鋁擠壓機數據采集及其呈現方法

吳 熙

（廣東澳美鋁業有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

隨著鋁擠壓行業競爭日益激烈，擠壓效率的提升意味著成本的降低，能給企業帶來更高的競爭力，國外在鋁擠壓效率改善案例中比較有代表性的一項是對擠壓機的擠壓周期進行分析，一個擠壓周期分為擠壓時間和非擠壓時間兩個范圍，針對非擠壓時間進行統計分析，盡可能縮短非擠壓時間，是提高擠壓效率的重要方向。國內鋁行業對此也做了相關研究，定義了非擠壓時間概念，提出了減少非擠壓時間的重要性以及方法[1－3]。

在擠壓生產實際應用中，要實施非擠壓時間改善，首先要做到的是對非擠壓時間進行實時監控，管理人員需要獲得實時的數據反饋，加快對擠壓生產效率變化的反應速度。目前國內外獲取非擠壓時間數據的方法，普遍是通過人工在擠壓現場使用秒表定期進行收集統計擠壓機非擠壓時間的作業，而該方法因耗時、耗力導致獲取周期太長，無法密集地獲取非擠壓時間數據，同時記錄的非擠壓時間數據因人而異，數據可靠性較低；少數擠壓機利用自身PLC計算非擠壓時間，把最近幾次非擠壓時間數據顯示于設備操作屏上，但是因為PLC內存空間的限制，不能保留歷史數據以供分析；行業內也出現了采集記錄非擠壓時間數據的系統[4]，但此系統應用技術采用RS232、RS485總線技術，不適宜進行遠程數據采集，同時需要針對性地對每種擠壓機進行專項線路和程序改造。以上這些方案實際應用時的成本、效率以及可擴展性問題，對于擠壓機進行全面的狀態監控和改善分析都有極大限制。

本文基于工業以太網，設計了通過OPC通訊技術遠程采集鋁擠壓機設備運行數據并呈現的方法，過程中主要完成對鋁擠壓機以太網接入的硬件改造，網絡架構的設計和部署，遠程KepserverEX OPC服務器的架設以及與PLC通訊的實現[5－6]。同時基于SQL Server數據庫技術實現數據儲存[7]；基于帆軟網頁報表平臺實現網頁報表式的數據呈現[8]；達到了對鋁擠壓機非擠壓時間的密集監控、實時分析和數據追溯的目的。

1 非擠壓周期

非擠壓周期指的是擠壓機在上一輪擠壓過程完畢，主缸開始泄壓到下一根鋁棒被送入擠壓筒，主缸推進達到一定的壓力值開始下一輪擠壓的時間，這期間擠壓機會有多個固定機械動作，對于非擠壓周期的詳細流程及其英文對照如圖1所示。

圖1 擠壓周期流程

2 通訊建立

鋁擠壓機的設備數據都產生并存放于其核心部件可編程控制器PLC中，通過設立一臺24 h保持運行的采集主機即服務器，在服務器與PLC之間搭建相互聯通的硬件架構和通訊協議，即可實現遠程自動采集獲取PLC中的數據。

2.1 硬件對接

硬件方面，需要滿足遠程、實時地對整個生產區域的所有鋁擠壓機進行數據采集的需求，適宜采用以太網傳輸的方式。本案例中服務器設置在離擠壓機較遠的機房中，要在PLC與服務器之間構建一個以太網網絡，首先采用以太網的星型拓撲結構將各個擠壓機PLC節點通過點到點的方式連接至匯聚交換機，然后將其與服務器端網口連接，各節點完成相互連接后需要設定同一個網域的IP地址，在服務器端使用CMD命令PING通各個節點PLC即完成硬件網絡搭建。

以上方式的實現，要求服務器和各PLC節點端均具備一個以太網接口，服務器端硬件接口豐富，配置以太網接口容易實現，硬件對接問題主要在PLC端，較為老舊的PLC型號基本只配備了RS485通訊端口并沒有配備以太網端口，本案例鋁擠壓機實際采用西門子S7－300系列CPU314－2DP PLC，需要通過加裝以太網模塊或通過串口轉以太網口的方式設立一個可通訊的以太網接口，如加裝西門子S7－300系列PLC以太網模塊CP343－1實現以太網通訊。

以太網的引入也為數據采集系統的后續發展提供了較大可拓展性，后期采集需求升級時無需重復投入，將需要采集設備接入以太網絡即可。硬件架構如圖2所示。

圖2 硬件架構

2.2 軟件對接

軟件方面，不同品牌型號的PLC會有不同的通訊協議。本案例采用KEPServerEX軟件，將服務器端架設為OPC服務器。KEPServerEX做為一款專業的數據采集軟件，向上其提供了標準的OPC接口以對接各類信息系統，向下其對各品牌的PLC均有適用的通訊驅動，支持各類型PLC通訊協議，可以與PLC進行穩定的通訊。

在此KEPserver OPC服務器首先需與網絡內已連接的PLC進行通訊協議匹配，于KEPserverEX界面創建一個新的通訊通道，在通道選擇列表中選取西門子以太網通訊驅動Siemens TCP/IP Ethernet Driver，通過設定IP地址等通訊參數成功與S7－300 CPU314－2DP PLC建立通訊，實現KEPserverEX OPC服務器對該PLC寄存器地址進行數據讀取和寫入的操作，軟件架構如圖3所示。

圖3 軟件架構

3 非擠壓數據采集方法

鋁擠壓機機械部件的動作通過液壓進行驅動，其動作開關信號由PLC發出以控制液壓油管道的電磁閥開關來驅動機械部件運動，比如非擠壓周期中的盛錠筒打開動作，在PLC中必然存在其對應的開關信號，當該信號為1時，盛錠筒開始打開，當盛錠筒打開到位后，信號變為0；本文所列采集方法是定時記錄PLC輸出的控制每個動作的開關信號的值，再計算動作信號為1的持續時間，即為鋁擠壓機完成該動作所耗費的時間，采集記錄PLC控制信號方法如表1所示。

表1 數據采集示意

表中，設定每秒記錄一條包括擠壓開始、盛錠筒開、剪刀下等所有擠壓機狀態的數據，可以看到在時間點yyyy/mm/dd 00:00:01.000時，擠壓開始信號為0，此時進入非擠壓時間，同時盛錠筒打開信號為1觸發盛錠筒打開動作，持續2 s后盛錠筒打開到位，盛錠筒打開信號復0，動作結束。以此類推，以表中記錄計算時間標記可得此次非擠壓時間的總共持續時間為4 s，期間盛錠筒開動作持續了2 s，剪刀下動作持續了2 s，如此通過完整的擠壓狀態信號記錄表就可以計算得出非擠壓周期內的每一個動作的信號持續時間，此處定時記錄間隔關系到所計算時間的精確度，如設定為每1 s定時記錄則計算時間精度為秒（s），設定為每100 ms定時記錄則計算時間精度為100 ms。

本案例中所使用鋁擠壓機非擠壓時間內的每個動作是以PLC程序設定的動作順序嚴格進行的，在完成上個階段的動作后，下個階段的動作才會執行，有部分新型鋁擠壓機實現了非擠壓周期動作同時進行的功能，該采集記錄非擠壓時間的原理和方法，也同樣適用于這類不同動作特性的鋁擠壓機。

4 數據儲存

第3節中KEPServerEX已經與鋁擠壓機PLC成功建立了通訊，根據非擠壓數據的采集方法，在PLC程序中確定了非擠壓周期動作的各個開關信號的數據地址后，即可在KEPServerEX中創建標記以循環讀取PLC中非擠壓周期動作信號的值，根據本案例擠壓機所使用西門子PLC其程序中各個擠壓狀態信號的數據地址信息，在KEPserverEX中建立的變量標記如圖4所示。

圖4 PLC程序中非周期動作信號的變量標記

數據循環讀取的頻率即掃描速率要根據計算所需時間精度進行設定，掃描速度必須保證低于定期記錄的頻率，在成功讀取PLC地址獲得標記數值后，應用KEP?serverEX的Data Logger插件，該插件支持ODBC驅動，可以將服務器中標記的值定期的存入到支持ODBC協議的數據庫中，在此設定以每次100 ms的頻率將讀取到的數據通過ODBC協議存入到SQL Server數據庫中，實際存儲入數據庫的部分數據如表2所示。

表2 SQL server中存儲的非擠壓動作信號數據

另外，通過KEPserverEX軟件所提供的OPC開放協議，其他信息系統可以方便地讀取服務器內所設定的標記的值并進行計算、存儲和分析，以實現其他信息化需求擴展。

5 數據呈現

位于數據庫中的數據可通過SQL查詢語句進一步統計計算得出所需的擠壓時間數據，比如統計一天中擠壓時間和非擠壓時間的占比，SQL查詢語句示例如下：

select

convert(date.max(TimeStamp))日期.

(sum(Extrusion)/count(*))擠壓時間占比.

(1－(sum(Extrusion)/count(*)))非擠壓時間占比

from A

where convert(date.TimeStamp)＝′2021－03－22′

此SQL語句意義為：查詢2021年3月22日擠壓信號為1在一天中的占比。通過這種方式可以按需求查看每天、每班組、每小時的擠壓時間和非擠壓時間占比，查詢結果如表3所示。

表3 擠壓時間占比數據分析

同樣，非擠壓時間的數據也通過SQL查詢語言進行統計計算，實際應用SQL查詢語句計算所得數據如圖5所示。鋁擠壓機每次開始非擠壓周期的時間，以及非擠壓周期中各個動作耗時數據全部可以查詢得出，如第一行數據信息為：2021－03－22 14:42:11時有一次非擠壓周期，期間盛錠筒打開ContainorBack耗時4.3 s，壓余剪刀下ButtShearDown耗時2.6 s……。

圖5 SQL查詢所得非擠壓時間數據

圖7 網頁式報表展示每小時非擠壓時間平均值

圖8 網頁式報表總覽

基于SQL數據庫也可配合Web報表平臺，比如帆軟報表，可以實現在可互通的網絡內，包括局域網或者廣域網，通過瀏覽器訪問網頁的方式圖形化地去展示數據，管理人員可以通過控件實現在瀏覽器端自助查詢數據的功能，比如查看每小時、每天或每周的統計數據，如圖6～8所示。

圖6 網頁式報表展示每小時擠壓時間占比數據

6 結束語

本文針對鋁擠壓機擠壓效率改善工作需要實現非擠壓時間自動采集的需求，采用了以太網通訊、OPC服務器、數據庫、Web報表等技術，通過創新的數據采集方法，實現了鋁擠壓機包括擠壓、非擠壓周期內狀態數據的采集與呈現。

該方法對設備的基礎信號直接進行采集并存儲，將所有獲得非擠壓時間所需要進行的一些邏輯運算提到了數據庫層面。此方法的優點是無須改動任何PLC程序，直接讀取其基礎信號即可，節省了PLC有限的數據處理能力，并且適用于各種類型的擠壓機，當然該方法會提高數據庫的運算能力要求，但相比較來說服務器的硬件擴充會比PLC簡單得多。

最后，本案例針對鋁擠壓機的擠壓數據采集和分析方法的設計與實踐，通過實際生產中長時間的穩定運行證明了該方法完全具備可行性，可靠性高。并且通過該數據采集方法可以實現鋁擠壓機其他狀態數據和擠壓生產線其他設備數據分析的持續拓展。