分布式無線I/O傳輸的真空數據采集系統設計

　　摘要：公司所生產的標準罐和大型工程儲罐在生產制造過程中，需要定時采集產品在抽真空過程中的真空數據，此前一直采用人工手動采集的方式進行，即操作人員趕至現場，將真空表連接到產品規管后讀取真空值，效率低下，且抽真空異常停機次數較多，抽真空異常停機原因無法有效分析，出現故障后無法第一時間得到信息。為解決此問題，本文設計了一套基于PLC-HMI和無線I/O模塊的分布式真空數據采集系統，本系統的設計與應用，實現了真空數據的自動采集、生成報表，且真空值出現異常時自動輸出報警，提高了抽真空作業生產效率，保證了產品的及時交付，具有良好的應用推廣價值。

　　關鍵詞：PLC;HMI;真空傳感器;無線模塊;分布式I/O

　　0 背景

　　公司所生產的標準罐和大型工程儲罐在生產制造過程中，需要定時采集產品在抽真空過程中的真空數據，抽真空作業為人工手動采集，具有如下局限性：l人工6h/次到現場采集真空數據，出現故障后無法第一時間得到信息，導致產品真空丟失，須重新抽真空作業，影響產品交付;l人工采集真空數據不具有實時性和連續性，往往故障發生時段區間的真空數據并沒有記錄，對故障原因無法進行有效分析;l以公司產量最大的60m?產品為例，產品抽真空過程平均需要進行10天，那么須進行真空數據采集40次/臺，存在大量重復性工作。

　　1 系統需求分析

　　經過前期生產需求調研，現場最大負荷為20臺產品同時進行抽真空作業，分布于廠區A、B、C、D四個區域(見圖1)，其中A區域為標準罐產品12臺，而B、C、D區域為工程罐產品共計8臺。須新增一套PLC-HMI分布式控制系統采集數據，由于區域跨度大，若采用硬線線纜連接，施工難度大，成本也非常高，故宜選用無線I/O模塊來實現真空數據采集。

　　2 系統架構設計

　　菲尼克斯電氣的Wireless I/O是數字量或模擬量I/O信號無線傳輸的理想解決方案，并且是在過程和控制技術中進行I/O通信的理想之選。Radioline系列產品是適用于大型系統的全新無線系統。其主要特點為：只需通過指輪撥碼，便可在無需任何編程的情況下進行極其簡單的輸入和輸出分配。Radioline可發送I/O信號或串行數據，因此用途極廣，也可以通過Modbus RTU傳輸協議直接連接到控制器上。我們選用Radioline-2.4 GHz無線收發器，帶RS-232/RS-485接口，并使用I/O模塊進行擴展，RSMA(孔式)天線連接，支持點到點、星形、網狀網絡最多250個工作站，范圍可達5 km(視線清晰)。

　　對于PLC-HMI系統的搭建，我們選用了性能穩定、可靠的AB 1769-L30ERM控制器，HMI則采用Red lion G306A。另外，真空傳感器則是選用與產品DV-6規管匹配的DAVC-6型真空計，均是HASTINGS公司產品。

　　由于A、D區域產品為室內作業，而B、C區域產品為室外作業，20臺產品抽真空作業具體位置在區域內要求可變動，所以須將20套無線發送端安裝在可移動式工裝小車上。考慮到車間建筑及罐體的阻隔會減弱無線信號強度，我們采用2套無線接收裝置來接收20套無線發送端發出的信號，如圖1所示，在I車間室內A區域附近布置1套接收裝置(圖1所示五角星I)，用于接收12臺產品數據信號，而B、C、D區域所需無線信號覆蓋面積更大，我們將接收裝置折中布局(圖1所示五角星J)，將其安裝于J車間南面外墻的登高平臺上，這樣既能接收到B、C等室外區域的無線信號，也可以接收到室內D區域的無線信號，且登高平臺方便日后維護。

　　綜上，我們系統架構如圖2所示， A區域接收裝置I集成于主控電柜上，將模擬量信號直接輸出至PLC，而B、C、D區域接收裝置J與PLC的分布式I/O模塊Point IO集成于控制箱上，安裝在J車間外墻平臺上，通過光纖連接至I車間主控電柜，接收裝置輸出的模擬量信號經過Point IO，再傳輸至PLC。作為中控核心的PLC將以上2個接收裝置的20路真空數據信號加以運算控制，并在HMI上顯示。

　　3 無線系統設計

　　3.1硬件配置

　　系統中2套無線系統可視為子系統，暫且稱之為子系統I和子系統J，它們均由無線收發器、IO擴展模塊、全向天線、天線電纜、電涌保護器等元件組成，考慮到室外雨水環境要求，天線選型上應分別來考量，故室外發送器天線選用了防護等級為IP68且耐腐蝕的RAD-ISM-2459型全向天線，而室內發送器天線選用了較為廉價的ANT-OMNI-2459型全向天線。接收器天線則選用帶安裝托架和桿夾的RAD-ISM-2400-ANT-OMNI型全向天線，并且可安裝長3m的天線延長電纜RAD-CAB-EF393來調整安裝高度，以更好地接收無線信號。天線的選型如圖3所示。

　　3.2硬件組態

　　Radioline無線系統硬件組態是利用PSI-CONF組態軟件和指輪撥碼完成的，2套子系統須分別設置。將子系統接收器作為主站，發送器作為從站，主站的地址必須為01，將其指輪撥碼設置為01，其余從站地址的設置區間為02-99，為了方便記憶和維護，我們將子系統I的12個從站地址設置為11-22，將子系統J的8個從站地址設置為23-30，并將各從站設備指輪撥碼設置為相應的數字。

　　2套無線系統需要同時運行，并且彼此相距較近，為了將無線系統分開，應該選擇不同的RF頻帶和網絡ID。我們將子系統I的頻帶設置為4，網絡ID設為1;將子系統J的頻帶設置為6，網絡ID設為127。由于A區域標準罐抽真空作業時較為集中，視線比較清晰，我們將子系統I的網絡設為星形，將無線電接口的數據速率設置為125 kbps;而B、C、D區域工程儲罐抽真空作業時相對分散，我們將子系統J的網絡設為網狀，同時為了降低工程儲罐龐大的體積對無線信號視線遮擋的影響，我們將8個從站設置為中繼從站，并將無線電接口的數據速率設置降為16 kbps，提高了無線模塊接收器的靈敏度，因為低數據速率實現的接收距離要比采用高數據速率時更遠。

　　4 PLC-HMI系統設計

　　本系統是基于PLC-HMI控制系統開發的，PLC可將無線系統采集的真空數據信號自動處理，通過HMI進行人機交互。操作人員在現場完成連接產品、放置發送器工裝小車等準備工作后，僅需在HMI上錄入相關信息并啟動對應編號埠的采集系統，作業結束后則關閉該系統，期間無需頻繁地往返于現場做例行真空數據采集。按照生產工藝要求，我們設置了每6小時自動采集一次真空數據，也可人工隨時采集，且系統后臺以1s/次的頻次記錄真空數據，并存儲于HMI的CF卡中。

　　本系統接入公司局域網，可通過HMI的Web服務器功能進行Web訪問HMI遠程界面和后臺記錄數據，進而對真空異常進行有效的分析。

　　本系統通過PLC控制程序自動分析真空數據，每10分鐘進行比對一次，如果真空數據上升過快則視為異常，或者發送器出現電源故障導致斷電，這時會觸發主控柜聲光報警，并通過HMI郵件管理功能發送郵件至相關人員郵箱，及時有效地避免產品真空丟失。在完成抽真空作業后，真空數據記錄報表也將自動發送至相關人員郵箱。

　　5 結論

　　本系統的設計與應用，成功實現了公司的標準罐和工程罐抽真空作業過程的數字化、自動化和智能化。真空異常報警功能可滿足抽真空故障停機快速響應的要求，避免了產品延誤交期;真空數據報表以.CSV格式郵件發送，并支持Web訪問和下載真空數據記錄，便于歸檔管理，提高質量追溯效率;自動采集功能則大幅降低人工勞動強度，如減少工程罐真空數據采集操作人員登高作業38次/臺，降低安全風險同時也減輕了雨雪、寒冷或炎熱天氣下的勞動強度。隨著本系統在公司的推行應用，生產排班已取消了夜班，對于大型深冷壓力容器制造行業，有較高的推廣價值。

　　推薦閱讀：什么出版社接收電力相關的書稿