孟祥順，付友昌

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合責(zé)任有限公司冷軋作業(yè)部，河北唐山 063000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，由于產(chǎn)能過剩、需求疲軟、人力成本上升等客觀因素，傳統(tǒng)行業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如何利用新技術(shù)提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本、提升管理水平是傳統(tǒng)行業(yè)最迫切需要解決的問題。焊機(jī)設(shè)備在運(yùn)行、維護(hù)過程中經(jīng)常遇到以下問題：

（1）焊機(jī)設(shè)備分布在不同的區(qū)域，發(fā)生問題時需要技術(shù)人員到現(xiàn)場查看上位機(jī)。技術(shù)人員為了處理問題要橫跨廠區(qū)，大大增加時間成本，讓技術(shù)人員疲于奔命。

（2）十幾臺不同的焊機(jī)設(shè)備來自于不同的自動化廠家，通信協(xié)議不統(tǒng)一，由于沒有相同的數(shù)據(jù)格式，技術(shù)人員需要投入大量時間做統(tǒng)計(jì)工作。

（3）發(fā)生問題時沒有數(shù)據(jù)記錄，需要等待問題再一次發(fā)生，才能查清問題發(fā)生的原因，很多時候需要技術(shù)人員長時間蹲守，極大的增加了工作時間。

為了解決上述問題，引進(jìn)來自德國的ibaPDA 數(shù)據(jù)采集和分析軟件，根據(jù)對焊機(jī)多年的技術(shù)積累，通過創(chuàng)新驅(qū)動的方式，實(shí)現(xiàn)對多種焊機(jī)設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控，實(shí)施科學(xué)化、規(guī)范化的集中管理。

1 焊機(jī)ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹

1.1 焊機(jī)ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)

某公司共有12 套連續(xù)生產(chǎn)線焊機(jī)，由于焊機(jī)本身不具備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，當(dāng)問題出現(xiàn)時，無法進(jìn)行故障狀態(tài)追溯。焊機(jī)分布在各條連續(xù)生產(chǎn)線上，每臺焊機(jī)都分別安裝數(shù)據(jù)采集的高成本非常高且效率低下。為了解決這個問題，通過建立數(shù)據(jù)采集工作站，建立數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將分布在各條生產(chǎn)線的焊機(jī)實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集工作站保存。

為了滿足遠(yuǎn)距離鋪設(shè)的要求，焊機(jī)PLC 系統(tǒng)通過Profibus-DP總線和以太網(wǎng)總線連接到焊機(jī)控制新增加的光纖盒。通過鋪設(shè)單模光纜到數(shù)據(jù)采集站，為數(shù)據(jù)采集、存儲和分析提供基礎(chǔ)的物理連接，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1 所示。依托光纖網(wǎng)絡(luò)很好的實(shí)時性能，借助ibaPDA 軟件在線監(jiān)測功能，焊機(jī)的技術(shù)人員可以看到現(xiàn)場各種參數(shù)實(shí)時曲線，對于事故的分析不需要趕赴現(xiàn)場，只要借助數(shù)據(jù)分析工具可以解決問題，大大節(jié)省了時間。

圖1 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 焊機(jī)ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信協(xié)議

目前焊機(jī)設(shè)備主要分為兩種：一種設(shè)備制造商是米巴赫公司，采用S7-300 系列PLC 作為控制設(shè)備，支持以太網(wǎng)協(xié)議通信；另一種設(shè)備制造商是Tmeic 公司、采用三菱Q 系列PLC 作為控制設(shè)備，支持Profibus-DP 現(xiàn)場總線通信。這兩種完全不同的PLC 需要由ibaPDA 集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)。采用三菱Q 系列PLC 作為控制設(shè)備的系統(tǒng)，ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過增加第三方Profibus-DP 從站模塊，然后對主站的PLC 進(jìn)行編程，將PLC 中的變量地址的數(shù)據(jù)發(fā)送到Profibus-DP 從站，只要知道被采集信號的地址就可以進(jìn)行信號數(shù)據(jù)采集[1]。

同時ibaPDA 數(shù)據(jù)采集軟件可以通過以太網(wǎng)協(xié)議采集Siemens 系列PLC 的數(shù)據(jù)。當(dāng)然在選擇通信協(xié)議的時候還需要綜合考慮各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)在速度、確定性和優(yōu)先規(guī)則方面取得很大進(jìn)步，基本滿足工業(yè)應(yīng)用各方面的需要[2]。由于以太網(wǎng)CSMA/CD 的訪問控制方法，以太網(wǎng)通信具有以下特點(diǎn)：訪問控制算法簡單、易實(shí)現(xiàn)。用戶訪問總線時間不確定的隨機(jī)競爭總線，廣泛應(yīng)用于不是嚴(yán)格的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用程序環(huán)境，在網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載較低時，顯示較好的數(shù)據(jù)吞吐量和延遲特性。然而，當(dāng)兩個數(shù)據(jù)發(fā)送到物理層，并全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)重疊時會發(fā)生沖突。發(fā)生沖突時，物理網(wǎng)段上的數(shù)據(jù)不再有效。沖突是影響以太網(wǎng)的性能的主要因素，由于沖突使得以太網(wǎng)在超過40%的負(fù)載時，效率將會大大降低[2]。

Profibus-DP 現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)的CSMA/CD 相比，Profibus-DP 采用的令牌控制具有以下特點(diǎn)：在網(wǎng)絡(luò)通信重負(fù)荷時的吞吐率與延遲特性表現(xiàn)非常好，因而適用于重通信負(fù)荷的應(yīng)用環(huán)境；但是造價較高。這是Profibus-DP 的不足之處[2]。

對于S7-300，ibaPDA 軟件可以通過以太網(wǎng)連接S7-300 采集數(shù)據(jù)，通信協(xié)議是西門子的以太網(wǎng)通信協(xié)議。ibaPDA 服務(wù)器和S7-300 的PLC 在一個網(wǎng)段上，就可以進(jìn)行通信采集數(shù)據(jù)。

對于三菱Q 系列PLC，采用的Profibus-DP 通信方案，ibaPDA 軟件通過安裝在數(shù)據(jù)采集工作站的光纖接收卡和ibaBM-DP 采集模塊的方式，通過Profibus-DP 總線協(xié)議與三菱PLC 通信，在三菱的PLC 上增加三菱的DP 主站通信模塊，型號為QJ71PB92V。PLC 中的數(shù)據(jù)通過新增加的三菱DP 主站發(fā)送給iba BM-DP 數(shù)據(jù)采集模塊，然后通過光纖進(jìn)入ibaPDA 服務(wù)器，經(jīng)過ibaPDA 軟件處理，顯示為實(shí)時的曲線[3]。

雖然以太網(wǎng)方式有比較明顯的缺點(diǎn)，但是成本低連接方便，對于一般的數(shù)據(jù)采集完全能夠滿足要求。綜合各種因素，為了達(dá)到最快的數(shù)據(jù)采集速率，減少無效數(shù)據(jù)，減少施工時間，方便后期系統(tǒng)維護(hù)，決定采用Profibus-DP 和以太網(wǎng)相結(jié)合的通信方式連接控制器和ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 焊機(jī)ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 集中監(jiān)控的應(yīng)用

焊機(jī)ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過對所有焊機(jī)的實(shí)時集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對分布全廠的焊機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的掌握。每臺焊機(jī)所需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，都采用通過Profibus-DP 或者以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換成光信號，通過已經(jīng)鋪設(shè)的光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)時向數(shù)據(jù)采集服務(wù)器發(fā)送，這些數(shù)據(jù)以動態(tài)趨勢圖的方式在屏幕上顯示。對每臺焊機(jī)也進(jìn)行了監(jiān)控，對主要功能部分進(jìn)行了劃分，2230 酸軋激光焊機(jī)如圖2所示，1700_1#鍍鋅窄搭接焊機(jī)入口設(shè)備畫面如圖3 所示。進(jìn)入相關(guān)的設(shè)備可以查看實(shí)時的曲線，隨時掌握設(shè)備狀態(tài)。

圖2 2230 酸軋激光焊機(jī)畫面

圖3 1700_1#鍍鋅窄搭接焊機(jī)入口設(shè)備畫面

2.2 實(shí)施科學(xué)規(guī)范化的管理方法

通過焊機(jī)ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用，可以實(shí)現(xiàn)緊急故障排查。突然出現(xiàn)的故障是維護(hù)人員要及時應(yīng)對的問題，根據(jù)現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)和PLC 的報警，ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置很多報警，當(dāng)這些報警發(fā)生時，系統(tǒng)會給予提示，這時需要迅速進(jìn)入報警焊機(jī)的主控畫面，觀察報警記錄（圖4）。

圖4 報警畫面

和一般的人機(jī)界面相比，使用ibaPDA 報警快速定位技術(shù)，快速定位故障的故障信息，并顯示相應(yīng)的故障曲線，幫助技術(shù)人員快速找到問題，一般問題不需要去現(xiàn)場就得以解決，大大降低了停機(jī)時間。如果需要到現(xiàn)場解決問題，也可以及時制訂計(jì)劃，準(zhǔn)備工具，可以更有效的解決故障錯誤[4]。

與一般的故障相比，偶發(fā)故障的診斷帶來更多困難。由于偶然的外部環(huán)境因素影響造成的意外故障，很難捕捉且發(fā)生的時間不確定性，很難處理[5]。技術(shù)人員可以根據(jù)焊機(jī)ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供開發(fā)功能，量化意外故障的相關(guān)因素，設(shè)置報警。然后通過存儲數(shù)據(jù)和趨勢圖，分析偶發(fā)問題的原因并進(jìn)行整改，通過數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或趨勢圖表比較分析并解決錯誤[6]。

通過焊機(jī)ibaPDA 數(shù)據(jù)的積累，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相當(dāng)于掌握了每臺焊機(jī)所有運(yùn)行時間的運(yùn)行情況，通過離線ibaAnalyzer 的分析統(tǒng)計(jì)功能，可以對焊機(jī)運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)分析。IbaAnalyzer 提供相應(yīng)的分析公式，可以量化離線數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。為了減少設(shè)備故障的概率或功能退化，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的預(yù)定的時間間隔或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

最后，技術(shù)人員通過觀察運(yùn)行曲線，對比相關(guān)參數(shù)，可以通過不斷提高對焊機(jī)工藝的理解，之前的經(jīng)驗(yàn)都是存在工程師的大腦里，全憑經(jīng)驗(yàn)沒有數(shù)據(jù)支撐，同時也無法傳承下去。而現(xiàn)在完全是根據(jù)ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)，對每臺焊機(jī)、每個品種、每條焊縫均有數(shù)據(jù)追溯。為焊機(jī)攻關(guān)組下一步開拓創(chuàng)新，提高工藝和維護(hù)水平，提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)束語

主要介紹焊機(jī)ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)及其特點(diǎn)，對 Profibus -DP 與以太網(wǎng)通信協(xié)議方式的分析，以及對焊機(jī)ibaPDA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)越性、如何實(shí)現(xiàn)對多種焊機(jī)進(jìn)行科學(xué)化、規(guī)范化的管理等方面做出論述。要重視大數(shù)據(jù)帶來的變革，深入利用現(xiàn)有資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)追溯、數(shù)據(jù)挖掘、工藝改進(jìn)，提高生產(chǎn)技術(shù)水平和效率。