徐 蘇，李 想，付文京，鈕碩碩，許金綱，王楊淞

(1.江蘇海洋大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院， 江蘇 連云港 222005； 2.蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系， 甘肅 蘭州 730070)

一、引言

智能制造已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)上升到了國(guó)家戰(zhàn)略層面，比如，德國(guó)工業(yè)4.0由產(chǎn)學(xué)研推動(dòng)，升至國(guó)家戰(zhàn)略；美國(guó)政府戰(zhàn)略推動(dòng)創(chuàng)新，積極實(shí)施再工業(yè)化，牽頭推出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”；日本企業(yè)也提出了“工業(yè)4.1P”，更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人應(yīng)用和工業(yè)本身高質(zhì)量的發(fā)展；我們國(guó)家實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)——“中國(guó)制造2025”，加速?gòu)闹圃齑髧?guó)邁向制造強(qiáng)國(guó)，甚至我國(guó)發(fā)達(dá)的工業(yè)城市蘇州也推出了“蘇州制造”的品牌認(rèn)證體系?，F(xiàn)代工業(yè)與“智慧”“智能”的聯(lián)系越來(lái)越緊密，不僅僅在“智造”層面，更是要求裝備在實(shí)際作業(yè)中擁有智能化自動(dòng)控制的能力甚至是故障自診斷和糾偏能力，以維持高效、持續(xù)、可靠的生產(chǎn)[1]。隨著工業(yè)科技的飛速發(fā)展，通過(guò)國(guó)內(nèi)外技術(shù)交流和合作及成套設(shè)備的引進(jìn)、消化與吸收，國(guó)內(nèi)的離心機(jī)控制技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步[2]。國(guó)內(nèi)的智能控制離心機(jī)處于發(fā)展階段，但遠(yuǎn)程控制的開發(fā)仍處于探索中，對(duì)于一些關(guān)鍵性技術(shù)尚未得到很好的解決。離心機(jī)運(yùn)行中的報(bào)警反饋故障分析與解決方案，及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷，是一個(gè)技術(shù)難題；同時(shí)，對(duì)全部離心機(jī)以及上、下游設(shè)備進(jìn)行控制，反饋設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、車間和離心機(jī)內(nèi)部實(shí)時(shí)視頻，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與監(jiān)控，都是目前需要深入研究的重要方向。

二、總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)立足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對(duì)離心技術(shù)的智能化改造，離心機(jī)組智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用了B/S結(jié)構(gòu)，具體工作流程由三個(gè)部分組成：生產(chǎn)部的工程師將制定好的工藝參數(shù)和工作流程通過(guò)企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)或Internet公網(wǎng)瀏覽器傳送到生產(chǎn)車間現(xiàn)場(chǎng)的Web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server，并通過(guò)下位機(jī)部署的WinCC服務(wù)器，將設(shè)置好的“生產(chǎn)工藝流程”傳送到現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)控制生產(chǎn)過(guò)程；在生產(chǎn)過(guò)程中，將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)反饋至數(shù)據(jù)中心，上位機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)信息，按照預(yù)定的流程進(jìn)行操作并提供給生產(chǎn)部[3]。系統(tǒng)方案如圖1所示。

(一)管理層

管理層主要由生產(chǎn)部、銷售部、工程部、品控部、倉(cāng)儲(chǔ)部和公司高管構(gòu)成，負(fù)責(zé)企業(yè)生產(chǎn)的整體把控，每個(gè)部門根據(jù)自己的權(quán)限了解整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程、質(zhì)量庫(kù)存等信息，并由生產(chǎn)部通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把相關(guān)的產(chǎn)品參數(shù)、工藝流程等上傳至服務(wù)器。每一個(gè)有權(quán)限的工程師都可以通過(guò)WEB瀏覽器實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)過(guò)程，并現(xiàn)場(chǎng)編寫工藝流程傳送至遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心；生成工作報(bào)表，同時(shí)可以對(duì)工藝流程、生產(chǎn)中的重要參數(shù)、報(bào)警信息、報(bào)表等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

(二)數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心采用了SQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為整個(gè)智能控制離心機(jī)組的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)；同時(shí)，為了便于工程師根據(jù)生產(chǎn)需求遠(yuǎn)程調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)、工藝流程以及監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，以Web server作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，工程師可以通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控工藝流程和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)，并在線修改參數(shù)。

WEB和SQL服務(wù)器都部署在一臺(tái)服務(wù)器上，為用戶提供 Web服務(wù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程接收和轉(zhuǎn)發(fā)，并可以對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理，通過(guò)報(bào)表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和歸檔備份，方便工程師對(duì)生產(chǎn)過(guò)程前后進(jìn)行溯源及跟蹤。

(三)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層

現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層通過(guò)部署WinCC和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。WinCC可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器(SQL Server)，獲取生產(chǎn)工藝流程操作票并傳送回生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)(WinCC)，由PLC根據(jù)生產(chǎn)工藝流程操作票對(duì)若干離心機(jī)組進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程控制，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的智能化控制。

圖1 離心機(jī)組智能控制總體框圖

三、智能控制策略

基于Internet的智能控制離心技術(shù)的重點(diǎn)在于將遠(yuǎn)程通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輸入的生產(chǎn)內(nèi)容操作票從數(shù)據(jù)中心讀取到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層，并經(jīng)由WinCC下載至現(xiàn)場(chǎng)PLC進(jìn)行設(shè)備控制，進(jìn)而完成每組離心機(jī)設(shè)備的智能化控制，現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層控制流程如圖2[4]。第一，新建內(nèi)部變量——操作流程變量；第二，VBS腳本的編寫讀取SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中操作票的內(nèi)容；第三，編寫腳本將操作流程中的文字內(nèi)容轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)變量；第四，根據(jù)數(shù)據(jù)變量的內(nèi)容將工藝參數(shù)傳送至PLC；第五，將“自動(dòng)運(yùn)行”變量置“1”，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開始運(yùn)行。

圖2 智能控制策略架構(gòu)

(一)集散控制

基于集散控制、PLC編程，集成反應(yīng)、離心、流體與粉體輸送、干燥等工藝段全部設(shè)備，反饋設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、車間以及離心機(jī)內(nèi)部實(shí)時(shí)視頻，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化控制，解決離心機(jī)以及上、下游設(shè)備全過(guò)程的程序控制。通過(guò)豐富的傳感器模組實(shí)時(shí)感知能力，可以迅速的將現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)傳送到主控電腦，并由主控電腦根據(jù)預(yù)先編制好的程序執(zhí)行相應(yīng)的工作指令，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，達(dá)到車間級(jí)智能化生產(chǎn)的要求，設(shè)置多級(jí)控制界面，可以對(duì)其中任何一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行全數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障診斷，同時(shí)可以瀏覽所有離心機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

(二)故障診斷技術(shù)

基于傳感器技術(shù)，采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)保存的運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)對(duì)突變異常事件實(shí)時(shí)報(bào)警，并實(shí)時(shí)自行修正或反饋處置建議。數(shù)據(jù)庫(kù)保存的運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)與報(bào)警事件，可追溯分析。數(shù)據(jù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供給遠(yuǎn)程工程師會(huì)診，遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。

(三)控制成本、提升品質(zhì)

基于控制程序、傳感技術(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，系統(tǒng)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，生成設(shè)備運(yùn)行日志和儲(chǔ)存運(yùn)行歷史記錄，對(duì)用電量、洗滌用量、產(chǎn)量、成品率、加工時(shí)間等，生成動(dòng)態(tài)曲線，為工程師提供分析與優(yōu)化依據(jù)，提升運(yùn)行效率、降低運(yùn)行成本、提升產(chǎn)品品質(zhì)。

四、智能控制離心技術(shù)核心功能實(shí)現(xiàn)

智能控制離心技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層作為整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控中心和控制樞紐，有著重要的作用，如圖3。作為離心機(jī)組的控制端應(yīng)具備如下功能：工作狀態(tài)監(jiān)控功能、生產(chǎn)流程及工藝參數(shù)制定下發(fā)功能、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的調(diào)整及閾值偏離預(yù)警功能、信息存檔備份和異常情況的報(bào)警恢復(fù)功能、用戶權(quán)限管理等功能。從現(xiàn)場(chǎng)端的角度對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析時(shí)，可將其作為主控制系統(tǒng)，對(duì)離心機(jī)控制系統(tǒng)中的各個(gè)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制。將PLC應(yīng)用于控制系統(tǒng)與自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中時(shí)，通常情況下都應(yīng)該與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合。也就是相應(yīng)數(shù)據(jù)通過(guò)PLC被發(fā)送到計(jì)算機(jī)中，再由計(jì)算機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的分析與處理，這樣PLC在接收到相應(yīng)的指令時(shí)就要按照指令任務(wù)進(jìn)行運(yùn)行控制。在開發(fā)離心機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)聯(lián)合應(yīng)用PLC與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，具有非常高的可靠性，在設(shè)計(jì)電氣硬件時(shí)會(huì)更加簡(jiǎn)單、便捷，適合批量生產(chǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)高效的程序復(fù)制。不僅如此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中能夠進(jìn)行模塊或單元的擴(kuò)展，不管需要多少I/O，在擴(kuò)展時(shí)也都比較方便，再加上PLC本身就具備繼電器的基本功能與較強(qiáng)的擴(kuò)展功能，使其智能化程度相對(duì)提高，機(jī)構(gòu)也實(shí)現(xiàn)了極大的簡(jiǎn)化。除此之外，只需要進(jìn)行軟件修改，就能夠有效地更改控制邏輯，而不用進(jìn)行硬件改動(dòng)[5]。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層功能圖

(一)工作狀態(tài)監(jiān)控功能

現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層的WinCC和PLC負(fù)責(zé)控制整個(gè)智能控制離心機(jī)組生產(chǎn)的正常運(yùn)行，因此監(jiān)控系統(tǒng)需模擬出離心機(jī)組的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)離心機(jī)組的實(shí)際控制?？紤]到實(shí)際環(huán)境下設(shè)備的體積及密閉環(huán)境，操作站需要將生產(chǎn)過(guò)程圖形化，如圖4，在虛擬出來(lái)的圖形化面板內(nèi)實(shí)現(xiàn)每一個(gè)工藝、每一個(gè)組件及重要參數(shù)的相應(yīng)控制。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層工作狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

主界面顯示整個(gè)離心機(jī)組工作過(guò)程的所有工作流程，如進(jìn)料，點(diǎn)擊后可開啟相應(yīng)閥門進(jìn)行進(jìn)料工作，按鈕呈現(xiàn)綠色狀態(tài)，再次點(diǎn)擊進(jìn)料按鈕關(guān)閉閥門，呈現(xiàn)原始狀態(tài)。主程序也設(shè)計(jì)了自動(dòng)運(yùn)行控制，程序啟動(dòng)后，根據(jù)制定的工藝流程和參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制完成生產(chǎn)，并實(shí)時(shí)反饋各個(gè)流程狀態(tài)，相應(yīng)流程啟動(dòng)，啟動(dòng)按鈕將變成綠色，直至停機(jī)按鈕顯示紅色，完成該工作流程。如圖5，主界面還能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程中重要參數(shù)的變動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，包括進(jìn)料、清洗、空氣源等的實(shí)時(shí)壓力值，PLC和上下機(jī)的通訊，異常報(bào)警等信息。

圖5 彈出顯示界面

(二)生產(chǎn)流程及工藝參數(shù)制定下發(fā)功能

智能控制離心技術(shù)就是生產(chǎn)全過(guò)程的智能化，通過(guò)PLC程序的邏輯功能，實(shí)現(xiàn)離心機(jī)組各設(shè)備的智能化，智能化的目的在于提高生產(chǎn)的效率和控制產(chǎn)品的質(zhì)量，因此順利下發(fā)生產(chǎn)流程及工藝參數(shù)是關(guān)乎整個(gè)智能化系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層作為智能離心機(jī)組的總指揮，應(yīng)具備加工生產(chǎn)流程的制定和工藝參數(shù)的修改功能，并順利下發(fā)。生產(chǎn)流程的運(yùn)行可以按照順序控制的方式，生產(chǎn)工藝流程制定和下發(fā)的時(shí)候可以根據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行選擇，同時(shí)由于生產(chǎn)工藝流程本身具備一定的先后順序(如清洗工藝，屬于生產(chǎn)前準(zhǔn)備工序，不會(huì)放置在最后一步，同樣，脫水流程，必須在清洗流程之后進(jìn)行)，所以流程的制定也會(huì)有一定的限制。

(三)其他功能

工藝參數(shù)對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量有至關(guān)重要的作用，所以智能控制離心系統(tǒng)需要具備參數(shù)制定和修改的功能，比如溫度、壓力、工作時(shí)間等現(xiàn)場(chǎng)信息，工程師需要在主界面點(diǎn)擊相應(yīng)的流程圖標(biāo)，并在彈出窗口制定或者修改參數(shù)。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的一些信息，系統(tǒng)要進(jìn)行存檔，對(duì)具有異常變化趨勢(shì)的信息，要能夠做出預(yù)警分析，達(dá)到報(bào)警閾值的，要能夠及時(shí)顯著地顯示警報(bào)信息并記錄，方便工程師對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及產(chǎn)品進(jìn)行追根溯源，有針對(duì)性地改進(jìn)工藝和參數(shù)。

五、結(jié)語(yǔ)

離心機(jī)作為一個(gè)在化工、制藥、食品、環(huán)保等行業(yè)廣泛使用的設(shè)備，設(shè)備的自動(dòng)化程度、加工產(chǎn)品的質(zhì)量參數(shù)都尤為重要。國(guó)外的離心機(jī)制造商大多已經(jīng)使用計(jì)算機(jī)集成制造的方式來(lái)控制離心機(jī)的操作，可實(shí)現(xiàn)比單純PLC 控制系統(tǒng)更加智能的控制。目前國(guó)內(nèi)的離心機(jī)控制系統(tǒng)大多還停留在PLC控制的水平，本文提出了基于互聯(lián)網(wǎng)的智能控制離心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)了整體架構(gòu)，分析了智能控制策略，并對(duì)智能控制離心技術(shù)核心功能進(jìn)行了闡述，該方案充分運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)+智能控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程操作與監(jiān)控，設(shè)置多級(jí)控制界面，可以對(duì)其中任何一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行全數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障診斷等；實(shí)現(xiàn)了集散控制、故障診斷、實(shí)時(shí)報(bào)警及日志等主要技術(shù)指標(biāo)，可對(duì)離心機(jī)組以及上、下游設(shè)備進(jìn)行控制，生成設(shè)備運(yùn)行日志，儲(chǔ)存運(yùn)行歷史記錄，對(duì)用電量、洗滌用量、產(chǎn)量、收率、工藝時(shí)間等生成動(dòng)態(tài)曲線，提供分析與優(yōu)化依據(jù)，提升運(yùn)行效率及管理水平。