引言
硫化是輪胎生產(chǎn)中的一道關(guān)鍵工序，其生產(chǎn)設(shè)備硫化機(jī)的控制對(duì)提高輪胎的硫化質(zhì)量，保證設(shè)備的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，提高生產(chǎn)效率具有極其重要的意義。同時(shí)硫化工序的軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)將MES 設(shè)定的工藝條件和生產(chǎn)指令下達(dá)，將生產(chǎn)反饋信息上傳。
在輪胎企業(yè)，早期硫化罐的控制方式主要是手動(dòng)操作，操作人員主要靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)，對(duì)硫化罐內(nèi)、外腔的蒸汽壓力和溫度缺乏定量控制，對(duì)液壓站、蒸汽管路的壓力、溫度缺乏甚至沒有相應(yīng)的監(jiān)控管理。一些硫化機(jī)采用三菱或者歐姆龍的PLC進(jìn)行過程控制，沒有配備上位機(jī)系統(tǒng)，設(shè)備在更換輪胎規(guī)格時(shí)修改PLC 中的工藝參數(shù)比較麻煩，需要在現(xiàn)場(chǎng)用編程器直接對(duì)下位機(jī)程序中的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行更改，可操作性差。近幾年生產(chǎn)的硫化機(jī)大都配備上位機(jī)軟件進(jìn)行生產(chǎn)管理，但由于缺乏網(wǎng)絡(luò)化，形成了一個(gè)個(gè)自動(dòng)化孤島，管理人員在查詢生產(chǎn)信息時(shí)需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，而且不能對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，無法將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳給ERP 管理層。
因此，在輪胎硫化工序的生產(chǎn)管理迫切需要一種全新的系統(tǒng)來填補(bǔ)空白。本文提出的硫化工序軟件系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)后能夠?qū)崟r(shí)的將設(shè)備信息、生產(chǎn)信息通過車間以太網(wǎng)傳輸?shù)焦芾碚叩腜C 中，為PKS（過程知識(shí)系統(tǒng)）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）和企業(yè)ERP 的建立和實(shí)施提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)支持。
1 硫化工序軟件系統(tǒng)模型的形式和特點(diǎn)
在輪胎生產(chǎn)中，MES 系統(tǒng)需要對(duì)硫化設(shè)備狀況和生產(chǎn)情況進(jìn)行監(jiān)控，而硫化機(jī)則需要從MES層獲取生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)工藝，這樣出現(xiàn)了信息的互換和關(guān)聯(lián)。硫化工序軟件系統(tǒng)位于MES 層和PCS層之間，實(shí)現(xiàn)了硫化上位系統(tǒng)和MES 之間信息的相互關(guān)聯(lián)和交互，消除了兩者之間存在的信息脫節(jié)情況。圖1 描述了硫化軟件系統(tǒng)（群控系統(tǒng)）和MES、硫化機(jī)上位系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
圖1 硫化軟件系統(tǒng)和MES、硫化機(jī)之間的信息交互
硫化工序軟件系統(tǒng)主要有如下特點(diǎn)：
a.實(shí)時(shí)對(duì)蒸汽管路的壓力、溫度，硫化設(shè)備的各個(gè)關(guān)鍵作用部位的蒸汽壓力、溫度進(jìn)行監(jiān)控和記錄，并將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)與生產(chǎn)批次進(jìn)行自動(dòng)綁定，以便后期查詢和質(zhì)量追溯。
b.實(shí)時(shí)對(duì)硫化設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行監(jiān)控，并同時(shí)對(duì)單個(gè)或多個(gè)硫化設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制和I/O 信號(hào)監(jiān)測(cè)。
c.實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃和工藝配方的嵌入式管理，規(guī)范生產(chǎn)過程，確保工藝條件的正確執(zhí)行。
d.提供生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，提供報(bào)表打印等功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和生產(chǎn)管理一體化，并為MES 提供接口，實(shí)現(xiàn)輪胎生命周期管理。
e.根據(jù)等效硫化理論和模糊控制理論，動(dòng)態(tài)調(diào)整硫化過程，以達(dá)到提高硫化質(zhì)量的目的。
圖2 列出了硫化工序軟件系統(tǒng)的功能模型。
圖2 硫化工序軟件系統(tǒng)功能模型
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件的不同，輪胎硫化工序軟件系統(tǒng)在具體實(shí)施時(shí)有以下幾種形式：
1.1 硫化罐集群控制
對(duì)硫化罐的簡(jiǎn)易操作系統(tǒng)進(jìn)行改造，在蒸汽主管路和硫化罐的內(nèi)、外腔增設(shè)壓力、溫度數(shù)字傳感器，數(shù)臺(tái)硫化罐為一組將現(xiàn)場(chǎng)信息接入PLC 輸入模塊中。以一臺(tái)工控機(jī)為核心，上位機(jī)通過串行通信將工藝配方等控制信息寫入PLC中，同時(shí)從PLC中讀取現(xiàn)場(chǎng)信息，通過車間以太網(wǎng)對(duì)外發(fā)布，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。上位機(jī)可以讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，按照生產(chǎn)批次或其他規(guī)則進(jìn)行存儲(chǔ)，形成各種報(bào)表。
硫化罐集群控制的特點(diǎn)是：系統(tǒng)自動(dòng)化程度顯著提高，對(duì)生產(chǎn)過程可以全面的監(jiān)控，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了能源。
1.2 早期硫化機(jī)集群控制
早期硫化機(jī)在進(jìn)行集群控制時(shí)，比較關(guān)鍵的是對(duì)圓盤記錄儀等模擬量采集部件的改造。在實(shí)施集群控制時(shí)，需要選取適當(dāng)型號(hào)的數(shù)字儀表以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)，然后輸入到PLC 中。但在實(shí)際操作中，可能存在系統(tǒng)PLC 型號(hào)陳舊，數(shù)字信息號(hào)無法順利接入的情況。需要選取支持標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議的儀表（如modbus 協(xié)議），以便組成現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，通過多串口卡直接與PC 進(jìn)行通訊。
早期硫化機(jī)集群控制的特點(diǎn)是：通過實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)上位系統(tǒng)，加強(qiáng)了生產(chǎn)工藝和計(jì)劃的控制，解決了傳統(tǒng)硫化生產(chǎn)中紙質(zhì)數(shù)據(jù)無法長(zhǎng)期、方便保存的問題，實(shí)現(xiàn)了方便、靈活的查詢和統(tǒng)計(jì)。
圖3 給出了硫化工序軟件系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)模型。
圖3 硫化軟件系統(tǒng)的硬件拓?fù)鋱D
1.3 目前硫化機(jī)集群控制
目前硫化機(jī)集群控制的一個(gè)突出問題是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的工控機(jī)如何處理，基于工控機(jī)的控制軟件和上位軟件是隨設(shè)備一起安裝的，已初步實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的過程控制。集群控制的硬件信號(hào)可以直接從PLC 中提取，不需要進(jìn)行額外的改造。一種方案是繞開隨機(jī)裝備的軟硬件環(huán)境，采用早期硫化機(jī)的集群控制方案，這樣可以保證現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的持續(xù)、穩(wěn)定進(jìn)行，而且也達(dá)到了自動(dòng)化孤島聯(lián)網(wǎng)的目的，但是需要進(jìn)行PLC 組網(wǎng)的硬件布線和軟件開發(fā)工作；另一種方案對(duì)隨機(jī)的控制系統(tǒng)和上位機(jī)進(jìn)行解讀，在不影響設(shè)備運(yùn)行的前提下，重新開發(fā)一套上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的功能，這需要進(jìn)行車間以太網(wǎng)的布線工作。兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)實(shí)際情況加以選擇。
在這個(gè)階段的硫化機(jī)集群控制應(yīng)該加強(qiáng)軟件功能，除了必需的實(shí)時(shí)監(jiān)控，計(jì)劃管理，工藝配方管理，報(bào)表處理功能外，應(yīng)著重實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，等效硫化控制和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的線性壓縮功能。現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)系統(tǒng)應(yīng)提供OPC Server 的功能，以便提供與MES 或者第三方軟件工具的標(biāo)準(zhǔn)接口，減少二次開發(fā)的工作量。
2 硫化工序軟件系統(tǒng)模型的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 PLC 組網(wǎng)通信技術(shù)
硫化機(jī)的控制系統(tǒng)屬于小型控制系統(tǒng)，I/O 點(diǎn)不是很多，故設(shè)備生產(chǎn)廠家大都選擇三菱或者歐姆龍小型PLC，這兩種PLC 的上位機(jī)讀取方式都比較簡(jiǎn)單。開發(fā)人員只需按照手冊(cè)上提供的上位機(jī)連接指令，通過API 函數(shù)將組合好的指令串發(fā)送到與硬件連接的端口，然后讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)就完成了一次讀寫。三菱和歐姆龍PLC 都支持485 總線組網(wǎng)技術(shù)，有相應(yīng)的參數(shù)可以設(shè)置總線地址，上位機(jī)可以利用該參數(shù)對(duì)數(shù)個(gè)PLC 進(jìn)行互斥讀寫操作。
圖4 以三菱Q 系列PLC 為例，給出了其站號(hào)設(shè)置。
圖4 三菱Q 系列PLC 站號(hào)設(shè)置
2.2 OPC 技術(shù)
OPC 規(guī)范是由OPC 基金會(huì)制定的一個(gè)工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)范了自動(dòng)化軟件與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)接口。
在硫化軟件系統(tǒng)中集成OPC Server 可以方便的進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，無需為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送開發(fā)相應(yīng)的程序，在客戶端只需按照OPC 協(xié)議讀取需要的信息即可。實(shí)現(xiàn)OPC Server 可以通過以下方式：
a.利用一些軟件廠商提供的OPC 開發(fā)工具包，可以方便的實(shí)現(xiàn)服務(wù)端的建立和客戶端的連接。
b. 利用一些自動(dòng)化廠商開發(fā)的獨(dú)立OPC Server，可與多種硬件設(shè)備進(jìn)行通訊，只需稍作配置就可以獨(dú)立運(yùn)行了， 如ROCKWELL 的Kepserver 等。
2.3 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)
輪胎硫化時(shí)，蒸汽壓力、溫度，硫化模具內(nèi)外的壓力、溫度需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這些數(shù)據(jù)都是需要保存的，為以后的質(zhì)量追溯提供依據(jù)。隨著生產(chǎn)進(jìn)行，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量將是海量的，這就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。實(shí)際在輪胎硫化的中間階段，如果蒸汽管路沒有異常情況出現(xiàn)，模具內(nèi)的壓力、溫度是穩(wěn)定在一定水平上的，為了數(shù)據(jù)壓縮提供了有利條件。
一些自動(dòng)化廠商推出的面向生產(chǎn)過程的軟件包大都提供了歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，內(nèi)部已經(jīng)嵌入了線性數(shù)據(jù)壓縮的功能。GE，Siemens，ROCKWELL等在其MES 解決方案中都有提到過提供歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的壓縮功能。
3 軟件系統(tǒng)模型應(yīng)用情況
輪胎制造企業(yè)實(shí)施輪胎硫化軟件系統(tǒng)后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化機(jī)臺(tái)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和生產(chǎn)計(jì)劃與工藝的遠(yuǎn)程下達(dá)，并且可以通過系統(tǒng)的綜合查詢功能查詢歷史記錄中的生產(chǎn)信息。圖5 該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的監(jiān)控頁(yè)面，用戶可以通過對(duì)應(yīng)的人機(jī)界面監(jiān)視設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)信息、工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)以及實(shí)時(shí)報(bào)警信息等。
圖5 硫化工序軟件系統(tǒng)運(yùn)行界面
某大型輪胎廠的硫化工序應(yīng)用了該軟件系統(tǒng)模型后取得了以下效果：
a.通過輪胎條碼掃描驗(yàn)證，硫化工藝配方控制，設(shè)備報(bào)警等功能使輪胎合格率至少提高0.1%左右。
b.硫化配方切換下達(dá)時(shí)間縮短10 分鐘，設(shè)備故障維修等待縮短50%，提高了設(shè)備有效運(yùn)轉(zhuǎn)率，每鍋輪胎裝胎時(shí)間縮短約10 秒鐘。
c.現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理的軟件化，使得員工的績(jī)效考核、設(shè)備管理、工藝管理、計(jì)劃管理等準(zhǔn)確可靠，節(jié)省了工作時(shí)間。
這些效果的取得為企業(yè)帶來了巨大的管理效益和經(jīng)濟(jì)效益，說明輪胎硫化工序軟件系統(tǒng)模型具有一定的科學(xué)性和代表性，能夠切實(shí)解決生產(chǎn)中存在的問題。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)輪胎生產(chǎn)的硫化工序存在的信息脫節(jié)及自動(dòng)化孤島問題，設(shè)計(jì)了硫化工序軟件系統(tǒng)模型并著重介紹了系統(tǒng)表現(xiàn)的形式特點(diǎn)和模型實(shí)現(xiàn)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行結(jié)果表明，能有效提高PCS 層和MES 層的信息交換有效率，加強(qiáng)企業(yè)管理層對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的控制，對(duì)企業(yè)信息化建設(shè)具有重要意義。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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