基于PLC的擠出機儀表控制柜集中監控系統設計

宋 建，方 嵩，駱繼國

（1.華南理工大學廣東省高分子先進制造技術及裝備重點實驗室，廣州510640；2.華南理工大學聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣州510640；3.廣州晶品智能壓塑科技股份有限公司，廣州510530）

塑料制品在各行各業中隨處可見，其產量仍逐年上漲，塑料擠出成型作為三大塑料成型工藝之一，其制品在所有塑料制品中占比約為40%[1-2]。為了滿足塑料制品不斷增長的需求，塑料擠出成型設備也在向著高效、智能化的方向發展，有些企業生產的塑料擠出機使用自主研發的集中控制系統，比如巴頓菲爾辛辛那提公司的BCtouch UX 控制系統，可以將多臺設備連接到一起，所有工藝參數均可集中監控，還支持外部聯網遠程監控與維護[3]。目前，國內大多數的中小企業的塑料擠出加工車間的擠出機使用的是儀表控制柜，設備關鍵數據使用儀表顯示但沒有記錄功能，在日常生產中生產線的數據主要由現場巡視工人定時記錄，這樣不僅實時性差，效率低，而且也不利于車間的管理。而更換帶有集中監控、遠程維護功能的擠出機設備的高昂成本讓大部分中小企業望而卻步。

近年來，隨著PLC 集成的功能越來越強大，在工廠的改造升級中常常用到[4-5]，甚至可以用PLC 來進行設備的數據采集，加上車間物聯網的興起[6]，使得數據監控的方式也有了更多的選擇。本文在詳細調研廣東某公司的塑料擠出加工車間后，提出利用PLC 結合物聯網技術為該車間設計數據采集與監控系統，該系統可以快速搭建完成且幾乎不改動原有設備，系統通過采集、監控和分析生產過程中的數據，實現對設備的本地和遠程監控，來提高該車間的生產效率與管理水平。

1 系統總體方案設計

1.1 擠出機儀表控制柜內部通信

企業需要集中監控的數據主要包括擠出機主電機和喂料電機的運行速度與電流、各溫區溫度以及機頭熔體壓力。實地了解后發現企業采用的是儀表型控制電柜，電柜內有主電機驅動變頻器1 個，喂料變頻器1 個、喂料伺服驅動器2 個，溫控表8 個。其中，變頻器和伺服驅動器均帶有RS485 接口且支持Modbus 通信協議；采用廠家的配套通信變換器可將8 個溫控集成為一個Modbus RTU 從站；熔體壓力傳感器的輸出為0～10 V 的模擬量信號，無法直接組網，在此將其接入主電機變頻器的多功能模擬量輸入端子，然后通過讀取變頻器相應的寄存器便可獲得熔體壓力信號數據。通過上述的改造，僅使用一條RS485 總線便可實現一臺擠出機儀表控制柜內部所有數字設備的組網，具體實現方案如圖1所示。

1.2 集中監控系統

圖1 儀表控制柜內部設備通信連接Fig.1 Communication connection of equipment inside the instrument control cabinet

擠出機儀表控制柜集中監控系統由擠出機儀表控制柜、PLC 及其通信模塊、交換機、本地計算機、無線網關和云服務器等組成，系統的結構如圖2所示。

圖2 系統結構拓撲圖Fig.2 System structure topology diagram

在該系統中，由PLC 作為數據采集、匯總的裝置，通過其擴展的RS485 通信模塊與所有儀表控制柜內部的設備進行通信，并將所需數據采集、匯總到一起。通過PLC 的以太網口車間現場的PC 可以訪問并保存匯總的數據，同時無線網關也會通過以太網讀取PLC 中匯總的數據，然后使用4G 無線網絡上傳至云服務器中儲存。車間現場的PC 使用Wincc 組態，其運行界面上可進行數據監控與展示。遠程PC 和移動設備可以通過瀏覽器訪問和配置云服務器網頁來實現遠端監控。

2 數據采集與匯總

儀表控制柜內部設備的數據采集與匯總是使用西門子S7-1200 PLC 及其拓展的通信模塊完成的，S7-1200 PLC 是一款經濟型模塊化的控制器，可拓展連接8 個信號模塊用于數字量和模擬量的輸入輸出，同時擁有強大的通信拓展功能[7-8]。

經統計，該車間共有6 條塑料擠出加工生產線，每條生產線有5 個從站需要進行通信訪問，車間總計30 個從站。查閱手冊可知[9]，該PLC 拓展的單個RS485 通信模塊可連接31 個從站，連接方式采用終端匹配的總線結構，即用一條總線將從站一個一個串接起來。雖然從數量上來說1 個通信模塊就足夠連接所有的設備，但是考慮到以下兩點，在此選擇使用2 個通信模塊。

（1）使用2 個通信模塊可以提高數據采集頻率。因為RS485 采用半雙工的工作模式，數據是通過逐個訪問設備獲取的，所以一條總線上的設備越多，訪問周期就越長，數據采集頻率就越低，使用2 個通信模塊直接將一條總線上的設備減少到原先的一半，相應的數據采集頻率就提高了1 倍。

（2）使用2 個通信模塊可以提高系統的可擴展性。如果使用1 個通信模塊連接30 個從站，那么系統只剩余1 個從站的擴展，當現場需要增加多個要監控的設備時就無法全部接入系統，而使用2 個通信模塊就能解決這個問題，使系統的靈活性和擴展性都得到提高。

PLC 程序使用TIA Portal V14 軟件進行編寫，數據通過通信方式采集。在此，要將所有的通信設備的通信參數進行設定，包括從站地址、波特率和檢驗方式，將波特率設為9.6 kbps，從站地址按順序進行設定，校驗方式設置為偶校驗。然后PLC 作為Modbus 主站先使用MB_COMM_LOAD 指令塊對串口初始化，再使用MB_MASTER 指令塊對通信設備進行輪詢。輪詢時由主站發出消息，在一定時間內從站回應消息，若無回應主站再發出消息一次，若再無回應則跳過該從站并報“從站超時”錯誤[10]，當某條生產線故障或維護停機時，該生產線的儀表控制柜內的設備因斷電而無法回應主站輪詢會導致等待時間加長，造成輪詢周期變長，數據采集頻率下降。為了使數據采集頻率不受生產線之間開關機的影響，采取了一種更加靈活的方式進行程序設計。以生產線為單位將所有設備分組（一個控制柜內所有設備為一組），然后在程序中設置開關表示生產線的開機狀態，只有在開關開啟的時候，即生產線開機狀態下才會輪詢該組設備，開關的狀態在現場PC 的運行界面上進行設定，該程序流程如圖3所示。

圖3 PLC 分組輪詢設備的程序流程Fig.3 Program flow chart of PLC group polling device

3 在線監控系統的實現

在線監控包括車間現場監控和云端監控兩部分，二者運行上互相獨立，但數據均來源于生產車間的數據采集與匯聚PLC。在此，要將S7-1200 PLC設置為允許借助PUT/GET 通信從遠程伙伴訪問，這樣外部設備就可以通過PLC 的以太網口進行數據訪問。

車間現場監控是在Windows 系統的計算機上使用Wincc 組態軟件實現的。Wincc 是西門子公司提供的一款基于Windows 操作系統的人機界面HMI 系統，其功能強大，而且為二次開發提供了良好的開放性，在過程可視化和監控系統設計方面獲得了廣泛應用[11-12]。

此項目中使用組態軟件為SIMATIC Wincc Professional V14，軟件安裝完成后首先是進行網絡配置，在此PLC 的IP 地址被設定為192.168.2.100，計算機的IP 地址要和PLC 的處于同一網段故設為192.168.2.10，計算機還需配置PG/PC 接口，打開PG/PC 接口設置窗口為應用程序訪問點S7ONLINE（STEP7）點選Broadcom NetLink（TM）Gigabit Ethernet.TCPIP.1（此為計算機網卡名稱）。然后使用軟件組態完成以下幾個功能：

（1）監控數據實時顯示。將PLC 中采集匯總的數據與Wincc 建立數據連接，在運行界面中設定相應的顯示區域，設定界面刷新時間為500 ms，數據會按這個時間刷新顯示。

（2）數據記錄與歷史數據查詢。數據記錄使用Wincc 的數據日志來完成，在軟件中創建和組態數據日志，設定日志名稱和儲存位置，然后組態變量記錄，設定需要記錄的數據所連接的變量以及數據記錄的周期。記錄的數據使用時序趨勢圖窗口進行滾動展示，同時也通過該窗口查詢歷史數據。

（3）關鍵數據的監視。在所有監控的數據中與產品質量密切相關的主機電流值需要嚴密監視，正常生產狀態下主機的電流波動穩定，出現波動較大時，產品質量往往會出現問題，因此在Wincc 的報警規則中添加主機電流的限值監控，當超出限值后報警提醒現場人員及時檢查處理以減少損失。

（4）設備開機狀態選擇。PLC 程序中設置了只有上電開機的設備才被輪詢采集數據，將控制此事件的變量連接至Wincc 界面的開關控件即可手動選擇設備開機狀態。完成以上功能的組態，車間現場監控就基本完成。

云端監控是借助SymLink 物聯網智能網關Q102 和云服務器來實現的。Q102 物聯網智能網關是基于Linux 開發的，配備串行通信和以太網通信端口，搭載4G 無線通信模塊，使用智能網關配套的SymLink 軟件平臺可以快速開發通信協議插件來訪問設備，同時軟件平臺也會發布市場上主流的行業標準協議和PLC 通信協議來幫助用戶開發遠程在線監控系統[13]。實現云端監控分為兩步：

第一步配置網關上傳數據。將網關與PLC 通過交換機建立物理連接，在網關的開發軟件中采集驅動選擇SIEMENS S7-1200 以太網通信協議，按PLC 的數據地址配置數據轉發點表，在轉發服務里面選擇使用云服務器的MQTT 轉發標準，將配置好的工程上傳至網關完成配置。

第二步配置網頁界面展示數據。云服務器公司提供數據配置平臺，可以在網頁上配置網關上傳的數據，使用折線圖和柱狀圖展示歷史數據，將開機狀態和主機電流添加至云端監視，設定報警規則，當開機狀態改變或主機電流超限時報警觸發指令發送郵件至指定郵箱，配置完成后可以使用PC或移動設備瀏覽該網頁遠程查看設備數據。

4 系統運行與測試

擠出機儀表控制柜集中監控系統已在廣東某公司的塑料擠出加工車間安裝運行。

在車間現場的PC 對控制柜數據時刻進行監控和記錄，無須額外的人員去巡視、記錄設備運行時的數據，當出現異常時，如主機電流波動較大時立即報警，技術人員能以最快的速度得知異常發生，使車間的生產效率和產品合格率都得到了提升，異常發生過后還能導出完整的數據進行分析。該系統應用以來得到了車間員工的充分肯定，車間PC 的運行界面截圖如圖4所示。

圖4 現場計算機監控界面Fig.4 On-site computer monitoring interface

在云端同樣監視和記錄著車間擠出機的生產數據，在設置報警規則以及郵件發送觸發條件后，即使不主動上線查看也會有郵件將設備狀態變化和異常報警在第一時間發送給管理人員，對車間的管理和業務決策都能提供一定的幫助。技術專家可以在遠程PC 或移動設備上登錄云服務器網頁查看詳細數據，在遇到生產問題時可以提供遠程指導。瀏覽器網頁監控界面如圖5所示。

圖5 遠程監控瀏覽器界面Fig.5 Remote monitoring browser interface

5 結語

本文以廣東某公司的塑料擠出加工車間為研究對象，設計了擠出機儀表控制柜集中監控系統。在數據采集部分使用2 個RS485 通信模塊，加快了數據采集頻率也增加了系統的可擴展性；在PLC 程序中設計了可選擇的分組輪詢方式，使各生產線之間的開關機狀態不相互影響，保證了數據采集的頻率。在數據監控部分，通過開放PLC 的外部訪問權限，使用Wincc 軟件組態車間現場監控PC 實現數據記錄、展示和報警功能，使用網關和云服務器實現了云端在線監控。經過實地應用表明，該系統運行穩定、采集數據準確、數據傳輸可靠，能夠監控和記錄生產數據。在進行生產問題的分析和診斷時，可導出數據為管理者提供數據參考；在日常生產中可減少車間員工的工作量，提高塑料擠出加工車間的生產效率。