擠壓機數據采集系統改造研究

羅 韋， 熊經先， 劉思堯， 袁有明

（桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

0 引言

擠壓機是對銀基合金電接觸材料進行熱擠壓的關鍵設備，其工藝參數、控制精度對產品質量的影響非常大。銀基合金電接觸材料是現代工業中重要的器件材料之一，采用銀及其他合金料配制而成，具有良好的導電性、耐磨損性、接觸可靠性及高溫性能等特點，廣泛應用于新能源汽車、航空航天等領域。隨著科學技術的進步,市場對產品質量的要求不提高,加工工藝參數在銀基合金電接觸材料擠壓成形中占有重要地位。

改造的擠壓機設備，其控制系統由西門子S5系列PLC 構成，該PLC 控制器只參與設備的邏輯控制，未涉及數據信息采集；而整套設備最核心的擠壓力控制單元使用分立模擬電路系統，匯聚了整個擠壓過程中的PⅠD 自動控制，擠壓壓力通過機械壓力表顯示，擠壓速度通過LED 儀表顯示，擠壓錠子溫度及擠壓錠子加熱功率分別通過相應的儀器儀表顯示，無數據采集及記錄功能，每次擠壓均需要操作員人工記錄相關參數，不便于重要工藝參數的數據匯總和計算分析。隨著市場對產品品質要求的不斷提高，客戶對工藝參數記錄及分析要求增加，工藝技術人員需要更加精準而便捷的數據監控及處理工具，設備的數據采集與監視控制系統改造勢在必行。

本研究設計了一種基于西門子WinCC 數據采集軟件的擠壓機數據監控系統，利用S7-1200 系列PLC 進行現場數據采集與控制，通過硬件系統及軟件系統的設計，實現了對設備擠壓工藝參數進行實時遠程監控及數據分析。

1 系統原理

1.1 需求分析

擠壓機電氣系統的工藝參數主要涉及擠壓壓力、擠壓速度、錠子加熱時間間隔、擠壓錠子溫度及擠壓錠子加熱功率等方面，它們是改造項目數據采集的主要內容。機械指針壓力表只能顯示擠壓過程中的實時壓力，無記錄功能。LED 數顯表與設備上的編碼器結合，負責采集擠壓過程中的擠壓速度，顯示在操作面板上。中頻感應加熱裝置為擠壓機的附屬設備，其主要功能是給擠壓錠加熱，由加熱線圈、陶瓷管、線圈支撐架及電控柜構成。電控柜上包含溫控表、電壓表、電流表及功率表，其中溫度及功率是需要記錄的工藝參數。綜上可知，擠壓機相關的工藝參數的記錄由人工完成，尤其是錠子加熱時間間隔的記錄，人為誤差較大，需要改為系統自動記錄。

1.2 設備數據采集系統原理分析

擠壓機數據采集系統工作原理如圖1所示。為了更好地采集到擠壓壓力，在不改變系統原有機械壓力表的情況下，通過增加一個三通外加一個帶RS485接口通訊功能的電子壓力表，便于采集數據；同理，外加一套帶RS485 接口通訊功能的編碼器及電子速度表。中頻感應加熱裝置上增加錠子出爐計數按鈕，配合溫控表的溫度確定每次出爐錠子的時間間隔；溫控表和功率表都帶RS485 通訊，通過西門子S7-1200PLC 上的RS485 接口通訊模塊去采集擠壓壓力、擠壓速度、錠子加熱時間間隔、擠壓錠子溫度及擠壓錠子加熱功率等參數，顯示在HMⅠ（觸摸屏）上，再通過S7-1200PLC 的S7 協議通訊將采集到的數據提供給數據處理服務器，用于保存生產過程參數，最后在上位機顯示器上顯示擠壓過程中的工藝參數曲線。

圖1 擠壓機數據采集系統工作原理

此外，通過對擠壓參數的上下限值的設計，可以實現在擠壓過程中當系統實時數據超出設定值時通過PLC 輸出報警信息，提示生產過程異常。而WinCC 數據處理服務器給工藝技術人員提供了一套數據采集分析處理工具，便于評估分析每一個錠子的擠壓生產品質。

2 擠壓機數據采集系統設計

2.1 系統硬件

系統的硬件部分主要由PLC 模塊、觸摸屏、顯示器、數據處理服務器、按鈕開關、電子壓力表、電子速度表、溫控表、功率表及核心交換機等部件組成。PLC 選用西門子S7-1200 系列；觸摸屏采用威綸通帶網口的MT8072iE 系列，便于系統通訊；顯示器選用京東方21.5 寸寬屏，便于顯示采集信號的全部信息；數據處理服務器采用H3C DL388GEN10服務器，主頻2.2 G，16 G 內存，1 TB 存儲空間，性能優越，滿足數據采集系統軟件的使用要求；電子壓力表、電子速度表、溫控表及功率表均帶有RS485 接口通訊，方便與PLC 進行通訊。核心交換機選用環網型交換機，確保一條網絡出現故障時系統不受影響。

2.2 WinCC數據采集軟件

視窗控制中心(SⅠMATⅠC WinCC)是一款生產過程中的數據采集與監控系統軟件，具有良好的開放性和靈活性。其提供了OLE、DDE、ActiveX、OPC服務器和客戶機等接口或控件，可以很方便地與其他應用程序交換數據；還可編寫腳本語言，通過完整和豐富的編程系統實現雙向的開放性。由于WinCC為標準化接口，它可與其他ⅠT解決方案交換數據，這超越了自動控制的過程，將范圍擴展到工廠監控級，為公司管理MES（制造執行系統）和ERP（企業資源計劃）提供管理數據[1]。

2.3 通訊協議

采用MODBUS RTU 作為儀表端通訊協議，它是一種主要基于串行鏈路(RS232C 或RS485)的通信協議,也稱為“遠程終端設備”，支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485 等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等，項目選用帶RS485 接口的儀器儀表，便于現場的數據采集。

2.4 數據采集系統的軟件設計

擠壓機數據采集系統的軟件設計包含：PLC 程序設計、威綸通觸摸屏組態設計及WinCC頁面組態設計。PLC 主程序主要包括系統參數初始化，讀取設備啟動信號，判斷啟動信號，判斷設備出爐錠子計數信號，擠壓關鍵工藝參數信號采集設計。PLC主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

威綸通觸摸屏組態設計涉及錠子加熱時間間隔的記錄，當爐口的擠壓錠子溫度達到工藝要求并且即將擠壓時，按下出爐錠子計數按鈕，PLC 采集到當前錠子的加熱功率、加熱溫度、當前錠子序號及當前錠子與上一個錠子的加熱時間間隔，擠壓壓力和擠壓速度將會在接下來的擠壓過程中按平均中值采集，并顯示在觸摸屏上。

WinCC 的組態設計主要是顯示采集結果及查詢擠壓過程參數的界面，通過WinCC 軟件自帶的曲線顯示功能，可以方便地設計擠壓關鍵工藝參數的曲線變量列表，便于遠程監控；同時，還需要設計工藝參數配方庫，操作者可以根據不同材料及規格的產品設置相應的生產閾值，在擠壓加工時通過調出配方信息，系統將導引操作者按照工藝參數流程操作，確保了生產工藝的穩定性。

3 結語

通過擠壓機數據采集與監視控制系統的設計與應用，實現了對擠壓工藝參數的數據采集和實時遠程監控，為工藝技術人員產品質量分析提供了有效的工藝數據支持，為研究提高產品質量提供了可靠的基礎數據支持。通過改造，實現了擠壓生產過程的可視化監控，為智能化工廠提供數據基礎，為類似設備的改造升級提供了參考。