基于WinCC 的熱壓罐軟件開發(fā)技術(shù)研究與應(yīng)用

江智軒，吳林俊

（昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，江西景德鎮(zhèn) 333002）

1 熱壓罐設(shè)備簡(jiǎn)介

熱壓罐設(shè)備主要由罐體、加熱及冷卻系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)循環(huán)攪拌系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)組成，主要用于復(fù)合材料的固化成型工藝。目前復(fù)合材料由于重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空領(lǐng)域已經(jīng)逐漸替代原有的金屬部件，導(dǎo)致熱壓罐設(shè)備也在行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用。熱壓罐設(shè)備如圖1 所示。

圖1 熱壓罐設(shè)備

復(fù)合材料的固化過程需要經(jīng)歷加溫、加壓、真空袋抽真空等一系列步驟，在固化過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)零件表面各點(diǎn)的溫度，根據(jù)熱壓罐自身規(guī)格尺寸，罐內(nèi)會(huì)配置一定數(shù)量的負(fù)載熱電偶測(cè)量接口用于監(jiān)測(cè)零件實(shí)時(shí)狀態(tài)、配置一定數(shù)量的抽真空接口用于同時(shí)加工多批量零件的真空袋抽真空。以一臺(tái)Ф5×12 m 熱壓罐為例，其罐內(nèi)配置了90 個(gè)熱電偶接口以及42 路抽真空接口，在滿載情況下熱壓罐設(shè)備記錄系統(tǒng)將對(duì)共計(jì)上百個(gè)溫度、真空、壓力等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄。

2 熱壓罐上位軟件開發(fā)

目前熱壓罐記錄系統(tǒng)已經(jīng)通過硬件及軟件的升級(jí)改造，將加工過程數(shù)據(jù)的記錄方式由紙張式圖表方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮踊?、?shù)字化，具體內(nèi)容如下：

在硬件方面，公司多臺(tái)熱壓罐設(shè)備記錄系統(tǒng)原使用霍尼韋爾DPR250 系列有紙記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，但因該型號(hào)記錄儀早已停產(chǎn)，備件難采購，經(jīng)長期使用后故障頻發(fā)、打印精度下降嚴(yán)重，目前已統(tǒng)一將DPR250 有紙記錄儀升級(jí)改造為霍尼韋爾GR8888 型號(hào)無紙記錄儀，保證了儀表本身數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

在上位操作軟件方面，由于熱壓罐設(shè)備原自帶的上位系統(tǒng)使用年限久，在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)死機(jī)、卡頓等問題，對(duì)零件正常加工造成了嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)隱患，使用西門子WinCC 工業(yè)軟件完成上位操作系統(tǒng)開發(fā)，熱壓罐操作系統(tǒng)如圖2 所示，結(jié)合KEPServer 軟件，實(shí)現(xiàn)上位系統(tǒng)與設(shè)備控制儀表（溫度、真空、壓力）、記錄儀表、PLC 的通信連接及相關(guān)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，具體系統(tǒng)通信架構(gòu)如圖3 所示。

圖2 熱壓罐操作系統(tǒng)

圖3 系統(tǒng)通信架構(gòu)

KEPServer Ex 是第三方的OPC服務(wù)器，用于不同廠家多種設(shè)備下位PLC 與上位機(jī)之間的通信，操作簡(jiǎn)便，兼容性十分強(qiáng)大，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)與多類型PLC、儀表的實(shí)時(shí)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。KEPServer 通信聯(lián)機(jī)如圖4 所示，在Kepserver Ex 中進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定后，同時(shí)通信連接了6臺(tái)無紙記錄儀、溫度控制儀、真空控制儀表、壓力控制儀表、PLC 以及協(xié)議轉(zhuǎn)換器TG900，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位儀表及PLC 的數(shù)據(jù)采集及傳輸。針對(duì)儀表通信數(shù)據(jù)采集，目前市面上的常用儀表均開放通信端口，采用Modbus 通信協(xié)議，確定儀表各通道對(duì)應(yīng)寄存器地址后，在KEPServer Ex 處設(shè)置與之對(duì)應(yīng)的地址，通過讀取寄存器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)儀表內(nèi)的溫度、真空、壓力等數(shù)據(jù)的采集，如霍尼韋爾GR 系列，48 個(gè)通道對(duì)應(yīng)的寄存器地址見表1。

表1 霍尼韋爾GR 系列各通道寄存器地址

圖4 KEPServer 通信聯(lián)機(jī)

SIMATIC WinCC 是西門子最經(jīng)典的過程監(jiān)視系統(tǒng)，是目前自動(dòng)化行業(yè)中常用的工控上位機(jī)編程軟件。WinCC 基本系統(tǒng)集成了圖形系統(tǒng)、報(bào)警消息系統(tǒng)、歸檔系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)以及腳本系統(tǒng)。以歷史曲線功能為例，可以顯示在線數(shù)據(jù)，也可用于歷史數(shù)據(jù)的展示。測(cè)量值統(tǒng)計(jì)分析利用大量的內(nèi)置統(tǒng)計(jì)功能對(duì)過程狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，并可以將這些功能定位到WinCC趨勢(shì)標(biāo)尺控件內(nèi)的任何位置。WinCC 軟件所具備的相關(guān)功能非常適合用于熱壓罐、加熱爐等此類需長期實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示各類信號(hào)趨勢(shì)設(shè)備的上位操作系統(tǒng)開發(fā)。

在WinCC 平臺(tái)處，可以使用C#編程與KEPServer 平臺(tái)進(jìn)行OPC 通信，整體采集KEPServer 數(shù)據(jù)組。通過利用WinCC 自帶相關(guān)功能、C#編程、VB 編程完成上位操作系統(tǒng)開發(fā)工作，上位操作軟件具備工藝程序編輯（連接各類控制儀表動(dòng)作）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖顯示、數(shù)據(jù)歸檔、測(cè)量通道選擇等核心功能，溫度、真空等信號(hào)實(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示如圖5 所示。通過軟件改造，在WinCC 處直接實(shí)時(shí)無誤差的采集并記錄各通道數(shù)據(jù)，無紙記錄儀在此僅起到測(cè)量信號(hào)的作用，而記錄、數(shù)據(jù)存檔、圖表打印功能則由上位操作軟件實(shí)現(xiàn)。上位操作軟件的升級(jí)改造結(jié)合無紙記錄儀實(shí)現(xiàn)了零件加工數(shù)據(jù)的無誤差實(shí)時(shí)記錄及電子化存檔，同時(shí)保證了工藝圖表質(zhì)量的穩(wěn)定性，徹底解決了原有的有紙式打印的各種缺點(diǎn)。

圖5 實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖界面

3 熱壓罐生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)存在問題與解決

3.1 存在問題

零件在加工過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以直接反映零件在加工過程中是否存在異常情況，同時(shí)也是零件質(zhì)量判別是否合格的第一道標(biāo)準(zhǔn)。每次加工一批次零件所使用的溫度、真空接口數(shù)最高可達(dá)上百個(gè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄的數(shù)據(jù)量十分龐大。但由于工藝記錄圖表表格單位間距小、記錄時(shí)間長、記錄數(shù)據(jù)量大且集中密集（圖6），且不同的工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)不同的工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，在質(zhì)檢環(huán)節(jié)過程中，由質(zhì)檢人員人工劃線對(duì)工藝圖表進(jìn)行分析判別，同時(shí)需計(jì)算所有記錄通道的升溫速率、保溫及保壓區(qū)間及時(shí)間、降溫速率是否超過工藝允差范圍，還需要判斷啟動(dòng)真空及回抽、升壓降壓、降溫各步驟的先后順序是否符合工藝要求，判別難度極大，耗費(fèi)大量時(shí)間，對(duì)關(guān)鍵加工工藝溫度區(qū)域，如在升溫過程中接近到達(dá)工藝設(shè)定點(diǎn)的過沖情況、各點(diǎn)升溫速率、降溫速率也無法準(zhǔn)確分析。

圖6 工藝記錄圖表（溫度、真空、壓力）

3.2 上位數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的實(shí)施與應(yīng)用

針對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析判別難度大的問題，基于WinCC 及SQL Server 建立一套智能分析系統(tǒng)，用于精準(zhǔn)判別加工數(shù)據(jù)是否符合工藝要求。上位分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)如圖7 所示，通過多臺(tái)熱壓罐設(shè)備共用的打印機(jī)網(wǎng)口建立連接。新建上位分析系統(tǒng)與設(shè)備操作層系統(tǒng)互不關(guān)聯(lián)，避免上位分析層故障影響熱壓罐設(shè)備自身的正常操作。上位分析系統(tǒng)同樣使用WinCC 進(jìn)行開發(fā)，具備查詢各臺(tái)熱壓罐設(shè)備的生產(chǎn)信息及工藝信息、判別條件設(shè)定、判別通道選擇、生成判別分析報(bào)告等核心功能。上位分析系統(tǒng)通過訪問各臺(tái)設(shè)備工控機(jī)的SQL Server 底層數(shù)據(jù)庫，將每個(gè)批次（一罐零件）的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)讀取到本地，使用SQL-openquery統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，利用相關(guān)常用函數(shù)（查詢、關(guān)聯(lián)、聚合、取大小值等）編輯算法程序，再根據(jù)判斷條件里添加的每個(gè)工藝條件計(jì)算整個(gè)工藝過程是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。整個(gè)分析計(jì)算過程在SQL Server 的存儲(chǔ)過程中定時(shí)執(zhí)行或通過系統(tǒng)操作界面觸發(fā)執(zhí)行，操作人員只需要設(shè)定相關(guān)判別標(biāo)準(zhǔn)，選中所需判別的生產(chǎn)數(shù)據(jù)后一鍵即可生成分析報(bào)告，通過軟件智能判別零件加工數(shù)據(jù)是否合格，完全替代了原有的人工質(zhì)檢工作。

圖7 上位分析系統(tǒng)通信架構(gòu)

4 結(jié)束語

零件的工藝圖表作為熱處理設(shè)備在生產(chǎn)過程中的核心關(guān)鍵要素，設(shè)備保障技術(shù)人員應(yīng)盡量保證工藝圖表質(zhì)量的穩(wěn)定性，目前老舊熱處理設(shè)備所配置的有紙記錄儀表應(yīng)盡快升級(jí)改造為無紙記錄儀，同時(shí)可以自主開發(fā)相關(guān)軟件通信記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、通信控制儀表進(jìn)行上位程序控制，也可以利用相關(guān)自動(dòng)化手段集中聯(lián)網(wǎng)多臺(tái)熱處理設(shè)備，進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存檔、分析，替代人工。