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(chǔ)[1]，它能集中地將生產(chǎn)過程參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)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(dá)到優(yōu)質(zhì)、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(lǐng)域內(nèi)使用最為廣泛的計(jì)算機(jī)語言[3]，用戶可通過LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)自定義的功能，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測、存儲和相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shí)時監(jiān)控中遇到的問題，設(shè)計(jì)了分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于運(yùn)行中數(shù)據(jù)的收集及實(shí)時監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)透明化生產(chǎn)[5]。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該節(jié)氣門裝配線包含有14個工位，分別承擔(dān)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(bào)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(jìn)度。因此，有必要為裝配線設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
    根據(jù)裝配線運(yùn)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(shè)備數(shù)據(jù)(包括設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，故將采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)主要包括：設(shè)備層、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視層、通信協(xié)議層和應(yīng)用軟件層4層結(jié)構(gòu)， 如圖1所示。

1.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    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(jìn)行采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
    第一類生產(chǎn)數(shù)據(jù)由PLC自動采集，包括設(shè)備綜合效率、計(jì)劃數(shù)據(jù)(輪班調(diào)整、休工等)、時間周期、設(shè)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(yīng)的智能設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，而存儲在PLC的數(shù)據(jù)可以通過串口傳遞給上位機(jī)（數(shù)據(jù)服務(wù)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(yīng)的存儲設(shè)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(shí)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(bào)，按鍵的多少根據(jù)實(shí)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(shè)備數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)據(jù)采集的基本原理是用相應(yīng)的傳感器或智能采集設(shè)備來收集運(yùn)行過程中各個裝置的狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，本文以壓機(jī)為切入點(diǎn)，研究設(shè)備數(shù)據(jù)采集的方法。在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上主要考慮采集壓機(jī)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(shí)現(xiàn)
2.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)
    (1)因PLC容量有限，需將大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)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(wù)器DDL，數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)采集，以XML事件報(bào)文的形式將信息儲存到服務(wù)器的生產(chǎn)設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫中，在分布式計(jì)算機(jī)中以圖形方式顯示。
    為對現(xiàn)場運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)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(yùn)用MSComm(Microsoft Communications Control)實(shí)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(jìn)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(jì)件按鈕來收集。I7060和I7520模塊在使用之前必須先設(shè)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(shè)置主要是運(yùn)用泓格提供的DCON Utility 軟件，實(shí)現(xiàn)時要在VB.net中添加相應(yīng)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(shè)置速率
         MSComml.CommPort =2                                //設(shè)定端口號為2
         If MSComml.PortOpen = False Then
     MSComm1.Settings = "9600,n,8,1"                     //波特率、無校驗(yàn)、
                                                                               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(shè)置定時器來實(shí)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(shí)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(jìn)行程序的編寫：掃描Button Box信號、設(shè)置報(bào)警燈狀態(tài)、掃描Counter信號。

2.2 設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)
    壓機(jī)裝配站的核心功能部件是DIGIFORCE 9310測壓儀和L40 PLC，在改進(jìn)后的系統(tǒng)中采用LabVIEW編程的方式來實(shí)現(xiàn)這兩個功能。
    壓機(jī)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(zhuǎn)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(jié)果進(jìn)行評估。針對所有的曲線，DIGIFORCE 9310提供了三類不同的窗口技術(shù)和Envelope評估技術(shù)。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(fù)”。如圖3和圖4所示。

    L40 PLC與DIGIFORCE 9310通過Profibus相連接，當(dāng)DIGIFORCE 9310對曲線進(jìn)行判別之后，會將判別結(jié)果發(fā)送到PLC中，PLC會做出反應(yīng)輸出相應(yīng)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(guān)鍵的評估要素均有兩點(diǎn)：(1)搜索曲線到窗口的入口、出口；(2)對出口、入口的個數(shù)進(jìn)行限制。
    圖5是用LabVIEW實(shí)現(xiàn)的Thread-in窗口的曲線圖。

    在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)Envelope技術(shù)可以按照下面的步驟進(jìn)行：
     (1) 采集傳感器數(shù)據(jù)；
     (2) 將數(shù)據(jù)在顯示器中轉(zhuǎn)換成曲線；
     (3) 對曲線進(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)了PLC數(shù)據(jù)與服務(wù)器的通信，并通過MSCOMM控件實(shí)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(shè)計(jì)了外部硬件信號的采集及通信方法，實(shí)現(xiàn)了手動數(shù)據(jù)的采集；通過對壓機(jī)信號的采集與分析，用LabVIEW的軟件方法模擬了實(shí)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(shè)備成本，最終實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)界面，具有良好的數(shù)據(jù)反饋功能及配置方案。
    實(shí)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(yīng)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(shù)手段，具有廣泛的使用價值及開發(fā)前景。
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