11站實(shí)驗型柔性制造系統監控技術(shù)的研究

摘要：引入WinCC對11 站式實(shí)驗型柔性制造系統進(jìn)行實(shí)時(shí)監控系統的開(kāi)發(fā)，人機界面生動(dòng)的模擬了現場(chǎng)工況，操作方便快捷，提高了系統的實(shí)驗性。文章介紹了系統的網(wǎng)絡(luò )結構形式和監控系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程；重點(diǎn)對實(shí)時(shí)畫(huà)面控制技術(shù)和系統與MES 數據集成技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：WinCC；實(shí)驗型；MES；實(shí)時(shí)監控

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(zhù)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機電一體化技術(shù)的廣泛應用，對生產(chǎn)制造系統的要求也越來(lái)越高，用戶(hù)們希望得到友好的人機交互，提高工作效率，減少生產(chǎn)事故的發(fā)生，實(shí)時(shí)監控技術(shù)的應用很大程度上幫助用戶(hù)們解決了這些問(wèn)題。而在學(xué)校，學(xué)生們的學(xué)習已經(jīng)不能局限于PLC 電控方面的實(shí)驗，讓他們更多的接觸監控組態(tài)技術(shù)以及上位機系統的操作，對其將來(lái)的學(xué)習和工作會(huì )有很大幫助。

本系統正是一個(gè)集監控組態(tài)技術(shù)、MES和PLC電控與一體的系統，這里主要介紹WinCC監控組態(tài)技術(shù)在實(shí)時(shí)監控系統開(kāi)發(fā)中的應用，以及其與MES 系統數據集成。

1 系統的基本架構及工作原理

圖1 所示是11 站式實(shí)驗型柔性制造系統的生產(chǎn)監控結構圖，由11 站式實(shí)驗型柔性制造系統、PLC 控制系統、生產(chǎn)監控系統（MES）和實(shí)時(shí)監控系統（WinCC）四部分組成，主要完成對11 站式實(shí)驗平臺的實(shí)時(shí)畫(huà)面監控和生產(chǎn)數據監控。

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1.1 11站式實(shí)驗型柔性制造系統

整個(gè)11 站式實(shí)驗性柔性制造系統可以分為五大站，第一站是供料站，主要為系統提供原料，包括供料單元，供料檢測單元，圖像檢測單元，搬運單元等4 個(gè)單元；第二站為加工站，主要是對原料進(jìn)行加工，包括機械手上下料單元，數控銑床單元等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)現對工件在站站間的搬運及儲存功能，包括環(huán)形傳輸系統，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

PLC 控制系統是整個(gè)柔性制造系統的控制核心，柔性制造系統的所有單元的運作都是按照PLC 發(fā)出的信號和預先設定的程序進(jìn)行運作。整個(gè)系統包含各種傳感器，伺服電機，氣缸、機器人等。

1.3 生產(chǎn)監控系統

用戶(hù)可以完成生產(chǎn)任務(wù)下達，生產(chǎn)任務(wù)調度，并可以詳細監視生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度情況、加工質(zhì)量情況，以及報表功能等。生產(chǎn)監控系統模塊（MES）主要包括用戶(hù)管理、庫存管理、生產(chǎn)計劃、過(guò)程監視、質(zhì)量管理、統計分析、設備管理等7 個(gè)模塊，該系統的數據采集功能都是在WinCC 中實(shí)現。

1.4 實(shí)時(shí)監控系統

實(shí)時(shí)監控系統使用西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的WinCC 組態(tài)監控軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，上位機裝有CP5611 數據采集卡，通過(guò)制作通訊電纜將上位機與S7-300 總站相連，進(jìn)行通訊。實(shí)時(shí)監控系統主要給用戶(hù)提供良好的人機交互界面，便于用戶(hù)觀(guān)察生產(chǎn)過(guò)程（生產(chǎn)動(dòng)作畫(huà)面、生產(chǎn)基本信息等），并提供報警功能等。

2 WinCC實(shí)時(shí)監控系統的設計與開(kāi)發(fā)

實(shí)時(shí)監控系統主要完成動(dòng)作畫(huà)面監控和生產(chǎn)基本信息監控，以及報警等功能，這里功能模塊設計為生產(chǎn)管理、聯(lián)網(wǎng)監控、報警記錄和關(guān)于程序四個(gè)模塊，其中聯(lián)網(wǎng)監控模塊是實(shí)時(shí)監控系統的核心。

2.1設計原理

（1）建模

WinCC 中有自帶的繪圖功能，但由于功能較為簡(jiǎn)單，系統設計中選用Flash 進(jìn)行建模，導入到WinCC 圖形數據庫中使用，方便快捷，且效果較佳。

（2）腳本

WinCC 中有豐富的腳本語(yǔ)言（VB、C）及控件等，而系統通過(guò)腳本提取外部變量的值，控制內部變量的值即控制幀的狀態(tài)，來(lái)符合外部的實(shí)際狀態(tài)。（如圖2 所示）

（3）通訊

監控系統是以西門(mén)子PLC 為主控制器，上位采用WINCC 組態(tài)軟件監控，中間采用S7-300PLC 負責通信功能，下位采用八個(gè)S7-200 PLC (CPU 224) 組成分站控制器，通過(guò)PROFIBUS-DP

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現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現監控系統的通信，八個(gè)獨立的執行機構共同組成一套完整的控制系統。WinCC 提供了一個(gè)稱(chēng)為SIMATIC S7 Protocol Suite 的通訊驅動(dòng)程序，系統中采用的是MPI通訊單元，在該單元下建立連接NewConnection_1，在該連接下建立監控畫(huà)面中需要的外部變量，設置相應的類(lèi)型和地址，與PLC 中需要的變量地址相同。

2.2功能設計與開(kāi)發(fā)

2.2.1 生產(chǎn)管理模塊

生產(chǎn)管理模塊包括生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)統計兩個(gè)模塊。生產(chǎn)計劃模塊包括訂單號、生產(chǎn)數量、材質(zhì)和交貨期。生產(chǎn)統計模塊包括訂單號、計劃數量、廢品數量、已完成數量和生產(chǎn)進(jìn)度。界面中每一個(gè)參數的值，都有一個(gè)相應的內部變量，內部變量的值正是通過(guò)讀取數據庫相應的值來(lái)實(shí)時(shí)傳遞,設計如圖3 和圖4 所示。

2.2.2聯(lián)網(wǎng)監控模塊

用戶(hù)可以通過(guò)該模塊監視整個(gè)實(shí)驗系統的動(dòng)作狀態(tài)，而在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要處理好各個(gè)外部變量之間的關(guān)系來(lái)控制內部變量的值，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）的設計，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）連接，只要控制其值就能顯示不同幀，再設置觸發(fā)器類(lèi)型為周期觸發(fā)，并設置合適的周期值，設置觸發(fā)器開(kāi)關(guān)變量tuiliaoaction（二進(jìn)制變量），來(lái)控制顯示一組組動(dòng)畫(huà)，達到實(shí)時(shí)監控的目的。其他外部變量設置如表1 所示。

這里的腳本編輯流程如圖所示，在編輯過(guò)程中將動(dòng)作變量值和tuiliaojiance 在該段狀態(tài)的值相與操作，來(lái)設定tuiliaoaction 的值。例如，每個(gè)動(dòng)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報警記錄模塊

當現場(chǎng)設備出現故障或出現錯誤消息時(shí)，設計報警記錄模塊可以通知操作員在生產(chǎn)過(guò)程中的故障和錯誤消息，用于提醒操作員及時(shí)做出反應和判斷。該模塊主要是報警廢品產(chǎn)生時(shí)，提醒工作人員及時(shí)補料。在報警編輯器里設置外部變量caizhibuhege、chicunbuhege 等為消息變量。

2.2.4關(guān)于程序模塊

利用文檔簡(jiǎn)要介紹實(shí)時(shí)監控系統的操作注意事項，以及該實(shí)時(shí)監控系統設計和開(kāi)發(fā)的基本信息。

2.3畫(huà)面布局設計

這里我們將畫(huà)面劃分為4 個(gè)部分：標題區、現場(chǎng)畫(huà)面區、操作按鈕區和畫(huà)面按鈕區，設計畫(huà)面布局形式如圖所示，其中標題區、操作按鈕區、畫(huà)面按鈕區不變，現場(chǎng)畫(huà)面區根據需要切換變化。

3 WinCC監控系統與MES系統數據集成

MES 系統模塊的開(kāi)發(fā)最重要的內容之一就是數據的采集控制，這里通過(guò)WinCC 強大的SQL2005 數據庫做為MES 模塊開(kāi)發(fā)的數據源，主要流程如圖9 所示。MES 數據模塊包括三個(gè)方面：第一個(gè)方面，數據定義，由于數據是通過(guò)WinCC 模塊采集，所以需要首先定義變量，設定相應的動(dòng)作函數和觸發(fā)器向數據庫添加特定數據；第二個(gè)方面，數據采集，通過(guò)預先定義的外部變量觸發(fā)動(dòng)作向數據庫記錄該數據的相應信息，MES 直接讀取數據庫；第三個(gè)方面，現場(chǎng)控制，MES 模塊向數據庫設定數據，WinCC 通過(guò)腳本周期檢查數據，若滿(mǎn)足要求，則給相應變量賦值，控制PLC，執行動(dòng)作

4 結束語(yǔ)

整個(gè)基于WinCC的11 站式實(shí)驗型柔性制造系統生產(chǎn)監控系統的研究為基礎平臺配備了友好的人機交互環(huán)節，同學(xué)們可以做更多生產(chǎn)控制實(shí)驗，更能直觀(guān)的了解實(shí)時(shí)監控技術(shù)的應用。

參考文獻
[1]蘇昆哲. 西門(mén)子WinCC V6 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005
[2]李志遠. 電力系統中配電設備遠程監控系統的開(kāi)發(fā)[J] 微計算機信息，2008，24（4-3）：
34-35
[3]江灝，王慶豐. 液壓綜合試驗平臺的PLC 實(shí)時(shí)測控系統[J] 機床與液壓，2007（35）：
182-184.6 Science Technology，Research Field：Production Monitoring，CAD/CAM/CAE.