基于互聯(lián)網(wǎng)的智能控制離心技術研究與實現(xiàn)

徐 蘇，李 想，付文京，鈕碩碩，許金綱，王楊淞

(1.江蘇海洋大學 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院， 江蘇 連云港 222005； 2.蘭州職業(yè)技術學院 電子信息工程系， 甘肅 蘭州 730070)

一、引言

智能制造已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)上升到了國家戰(zhàn)略層面，比如，德國工業(yè)4.0由產(chǎn)學研推動，升至國家戰(zhàn)略；美國政府戰(zhàn)略推動創(chuàng)新，積極實施再工業(yè)化，牽頭推出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”；日本企業(yè)也提出了“工業(yè)4.1P”，更強調(diào)機器人應用和工業(yè)本身高質(zhì)量的發(fā)展；我們國家實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領——“中國制造2025”，加速從制造大國邁向制造強國，甚至我國發(fā)達的工業(yè)城市蘇州也推出了“蘇州制造”的品牌認證體系?，F(xiàn)代工業(yè)與“智慧”“智能”的聯(lián)系越來越緊密，不僅僅在“智造”層面，更是要求裝備在實際作業(yè)中擁有智能化自動控制的能力甚至是故障自診斷和糾偏能力，以維持高效、持續(xù)、可靠的生產(chǎn)[1]。隨著工業(yè)科技的飛速發(fā)展，通過國內(nèi)外技術交流和合作及成套設備的引進、消化與吸收，國內(nèi)的離心機控制技術有了長足的進步[2]。國內(nèi)的智能控制離心機處于發(fā)展階段，但遠程控制的開發(fā)仍處于探索中，對于一些關鍵性技術尚未得到很好的解決。離心機運行中的報警反饋故障分析與解決方案，及實現(xiàn)遠程診斷，是一個技術難題；同時，對全部離心機以及上、下游設備進行控制，反饋設備的運行數(shù)據(jù)、車間和離心機內(nèi)部實時視頻，實現(xiàn)遠程操作與監(jiān)控，都是目前需要深入研究的重要方向。

二、總體設計方案

本設計立足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對離心技術的智能化改造，離心機組智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用了B/S結(jié)構(gòu)，具體工作流程由三個部分組成：生產(chǎn)部的工程師將制定好的工藝參數(shù)和工作流程通過企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)或Internet公網(wǎng)瀏覽器傳送到生產(chǎn)車間現(xiàn)場的Web服務器數(shù)據(jù)庫SQL Server，并通過下位機部署的WinCC服務器，將設置好的“生產(chǎn)工藝流程”傳送到現(xiàn)場的控制系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)控制生產(chǎn)過程；在生產(chǎn)過程中，將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)反饋至數(shù)據(jù)中心，上位機根據(jù)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)信息，按照預定的流程進行操作并提供給生產(chǎn)部[3]。系統(tǒng)方案如圖1所示。

(一)管理層

管理層主要由生產(chǎn)部、銷售部、工程部、品控部、倉儲部和公司高管構(gòu)成，負責企業(yè)生產(chǎn)的整體把控，每個部門根據(jù)自己的權限了解整個企業(yè)的生產(chǎn)過程、質(zhì)量庫存等信息，并由生產(chǎn)部通過網(wǎng)絡把相關的產(chǎn)品參數(shù)、工藝流程等上傳至服務器。每一個有權限的工程師都可以通過WEB瀏覽器實時查看生產(chǎn)過程，并現(xiàn)場編寫工藝流程傳送至遠程的數(shù)據(jù)中心；生成工作報表，同時可以對工藝流程、生產(chǎn)中的重要參數(shù)、報警信息、報表等現(xiàn)場監(jiān)控。

(二)數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心采用了SQL數(shù)據(jù)庫作為整個智能控制離心機組的數(shù)據(jù)交換平臺；同時，為了便于工程師根據(jù)生產(chǎn)需求遠程調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)、工藝流程以及監(jiān)控生產(chǎn)過程，以Web server作為網(wǎng)絡服務器，工程師可以通過訪問服務器進行實時監(jiān)控工藝流程和生產(chǎn)現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)，并在線修改參數(shù)。

WEB和SQL服務器都部署在一臺服務器上，為用戶提供 Web服務，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠程接收和轉(zhuǎn)發(fā)，并可以對各種數(shù)據(jù)進行分析和管理，通過報表系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲和歸檔備份，方便工程師對生產(chǎn)過程前后進行溯源及跟蹤。

(三)現(xiàn)場執(zhí)行層

現(xiàn)場執(zhí)行層通過部署WinCC和PLC進行數(shù)據(jù)交互。WinCC可以通過網(wǎng)絡遠程訪問數(shù)據(jù)庫服務器(SQL Server)，獲取生產(chǎn)工藝流程操作票并傳送回生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)(WinCC)，由PLC根據(jù)生產(chǎn)工藝流程操作票對若干離心機組進行生產(chǎn)過程控制，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化控制。

圖1 離心機組智能控制總體框圖

三、智能控制策略

基于Internet的智能控制離心技術的重點在于將遠程通過網(wǎng)絡輸入的生產(chǎn)內(nèi)容操作票從數(shù)據(jù)中心讀取到現(xiàn)場執(zhí)行層，并經(jīng)由WinCC下載至現(xiàn)場PLC進行設備控制，進而完成每組離心機設備的智能化控制，現(xiàn)場執(zhí)行層控制流程如圖2[4]。第一，新建內(nèi)部變量——操作流程變量；第二，VBS腳本的編寫讀取SQL數(shù)據(jù)庫中操作票的內(nèi)容；第三，編寫腳本將操作流程中的文字內(nèi)容轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)變量；第四，根據(jù)數(shù)據(jù)變量的內(nèi)容將工藝參數(shù)傳送至PLC；第五，將“自動運行”變量置“1”，現(xiàn)場設備開始運行。

圖2 智能控制策略架構(gòu)

(一)集散控制

基于集散控制、PLC編程，集成反應、離心、流體與粉體輸送、干燥等工藝段全部設備，反饋設備的運行數(shù)據(jù)、車間以及離心機內(nèi)部實時視頻，實現(xiàn)自動化、智能化控制，解決離心機以及上、下游設備全過程的程序控制。通過豐富的傳感器模組實時感知能力，可以迅速的將現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)傳送到主控電腦，并由主控電腦根據(jù)預先編制好的程序執(zhí)行相應的工作指令，實現(xiàn)閉環(huán)控制，達到車間級智能化生產(chǎn)的要求，設置多級控制界面，可以對其中任何一臺設備進行重點監(jiān)控、參數(shù)設置、運行全數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障診斷，同時可以瀏覽所有離心機的運行狀態(tài)。

(二)故障診斷技術

基于傳感器技術，采集運行數(shù)據(jù)，建立運行數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)庫保存的運行歷史數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)對突變異常事件實時報警，并實時自行修正或反饋處置建議。數(shù)據(jù)庫保存的運行歷史數(shù)據(jù)與報警事件，可追溯分析。數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡提供給遠程工程師會診，遠程監(jiān)控操作。

(三)控制成本、提升品質(zhì)

基于控制程序、傳感技術、運行數(shù)據(jù)庫技術，系統(tǒng)對歷史數(shù)據(jù)進行實時測量，生成設備運行日志和儲存運行歷史記錄，對用電量、洗滌用量、產(chǎn)量、成品率、加工時間等，生成動態(tài)曲線，為工程師提供分析與優(yōu)化依據(jù)，提升運行效率、降低運行成本、提升產(chǎn)品品質(zhì)。

四、智能控制離心技術核心功能實現(xiàn)

智能控制離心技術現(xiàn)場執(zhí)行層作為整個系統(tǒng)的監(jiān)控中心和控制樞紐，有著重要的作用，如圖3。作為離心機組的控制端應具備如下功能：工作狀態(tài)監(jiān)控功能、生產(chǎn)流程及工藝參數(shù)制定下發(fā)功能、現(xiàn)場參數(shù)的調(diào)整及閾值偏離預警功能、信息存檔備份和異常情況的報警恢復功能、用戶權限管理等功能。從現(xiàn)場端的角度對PLC進行設計與分析時，可將其作為主控制系統(tǒng)，對離心機控制系統(tǒng)中的各個機電設備進行控制。將PLC應用于控制系統(tǒng)與自動測量系統(tǒng)中時，通常情況下都應該與計算機通信技術有機結(jié)合。也就是相應數(shù)據(jù)通過PLC被發(fā)送到計算機中，再由計算機將接收到的數(shù)據(jù)進行具體的分析與處理，這樣PLC在接收到相應的指令時就要按照指令任務進行運行控制。在開發(fā)離心機監(jiān)控系統(tǒng)時聯(lián)合應用PLC與計算機通信技術，具有非常高的可靠性，在設計電氣硬件時會更加簡單、便捷，適合批量生產(chǎn)，并且可以實現(xiàn)高效的程序復制。不僅如此，在實際運行過程中能夠進行模塊或單元的擴展，不管需要多少I/O，在擴展時也都比較方便，再加上PLC本身就具備繼電器的基本功能與較強的擴展功能，使其智能化程度相對提高，機構(gòu)也實現(xiàn)了極大的簡化。除此之外，只需要進行軟件修改，就能夠有效地更改控制邏輯，而不用進行硬件改動[5]。

圖3 現(xiàn)場執(zhí)行層功能圖

(一)工作狀態(tài)監(jiān)控功能

現(xiàn)場執(zhí)行層的WinCC和PLC負責控制整個智能控制離心機組生產(chǎn)的正常運行，因此監(jiān)控系統(tǒng)需模擬出離心機組的實時工作狀態(tài)，實現(xiàn)整個離心機組的實際控制?？紤]到實際環(huán)境下設備的體積及密閉環(huán)境，操作站需要將生產(chǎn)過程圖形化，如圖4，在虛擬出來的圖形化面板內(nèi)實現(xiàn)每一個工藝、每一個組件及重要參數(shù)的相應控制。

圖4 現(xiàn)場執(zhí)行層工作狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主界面設計

主界面顯示整個離心機組工作過程的所有工作流程，如進料，點擊后可開啟相應閥門進行進料工作，按鈕呈現(xiàn)綠色狀態(tài)，再次點擊進料按鈕關閉閥門，呈現(xiàn)原始狀態(tài)。主程序也設計了自動運行控制，程序啟動后，根據(jù)制定的工藝流程和參數(shù)進行自動控制完成生產(chǎn)，并實時反饋各個流程狀態(tài)，相應流程啟動，啟動按鈕將變成綠色，直至停機按鈕顯示紅色，完成該工作流程。如圖5，主界面還能夠?qū)ιa(chǎn)過程中重要參數(shù)的變動進行監(jiān)控，包括進料、清洗、空氣源等的實時壓力值，PLC和上下機的通訊，異常報警等信息。

圖5 彈出顯示界面

(二)生產(chǎn)流程及工藝參數(shù)制定下發(fā)功能

智能控制離心技術就是生產(chǎn)全過程的智能化，通過PLC程序的邏輯功能，實現(xiàn)離心機組各設備的智能化，智能化的目的在于提高生產(chǎn)的效率和控制產(chǎn)品的質(zhì)量，因此順利下發(fā)生產(chǎn)流程及工藝參數(shù)是關乎整個智能化系統(tǒng)正常運行的重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)場執(zhí)行層作為智能離心機組的總指揮，應具備加工生產(chǎn)流程的制定和工藝參數(shù)的修改功能，并順利下發(fā)。生產(chǎn)流程的運行可以按照順序控制的方式，生產(chǎn)工藝流程制定和下發(fā)的時候可以根據(jù)產(chǎn)品進行選擇，同時由于生產(chǎn)工藝流程本身具備一定的先后順序(如清洗工藝，屬于生產(chǎn)前準備工序，不會放置在最后一步，同樣，脫水流程，必須在清洗流程之后進行)，所以流程的制定也會有一定的限制。

(三)其他功能

工藝參數(shù)對最終產(chǎn)品的質(zhì)量有至關重要的作用，所以智能控制離心系統(tǒng)需要具備參數(shù)制定和修改的功能，比如溫度、壓力、工作時間等現(xiàn)場信息，工程師需要在主界面點擊相應的流程圖標，并在彈出窗口制定或者修改參數(shù)。對生產(chǎn)過程中的一些信息，系統(tǒng)要進行存檔，對具有異常變化趨勢的信息，要能夠做出預警分析，達到報警閾值的，要能夠及時顯著地顯示警報信息并記錄，方便工程師對生產(chǎn)過程及產(chǎn)品進行追根溯源，有針對性地改進工藝和參數(shù)。

五、結(jié)語

離心機作為一個在化工、制藥、食品、環(huán)保等行業(yè)廣泛使用的設備，設備的自動化程度、加工產(chǎn)品的質(zhì)量參數(shù)都尤為重要。國外的離心機制造商大多已經(jīng)使用計算機集成制造的方式來控制離心機的操作，可實現(xiàn)比單純PLC 控制系統(tǒng)更加智能的控制。目前國內(nèi)的離心機控制系統(tǒng)大多還停留在PLC控制的水平，本文提出了基于互聯(lián)網(wǎng)的智能控制離心技術的實現(xiàn)方案，設計了整體架構(gòu)，分析了智能控制策略，并對智能控制離心技術核心功能進行了闡述，該方案充分運用互聯(lián)網(wǎng)+智能控制技術，可以實現(xiàn)自動遠程操作與監(jiān)控，設置多級控制界面，可以對其中任何一臺設備進行參數(shù)設置、運行全數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障診斷等；實現(xiàn)了集散控制、故障診斷、實時報警及日志等主要技術指標，可對離心機組以及上、下游設備進行控制，生成設備運行日志，儲存運行歷史記錄，對用電量、洗滌用量、產(chǎn)量、收率、工藝時間等生成動態(tài)曲線，提供分析與優(yōu)化依據(jù)，提升運行效率及管理水平。