吳 晗，楊 穎，周亞軍*

(1.杭州電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.浙江三鑫自動化工程有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

輪胎是影響汽車舒適性、經(jīng)濟性和安全性的主要因素之一，輪胎的高質(zhì)量要求顯得尤為重要。隨著我國輪胎工業(yè)對全自動化生產(chǎn)發(fā)展的追求，輪胎廠將由“自動化孤島”向過程全自動化和企業(yè)信息化發(fā)展。其中，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控是信息化管理實現(xiàn)的基礎(chǔ)。但輪胎生產(chǎn)中，車間各子系統(tǒng)分散，控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不盡相同，在互聯(lián)不同子系統(tǒng)和構(gòu)建集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的過程中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將發(fā)揮至關(guān)重要的作用［1］。目前生產(chǎn)過程自動化一般以現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫和OPC 等技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，并且通過互聯(lián)網(wǎng)、以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)與管理信息系統(tǒng)鏈接，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。本研究介紹子午線輪胎生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

1 OPC 技術(shù)簡介

OLE(object linking and embedding)是對象鏈接與嵌入的縮寫，是微軟為Windows 操作系統(tǒng)下，解決應(yīng)用軟件與各種設(shè)備驅(qū)動程序的通信而推出的一個工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是用于服務(wù)器/客戶機鏈接的開放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。大型工業(yè)控制系統(tǒng)常采用了幾家不同公司的控制設(shè)備，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，相對上位機的監(jiān)控軟件，必須對每一種設(shè)備都編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序。OPC 作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供了信息交換的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口，采用OPC 統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，硬件廠商只需提供一套符合OPC 技術(shù)的程序，軟件開發(fā)人員也只需編寫一個接口就可以方便地對設(shè)備的所有的數(shù)據(jù)進行讀寫，而不管連接的設(shè)備是哪個具體廠商提供，從而降低了系統(tǒng)集成的成本。OPC 服務(wù)器由服務(wù)器對象、組對象、項對象等組成。OPC 服務(wù)器對象與客戶端對象相對應(yīng)，它將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、服務(wù)器狀態(tài)等自身的各種信息傳送給客戶端;組對象為客戶端提供組織數(shù)據(jù)的方式;OPC 項對象用來實現(xiàn)客戶端與數(shù)據(jù)源的連接，項對象包括質(zhì)量、品質(zhì)和時間戳等基本屬性［2］。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

全鋼子午線輪胎生產(chǎn)的主要工序包括密煉、半制品(鋼絲壓延、復(fù)合擠出、內(nèi)襯層壓延、裁斷、鋼圈成型、鋼圈敷貼等)、胎胚成型、硫化和質(zhì)檢，整個生產(chǎn)流程比較復(fù)雜。制造過程的信息化和網(wǎng)絡(luò)化由控制層和監(jiān)控層組成，系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。

在控制層，對應(yīng)每一道工序，由PLC(可編程邏輯控制器)為主站，傳感器、執(zhí)行器為從站構(gòu)成現(xiàn)場總線網(wǎng)，對生產(chǎn)工藝參數(shù)和報警進行采集。系統(tǒng)運用OPC技術(shù)將數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳遞給上位數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。用于監(jiān)控的上位機通過以太網(wǎng)連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實現(xiàn)對輪胎生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)控和生產(chǎn)過程報警信息的顯示。遠(yuǎn)程監(jiān)控時系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)連接Web 服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)權(quán)限進行對應(yīng)權(quán)限的操作，保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全［3-4］。

2.2 控制層設(shè)計

圖1 系統(tǒng)總體框架

全鋼子午線輪胎生產(chǎn)工序較為復(fù)雜，本研究以全鋼子午線輪胎三復(fù)合胎面擠出生產(chǎn)線為例，介紹生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三復(fù)合胎面擠出生產(chǎn)線現(xiàn)場控制結(jié)構(gòu)

三復(fù)合擠出生產(chǎn)線主要工序有:喂料、三復(fù)合擠出、收縮、連續(xù)稱重、壓延、上下坡、冷卻、裁斷、分選稱重、卷取等［5］。擠出之后的工序稱為輔線，三復(fù)合擠出機采用直流電機控制，共4 臺、輔線調(diào)速采用交流變頻電機，共21 臺、裁斷工序采用伺服電機，共2 臺，還有接近開關(guān)、光電開關(guān)、行程開關(guān)等［6］。生產(chǎn)線采用西門子PLC 315-2DP 作為主控制器，變頻器采用三菱FR-A7NP，伺服驅(qū)動器采用力士樂IndraDrive 驅(qū)動器，直流驅(qū)動器采用西門子MASTERDRIVES 驅(qū)動器，開關(guān)量等采用I/O 模塊IM 153-1，用PROFIBUS DP 構(gòu)成現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)，進行正確的物理連接后，要對整個網(wǎng)絡(luò)進行組態(tài)，也就是對網(wǎng)絡(luò)進行邏輯上的連接，步驟如下:

(1)PLC 通過PROFIBUS DP 連接底層設(shè)備，需要在STEP7 V5.4 軟件平臺上組態(tài)PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò):設(shè)置PROFIBUS DP 的工作模式為DP 主站模式，總傳輸速率1.5 Kbps，配置文件為DP，分配主站地址為1。變頻器、伺服電機、分布式I/O 等設(shè)置為DP 智能從站，對智能從站組態(tài)，首先在STEP7 平臺上安裝智能從站的GSD 文件，將相應(yīng)智能設(shè)備拖拽到PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)中，并設(shè)置從站站地址和診斷地址，站地址用于數(shù)據(jù)通訊，DP 從站通過診斷地址將故障信息發(fā)送給主站。對于從站是驅(qū)動器的需要選擇PPO 類型，它規(guī)定PLC 與驅(qū)動裝置通訊時報文中有效數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu);并確定I/O 所占用的字節(jié)數(shù)以及地址，用于與主站通信。

(2)PLC 通過工業(yè)以太網(wǎng)連接到上位機，需要對PLC 進行以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)配置:上位PC 機中安裝支持TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)卡CP1613，同時設(shè)置以太網(wǎng)卡CP1613 的IP 地址和子網(wǎng)掩碼。IP 地址一般設(shè)置為默認(rèn)的192.168.0.X，子網(wǎng)掩碼為默認(rèn)的255.255.255.0。PLC 側(cè)需要有以太網(wǎng)接口或者添加工業(yè)以太網(wǎng)處理器模塊CP343-1，在STEP7 的HW Config 界面中設(shè)置CP443-1 的IP 地址，該地址必須和上位機在同一個局域網(wǎng)絡(luò)中。子網(wǎng)掩碼地址設(shè)置為默認(rèn)的255.255.255.0，MAC 地址設(shè)置為CP 模塊上標(biāo)出的MAC 地址。

(3)OPC 服務(wù)器配置:OPC 服務(wù)器采用西門子廠家提供的SIMMATIC NET，運行“Station Configurator”應(yīng)用程序，添加“OPC Server”組件和“IE General”組件，組態(tài)PC 站，并在STEP 7 中組態(tài)PC 站和PLC。

(4)組態(tài)設(shè)置完成后通過MPI接口將組態(tài)信息下載到S7-300 中。利用SIMMATIC NET 軟件自帶的OPC Scout 測試客戶端與服務(wù)器端的通信，通信成功即實現(xiàn)OPC 客戶端與PLC 的通訊［7］。

2.3 監(jiān)控層設(shè)計

本地監(jiān)控的主要任務(wù)是實現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控、報警監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)的查詢。系統(tǒng)采用不受PLC型號影響的OPC接口技術(shù)，生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝參數(shù)和報警數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)與本地監(jiān)控數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行通訊.本地監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖3 所示。OPC 客戶端以統(tǒng)一方式訪問不同設(shè)備的OPC 服務(wù)器以獲得生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放到實時數(shù)據(jù)庫中，實時數(shù)據(jù)顯示和報警信息顯示從實時數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)時將上一時刻的數(shù)據(jù)信息存放到歷史數(shù)據(jù)庫中，作為歷史查詢的數(shù)據(jù)來源。

(1)OPC 服務(wù)器。OPC 服務(wù)器由設(shè)備廠家提供，上文已對其進行了配置。

(2)OPC 客戶端。為了訪問OPC 服務(wù)器，需要開發(fā)相應(yīng)的OPC接口，OPC 基金會提供兩種接口方式—自動化接口和自定義接口?？蛻舳说拈_發(fā)有3 種方法:ActiveX 控件開發(fā)、OPC 快速開發(fā)工具包開發(fā)和COM 技術(shù)開發(fā)。為了發(fā)揮OPC 服務(wù)器的最佳性能，這里使用COM 技術(shù)開發(fā)客戶端。開發(fā)客戶端的編程語言使用C++，可以訪問兩種接口。客戶端開發(fā)流程主要包括:

圖3 本地監(jiān)控系統(tǒng)框架

①連接服務(wù)器。首先用CoInitialize()函數(shù)對COM 庫初始化，通過CLSID FromProgID()函數(shù)獲取OPC 服務(wù)器的CLSID，本例SIMATICNET 的ProgID 為OPC.SimaticNET，通過函數(shù)Connect-ToServer()即可連接OPC 服務(wù)器。

②添加組、項等對象。分別利用IOPCServer和IOPCItemMgt接口指針的AddGroup()和AddItem()函數(shù)添加組，項。

③完成數(shù)據(jù)的讀/寫操作。使用IOPCSyncIO接口指針的Read()和Write()函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。

④釋放接口連接，刪除組(RemoveGroup)、項(RemoveItems)，斷開與服務(wù)器的連接［8］。

(3)數(shù)據(jù)庫模塊。在組態(tài)軟件中，實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的讀寫，并對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，以提供給數(shù)據(jù)顯示模塊。實時數(shù)據(jù)庫最重要的是實時性，因此組態(tài)軟件編程時需要設(shè)置定時刷新功能，定時通過OPC 客戶端和服務(wù)器讀取壓力、溫度、速度等實時數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)庫存儲更新前數(shù)據(jù)信息，用戶可以查詢歷史運行情況而進行數(shù)據(jù)的分析［9］。

(4)人機界面。系統(tǒng)將壓力、溫度、速度等現(xiàn)場重要的生產(chǎn)工藝參數(shù)實時顯示出來。操作員可以根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)對生產(chǎn)線設(shè)備進行監(jiān)控，同時可以根據(jù)生產(chǎn)需要實時的改變生產(chǎn)工藝參數(shù)，達到生產(chǎn)要求。同時系統(tǒng)還具有報警顯示功能，可根據(jù)生產(chǎn)要求設(shè)置數(shù)據(jù)報警上、下限，故障發(fā)生時及時提示操作員進行故障排除，同時將報警信息存入歷史數(shù)據(jù)庫。用戶從歷史數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，可以對生產(chǎn)線歷史運行情況進行查看和歷史報警信息分析。

遠(yuǎn)程監(jiān)控的作用是用戶通過互聯(lián)網(wǎng)就可以監(jiān)控整個輪胎生產(chǎn)線的實時生產(chǎn)過程，保證用戶快速、有效地管理生產(chǎn)現(xiàn)場。遠(yuǎn)程監(jiān)控層的核心是Web 服務(wù)器。在Web 服務(wù)器上實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁的制作和實時數(shù)據(jù)庫的連接。當(dāng)用戶遠(yuǎn)程瀏覽網(wǎng)頁時向Web 服務(wù)器發(fā)出請求，Web 服務(wù)器調(diào)用實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，通過動態(tài)網(wǎng)頁與用戶進行交互，顯示動態(tài)曲線、實時數(shù)據(jù)等。

全鋼三復(fù)合擠出生產(chǎn)線監(jiān)控畫面如圖4 所示。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對全鋼子午輪胎生產(chǎn)線的實時監(jiān)控。

圖4 全鋼三復(fù)合擠出生產(chǎn)線監(jiān)控圖

3 結(jié)束語

針對全鋼子午線輪胎生產(chǎn)的工藝特點，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)設(shè)計了基于OPC 的輪胎生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，研究結(jié)果表明，系統(tǒng)通過控制層實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的控制，達到生產(chǎn)要求，現(xiàn)場技術(shù)人員通過本地監(jiān)控實現(xiàn)對生產(chǎn)線的實時監(jiān)控，同時將傳統(tǒng)的本地監(jiān)控系統(tǒng)拓展到遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以實現(xiàn)企業(yè)跨地區(qū)對生產(chǎn)的一體化監(jiān)控、管理和診斷，有效提高企業(yè)對生產(chǎn)管理的控制能力。

［1］張曉峰，馬鐵軍，李廣凌.輪胎生產(chǎn)過程MES 系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.中國制造業(yè)信息化，2008，37(5):18-21.

［2］CHEN Ting.The research of CNC machine monitoring system based on OPC and configuration［J］.Applied Mechanics and Materials，2013(340):809-813.

［3］曲照偉，曾凡琳，馬雙華.子午線輪胎制造過程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.輪胎工業(yè)，2009，29(6):364-367.

［4］姚 紅，王興虎.遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用淺析［J］.大眾科技，2102，14(150):68-70.

［5］林禮貴.輪胎生產(chǎn)工藝［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［6］甘 霖.胎面擠出聯(lián)動線監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，2009.

［7］廖常初.西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程與故障診斷［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［8］蘇 磊，李 茜，湯 偉.OPC 數(shù)據(jù)訪問客戶端的研究與實現(xiàn)［J］.計算機工程，2010，36(11):80-82.

［9］苗岱江，邢建國，張 華.基于C/S 模式的輪胎膠囊硫化機［J］.計算機應(yīng)用技術(shù)，2009，36(7):35-38.

［10］葉 瀟，何登平.基于Web 服務(wù)器的在線監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013(8):36-37.