分布式無(wú)線I/O傳輸?shù)恼婵諗?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：公司所生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)罐和大型工程儲(chǔ)罐在生產(chǎn)制造過(guò)程中，需要定時(shí)采集產(chǎn)品在抽真空過(guò)程中的真空數(shù)據(jù)，此前一直采用人工手動(dòng)采集的方式進(jìn)行，即操作人員趕至現(xiàn)場(chǎng)，將真空表連接到產(chǎn)品規(guī)管后讀取真空值，效率低下，且抽真空異常停機(jī)次數(shù)較多，抽真空異常停機(jī)原因無(wú)法有效分析，出現(xiàn)故障后無(wú)法第一時(shí)間得到信息。為解決此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC-HMI和無(wú)線I/O模塊的分布式真空數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了真空數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、生成報(bào)表，且真空值出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)輸出報(bào)警，提高了抽真空作業(yè)生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品的及時(shí)交付，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：PLC;HMI;真空傳感器;無(wú)線模塊;分布式I/O

　　0 背景

　　公司所生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)罐和大型工程儲(chǔ)罐在生產(chǎn)制造過(guò)程中，需要定時(shí)采集產(chǎn)品在抽真空過(guò)程中的真空數(shù)據(jù)，抽真空作業(yè)為人工手動(dòng)采集，具有如下局限性：l人工6h/次到現(xiàn)場(chǎng)采集真空數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障后無(wú)法第一時(shí)間得到信息，導(dǎo)致產(chǎn)品真空丟失，須重新抽真空作業(yè)，影響產(chǎn)品交付;l人工采集真空數(shù)據(jù)不具有實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，往往故障發(fā)生時(shí)段區(qū)間的真空數(shù)據(jù)并沒(méi)有記錄，對(duì)故障原因無(wú)法進(jìn)行有效分析;l以公司產(chǎn)量最大的60m?產(chǎn)品為例，產(chǎn)品抽真空過(guò)程平均需要進(jìn)行10天，那么須進(jìn)行真空數(shù)據(jù)采集40次/臺(tái)，存在大量重復(fù)性工作。

　　1 系統(tǒng)需求分析

　　經(jīng)過(guò)前期生產(chǎn)需求調(diào)研，現(xiàn)場(chǎng)最大負(fù)荷為20臺(tái)產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行抽真空作業(yè)，分布于廠區(qū)A、B、C、D四個(gè)區(qū)域(見(jiàn)圖1)，其中A區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)罐產(chǎn)品12臺(tái)，而B(niǎo)、C、D區(qū)域?yàn)楣こ坦蕻a(chǎn)品共計(jì)8臺(tái)。須新增一套PLC-HMI分布式控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，由于區(qū)域跨度大，若采用硬線線纜連接，施工難度大，成本也非常高，故宜選用無(wú)線I/O模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)真空數(shù)據(jù)采集。

　　2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　菲尼克斯電氣的Wireless I/O是數(shù)字量或模擬量I/O信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案，并且是在過(guò)程和控制技術(shù)中進(jìn)行I/O通信的理想之選。Radioline系列產(chǎn)品是適用于大型系統(tǒng)的全新無(wú)線系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)為：只需通過(guò)指輪撥碼，便可在無(wú)需任何編程的情況下進(jìn)行極其簡(jiǎn)單的輸入和輸出分配。Radioline可發(fā)送I/O信號(hào)或串行數(shù)據(jù)，因此用途極廣，也可以通過(guò)Modbus RTU傳輸協(xié)議直接連接到控制器上。我們選用Radioline-2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器，帶RS-232/RS-485接口，并使用I/O模塊進(jìn)行擴(kuò)展，RSMA(孔式)天線連接，支持點(diǎn)到點(diǎn)、星形、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)最多250個(gè)工作站，范圍可達(dá)5 km(視線清晰)。

　　對(duì)于PLC-HMI系統(tǒng)的搭建，我們選用了性能穩(wěn)定、可靠的AB 1769-L30ERM控制器，HMI則采用Red lion G306A。另外，真空傳感器則是選用與產(chǎn)品DV-6規(guī)管匹配的DAVC-6型真空計(jì)，均是HASTINGS公司產(chǎn)品。

　　由于A、D區(qū)域產(chǎn)品為室內(nèi)作業(yè)，而B(niǎo)、C區(qū)域產(chǎn)品為室外作業(yè)，20臺(tái)產(chǎn)品抽真空作業(yè)具體位置在區(qū)域內(nèi)要求可變動(dòng)，所以須將20套無(wú)線發(fā)送端安裝在可移動(dòng)式工裝小車上?？紤]到車間建筑及罐體的阻隔會(huì)減弱無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度，我們采用2套無(wú)線接收裝置來(lái)接收20套無(wú)線發(fā)送端發(fā)出的信號(hào)，如圖1所示，在I車間室內(nèi)A區(qū)域附近布置1套接收裝置(圖1所示五角星I)，用于接收12臺(tái)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信號(hào)，而B(niǎo)、C、D區(qū)域所需無(wú)線信號(hào)覆蓋面積更大，我們將接收裝置折中布局(圖1所示五角星J)，將其安裝于J車間南面外墻的登高平臺(tái)上，這樣既能接收到B、C等室外區(qū)域的無(wú)線信號(hào)，也可以接收到室內(nèi)D區(qū)域的無(wú)線信號(hào)，且登高平臺(tái)方便日后維護(hù)。

　　綜上，我們系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示， A區(qū)域接收裝置I集成于主控電柜上，將模擬量信號(hào)直接輸出至PLC，而B(niǎo)、C、D區(qū)域接收裝置J與PLC的分布式I/O模塊Point IO集成于控制箱上，安裝在J車間外墻平臺(tái)上，通過(guò)光纖連接至I車間主控電柜，接收裝置輸出的模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)Point IO，再傳輸至PLC。作為中控核心的PLC將以上2個(gè)接收裝置的20路真空數(shù)據(jù)信號(hào)加以運(yùn)算控制，并在HMI上顯示。

　　3 無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1硬件配置

　　系統(tǒng)中2套無(wú)線系統(tǒng)可視為子系統(tǒng)，暫且稱之為子系統(tǒng)I和子系統(tǒng)J，它們均由無(wú)線收發(fā)器、IO擴(kuò)展模塊、全向天線、天線電纜、電涌保護(hù)器等元件組成，考慮到室外雨水環(huán)境要求，天線選型上應(yīng)分別來(lái)考量，故室外發(fā)送器天線選用了防護(hù)等級(jí)為IP68且耐腐蝕的RAD-ISM-2459型全向天線，而室內(nèi)發(fā)送器天線選用了較為廉價(jià)的ANT-OMNI-2459型全向天線。接收器天線則選用帶安裝托架和桿夾的RAD-ISM-2400-ANT-OMNI型全向天線，并且可安裝長(zhǎng)3m的天線延長(zhǎng)電纜RAD-CAB-EF393來(lái)調(diào)整安裝高度，以更好地接收無(wú)線信號(hào)。天線的選型如圖3所示。

　　3.2硬件組態(tài)

　　Radioline無(wú)線系統(tǒng)硬件組態(tài)是利用PSI-CONF組態(tài)軟件和指輪撥碼完成的，2套子系統(tǒng)須分別設(shè)置。將子系統(tǒng)接收器作為主站，發(fā)送器作為從站，主站的地址必須為01，將其指輪撥碼設(shè)置為01，其余從站地址的設(shè)置區(qū)間為02-99，為了方便記憶和維護(hù)，我們將子系統(tǒng)I的12個(gè)從站地址設(shè)置為11-22，將子系統(tǒng)J的8個(gè)從站地址設(shè)置為23-30，并將各從站設(shè)備指輪撥碼設(shè)置為相應(yīng)的數(shù)字。

　　2套無(wú)線系統(tǒng)需要同時(shí)運(yùn)行，并且彼此相距較近，為了將無(wú)線系統(tǒng)分開(kāi)，應(yīng)該選擇不同的RF頻帶和網(wǎng)絡(luò)ID。我們將子系統(tǒng)I的頻帶設(shè)置為4，網(wǎng)絡(luò)ID設(shè)為1;將子系統(tǒng)J的頻帶設(shè)置為6，網(wǎng)絡(luò)ID設(shè)為127。由于A區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)罐抽真空作業(yè)時(shí)較為集中，視線比較清晰，我們將子系統(tǒng)I的網(wǎng)絡(luò)設(shè)為星形，將無(wú)線電接口的數(shù)據(jù)速率設(shè)置為125 kbps;而B(niǎo)、C、D區(qū)域工程儲(chǔ)罐抽真空作業(yè)時(shí)相對(duì)分散，我們將子系統(tǒng)J的網(wǎng)絡(luò)設(shè)為網(wǎng)狀，同時(shí)為了降低工程儲(chǔ)罐龐大的體積對(duì)無(wú)線信號(hào)視線遮擋的影響，我們將8個(gè)從站設(shè)置為中繼從站，并將無(wú)線電接口的數(shù)據(jù)速率設(shè)置降為16 kbps，提高了無(wú)線模塊接收器的靈敏度，因?yàn)榈蛿?shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)的接收距離要比采用高數(shù)據(jù)速率時(shí)更遠(yuǎn)。

　　4 PLC-HMI系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)是基于PLC-HMI控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，PLC可將無(wú)線系統(tǒng)采集的真空數(shù)據(jù)信號(hào)自動(dòng)處理，通過(guò)HMI進(jìn)行人機(jī)交互。操作人員在現(xiàn)場(chǎng)完成連接產(chǎn)品、放置發(fā)送器工裝小車等準(zhǔn)備工作后，僅需在HMI上錄入相關(guān)信息并啟動(dòng)對(duì)應(yīng)編號(hào)埠的采集系統(tǒng)，作業(yè)結(jié)束后則關(guān)閉該系統(tǒng)，期間無(wú)需頻繁地往返于現(xiàn)場(chǎng)做例行真空數(shù)據(jù)采集。按照生產(chǎn)工藝要求，我們?cè)O(shè)置了每6小時(shí)自動(dòng)采集一次真空數(shù)據(jù)，也可人工隨時(shí)采集，且系統(tǒng)后臺(tái)以1s/次的頻次記錄真空數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)于HMI的CF卡中。

　　本系統(tǒng)接入公司局域網(wǎng)，可通過(guò)HMI的Web服務(wù)器功能進(jìn)行Web訪問(wèn)HMI遠(yuǎn)程界面和后臺(tái)記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)真空異常進(jìn)行有效的分析。

　　本系統(tǒng)通過(guò)PLC控制程序自動(dòng)分析真空數(shù)據(jù)，每10分鐘進(jìn)行比對(duì)一次，如果真空數(shù)據(jù)上升過(guò)快則視為異常，或者發(fā)送器出現(xiàn)電源故障導(dǎo)致斷電，這時(shí)會(huì)觸發(fā)主控柜聲光報(bào)警，并通過(guò)HMI郵件管理功能發(fā)送郵件至相關(guān)人員郵箱，及時(shí)有效地避免產(chǎn)品真空丟失。在完成抽真空作業(yè)后，真空數(shù)據(jù)記錄報(bào)表也將自動(dòng)發(fā)送至相關(guān)人員郵箱。

　　5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了公司的標(biāo)準(zhǔn)罐和工程罐抽真空作業(yè)過(guò)程的數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化。真空異常報(bào)警功能可滿足抽真空故障停機(jī)快速響應(yīng)的要求，避免了產(chǎn)品延誤交期;真空數(shù)據(jù)報(bào)表以.CSV格式郵件發(fā)送，并支持Web訪問(wèn)和下載真空數(shù)據(jù)記錄，便于歸檔管理，提高質(zhì)量追溯效率;自動(dòng)采集功能則大幅降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，如減少工程罐真空數(shù)據(jù)采集操作人員登高作業(yè)38次/臺(tái)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)也減輕了雨雪、寒冷或炎熱天氣下的勞動(dòng)強(qiáng)度。隨著本系統(tǒng)在公司的推行應(yīng)用，生產(chǎn)排班已取消了夜班，對(duì)于大型深冷壓力容器制造行業(yè)，有較高的推廣價(jià)值。

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