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包装生产线分布式监控系统的设计

包装生产线分布式监控系统的设计

2007/1/15 9:17:00
[摘 要]:论述包装生产线的分布式监控诊断系统在国内外开发研究的现状,并针对一具体包装生产线的生产特点分别对硬件、软件进行了设计。该设计具有较大的推广价值,有一定的实效性。 关键词:分布式监控诊断系统;单片机;PLC 分布式监控诊断系统(Distributed Monitoring and Control and Diagnosis System)是针对大型成套设备主机和多辅机功能分布和地域分布的特点,通过工业局域网把分布各局部现场、独立完成特定功能的本地微机互联起来,以达到资源共享、协同工作、分散监视和集中操作、管理、诊断的目的的工业计算机网络系统;同时,该系统可通过远程通信支持远程监视、诊断功能,通过网络互联与生产控制系统、企业MIS网络以及Interwet联网远行,它是以微型计算机为核心的计算机技术、设备故障诊断技术、网络通信技术、CRT显示技术竟相发展并紧密结合的产物。 近几年来,国外一些著名的设备状态监测系统公司已相继推出了成套的在线分布式监测系统,国内也有数家科研单位和厂家正在从事这方面的研究和开发工作,但总体而言,还是刚刚起步,处于探索性研究和实验性应用阶段。加强这方面的研究,促使分布式状态监测与故障诊断技术尽快走向成熟,完善和应用到生产实际中,是设备监测诊断领域的迫切任务。 在国外科技发达先进的国家,对包装生产线的监控和诊断的研究已经开展,但还没有完全成熟的技术去应用到现实生产中去;国内,尽管在单机(指针对生产线上的某一具体设备)已经实现了自动化控制,但整条包装生产线的智能控制还相当落后,生产线整体的自动化程度极低。对包装生产线的智能控制的研究还处于刚刚起步阶段,对于其上的故障诊断的研究还没有真正意义上的开展。 1 包装生产线分布式监控系统的总体设计 1.1 包装生产线概况 本包装生产线的监控、诊断系统所依托的是由江苏丹阳“仅一包装设备”公司所生产的包装设备所组成的包装生产线,即该生产线上的主要设备,如包装机、填充机、运输选别机等设备均为“仅一”公司的产品。具体地讲,生产线上使用的提升机型号为TDTGK50/28A,使用的称重填充机和立式包装机型号分别为高速2000型填充机和雄师2502SF立式包装机,所用的运输、选别机为神鹰Ⅱ型输送选别机。 1.2 包装生产线分布式控制系统 包装生产线分布式控制系统简图见图1。从上包装生产线分布式控制系统简图可以看出:散装粉粒状物料通过外部运输机构送入大料仓,然后在提升机PLC控制子系统的控制下给小料仓加料,完成包装生产线的上料工作;由单片机控制子系统控制的充填机将物料定量成一定规格的单份物料,然后准备对包装袋进行物料的充填;包装机在PLC控制子系统的控制下通过制袋、充填、封口等工序将物料包装成袋装的产品;称重检测选别、输送机在单片机控制子系统的控制下完成包装成袋产品的输送、称重、选别、剔除等工作,最后将它们运送到装箱点。
从通信、监控、诊断角度上讲,在如图所示的包装生产线分布式监控诊断系统中,中央IPC为上位机,两个单片机和PLC为下位机。上位机利用RS-232/RS-485转换器与下位机连接通信。上位机给下位机分配任务,并接收下位机在现场检测到的各种资料,经过处理后再次向其下位机发出各种控制命令,以实现对被控对象的监控。本系统采用先进的分散控制、集中管理的网络控制,即采用两个单片机和PLC分别在不同的地点工作(注:为了提高包装的质量和速度,其中控制充填机的单片机与控制包装机的PLC要在充填和横封时协调工作,所以,两者时序上需要协调,而不完全独立),互不依靠,并应用网络技术将两个单片机和两个PLC连网,以便收集各地点的信息,进行集中监督管理,做到指挥权集中,控制权分散。通过控制权分散,获得危险分散,最终达到提高系统可靠性的目的。具体地讲:中央IPC机起着集中操作和管理的作用;两个单片机和两个PLC控制子系统是分散过程控制装置;它们之间相连的RS-485总线就起到数据传输和通信的作用。它们一起构成了整个分布式监控诊断系统,整个系统的设计包括硬件和软件2个部分。 1.3 系统硬件构成 结合市场的购买条件,并根据包装生产线的特点,本系统对所用的PLC、单片机及接口总线进行选型:在硬件的选用上,两个可编程序控制器(PLC)采用日本三菱公司生产的FX2系列的PLC;两个单片机采用AT89C52型号,它是美国ATMEL公司生产的;中央PC机选用工业控制机IPC610(它带有2个RS-232C通信口和输入输出板,便于数据采集和系统故障诊断系统的设计);采用RS-485总线来实现分布式测控系统中上下位机之间的串行通信。 1.4 系统软件构成 系统软件是构成整个包装生产线监测控制诊断系统的重要部分,它对整个系统工作性能的好坏将起到决定性的作用。根据该系统的功能要求,按照一般软件系统开发的一般步骤,通过对系统功能的分类和研究,在选择相应的开发工具的基础上,大体可以把整个软件系统分为通信软件、监控软件和诊断软件3大部分。软件构成总图见图2。对于不同的部分,可以选择不同的开发工具,按其性能的不同要求进行开发,以求达到预期的效果。
1.4.1 通信软件 计算机在进行数据的发送与接收时,传输线上的数据流动情况可分为3种情况:单工(线上的数据流动只有一个方向);半双工(数据的流动为双向,但同一时间只能一个方向行进);全双工(同时具有两个方向的传输能力)。RS-232使用的是全双工模式;RS-485则是半双工模式。 结合串行通讯的特点及包装生产线的性能要求,本系统采用串行异步通讯方式,其工作为半双工工作模式。 根据包装机分布式监测控制诊断系统的硬件构成可以知道:其通信系统主要包括3大组成部分:单片机控制子系统与中央PC机的通信、PLC控制子系统与中央PC机的通信及中央PC机与远程监控PC机的通信。从而在软件的构成上也就需要由这3个部分组成,它们一起构成整个系统的通信软件。 1.4.2 监控软件构成 要在上位机(IPC机)上编制监控软件,以实现对下位机的监视控制功能。按照模块化的程序设计思想,将监控系统上位机管理软件按照功能将其分为两个模块:数据库和人机交互。这两个部分是有机的结合在一起的,并不是完全分离的。数据库部分主要是设计一个良好的数据库结构,利用数据库引擎提供的各种功能,方便管理人员对数据库中的数据进行各种查询统计;数据库部分主要进行数据的存储(包括从IPC向下位机发送的运行参数以及下位机向IPC发送的运行状态数据)。监控软件主要完成对下面4个下位机各种生产状态的判断等操作,并且将最终结果的数据存储在数据库中,它又分为总貌画面、各监控点画面、实时曲线与历史趋势等部分。 1.4.3 诊断软件构成 智能诊断系统通常由知识库、学习模块、综合数据库、推理机、解释机构、决策机构和诊断信息采集机机构组成。存贮与管理诊断专家知识的知识库包括诊断领域公认的事实和规格、诊断方式和策略、以及领域专家经过多年实践获取的经验知识等。这些知识是用户通过学习模块不断输入、修改、补充和更新而获得,在故障诊断过程中,诊断信息采集机机构借助现代测试手段获取设备运行状态信息,并对信息进行预处理,推理机利用知识库中的知识及综合数据库中存贮的中间信息对诊断信息进行推理,并控制、协调整个系统。决策机构诊断结果反馈于诊断设备,进行调试、维修或控制(或输出给用户);在推理过程中,用户可以使用解释机构解释推理过程,回答用户的提问、并为用户提供使用和维护的方法。 本系统采用模糊诊断技术对包装生产线系统进行故障诊断,按照模糊诊断专家系统的结构、功能和原理,该诊断软件由典型故障谱图、知识库建立和维护、故障诊断等3部分组成。 2 结 语 分布式监控诊断系统具有分散采集,集中监视、诊断和管理,可靠性高,网络互联能力强,系统功能强等特点。本文对包装生产线的分布式监控诊断系统进行了总体设计(包括硬件、软件的设计),对包装生产线分布式监控诊断系统的研究和开发,在包装工程学科和计算机自动控制方面都具有重要的学术价值,在生产实践中也有较大的应用推广价值。
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