數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是工業(yè)控制和監(jiān)控系統(tǒng)的核心與基礎[1]，它能集中地將生產(chǎn)過程參數(shù)轉換成數(shù)字信號，經(jīng)計算機存儲和處理后動態(tài)地顯示出來，使操作人員可方便地獲得生產(chǎn)現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)[2]，是保證生產(chǎn)達到優(yōu)質、高產(chǎn)、低耗、安全的重要手段。圖形化編程語言LabVIEW是虛擬儀器領域內(nèi)使用最為廣泛的計算機語言[3]，用戶可通過LabVIEW軟件實現(xiàn)自定義的功能，在計算機上進行測量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、存儲和相關數(shù)據(jù)轉換處理[4]。

    本文以某公司節(jié)氣門裝配線為背景，基于裝配線在數(shù)據(jù)采集及實時監(jiān)控中遇到的問題，設計了分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于運行中數(shù)據(jù)的收集及實時監(jiān)視，實現(xiàn)透明化生產(chǎn)[5]。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計
    該節(jié)氣門裝配線包含有14個工位，分別承擔不同零件的裝配或某些功能的測試。用傳統(tǒng)的人工方式來發(fā)現(xiàn)、記錄或匯報因裝配線異常產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)會消耗大量的人物力，不僅不能及時找出緣由，還可能延誤生產(chǎn)周期，影響進度。因此，有必要為裝配線設計一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過自動化的數(shù)據(jù)采集，及時地獲取各類正常或異常的生產(chǎn)數(shù)據(jù)[5]。
1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體設計
    根據(jù)裝配線運行過程中數(shù)據(jù)的類型，可將整個裝配過程的數(shù)據(jù)采集分為設備數(shù)據(jù)(包括設備的運行參數(shù)、運行時間、故障信息等)采集和生產(chǎn)數(shù)據(jù)(生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù))采集。因數(shù)據(jù)產(chǎn)生于不同的控制系統(tǒng)甚至可能分布于不同的計算機網(wǎng)絡，故將采集系統(tǒng)設計為分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)主要包括：設備層、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視層、通信協(xié)議層和應用軟件層4層結構， 如圖1所示。

1.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集硬件結構設計
    通過研究該公司的裝配線，其生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要分為兩類，分別為這兩類數(shù)據(jù)進行采集系統(tǒng)的硬件結構設計。
    第一類生產(chǎn)數(shù)據(jù)由PLC自動采集，包括設備綜合效率、計劃數(shù)據(jù)(輪班調(diào)整、休工等)、時間周期、設備狀態(tài)及故障工位等。在硬件方面，PLC的數(shù)據(jù)采集主要是由PLC L40以及相應的智能設備來實現(xiàn)，而存儲在PLC的數(shù)據(jù)可以通過串口傳遞給上位機（數(shù)據(jù)服務器AMS主控系統(tǒng)）。
    第二類生產(chǎn)數(shù)據(jù)是通過手動錄入或按鈕觸發(fā)產(chǎn)生的，這些信號以不同的方式存到相應的存儲設備中。這些數(shù)據(jù)的采集采用泓格的分布式數(shù)據(jù)采集模塊I7000系列中的I7060和I7520模塊及終端用戶按鈕盒來實現(xiàn)。終端按鈕盒安裝在每個工位上，工人在工位出現(xiàn)無法識別的異常時觸發(fā)警報，按鍵的多少根據(jù)實際的需要選擇。將按鈕盒和I7060相連接用于采集裝配線上工人輸入的信號。
1.3 設備數(shù)據(jù)采集硬件結構設計
    生產(chǎn)線設備數(shù)據(jù)采集的基本原理是用相應的傳感器或智能采集設備來收集運行過程中各個裝置的狀態(tài)及運行參數(shù)，本文以壓機為切入點，研究設備數(shù)據(jù)采集的方法。在硬件系統(tǒng)的設計上主要考慮采集壓機在裝配過程中產(chǎn)生的力和位移。
    具體選擇如下：采用Burster 8712-50電位式位移傳感器；采用的測力傳感器是森瑟爾公司的SZL-3型稱重傳感器；采用NI 6221 PCI 數(shù)據(jù)采集卡；采用NI公司的便攜式信號調(diào)理模塊SCC 68底座和SCC SG24。
2 數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)
2.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)
    (1)因PLC容量有限，需將大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時傳遞到公司的主控系統(tǒng)(AMS)中。通過直接數(shù)據(jù)鏈接服務器DDL，數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡信息系統(tǒng)采集，以XML事件報文的形式將信息儲存到服務器的生產(chǎn)設備信息數(shù)據(jù)庫中，在分布式計算機中以圖形方式顯示。
    為對現(xiàn)場運行過程進行實時監(jiān)視，需將重要的生產(chǎn)信息及時傳輸?shù)浆F(xiàn)場監(jiān)視屏幕中，屏幕大多安裝在裝配線醒目處。監(jiān)視系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為VB.net,運用MSComm(Microsoft Communications Control)實現(xiàn)PLC與PC的串口通信從而對生產(chǎn)過程中主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，使PLC與監(jiān)視系統(tǒng)直接通信。
    (2)手動數(shù)據(jù)通過安裝在工位上的按鈕盒和計件按鈕來收集。I7060和I7520模塊在使用之前必須先設置好模塊地址、波特率等參數(shù)，用于區(qū)別來自不同工位的信號。地址的設置主要是運用泓格提供的DCON Utility 軟件，實現(xiàn)時要在VB.net中添加相應的端口控件,而在VB6環(huán)境中則不需要。在VB.net中對該控件的初始化如下所述：
    Com端口通信初始化：
         MSComm1.CommPort = 1                             //端口號
         MSComm1.PortOpen = True                           //開啟端口
         MSComm1.Settings = "115200,n,8,1"              //設置速率
         MSComml.CommPort =2                                //設定端口號為2
         If MSComml.PortOpen = False Then
     MSComm1.Settings = "9600,n,8,1"                     //波特率、無校驗、
                                                                               數(shù)據(jù)位數(shù)，停止位
         MSComm1.PortOpen = True                          //打開串口
         End if
         MSComm1.OutBufferCount = 0                        //清空發(fā)送緩沖區(qū)
         MSComm1.InBufferCount = 0                          //清空接收緩沖區(qū)
    在程序的執(zhí)行過程中須設置定時器來實時掃描I7000模塊，判斷其端口的信號變化情況，若前后兩次掃描得到的信號不同，則說明工位上按鈕的某個信號被觸發(fā)，通信程序需更新這些信號并實時將最新數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)視系統(tǒng)。VB.net中的通信程序流程如圖2所示。主要分三塊進行程序的編寫：掃描Button Box信號、設置報警燈狀態(tài)、掃描Counter信號。

2.2 設備運行數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)
    壓機裝配站的核心功能部件是DIGIFORCE 9310測壓儀和L40 PLC，在改進后的系統(tǒng)中采用LabVIEW編程的方式來實現(xiàn)這兩個功能。
    壓機裝配站中，要監(jiān)控壓力和位移兩個物理量。DIGIFORCE 9310以相同的采樣率將位移傳感器和壓力傳感器所轉換的電壓值以數(shù)組X[i]，Y[i]形式成對儲存到內(nèi)部存儲器中，并自動生成一個測量函數(shù)y=f(x)，以曲線形式顯示出來，然后采用評估窗口的方法對測量結果進行評估。針對所有的曲線，DIGIFORCE 9310提供了三類不同的窗口技術和Envelope評估技術。如果合格，儀器輸出一個邏輯“正”；如果不合格，儀器輸出一個邏輯“負”。如圖3和圖4所示。

    L40 PLC與DIGIFORCE 9310通過Profibus相連接，當DIGIFORCE 9310對曲線進行判別之后，會將判別結果發(fā)送到PLC中，PLC會做出反應輸出相應的信號。
    采用LabVIEW開發(fā)算法，可將DIGIFORCE 9310的三種窗口綜合起來一起考慮。無論是哪種窗口，其關鍵的評估要素均有兩點：(1)搜索曲線到窗口的入口、出口；(2)對出口、入口的個數(shù)進行限制。
    圖5是用LabVIEW實現(xiàn)的Thread-in窗口的曲線圖。

    在LabVIEW中實現(xiàn)Envelope技術可以按照下面的步驟進行：
     (1) 采集傳感器數(shù)據(jù)；
     (2) 將數(shù)據(jù)在顯示器中轉換成曲線；
     (3) 對曲線進行取舍，去除奇異曲線；
     (4) 完成N次無奇異曲線測試，形成曲線簇；
     (5) 根據(jù)曲線簇，確定“Envelope”的上下邊緣曲線，根據(jù)測量規(guī)范，確定“Envelope”的左右邊緣直線(x=x1,x =x2)。
    將功能軟件化到PC機的LabVIEW程序中，不僅降低硬件成本，而且所有的裝配站可以共用一個LabVIEW程序，而且程序具有良好的可移植性，從而降低了成本。
    本文實現(xiàn)了PLC數(shù)據(jù)與服務器的通信，并通過MSCOMM控件實現(xiàn)了PLC生產(chǎn)數(shù)據(jù)與監(jiān)視系統(tǒng)的通信；通過I7000系列模塊，設計了外部硬件信號的采集及通信方法，實現(xiàn)了手動數(shù)據(jù)的采集；通過對壓機信號的采集與分析，用LabVIEW的軟件方法模擬了實際的窗口曲線圖，將硬件軟件化，具有良好的移植性，降低了設備成本，最終實現(xiàn)了對設備數(shù)據(jù)的采集。設計了友好的人機界面，具有良好的數(shù)據(jù)反饋功能及配置方案。
    實踐證明，這樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以有效地優(yōu)化生產(chǎn)流程、快速響應生產(chǎn)異常，為制造型企業(yè)的生產(chǎn)信息化、精益化及生產(chǎn)決策提供有效的技術手段，具有廣泛的使用價值及開發(fā)前景。
參考文獻
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