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【摘要】隨著當(dāng)前智能化的發(fā)展，對(duì)于電鍍生產(chǎn)模式也產(chǎn)生了非常積極的影響。本文采用PLC進(jìn)行設(shè)備控制，以樹莓派作為網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸，在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)了滿足多端訪問需求的電鍍車間云物聯(lián)管理系統(tǒng)。
【關(guān)鍵詞】云物聯(lián)；樹莓派；電鍍車間管理系統(tǒng)
隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，工藝智能化已經(jīng)成為一項(xiàng)非常流行的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)代電鍍企業(yè)作為服務(wù)型制造執(zhí)行系統(tǒng)所承接的加工任務(wù)是多品種、多技術(shù)規(guī)范要求的復(fù)雜混流生產(chǎn)方式。電鍍?cè)O(shè)備普遍使用了“PLC控制器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的控制模式。[1]本文針對(duì)電鍍車間的生產(chǎn)特點(diǎn)和相關(guān)需求，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)一種電鍍車間管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電鍍工藝過程參數(shù)如溫度、電流、電壓、pH、液位等遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，并能對(duì)各批次的工件生產(chǎn)過程進(jìn)行追溯。
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
圖1展示了電鍍車間云物聯(lián)管理系統(tǒng)的架構(gòu)和組成，在設(shè)備控制層，現(xiàn)場(chǎng)PLC對(duì)行車、加熱器、整流器、泵閥等外設(shè)進(jìn)行控制。樹莓派通過以太網(wǎng)口與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將電鍍生產(chǎn)的過程數(shù)據(jù)如溫度值、電流值、電壓值、pH以及外設(shè)的運(yùn)行狀態(tài)等遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器平臺(tái)，同時(shí)也將設(shè)備的遠(yuǎn)程控制指令、生產(chǎn)排程指令等下傳給PLC，通信是雙向的。通過萬維物聯(lián)網(wǎng)（WoT），使用智能手機(jī)、筆記本即可進(jìn)行生產(chǎn)管理。并且云端提供的數(shù)據(jù)分析服務(wù)，進(jìn)行生產(chǎn)排程，制訂溶液及設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，維持各鍍槽最佳的工藝條件，保證鍍層質(zhì)量和車間產(chǎn)能。
2硬件選擇
2.1現(xiàn)場(chǎng)控制PLC
在本系統(tǒng)中，車間各生產(chǎn)線的控制器采用歐姆龍CJ2M系列PLC，通過TC101模塊對(duì)溶液溫度進(jìn)行PID控制，通過AD/DA模塊與整流器電流輸出控制，通過SCU模塊與pH控制器進(jìn)行基于Modbus協(xié)議的通信控制，通過變頻器對(duì)行車電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。PLC根據(jù)工藝需求，對(duì)噴淋攪拌、循環(huán)過濾、陰極移動(dòng)等外設(shè)進(jìn)行輸出控制。
2.2網(wǎng)關(guān)
樹莓派3是一個(gè)完整的萬維物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，僅有一張信用卡大小，板載一個(gè)四核1.2GHzCPU、1GBRAM和一個(gè)Broadcom圖形處理單元，通信接口如10/100M以太網(wǎng)、USB2.0、UART以及RS485接口。作為網(wǎng)關(guān)向下可以通過以太網(wǎng)與各節(jié)點(diǎn)PLC進(jìn)行通信、向上可以通過4G/LTE無線模組連接云服務(wù)器。
2.3云服務(wù)器
OneNet是中移物聯(lián)網(wǎng)打造的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，目前設(shè)備的接入量已達(dá)到3000萬，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、在線管理、事件觸發(fā)等服務(wù)；分布式結(jié)構(gòu)、完備的數(shù)據(jù)接口和多重保障機(jī)制可實(shí)現(xiàn)高效的資源管理和安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；具有在線設(shè)備的監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和實(shí)時(shí)控制功能。
3軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以樹莓派作為網(wǎng)關(guān)完成電鍍車間各PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)接收來自云端的控制指令，驅(qū)動(dòng)外設(shè)調(diào)整生產(chǎn)工藝。服務(wù)器負(fù)責(zé)工藝過程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析，并以曲線動(dòng)畫等形式將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在Web頁(yè)面，同時(shí)Web端提供人機(jī)交換功能，使用戶可實(shí)現(xiàn)對(duì)電鍍生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)開發(fā)語言選用Python及Django框架。
3.1網(wǎng)關(guān)程序的實(shí)現(xiàn)
為樹莓派開發(fā)FinsTCP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與歐姆龍CJ系列PLC通信。為支持其他主流PLC，也需開發(fā)基于SNAP7、OPCUA以及Modbus協(xié)議的通信程序。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間雙向通信基于MQTT協(xié)議，建立網(wǎng)絡(luò)連接、實(shí)現(xiàn)消息訂閱與等功能。服務(wù)器發(fā)送消息給網(wǎng)關(guān)，需要網(wǎng)關(guān)作為訂閱者去服務(wù)器的broker上訂閱某主題，當(dāng)有該主題的消息，就被broker推送給網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)發(fā)送消息給服務(wù)器，需要服務(wù)器作為訂閱者去服務(wù)器的broker上訂閱某主題，網(wǎng)關(guān)該主題的消息，則被broker推送給服務(wù)器。消息的數(shù)據(jù)格式為JSON。網(wǎng)關(guān)需要監(jiān)聽多個(gè)PLC的設(shè)備并讀取，同時(shí)接收來自服務(wù)器后臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，程序中建立了消息隊(duì)列緩沖接收到的數(shù)據(jù)。采用多進(jìn)程+協(xié)程的編程方式，當(dāng)接收線程進(jìn)行設(shè)備監(jiān)聽時(shí)，負(fù)責(zé)解析的線程去消息隊(duì)列進(jìn)行解析，充分利用多核CPU，發(fā)揮協(xié)程的高效率，提供系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。
3.2服務(wù)器端程序?qū)崿F(xiàn)
服務(wù)器程序采用前后端分離設(shè)計(jì)。后端采用Django，遵循restful規(guī)范提供API接口，實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理和過程數(shù)據(jù)記錄。在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄工件的入槽時(shí)間、出槽時(shí)間、工藝編號(hào)、電鍍過程中溫度、pH、電流、電壓等參數(shù)的定時(shí)采樣，數(shù)據(jù)表中包含參數(shù)值和時(shí)間戳。采樣周期和數(shù)據(jù)保存時(shí)間可由管理員在線設(shè)置，可選擇自動(dòng)或手動(dòng)壓縮數(shù)據(jù)庫(kù)功能。前端采用Vue框架開發(fā)跨桌面和移動(dòng)終端的企業(yè)應(yīng)用，具有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能。監(jiān)控界面包含一系列的鍍槽、泵閥等的具有動(dòng)畫效果的可復(fù)用組件。用戶可查看各鍍槽當(dāng)前設(shè)定的工藝參數(shù)、液位狀態(tài)和工件放置情況，也可對(duì)外設(shè)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在質(zhì)量追溯界面，用戶可查看每批工件在電鍍過程中的溫度、pH、電流、電壓趨勢(shì)圖，并與工藝預(yù)設(shè)曲線進(jìn)行對(duì)比，分析影響鍍層質(zhì)量的原因。在報(bào)警界面提供了配置接口，進(jìn)行報(bào)警源和值班人員配置，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一旦檢測(cè)到異常信息，如鍍槽工藝參數(shù)超出了設(shè)定范圍、加熱器過熱保護(hù)、電機(jī)過載保護(hù)等情況，將通過設(shè)置號(hào)的電話實(shí)現(xiàn)最直接的報(bào)警。同時(shí)，報(bào)警信息也會(huì)在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行保存。用戶可通過Web界面查看報(bào)警歷史信息，獲取文字、照片、或電路圖等形式的維修提示等。
4總結(jié)
綜上所述，該電鍍車間管理系統(tǒng)既滿足了工藝控制的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，又融合了時(shí)下流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控和跨平臺(tái)訪問需求，所以在未來具有廣闊的應(yīng)用前景。
作者:胡子卿 張峰 杜斌 單位:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所
