分布式無線I/O傳輸?shù)恼婵諗?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：公司所生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)罐和大型工程儲罐在生產(chǎn)制造過程中，需要定時采集產(chǎn)品在抽真空過程中的真空數(shù)據(jù)，此前一直采用人工手動采集的方式進(jìn)行，即操作人員趕至現(xiàn)場，將真空表連接到產(chǎn)品規(guī)管后讀取真空值，效率低下，且抽真空異常停機(jī)次數(shù)較多，抽真空異常停機(jī)原因無法有效分析，出現(xiàn)故障后無法第一時間得到信息。為解決此問題，本文設(shè)計了一套基于PLC-HMI和無線I/O模塊的分布式真空數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了真空數(shù)據(jù)的自動采集、生成報表，且真空值出現(xiàn)異常時自動輸出報警，提高了抽真空作業(yè)生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品的及時交付，具有良好的應(yīng)用推廣價值。

　　關(guān)鍵詞：PLC;HMI;真空傳感器;無線模塊;分布式I/O

　　0 背景

　　公司所生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)罐和大型工程儲罐在生產(chǎn)制造過程中，需要定時采集產(chǎn)品在抽真空過程中的真空數(shù)據(jù)，抽真空作業(yè)為人工手動采集，具有如下局限性：l人工6h/次到現(xiàn)場采集真空數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障后無法第一時間得到信息，導(dǎo)致產(chǎn)品真空丟失，須重新抽真空作業(yè)，影響產(chǎn)品交付;l人工采集真空數(shù)據(jù)不具有實(shí)時性和連續(xù)性，往往故障發(fā)生時段區(qū)間的真空數(shù)據(jù)并沒有記錄，對故障原因無法進(jìn)行有效分析;l以公司產(chǎn)量最大的60m?產(chǎn)品為例，產(chǎn)品抽真空過程平均需要進(jìn)行10天，那么須進(jìn)行真空數(shù)據(jù)采集40次/臺，存在大量重復(fù)性工作。

　　1 系統(tǒng)需求分析

　　經(jīng)過前期生產(chǎn)需求調(diào)研，現(xiàn)場最大負(fù)荷為20臺產(chǎn)品同時進(jìn)行抽真空作業(yè)，分布于廠區(qū)A、B、C、D四個區(qū)域(見圖1)，其中A區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)罐產(chǎn)品12臺，而B、C、D區(qū)域?yàn)楣こ坦蕻a(chǎn)品共計8臺。須新增一套PLC-HMI分布式控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，由于區(qū)域跨度大，若采用硬線線纜連接，施工難度大，成本也非常高，故宜選用無線I/O模塊來實(shí)現(xiàn)真空數(shù)據(jù)采集。

　　2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

　　菲尼克斯電氣的Wireless I/O是數(shù)字量或模擬量I/O信號無線傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案，并且是在過程和控制技術(shù)中進(jìn)行I/O通信的理想之選。Radioline系列產(chǎn)品是適用于大型系統(tǒng)的全新無線系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)為：只需通過指輪撥碼，便可在無需任何編程的情況下進(jìn)行極其簡單的輸入和輸出分配。Radioline可發(fā)送I/O信號或串行數(shù)據(jù)，因此用途極廣，也可以通過Modbus RTU傳輸協(xié)議直接連接到控制器上。我們選用Radioline-2.4 GHz無線收發(fā)器，帶RS-232/RS-485接口，并使用I/O模塊進(jìn)行擴(kuò)展，RSMA(孔式)天線連接，支持點(diǎn)到點(diǎn)、星形、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)最多250個工作站，范圍可達(dá)5 km(視線清晰)。

　　對于PLC-HMI系統(tǒng)的搭建，我們選用了性能穩(wěn)定、可靠的AB 1769-L30ERM控制器，HMI則采用Red lion G306A。另外，真空傳感器則是選用與產(chǎn)品DV-6規(guī)管匹配的DAVC-6型真空計，均是HASTINGS公司產(chǎn)品。

　　由于A、D區(qū)域產(chǎn)品為室內(nèi)作業(yè)，而B、C區(qū)域產(chǎn)品為室外作業(yè)，20臺產(chǎn)品抽真空作業(yè)具體位置在區(qū)域內(nèi)要求可變動，所以須將20套無線發(fā)送端安裝在可移動式工裝小車上。考慮到車間建筑及罐體的阻隔會減弱無線信號強(qiáng)度，我們采用2套無線接收裝置來接收20套無線發(fā)送端發(fā)出的信號，如圖1所示，在I車間室內(nèi)A區(qū)域附近布置1套接收裝置(圖1所示五角星I)，用于接收12臺產(chǎn)品數(shù)據(jù)信號，而B、C、D區(qū)域所需無線信號覆蓋面積更大，我們將接收裝置折中布局(圖1所示五角星J)，將其安裝于J車間南面外墻的登高平臺上，這樣既能接收到B、C等室外區(qū)域的無線信號，也可以接收到室內(nèi)D區(qū)域的無線信號，且登高平臺方便日后維護(hù)。

　　綜上，我們系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示， A區(qū)域接收裝置I集成于主控電柜上，將模擬量信號直接輸出至PLC，而B、C、D區(qū)域接收裝置J與PLC的分布式I/O模塊Point IO集成于控制箱上，安裝在J車間外墻平臺上，通過光纖連接至I車間主控電柜，接收裝置輸出的模擬量信號經(jīng)過Point IO，再傳輸至PLC。作為中控核心的PLC將以上2個接收裝置的20路真空數(shù)據(jù)信號加以運(yùn)算控制，并在HMI上顯示。

　　3 無線系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1硬件配置

　　系統(tǒng)中2套無線系統(tǒng)可視為子系統(tǒng)，暫且稱之為子系統(tǒng)I和子系統(tǒng)J，它們均由無線收發(fā)器、IO擴(kuò)展模塊、全向天線、天線電纜、電涌保護(hù)器等元件組成，考慮到室外雨水環(huán)境要求，天線選型上應(yīng)分別來考量，故室外發(fā)送器天線選用了防護(hù)等級為IP68且耐腐蝕的RAD-ISM-2459型全向天線，而室內(nèi)發(fā)送器天線選用了較為廉價的ANT-OMNI-2459型全向天線。接收器天線則選用帶安裝托架和桿夾的RAD-ISM-2400-ANT-OMNI型全向天線，并且可安裝長3m的天線延長電纜RAD-CAB-EF393來調(diào)整安裝高度，以更好地接收無線信號。天線的選型如圖3所示。

　　3.2硬件組態(tài)

　　Radioline無線系統(tǒng)硬件組態(tài)是利用PSI-CONF組態(tài)軟件和指輪撥碼完成的，2套子系統(tǒng)須分別設(shè)置。將子系統(tǒng)接收器作為主站，發(fā)送器作為從站，主站的地址必須為01，將其指輪撥碼設(shè)置為01，其余從站地址的設(shè)置區(qū)間為02-99，為了方便記憶和維護(hù)，我們將子系統(tǒng)I的12個從站地址設(shè)置為11-22，將子系統(tǒng)J的8個從站地址設(shè)置為23-30，并將各從站設(shè)備指輪撥碼設(shè)置為相應(yīng)的數(shù)字。

　　2套無線系統(tǒng)需要同時運(yùn)行，并且彼此相距較近，為了將無線系統(tǒng)分開，應(yīng)該選擇不同的RF頻帶和網(wǎng)絡(luò)ID。我們將子系統(tǒng)I的頻帶設(shè)置為4，網(wǎng)絡(luò)ID設(shè)為1;將子系統(tǒng)J的頻帶設(shè)置為6，網(wǎng)絡(luò)ID設(shè)為127。由于A區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)罐抽真空作業(yè)時較為集中，視線比較清晰，我們將子系統(tǒng)I的網(wǎng)絡(luò)設(shè)為星形，將無線電接口的數(shù)據(jù)速率設(shè)置為125 kbps;而B、C、D區(qū)域工程儲罐抽真空作業(yè)時相對分散，我們將子系統(tǒng)J的網(wǎng)絡(luò)設(shè)為網(wǎng)狀，同時為了降低工程儲罐龐大的體積對無線信號視線遮擋的影響，我們將8個從站設(shè)置為中繼從站，并將無線電接口的數(shù)據(jù)速率設(shè)置降為16 kbps，提高了無線模塊接收器的靈敏度，因?yàn)榈蛿?shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)的接收距離要比采用高數(shù)據(jù)速率時更遠(yuǎn)。

　　4 PLC-HMI系統(tǒng)設(shè)計

　　本系統(tǒng)是基于PLC-HMI控制系統(tǒng)開發(fā)的，PLC可將無線系統(tǒng)采集的真空數(shù)據(jù)信號自動處理，通過HMI進(jìn)行人機(jī)交互。操作人員在現(xiàn)場完成連接產(chǎn)品、放置發(fā)送器工裝小車等準(zhǔn)備工作后，僅需在HMI上錄入相關(guān)信息并啟動對應(yīng)編號埠的采集系統(tǒng)，作業(yè)結(jié)束后則關(guān)閉該系統(tǒng)，期間無需頻繁地往返于現(xiàn)場做例行真空數(shù)據(jù)采集。按照生產(chǎn)工藝要求，我們設(shè)置了每6小時自動采集一次真空數(shù)據(jù)，也可人工隨時采集，且系統(tǒng)后臺以1s/次的頻次記錄真空數(shù)據(jù)，并存儲于HMI的CF卡中。

　　本系統(tǒng)接入公司局域網(wǎng)，可通過HMI的Web服務(wù)器功能進(jìn)行Web訪問HMI遠(yuǎn)程界面和后臺記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)而對真空異常進(jìn)行有效的分析。

　　本系統(tǒng)通過PLC控制程序自動分析真空數(shù)據(jù)，每10分鐘進(jìn)行比對一次，如果真空數(shù)據(jù)上升過快則視為異常，或者發(fā)送器出現(xiàn)電源故障導(dǎo)致斷電，這時會觸發(fā)主控柜聲光報警，并通過HMI郵件管理功能發(fā)送郵件至相關(guān)人員郵箱，及時有效地避免產(chǎn)品真空丟失。在完成抽真空作業(yè)后，真空數(shù)據(jù)記錄報表也將自動發(fā)送至相關(guān)人員郵箱。

　　5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了公司的標(biāo)準(zhǔn)罐和工程罐抽真空作業(yè)過程的數(shù)字化、自動化和智能化。真空異常報警功能可滿足抽真空故障停機(jī)快速響應(yīng)的要求，避免了產(chǎn)品延誤交期;真空數(shù)據(jù)報表以.CSV格式郵件發(fā)送，并支持Web訪問和下載真空數(shù)據(jù)記錄，便于歸檔管理，提高質(zhì)量追溯效率;自動采集功能則大幅降低人工勞動強(qiáng)度，如減少工程罐真空數(shù)據(jù)采集操作人員登高作業(yè)38次/臺，降低安全風(fēng)險同時也減輕了雨雪、寒冷或炎熱天氣下的勞動強(qiáng)度。隨著本系統(tǒng)在公司的推行應(yīng)用，生產(chǎn)排班已取消了夜班，對于大型深冷壓力容器制造行業(yè)，有較高的推廣價值。

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