陳 銳

（汕頭超聲印制板公司， 廣東 汕頭 515041）

0 前言

PCB行業(yè)智能制造是大勢(shì)所趨，PCB企業(yè)都在摸索實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)快速前行，基于設(shè)備的智能化應(yīng)用也在工廠內(nèi)遍地開花，生產(chǎn)效率也因此得到大幅提升。但是對(duì)于工廠舊設(shè)備來說，設(shè)備智能化應(yīng)用卻四處受阻，例如對(duì)于垂直電鍍線等自動(dòng)化設(shè)備來說，由于其上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是早期設(shè)計(jì)產(chǎn)品，本身功能受限難以擴(kuò)展?jié)M足需求，基于網(wǎng)絡(luò)的智能化應(yīng)用也無法開展，生產(chǎn)效率難以提升，嚴(yán)重阻礙了工廠智能化建設(shè)的推進(jìn)。

早期的設(shè)備上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)獨(dú)立于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，主要功能是完成現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)交互。但在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)飛速發(fā)展的今天，設(shè)備上位機(jī)系統(tǒng)已被賦予了更多的功能和作用，包括基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的各類智能化應(yīng)用。文章通過對(duì)垂直電鍍線PLC控制系統(tǒng)的控制原理和人機(jī)交互操作方法進(jìn)行深入研究，在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)理念框架的指引下，將IT技術(shù)和工控技術(shù)融合應(yīng)用，重新定制開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)并實(shí)施智能化改造，讓上位機(jī)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)揮智能化先鋒節(jié)點(diǎn)的作用，有效地解決了設(shè)備數(shù)據(jù)取不出來、傳不進(jìn)去、遠(yuǎn)程交互受阻、智能化應(yīng)用難以實(shí)施的問題，打開了舊設(shè)備智能化應(yīng)用的新思路。

1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 上位機(jī)介紹

上位機(jī)是相對(duì)下位機(jī)而言，它們之間是相對(duì)的概念，對(duì)應(yīng)硬件來說，上位機(jī)一般是指計(jì)算機(jī)，下位機(jī)一般是指PLC（或單片機(jī)），它們之間是主從關(guān)系，上位是控制端，下位機(jī)是受控端，通訊連接結(jié)構(gòu)見圖1所示。在工控現(xiàn)場(chǎng)，上位機(jī)起到人機(jī)界面（HMI）的作用，用戶可以通過上位機(jī)來了解設(shè)備狀態(tài)和操控設(shè)備。簡單來說，上位機(jī)的作用是監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如溫度、電流、壓力、液位等數(shù)據(jù)，對(duì)于電鍍線來說，這些數(shù)據(jù)包括料號(hào)、電流、溫度、上下料記錄等。

圖1 通訊連接結(jié)構(gòu)

1.2 上位機(jī)功能的進(jìn)化

在傳統(tǒng)工業(yè)時(shí)代，上位機(jī)的功能就是監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互，它的作用局限于現(xiàn)場(chǎng)。但是在智能制造時(shí)代。隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的興起，上位機(jī)除了完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控職能外，還需擔(dān)當(dāng)起遠(yuǎn)程交互功能，簡單來說，就是讓現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)能傳出去，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)能取進(jìn)來，利用物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更加自動(dòng)化和智能化的應(yīng)用。

對(duì)舊設(shè)備上位機(jī)的智能化改造就是要擴(kuò)展上位機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控功能，在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)PLC之間架起一座橋梁，打通由上至下的數(shù)據(jù)通道，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備融入智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，為工廠設(shè)備智能化應(yīng)用的開展打下基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)改造方法

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。上位機(jī)一端連接PLC，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控功能；另一端通過物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)據(jù)中心，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交互。數(shù)據(jù)中心就是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，可以是MES系統(tǒng)或EPR系統(tǒng)，也可以是獨(dú)立數(shù)據(jù)庫。上位機(jī)可以將采集PLC端的數(shù)據(jù)并在現(xiàn)場(chǎng)顯示屏上展示出來；可以將采集處理后的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心；可以快速響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)用戶需求，將用戶錄入的數(shù)據(jù)寫入PLC，或者將遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)取出來并寫入到PLC，成為底層和上層連接的橋梁。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 硬件連接

考慮到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣，上位機(jī)硬件方面可以選擇性能可靠的品牌工控機(jī)，環(huán)境好的現(xiàn)場(chǎng)也可以選擇品牌PC，主機(jī)穩(wěn)定性很重要。

上位機(jī)和PLC之間的通訊電纜連接需要根據(jù)雙方的接口不同和距離來選擇。如果PLC端有網(wǎng)絡(luò)接口，則可以不受距離限制通過網(wǎng)絡(luò)連接；如果PLC端是串口，近距離的話可以直接使用通訊電纜連接，如果距離遠(yuǎn)的話，可以通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊中轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離連接。本次改造設(shè)備端使用的是歐姆龍PLC，網(wǎng)絡(luò)通信模塊為CS1WETN021，通信接口為RJ45網(wǎng)口，因此可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接。

2.3 PLC寄存器清單

上位機(jī)監(jiān)控軟件本質(zhì)上是對(duì)PLC寄存器的讀寫操作，所以在軟件開發(fā)前一定要準(zhǔn)備一份詳細(xì)的PLC寄存器清單，包括生產(chǎn)料號(hào)、板件資料、吊車運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、設(shè)定/實(shí)際電流、各缸處理時(shí)間等等寄存器的DM地址、數(shù)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，如圖3（歐姆龍PLC寄存器地址清單載圖）所示。

電鍍線狀態(tài)和參數(shù)的寄存器地址可以從設(shè)備供應(yīng)商處獲取，如果設(shè)備供應(yīng)商無法提供，就只能自行抓取，可采用PLC程序解讀和在現(xiàn)場(chǎng)觀察PLC DM數(shù)據(jù)變化相相結(jié)合的方式，需要花點(diǎn)時(shí)間和耐心。如果技術(shù)條件的允許的話，也可以自行升級(jí)PLC控制系統(tǒng)，包括PLC硬件和PLC的程序，這樣可自由定義PLC寄存器地址、數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)格式，但這種做法工程較大，需要有充足的改造調(diào)試時(shí)間和事前準(zhǔn)備。

2.4 上位機(jī)軟件開發(fā)

2.4.1 PLC數(shù)據(jù)讀寫

讀寫PLC寄存器數(shù)據(jù)是上位機(jī)軟件開發(fā)最關(guān)鍵的一步，PLC數(shù)據(jù)讀寫方法有很多種，可以借助第三方工具軟件，如PC端組態(tài)軟件、KepServer、PLC通訊庫文件等，考慮后續(xù)數(shù)據(jù)處理的方便性和功能擴(kuò)展的靈活性，本次改造是借助歐姆龍PLC通訊庫來實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)讀寫，使用的是C#高級(jí)語言。

使用PLC通訊動(dòng)態(tài)鏈接庫，可以幫助開發(fā)者使用更少的代碼來實(shí)現(xiàn)PLC數(shù)據(jù)的讀寫需求，把復(fù)雜的底層通訊交給通訊庫，將更多的時(shí)間用在業(yè)務(wù)層面的開發(fā)上。PLC通訊庫可使用官方的、非官方的、開源的或付費(fèi)版的，借助通訊庫，開發(fā)者可以使用API函數(shù)輕松地完成PLC數(shù)據(jù)的讀寫操作。

2.4.2 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)可以分為四大部分，一是遠(yuǎn)程讀取，即常說的下載設(shè)備配方數(shù)據(jù)，對(duì)于電鍍線來說，通常是讀取整流機(jī)電流數(shù)據(jù)等。二是遠(yuǎn)程存儲(chǔ)，即將設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心供其他系統(tǒng)共享。三是人機(jī)交互，即制作用戶操作界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。四是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，即通過讀寫PLC寄存器參數(shù)實(shí)現(xiàn)操控設(shè)備的目的。

程序編寫時(shí)，主程序可用于電鍍界面狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，通過事件驅(qū)動(dòng)的方式來完成用戶交互和特定操作，使用多線程技術(shù)讀取PLC數(shù)據(jù)，即單獨(dú)開一個(gè)線程來不間斷循環(huán)讀取PLC數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫可使用SQL SERVER關(guān)系數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)上下料記錄、電流記錄、故障記錄等信息。人機(jī)交互方面，可使用掃碼輸入為主、鍵盤輸入為輔的方式，掃二維碼輸入比手工輸入更加快速可靠。如對(duì)于上板資料寫入操作，可通過生產(chǎn)料號(hào)直接從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中獲取板件面積、密度、電鍍時(shí)間、板件尺寸等數(shù)據(jù)，然后再要根據(jù)實(shí)際上料情況，通過鍵盤錄入板件數(shù)量、邊條數(shù)量等現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)定電流值可由軟件自動(dòng)計(jì)算生成，最后再寫入PLC，將上板資料的寫入過程做到最簡化、自動(dòng)化，減少不必要的手工操作環(huán)節(jié)，避免手工錄錯(cuò)和計(jì)算失誤，上板資料錄入操作界面見圖4所示。

軟件主監(jiān)控界面的編寫在滿足用戶需求的同時(shí)，應(yīng)盡可能做到精簡易懂，一目了然，關(guān)鍵區(qū)域和報(bào)警數(shù)據(jù)可用不同的底色和字體顏色來區(qū)分，可通過頂部菜單或數(shù)據(jù)區(qū)的快捷方式打開新的操作界面，盡可能做到通過一次點(diǎn)擊就可以進(jìn)入所需操作界面，不要設(shè)置太多層級(jí)，見圖5所示。

電流歷史曲線查詢顯示可以使用曲線控件（如TeeChart等）來實(shí)現(xiàn)，增加按缸號(hào)和時(shí)間查詢歷史電流曲線的功能，可參考圖6所示。

2.5 軟件功能升級(jí)優(yōu)化

圖3 歐姆龍PLC寄存器地址清單

圖4 上板資料錄入頁圖

圖5 主監(jiān)控界面圖

定制開發(fā)的上位機(jī)軟件的好處就是功能靈活可控，即可在使用過程持收集用戶反饋信息和新需求并及時(shí)進(jìn)行功能優(yōu)化或功能升級(jí)，讓軟件發(fā)揮出最大的效用。小步快跑，快速迭代這是推動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化功能的關(guān)鍵，否則將會(huì)被軟件功能束縛住前進(jìn)的步伐，再多的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源都無法利用，再好的智能化應(yīng)用都難以開展實(shí)施。

對(duì)于自動(dòng)化設(shè)備來說，無論新舊，上位機(jī)軟件功能不應(yīng)該自我設(shè)限。對(duì)于舊設(shè)備，上位機(jī)軟件升級(jí)改造是提升系統(tǒng)效用的最好方法；對(duì)于新進(jìn)設(shè)備，如何確保軟件功能可以和需求同步更新是需要重點(diǎn)關(guān)注的，如軟件本身支持二次開發(fā)、要求設(shè)備供應(yīng)商提供定期升級(jí)服務(wù)等。

3 結(jié)論

對(duì)于工廠早期電鍍線來說，原有上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能已跟不上智能制造發(fā)展的步伐，生產(chǎn)管理中更多更好的需求在原有的基礎(chǔ)上都難以實(shí)現(xiàn)，最徹底的解決辦法就是對(duì)現(xiàn)有的上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級(jí)改造，借助物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)重新定制開發(fā)上位機(jī)軟件，為上位機(jī)賦予更多更好的功能，開發(fā)更多的智能化應(yīng)用，做到操作最簡化、效率最大化。經(jīng)實(shí)踐證明，該做法是確實(shí)可行的，不僅可應(yīng)用于電鍍線，還可應(yīng)用到其他自動(dòng)化生產(chǎn)線，可有效推動(dòng)底層設(shè)備的智能化應(yīng)用，將對(duì)工廠智能化建設(shè)的推進(jìn)起到至關(guān)重要的作用。