基于PLC的擠出機儀表控制柜集中監(jiān)控系統(tǒng)設計

宋 建，方 嵩，駱繼國

（1.華南理工大學廣東省高分子先進制造技術及裝備重點實驗室，廣州510640；2.華南理工大學聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣州510640；3.廣州晶品智能壓塑科技股份有限公司，廣州510530）

塑料制品在各行各業(yè)中隨處可見，其產(chǎn)量仍逐年上漲，塑料擠出成型作為三大塑料成型工藝之一，其制品在所有塑料制品中占比約為40%[1-2]。為了滿足塑料制品不斷增長的需求，塑料擠出成型設備也在向著高效、智能化的方向發(fā)展，有些企業(yè)生產(chǎn)的塑料擠出機使用自主研發(fā)的集中控制系統(tǒng)，比如巴頓菲爾辛辛那提公司的BCtouch UX 控制系統(tǒng)，可以將多臺設備連接到一起，所有工藝參數(shù)均可集中監(jiān)控，還支持外部聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控與維護[3]。目前，國內(nèi)大多數(shù)的中小企業(yè)的塑料擠出加工車間的擠出機使用的是儀表控制柜，設備關鍵數(shù)據(jù)使用儀表顯示但沒有記錄功能，在日常生產(chǎn)中生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)主要由現(xiàn)場巡視工人定時記錄，這樣不僅實時性差，效率低，而且也不利于車間的管理。而更換帶有集中監(jiān)控、遠程維護功能的擠出機設備的高昂成本讓大部分中小企業(yè)望而卻步。

近年來，隨著PLC 集成的功能越來越強大，在工廠的改造升級中常常用到[4-5]，甚至可以用PLC 來進行設備的數(shù)據(jù)采集，加上車間物聯(lián)網(wǎng)的興起[6]，使得數(shù)據(jù)監(jiān)控的方式也有了更多的選擇。本文在詳細調(diào)研廣東某公司的塑料擠出加工車間后，提出利用PLC 結合物聯(lián)網(wǎng)技術為該車間設計數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以快速搭建完成且?guī)缀醪桓膭釉性O備，系統(tǒng)通過采集、監(jiān)控和分析生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設備的本地和遠程監(jiān)控，來提高該車間的生產(chǎn)效率與管理水平。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 擠出機儀表控制柜內(nèi)部通信

企業(yè)需要集中監(jiān)控的數(shù)據(jù)主要包括擠出機主電機和喂料電機的運行速度與電流、各溫區(qū)溫度以及機頭熔體壓力。實地了解后發(fā)現(xiàn)企業(yè)采用的是儀表型控制電柜，電柜內(nèi)有主電機驅(qū)動變頻器1 個，喂料變頻器1 個、喂料伺服驅(qū)動器2 個，溫控表8 個。其中，變頻器和伺服驅(qū)動器均帶有RS485 接口且支持Modbus 通信協(xié)議；采用廠家的配套通信變換器可將8 個溫控集成為一個Modbus RTU 從站；熔體壓力傳感器的輸出為0～10 V 的模擬量信號，無法直接組網(wǎng)，在此將其接入主電機變頻器的多功能模擬量輸入端子，然后通過讀取變頻器相應的寄存器便可獲得熔體壓力信號數(shù)據(jù)。通過上述的改造，僅使用一條RS485 總線便可實現(xiàn)一臺擠出機儀表控制柜內(nèi)部所有數(shù)字設備的組網(wǎng)，具體實現(xiàn)方案如圖1所示。

1.2 集中監(jiān)控系統(tǒng)

圖1 儀表控制柜內(nèi)部設備通信連接Fig.1 Communication connection of equipment inside the instrument control cabinet

擠出機儀表控制柜集中監(jiān)控系統(tǒng)由擠出機儀表控制柜、PLC 及其通信模塊、交換機、本地計算機、無線網(wǎng)關和云服務器等組成，系統(tǒng)的結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構拓撲圖Fig.2 System structure topology diagram

在該系統(tǒng)中，由PLC 作為數(shù)據(jù)采集、匯總的裝置，通過其擴展的RS485 通信模塊與所有儀表控制柜內(nèi)部的設備進行通信，并將所需數(shù)據(jù)采集、匯總到一起。通過PLC 的以太網(wǎng)口車間現(xiàn)場的PC 可以訪問并保存匯總的數(shù)據(jù)，同時無線網(wǎng)關也會通過以太網(wǎng)讀取PLC 中匯總的數(shù)據(jù)，然后使用4G 無線網(wǎng)絡上傳至云服務器中儲存。車間現(xiàn)場的PC 使用Wincc 組態(tài)，其運行界面上可進行數(shù)據(jù)監(jiān)控與展示。遠程PC 和移動設備可以通過瀏覽器訪問和配置云服務器網(wǎng)頁來實現(xiàn)遠端監(jiān)控。

2 數(shù)據(jù)采集與匯總

儀表控制柜內(nèi)部設備的數(shù)據(jù)采集與匯總是使用西門子S7-1200 PLC 及其拓展的通信模塊完成的，S7-1200 PLC 是一款經(jīng)濟型模塊化的控制器，可拓展連接8 個信號模塊用于數(shù)字量和模擬量的輸入輸出，同時擁有強大的通信拓展功能[7-8]。

經(jīng)統(tǒng)計，該車間共有6 條塑料擠出加工生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線有5 個從站需要進行通信訪問，車間總計30 個從站。查閱手冊可知[9]，該PLC 拓展的單個RS485 通信模塊可連接31 個從站，連接方式采用終端匹配的總線結構，即用一條總線將從站一個一個串接起來。雖然從數(shù)量上來說1 個通信模塊就足夠連接所有的設備，但是考慮到以下兩點，在此選擇使用2 個通信模塊。

（1）使用2 個通信模塊可以提高數(shù)據(jù)采集頻率。因為RS485 采用半雙工的工作模式，數(shù)據(jù)是通過逐個訪問設備獲取的，所以一條總線上的設備越多，訪問周期就越長，數(shù)據(jù)采集頻率就越低，使用2 個通信模塊直接將一條總線上的設備減少到原先的一半，相應的數(shù)據(jù)采集頻率就提高了1 倍。

（2）使用2 個通信模塊可以提高系統(tǒng)的可擴展性。如果使用1 個通信模塊連接30 個從站，那么系統(tǒng)只剩余1 個從站的擴展，當現(xiàn)場需要增加多個要監(jiān)控的設備時就無法全部接入系統(tǒng)，而使用2 個通信模塊就能解決這個問題，使系統(tǒng)的靈活性和擴展性都得到提高。

PLC 程序使用TIA Portal V14 軟件進行編寫，數(shù)據(jù)通過通信方式采集。在此，要將所有的通信設備的通信參數(shù)進行設定，包括從站地址、波特率和檢驗方式，將波特率設為9.6 kbps，從站地址按順序進行設定，校驗方式設置為偶校驗。然后PLC 作為Modbus 主站先使用MB_COMM_LOAD 指令塊對串口初始化，再使用MB_MASTER 指令塊對通信設備進行輪詢。輪詢時由主站發(fā)出消息，在一定時間內(nèi)從站回應消息，若無回應主站再發(fā)出消息一次，若再無回應則跳過該從站并報“從站超時”錯誤[10]，當某條生產(chǎn)線故障或維護停機時，該生產(chǎn)線的儀表控制柜內(nèi)的設備因斷電而無法回應主站輪詢會導致等待時間加長，造成輪詢周期變長，數(shù)據(jù)采集頻率下降。為了使數(shù)據(jù)采集頻率不受生產(chǎn)線之間開關機的影響，采取了一種更加靈活的方式進行程序設計。以生產(chǎn)線為單位將所有設備分組（一個控制柜內(nèi)所有設備為一組），然后在程序中設置開關表示生產(chǎn)線的開機狀態(tài)，只有在開關開啟的時候，即生產(chǎn)線開機狀態(tài)下才會輪詢該組設備，開關的狀態(tài)在現(xiàn)場PC 的運行界面上進行設定，該程序流程如圖3所示。

圖3 PLC 分組輪詢設備的程序流程Fig.3 Program flow chart of PLC group polling device

3 在線監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

在線監(jiān)控包括車間現(xiàn)場監(jiān)控和云端監(jiān)控兩部分，二者運行上互相獨立，但數(shù)據(jù)均來源于生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)采集與匯聚PLC。在此，要將S7-1200 PLC設置為允許借助PUT/GET 通信從遠程伙伴訪問，這樣外部設備就可以通過PLC 的以太網(wǎng)口進行數(shù)據(jù)訪問。

車間現(xiàn)場監(jiān)控是在Windows 系統(tǒng)的計算機上使用Wincc 組態(tài)軟件實現(xiàn)的。Wincc 是西門子公司提供的一款基于Windows 操作系統(tǒng)的人機界面HMI 系統(tǒng)，其功能強大，而且為二次開發(fā)提供了良好的開放性，在過程可視化和監(jiān)控系統(tǒng)設計方面獲得了廣泛應用[11-12]。

此項目中使用組態(tài)軟件為SIMATIC Wincc Professional V14，軟件安裝完成后首先是進行網(wǎng)絡配置，在此PLC 的IP 地址被設定為192.168.2.100，計算機的IP 地址要和PLC 的處于同一網(wǎng)段故設為192.168.2.10，計算機還需配置PG/PC 接口，打開PG/PC 接口設置窗口為應用程序訪問點S7ONLINE（STEP7）點選Broadcom NetLink（TM）Gigabit Ethernet.TCPIP.1（此為計算機網(wǎng)卡名稱）。然后使用軟件組態(tài)完成以下幾個功能：

（1）監(jiān)控數(shù)據(jù)實時顯示。將PLC 中采集匯總的數(shù)據(jù)與Wincc 建立數(shù)據(jù)連接，在運行界面中設定相應的顯示區(qū)域，設定界面刷新時間為500 ms，數(shù)據(jù)會按這個時間刷新顯示。

（2）數(shù)據(jù)記錄與歷史數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)記錄使用Wincc 的數(shù)據(jù)日志來完成，在軟件中創(chuàng)建和組態(tài)數(shù)據(jù)日志，設定日志名稱和儲存位置，然后組態(tài)變量記錄，設定需要記錄的數(shù)據(jù)所連接的變量以及數(shù)據(jù)記錄的周期。記錄的數(shù)據(jù)使用時序趨勢圖窗口進行滾動展示，同時也通過該窗口查詢歷史數(shù)據(jù)。

（3）關鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)視。在所有監(jiān)控的數(shù)據(jù)中與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關的主機電流值需要嚴密監(jiān)視，正常生產(chǎn)狀態(tài)下主機的電流波動穩(wěn)定，出現(xiàn)波動較大時，產(chǎn)品質(zhì)量往往會出現(xiàn)問題，因此在Wincc 的報警規(guī)則中添加主機電流的限值監(jiān)控，當超出限值后報警提醒現(xiàn)場人員及時檢查處理以減少損失。

（4）設備開機狀態(tài)選擇。PLC 程序中設置了只有上電開機的設備才被輪詢采集數(shù)據(jù)，將控制此事件的變量連接至Wincc 界面的開關控件即可手動選擇設備開機狀態(tài)。完成以上功能的組態(tài)，車間現(xiàn)場監(jiān)控就基本完成。

云端監(jiān)控是借助SymLink 物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關Q102 和云服務器來實現(xiàn)的。Q102 物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關是基于Linux 開發(fā)的，配備串行通信和以太網(wǎng)通信端口，搭載4G 無線通信模塊，使用智能網(wǎng)關配套的SymLink 軟件平臺可以快速開發(fā)通信協(xié)議插件來訪問設備，同時軟件平臺也會發(fā)布市場上主流的行業(yè)標準協(xié)議和PLC 通信協(xié)議來幫助用戶開發(fā)遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)[13]。實現(xiàn)云端監(jiān)控分為兩步：

第一步配置網(wǎng)關上傳數(shù)據(jù)。將網(wǎng)關與PLC 通過交換機建立物理連接，在網(wǎng)關的開發(fā)軟件中采集驅(qū)動選擇SIEMENS S7-1200 以太網(wǎng)通信協(xié)議，按PLC 的數(shù)據(jù)地址配置數(shù)據(jù)轉發(fā)點表，在轉發(fā)服務里面選擇使用云服務器的MQTT 轉發(fā)標準，將配置好的工程上傳至網(wǎng)關完成配置。

第二步配置網(wǎng)頁界面展示數(shù)據(jù)。云服務器公司提供數(shù)據(jù)配置平臺，可以在網(wǎng)頁上配置網(wǎng)關上傳的數(shù)據(jù)，使用折線圖和柱狀圖展示歷史數(shù)據(jù)，將開機狀態(tài)和主機電流添加至云端監(jiān)視，設定報警規(guī)則，當開機狀態(tài)改變或主機電流超限時報警觸發(fā)指令發(fā)送郵件至指定郵箱，配置完成后可以使用PC或移動設備瀏覽該網(wǎng)頁遠程查看設備數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)運行與測試

擠出機儀表控制柜集中監(jiān)控系統(tǒng)已在廣東某公司的塑料擠出加工車間安裝運行。

在車間現(xiàn)場的PC 對控制柜數(shù)據(jù)時刻進行監(jiān)控和記錄，無須額外的人員去巡視、記錄設備運行時的數(shù)據(jù)，當出現(xiàn)異常時，如主機電流波動較大時立即報警，技術人員能以最快的速度得知異常發(fā)生，使車間的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率都得到了提升，異常發(fā)生過后還能導出完整的數(shù)據(jù)進行分析。該系統(tǒng)應用以來得到了車間員工的充分肯定，車間PC 的運行界面截圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場計算機監(jiān)控界面Fig.4 On-site computer monitoring interface

在云端同樣監(jiān)視和記錄著車間擠出機的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在設置報警規(guī)則以及郵件發(fā)送觸發(fā)條件后，即使不主動上線查看也會有郵件將設備狀態(tài)變化和異常報警在第一時間發(fā)送給管理人員，對車間的管理和業(yè)務決策都能提供一定的幫助。技術專家可以在遠程PC 或移動設備上登錄云服務器網(wǎng)頁查看詳細數(shù)據(jù)，在遇到生產(chǎn)問題時可以提供遠程指導。瀏覽器網(wǎng)頁監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 遠程監(jiān)控瀏覽器界面Fig.5 Remote monitoring browser interface

5 結語

本文以廣東某公司的塑料擠出加工車間為研究對象，設計了擠出機儀表控制柜集中監(jiān)控系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集部分使用2 個RS485 通信模塊，加快了數(shù)據(jù)采集頻率也增加了系統(tǒng)的可擴展性；在PLC 程序中設計了可選擇的分組輪詢方式，使各生產(chǎn)線之間的開關機狀態(tài)不相互影響，保證了數(shù)據(jù)采集的頻率。在數(shù)據(jù)監(jiān)控部分，通過開放PLC 的外部訪問權限，使用Wincc 軟件組態(tài)車間現(xiàn)場監(jiān)控PC 實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、展示和報警功能，使用網(wǎng)關和云服務器實現(xiàn)了云端在線監(jiān)控。經(jīng)過實地應用表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、采集數(shù)據(jù)準確、數(shù)據(jù)傳輸可靠，能夠監(jiān)控和記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在進行生產(chǎn)問題的分析和診斷時，可導出數(shù)據(jù)為管理者提供數(shù)據(jù)參考；在日常生產(chǎn)中可減少車間員工的工作量，提高塑料擠出加工車間的生產(chǎn)效率。