M型苗床自動(dòng)化控制和維護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)研究

張慎杰 趙江平

摘 ?要：制造業(yè)設(shè)備終端用戶對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的需求日益增強(qiáng)。加強(qiáng)制造業(yè)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，對(duì)中國(guó)制造業(yè)保持國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。本文通過(guò)在M型自動(dòng)化苗床設(shè)備上增加嵌入式模塊和為客戶提供設(shè)備故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)，可以方便實(shí)現(xiàn)故障的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)指導(dǎo)，節(jié)約大量的售后維護(hù)費(fèi)用。

關(guān)鍵詞：M型苗床;維護(hù)系統(tǒng);自動(dòng)化控制

中圖分類號(hào)：TH165.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）14-0149-03

Technical Research on Automatic Control and Maintenance System for

M-type Seedling Equipment

ZHANG Shenjie1，ZHAO Jiangping2

（1.Zhongshan Congzhong Electromechanical Technology Co.，Ltd.，Zhongshan ?528400，China;

2.Zhongshan Torch Polytechnic，Zhongshan ?528436，China）

Abstract：End-users of manufacturing equipment are increasingly demanding advanced manufacturing technologies. Strengthen the innovation of manufacturing industry to achieve industrial upgrading is very important for China’s manufacturing industry to maintain its international competitiveness. By adding embedded modules to M-type automatic seedbed equipment and providing equipment fault diagnosis and maintenance system for customers，the remote fault diagnosis and maintenance guidance can be easily realized，and a large amount of after-sales maintenance costs can be saved.

Keywords：M-type seedbed;maintenance system;automatic control

0 ?引 ?言

《中國(guó)制造2025》越來(lái)越廣泛地受到世界矚目，實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0時(shí)代智能制造和按需定制，加強(qiáng)制造業(yè)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，對(duì)中國(guó)制造業(yè)保持國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。制造業(yè)設(shè)備終端用戶對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的需求日益增強(qiáng)，使得關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備的采購(gòu)具有國(guó)際化和分散化的特點(diǎn)。一方面提高了企業(yè)的技術(shù)水平和制造能力，另一方面，這些先進(jìn)、復(fù)雜的裝備的管理和維護(hù)也給企業(yè)帶來(lái)了更高的技術(shù)和成本要求[1]。因此，企業(yè)要投入大量的人力、物力和財(cái)力保證先進(jìn)裝備的正常運(yùn)行，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理手段和落后的個(gè)人維護(hù)方式?jīng)Q定了其高成本和低效率的弊端，嚴(yán)重影響了企業(yè)的實(shí)際產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效益。因此，設(shè)備制造商如何采用有效的技術(shù)和工具，保障其故障診斷和維護(hù)的全球快速響應(yīng)能力，是設(shè)備制造商增加裝備高附加值，減少售后成本，增加品牌信任度和擴(kuò)大市場(chǎng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1 ?M型苗床自動(dòng)化控制原理

將育苗、育秧、種植不同類綠葉速生蔬菜、水果、菌類等的生態(tài)環(huán)境如室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)、室內(nèi)光照數(shù)據(jù)、室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)、化肥配比數(shù)據(jù)、農(nóng)藥配比數(shù)據(jù)以及全自動(dòng)機(jī)械化育秧裝置中育苗盤運(yùn)行速度數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)編程后輸入即插即用存儲(chǔ)芯片中，使用時(shí)將即插即用存儲(chǔ)芯片插接到32位ARM嵌入式MCU單片機(jī)上的數(shù)據(jù)插口上，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)作物環(huán)境智能控制。自動(dòng)化控制原理圖如圖1所示。

在綠葉速生蔬菜、菌類生長(zhǎng)過(guò)程中，根據(jù)若干布置在全自動(dòng)機(jī)械化育秧裝置中的室內(nèi)空氣溫度傳感器、室內(nèi)空氣濕度傳感器、室內(nèi)風(fēng)速傳感器、室內(nèi)光照傳感器、室內(nèi)二氧化碳傳感器、室內(nèi)氨傳感器和若干布置在全自動(dòng)機(jī)械化育秧裝置室外的室外空氣溫度傳感器、室外空氣濕度傳感器、室外風(fēng)速傳感器、室外光照傳感器、室外雨雪傳感器所檢測(cè)到的室內(nèi)外的各項(xiàng)數(shù)據(jù)與即插即用存儲(chǔ)芯片內(nèi)所存儲(chǔ)的室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)、室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)、室內(nèi)光照數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)實(shí)時(shí)控制不同類綠葉速生蔬菜、菌類等的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)根據(jù)即插即用存儲(chǔ)芯片內(nèi)所存儲(chǔ)的化肥配比數(shù)據(jù)、農(nóng)藥配比數(shù)據(jù)來(lái)配置化肥和農(nóng)藥劑型噴灑，從而提高了農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量以及生長(zhǎng)速度。

2 ?M型苗床故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)為制造商增加裝備高附加值

對(duì)于設(shè)備制造商而言，M型苗床故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以提高技術(shù)水平和設(shè)備附加值。通過(guò)在M型苗床增加嵌入式模塊和為客戶提供該設(shè)備診斷與維護(hù)系統(tǒng)，可以方便的實(shí)現(xiàn)故障的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)指導(dǎo)，節(jié)約大量的售后維護(hù)費(fèi)用，具體包括：減少員工長(zhǎng)途出差次數(shù)，對(duì)于用戶設(shè)備可以迅速做出故障診斷，提高服務(wù)能力，提高維修服務(wù)工作效率，降低人員成本。系統(tǒng)的應(yīng)用，可以提高設(shè)備的可靠性、高附加值，開辟新的商務(wù)活動(dòng)空間，增強(qiáng)客戶對(duì)設(shè)備品牌的信任度和認(rèn)可度，增強(qiáng)設(shè)備制造商的競(jìng)爭(zhēng)能力，有利于擴(kuò)大市場(chǎng)。

對(duì)于制造企業(yè)而言，通過(guò)M型苗床管理、故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以使維修需求的響應(yīng)能力加快，可以更快做出故障診斷和排除;可以使維護(hù)成本降低，停機(jī)維修費(fèi)用減少;可有效縮短因故障造成苗床設(shè)備停機(jī)的時(shí)間，提高設(shè)備利用率，提高生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益;與其它管理信息系統(tǒng)的集成使用，可以保證企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的順利執(zhí)行。

3 ?M型苗床故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

M型苗床故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)可用于構(gòu)建育苗設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)[2]，可以進(jìn)行設(shè)備的本地故障診斷和維護(hù)，可以進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程故障診斷和維護(hù)，并可根據(jù)獲取的設(shè)備信息進(jìn)行設(shè)備生產(chǎn)、檢修和維修等計(jì)劃的安排，并可與其它的管理信息系統(tǒng)（例如：ERP系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)信息的雙向交流，共同實(shí)現(xiàn)設(shè)備的管理、生產(chǎn)的計(jì)劃和執(zhí)行的監(jiān)控。

系統(tǒng)基于工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建統(tǒng)一的控制網(wǎng)絡(luò)，為苗床設(shè)備故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)?；诠I(yè)以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)向下能夠與串行通訊接口RS485、RS232連接，能夠與各種現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS等）接口連接。

嵌入式模塊部分，將針對(duì)苗床設(shè)備的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，完成遠(yuǎn)程設(shè)備診斷及遠(yuǎn)程監(jiān)控任務(wù)。結(jié)合I/O配置及設(shè)備診斷配置軟件，使嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷維護(hù)硬件平臺(tái)具有通用性，可以推廣到其他相關(guān)領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議符合標(biāo)準(zhǔn)：TCP/IP協(xié)議、HTTP協(xié)議;軟件符合主流工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括：Socket接口標(biāo)準(zhǔn)、COM/DCOM/OPC標(biāo)準(zhǔn);數(shù)據(jù)采集與輸出支持下列信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)：4-20mA輸入/輸出、開關(guān)量輸入/輸出、熱電阻（熱電偶）輸入、脈沖信號(hào)輸入。能夠與主流ERP系統(tǒng)雙向傳遞數(shù)據(jù)，符合S95標(biāo)準(zhǔn)（IEC/ISO 62264：企業(yè)管理-控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)），能共同實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)、檢修和維修等計(jì)劃的安排。

4 ?M型苗床故障診斷和維護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

4.1 ?M型苗床故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

設(shè)備群的管理、故障診斷和維護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備模塊、系統(tǒng)的軟件模塊及其與其它管理信息系統(tǒng)的集成等關(guān)鍵技術(shù)[3]。在已有的工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建統(tǒng)一的車間控制網(wǎng)絡(luò)。開發(fā)和利用各種通訊接口，使其向下能與具有各種現(xiàn)場(chǎng)總線，串行通訊RS485、RS232接口的設(shè)備連接，向上通過(guò)以太網(wǎng)的兼容性能與Internet/Intranet（互聯(lián)網(wǎng)/內(nèi)聯(lián)網(wǎng)）集成，為設(shè)備信息的收集、傳遞、處理，設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)管理、維護(hù)提供高效、便利的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，是整個(gè)系統(tǒng)的支撐環(huán)境。

4.2 ?嵌入式模塊的數(shù)據(jù)處理、采集與遠(yuǎn)程傳輸

針對(duì)M型苗床故障診斷與數(shù)據(jù)采集需求，開發(fā)不同的I/O數(shù)據(jù)采集模塊（如4-20mA輸入/輸出模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、熱電阻（熱電偶）輸入模塊等），將這些參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，如量程轉(zhuǎn)換等，并存儲(chǔ)于嵌入式設(shè)備中，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、Internet/Intranet提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的硬件平臺(tái)。

4.3 ?基于嵌入式Web服務(wù)器的軟件模塊

用戶可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的互連網(wǎng)瀏覽器訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)M型苗床的運(yùn)行狀況，及時(shí)準(zhǔn)確的判斷現(xiàn)場(chǎng)苗床設(shè)備的故障原因，它是一種更直接、更正確、更及時(shí)的本地診斷維護(hù)技術(shù)，同時(shí)為苗床設(shè)備增加了遠(yuǎn)程監(jiān)控/監(jiān)視的功能。

4.4 ?嵌入式的I/O配置及苗床設(shè)備診斷配置軟件

考慮到M型苗床診斷與維護(hù)的需求及同行業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品需求。為擴(kuò)充嵌入式設(shè)備的I/O連接能力，考慮開發(fā)I/O配置模塊。通過(guò)I/O配置能夠方便靈活的連接不同的I/O變量，用戶可以自定義I/O變量的量程、I/O變量的工位號(hào)、I/O變量的相關(guān)說(shuō)明等。客戶或者設(shè)備制造商的遠(yuǎn)程服務(wù)中心，可以根據(jù)這些信息管理設(shè)備（如安排生產(chǎn)或檢修）、維護(hù)診斷現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備[4]。苗床設(shè)備診斷軟件既可運(yùn)行在嵌入式設(shè)備中，提供簡(jiǎn)單的生產(chǎn)運(yùn)行、診斷功能，如操作參數(shù)、上下限報(bào)警、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)錯(cuò)誤等;又可運(yùn)行在異地的遠(yuǎn)程服務(wù)器上，提供苗床設(shè)備生產(chǎn)管理、遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)服務(wù)。

5 ?苗床設(shè)備故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)的集成

5.1 ?苗床設(shè)備帶故障運(yùn)行過(guò)程的故障檢測(cè)與診斷策略

將容錯(cuò)技術(shù)拓展到過(guò)程辨識(shí)與狀態(tài)監(jiān)控領(lǐng)域，研究對(duì)歷史故障具有容錯(cuò)能力的信號(hào)處理方法，并以容錯(cuò)估計(jì)、容錯(cuò)辨識(shí)和容錯(cuò)濾波等新算法為工具，進(jìn)行設(shè)備帶故障運(yùn)行決策。針對(duì)設(shè)備管理、診斷、維護(hù)知識(shí)，建立符合苗床特點(diǎn)的故障診斷專家系統(tǒng)。

5.2 ?基于S95（IEC/ISO 62264：企業(yè)管理控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)）的集成框架

由于基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備管理系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)，涉及的學(xué)科領(lǐng)域面廣，各領(lǐng)域術(shù)語(yǔ)與模型不一致，因此急需在S95標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，開展苗床設(shè)備故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)、模型的標(biāo)準(zhǔn)化研究和應(yīng)用推廣工作，并建立苗床設(shè)備故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)的合理框架結(jié)構(gòu)[5]。

5.3 ?苗床設(shè)備故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)的集成

基于S95標(biāo)準(zhǔn)，將苗床管理模塊納入已有的ERP系統(tǒng)中，或者開發(fā)ERP系統(tǒng)設(shè)備管理模塊的接口;實(shí)現(xiàn)企業(yè)自有設(shè)備組件的排產(chǎn)、維護(hù)等工作;實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備維護(hù)零部件、費(fèi)用的準(zhǔn)確管理。設(shè)備供應(yīng)商/制造商還可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的售后維護(hù)，減低售后維護(hù)成本。

6 ?結(jié) ?論

M型苗床應(yīng)用現(xiàn)代通訊技術(shù)，在系統(tǒng)管理和過(guò)程控制方面進(jìn)行全面滲透，充分利用了信息技術(shù)提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。通過(guò)濕、溫、光等傳感器苗床流水線系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線寬帶與中央數(shù)據(jù)模塊處理信號(hào)互聯(lián)可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在線精準(zhǔn)控制和智能化控制功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)人看守，大大提高了設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度，也提高了工作效率。

在制造企業(yè)“信息化、自動(dòng)化”融合的背景下，促進(jìn)制造企業(yè)的升級(jí)和轉(zhuǎn)型，設(shè)備的故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用，就是裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)和高附加值產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)重要發(fā)展方向。實(shí)現(xiàn)設(shè)備維護(hù)的現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化已經(jīng)成為安全高產(chǎn)高效生產(chǎn)的重要保障，可以提高設(shè)備的可靠性、高附加值，開辟了新的商務(wù)活動(dòng)空間，增強(qiáng)客戶對(duì)設(shè)備品牌的信任度和認(rèn)可度，增強(qiáng)設(shè)備制造商的競(jìng)爭(zhēng)能力，有利于擴(kuò)大市場(chǎng)。

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作者簡(jiǎn)介：張慎杰（1986-），男，漢族，福建福州人，技師，研究方向：機(jī)電控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù);通訊作者：趙江平（1965-），女，漢族，山西太原人，教授，碩士，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)教學(xué)與研究。