分布式无线I/O传输的真空数据采集系统设计
摘要：公司所生产的标准罐和大型工程储罐在生产制造过程中，需要定时采集产品在抽真空过程中的真空数据，此前一直采用人工手动采集的方式进行，即操作人员赶至现场，将真空表连接到产品规管后读取真空值，效率低下，且抽真空异常停机次数较多，抽真空异常停机原因无法有效分析，出现故障后无法第一时间得到信息。为解决此问题，本文设计了一套基于PLC-HMI和无线I/O模块的分布式真空数据采集系统，本系统的设计与应用，实现了真空数据的自动采集、生成报表，且真空值出现异常时自动输出报警，提高了抽真空作业生产效率，保证了产品的及时交付，具有良好的应用推广价值。
关键词：PLC;HMI;真空传感器;无线模块;分布式I/O
0 背景
公司所生产的标准罐和大型工程储罐在生产制造过程中，需要定时采集产品在抽真空过程中的真空数据，抽真空作业为人工手动采集，具有如下局限性：l人工6h/次到现场采集真空数据，出现故障后无法第一时间得到信息，导致产品真空丢失，须重新抽真空作业，影响产品交付;l人工采集真空数据不具有实时性和连续性，往往故障发生时段区间的真空数据并没有记录，对故障原因无法进行有效分析;l以公司产量最大的60m?产品为例，产品抽真空过程平均需要进行10天，那么须进行真空数据采集40次/台，存在大量重复性工作。
1 系统需求分析
经过前期生产需求调研，现场最大负荷为20台产品同时进行抽真空作业，分布于厂区A、B、C、D四个区域(见图1)，其中A区域为标准罐产品12台，而B、C、D区域为工程罐产品共计8台。须新增一套PLC-HMI分布式控制系统采集数据，由于区域跨度大，若采用硬线线缆连接，施工难度大，成本也非常高，故宜选用无线I/O模块来实现真空数据采集。
2 系统架构设计
菲尼克斯电气的Wireless I/O是数字量或模拟量I/O信号无线传输的理想解决方案，并且是在过程和控制技术中进行I/O通信的理想之选。Radioline系列产品是适用于大型系统的全新无线系统。其主要特点为：只需通过指轮拨码，便可在无需任何编程的情况下进行极其简单的输入和输出分配。Radioline可发送I/O信号或串行数据，因此用途极广，也可以通过Modbus RTU传输协议直接连接到控制器上。我们选用Radioline-2.4 GHz无线收发器，带RS-232/RS-485接口，并使用I/O模块进行扩展，RSMA(孔式)天线连接，支持点到点、星形、网状网络最多250个工作站，范围可达5 km(视线清晰)。
对于PLC-HMI系统的搭建，我们选用了性能稳定、可靠的AB 1769-L30ERM控制器，HMI则采用Red lion G306A。另外，真空传感器则是选用与产品DV-6规管匹配的DAVC-6型真空计，均是HASTINGS公司产品。
由于A、D区域产品为室内作业，而B、C区域产品为室外作业，20台产品抽真空作业具体位置在区域内要求可变动，所以须将20套无线发送端安装在可移动式工装小车上。考虑到车间建筑及罐体的阻隔会减弱无线信号强度，我们采用2套无线接收装置来接收20套无线发送端发出的信号，如图1所示，在I车间室内A区域附近布置1套接收装置(图1所示五角星I)，用于接收12台产品数据信号，而B、C、D区域所需无线信号覆盖面积更大，我们将接收装置折中布局(图1所示五角星J)，将其安装于J车间南面外墙的登高平台上，这样既能接收到B、C等室外区域的无线信号，也可以接收到室内D区域的无线信号，且登高平台方便日后维护。
综上，我们系统架构如图2所示， A区域接收装置I集成于主控电柜上，将模拟量信号直接输出至PLC，而B、C、D区域接收装置J与PLC的分布式I/O模块Point IO集成于控制箱上，安装在J车间外墙平台上，通过光纤连接至I车间主控电柜，接收装置输出的模拟量信号经过Point IO，再传输至PLC。作为中控核心的PLC将以上2个接收装置的20路真空数据信号加以运算控制，并在HMI上显示。
3 无线系统设计
3.1硬件配置
系统中2套无线系统可视为子系统，暂且称之为子系统I和子系统J，它们均由无线收发器、IO扩展模块、全向天线、天线电缆、电涌保护器等元件组成，考虑到室外雨水环境要求，天线选型上应分别来考量，故室外发送器天线选用了防护等级为IP68且耐腐蚀的RAD-ISM-2459型全向天线，而室内发送器天线选用了較为廉价的ANT-OMNI-2459型全向天线。接收器天线则选用带安装托架和杆夹的RAD-ISM-2400-ANT-OMNI型全向天线，并且可安装长3m的天线延长电缆RAD-CAB-EF393来调整安装高度，以更好地接收无线信号。天线的选型如图3所示。
3.2硬件组态
Radioline无线系统硬件组态是利用PSI-CONF组态软件和指轮拨码完成的，2套子系统须分别设置。将子系统接收器作为主站，发送器作为从站，主站的地址必须为01，将其指轮拨码设置为01，其余从站地址的设置区间为02-99，为了方便记忆和维护，我们将子系统I的12个从站地址设置为11-22，将子系统J的8个从站地址设置为23-30，并将各从站设备指轮拨码设置为相应的数字。
2套无线系统需要同时运行，并且彼此相距较近，为了将无线系统分开，应该选择不同的RF频带和网络ID。我们将子系统I的频带设置为4，网络ID设为1;将子系统J的频带设置为6，网络ID设为127。由于A区域标准罐抽真空作业时较为集中，视线比较清晰，我们将子系统I的网络设为星形，将无线电接口的数据速率设置为125 kbps;而B、C、D区域工程储罐抽真空作业时相对分散，我们将子系统J的网络设为网状，同时为了降低工程储罐庞大的体积对无线信号视线遮挡的影响，我们将8个从站设置为中继从站，并将无线电接口的数据速率设置降为16 kbps，提高了无线模块接收器的灵敏度，因为低数据速率实现的接收距离要比采用高数据速率时更远。
4 PLC-HMI系统设计
本系统是基于PLC-HMI控制系统开发的，PLC可将无线系统采集的真空数据信号自动处理，通过HMI进行人机交互。操作人员在现场完成连接产品、放置发送器工装小车等准备工作后，仅需在HMI上录入相关信息并启动对应编号埠的采集系统，作业结束后则关闭该系统，期间无需频繁地往返于现场做例行真空数据采集。按照生产工艺要求，我们设置了每6小时自动采集一次真空数据，也可人工随时采集，且系统后台以1s/次的频次记录真空数据，并存储于HMI的CF卡中。
本系统接入公司局域网，可通过HMI的Web服务器功能进行Web访问HMI远程界面和后台记录数据，进而对真空异常进行有效的分析。
本系统通过PLC控制程序自动分析真空数据，每10分钟进行比对一次，如果真空数据上升过快则视为异常，或者发送器出现电源故障导致断电，这时会触发主控柜声光报警，并通过HMI邮件管理功能发送邮件至相关人员邮箱，及时有效地避免产品真空丢失。在完成抽真空作业后，真空数据记录报表也将自动发送至相关人员邮箱。
5 结论
本系统的设计与应用，成功实现了公司的标准罐和工程罐抽真空作业过程的数字化、自动化和智能化。真空异常报警功能可满足抽真空故障停机快速响应的要求，避免了产品延误交期;真空数据报表以.CSV格式邮件发送，并支持Web访问和下载真空数据记录，便于归档管理，提高质量追溯效率;自动采集功能则大幅降低人工劳动强度，如减少工程罐真空数据采集操作人员登高作业38次/台，降低安全风险同时也减轻了雨雪、寒冷或炎热天气下的劳动强度。随着本系统在公司的推行应用，生产排班已取消了夜班，对于大型深冷压力容器制造行业，有较高的推广价值。
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