制絲線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李剛 張常記 唐茂滔 劉堯 田勇

（四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司什邡卷煙廠 四川省什邡市 618400）

工廠制絲自動(dòng)化生產(chǎn)線從2004年投入運(yùn)行，距今已有十多年，因受當(dāng)初信息技術(shù)的限制和工藝分析的淺顯需求，該自動(dòng)化系統(tǒng)并未提供工藝統(tǒng)計(jì)分析和開(kāi)放的過(guò)程數(shù)據(jù)，造成工藝分析工作仍然是基于傳統(tǒng)的作業(yè)流程，并進(jìn)行簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)分析。

但隨著工藝要求越來(lái)越高，工藝分析也變得越發(fā)復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)的需求也越來(lái)越大，傳統(tǒng)的作業(yè)流程讓工藝人員的工作負(fù)擔(dān)越來(lái)越大?；谶@個(gè)考慮，工廠立項(xiàng)研究自動(dòng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)建立自動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。

1 整體系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1，OPC數(shù)采服務(wù)器實(shí)時(shí)從PLC讀取I/O數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)以約定的頻率發(fā)送給SQLSERVER數(shù)據(jù)庫(kù)。SQLSERVER數(shù)據(jù)庫(kù)主要功能是保存數(shù)據(jù)，并和Web服務(wù)器一起共同提供網(wǎng)頁(yè)式的數(shù)據(jù)查看分析功能，技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1.1 建立SQL數(shù)據(jù)庫(kù)

利用工廠機(jī)房已有SQLSERVER數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器建立制絲數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)工藝提出的工藝點(diǎn)指標(biāo)采集目錄，以工藝段為基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)庫(kù)表?？紤]到要根據(jù)牌號(hào)，批次等來(lái)查詢的需求，應(yīng)在表中存儲(chǔ)牌號(hào)，批次等供條件查詢。這類表包括：潤(rùn)葉回潮段采集表、葉片加料段采集表、烘絲干燥段采集表、在線干燥段采集表、混絲摻配段采集表、煙絲加香段采集表、梗處理段采集表、切梗加料段采集表、梗絲干燥加香段采集表。

為保存統(tǒng)計(jì)結(jié)果和維護(hù)數(shù)據(jù)，在SQLSERVER數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)牌號(hào)表、工序表、統(tǒng)計(jì)表。這類表包括：葉線配方表、梗線配方表、葉線工序指標(biāo)表、梗線工序指標(biāo)表、葉線批次統(tǒng)計(jì)表、梗線批次統(tǒng)計(jì)表、重量消耗表、生產(chǎn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表。

1.2 建立OPC數(shù)采服務(wù)器

OPC全稱是基于過(guò)程數(shù)據(jù)的對(duì)象連接與嵌入技術(shù)，它的出現(xiàn)為基于WINDOWS架構(gòu)的程序和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制系統(tǒng)建立了橋梁。通過(guò)OPC，我們可以把現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制的數(shù)據(jù)讀到基于WINDOWS的電腦中，這為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集提供了基礎(chǔ)。

1.2.1 配置OPC站點(diǎn)

通過(guò)上面的結(jié)構(gòu)圖我們知道，OPC數(shù)采服務(wù)器既要讀工業(yè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，還要將數(shù)據(jù)傳送到機(jī)房核心網(wǎng)中，方案中通過(guò)OPC數(shù)采服務(wù)器配置兩張以太網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的連通。

各自動(dòng)化產(chǎn)品公司提供了一整套配置OPC數(shù)采服務(wù)器的方法，其中最重要的一步就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件設(shè)置工業(yè)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路，使數(shù)據(jù)可以從各PLC傳送到OPC數(shù)采服務(wù)器。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集

在OPC站點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用具備強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫(kù)功能組件的開(kāi)發(fā)程序DELPHI和ADO技術(shù)開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入程序，完成數(shù)據(jù)采集功能。

基本的程序思想是：首先判斷段任務(wù)是否執(zhí)行，若執(zhí)行則觸發(fā)定時(shí)器執(zhí)行，依次將通過(guò)OPC讀出的過(guò)程數(shù)據(jù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了分擔(dān)數(shù)據(jù)庫(kù)的瞬時(shí)工作壓力，采用分時(shí)寫(xiě)入將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，采用定時(shí)器控制著具體工藝段的數(shù)據(jù)寫(xiě)入的觸發(fā)，并且是分時(shí)隔觸發(fā)的。

1.3 建立WEB訪問(wèn)平臺(tái)

考慮到終端用戶較多和后期的運(yùn)行維護(hù)，訪問(wèn)平臺(tái)更適宜于B/S架構(gòu)。本項(xiàng)目運(yùn)用當(dāng)前流行的ASP.NET動(dòng)態(tài)服務(wù)器畫(huà)面技術(shù)，以MICROSOFT VISUAL STUDIO（以下簡(jiǎn)稱VS）為開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了WEB訪問(wèn)平臺(tái)。

在VS中新建了網(wǎng)站類型的項(xiàng)目后，作為一個(gè)以訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心業(yè)務(wù)的平臺(tái)，首先要配置數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)接。默認(rèn)根目錄中有自動(dòng)創(chuàng)建的文件Web.config，它用來(lái)儲(chǔ)存Web應(yīng)用程序的配置信息，所有的子目錄都繼承它的配置設(shè)置，數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)接配置如下:

表1：制葉工序的權(quán)重分配表

只要在子程序中聲明是sqlDatabase類，即可在子程序中使用已定義好的組件。比如查詢?nèi)~片工藝1段的總記錄數(shù)，只需簡(jiǎn)單的一句MYDB.ReturnSQL(‘select count(*) from zs1’ )即可得到結(jié)果。

2 開(kāi)發(fā)統(tǒng)計(jì)分析功能

在完成web平臺(tái)建立以后，針對(duì)工藝的實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)具體統(tǒng)計(jì)分析功能。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)

上文已經(jīng)提到在工藝段任務(wù)開(kāi)始后數(shù)據(jù)庫(kù)即開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，但是在某些時(shí)候，數(shù)據(jù)是無(wú)效的，比如：料頭、料尾、斷料；對(duì)于水分，溫度等，在未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)也是無(wú)效的。對(duì)于這些數(shù)據(jù)的剔除，是通過(guò)定義有效數(shù)據(jù)值的延時(shí)來(lái)解決：在料頭時(shí)，大于有效值，延時(shí)三分鐘，在料尾時(shí)，小于有效值，后退三分鐘。

規(guī)格線是工藝用來(lái)判定數(shù)據(jù)是否合格的范圍，數(shù)據(jù)處于這個(gè)范圍內(nèi)的即為合格的數(shù)據(jù)，再與有效數(shù)據(jù)相除，即是該工藝指標(biāo)的合格率。

在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立配方表用于管理規(guī)格線和數(shù)據(jù)剔除線，并在WEB頁(yè)面上顯示,并提供管理員編輯修改功能。

2.2 批次分析

批次分析功能包括查詢和計(jì)算提供各工序點(diǎn)的平均值、合格率、標(biāo)偏，并以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，導(dǎo)出到EXCEL表用于判定整批次是否合格和整批次的過(guò)程加工能力是否達(dá)到要求。

基本的程序思想是：針對(duì)不同的源數(shù)據(jù)表中，根據(jù)查詢條件（如批次、牌號(hào)、生產(chǎn)時(shí)間），用select max/min(*)語(yǔ)句查詢最大值和最小值；用 select avg(*)語(yǔ)句查詢平均值；用 select stdev(*)語(yǔ)句查詢標(biāo)準(zhǔn)偏差；用select sum(規(guī)格線范圍內(nèi)的個(gè)數(shù))/select sum(有效數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù))來(lái)計(jì)算合格率。

由于計(jì)算程序復(fù)雜，又存在著大量的數(shù)據(jù)庫(kù)操作，造成計(jì)算緩慢，因此將結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，避免二次查詢時(shí)造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。

為了實(shí)現(xiàn)工藝上批次合格判定和過(guò)程能力評(píng)價(jià)的信息化，我們建立了葉線檢驗(yàn)表和西格瑪水平表，通過(guò)批次工藝數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，自動(dòng)生成判定結(jié)果和評(píng)價(jià)結(jié)果。

程序?qū)崿F(xiàn)上，即按要求把程序計(jì)算得出的工藝結(jié)果寫(xiě)入表格規(guī)定的格子中。對(duì)于一張已有數(shù)據(jù)的EXCEL表，首先要判斷該批次是否存在，系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句，從Excel表的第一排數(shù)據(jù)開(kāi)始，用批次與即將寫(xiě)入的批次做對(duì)比，沒(méi)有該批次即寫(xiě)入，程序思路如下：

EXCEL模板編輯的有公式，在寫(xiě)入數(shù)據(jù)以后會(huì)自動(dòng)判定各工藝點(diǎn)的合格率，進(jìn)行扣分，然后統(tǒng)計(jì)扣分項(xiàng)，得出批次判定結(jié)果。

西格瑪水平的評(píng)價(jià)方式有所不同，整批次西格瑪水平高低是由各工序的合格率和各工序?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量重要性共同決定的，我們通過(guò)權(quán)重值來(lái)量化工序?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量的重要性。如制葉工序，其權(quán)重分配見(jiàn)表1。

需要注意的是，用于過(guò)程能力計(jì)算的工序指標(biāo)合格率是基于區(qū)間概率計(jì)算得出的，其公式為：

μ為平均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，Ф為正態(tài)累積分布函數(shù)NORMSDIST。

制葉工序的合格率如下，權(quán)重分作為合格率的指數(shù)來(lái)計(jì)算：

Y1=A0.30×B0.20×C0.20×D0.30………

同理，得出制絲工序的合格率Y2，整個(gè)葉線的合格率為：

用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)累積分布函數(shù)的反函數(shù)NORMSINV，既可得出西格瑪水平。

以上公式均在EXCEL模板中實(shí)現(xiàn)，采用相同的方法寫(xiě)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，自動(dòng)生成評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.3 其他統(tǒng)計(jì)分析功能

項(xiàng)目組在WEB平臺(tái)上還開(kāi)發(fā)了多種查詢統(tǒng)計(jì)分析功能，如提供多種查詢方式源數(shù)據(jù)查看和導(dǎo)出，全線秤累計(jì)量的統(tǒng)計(jì)和查看，生產(chǎn)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)等等。相對(duì)于批次分析來(lái)說(shuō)，技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，不在本文闡述。

3 總結(jié)

本文闡述總結(jié)了一套在老舊自動(dòng)化系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的方法，對(duì)于投資有限、又有急迫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息化運(yùn)用的需求的改造項(xiàng)目具有較大的借鑒意義。