao-wei2, LI Chun2

(1. Nanjing Huage Electronics& Automobile Plastic Industry Co., Ltd.，Nanjing 210014，China; College of

Mechanical and Electrical Engineering， 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Abstract:At this stage, due to the independence of all machines in the molding injection plant, the department of production management neither monitors the state of the machine in real time nor analyses the quality problem with enough datum which are closely related with the producing process. In order to overcome these disadvantages, this paper proposes to establish the remote monitoring system, based on RS-485,Device-Net,Industial Ethernet for molding injection plant and gives out the system structure, control flow and implement method with VC++.The experiment indicates the functions of real-time monitoring, data acquisition, task distribution can be achieved successfully.

Keywords:molding injection machine; remote monitoring; design; industrial ethernet

中圖分類號：TP277.2

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0206-03

作者簡介：徐國忠(1970-)，男，江蘇宜興人，高級工程師，學士，研究領域：機電一體化/工業(yè)自動化。

收稿日期：2014-08-30