组建自动化设备的监控系统
组建自动化设备的监控系统
作者：付建林文章来源：北汽福田汽车股份有限公司点击数：667更新时间：
2008-9-23
在整个生产线的自动化控制系统中，采用“集中监测、分散控制”的典型控制模式。依据这一原则，将整个涂装生产线设备的控制系统分为3个层次，即设备层、控制层和监控层。每个层次中使用不同的网络结构及软硬件配置，以实现各自不同的功能。
在2005年北京市科技计划课题招标中，北汽福田汽车股份有限公司与清华大学联合参加“企业制造执行系统实施示范”课题的投标。中标后，项目组结合北汽福田汽车股份有限公司的应用需求，通过引进、集成和开发，建立离散型企业级制造执行系统（MES）。该项目于2007年完成并通过北京市科委验收，此项目实施提高了企业信息化的应用水平，为企业带来了良好的经济和社会效益。
笔者在该项目中负责组建自动化设备的监控系统，即通过组建各层次的网络系统，使工厂级生产监控系统对生产车间的底层设备信息进行集中监控，为福田汽车MES系统提供设备基础数据。本文以汽车生产中的涂装自动化生产线为例，对自动化设备监控系统的总体结构及各层次网络的组成、相应的功能做一个简要介绍。
监控系统的总体结构
涂装生产线自动化设备包括前处理、电泳、喷漆、烘干和机械化输送等，这些设备均采用三菱PLC作为控制系统。而三菱PLC具有良好的网络兼容性，向下能够通过总线与传感器、开关量进行通讯；PLC之间又能够通过PLC间的网络进行数据共享；向上则能够通过以太网与工控机进行通讯。
基于以上具体分析，在整个生产线的自动化控制系统中，采用“集中监测、分散控制”的典型控制模式。依据这一原则，将整个涂装生产线设备的控制系统分为3个层次，即设备
层、控制层和监控层。每个层次中使用不同的网络结构及软硬件配置，以实现各自不同的功能。下面就各层网络分别介绍：
1.设备层的功能、结构和配置
（1）主要功能：设备层在整个控制系统的金字塔形结构中处于底层，是整个控制系统的关键环节。主要包括现场操作站、现场设备检测单元（接近开关、光电开关等）、现场其他输入设备和现场执行机构（如电动机、电磁阀等）等，直接或通过现场总线与控制层中的PLC相联系，将输入信号发送给PLC，将PLC输出指令发送到现场设备。
（2）网络形式：现场总线Profibus-DP（PLC与现场总线模块之间）、直接点对点联接（PLC与现场设备之间）。
（3）主要配置：
①主要硬件配置及选型：现场总线模块（防护等级IP67）与端子式总线模块（防护等级IP20）及总线电缆、接近开关和光电开关等；
②设备层的软件主要是现场总线Profibus-DP配置软件、数据传输程序等。
（4）组建过程：
①根据现场I/O开关量以及模拟量的需求选择相应的Profibus-DP总线的模块；
②在三菱PLC底板上安装Profibus-DP接口模块QJ71PB92D；
③用Profibus-DP专用电缆将PLC与其控制的相关Profibus-DP站点连接；
④将每个输入输出量映射到PLC的内部变量，通过Profibus-DP总线配置软件对各站点进行配置，完成后将配置文件下载到Profibus-DP接口模块QJ71PB92D中；
⑤经过调试即可实现PLC与现场设备的I/O开关量以及模拟量进行通讯，这样就完成了设备层的网络组建。
2.控制层的功能、结构和配置
（1）主要功能：控制层是整个控制系统的核心，在整个控制系统中起着“承上启下”的作用。它采用PLC及其网络系统接受现场发来的数据信息(数字量或模拟量输入信号)，经过其本身CPU中所存储的控制程序的运算与处理后，发出相应的指令（输出信号）对现场设备进行控制。同时，通过PLC网络使得控制层内各个PLC之间可方便地进行数据交换。
（2）网络形式：PLC之间采用MELSECNET H同轴电缆网。
（3）主要配置：
①PLC系统选用三菱Q系列PLC底板、电源、CPU、I/O模块及其网络模块（MELSECNET H网接口模块）。
②软件主要包括：PLC编程软件GX Developer、应用软件（用户编制的控制程序、数据传输程序等）。
（4）组建过程：
①根据需要联网的所有PLC内部数据的点数确定链接软元件的点数，并将链接软元件的点数分别分配给各个控制PLC；
②在三菱PLC底板上安装MELSECNET H网接口模块QJ71BR11；
③用MELSECNET H专用电缆将各个控制PLC连接；
④按照分配给各个控制PLC链接软元件的点数，通过GX Developer软件对各控制PLC 进行网络参数配置，完成后将配置文件下载到主从站PLC；
⑤经过调试即可实现各PLC中的内部数据在PLC网络上的共享，主控PLC通过数据共享实现对现场各从站PLC进行监控，这样就完成了控制层的网络组建。
网络配置通过电脑上的GX Developer软件实现，结构图如图1所示。
图1控制层结构图
3.监控层的功能、结构和配置
（1）主要功能：采用SCADA系统通过以太网（Ethernet network）与主PLC通讯，以获得PLC网络共享数据，从而实现对车间内各个受控设备的运行状况进行集中监控。
（2）网络形式：以太网（Ethernet network），串行通讯等。
（3）主要硬件配置：监控用计算机、监控主PLC、网络联接器、打印机和电缆等；
主要软件配置：系统软件（基于WINDOWS NT的操作系统）、SCADA组态软件（监控用、选用GE Fanuc的iFix组态软件）和应用软件（自行开发的控制程序、数据传输程序和监控画面等）。
（4）组建过程：
①在三菱PLC底板上安装以太网接口模块QJ71E71；
②用网线将PLC与工控机连接；
③iFix组态软件的安装与配置；
④iFIX从主PLC中读取过程信息并把它们保存在一个SCADA服务器中的过程数据库里；
⑤经过调试即可利用过程数据库里的数据进行画面链接、数据采集与保存等相关的数据处理。
监控层结构图和总体结构图如图2、图3所示。
图2监控层结构图
图3总体结构图
监控系统的功能
系统组建后实现的功能如下：
1.通过中控室计算机对车间各PLC中运行的梯形图程序进行动态监控和程序维护；
2.通过现场总线将各设备控制PLC与所属生产现场的按钮、开关、传感器和控制器等连接起来，再通过相应的软件配置实现PLC与设备的现场开关量、模拟量等进行信息传输；
3.通过PLC间的网络将车间内各个设备的PLC（包括位于中控室内的监控主PLC）联接起来，并实现各PLC内部有效信息的共享；
4.位于中控室内的监控主PLC负责通过PLC网络收集和发送各设备的有效信息；
5.监控用计算机通过组态软件监视受控设备的运行状态及故障信息，并进行数据采集与管理。
下面分别对主要功能进行介绍：
1.远程编程
在中控室计算机上安装PLC编程软件GX Developer，通过PLC以太网接口和三菱H网对各PLC进行远程编程（见图4）。
图4对各PLC进行远程编程
网络联通后，可进行程序监控和维护，从而实现对各PLC进行远程编程。
2.数据采集与管理
计算机监控系统配备2台监控计算机，其中一台为系统服务器（工程师站），其作用是直接从位于中控室内的监控主PLC获取有效信息并建立监控系统数据库，通过一定的授权可进行系统的开发和系统数据库的更改；第二台为操作员站，作用是从服务器内读取数据库内的数据、建立显示界面，并对设备的运行状况进行实时监视。
数据采集以组态软件iFIX为平台完成的。iFIX是一个基于WINDOWS的HMI/SCADA组件，是基于开放的和组件技术的产品，专为在工厂级和商业系统之间提供易于集成和协同工作设计环境。它的功能结构特点可以减少开发自动化项目的时间，缩短系统升级和维护的时间，与第三方应用程序无缝集成，增强生产力。
iFIX的SCADA部分提供了监视管理、报警和控制功能。它能够实现数据的绝对集成和真正的分布式网络结构。
iFIX的HMI部分是监视控制生产过程的窗口。它提供了开发操作员熟悉的画面所需要的所有工具。
（1）过程数据库的创建：在iFIX的开放式结构中，数据可以从广泛的数据源取得，如OLE、OPC、ActiveX、ODBC和DDE。
iFIX获取过程信息并把它们保存在一个SCADA服务器中的过程数据库里。过程数据库在工业自动化系统中扮演着不可缺少的角色，它是最主要的过程数据源。不论是要采集历史数据或生成数据报表，iFIX数据库都能满足需要。
（2）数据链的建立：数据链执行数据采集和控制时，这些类型的数据链通过一个输入数据块从I/O驱动或者OPC服务器接收输入，使用二级块对输入进行处理，并通过一个模拟量输出块、数字量输出块或者开关控制块向I/O驱动器或者OPC服务器返回一个调整过的值。
根据需要可创建数据链以监控目的而采集数据。这些类型的数据链通常通过一个输入数据块从I/O驱动器或者OPC服务器接收输入，但由于没有过程调节的要求，所以不返回输入值。
（3）数据库的归档：iFIX ODBC能执行所有的SQL任务，iFIX使用SQL语言向一个或多个关系型数据库读写实时过程数据，即iFIX过程数据库读取存储于关系型数据库中的数据，并可将存储于关系型数据库中的数据写回iFIX过程数据库。
开放式数据库互连标准(ODBC)可用来对关系数据库变量进行数据访问、浏览和修改。ODBC允许IFIX连接到其他数据库，因此工厂MES数据库可根据需要获得iFIX数据库中的任何信息，从而为工厂MES系统提供设备基础数据。
3.画面监控
自动化生产线是由传感器和连接I/O设备的控制元件通过网络进行控制的，如可编程
逻辑控制器（PLCs）和软逻辑控制（SLCs）。这种类型的系统提供了自动控制的功能以保证生产线运行。但它难于让工厂管理人员看到过程的实际运行状况。iFIX解决了这个问题，它将数据从不同的数据源取过来，以有效且易于理解的形式显示于工厂的工作人员和经理们面前。
具体说就是，数据源包括用户要获取的数据和相关信息，iFIX可以读取的数据源包括标签、I/O地址、对象属性、历史数据、画面属性、VBA事件、全局变量和表达式。
（1）画面的创建：iFIX画面中创建或输入的对象都有属性、方法和事件。在工作台的“编辑环境”中创建了一个对象，就可以在“运行环境”中控制它的属性并查看它的运行。根据监控系统的需要创建监控画面（见图5）。
图5对各PLC进行远程编程画面
（2）实现监控：要实现画面的监控需要以下步骤：
①IFIX从I/O驱动或者OPC服务器接收数据，通常与一个或多个过程硬件相关联。例如，泵、储罐、温度传感器和限位开关都是与数据块相关联的过程硬件。每个数据都与数据
库中的一个iFIX标签相对应，通过设置标签属性可实现对采集的数据属性进行设定。
②为了动画对象，必须连接数据源。在大多数情况下可以直接连接数据源。其他时候，比如使用“动画专家”，可以把一对象连接到一个动画对象中，然后连接此动画对象到数据源。要选择数据源，必须在“动画”对话框的“数据源”域中输入其名称，同时应遵守相应的语法要求，告诉iFIX使用了哪种类型数据源。
③在启动或者一个数据库载入的时候，iFIX对所有置入扫描的数据库块进行处理。如果在运行状态，IFIX会根据采集的数据的变化，将变量或动作反应在组态画面中，从而实现画面监控。
图6监控画面
项目实施的结果
1.数据采集
监控系统通过通讯网络与安装在现场设备控制柜的PLC进行数据交换，采集以下生产
信息：
（1）生产线与设备的工作状态（手动、自动、运行和停止等）；
（2）生产线与设备运行参数；
（3）生产线与设备故障报警信息；
（4）其他生产信息（产量、生产周期、停机次数及时间等）。
数据采集主要是通过网络通讯的方式将现场的设备运行状态参数上传，将其保存到数据库中，并以画面或文本方式显示。从而为管理人员提供现场的实时信息，并可将数据存档记录，供管理人员进行生产工艺参数分析；为维修工程师分析现场故障、确定解决方案提供有效的帮助；同时作为基础数据提供给厂级MES系统，以实现对底层设备的监控，使车间透明化。
2.数据利用
（1）数据登录：车间生产监控系统支持对生产数据、报警信息及事件的登录。它采用标准的ODBC接口将生产信息与报警登录至SQL数据库。这些登录的数据将被用于趋势图的显示、数据分析以及生成各种报表。数据登录功能将报警、事件和生产数据分别登录至数据库中不同的数据表格。
系统组建完成后，所有生产数据被保存在车间本地服务器上。当系统与厂级管理信息系统连网后，可以读取这些数据，并将生产数据送至工厂数据库集中保存。
（2）报表与统计分析：生产监控系统将提供报表工具用于查询、显示、输出和打印报表。这一报表生成器可供用户选择多种查询参数，如：报表类型、日期时间、生产区域、排序及统计方式等，并将查询结果以特定的报表格式显示。它还允许用户将报表输出至其他应用程序，如MSExcel等。
（3）数据上传：监控系统为MES系统提供基础设备数据，可通过MES系统查询设备状
态，为管理者提供必要的数据，综合考虑，安排生产。
MES可采集设备的状态数据，以实时监控底层设备的运行状态，再经过分析、计算与处理，从而方便、可靠地将控制系统与信息系统整合在一起，并将生产状况及时反馈给计划层。
3.生产监控
车间生产监控系统提供实时车间生产信息的图形界面。这些图形界面动态地显示当前各生产设备的工作状态、运行参数和报警信息等。所有的用户界面可分为两大类：设备状态监控与生产信息显示。其中设备状态监控图形界面将提供从每个生产区域、每个工作站到每台设备的监控屏幕，显示设备参数，并用颜色代表设备状态（如：红色—有报警，绿色—运行正常）。用户可以层层深入，以获取更详细的设备状态信息；并可根据用户权限进行参数设定和设备启停等操作。生产信息显示界面将提供车辆的分布、各班次产量分析等各种屏幕。通过按钮用户可以在各个屏幕之间任意切换。所有的用户界面均为中文显示。
通过画面的编制和数据的链接，使设备的数据状态体现在画面的改变上，从而实现设备的动态监视，使设备的状态目视化，提高数据的可视性，提高设备管理水平。
4.实现网络的无缝连接
通过建立了控制层网络，当设备发生故障时，维修工程师不再拿电脑到现场去查找故障，而是通过控制网，调出该设备的PLC程序进行故障的查找和排除，大大缩短了判断和维修时间，提高设备维修效率。
初步建立了设备间的监控网络，使设备间可以实现数据共享。通过对现场设备的数据采集和存储，便于查找和分析设备故障的原因，对设备故障的判断和预防起到了很大的帮助。
结束语
随着现代科学技术的发展，自动化生产设备可以通过现场总线、控制层网络和以太网等网络形式实现无缝连接。为了提高工控产品的竞争能力，现在工控产品的兼容性较强，这为工控网络的组态提高了较高的灵活性。
本项目中现场总线采用Profibus，PLC采用三菱H网，组态软件采用IFIX。在实践中，开发者要根据实际情况选用适合的总线、网络及组态软件，以便使整个系统制造成本降低、运行稳定可靠。