11站實(shí)驗(yàn)型柔性制造系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的研究

摘要：引入WinCC對11 站式實(shí)驗(yàn)型柔性制造系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，人機(jī)界面生動的模擬了現(xiàn)場工況，操作方便快捷，提高了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)性。文章介紹了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式和監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程；重點(diǎn)對實(shí)時(shí)畫面控制技術(shù)和系統(tǒng)與MES 數(shù)據(jù)集成技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：WinCC；實(shí)驗(yàn)型；MES；實(shí)時(shí)監(jiān)控

Research of 11-stop Experimental Flexible Manufacturing System of Monitoring Technology

Abstract: Real-time monitoring system was developed for the 11-stop experimental flexible manufacturing system by WinCC.The man-machine dialogue vividly simulated real operation scene,which make the the management faster and system more experimental. The article introduced the system‘s network structure and development process of the monitoring system; Emphasis on the studies of Real-time image control technology and data integration technology between the system and MES.

Keywords: WinCC；Experimental；MES；Real-time Monitoring

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對生產(chǎn)制造系統(tǒng)的要求也越來越高，用戶們希望得到友好的人機(jī)交互，提高工作效率，減少生產(chǎn)事故的發(fā)生，實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用很大程度上幫助用戶們解決了這些問題。而在學(xué)校，學(xué)生們的學(xué)習(xí)已經(jīng)不能局限于PLC 電控方面的實(shí)驗(yàn)，讓他們更多的接觸監(jiān)控組態(tài)技術(shù)以及上位機(jī)系統(tǒng)的操作，對其將來的學(xué)習(xí)和工作會有很大幫助。

本系統(tǒng)正是一個(gè)集監(jiān)控組態(tài)技術(shù)、MES和PLC電控與一體的系統(tǒng)，這里主要介紹WinCC監(jiān)控組態(tài)技術(shù)在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用，以及其與MES 系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成。

1 系統(tǒng)的基本架構(gòu)及工作原理

圖1 所示是11 站式實(shí)驗(yàn)型柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖，由11 站式實(shí)驗(yàn)型柔性制造系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)（MES）和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)（WinCC）四部分組成，主要完成對11 站式實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)時(shí)畫面監(jiān)控和生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。

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1.1 11站式實(shí)驗(yàn)型柔性制造系統(tǒng)

整個(gè)11 站式實(shí)驗(yàn)性柔性制造系統(tǒng)可以分為五大站，第一站是供料站，主要為系統(tǒng)提供原料，包括供料單元，供料檢測單元，圖像檢測單元，搬運(yùn)單元等4 個(gè)單元；第二站為加工站，主要是對原料進(jìn)行加工，包括機(jī)械手上下料單元，數(shù)控銑床單元等2 個(gè)單元；第三站為裝配站，主要是對加工好的工件進(jìn)行裝配，包括加工檢測單元，機(jī)器人單元，成品分裝單元等3 個(gè)單元；第四站為物流站，主要實(shí)現(xiàn)對工件在站站間的搬運(yùn)及儲存功能，包括環(huán)形傳輸系統(tǒng)，條形碼識別單元，立體倉儲單元等3 個(gè)單元。

1.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC 控制系統(tǒng)是整個(gè)柔性制造系統(tǒng)的控制核心，柔性制造系統(tǒng)的所有單元的運(yùn)作都是按照PLC 發(fā)出的信號和預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行運(yùn)作。整個(gè)系統(tǒng)包含各種傳感器，伺服電機(jī)，氣缸、機(jī)器人等。

1.3 生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

用戶可以完成生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)，生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度，并可以詳細(xì)監(jiān)視生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度情況、加工質(zhì)量情況，以及報(bào)表功能等。生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)模塊（MES）主要包括用戶管理、庫存管理、生產(chǎn)計(jì)劃、過程監(jiān)視、質(zhì)量管理、統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備管理等7 個(gè)模塊，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能都是在WinCC 中實(shí)現(xiàn)。

1.4 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)使用西門子公司開發(fā)的WinCC 組態(tài)監(jiān)控軟件進(jìn)行開發(fā)，上位機(jī)裝有CP5611 數(shù)據(jù)采集卡，通過制作通訊電纜將上位機(jī)與S7-300 總站相連，進(jìn)行通訊。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要給用戶提供良好的人機(jī)交互界面，便于用戶觀察生產(chǎn)過程（生產(chǎn)動作畫面、生產(chǎn)基本信息等），并提供報(bào)警功能等。

2 WinCC實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成動作畫面監(jiān)控和生產(chǎn)基本信息監(jiān)控，以及報(bào)警等功能，這里功能模塊設(shè)計(jì)為生產(chǎn)管理、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、報(bào)警記錄和關(guān)于程序四個(gè)模塊，其中聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊是實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的核心。

2.1設(shè)計(jì)原理

（1）建模

WinCC 中有自帶的繪圖功能，但由于功能較為簡單，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用Flash 進(jìn)行建模，導(dǎo)入到WinCC 圖形數(shù)據(jù)庫中使用，方便快捷，且效果較佳。

（2）腳本

WinCC 中有豐富的腳本語言（VB、C）及控件等，而系統(tǒng)通過腳本提取外部變量的值，控制內(nèi)部變量的值即控制幀的狀態(tài)，來符合外部的實(shí)際狀態(tài)。（如圖2 所示）

（3）通訊

監(jiān)控系統(tǒng)是以西門子PLC 為主控制器，上位采用WINCC 組態(tài)軟件監(jiān)控，中間采用S7-300PLC 負(fù)責(zé)通信功能，下位采用八個(gè)S7-200 PLC (CPU 224) 組成分站控制器，通過PROFIBUS-DP

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現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的通信，八個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同組成一套完整的控制系統(tǒng)。WinCC 提供了一個(gè)稱為SIMATIC S7 Protocol Suite 的通訊驅(qū)動程序，系統(tǒng)中采用的是MPI通訊單元，在該單元下建立連接NewConnection_1，在該連接下建立監(jiān)控畫面中需要的外部變量，設(shè)置相應(yīng)的類型和地址，與PLC 中需要的變量地址相同。

2.2功能設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.2.1 生產(chǎn)管理模塊

生產(chǎn)管理模塊包括生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)兩個(gè)模塊。生產(chǎn)計(jì)劃模塊包括訂單號、生產(chǎn)數(shù)量、材質(zhì)和交貨期。生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)模塊包括訂單號、計(jì)劃數(shù)量、廢品數(shù)量、已完成數(shù)量和生產(chǎn)進(jìn)度。界面中每一個(gè)參數(shù)的值，都有一個(gè)相應(yīng)的內(nèi)部變量，內(nèi)部變量的值正是通過讀取數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的值來實(shí)時(shí)傳遞,設(shè)計(jì)如圖3 和圖4 所示。

2.2.2聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模塊

用戶可以通過該模塊監(jiān)視整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的動作狀態(tài)，而在開發(fā)過程中，需要處理好各個(gè)外部變量之間的關(guān)系來控制內(nèi)部變量的值，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)工況。下面主要介紹供料檢測單元（如圖5 所示）的設(shè)計(jì)，該單元主要是檢測工件的尺寸。

建立狀態(tài)顯示控件，狀態(tài)顯示控件連接所有該單元的幀，并與tuiliaojiance 變量（有符號32 位數(shù)）連接，只要控制其值就能顯示不同幀，再設(shè)置觸發(fā)器類型為周期觸發(fā)，并設(shè)置合適的周期值，設(shè)置觸發(fā)器開關(guān)變量tuiliaoaction（二進(jìn)制變量），來控制顯示一組組動畫，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。其他外部變量設(shè)置如表1 所示。

這里的腳本編輯流程如圖所示，在編輯過程中將動作變量值和tuiliaojiance 在該段狀態(tài)的值相與操作，來設(shè)定tuiliaoaction 的值。例如，每個(gè)動作5 幀，則第一段程序如下。

If（(daowei==1) &&(X1==1)）(SetTagDWord("tuiliaojiance",1));

if (tuiliaoaction&&(value>=0) &&(value<=5))(tuiliaojiance=tuiliaojiance+1);

2.2.3報(bào)警記錄模塊

當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障或出現(xiàn)錯(cuò)誤消息時(shí)，設(shè)計(jì)報(bào)警記錄模塊可以通知操作員在生產(chǎn)過程中的故障和錯(cuò)誤消息，用于提醒操作員及時(shí)做出反應(yīng)和判斷。該模塊主要是報(bào)警廢品產(chǎn)生時(shí)，提醒工作人員及時(shí)補(bǔ)料。在報(bào)警編輯器里設(shè)置外部變量caizhibuhege、chicunbuhege 等為消息變量。

2.2.4關(guān)于程序模塊

利用文檔簡要介紹實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的操作注意事項(xiàng)，以及該實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的基本信息。

2.3畫面布局設(shè)計(jì)

這里我們將畫面劃分為4 個(gè)部分：標(biāo)題區(qū)、現(xiàn)場畫面區(qū)、操作按鈕區(qū)和畫面按鈕區(qū)，設(shè)計(jì)畫面布局形式如圖所示，其中標(biāo)題區(qū)、操作按鈕區(qū)、畫面按鈕區(qū)不變，現(xiàn)場畫面區(qū)根據(jù)需要切換變化。
 

3 WinCC監(jiān)控系統(tǒng)與MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成

MES 系統(tǒng)模塊的開發(fā)最重要的內(nèi)容之一就是數(shù)據(jù)的采集控制，這里通過WinCC 強(qiáng)大的SQL2005 數(shù)據(jù)庫做為MES 模塊開發(fā)的數(shù)據(jù)源，主要流程如圖9 所示。MES 數(shù)據(jù)模塊包括三個(gè)方面：第一個(gè)方面，數(shù)據(jù)定義，由于數(shù)據(jù)是通過WinCC 模塊采集，所以需要首先定義變量，設(shè)定相應(yīng)的動作函數(shù)和觸發(fā)器向數(shù)據(jù)庫添加特定數(shù)據(jù)；第二個(gè)方面，數(shù)據(jù)采集，通過預(yù)先定義的外部變量觸發(fā)動作向數(shù)據(jù)庫記錄該數(shù)據(jù)的相應(yīng)信息，MES 直接讀取數(shù)據(jù)庫；第三個(gè)方面，現(xiàn)場控制，MES 模塊向數(shù)據(jù)庫設(shè)定數(shù)據(jù)，WinCC 通過腳本周期檢查數(shù)據(jù)，若滿足要求，則給相應(yīng)變量賦值，控制PLC，執(zhí)行動作

4 結(jié)束語

整個(gè)基于WinCC的11 站式實(shí)驗(yàn)型柔性制造系統(tǒng)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的研究為基礎(chǔ)平臺配備了友好的人機(jī)交互環(huán)節(jié)，同學(xué)們可以做更多生產(chǎn)控制實(shí)驗(yàn)，更能直觀的了解實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用。

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