淺談SCADA系統(tǒng)在有色金屬加工企業(yè)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙 健

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

隨著國(guó)內(nèi)有色金屬加工行業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)迫切需要利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)人、機(jī)、物、系統(tǒng)的全面互聯(lián)，促使兩化融合，推進(jìn)企業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。企業(yè)內(nèi)各種數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通就成為企業(yè)數(shù)字化、智能化首先要面對(duì)的問題。

有色金屬加工行業(yè)具有小批量、多規(guī)格、多工序、高標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大、離散連續(xù)過程并存的特點(diǎn)。SCADA系統(tǒng)作為企業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的重要一步，在有色金屬加工企業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。有色金屬加工企業(yè)通過建設(shè)SCADA系統(tǒng)，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，可有效實(shí)現(xiàn)企業(yè)相關(guān)應(yīng)用所必需的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、查詢等服務(wù)功能。

本文通過某企業(yè)為推進(jìn)工廠智能化，對(duì)企業(yè)的設(shè)備和能源介質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要工藝數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、能源介質(zhì)的發(fā)生量和耗用量進(jìn)行采集、分析、顯示和報(bào)警，并對(duì)系統(tǒng)異常進(jìn)行應(yīng)急處理而建設(shè)的SCADA系統(tǒng)為例，介紹了在有色金屬加工企業(yè)中SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 SCADA系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

通過S7、OPC或MODBUS等協(xié)議通訊方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線、子系統(tǒng)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)監(jiān)控、指令上傳下達(dá)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)部署分為三部分內(nèi)容：①接入層，各子車間PLC系統(tǒng)或車間設(shè)備自帶上位機(jī)連接至車間級(jí)交換機(jī)；②匯聚層，通過采集服務(wù)器實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的全面匯聚；③核心層，通過核心層交換機(jī)將數(shù)據(jù)上傳至WEB服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)WEB功能發(fā)布，并與第三方系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture diagram

1.2 數(shù)據(jù)通訊

選用智能采集網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可支持遠(yuǎn)程配置管理，支持設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)上傳、下載和監(jiān)控。智能采集網(wǎng)關(guān)內(nèi)置多種工業(yè)驅(qū)動(dòng)協(xié)議，支持西門子、施耐德、AB、三菱等市場(chǎng)主流設(shè)備，支持協(xié)議轉(zhuǎn)換Modbus TCP，支持MQTT，智能采集網(wǎng)關(guān)完成網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通及配置后，會(huì)根據(jù)PLC的地址和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)映射進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

1.3 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

用戶通過WEB方式訪問網(wǎng)絡(luò)控制器的管理界面，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定、參數(shù)設(shè)置、組態(tài)控制等操作。通過網(wǎng)絡(luò)控制器打通服務(wù)器、控制器、采集網(wǎng)關(guān)、PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)PLC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)監(jiān)控。

采集后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絊CADA系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫將采集的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，以螺旋壓縮技術(shù)的高效數(shù)據(jù)壓縮功能完成數(shù)據(jù)的強(qiáng)力壓縮。

2 SCADA系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊為SCADA系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)管理功能，包括工廠建模、工廠日歷設(shè)定、班次輪班設(shè)定以及物料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)定、用戶角色管理、事件建模管理、質(zhì)量缺陷庫管理等。

工廠模型是整個(gè)SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其過程就是將整個(gè)工廠和生產(chǎn)過程數(shù)字化，形成和工廠及生產(chǎn)過程實(shí)際相對(duì)應(yīng)的虛擬數(shù)字工廠。生產(chǎn)建模能力和對(duì)象層次包括：車間->生產(chǎn)線/設(shè)備組->生產(chǎn)單元//工序/工段->生產(chǎn)、檢測(cè)變量組->生產(chǎn)變量。

工廠建模還包括對(duì)生產(chǎn)設(shè)備及工藝路線上發(fā)生的各種過程事件進(jìn)行定義，例如生產(chǎn)事件，設(shè)備停機(jī)事件，廢品事件，物料消耗事件，更換產(chǎn)品事件等。

2.2 生產(chǎn)監(jiān)控

提供畫面組態(tài)工具，編輯車間工藝流程，流程圖支持縮放功能，自定義數(shù)據(jù)標(biāo)簽?？梢钥吹较嚓P(guān)設(shè)備的運(yùn)行/停止、壓力/溫度等模擬量的實(shí)時(shí)變化等，供管理人員實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)情況(圖2)。通過實(shí)時(shí)采集設(shè)備工藝溫度、工藝曲線、報(bào)警信息等作信息對(duì)接，相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)程序異常、溫度異常等主動(dòng)提示各級(jí)管理人員做出處理。

圖2 生產(chǎn)監(jiān)控Fig.2 Production monitoring

2.3 設(shè)備監(jiān)控及產(chǎn)能分析

通過采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視?；谶^程控制標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議構(gòu)建預(yù)警系統(tǒng)，形成可視化人機(jī)交互界面，對(duì)過程異常的詳細(xì)信息進(jìn)行量化采集，生產(chǎn)報(bào)表，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采集設(shè)備狀態(tài)信息，記錄生產(chǎn)停機(jī)的時(shí)間長(zhǎng)度，詳細(xì)位置和故障原因。

SCADA系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)效率統(tǒng)計(jì)分析功能，包括停機(jī)時(shí)間率、不合格率、性能開動(dòng)率、設(shè)備全面效率、一次通過率、每小時(shí)產(chǎn)量等計(jì)算。計(jì)算方法如下：

(1)停機(jī)時(shí)間率?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的PLC在接口數(shù)據(jù)區(qū)中提供的停機(jī)原因信號(hào)作為統(tǒng)計(jì)停機(jī)時(shí)間的依據(jù)。停機(jī)比率等于總停機(jī)時(shí)間除以總有效運(yùn)行時(shí)間乘以100%?？偼C(jī)時(shí)間與總有效運(yùn)行時(shí)間中不包括休息時(shí)間、放假時(shí)間與計(jì)劃性停機(jī)時(shí)間。

(2)不合格率。不合格率等于不合格品計(jì)數(shù)除以總計(jì)數(shù)乘以100%。

(3)性能開動(dòng)率。SCADA可以通過每一個(gè)下線點(diǎn)或者某臺(tái)設(shè)備時(shí)的總計(jì)數(shù)，計(jì)算性能開動(dòng)率。性能開動(dòng)率等于實(shí)際生產(chǎn)速度(件/小時(shí))除以理論生產(chǎn)速度(件/小時(shí))乘以100%。實(shí)際生產(chǎn)速度的計(jì)算按照除去停機(jī)時(shí)間后的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間為時(shí)間要素進(jìn)行換算。

(4)設(shè)備全面效率(O.E.E)。采用標(biāo)準(zhǔn)OEE計(jì)算公式計(jì)算。設(shè)備全面效率等于時(shí)間開動(dòng)率乘以性能開動(dòng)率乘以合格率乘以100%。

(5)一次通過率(FTT)。一次通過率的計(jì)算指當(dāng)每臺(tái)產(chǎn)品通過最后下線點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)是否經(jīng)過返修的信息位進(jìn)行一次性通過產(chǎn)品的計(jì)數(shù)與通過該下線點(diǎn)的總計(jì)數(shù)。一次通過率等于未經(jīng)返修的一次通過下線數(shù)量除以下線總數(shù)量乘以100%。

(6)每小時(shí)產(chǎn)量(JPH)。JPH的計(jì)算需要進(jìn)行產(chǎn)量和工作時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。PLC負(fù)責(zé)計(jì)算經(jīng)過每個(gè)下線點(diǎn)的產(chǎn)品數(shù)量，該數(shù)量中不包含需要進(jìn)入返修區(qū)的產(chǎn)品。每小時(shí)產(chǎn)量等于總產(chǎn)量除以有效工作時(shí)間。有效工作時(shí)間需要排除休息時(shí)間和換班時(shí)間。

2.4 能源監(jiān)控

通過采集能源的數(shù)據(jù)，對(duì)能源消耗狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。按照有色金屬加工企業(yè)不同層級(jí)(廠、車間、設(shè)備)對(duì)能源數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，幫助用戶及時(shí)了解能源使用過程中的漏洞，便于用戶能夠及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)一步深入挖掘節(jié)能空間，以滿足生產(chǎn)要求為前提對(duì)工藝參數(shù)等進(jìn)行節(jié)能降耗，不斷優(yōu)化企業(yè)能源結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本文介紹了有色金屬加工企業(yè)中的SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，通過系統(tǒng)構(gòu)建工廠、車間、產(chǎn)線、設(shè)備數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用，操作者根據(jù)權(quán)限可以直觀看到工廠、車間、產(chǎn)線、設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，獲取告警/預(yù)警信息，做出響應(yīng)判斷和決策。隨著工業(yè)4.0的穩(wěn)步發(fā)展，SCADA系統(tǒng)將設(shè)備通過通信技術(shù)有機(jī)連接起來，將采集到的數(shù)據(jù)用于匯總分析、生產(chǎn)管理、決策分析、優(yōu)化改進(jìn)，最終助力企業(yè)向智能工廠邁進(jìn)。