基于LabVIEW的增壓器生產線數據采集和監控系統設計

饒立雯 ， 蘭 鋒 ， 孫聚川

（中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201111）

隨著汽車制造業技術數字化、網絡化、智能化發展，自動化設備、視覺檢測、智能識別、人機交互、網絡通信技術等先進技術的深度融合與集成，自動化生產線對于生產數據的信息化要求越來越高。準確地對生產過程中的各類數據信息進行有效的采集處理，及時地將數據信息進行記錄并上傳給上層管理系統，并能夠在后期準確地追溯生產數據，對企業生產的高效管理極其重要。

1 增壓器零部件生產線工藝流程

增壓器零部件生產線9個工站按生產工序的順序實現生產加工，生產線布局如圖1所示，具體的工藝流程如圖2所示。

圖1 增壓器零部件生產線布局圖

圖2 增壓器零部件生產線流程圖

1.1 人工上料

人工將產品零部件按照正確的方向和位置放置在托盤上；每個型腔都要確保相對應的產品零部件位置準確；人工確認后把托盤放到生產線上。托盤上還有RFID芯片，記錄每一工站的生產信息。

1.2 讀碼/機械防呆/激光打碼/打碼評級

該工站的作用是檢測產品上是否存在二維碼，判別是否為返工件，返工件集中返修。

識別為返工件，在數據庫中檢索當前狀態，進一步處理時取決于產品實際狀態。工件托盤上的所有零部件在機械防呆工位中檢查是否有料并進行防呆檢查。

識別為非返工件，激光打碼，DMC的內容按照規范進行設定，檢查判別二維碼質量，DMC質量A、B、C是合格的，從D開始設置為不合格，并通知生產線操作員。上位機綁定二維碼。

機械防呆工位可以防止批量生產過程中流入錯誤型號的零部件和錯誤裝配的物料和工件托盤；每個機械防呆工位發生報警的工件托盤都會返回到人工上料工位，并在控制面板上顯示不合格位置。在將正確的零部件安裝確認后，工件托盤重新通過讀碼工位后進入機械防呆工位確認。

帶不合格零部件的工件托盤也可以設置為不合格，進入到NG品下線區域。

1.3 壓裝工站

該工站的作用是將產品零部件自動安裝，通過固定銷連接驅動環并將其旋轉到目標位置，通過工件托盤上的卡緊來固定驅動環的位置。

另一種零部件由振動盤供料，自動安裝，確保零部件和產品角度對齊。

自動上料時零部件至少能夠一次性投入2 000個以上，滿足裝配線4小時連續生產；缺料時通過聲光報警進行加料提示。

零部件自動上料必須識別正確方向，零部件的壓裝過程有力和位移的監控，數據采集系統自動將數據傳輸到上位機，并與二維碼綁定。

1.4 旋鉚工站

該工站的作用是使用搬運機器人完成零部件與產品的合裝；使用一個壓緊裝置，用來固定鉚接時的工件，自動完成旋鉚過程。

鉚頭壽命計次更換，次數可以通過HMI設置，達到次數HMI向操作者顯示更換提示（帶鉚頭型號標識）并由操作員進行更換后的確認；數據采集系統自動將旋鉚機輸出數據上傳至上位機，并與二維碼綁定。

1.5 間隙檢測

該工站的作用是完成每個零部件的間隙測量，檢測標準以圖紙為準。

選擇零部件全開或全閉過程中的一種狀態進行一次間隙測量。

按照產品圖紙要求完成測量同一工件下的全部數值的比較及均值計算。將檢測數據上傳至上位機，并與二維碼綁定。

1.6 人工下料

該工站的作用是人工將組裝檢測過的產品下料；人工將零部件放置在托盤上的凹腔中。

清潔工位，凈化托盤，保持清潔。

2 產線數據采集和監控方案設計

通過以上對該產線的工藝流程和各工站實現的功能的分析，可以得出該產線有以下幾個特點。

2.1 控制點多

增壓器零部件生產線控制設備數量多，每個工站需要獨立控制，按照每一工站的工藝流程，控制或驅動設備進行相應工作。

2.2 數據存儲量大

整個產線對生產過程數據存儲的要求很高，最基本的數據流是在生產過程和生產管理過程中產生與采集的[1]。生產線上涉及多種零部件的壓裝、鉚接和關鍵值檢測，且每個過程都要有力和位移的監控，形成相應曲線且將數據上傳至服務器，并與二維碼綁定。數據量較大，需要工控機來實現相應數據的存儲功能。

2.3 串行工作

各個工站串行工作，產品到每一工站需要確認上一工站結果合格方可進行本工站的工作，如果有工站的結果為不合格，之后的各個工站直接通過直至人工下料返修或報廢。

結合以上的需求與特點，可以通過PLC控制每個工站的設備工作，客戶端采集每個工站的生產數據，寫入中控服務器進行數據匯總和機臺監控，產品在各個機臺間的輸送通過RFID記錄過站信息的方式實現增壓器生產線數據采集和監控系統。而現代企業在提高產品生產效率和提升企業效益的同時，也本著降本增效的原則，通過一個客戶端和PLC對應兩個工站，在實現功能的同時也節約了硬件成本，減少了通信路數，增加了系統穩定性。整個增壓器生產線數據采集和監控系統結構如圖3所示。

圖3 增壓器生產線數據采集和監控系統結構圖

3 客戶端數據采集軟件的實現

3.1 LabVIEW開發環境簡介

LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發環境，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了RS-485、RS-232、GPIB和VXI等協議的硬件及數據采集卡通信功能。它還內置了便于應用以太網通信、ActiveX等軟件標準的庫函數。這是一個功能強大且靈活的軟件[2]。

圖形化的程序語言，又被稱為“G”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，可以增強人們構建自己的科學和工程系統的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統時，可以大大提高工作效率[3]。

3.2 數據采集系統設計

基于LabVIEW軟件平臺，通過TCP/IP通信，調用MXComponent控件與三菱PLC通信，通過CallLibraryFunctionNode（CLN）節點來完成RFID控制器DLL文件調用實現TCP/IP通信，把壓機、旋鉚機、間隙檢測數據從設備端采集到本地，綁定產品二維碼后將數據保存到監控系統服務器中。整個數據采集系統結構如圖4所示。

圖4 數據采集系統架構圖

LabVIEW軟件平臺把上位機監控軟件與下位機之間的通信很方便地進行了打通，相比傳統的通過編譯煩瑣的代碼，大大降低了技術門檻，從而縮短了開發周期，減小了開發難度。

3.3 數據采集系統硬件組態

3.3.1 RFID

RFID系統由讀寫頭、電子標簽及應用數據采集系統（軟件）三個部分組成。當標簽進入讀寫頭識別范圍后，接收讀寫頭發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息，讀寫頭將數據傳至控制器，控制器連接數據采集系統進行有關數據處理。RFID系統構成如圖5所示[4]。

圖5 RFID系統構成

本研究使用的RFID控制器上有4路端口，可以連接不同的讀寫頭進行數據讀取。本著降本增效的原則，本研究RFID的讀取需求涉及不同工控機，連接多個控制器的不同端口，充分利用每一個端口。所以本研究使用的控制器使用TCP/IP的通信方式。每個控制器可以設置為單端口或多端口通信，本研究使用多端口通信，獨立的TCP端口用于連接H1～H4。多端口插口連接可用于縮短對時間要求嚴格的應用程序的訪問時間。

LabVIEW通過CallLibraryFunctionNode（CLN）節點實現RFID端口打開、讀取、寫入、關閉等功能，如圖6、圖7所示。

圖6 端口打開程序框圖，RFID讀取程序框圖

圖7 RFID寫入程序框圖，RFID端口關閉程序框圖

由于設置了多端口通信，控制器每一端口都要單獨設置IP地址、端口號建立連接，讀取、寫入、關閉等功能則通過設置讀寫頭號、起始地址、讀寫長度等來實現。

3.3.2 PLC

PLC控制就是一種可編程邏輯控制器的控制方式[5]，是采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。

上位機客戶端通過PLC的數據內容獲取對應機臺的運作情況，基于工業以太網的上位機客戶端與PLC的通信組態過程如下：

本研究使用的是三菱PLC。首先，下載三菱MXComponent控件，MXComponent是三菱電機自動化公司發布的第三方通信軟件包，可以通過簡單方法實現從計算機至可編程控制器的通信[6]。安裝完畢后進入Communication Setup Utility。

進入Target setting選項卡，點擊Wizard，新建一個新的連接，設置相關的通信參數，包括PC側通信方式，通信協議、PLC側的IP地址、網絡主從站設置等相關參數。

確保所有參數設置無誤后，點擊Connection test選項卡進行通信測試，測試ok后，完成組態。

當以上所有步驟進行完畢后，可以通過LabVIEW調用相關控件讀寫PLC指定地址的數據，如圖8所示。

圖8 LabVIEW通過讀取PLC數據程序框圖

3.3.3 壓機、旋鉚機等標準設備

掃碼槍、間隙檢測傳感器等只讀一個數據的設備，通過TCP/IP連接設備，直接發送讀取指令，根據回數截取相關的生產數據，如圖9所示。

圖9 LabVIEW通過TCP/IP讀取掃碼槍數據程序框圖

壓機、旋鉚機的數據由自帶控制機記錄，并保存為CSV文件存儲在控制器本地。LabVIEW讀取文件進行數據分析，形成過程曲線在界面顯示，如圖10所示。

圖10 LabVIEW顯示力和位移曲線圖

4 服務器監控軟件的實現

4.1 監控軟件程序結構設計

LabVIEW軟件支持多種通信方式。LabVIEW作為通信軟件使用過程中主要分為三個層次實現功能。第一層是接口層，這一層處于整個通信功能實現的最底層，底層設備通過對現場信號的采集把信息傳送給計算機。第二層是網絡控制層，這一層主要負責對通信按照一定的協議（比如Ethernet、TCP/IP、UDP）進行約定并對整個通信過程進行統一調配，是整個通信部分的中間環節。第三層是應用程序層，在這一層上可以通過應用程序對通信獲取的數據進行操作，獲得所需信息，這一層是最頂層，也就是服務層。LabVIEW中支持的通信方式有共享變量、DataSocket、TCP和UDP、遠程VI前面板、SMPTEmail幾種方式[7]。本系統軟件程序開發采用C/S結構，即客戶端和服務器端的結構，C/S結構由于部分信息處理在客戶端完成，能有效降低服務器的負荷，也會提高系統的運行效率[8]。監控系統架構如圖11所示。

圖11 服務器監控系統架構圖

4.2 監控軟件主要功能設計

1）人員登錄權限。設置用戶名和密碼（可以增加和刪除用戶，只有進入系統后管理者才可執行該操作）；對進入系統的用戶進行記錄保存（包含用戶、日期）。

2）數據采集、實時顯示及存儲。通過與PLC交互，存儲各分站數據，包括產品編碼、二維碼、位移、壓力、各站點圖片、氣壓等；獲取各站PLC的設置、RFID信息、IO狀態，站點節拍顯示、統計OK數量及NG數量、設備報警等相關信息。服務器實時獲取各站點數據并根據界面要求實時顯示及存儲。

3）與外圍系統的交互。與廠級MES交互，從MES獲取生產計劃單及物料信息，并實時給MES上傳生產數據。

4）S/C（服務器/客戶端）交互。

4.3 監控軟件界面設計

4.3.1 狀態欄

1）標題欄：顯示頁面名稱、公司logo、當前時間。

2）登錄狀態欄：顯示當前登錄用戶及權限，登入登出按鈕。

3）菜單欄：顯示中控系統功能界面，點擊進行頁面切換。

4）報警信息欄：顯示當前報警信息。

4.3.2 界面

1）主界面可以實現生產過程的目視化管理。看板系統主界面，包括生產訂單信息、當前工位運行狀態、產線報警等信息。實時展示當前的生產計劃、計劃完成情況以及現場各工位的異常情況，對造成的總停線情況及分工位停線情況進行匯總、分析并顯示。

2）站點界面可以查看全線設備狀態，監控系統能夠實時動態顯示裝配線上設備的實際運行狀態，實現按照站點條件進行信息查看。各站點的機臺信息通過共享變量進行交互，實時顯示系統網絡設備通信狀態，設備實時通信數據，顯示實時報警信息等。

3）參數設置界面用于壓機、旋鉚機參數在其控制器上進行設置，程序需要用專用軟件打開并由IO切換程序，參數設置功能僅針對控制器中事先做好的程序進行切換，然后PLC控制IO切換。

4）通信監控界面顯示的是服務器和各個工站、PLC之間的網絡通信狀態。

5）用戶登錄管理權限設置界面：本界面能夠對中控系統的登錄賬戶、口令、權限進行設置。

6）LOG查詢界面可按時間、信息類型、數據量篩選log數據。

7）產量報表界面可按機臺、時間、OK/NG等條件篩選，顯示產量報表，報表數據可以導出。

8）產品追溯界面可通過輸入二維碼查詢各個工位的生產數據，通過曲線按鈕，可以查看相關工位生產過程中的曲線數據。

4.4 監控軟件數據交互

4.4.1 數據庫搭建

本研究通過LabVIEW基于配置ODBC數據源的方法訪問SQL Serve數據庫，手動配置ODBC數據源實際上是將數據源的相關信息寫入注冊表，而應用程序又是通過注冊表中的相關信息來訪問數據源的。因此，只要將與手動配置相似的注冊表信息導入到注冊表中，并由程序控制注冊表中的相關內容就可實現ODBC數據源的動態配置[9]。首先打開ODBC，選擇對應數據庫的驅動。設置ODBC數據源名后，選擇對應數據庫文件，如圖12所示。

圖12 配置ODBC數據源界面圖

新建一個udl文件，由于系統是64位的，但是LabVIEW和access連接的驅動是32位的，所以udl文件需要用命令提示符打開，否則找不到32位的ODBC數據源。命令提示符輸入：C:Windowssyswow64 undll32.exe “C:Program Files (x86)Common FilesSystemOle DBoledb32.dll”, OpenDSLFile UDL文件路徑。

下一步選擇之前設置的數據源名，點擊測試連接，測試成功則說明LabVIEW可以連接數據庫。

4.4.2 共享變量

共享變量是一個比較新的概念，和LabVIEW中的全局變量類似，共享變量的屬性及特點和全局變量基本一致，但是全局變量在少數使用時比較穩定，當在程序中大量使用全局變量時就會出現數據競爭的問題，共享變量的使用就完全避免了數據競爭的問題。除此之外，共享變量的使用范圍要比全局變量大得多。利用網絡發布的共享變量，可以在以太網上對共享變量進行讀寫操作。網絡應用的處理完全由網絡發布的變量完成。除了使數據在網絡中可用，網絡發布共享變量中還增加了許多單進程共享變量不能提供的功能[10]。本項目所使用的共享變量，實現了將PLC數據通過在客戶端寫入，如圖13所示；在服務器解析后轉換為設備狀態信息顯示，如圖14所示。

圖13 PLC數據轉換為數組通過共享變量網絡發布程序接口圖

圖14 共享變量解析后轉換為設備狀態信息接口圖

5 結論

增壓器生產線數據采集和監控系統的設計和研究，基于LabVIEW軟件平臺開發了針對增壓器生產線的上位機數據采集和監控系統軟件界面。在整個數據采集和監控系統的研發過程中解決了幾個關鍵技術：

客戶端上位機PC基于以太網MXComponent控件獲取PLC生產運行數據和RFID過站信息，并進行采集記入數據庫中；服務器上位機與4臺客戶端通過共享變量實現數據交互；數據庫實現生產數據追溯。

通過仿真實驗，本研究得到如下結論：

1）深入對LabVIEW和三菱PLC的通信交互，基于以太網MXComponent控件，實現了對PLC寄存器的批量讀寫功能，可以高效地打通上位機和下位機間的數據交互，提升了設備運行效率。

2）傳統的監控軟件主要針對單個下位機，或者整條生產線增加一臺PLC主站，監控軟件通過和主站PLC通過OPC通信實現設備監控，但是OPC讀取效率較低而且需要提前組態。本研究結合MXComponent控件，可以不需要組態，直接讀取指定地址的數據信息，通過共享變量網絡發布給監控系統，可以提升通信的擴展性和通用性。

本數據采集和監控系統的開發，實現了準確、有效地對生產過程中的各類數據信息進行采集處理，及時地將數據信息進行記錄并上傳給上層管理系統，并能夠在后期準確追溯生產數據，大大提升了生產管理效率。