液力變矩器生產線監控系統的設計與實現*

任工昌 宜永剛 楊宇龍 王宏衛

(陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021)

液力變矩器具有的自適應性、無級變速、減振及無機械磨損等優良特性，廣泛應用于自動檔汽車、工程機械等領域。液力變矩器裝配屬于典型的離散制造，由于車間環境復雜、現場數據具有多源異構性、實時性，底層設備往往來自不同廠家的PLC、DCS等，采用專用網絡和通訊協議導致信息難以交互和集成，形成“自動化孤島”，嚴重制約了企業ERP、MES等信息化管理[1]。

采用OPC標準可以屏蔽底層設備技術細節，模糊信息來源的差異性，OPC客戶端以統一訪問設備相關數據，簡化數據采集流程，降低了系統集成難度和維護成本。

1 基于OPC標準的通信網絡集成架構

液力變矩器生產車間包括泵輪區、導輪區、渦輪及閉鎖離合器區、罩輪區和總裝配區5個島區，部件裝配的順序是“泵輪-導輪-渦輪-閉鎖離合器-罩輪”。車間制造工藝涉及車加工、精密點膏、高溫釬焊、環焊、總成氣密性/尺寸/動平衡檢測等多道工序。要實現液力變矩器生產線監控首先需要完成與底層控制系統的通訊。傳統車間智能設備之間及智能設備與上位機監控軟件或其他應用軟件之間的通訊主要依靠驅動程序來實現，由于沒有公認的標準，驅動程序與設備一般是一對一的關系[2]。工控軟件商必須花費大量時間為硬件設備開發專用的驅動程序，一旦設備升級換代，又需要大幅度更改，增加了系統的維護費用。因此，系統通信網絡集成首先需要解決的問題就是數據通信接口的規范化。

新一輪工業革命——智能制造的本質是全球工業標準之爭。OPC基金會提出的OPC規范以COM/DCOM技術為基礎，采用客戶端/服務器模式，提供了一個公共的過程控制和制造自動化標準接口，包含OPC數據存取、安全性、OPC XML-DA等一整套接口、屬性和方法的標準集[3]。

OPC服務器是數據的供應方，數據源可以是DCS、PLC、RFID、條形碼掃描器等現場設備。它一般由硬件廠商或第三方軟件開發商提供。如西門子的Simatic NET、AB的RSLinx等；第三方軟件公司的OPC Server如Kepware、Matrikon；大部分組態軟件既是OPC Server又是OPC Client。OPC客戶端處理OPC服務器提供的數據，實現用戶的特定目的。一個OPC服務器由服務器、組和項對象組成，項對象包括值(value)、品質(quality)和時間戳(time stamp)三要素，是數據訪問的最小邏輯單位[4]。

OPC服務器可以運行在本地或遠程計算機上，它將硬件與軟件廠商有效分工，不同的硬件廠商只需為各自的設備提供OPC服務器，任何以OPC規范開發的應用程序都可以統一訪問設備相關數據，而無須重復開發驅動程序。設備更新換代后也只需小部分改動驅動程序，大大提高了控制系統的開放性、高效性和互操作性[5]。基于OPC的數據通信網絡集成架構如圖1所示。

關于系統架構的幾點說明：

(1)液力變矩器各島區生產線上連接離散I/O點的PLC、數控機床、動平衡機等設備的制造商提供針對相應產品的OPC服務器或使用第三方軟件開發商的通用OPC服務器，將不同協議的系統(DCS/FCS)集成到OPC規范上。

(2)控制系統通過通訊模塊實現不同協議向TCP/IP協議轉換，采用工業交換機星型連接實現全雙工通信。對于無網口的數控機床、檢測設備等可以通過單串口服務器接入以太網控制層。

(3)數據訪問采用異步方式，與同步方式相比，異步可以提高程序的效率，避免了程序的空等待[6]。

(4)管理層可以通過企業局域網，根據員工權限訪問服務器，掌握現場生產情況；客戶可以通過外部Internet網，遠程查看其訂單生產進度。

圖1中的OPC接口不是指RS232等物理接口，而是編程接口，代表了一種規范和功能，是C#等高級語言實現多態的一種方法。從圖1可以看出，OPC的出現為PC應用程序和工業控制系統搭建了一座溝通橋梁。

2 OPC服務器數據模擬采集實例

2.1 X2OPC Server與底層設備通訊

與流程行業不同，液力變矩器生產線上表征設備狀態(如通電狀態)和控制信號的數據(如按鈕、光電傳感器、執行機構)大多數屬于開關量，模擬量很少，加之車間許多設備的生產廠家并沒有提供針對自己產品的OPC服務器，所以本文采用Modbus Slave軟件模擬底層設備的狀態數據，通過X2OPC來說明如何用OPC服務器進行數據采集。Modbus協議由于其獨特的開放性是一個在PLC、智能儀表等許多工控行業都有相當廣泛的應用。用Modbus Slave軟件模擬現場從站產生數據的主要步驟如下：

(1)打開Modbus Slave軟件主界面，在Setup/Slave Definition進行參數設置。從站地址(1～255)，功能碼含義：01～讀取線圈狀態，02～讀取輸入狀態，03～讀取保持寄存器，04～讀取輸入寄存器。

(2)點擊菜單Connection/Connect進行連接。用戶可根據需要對串口參數進行設置，包括串口號、波特率、數據位、停止位和校驗方式，最后點擊“OK”即可，此時主窗口中紅色“No Connection”消失，表明從站處于正常連接狀態。當采用以太網通信，只需要設置好IP地址(確保與客戶端在同一個子網內)和端口號(0～65535，一般大于1024，避開已有的服務端口)即可建立通信。

(3)在寄存器值輸入框中輸入值(-32768～32767)確認。雙擊數值區當勾選Auto Change/Auto Increment 選項后，H01功能中數字量以0、1循環改變， H03對應寄存器的值可以每秒增加1，顯示動態變化。最終現場從站設備的數據模擬結果如圖2所示，左側是開關量數據，右側是模擬量數據。

目前的OPC Server通常被當作一個對象封裝起來，只將接口方法暴露在外面供應用程序調用[7]。盡管不同硬件廠商開發的OPC服務器名稱千差萬別，但它們采集數據的流程類似。X2OPC是上海迅饒公司的一款OPC服務器，其中X代表不同廠家的PLC、智能儀表等設備。作為一款第三方OPC服務器，它集成了大量現場設備的通信驅動程序，用戶能夠簡單快速地規劃通道實現實時數據采集，其數據通信的主要步驟如下：

(1)選擇通信驅動程序，由于在本機上用Modbus Slave軟件模擬現場從站產生的數據，所以選擇Modbus RTU設備驅動。

(2)建立Channel，選擇COM4接收Modbus Slave產生的數據，對應主要參數與數據發送方保持一致才能正常通信。

(3)設置需要連接的設備名稱，如不同品牌的PLC、智能儀表、數控機床、檢測設備等，設置網絡站號或IP地址、數據采集刷新頻率及其他設備屬性。

(4)設置連接設備所采集的變量點名稱及描述、數據類型、寄存器類型、地址等參數。當所采集的變量點數很多時，為方便管理可以按一定的標準進行分組，在Excel中進行批量編輯再導入OPC服務器。

所有操作完成后，單擊綠色的“啟動監控”選項可以看到Modbus從站產生的數據就被OPC服務器實時采集上來，如圖3所示，通過查看質量戳可以判斷通信是否正常。圖中顯示了液力變矩器導輪區生產線上的一些執行機構狀態及導輪區某臺機床設備的電流、電壓等運行狀態參數。此時，組態軟件等應用程序可以通過OPC標準接口使用現場實時數據。

2.2 X2OPC Server與WinCC通訊

OPC服務器采集的數據必須實時傳輸到上位機監控軟件等應用程序才能實現各種功能。WinCC全面支持當前流行的OPC規范，既可以作OPC客戶端，也可以作OPC服務器供其他OPC客戶端訪問。X2OPC服務器與WinCC通訊的主要步驟如下：

(1)添加OPC驅動。在OPC Server端讓X2OPC處于激活狀態。在WinCC項目管理器里選中“變量管理”右鍵單擊，選擇“添加新的驅動”，選擇OPC.chn，單擊“打開”將OPC通訊驅動添加到該項目中。

(2)建立OPC服務器連接。選中“OPC Groups(OPCHN Unit #1)”右鍵單擊，選擇“系統參數”，打開“OPC條目管理器”對話框，選中，WinCC會自動查找本機上安裝的OPC服務器。選擇本文所采用的OPC服務器名稱SunFullX2OPC.1，單擊“瀏覽服務器”按鈕。

(3)添加變量。在“過濾標準”對話框，單擊“下一步”。選擇所需監控的變量，單擊“添加條目”按鈕將OPC服務器中的變量點添加到WinCC。

3 液力變矩器生產線監控系統設計

初始狀態的信息可稱之為數據，而有規律、有價值的數據就是知識。過程監控作為MES重要的功能模塊，可以將生產線異常狀況和產品質量問題及時消滅在萌芽狀態。變矩器車間生產線監控系統以各島區為區域進行監控。WinCC具有友好的圖形界面、豐富的功能和通信驅動程序，系統組態時把監控的參數和設備以外部變量的形式與WinCC中圖形及I/O域建立連接[8]。整個系統具有島區監控、報警提示、變量記錄歸檔等功能。

如圖4所示為導輪和罩輪島區監控界面。黑色方塊代表托盤位置，其移動方式與生產線上承載變矩器部件的托盤運動軌跡一致，在島區內部用動態指示燈顯示各工位的工作狀態，、、、分別代表工位正常、工位報警、通訊故障和線邊庫缺料四種實時狀態，方便中央控制室對現場情況進行監控，及時應對突發事件。通過監控界面操作員可以明確知道該工位加工工序、變矩器產品型號、對應工序的加工設備、生產計劃和完成情況等信息。

質量是企業的生命，WinCC使用變量記錄(默認為512個)對PLC采集到的車間重要質量數據進行歸檔。首先對質量檢測參數的對應變量進行歸檔組態，由于每道檢測工序相鄰兩次一般耗時不同，所以采用非周期事件驅動進行歸檔。當每道檢測工序完成后通過布爾量或C腳本觸發歸檔，最后在圖形編輯器中可以調用表格或趨勢控件來顯示/查詢一定時間內的歸檔數據并能進行簡單的統計分析。

圖6展示了液力變矩器的關鍵質量數據的幾條記錄和統計。其中每一行代表一個變矩器產品并且和一個二維碼綁定方便事后質量追溯，主要質量數據包括環焊內部間隙、氣密性檢測、尺寸檢測(包括軸向尺寸、泵輪轂外徑、葉窩圈跳動、罩輪轂外徑、端面跳動等)、動平衡檢測。

4 結語

液力變矩器生產線的監控離不開底層數據的實時采集和傳輸，使用OPC標準作為信息集成的統一接口具有無可比擬的優越性。它作為一種“軟件總線”將企業的車間層與現場各種不同廠家的控制、檢測等設備有機的聯系在一起，促進了企業現場控制層、車間監控層和管理層的集成。

[1]周瑞君，王毓順，馮平.制造執行系統MES的應用與發展趨勢[J].工業控制計算機，2015(11)：153-154，156.

[2]孫鑫,趙德安，蔡紀鶴.基于OPC的車間環境監控系統的設計[J].機械設計與制造,2009(3):195-197.

[3]袁蔭.工業控制網絡OPC技術和異構系統集成的研究[D].蕪湖：安徽工程大學，2012.

[4]范新強.OPC技術及其集成方案設計分析[J].自動化與儀器儀表,2011(1) : 45-48.

[5]尹偉偉,姜琛,閆保中.OPC技術在工業控制網絡集成中的應用研究[J].應用科技,2009(3) : 42-45

[6]吳晗,楊穎,周亞軍.基于OPC的子午線輪胎生產過程監控系統[J].機電工程,2014(11):1509-1512.

[7]段潤群,謝云山.上位機軟件與S7-1200 PLC的OPC通信研究[J].自動化與儀器儀表,2014(5):13-15，19.

[8]楊章勇,李靜,石永兵.基于WinCC和S7-300PLC的電梯監控系統設計與仿真[J].機械工程與自動化,2016(4):40-42.