卷包车间自动数据采集系统.pdf

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1、卷包车间自动数据采集系统 卷包车间自动数据采集系统 SCADA System for No.2 Workshop of shanghai Tobacco Factory 接道良(上海烟草(集团)公司设备处，上海 200082)摘 要 介绍了上海卷烟厂卷包车间数据采集系统的总体框架和关键技术，结合卷包车间设备特点，对实施卷包数据采集系统提出了自己的观点和建议。关键词 卷包车间 数据采集 系统结构 关键技术 Abstract An architechture and key technologies of SCADA system for No.2 workshop of Shanghai Tob

2、acco Factory are described.According to features of SCADA,some suggestions for SCADA in No.2 workshop are proposed.Keywords No.2 workshop SCADA Architechture Key technology 0 引言 数据采集系统是现场自动化控制设备与管理层之间的信息纽带，建立和完善自动数据采集系统已成为烟草工业企业信息化建设的重点。在我国的烟草工业企业中，上海卷烟厂是比较早建立数据采集系统的企业，卷包车间作为主要生产车间，基本完成了数据采集系统的建设。卷包

3、车间包括滤棒发射、卷接、包装和输送等 4 部分，从数据采集角度看，突出地表现为设备厂家多、控制器多、通信接口复杂、系统实施难度大等。1 系统总体框架 如图 1 所示，生产数据采集卷包系统的硬件架构大致分为现场层、车间监控层、厂级监控层和 Intranet 层等 4 个层次。在设计数据采集与监控系统的过程中，充分考虑到企业现有卷包设备种类繁多、各种数据库系统异构情况突出、数据比较分散等实际状况，采用分布式数据库模式，软硬件分步集成，实现了现场数据采集、车间厂级二级监控与数据集成功能。1.1 现场层 该层的生产设备主要由各种类型的现场设备组成。每种设备采用不同的控制系统进行生产控制、实时数据采集和

4、数据传送。现场层数据采集接口包含控制器接口和人机界面接口。设备的控制器除完成控制任务外，还从现场的 I/O 模块（卡）采集数据，并记录在控制器的数据块中。因控制系统提供的数据采集接口软硬件异构且采集到的数据从内容到存储格式都有很大差别，所以采取每种设备分别上传数据至车间层监控机的方式。在现场层，现场网络还存在专用、非标准的现象。1.2 车间监控层 车间监控层由多台 PC 组成。车间监控层的功能有：提供车间级集中监控界面；采集现场层的数据，存入本地数据库；为上一级监控系统提供数据接口。在车间监控层，用于数据采集的计算机称为监控机（上位机）。根据现场层提供的数据采集接口技术的开放程度，监控机建设有

5、两种方案：在通用监控软件基础上做二次开发，如在 Onspec、iFix、Intouch 的基础上开发监控系统，这些软件自身有专用的实时数据库，且提供操作关系数据库的接口函数；由设备供应商开发监控软件，大多是采用编程语言和标准关系数据库开发的。虽然各监控机还存在数据库异构的情况，但数据库接口技术上都是开放的。监控机除了监控目的外，更重要的是系统集成，向上一层监控系统提供统一的数据采集接口。在车间监控层，所有的监控机采用的是标准计算机和操作系统，从车间监控层向厂级监控层提供的数据采集物理接口已统一，监控网络统一于 Ethernet，网络协议统一于 TCP/IP 协议。在车间监控层，硬件、网络已完成

6、集成。1.3 厂级监控层 厂级监控层由数据库服务器和监视计算机组成。卷包数据采集系统有 2 台厂级监视计算机提供厂级监控中心的监控界面、采集车间监控层的数据、存入本地数据库，并向数据服务器提供数据。由于车间监控层提供的数据库接口是开放的，厂级监视计算机采取在监控软件iFix 基础上进行二次组态开发的方法。在车间级监控机与厂级监视计算机数据接口方面，针对车间级监控机的不同建设方案采取作处理。如果对应的车间层监控机使用 iFix 监控软件，则由于厂级监视计算机与车间级监控机使用同一监控软件，所以厂级与车间级监控计算机之间数据传输非常方便，实时性也较好。如果对应的车间层监控机使用其他的监控软件，如

7、Onspec，我们采用监控软件 iFix提供的读写实时数据库的 API 函数和 SOCKET 方式实现不同类型监控软件之间（Onspec 与iFix）通信。这个方法解决了如果车间层监控软件不是 iFix、但又要向厂级 iFix 监视计算机传输数据的问题。对于车间层其他供应商提供的监控机软件，如果是标准关系数据库的，则采用 ODBC技术将车间级监控机中的数据转换为厂级监视计算机 iFix 的实时数据库数据；如车间监控软件采用特殊的数据接口（TXT 文本文件形式），也可以利用上述方案，只需针对特殊数据接口修改部分代码即可。在实时数据转换、上传的同时，监视计算机还对车间级监控器提供的实时数据进行整理

8、、结构同化、筛选、过滤，综合形成厂级监视计算机中 iFix 的实时数据库。在厂级监视计算机中，数据采集系统的软硬件都已集成，数据库统一成 iFix 的实时数据库。卷包数采系统有 2 台厂级数据库服务器，将 iFix 实时数据库转化为其他管理系统能方便使用的 Informix 关系数据库，在转换过程中，再一次对各个监视计算机提供的实时数据进行筛选和过滤，综合形成厂级关系数据库。在每台厂级数据服务器中均有历史数据库和准实时数据库。准实时数据库以数据更新形式提供当前生产状况的准实时数据；历史数据库提供当前班（当前批次）以前的历史数据。这样，经过层层加工、备份，形成了高冗余、高可靠度的厂级集散式数据库

9、系统。数据库服务器是其他管理系统取得设备数采数据的唯一接口。此数据库既作为全厂卷包设备汇总数据库，又作为后台数据库以备 Web Server 调用。1.4 Intranet 层 由 WEB 服务器、数据仓库和其他管理系统构成。WEB 服务器负责接收全厂范围内授权用户的数据访问请求，然后向数据库服务器发出数据请求，得到响应后传送数据至用户所在计算机，实现用户（瘦客户）利用浏览器进行异地数据访问的功能。其他管理系统对数据库服务器的实时数据和历史数据都有数据访问需求。目前这些管理系统都是 C/S 结构，从效率上分析并不是最优方案。数据仓库作为生产子系统的后台数据仓库定时保存各数据采集服务器内历史数据

10、。实时数据库本地历史数据库上位机接口实时数据库厂级监视机接口历史数据库准实时数据库数据库服务器PLC控制器PLC实时数据库本地历史数据库上位机接口实时数据库厂级监视机接口控制器历史数据库准实时数据库数据库服务器Web Server数据仓库应用系统服务器Intranet 层厂级监控层车间监控层现场层控制器上位机上位机现场设备 现场设备控制器图 1 卷包数据采集系统框架图 2 关键技术 2.1 数据分流 为了保证数据的一致性，上海卷烟厂所建立的各车间数据采集系统都将数据分为实时数据和历史数据分别传送到上一层，这个思想贯通于卷包设备数据采集系统的实施中。实时数据流如图 1 虚线所示，采用数据刷新方式

11、将实时数据经车间监控机、厂级监视计算机送达数据服务器的准实时数据库，为其他系统提供准实时的数据服务。历史数据流的处理较特殊。从图 1 可以看出历史数据库的数据来源于车间监控层的历史数据库。而车间监控层的历史数据库保存有大量的生产数据，厂级监视计算机不参与历史数据流处理，它只起实时数据显示和历史数据中转作用。这种历史数据处理流程是基于以下两方面原因：一是相对于实时数据，历史数据用于数据分析、挖掘，需要更高的可靠性，由于数据在上升时，其可靠性是下降的，为了达到高冗余、高可靠度的目的，在设计历史数据流时，数据服务器的历史数据可直接从车间级监控机的历史数据库中恢复；二是由于数据在上升时，其实时性在下降

12、，服务器采用关系数据库得不到与时间密切相关的过程数据，而这些过程数据多是一些十分重要的工艺状态数据，如某一时刻制丝设备的温度、水份等数据，因此必须在班末（批次末）由数据库服务器直接从车间级监控机上的历史数据库中导入这些过程数据。2.2 实时数据通信 卷包车间的监控软件种类较多，而大部分软件不提供 OPC 接口，使用 DDE 交互则效率低，如何实现实时数据上传到厂级监视计算机？PackEx 很好地解决了这个问题。图 2 所示说明了不同计算机监控软件之间的数据通信解决办法。该方法与操作系统、监控软件种类、通信计算机点数无关，对 OS/2、VMS、Windows 系列 PackEx 都支持。无论是

13、Fix、iFix、Onspec、Wincc、Intouch、组态王等软件都不影响它们之间的通信。一个监控软件既可以同时为 Server和 Client，又可单独为 Server 或 Client。作为 Server，它可以向一个或多个 Client 提供数据，只要 Server 端的数据发生变化，就会主动地向 Client 发送数据。一个 Client 可以接收一个或多个 Server 端发来的数据。PackEx 软件已经广泛地使用在上海卷烟厂各个数据采集系统。SERVERCLIENTODBCAPI实时数据库监控软件PackEx历史数据趋势数据SERVERCLIENTODBCAPI实时数据库监

14、控软件PackEx历史数据趋势数据SERVERCLIENTODBCAPI实时数据库监控软件PackEx历史数据趋势数据 图 2 PackEx 示意图 3 体会和建议 由于我国卷包设备大都为引进设备或引进技术制造，设备供应厂商较多，控制系统异构情况严重，某些设备采用专用控制器和人机界面，技术不开放，数据采集接口复杂，实施的技术难度大，投资高，因而卷包设备数据采集系统一直是烟草工业企业中信息化集成的难点。但是从卷包设备数采数据的应用前景来看，实施卷包设备数据采集系统并不十分必要。在工艺流程中，卷包设备可视为黑盒，MES 需要卷包设备数据采集系统提供的数据可由上下游相关数据采集系统提供，如条烟输送数

15、据采集系统可提供卷包设备的输出数据（产量），辅料供应系统、制丝数据采集、滤棒数据采集可提供卷包设备输入数据（原辅材料消耗）。而卷包设备数采系统要么不能提供此类数据，要么需要在设备上外加测量系统。由于在卷包生产过程中存在大量的人为因素，这些数据不足以代表实际情况，最多只能作为设备性能的参考。其他数据采集系统唯一不能替代卷包设备数据采集系统提供的数据是卷包设备性能数据(故障、停机时间等)，而这些数据从采集、积累、分析到能够为设备维护管理所利用还需要在后期投入大量人力，且这些效益同分析人员的水平有很大关系，并不是建成卷包数据采集后就能达到的。比较卷包设备数据采集的投资、效益和风险，个人认为现阶段只有

16、卷包设备比较单一的工业企业或大型的有雄厚技术基础的工业企业才有必要实施卷包设备的数据采集项目。从实施范围来看，辅联设备如卷包联接系统、装盘机、卸盘机、装箱机等，设备不复杂，又没有工艺控制项目，且几乎没有故障，此类设备没有数据采集的必要。从系统的性能要求来看，同制丝设备数据采集系统相反，卷包设备的上位机（监控机）相当于设备远程的人机界面，并不作为设备控制系统的一部分，上位机同控制器或人机界面的通信属于管理系统范围内的通信，实时性、可靠性要求并不高。从技术难度上看，由于卷包设备本身提供的数据通信接口的逐步标准化和开放，实施卷包设备数据采集系统的技术难度在不断下降。传统卷包设备控制系统采用 PLC

17、控制，专用人机界面，数据通信接口包含在控制器中，数据采集系统从设备控制器中而不是人机界面中采集数据，由于控制器通信接口技术不开放，造成项目实施难度较大，有时不得不要求原厂商提供底层（车间级）上位机系统。现今国外卷包设备供应商已充分注意到用户对数据采集的需要，在新一代卷包设备中普遍采用了现场总线与伺服电机控制技术，一些最新引进的卷包设备采用 IPC 的 SOFTPLC 技术替代了 PLC 控制。虽然现今提供的卷包设备控制器有采用 PLC或 IPC，但作为一种趋势，现场人机界面都采用了标准的计算机，并且提供标准的数据采集接口（Ethernet，TCP/IP 和标准的关系数据库接口），要建立一个数据

18、采集系统也变得十分容易，企业的 IT 部门即能完成此项工作。数据采集系统只相当于两台标准计算机之间提供标准网络进行数据交换。4 结束语 制造业信息化是当今世界制造业发展的趋势，世界各国都非常重视发展制造业信息化技术。我国是一个烟草制造大国，但还远不是烟草制造强国。加快我国烟草制造业信息化的进程，是提升我国烟草制造业的迫切需要。上海卷烟厂做为我国烟草大型企业之一，从上世纪90 年代初开始尝试数据采集，在 1997 年后大规模开始设备的数据采集工作，至 2001 年初步完成。在实施过程中也不乏教训，由于当时技术的限制和个人的水平，某些解决方案并不是最佳方案。在现今各烟草工业企业实施 MES 系统时

19、，特撰写此文供参考。参考文献 1 PLC 的最新发展趋势.http:/ 2 工业仪表与装置智能化网络化的进展.http:/ 3 段明祥.工业控制计算机.工业控制计算机产业现状与发展策略 4 林伟.自动化软件发展趋势.http:/ 5 欧金成.组态软件的现状和发展.工业控制计算机,2002.4 6 冷杉,黄榕华.企业与控制系统集成标准研究.制造执行系统（MES）在管控一体化中的作用研讨会论文集 7 唐鸿儒,丁伟,褚健.企业控制网络技术.工业控制计算机,2001.1 8 党丽,李小坚.基于 SCADA 的 CIMS 环境下的设备监控管理系统的集成.工业控制计算机,2003.5 9 王声决,熊刚.工厂企业内部网的设计与实现.工业控制计算机,2003 10 魏庆福.现场总线技术的发展和工业以太网综述.工业控制计算机,2002，