HMI技术在电镀作业现场的应用
2008/2/18 15:29:00
1 引言
我厂电镀车间的生产设备，特别是控制设备，基本上是全套引进日本的产品，在国内处于领先地位。但现场显示作业数据的仪表，则相对来讲显得较落后，除温度、PH仪表外，其他仪表大多是指针或浮球等指示，读数不便。另一方面，由于电镀产品的特殊性，特别是铜板镀镍，周期较长，一般需3～7天，作业过程中需记录大量数据。而电镀车间由于人员缺少，一则无法做到连续性记录数据（通常1～2小时记录一次）。再则夜间无人值班，造成该时间段数据空白。这些缺陷，给技术人员在分析产品质量的影响因素，如何提升产品质量等带来了较大困难，特别是一旦出了质量问题，因缺少真实有效的数据而无法进行分析。
另外，夜间无人值班，生产过程中若有异常情况发生，则无法获知，更谈不上及时处理，造成产品质量受影响或报废。并且由于需要人工抄录数据，浪费了大量劳动力。
鉴于上述状况，希望通过计算机对现场作业数据进行自动采集，真实有效地反映作业过程，同时提升我厂电镀设备能力的市场形象。
2 设计目标
系统应实现如下功能：
（1）自动无间断地进行现场作业数据的采集；
（2）数据的图表显示及友好的人机界面；
（3）报警系统，具备报警的历史记录、无线报警等功能；
（4）生产作业及其数据的计算机无纸化管理；
（5）各种作业数据的图表打印；
（6）远程监视功能。
3 系统实现
系统分设备层与计算机层。设备层由PLC及现场仪表等组成，所有的模拟量信号通过转换器转换为4～20mA电流后传送。PLC负责对现场作业数据的采集，并与上层计算机进行数据交换（其中一电镀车间采用Profibus通讯协议，通讯速率3Mbps，二电镀车间采用MPI通讯协议，通讯速率为187.5kbps）。至于计算机层，采用分布式多客户机的组态方式。两个车间分别由两台服务器负责与PLC的通讯、数据采集归档、报警归档等，另几台PC机作客户机用，其共享服务器的数据，但拥有各自的项目文件。
几台客户机分别放置于车间现场、休息室及办公室，其主要负责画面的显示：
（1） 以设备的运转状况、管道内镀液的流向及各种参数的显示等真实反映作业状况；
（2） 以原电气控制箱的仪表、指示灯等的显示方式、布局进行表达，适应操作者原有的习惯；
（3） 提供模拟量参数的曲线描述，方便用户的技术分析；
（4） 提供报警历史查询。
系统结构如图1所示。
图1 系统结构图
（1）模拟量数据PLC程序处理
所有模拟量传输为4～20mA电流信号，对应各变送器的量程，需程序处理（虽然Wincc变量设置中有对应比例关系，但小数点后精确度不够，通过PLC程序处理，还可实现数字滤波），其中温度计算程序部分示例如下：
OPN DB2
L PIW448
T MW100
L MW100
DTR
PUSH
L 1.000000e+002
*R
PUSH
L 2.764800e+004
/R
T DB2.DBD0
在模拟量数据的归档方面，限制了归档的数量，一亿条数据记录，根据32个模拟量每6s一次的采集频率计算，大约可容纳2年的作业数据量，占用20G的存储空间，在投入运行后，用户可定期将数据导出。
（2）Wincc部分程序处理
系统附加了作业数据的录入及管理功能，如：作业令、铜板编号、工艺卡号、作业的起止时间等。为方便操作者正确录入作业的起始时间与结束时间，系统设计为：整流器电源开，则系统自动显示并填充作业起始时间输入框，同时进行电镀通电量的累计，而当整流器电源关时，系统自动显示并填充作业结束时间输入框。电量的累计在全局脚本中作定义并每分钟触发运行一次（如1#镀镍槽的电量累计，单位KAH，采用C语言编程）：
由于需要归档的参数较多，归档数据的调用使用参数动态查询，部分程序如下：
static double leiji1；
if （GetTagBit（"SW1"）==1）
//返回类型：BOOL
{leiji1=leiji1+GetTagDouble（"CUR1"） /60.0/1000.0；}
else
{leiji1=0；}
//返回类型：double
SetTagDouble（"dianliang1",leiji1）；
//返回类型：BOOL
return 0；
}
注：“SW1”为电源开关输入信号变量，“CUR1”为电流信号变量。
在报警处理方面，系统分一般报警与极限报警，一般报警仅在计算机上作显示性提示而已，而极限报警则通过GSM网络发送手机短信至有关人员。这里，笔者应用了KONDER公司的OPPLC与GSM传送站产品，并在PLC程序中设定：当极限报警产生时，由一个上升沿信号触发报警传送，并且在报警没有处理的情况下，每十分钟发送一次（当有关人员收到信息后，也可将原信息回复终止报警）。部分无线报警PLC梯形图如图2。当系统输入端In0有高电平输入时，置位MB0（MB0对应OPPLC内定义的手机短信内容，并通知GSM传送站将该消息发送到有关人员手机，发送后MB0自动复零），MB10与MB100主要构成循环发送的功能，其中MB10设置为可接受手机短信功能，收到报警原文后该位置1，所以，用户可在收到手机短信报警后回复以切断报警的继续发送。
图2 无线报警PLC梯形图
该报警系统可最多设置6个接收报警的对象（人员）。
4 结束语
该项目完成后，方便了现场工人的作业，不管是在一电镀、二电镀或车间办公室，对二电镀镀镍系统的作业情况都能一目了然，工人可根据实际情况在二个车间内移动作业。另外，由于数据是自动采集且自动记录，大大降低了劳动强度，并且向无纸化管理转变。系统具备的远程无线报警系统，将进一步为生产质量保驾护航，同时大大提升了我厂电镀的市场形象，这也是一种无形的效益。
我厂电镀车间的生产设备，特别是控制设备，基本上是全套引进日本的产品，在国内处于领先地位。但现场显示作业数据的仪表，则相对来讲显得较落后，除温度、PH仪表外，其他仪表大多是指针或浮球等指示，读数不便。另一方面，由于电镀产品的特殊性，特别是铜板镀镍，周期较长，一般需3～7天，作业过程中需记录大量数据。而电镀车间由于人员缺少，一则无法做到连续性记录数据（通常1～2小时记录一次）。再则夜间无人值班，造成该时间段数据空白。这些缺陷，给技术人员在分析产品质量的影响因素，如何提升产品质量等带来了较大困难，特别是一旦出了质量问题，因缺少真实有效的数据而无法进行分析。
另外，夜间无人值班，生产过程中若有异常情况发生，则无法获知，更谈不上及时处理，造成产品质量受影响或报废。并且由于需要人工抄录数据，浪费了大量劳动力。
鉴于上述状况，希望通过计算机对现场作业数据进行自动采集，真实有效地反映作业过程，同时提升我厂电镀设备能力的市场形象。
2 设计目标
系统应实现如下功能：
（1）自动无间断地进行现场作业数据的采集；
（2）数据的图表显示及友好的人机界面；
（3）报警系统，具备报警的历史记录、无线报警等功能；
（4）生产作业及其数据的计算机无纸化管理；
（5）各种作业数据的图表打印；
（6）远程监视功能。
3 系统实现
系统分设备层与计算机层。设备层由PLC及现场仪表等组成，所有的模拟量信号通过转换器转换为4～20mA电流后传送。PLC负责对现场作业数据的采集，并与上层计算机进行数据交换（其中一电镀车间采用Profibus通讯协议，通讯速率3Mbps，二电镀车间采用MPI通讯协议，通讯速率为187.5kbps）。至于计算机层，采用分布式多客户机的组态方式。两个车间分别由两台服务器负责与PLC的通讯、数据采集归档、报警归档等，另几台PC机作客户机用，其共享服务器的数据，但拥有各自的项目文件。
几台客户机分别放置于车间现场、休息室及办公室，其主要负责画面的显示：
（1） 以设备的运转状况、管道内镀液的流向及各种参数的显示等真实反映作业状况；
（2） 以原电气控制箱的仪表、指示灯等的显示方式、布局进行表达，适应操作者原有的习惯；
（3） 提供模拟量参数的曲线描述，方便用户的技术分析；
（4） 提供报警历史查询。
系统结构如图1所示。
图1 系统结构图
（1）模拟量数据PLC程序处理
所有模拟量传输为4～20mA电流信号，对应各变送器的量程，需程序处理（虽然Wincc变量设置中有对应比例关系，但小数点后精确度不够，通过PLC程序处理，还可实现数字滤波），其中温度计算程序部分示例如下：
OPN DB2
L PIW448
T MW100
L MW100
DTR
PUSH
L 1.000000e+002
*R
PUSH
L 2.764800e+004
/R
T DB2.DBD0
在模拟量数据的归档方面，限制了归档的数量，一亿条数据记录，根据32个模拟量每6s一次的采集频率计算，大约可容纳2年的作业数据量，占用20G的存储空间，在投入运行后，用户可定期将数据导出。
（2）Wincc部分程序处理
系统附加了作业数据的录入及管理功能，如：作业令、铜板编号、工艺卡号、作业的起止时间等。为方便操作者正确录入作业的起始时间与结束时间，系统设计为：整流器电源开，则系统自动显示并填充作业起始时间输入框，同时进行电镀通电量的累计，而当整流器电源关时，系统自动显示并填充作业结束时间输入框。电量的累计在全局脚本中作定义并每分钟触发运行一次（如1#镀镍槽的电量累计，单位KAH，采用C语言编程）：
由于需要归档的参数较多，归档数据的调用使用参数动态查询，部分程序如下：
static double leiji1；
if （GetTagBit（"SW1"）==1）
//返回类型：BOOL
{leiji1=leiji1+GetTagDouble（"CUR1"） /60.0/1000.0；}
else
{leiji1=0；}
//返回类型：double
SetTagDouble（"dianliang1",leiji1）；
//返回类型：BOOL
return 0；
}
注：“SW1”为电源开关输入信号变量，“CUR1”为电流信号变量。
在报警处理方面，系统分一般报警与极限报警，一般报警仅在计算机上作显示性提示而已，而极限报警则通过GSM网络发送手机短信至有关人员。这里，笔者应用了KONDER公司的OPPLC与GSM传送站产品，并在PLC程序中设定：当极限报警产生时，由一个上升沿信号触发报警传送，并且在报警没有处理的情况下，每十分钟发送一次（当有关人员收到信息后，也可将原信息回复终止报警）。部分无线报警PLC梯形图如图2。当系统输入端In0有高电平输入时，置位MB0（MB0对应OPPLC内定义的手机短信内容，并通知GSM传送站将该消息发送到有关人员手机，发送后MB0自动复零），MB10与MB100主要构成循环发送的功能，其中MB10设置为可接受手机短信功能，收到报警原文后该位置1，所以，用户可在收到手机短信报警后回复以切断报警的继续发送。
图2 无线报警PLC梯形图
该报警系统可最多设置6个接收报警的对象（人员）。
4 结束语
该项目完成后，方便了现场工人的作业，不管是在一电镀、二电镀或车间办公室，对二电镀镀镍系统的作业情况都能一目了然，工人可根据实际情况在二个车间内移动作业。另外，由于数据是自动采集且自动记录，大大降低了劳动强度，并且向无纸化管理转变。系统具备的远程无线报警系统，将进一步为生产质量保驾护航，同时大大提升了我厂电镀的市场形象，这也是一种无形的效益。
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