以太網(wǎng)和OPC通信技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

劉 偉 陳允霞

（1. 上海海事大學(xué)，上海 201306；2. 上海允鴻自動(dòng)化科技有限公司，上海 201306）

物流運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展對(duì)商用汽車及其變速箱發(fā)展提出新的標(biāo)準(zhǔn)與要求。商用汽車運(yùn)行成本和故障率成為制約運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素[1-2]。變速箱作為商用汽車的重要組成部分，其軸承裝配質(zhì)量直接影響變速箱質(zhì)量甚至使用壽命。系統(tǒng)采用先進(jìn)的氣動(dòng)液壓混合式壓裝，壓裝壓力與位置檢測(cè)裝置配合PLC控制，上位機(jī)記錄并存儲(chǔ)壓裝數(shù)據(jù)的方式，實(shí)現(xiàn)壓裝數(shù)據(jù)的本地保存與歷史查詢、追溯等功能，改善變速箱組裝依靠人工測(cè)量和經(jīng)驗(yàn)判斷產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)狀。

變速箱裝配生產(chǎn)線涉及許多工藝流程，軸承裝配是其中很重要的一項(xiàng)，如副箱軸承、前蓋軸承、中間軸、一軸、同步器等，其壓裝精度直接影響整臺(tái)變速箱的質(zhì)量。對(duì)于不同的軸承裝配工位，只需改變對(duì)應(yīng)的壓裝模具，即可以采用相似的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承壓裝的自動(dòng)控制。下文以變速箱裝配流水線副箱軸承壓裝單機(jī)設(shè)備為例，介紹控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建以及壓裝數(shù)據(jù)采集、處理與存儲(chǔ)等技術(shù)[3-4]。

1 控制系統(tǒng)的構(gòu)建

副箱軸承壓裝設(shè)備由底座（含支架）、輥道、停止器、托盤舉升裝置（含固定插銷）、壓裝模具、托盤承重板、氣液增壓裝置、條碼掃描裝置等組成。

1）副箱軸承壓裝控制工藝與要求

工藝流程如下。壓裝模具定位至壓裝位置；氣液增壓缸上模具動(dòng)作壓外圈軸承；氣液增壓缸下模具動(dòng)作壓內(nèi)圈軸承；壓裝過(guò)程自動(dòng)記錄壓力位移曲線。壓裝完成，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)返回原位，準(zhǔn)備下一循環(huán)。

2）控制系統(tǒng)的硬件組成

針對(duì)上述工藝要求，結(jié)合副箱壓機(jī)設(shè)備和控制要求構(gòu)建了由研華工控機(jī)、觸摸屏、PLC、壓力傳感器、位移傳感器及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成的控制系統(tǒng)。

上位機(jī)管理站（操作站）通過(guò)以太網(wǎng)方式將分散的PLC控制站組網(wǎng)并進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的集中管理與分散控制。

Siemens S7-1200控制器本體集成支持10/100Mb/s的物理接口，支持以太網(wǎng)和基于 TCP/IP的通信標(biāo)準(zhǔn)?？刂破鱌LC與管理站通過(guò)OPC建立數(shù)據(jù)通信。圖1所示為控制系統(tǒng)硬件組成。

圖1 控制系統(tǒng)硬件組成

3）控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

PLC通過(guò)模擬量通道實(shí)時(shí)采集位移、壓力等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)OPC上傳至操作員站。

操作員站采用 VB.Net開(kāi)發(fā)監(jiān)控管理界面并保存數(shù)據(jù)采集日志、繪制壓裝曲線，同時(shí)將原始數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)服務(wù)器。

管理員站采用VB.Net開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與報(bào)表分析等工作，為產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量追溯等提供數(shù)據(jù)支撐。圖2所示為系統(tǒng)數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)圖。

圖2 數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 控制站—控制站以太網(wǎng)通信

副箱軸承壓裝工位，需要通過(guò)以太網(wǎng)同相鄰工位建立必要的安全互鎖與信息交互，以降低設(shè)備故障率和實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)連續(xù)化。

1）硬件組態(tài)

S7-1200軟件的編程與硬件組態(tài)是基于西門子TIA（博圖）自動(dòng)化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) ，其硬件組態(tài)如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)組網(wǎng)硬件組態(tài)

主站與從站建立以太網(wǎng)通信，必須正確配置硬件組態(tài)信息，否則通信無(wú)法建立，如通信協(xié)議、以太網(wǎng)地址、連接方式等。

2）以太網(wǎng)通信的編程實(shí)現(xiàn)

S7-1200提供開(kāi)放式以太網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互?；谝蕴W(wǎng)通信協(xié)議，編寫通信流程如圖 4所示。

圖4 太網(wǎng)通信流程

主從以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)流程如下：

（1）主站發(fā)送連接請(qǐng)求從站，從站執(zhí)行應(yīng)答命令，與主站建立連接。

（2）主站讀取系統(tǒng)時(shí)間連同用戶數(shù)據(jù)一起發(fā)送至從站數(shù)據(jù)接收區(qū)。

（3）從站接收主站的時(shí)鐘并同步其系統(tǒng)時(shí)間，從站的用戶數(shù)據(jù)通過(guò)相同方式發(fā)送至主站數(shù)據(jù)接收區(qū)。

（4）通信完成，主站斷開(kāi)與從站的連接。

2.2 控制站—管理站數(shù)據(jù)交互

使用計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控、管理、操作站的場(chǎng)合越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大。不同廠家生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備種類在不斷的增加，其通信機(jī)制并不相同，不同品牌PLC與計(jì)算機(jī)通信需要開(kāi)發(fā)的設(shè)備通信驅(qū)動(dòng)程序也就越來(lái)越多。

OPC為不同品牌PLC與計(jì)算機(jī)通信提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為過(guò)程控制設(shè)計(jì)的基于 COM/DCOM（組件對(duì)象模型/分布式組件對(duì)象模型）技術(shù)的通信協(xié)議[3-9]。

OPC規(guī)范包括 OPC服務(wù)器和客戶端兩部分。OPC由服務(wù)器、組、數(shù)據(jù)項(xiàng)等組成。數(shù)據(jù)項(xiàng)是讀寫數(shù)據(jù)的最小單位（位、字或雙字），不提供對(duì)外接口，不能作為單獨(dú)的對(duì)象供客戶端訪問(wèn)，必須隸屬于組對(duì)象。在組對(duì)象中，客戶可以加入多個(gè)OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)。

S7-1200采集來(lái)自位移和壓力傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)模擬量通道送至PLC控制器，然后通過(guò)OPC發(fā)送至上位機(jī)記錄、存儲(chǔ)并繪制壓裝曲線。數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)流程如圖5所示。

圖5 OPC數(shù)據(jù)采集、處理流程

PC通過(guò)OPC讀取來(lái)自PLC的壓力、位移等參數(shù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判定壓裝結(jié)果和繪制壓裝曲線。壓裝數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。當(dāng)合格產(chǎn)品積累到一定數(shù)量時(shí)，軟件會(huì)根據(jù)歷史壓力位移等數(shù)據(jù)信息為產(chǎn)品壓裝曲線添加包絡(luò)線[10-12]。操作工也可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況更新包絡(luò)線數(shù)據(jù)信息，以適應(yīng)產(chǎn)品變化的需要。

3 調(diào)試

圖6為調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)獲得的壓裝曲線圖。由圖可見(jiàn)，檢測(cè)壓力在接近目標(biāo)位移時(shí)，瞬間增大至最大值。經(jīng)測(cè)量，排除工件本身公差，位移值記錄偏差相比實(shí)際值＜0.1mm，壓力值在誤差允許范圍內(nèi)，符合要求。

圖6 壓力-位移曲線

4 結(jié)論

本文根據(jù)變速器副箱軸承壓裝工藝及要求建立了上述電氣控制系統(tǒng)，編程并實(shí)現(xiàn)了軸承壓裝的自動(dòng)控制，通過(guò)管理站記錄與保存壓力、位移數(shù)據(jù)及壓裝曲線，實(shí)現(xiàn)了工藝數(shù)據(jù)的可追溯性，為變速箱維護(hù)和產(chǎn)品升級(jí)提供了數(shù)據(jù)支撐。在系統(tǒng)使用一段時(shí)間后，可以根據(jù)合格產(chǎn)品的壓力、位移數(shù)據(jù)，繪制包絡(luò)線。

[1] 蓮芝. 汽車變速箱質(zhì)量問(wèn)題追溯的理論方法研究[D].長(zhǎng)春： 吉林大學(xué), 2011.

[2] 孫焦麗. 商用車變速箱的可靠性研究[D]. 長(zhǎng)春： 吉林大學(xué), 2012.

[3] 張河, 魯五一. OPC客戶端與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)通信的實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué), 2008, 30(5)： 81-83.

[4] 戚中奎, 林果園. 孫統(tǒng)風(fēng) OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)器的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2011, 32(4)： 15-17.

[5] 胡忠德, 嚴(yán)啟, 彭順風(fēng). 基于 OPC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2008, 27(11)： 42-44, 48.

[6] 鄧先明, 袁啟東, 盧佳, 等. 基于 OPC的煤礦供電自動(dòng)化系統(tǒng)[J]. 工礦自動(dòng)化, 2008(2)： 94-97.

[7] 趙紅洲, 潘西明. 基于 OPC協(xié)議的數(shù)據(jù)集成實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J]. 數(shù)采與監(jiān)測(cè), 2006(22)： .

[8] 謝冰若. 用Visual Basic實(shí)現(xiàn)OPC客戶端關(guān)鍵技術(shù)[J]. 科學(xué)咨詢, 2006(7)： 49-51.

[9] 柴凱, 侯立剛, 姜軍銀. OPC技術(shù)在工業(yè)過(guò)程控制中的應(yīng)用研究[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2005(3)：70-72.

[10] 趙永勝. 汽車部件裝配生產(chǎn)管理系統(tǒng)中RFID技術(shù)的應(yīng)用研究[D]. 重慶： 重慶大學(xué), 2010.

[11] 周國(guó)亮, 朱永利, 王桂蘭, 等. 實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014,29(S1)： 432-437.

[12] 張帥, 常娜娜. 配電自動(dòng)化系統(tǒng)分析及改進(jìn)方案[J].電氣技術(shù), 2017, 18(7)： 66-68, 77.