AF/KDF4濾棒成型機組遠程監(jiān)控與風險預警系統(tǒng)的設計應用

摘 要：為提升濾棒生產(chǎn)的加工控制水平和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，設計開發(fā)了AF/KDF4濾棒成型機組遠程監(jiān)控與風險預警系統(tǒng)。采用ADS及工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，使用C#語言編程，實現(xiàn)了AF/KDF4濾棒成型機組運行參數(shù)的遠程讀取。通過對采集的數(shù)據(jù)進行處理、分析和可視化呈現(xiàn)，實現(xiàn)了濾棒成型機組實時運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控、關鍵工藝參數(shù)的預警及預警信息的推送等功能。應用結(jié)果表明：使用該系統(tǒng)后，實現(xiàn)了對濾棒成型機組的遠程監(jiān)控以及參數(shù)的讀取，預警準確率為99.1%，濾棒質(zhì)量綜合管控水平得到了有效提升。

關鍵詞：AF/KDF4濾棒成型機組；ADS協(xié)議；設備參數(shù)；遠程監(jiān)控；數(shù)據(jù)可視化；風險預警

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-05

0 引 言

濾棒是卷煙產(chǎn)品的重要輔料之一，濾棒的生產(chǎn)控制水平和產(chǎn)品質(zhì)量也是行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關注點。近年來，楊紹勝[1]

采用西門子S7-300PLC和PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)對KDF2濾棒成型機組原系統(tǒng)機型進行改進，提升了設備的自動化程度。葉恒宇等[2]更改成型機組ZL22C原倍福系統(tǒng)為西門子系統(tǒng)，提升了設備作業(yè)率。張永剛[3]通過綜合測試儀在線取樣，將數(shù)據(jù)反饋至成型機，改變絲束供應量、三醋酸甘油酯噴灑量及凸輪位置，使濾棒重量、圓周、壓降在一定范圍內(nèi)變化，從而滿足生產(chǎn)要求。宋韜等[4]通過RFID射頻、自動取樣系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、卷包智慧化管理系統(tǒng)等，實現(xiàn)了濾棒批次質(zhì)量監(jiān)控。靳海平等[5]采用ADS（Automation Device Specification）通信協(xié)議，以VC++和Twin CAT控制軟件為開發(fā)平臺，設計并實現(xiàn)了ZL29型濾棒成型機組的人機交互通信。賈志強[6]采用一鍵保存與還原成型機組參數(shù)值的方法，實現(xiàn)了生產(chǎn)牌號快速準確更換。張秋實等[7]采用WinCC及step7軟件開發(fā)智能化遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對卷煙機和濾棒成型機組的除塵設備進行監(jiān)控。李鈺靚等[8]基于WinCC平臺開發(fā)了濾棒防差錯監(jiān)控系統(tǒng)，對濾棒使用的全過程進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。何江等[9]基于Vue.js 框架設計并制作了一種復合濾棒成型機上料檢測系統(tǒng)，利用顏色傳感器、ARM 嵌入式系統(tǒng)等硬件設備，獲取基棒信息，使用Axios交互機制設計智能信息管理平臺以實現(xiàn)信息的讀取與顯示。

行業(yè)對濾棒生產(chǎn)中軟件、硬件的研究使得濾棒的生產(chǎn)控制水平有所提升，但設備狀態(tài)及運行參數(shù)仍需到現(xiàn)場查看，且對濾棒生產(chǎn)的遠程集中監(jiān)控及運行狀態(tài)的風險預警系統(tǒng)還鮮有研究。因此，本文基于AF/KDF4濾棒成型機平臺，設計開發(fā)AF/KDF4濾棒成型機組的參數(shù)遠程監(jiān)控及預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對AF/KDF4濾棒成型機組設備運行參數(shù)的采集、監(jiān)控、異常預警、異常消息分發(fā)及追溯，旨在提升濾棒生產(chǎn)的遠程集控和濾棒的質(zhì)量管控水平，為濾棒的智能生產(chǎn)奠定基礎。

1 問題分析

AF/KDF4濾棒成型機組是目前國內(nèi)自動化及加工能力較高的濾棒生產(chǎn)設備之一，該機型額定生產(chǎn)速度為600 m/min，額定生產(chǎn)能力為6 000 支/min。由于其操作、控制、冷卻、安全防護等方面均采用了新的設計理念，使設備在材料適應性、運行穩(wěn)定性和濾棒產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、噪聲控制、自動化程度和信息管理等方面達到了較高水平。該設備配備了較為完善的檢測裝置，具有詳盡的運行日志記錄及狀態(tài)統(tǒng)計。但設備運行參數(shù)的獲取需要在現(xiàn)場由人工通過VISU操作界面查詢和記錄；設備運行狀態(tài)異常時，管理人員及維修人員不方便對設備一段時期的狀態(tài)進行集中分析，無法及時掌握設備運行狀態(tài)，完全依賴于現(xiàn)場操作人員的操作水平與工作狀態(tài)，存在一定的質(zhì)量隱患。由于現(xiàn)場操作人員未能及時發(fā)現(xiàn)設備運行異常，導致時常產(chǎn)生缺陷濾棒。因此對AF/KDF4濾棒成型機組實時運行狀態(tài)進行遠程感知、監(jiān)控、異常報警成為濾棒生產(chǎn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展過程中亟需解決的問題。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 總體架構(gòu)

AF/KDF4濾棒成型機組采用倍福公司的PLC進行控制，其提供的自動化設備規(guī)范接口ADS協(xié)議，處于網(wǎng)絡通信協(xié)議的應用層，通信周期較短，可進行遠程訪問[10-14]。因此選擇ADS協(xié)議作為軟件與集控服務器的通信協(xié)議，以實現(xiàn)成型機數(shù)據(jù)的實時采集。采用C#語言開發(fā)數(shù)采程序、人機交互界面。

系統(tǒng)由集控服務器、現(xiàn)場操作終端、集控顯示屏、對講機呼叫系統(tǒng)等組成，如圖1所示?；贏DS及以太網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)成型機運行參數(shù)的遠程讀取及下發(fā)；經(jīng)數(shù)據(jù)處理、分析后，采用C#語言開發(fā)數(shù)采程序、人機交互界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)；對濾棒成型機組關鍵工藝參數(shù)進行實時監(jiān)控，在出現(xiàn)異常信息時，通過車間集控顯示屏進行顯示，并同步推送到手機移動端，通過對講系統(tǒng)向關鍵崗位人員廣播，確保異常信息得到實時關注和處理。

2.2 AF/KDF4濾棒成型機組數(shù)據(jù)讀取

2.2.1 網(wǎng)絡配置

AF/KDF4濾棒成型機組Beckhoff控制器內(nèi)已經(jīng)建立了三個網(wǎng)絡連接，分別為三個不同網(wǎng)段，其中一個網(wǎng)段通過A333交換機連接IPC和QMU，一個網(wǎng)段通過A331交換機連接編程單元，一個網(wǎng)段通過A330交換機連接BOB-ME、HCF、SODIM等外圍設備。部署有線網(wǎng)絡至A330交換機上，同時配置A330交換機IP，在不影響原機網(wǎng)絡正常運行的前提下，使AF/KDF4濾棒成型機組接入企業(yè)內(nèi)部工控局域網(wǎng)[13， 15-16]。設備連接及ADS Routing網(wǎng)絡配置如圖2所示。

2.2.2 AF/KDF4濾棒成型機組參數(shù)數(shù)據(jù)字典構(gòu)建

在Beckhoff TwinCAT系統(tǒng)中，各個軟件模塊（如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows 應用程序等）的工作模式類似于硬件設備，它們能夠獨立工作，各個軟件模塊之間的信息交換通過TwinCAT ADS完成。因此通過使用Beckhoff TwinCat ADS協(xié)議可實現(xiàn)對Beckhoff PLC參數(shù)的讀取與寫入。但此項協(xié)議通常只能基于開源Beckhoff PLC控制系統(tǒng)進行，需要知道PLC程序內(nèi)各個參數(shù)點的準確變量名或變量的絕對地址、偏移地址。

本文使用C#語言編寫成型機參數(shù)讀取程序，實現(xiàn)對AF/KDF4濾棒成型機組Beckhoff PLC所有運行參數(shù)的獲取，包含參數(shù)名、程序內(nèi)參數(shù)點絕對地址和偏移地址、數(shù)據(jù)類型等信息，以構(gòu)建AF/KDF4濾棒成型機組參數(shù)數(shù)據(jù)字典。參數(shù)數(shù)據(jù)字典構(gòu)建流程如圖3所示，參數(shù)列表中部分參數(shù)信息見表1所列。

2.2.3 AF/KDF4濾棒成型機組運行參數(shù)遠程讀取

獲取到AF/KDF4濾棒成型機組運行參數(shù)列表后，結(jié)合參數(shù)信息、現(xiàn)場VISU操作界面上的數(shù)據(jù)信息及應用需求，確立參數(shù)與Beckhoff I/O控制點的一一對應關系。以甘油噴嘴壓力為例，其參數(shù)名為CYCLMAIN.COMMON_SPRAYING_CONTROL.R_PLZ_PRESSURE，參數(shù)類型為real。確定參數(shù)名后，編寫參數(shù)定時讀取Windows Server程序，并部署到AF/KDF4濾棒成型機組工控機上運行，實現(xiàn)對成型機Beckhoff I/O控制點數(shù)據(jù)的點對點遠程定時掃描讀取。AF/KDF4濾棒成型機組參數(shù)遠程讀取流程如圖4所示。

2.2.4 AF/KDF4濾棒成型機組運行日志遠程讀取

本文使用C#語言編寫成型機運行日志讀取程序，對存儲于AF/KDF4濾棒成型機組工控機系統(tǒng)內(nèi)的Log運行日志文本及Shift班次信息文本進行逐條拆分解析讀取并存儲到SQLServer數(shù)據(jù)庫。Log運行日志包含VISU系統(tǒng)內(nèi)所有的運行狀態(tài)、參數(shù)調(diào)整記錄、警告信息、停機記錄等信息，Shift班次信息包含VISU系統(tǒng)內(nèi)所有的班次報告、運行時間、廢品分析、生產(chǎn)統(tǒng)計、停機統(tǒng)計等信息，如圖5、圖6所示。通過運行日志遠程讀取可以對每臺設備的參數(shù)調(diào)整歷史、設備警告信息記錄及停機歷史信息進行整體性記錄，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析來表征AF/KDF4濾棒成型機組的整體運行狀態(tài)，從而有針對性地進行檢修、維保工作，保障設備穩(wěn)定運行。

2.3 AF/KDF4濾棒成型機組運行狀態(tài)實時監(jiān)控與風險預警

通過上述步驟可以實時獲取AF/KDF4濾棒成型機組運行參數(shù)與運行日志數(shù)據(jù)，人機交互界面的開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬系統(tǒng)與真實設備的虛實映射，以及對重點部位的集中可視化展示。同時根據(jù)車間管理工藝標準，梳理關鍵指標的控制標準并制定風險預警策略，對設備運行參數(shù)狀態(tài)進行實時監(jiān)控與邏輯判斷，當監(jiān)測到設備實時運行參數(shù)超過閾值的設備信息時，系統(tǒng)主動將當前異常信息推送至相關職能人員。

2.3.1 實時數(shù)據(jù)可視化展示

使用C#語言編寫應用程序部署于應用PC上，對需要的關注點進行集中可視化展示。主要包括設備狀態(tài)監(jiān)控模塊、關鍵參數(shù)監(jiān)控模塊等。設備狀態(tài)監(jiān)控模塊反映當前設備的實時運行狀態(tài)，主要包括運行狀態(tài)、成型機生產(chǎn)速度、實時產(chǎn)量和廢品量、停機歷史、故障頻次等衡量設備狀態(tài)的信息。如圖7所示為關鍵參數(shù)監(jiān)控模塊顯示的關鍵參數(shù)實時波動趨勢[14， 17-18]。

2.3.2 風險預警策略

根據(jù)車間管理工藝標準，梳理關鍵指標的控制標準并制定風險預警策略，對與產(chǎn)品質(zhì)量顯著關聯(lián)的運行參數(shù)進行實時監(jiān)控。當出現(xiàn)異常波動時，為確保異常信息得到實時關注和處理，在車間大屏及移動端進行預警提示，見表2所列。

2.3.3 異常信息推送與處理

使用C#語言編寫Windows Server程序部署于集控服務器上，實時對AF/KDF4濾棒成型機組關鍵參數(shù)進行監(jiān)控，當監(jiān)測到設備實時運行參數(shù)超過閾值的設備信息時，主動將當前異常信息抽取存入數(shù)據(jù)庫設備異常信息表內(nèi)，同時調(diào)用企業(yè)內(nèi)部一體化應用APP預警信息推送接口，根據(jù)角色權(quán)限配置，按崗位、按上班時段精準推送異常信息。例如當系統(tǒng)檢測到甘油活門開度低于設定下限時，產(chǎn)生報警信息：“甘油活門開度（XX：當前值）低于下限，請檢查甘油活門位置！”。出現(xiàn)異常預警信息的機臺必須視情況進行裝盤機下盒、入庫濾棒凍結(jié)或停機處理，值班長、在制品檢驗工、機電修理工、操作工應及時對濾棒質(zhì)量進行檢查，根據(jù)預警信息排查問題產(chǎn)生的根源，并在排查處理消除問題后填寫處理結(jié)果，處理完成后由值班長或在制品檢驗工本人進行處理確認，處理人對信息和記錄的真實性負責，異常信息狀態(tài)變更為“已處理”。

截取的部分風險預警歷史信息及處理措施如圖8、圖9所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)可以準確清晰地提示發(fā)生異常的機臺號、時間、具體異常信息、處理情況及處理時間等。

3 應用效果

該系統(tǒng)應用已覆蓋車間所有AF/KDF4濾棒成型機組，同時兼容國產(chǎn)化后的ZL29濾棒成型機型。如圖10、圖11、圖12所示，通過系統(tǒng)可實時查看設備運行狀態(tài)、產(chǎn)量、關鍵工藝參數(shù)、各機組停機統(tǒng)計信息和重點關注機臺等信息。系統(tǒng)自投入使用以來，對設備參數(shù)的讀取和預警的準確率為99.1%，實現(xiàn)了對濾棒成型機組的遠程集控和風險預警。

4 結(jié) 語

基于TwinCAT ADS及以太網(wǎng)協(xié)議，使用C#語言編程，實現(xiàn)了AF/KDF4濾棒成型機組運行參數(shù)及設備運行日志的遠程讀??；通過對采集的數(shù)據(jù)進行處理、分析和可視化呈現(xiàn)，實現(xiàn)了濾棒成型機組實時運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控、關鍵工藝參數(shù)的預警及報警信息的推送等功能。自系統(tǒng)運行至今，參數(shù)的讀取和預警準確率為99.1%。AF/KDF4濾棒成型機組遠程集中監(jiān)控與風險預警系統(tǒng)現(xiàn)已推廣應用至所在工廠所有AF/KDF4濾棒成型機組，有效避免了因設備參數(shù)異常引起的重大質(zhì)量問題，降低了產(chǎn)品質(zhì)量缺陷事故發(fā)生的頻次，濾棒質(zhì)量綜合管控水平得到有效提升。

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