銅加工SCADA數據采集系統的設計與應用

錢 林

(寧波金田銅業(集團)股份有限公司 智能制造研究院，浙江 寧波 315032)

銅加工企業屬于離散型制造企業，相對于流程型企業，其具有多品種、小批量、生產業務離散、加工工藝復雜、生產設備多樣、集中監控困難等特點。這些特點給銅加工企業構建實時、準確、完整的數據采集與監控[1-3]系統帶來了較大的難度，導致生產管理人員難以掌握生產現場的實際情況，難以及時協調處理突發事件，影響了企業的生產效率和智能制造[4,5]的推進。SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集和監視控制)系統是工業自動化控制重要的控制系統之一，在石油、化工等流程型企業應用較為廣泛，但在離散型制造企業應用為數不多。本文以某銅業集團公司為推進企業智能制造而建設的SCADA系統為例，介紹了銅加工企業SCADA系統的設計和應用。

1 系統結構設計

SCADA系統架構如圖1所示。

圖1 SCADA系統架構Fig.1 SCADA system architecture

該SCADA系統采用光纖工業以太網為傳輸平臺，基于B/S(瀏覽器/服務器)系統架構；配置數據采集、數據庫、數據應用、WEB/報表等服務器和工業以太網設備，具有數據采集、存儲、應用、發布等功能；構建生產監控中心，對銅加工生產過程進行實時監控。

集團公司總部數據采集服務器收集新材料、銅管、銅帶、銅棒、銅排等分公司銅加工現場的生產過程數據，并將生產過程數據同步傳送到數據庫服務器；數據應用服務器向用戶提供數據的應用和分析功能，使用戶能夠對數據進行查詢和分析；WEB/報表服務器進行WEB信息發布，將各種數據和監控畫面在WEB上發布，用戶可通過自己的賬號，在IE客戶端或移動終端[6]接收發布的生產信息，從而可以隨時隨地實時掌控銅加工現場的生產狀況。各分公司的數據采集服務器收集本公司內各個作業區生產過程和設備的實時數據，通過匯聚交換機、核心交換機和工業以太網，傳送到集團公司總部數據采集服務器。

銅加工現場各個作業區內各種生產設備和條碼[7]槍、RFID讀卡器等物流倉儲設備、在線質量檢測設備等，通過通信接口設備、數據采集設備、接入交換機將生產過程和設備狀態的實時數據經過工業以太網傳送到分公司數據采集服務器，其中關鍵的生產、設備、質量等數據在現場操作站上顯示和操作，并在現場看板大屏幕顯示器上顯示，使用戶對生產過程能夠進行監視和控制。

2 設備連接與數據采集

2.1 設備控制系統種類和類型

該集團公司各分公司共有1100多套成套設備，其中大部分設備采用西門子、三菱、歐姆龍、施耐德、臺達、AB等各種類型的PLC(Programmable Logic Controller，可編程序控制器)控制。例如，銅管分公司成套設備主要采用西門子PLC作為控制系統，數量大約86套，采用的型號分別是：水平連鑄爐和成型機采用西門子S7-200 PLC；銑面機、盤拉機、復繞機、輥底爐采用S7-1500 PLC；行星軋機、精整機、聯拉機、在線退火采用S7-300 PLC。

2.2 設備連接與通信

各種品牌的PLC都具備串口通信或以太網通信能力，有的二者皆備，SCADA系統利用這些串口或以太網接口與生產設備的控制系統進行通信。

2.2.1 采用串口PLC的設備連接與通信

采用串口通信的各種品牌PLC各自采用不同的串口通信協議和連接方式，例如，西門子PLC采用S7總線，三菱PLC采用CC-Link總線，歐姆龍PLC采用Omron Hostlink 總線，施耐德PLC采用Modbus RTU 總線。SCADA系統根據不同生產設備的PLC，采用不同的連接方式和不同的數據采集接口設備。例如，生產設備采用西門子串口通信S7-PLC與SCDADA系統的連接和數據采集，通過PPI(point to point interface,點對點接口)、MPI(Multi Point Interface，多點接口)或PROFIBUS通信協議的S7總線與SCDADA系統的TEEZONE 203網關連接，再通過以太網、JACE-8000分布式網絡控制器與數據采集服務器連接進行數據采集，采用串口S7-PLC的設備連接與數據采集如圖2所示。

圖2 采用西門子串口S7-PLC的設備連接與數據采集Fig.2 Equipment connection and data acquisition with Siemens serial port S7-PLC

2.2.2 采用以太網接口PLC的設備連接與通信

采用以太網通信的各種品牌PLC一般都配置以太網通信模塊，利用以太網模塊和以太網通信協議與其它設備進行連接和通信。例如，生產設備采用西門子以太網模塊S7-PLC與SCDADA系統的連接和通信，應用以太網網線將以太網模塊與SCDADA系統的TEEZONE 201網關連接，采用PROFINET IRT通信協議進行通信，再通過以太網、JACE-8000分布式網絡控制器與數據采集服務器連接進行數據采集，采用以太網模塊西門子S7-PLC的設備連接與數據采集如圖3所示。

2.3 協議轉換與統一

工業自動化控制系統的通信包括數據傳輸通信和指令傳輸通信，為了滿足各種生產控制系統通信一致性和數據的互操作性，必須進行通信協議的轉換和統一。SCADA系統采用TEEZONE網關作為協議轉換設備，統一和兼容西門子S7總線協議、三菱CC-Link協議、施耐德 Modbus協議、以太網協議等通信協議，以滿足系統開放性的要求。

圖3 采用以太網模塊西門子S7-PLC的設備連接與數據采集Fig.3 Equipment connection and data acquisition of Siemens S7-PLC with Ethernet module

2.4 數據通信與傳送

協議轉換和統一后，TEEZONE網關進行數據通信和傳送。TEEZONE網關內部集成了西門子、三菱、歐姆龍等品牌PLC的數據區地址和數據區映射表等參數，用戶通過數據通信參數配置界面進行參數配置。TEEZONE網關一旦完成現場組網和數據映射配置，將根據相應PLC的IO地址表和已設置的數據映射關系進行網絡通信和實時數據傳送。TEEZONE網關內置百萬級標簽數據庫(TAGNAME DATABASE)，定時傳送數據。它向上傳送數據到指定的JACE-8000分布式網絡控制器，數據傳送的平均延時為10ms～15ms。

2.5 數據采集與存儲

SCADA系統采用JACE-8000分布式網絡控制器進行各個銅加工作業區域的生產實時數據的采集和存儲。用戶通過PC瀏覽器接入以太網，訪問JACE-8000的數據管理組態界面，根據生產、經營和管理需要進行訂閱數據、設定參數、組態應用控制邏輯等。數據采集時，JACE-8000在網絡中查找相應的TEEZONE網關，打通數據采集服務器、網絡控制器、網關、PLC 之間的雙向數據傳輸通道，實現實時數據采集和生產過程監控。JACE-8000根據需要設定訂閱所需的數據、報警閾值，并定時存儲記錄。它采用循環冗余存儲策略，譬如設定500條存儲記錄范圍，當超出范圍時自動將第1條記錄上傳到數據采集服務器永久存儲，或者在以太網上另一臺JACE-8000中保留該記錄的副本進行存儲。

2.6 TEEZONE網關特點

TEEZONE網關具有以下特點：(1)實時通信服務。TEEZONE網關實時通信通道和等時同步技術可以降低交換式以太網、全雙工以太網響應時間過長、吞吐量低、沖突率高的不利影響，從而減少處理通信棧所需的時間，極大地改善了網絡響應時間。(2)規范協議。統一應用層、用戶層協議規范，實現通信一致性和數據的互操作性。(3)提高網絡可用性和網絡生存性。網絡可用性和網絡生存性包括工業以太網的可靠性、可恢復性、可維護性等，即保證一個網絡系統中任何一個組件發生故障時，不會導致應用程序、操作系統，甚至網絡系統的崩潰和癱瘓。TEEZONE支持組建環形冗余以太網，從而在一定程度上解決了可靠性問題。(4)與IT網絡結合。TEEZONE網關向下建立現場級網絡，往上將現場級網絡集成到IT網絡之中(管理級)，從而建立了現場級和管理級之間統一的通信網絡，用戶可以通過Internet網絡執行上層管理任務。

3 SCADA系統的應用

SCADA系統投入運行后，對銅加工生產過程進行了數據采集和監控。(1)對生產控制、工藝參數、產品質量、設備運行、物流倉儲、產品數量等實時數據進行數據采集。(2)建立工業級數據庫存儲歷史數據，對生產過程和設備狀態數據進行分析、查詢、統計。企業的生產管理人員、專業技術人員、車間管理人員通過遠程訪問，對生產過程的情況進行了解和分析。(3)生產現場操作員站設計人機界面，實現操作人員與SCADA系統的人機交互。人機界面包括主菜單、工藝流程監控、實時趨勢、歷史趨勢、實時報警、報表查詢、設備操作等畫面。(4)SCADA系統與企業的ERP、MES、物流倉儲等信息系統集成，實現彼此之間數據交互。(5)對各生產設備進行監控，顯示各設備實時運行狀態、主要設備參數以及設備產能分析，例如，生產設備的 OEE(Overall Equipment Effectiveness，全局設備效率)計算。

每一臺生產設備都有自己的最大理論產能，OEE是一個非常重要的考核設備產能的指標，它能通過相關的生產要素和數據，準確的計算出某套設備效率。但在實際的計算中，當與班次、操作人員、設備、產品等相關生產要素和數據聯系在一起時，便變得十分復雜，因為利用操作人員記錄數據和人工計算OEE非常麻煩和費事，且數據不夠實時和真實。

SCADA系統可以實時、真實的采集有關生產和設備的數據信息，為OEE計算提供最有價值的數據。當計算某臺設備的OEE時，從SCADA系統中獲取該套設備與OEE相關的開、停機時間累計、計劃運行時間、產品合格或不合格、產品產量等數據，然后計算出OEE，使生產管理人員從中找到影響生產效率的瓶頸，進行改進和跟蹤，達到提高生產效率的目的。

4 結論

(1)銅加工SCDAD系統應用網關和分布式網絡控制器等技術，保證了各種生產設備與系統聯網接口的統一性、兼容性，使系統與企業原有的各種品牌的設備控制系統無縫連接，進行生產數據實時采集和監控，增強了數據的開放性和透明性，提高了生產效率。

(2)應用工業以太網、WEB等技術實現了信息發布和遠程訪問、并對生產數據進行分析與統計，對生產過程進行監控和管理，使企業管理人員及時了解生產現場情況，處理緊急異常事件，提升了管理水平。

(3)今后該SCDAD系統將與企業的大數據[8]、智能生產等信息系統相結合，助力企業向數字化工廠邁進。