★广汽传祺汽车有限公司宜昌分公司丁家云,曹阳,邹善平,黄永普
关键词:智能智造;数字化;工业控制;物联网
随着智能制造技术的深入发展,数字化工厂建设日益成为生产制造企业的研究重点。建设数字化工厂可以起到提高生产效率、降低生产成本、提升产品质量和创新能力、优化生产管理和决策以及推动数字化转型和可持续发展等多方面的作用。数字化是实现智能制造的重要基础,也是制造业转型升级的关键途径。
目前很多新建工厂在建厂规划之初,就已引入最先进的数字化建设成果进行底层设计,极大地提升了工厂的智能制造水平。但是已经建成的传统工厂由于数字化硬件、软件不足,往往需要投入较多的成本进行改造升级,数字化建设过程较为缓慢。
传统工厂的数字化转型主要依托现有的工业控制系统进行设计改造,并增加部分传感器、控制器等硬件,以及引入工业组态软件和云平台等,实现了工厂数字化水平的大幅提升。
1 车间CCR系统
生产车间在设备安装时会根据设备类型和区域,分布多套PLC进行本地控制,现场各台PLC上收集了设备的各种状态信息。如果缺少统一管理,这些设备就会形成“信息孤岛”,PLC收集的现场信息不能充分发挥价值,生产过程处于暗箱之中,设备维护人员也一直处于“现场救火”的状态中。
iFIX是GE公司推出的一种工业自动化软件解决方案,它提供了生产操作的过程可视化、数据采集和数据监控功能[1]。使用iFIX构建CCR系统(Central Control System),生产管理人员可以精确地监视、控制生产过程和设备状态,从而对生产事件快速反应,减少了原材料消耗,提高了生产率和用户收益[2]。目前基于iFIX软件的CCR系统在电力、化工、工业制造等行业中得到了广泛应用。
在应用iFIX搭建CCR系统时,首先要根据现场设备和通讯方式,搭建合适的信息收集网络。三菱系列PLC采用CC-LinkIE通讯,可以通过环网结构串联现场设备汇入到总PLC然后接入到iFIX中,而西门子PLC可通过标准TCP/IP协议的以太网接入。在构建的CCR系统中,现场设备PLC形成分布式控制架构。系统结构由控制层和信息管理层组成,其中信息管理层用于CCR监控主机单元,实现所有信息的收集、处理、展示和远程控制;控制层由各车间级PLC监控单元组成[3],控制层中PLC收集、处理现场信息并控制设备运转状态,实现设备的本地化管理。
在CCR系统中,生产管理人员实时查看当日生产数据,及时进行差异分析,灵活调整生产方案;同时也可以跟踪产品的流动状态,追溯生产过程。设备管理人员可以实时监视现场设备状态,根据设备报警信息精准处理异常,并可形成设备报表,制定预防性维护方案;通过接入能源监视设备,系统自动生成水、电、气能源使用报表,精准分析生产能源使用趋势,针对高能耗过程和异常消耗进行改善,降低生产能源成本。
2 局域语音自动报警系统
局域语音自动报警系统主要以车间环网为基础,搭配语音设备和自动呼叫设备实现设备状态变化后的自动呼叫。
车间各个分布式PLC和总控PLC串联在一起形成环网结构,总控PLC可以读取车间设备的所有信息并可实现远程控制。在局域语音自动报警系统中,主要用到总控PLC的信息收集功能,并将信息传递至语音模块。
语音模块是一种高稳定性大功率输出的插卡语音播放板,具有存储和插卡功能,支持外接高音质音响设备,除可通过高电平/有源开关量控制外,还可以通过RS232和RS485串口通讯控制。由于现场PLC通常采用标准TCP/IP协议的以太网通讯,不能直接与语音模块通讯,在使用时可以通过串口服务器实现PLC与语音模块之间的通讯。在语音模块设计时,对于所需播报的信息,可以应用AI语音软件合成语音文件,存储到语音模块后由总控PLC触发语音播报。语音模块与播音设备连接后即可实现现场设备异常状态的语音播报。
在语音模块将文字信息转变为声音信息后,语音播报内容仅能在音响设备周围才能获得,设备管理人员仍需要安排专人将信息通报至现场。为实现报警信息的自动播报,需要改进对讲设备的控制方式,设计由PLC控制中间继电器、现场设备状态变化信息触发的局域语音自动呼叫装置。当现场设备状态变化后在语音模块播报状态信息的同时,PLC控制中间继电器动作触发对讲机对讲开关,可以同步将状态信息传送至现场设备管理人员,实现设备异常的快速处理对应,极大地提升了响应能力,保障了现场生产。
3 数字化远程监控系统(加密广播)
随着工厂自动化生产能力的不断提升,工厂的生产能力对设备运转状态的依赖也越来越高。在传统的工厂车间中现场设备状态依赖人工巡检和设备值班,设备状态信息的传递存在滞后,且准确度难以保证。特别是班后的非生产时间,管理人员往往不能获得现场设备信息,一旦设备出现重大异常,将严重影响正常的生产过程。
目前,物联网技术的发展,为生产管理人员远程掌握设备状态信息提供了快速高效的方法。在建立数字化远程监控系统时,4G DTU(Data Transfer Unit)模块在远程通讯中起到了重要作用。4G DTU即4G数据传输单元,是一种专门用于将串口数据转换为4G网络数据进行传输的设备,其主要作用是实现远程数据传输。它一端连接串口设备(如传感器、控制器等),另一端通过4G网络与数据中心或服务器进行通信,主要具有以下特点:(1)高速传输:利用4G网络的高速率,能够快速传输数据;(2)稳定性高:在复杂的网络环境中保持稳定的连接,确保数据不丢失;(3)易于部署:安装和配置相对简单,无需复杂的网络知识;(4)兼容性强:可以与多种串口设备兼容,适应不同的应用场景。
基于上述特点4G DTU广泛应用于远程监控、智能抄表、环境监测、工业自动化等领域[4],为实现设备的远程管理和数据采集提供了便捷可靠的解决方案。
使用4G DTU搭建远程监控系统时,由于4G DTU输入一般只支持RS232和RS485串口通讯方式,需要根据现场使用的实际通讯方式进行通讯协议转换,例如三菱Q系列PLC需要通过串口服务器将以太网通讯转换为RS232或RS485串口通讯模式。当4G DTU通过串口服务器与现场PLC设备建立通讯后,使用4G DTU产品提供的云端平台创建设备,即可采集现场设备状态信息和生产管理数据,在完成管理界面制作后,实现现场设备的数字化目视化管理。物联网平台可以通过微信小程序实时查看当前设备信息,实现远程管理,如图1所示。现场管理人员可以通过添加触发器来设置设备上传感器的报警条件,当上传平台的数据达到设定的上下限时,平台可以通过短信报警、语音报警、微信推送报警、邮箱报警四种方式,及时提醒工厂管理人员查看设备信息。
图1 数字化管理界面
通过4G DTU建立数字化远程化远程管理系统,生产管理人员通过最常用的手机微信平台即可实时查看现场设备、工艺参数等关键信息,可方便高效地完成资源协调和生产组织。物联网平台提供的报警推送方式,可以通过企业微信等办公软件实现报警信息推送,在生产班组内全员可见,极大地方便了生产异常状态的处理过程,提升了工厂生产的组织效率。
4 总结
传统工厂在数字化转型过程中如果从零开始开发新系统,需要投入大量的资金和人力资源,往往会导致数字化转型工作缓慢。传统工厂可以在现有条件基础上,结合物联网技术、AI智能模块等新技术,进行数字化转型探索。通过自主模式推进数字化应用开发,可以保证数字化功能紧贴现场实际需求,解决生产过程中的痛点问题,既能控制投入成本,又能培养工厂技术人员的设备管理和数字化开发能力。本文提到的三种模式相对简单、投入成本低,且可不断改进升级,可以广泛应用于生产制造企业的数字化生产管理过程,以提升工厂的智能智造水平。
作者简介:
丁家云(1992-),男,湖北宜昌人,中级工程师,学士,现就职于广汽传祺汽车有限公司宜昌分公司,研究方向为智能制造涂装设备管理。
曹 阳(1984-),男,湖北宜昌人,中级工程师,学士,现就职于广汽传祺汽车有限公司宜昌分公司,研究方向为智能制造涂装设备管理。
邹善平(1990-),男,湖北神农架人,现就职于广汽传祺汽车有限公司宜昌分公司,研究方向为智能制造涂装设备管理。
黄永普(1987-),男,湖北仙桃人,副高级工程师,学士,现就职于广汽传祺汽车有限公司宜昌分公司,研究方向为智能制造涂装设备管理。
参考文献:
[1] 百度百科, http://baike.baidu.com/view/357736.html; 2008-04-20
[2] 李勉. iFIX在煤水净化系统中的应用[J]. 机电工程技术, 2011.
[3] 张道兵. 污水处理厂自控系统研究[D]. 镇江: 江苏大学, 2013.
[4] 赵颖颖. 物联网环境下的嵌入式传感器网络安全研究[J]. 通信电源技术, 2023.
摘自《自动化博览》2024年11月刊