以太網和OPC通信技術在工業控制中的應用與實現

劉 偉 陳允霞

（1. 上海海事大學，上海 201306；2. 上海允鴻自動化科技有限公司，上海 201306）

物流運輸業的快速發展對商用汽車及其變速箱發展提出新的標準與要求。商用汽車運行成本和故障率成為制約運輸業發展的關鍵因素[1-2]。變速箱作為商用汽車的重要組成部分，其軸承裝配質量直接影響變速箱質量甚至使用壽命。系統采用先進的氣動液壓混合式壓裝，壓裝壓力與位置檢測裝置配合PLC控制，上位機記錄并存儲壓裝數據的方式，實現壓裝數據的本地保存與歷史查詢、追溯等功能，改善變速箱組裝依靠人工測量和經驗判斷產品質量的現狀。

變速箱裝配生產線涉及許多工藝流程，軸承裝配是其中很重要的一項，如副箱軸承、前蓋軸承、中間軸、一軸、同步器等，其壓裝精度直接影響整臺變速箱的質量。對于不同的軸承裝配工位，只需改變對應的壓裝模具，即可以采用相似的控制系統實現對軸承壓裝的自動控制。下文以變速箱裝配流水線副箱軸承壓裝單機設備為例，介紹控制系統的網絡構建以及壓裝數據采集、處理與存儲等技術[3-4]。

1 控制系統的構建

副箱軸承壓裝設備由底座（含支架）、輥道、停止器、托盤舉升裝置（含固定插銷）、壓裝模具、托盤承重板、氣液增壓裝置、條碼掃描裝置等組成。

1）副箱軸承壓裝控制工藝與要求

工藝流程如下。壓裝模具定位至壓裝位置；氣液增壓缸上模具動作壓外圈軸承；氣液增壓缸下模具動作壓內圈軸承；壓裝過程自動記錄壓力位移曲線。壓裝完成，各執行機構返回原位，準備下一循環。

2）控制系統的硬件組成

針對上述工藝要求，結合副箱壓機設備和控制要求構建了由研華工控機、觸摸屏、PLC、壓力傳感器、位移傳感器及運動機構等組成的控制系統。

上位機管理站（操作站）通過以太網方式將分散的PLC控制站組網并進行通信，實現對設備的集中管理與分散控制。

Siemens S7-1200控制器本體集成支持10/100Mb/s的物理接口，支持以太網和基于 TCP/IP的通信標準。控制器PLC與管理站通過OPC建立數據通信。圖1所示為控制系統硬件組成。

圖1 控制系統硬件組成

3）控制系統數據采集與存儲

PLC通過模擬量通道實時采集位移、壓力等現場數據，并通過OPC上傳至操作員站。

操作員站采用 VB.Net開發監控管理界面并保存數據采集日志、繪制壓裝曲線，同時將原始數據保存至數據服務器。

管理員站采用VB.Net開發，主要實現數據的查詢、系統關鍵參數的設置、數據統計與報表分析等工作，為產品研發、質量追溯等提供數據支撐。圖2所示為系統數據流結構圖。

圖2 數據流結構圖

2 系統實現

2.1 控制站—控制站以太網通信

副箱軸承壓裝工位，需要通過以太網同相鄰工位建立必要的安全互鎖與信息交互，以降低設備故障率和實現裝配作業連續化。

1）硬件組態

S7-1200軟件的編程與硬件組態是基于西門子TIA（博圖）自動化軟件開發平臺 ，其硬件組態如圖3所示。

圖3 以太網組網硬件組態

主站與從站建立以太網通信，必須正確配置硬件組態信息，否則通信無法建立，如通信協議、以太網地址、連接方式等。

2）以太網通信的編程實現

S7-1200提供開放式以太網通信協議進行數據交互。基于以太網通信協議，編寫通信流程如圖 4所示。

圖4 太網通信流程

主從以太網通信的實現流程如下：

（1）主站發送連接請求從站，從站執行應答命令，與主站建立連接。

（2）主站讀取系統時間連同用戶數據一起發送至從站數據接收區。

（3）從站接收主站的時鐘并同步其系統時間，從站的用戶數據通過相同方式發送至主站數據接收區。

（4）通信完成，主站斷開與從站的連接。

2.2 控制站—管理站數據交互

使用計算機作為監控、管理、操作站的場合越來越多，規模越來越大。不同廠家生產的現場設備種類在不斷的增加，其通信機制并不相同，不同品牌PLC與計算機通信需要開發的設備通信驅動程序也就越來越多。

OPC為不同品牌PLC與計算機通信提供了統一的標準，為過程控制設計的基于 COM/DCOM（組件對象模型/分布式組件對象模型）技術的通信協議[3-9]。

OPC規范包括 OPC服務器和客戶端兩部分。OPC由服務器、組、數據項等組成。數據項是讀寫數據的最小單位（位、字或雙字），不提供對外接口，不能作為單獨的對象供客戶端訪問，必須隸屬于組對象。在組對象中，客戶可以加入多個OPC數據項。

S7-1200采集來自位移和壓力傳感器的數據，經模擬量通道送至PLC控制器，然后通過OPC發送至上位機記錄、存儲并繪制壓裝曲線。數據采集、傳輸、存儲流程如圖5所示。

圖5 OPC數據采集、處理流程

PC通過OPC讀取來自PLC的壓力、位移等參數，并根據實時數據判定壓裝結果和繪制壓裝曲線。壓裝數據會被自動保存至數據庫存儲。當合格產品積累到一定數量時，軟件會根據歷史壓力位移等數據信息為產品壓裝曲線添加包絡線[10-12]。操作工也可根據實際生產情況更新包絡線數據信息，以適應產品變化的需要。

3 調試

圖6為調試現場獲得的壓裝曲線圖。由圖可見，檢測壓力在接近目標位移時，瞬間增大至最大值。經測量，排除工件本身公差，位移值記錄偏差相比實際值＜0.1mm，壓力值在誤差允許范圍內，符合要求。

圖6 壓力-位移曲線

4 結論

本文根據變速器副箱軸承壓裝工藝及要求建立了上述電氣控制系統，編程并實現了軸承壓裝的自動控制，通過管理站記錄與保存壓力、位移數據及壓裝曲線，實現了工藝數據的可追溯性，為變速箱維護和產品升級提供了數據支撐。在系統使用一段時間后，可以根據合格產品的壓力、位移數據，繪制包絡線。

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