銅加工SCADA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

錢 林

(寧波金田銅業(yè)(集團(tuán))股份有限公司 智能制造研究院，浙江 寧波 315032)

銅加工企業(yè)屬于離散型制造企業(yè)，相對于流程型企業(yè)，其具有多品種、小批量、生產(chǎn)業(yè)務(wù)離散、加工工藝復(fù)雜、生產(chǎn)設(shè)備多樣、集中監(jiān)控困難等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)給銅加工企業(yè)構(gòu)建實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、完整的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控[1-3]系統(tǒng)帶來了較大的難度，導(dǎo)致生產(chǎn)管理人員難以掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際情況，難以及時(shí)協(xié)調(diào)處理突發(fā)事件，影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率和智能制造[4,5]的推進(jìn)。SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制)系統(tǒng)是工業(yè)自動(dòng)化控制重要的控制系統(tǒng)之一，在石油、化工等流程型企業(yè)應(yīng)用較為廣泛，但在離散型制造企業(yè)應(yīng)用為數(shù)不多。本文以某銅業(yè)集團(tuán)公司為推進(jìn)企業(yè)智能制造而建設(shè)的SCADA系統(tǒng)為例，介紹了銅加工企業(yè)SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SCADA系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 SCADA系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 SCADA system architecture

該SCADA系統(tǒng)采用光纖工業(yè)以太網(wǎng)為傳輸平臺，基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)系統(tǒng)架構(gòu)；配置數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)應(yīng)用、WEB/報(bào)表等服務(wù)器和工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備，具有數(shù)據(jù)采集、存儲、應(yīng)用、發(fā)布等功能；構(gòu)建生產(chǎn)監(jiān)控中心，對銅加工生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

集團(tuán)公司總部數(shù)據(jù)采集服務(wù)器收集新材料、銅管、銅帶、銅棒、銅排等分公司銅加工現(xiàn)場的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)同步傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器向用戶提供數(shù)據(jù)的應(yīng)用和分析功能，使用戶能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析；WEB/報(bào)表服務(wù)器進(jìn)行WEB信息發(fā)布，將各種數(shù)據(jù)和監(jiān)控畫面在WEB上發(fā)布，用戶可通過自己的賬號，在IE客戶端或移動(dòng)終端[6]接收發(fā)布的生產(chǎn)信息，從而可以隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)掌控銅加工現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況。各分公司的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器收集本公司內(nèi)各個(gè)作業(yè)區(qū)生產(chǎn)過程和設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過匯聚交換機(jī)、核心交換機(jī)和工業(yè)以太網(wǎng)，傳送到集團(tuán)公司總部數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

銅加工現(xiàn)場各個(gè)作業(yè)區(qū)內(nèi)各種生產(chǎn)設(shè)備和條碼[7]槍、RFID讀卡器等物流倉儲設(shè)備、在線質(zhì)量檢測設(shè)備等，通過通信接口設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、接入交換機(jī)將生產(chǎn)過程和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)傳送到分公司數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，其中關(guān)鍵的生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量等數(shù)據(jù)在現(xiàn)場操作站上顯示和操作，并在現(xiàn)場看板大屏幕顯示器上顯示，使用戶對生產(chǎn)過程能夠進(jìn)行監(jiān)視和控制。

2 設(shè)備連接與數(shù)據(jù)采集

2.1 設(shè)備控制系統(tǒng)種類和類型

該集團(tuán)公司各分公司共有1100多套成套設(shè)備，其中大部分設(shè)備采用西門子、三菱、歐姆龍、施耐德、臺達(dá)、AB等各種類型的PLC(Programmable Logic Controller，可編程序控制器)控制。例如，銅管分公司成套設(shè)備主要采用西門子PLC作為控制系統(tǒng)，數(shù)量大約86套，采用的型號分別是：水平連鑄爐和成型機(jī)采用西門子S7-200 PLC；銑面機(jī)、盤拉機(jī)、復(fù)繞機(jī)、輥底爐采用S7-1500 PLC；行星軋機(jī)、精整機(jī)、聯(lián)拉機(jī)、在線退火采用S7-300 PLC。

2.2 設(shè)備連接與通信

各種品牌的PLC都具備串口通信或以太網(wǎng)通信能力，有的二者皆備，SCADA系統(tǒng)利用這些串口或以太網(wǎng)接口與生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2.2.1 采用串口PLC的設(shè)備連接與通信

采用串口通信的各種品牌PLC各自采用不同的串口通信協(xié)議和連接方式，例如，西門子PLC采用S7總線，三菱PLC采用CC-Link總線，歐姆龍PLC采用Omron Hostlink 總線，施耐德PLC采用Modbus RTU 總線。SCADA系統(tǒng)根據(jù)不同生產(chǎn)設(shè)備的PLC，采用不同的連接方式和不同的數(shù)據(jù)采集接口設(shè)備。例如，生產(chǎn)設(shè)備采用西門子串口通信S7-PLC與SCDADA系統(tǒng)的連接和數(shù)據(jù)采集，通過PPI(point to point interface,點(diǎn)對點(diǎn)接口)、MPI(Multi Point Interface，多點(diǎn)接口)或PROFIBUS通信協(xié)議的S7總線與SCDADA系統(tǒng)的TEEZONE 203網(wǎng)關(guān)連接，再通過以太網(wǎng)、JACE-8000分布式網(wǎng)絡(luò)控制器與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用串口S7-PLC的設(shè)備連接與數(shù)據(jù)采集如圖2所示。

圖2 采用西門子串口S7-PLC的設(shè)備連接與數(shù)據(jù)采集Fig.2 Equipment connection and data acquisition with Siemens serial port S7-PLC

2.2.2 采用以太網(wǎng)接口PLC的設(shè)備連接與通信

采用以太網(wǎng)通信的各種品牌PLC一般都配置以太網(wǎng)通信模塊，利用以太網(wǎng)模塊和以太網(wǎng)通信協(xié)議與其它設(shè)備進(jìn)行連接和通信。例如，生產(chǎn)設(shè)備采用西門子以太網(wǎng)模塊S7-PLC與SCDADA系統(tǒng)的連接和通信，應(yīng)用以太網(wǎng)網(wǎng)線將以太網(wǎng)模塊與SCDADA系統(tǒng)的TEEZONE 201網(wǎng)關(guān)連接，采用PROFINET IRT通信協(xié)議進(jìn)行通信，再通過以太網(wǎng)、JACE-8000分布式網(wǎng)絡(luò)控制器與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用以太網(wǎng)模塊西門子S7-PLC的設(shè)備連接與數(shù)據(jù)采集如圖3所示。

2.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一

工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信包括數(shù)據(jù)傳輸通信和指令傳輸通信，為了滿足各種生產(chǎn)控制系統(tǒng)通信一致性和數(shù)據(jù)的互操作性，必須進(jìn)行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一。SCADA系統(tǒng)采用TEEZONE網(wǎng)關(guān)作為協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，統(tǒng)一和兼容西門子S7總線協(xié)議、三菱CC-Link協(xié)議、施耐德 Modbus協(xié)議、以太網(wǎng)協(xié)議等通信協(xié)議，以滿足系統(tǒng)開放性的要求。

圖3 采用以太網(wǎng)模塊西門子S7-PLC的設(shè)備連接與數(shù)據(jù)采集Fig.3 Equipment connection and data acquisition of Siemens S7-PLC with Ethernet module

2.4 數(shù)據(jù)通信與傳送

協(xié)議轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一后，TEEZONE網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和傳送。TEEZONE網(wǎng)關(guān)內(nèi)部集成了西門子、三菱、歐姆龍等品牌PLC的數(shù)據(jù)區(qū)地址和數(shù)據(jù)區(qū)映射表等參數(shù)，用戶通過數(shù)據(jù)通信參數(shù)配置界面進(jìn)行參數(shù)配置。TEEZONE網(wǎng)關(guān)一旦完成現(xiàn)場組網(wǎng)和數(shù)據(jù)映射配置，將根據(jù)相應(yīng)PLC的IO地址表和已設(shè)置的數(shù)據(jù)映射關(guān)系進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送。TEEZONE網(wǎng)關(guān)內(nèi)置百萬級標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(TAGNAME DATABASE)，定時(shí)傳送數(shù)據(jù)。它向上傳送數(shù)據(jù)到指定的JACE-8000分布式網(wǎng)絡(luò)控制器，數(shù)據(jù)傳送的平均延時(shí)為10ms～15ms。

2.5 數(shù)據(jù)采集與存儲

SCADA系統(tǒng)采用JACE-8000分布式網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行各個(gè)銅加工作業(yè)區(qū)域的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和存儲。用戶通過PC瀏覽器接入以太網(wǎng)，訪問JACE-8000的數(shù)據(jù)管理組態(tài)界面，根據(jù)生產(chǎn)、經(jīng)營和管理需要進(jìn)行訂閱數(shù)據(jù)、設(shè)定參數(shù)、組態(tài)應(yīng)用控制邏輯等。數(shù)據(jù)采集時(shí)，JACE-8000在網(wǎng)絡(luò)中查找相應(yīng)的TEEZONE網(wǎng)關(guān)，打通數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)關(guān)、PLC 之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)過程監(jiān)控。JACE-8000根據(jù)需要設(shè)定訂閱所需的數(shù)據(jù)、報(bào)警閾值，并定時(shí)存儲記錄。它采用循環(huán)冗余存儲策略，譬如設(shè)定500條存儲記錄范圍，當(dāng)超出范圍時(shí)自動(dòng)將第1條記錄上傳到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器永久存儲，或者在以太網(wǎng)上另一臺JACE-8000中保留該記錄的副本進(jìn)行存儲。

2.6 TEEZONE網(wǎng)關(guān)特點(diǎn)

TEEZONE網(wǎng)關(guān)具有以下特點(diǎn)：(1)實(shí)時(shí)通信服務(wù)。TEEZONE網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)通信通道和等時(shí)同步技術(shù)可以降低交換式以太網(wǎng)、全雙工以太網(wǎng)響應(yīng)時(shí)間過長、吞吐量低、沖突率高的不利影響，從而減少處理通信棧所需的時(shí)間，極大地改善了網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間。(2)規(guī)范協(xié)議。統(tǒng)一應(yīng)用層、用戶層協(xié)議規(guī)范，實(shí)現(xiàn)通信一致性和數(shù)據(jù)的互操作性。(3)提高網(wǎng)絡(luò)可用性和網(wǎng)絡(luò)生存性。網(wǎng)絡(luò)可用性和網(wǎng)絡(luò)生存性包括工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性、可恢復(fù)性、可維護(hù)性等，即保證一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任何一個(gè)組件發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。TEEZONE支持組建環(huán)形冗余以太網(wǎng)，從而在一定程度上解決了可靠性問題。(4)與IT網(wǎng)絡(luò)結(jié)合。TEEZONE網(wǎng)關(guān)向下建立現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)，往上將現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)集成到IT網(wǎng)絡(luò)之中(管理級)，從而建立了現(xiàn)場級和管理級之間統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)，用戶可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行上層管理任務(wù)。

3 SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用

SCADA系統(tǒng)投入運(yùn)行后，對銅加工生產(chǎn)過程進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。(1)對生產(chǎn)控制、工藝參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行、物流倉儲、產(chǎn)品數(shù)量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。(2)建立工業(yè)級數(shù)據(jù)庫存儲歷史數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)過程和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、查詢、統(tǒng)計(jì)。企業(yè)的生產(chǎn)管理人員、專業(yè)技術(shù)人員、車間管理人員通過遠(yuǎn)程訪問，對生產(chǎn)過程的情況進(jìn)行了解和分析。(3)生產(chǎn)現(xiàn)場操作員站設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)操作人員與SCADA系統(tǒng)的人機(jī)交互。人機(jī)界面包括主菜單、工藝流程監(jiān)控、實(shí)時(shí)趨勢、歷史趨勢、實(shí)時(shí)報(bào)警、報(bào)表查詢、設(shè)備操作等畫面。(4)SCADA系統(tǒng)與企業(yè)的ERP、MES、物流倉儲等信息系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)彼此之間數(shù)據(jù)交互。(5)對各生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，顯示各設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、主要設(shè)備參數(shù)以及設(shè)備產(chǎn)能分析，例如，生產(chǎn)設(shè)備的 OEE(Overall Equipment Effectiveness，全局設(shè)備效率)計(jì)算。

每一臺生產(chǎn)設(shè)備都有自己的最大理論產(chǎn)能，OEE是一個(gè)非常重要的考核設(shè)備產(chǎn)能的指標(biāo)，它能通過相關(guān)的生產(chǎn)要素和數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的計(jì)算出某套設(shè)備效率。但在實(shí)際的計(jì)算中，當(dāng)與班次、操作人員、設(shè)備、產(chǎn)品等相關(guān)生產(chǎn)要素和數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起時(shí)，便變得十分復(fù)雜，因?yàn)槔貌僮魅藛T記錄數(shù)據(jù)和人工計(jì)算OEE非常麻煩和費(fèi)事，且數(shù)據(jù)不夠?qū)崟r(shí)和真實(shí)。

SCADA系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、真實(shí)的采集有關(guān)生產(chǎn)和設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，為OEE計(jì)算提供最有價(jià)值的數(shù)據(jù)。當(dāng)計(jì)算某臺設(shè)備的OEE時(shí)，從SCADA系統(tǒng)中獲取該套設(shè)備與OEE相關(guān)的開、停機(jī)時(shí)間累計(jì)、計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間、產(chǎn)品合格或不合格、產(chǎn)品產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出OEE，使生產(chǎn)管理人員從中找到影響生產(chǎn)效率的瓶頸，進(jìn)行改進(jìn)和跟蹤，達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

4 結(jié)論

(1)銅加工SCDAD系統(tǒng)應(yīng)用網(wǎng)關(guān)和分布式網(wǎng)絡(luò)控制器等技術(shù)，保證了各種生產(chǎn)設(shè)備與系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)接口的統(tǒng)一性、兼容性，使系統(tǒng)與企業(yè)原有的各種品牌的設(shè)備控制系統(tǒng)無縫連接，進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的開放性和透明性，提高了生產(chǎn)效率。

(2)應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)、WEB等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信息發(fā)布和遠(yuǎn)程訪問、并對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控和管理，使企業(yè)管理人員及時(shí)了解生產(chǎn)現(xiàn)場情況，處理緊急異常事件，提升了管理水平。

(3)今后該SCDAD系統(tǒng)將與企業(yè)的大數(shù)據(jù)[8]、智能生產(chǎn)等信息系統(tǒng)相結(jié)合，助力企業(yè)向數(shù)字化工廠邁進(jìn)。