金鹏铝业CIMS工程生产监控系统设计.doc

南京金鹏铝业有限公司现代集成制造系统（JP-CIMS）生产监控系统设计报告南京金鹏铝业有限公司 联合设计组南 京 理 工 大 学一九九九年十一月JP-CIMS/MES系统生产监控系统设计报告1 概述制造执行系统是JP-CIMS的底层，也是系统重要的组成部分。它是直接制造出产品的部门，产品质量、制造能力和水平与底层有着直接关系。MES分系统由车间作业管理、车间物料管理、生产监控和加工制造四个子系统组成。目前，虽然车间生产设备较少且自动化程度也较高，但系统基本上都采取仪表控制和PLC控制，封闭性强，实时的设备状态数据、生产过程参数等无法被MES系统中其它分系统如车间作业管理系统共享。为此，建立一个能够对生产过程进行实时状态监测和历史数据分析的生产监控系统，是保证制造执行系统能够更彻底实施和有效发挥作用的有力保证，也是实施JP-CIMS的一个重要环节。它将为企业现代化生产管理提供可靠条件，使生产管理人员能够及时、合理、有效地指导生产。2 系统总体需求分析21产品生产现状1） 设备现状目前产品制造设备有：铝棒燃油熔炼炉、挤压成型生产线、表面处理的氧化着色生产和静电粉末喷涂、生产线以及制造模具的数控电火花机床、数控线切割机床和其它通用机床。试验检测设备主要有：光谱分析仪、万能材料试验机、硬度计、氧化膜测厚仪等。全部设备具有年生产2万吨的能力，但目前每年仅生产5千吨左右；1996-1998三年累计生产铝型材12155吨，其中1998年生产4099吨。2） 生产工艺流程整个生产核心过程包括三部分，为熔铸、挤压和氧化。熔铸的工艺流程为：装炉熔炼铸棒。挤压的主要工艺流程为：铝棒加热挤压淬火机上首检和中断锯切冷床上冷却后检验张拉矫直型材检验定尺锯切装入成品料框人工时效检验时效后型材硬度转入下道工序。氧化车间的工艺流程为：上架脱脂水洗碱蚀水洗中和水洗阳极氧化水洗纯水洗电解着色水洗水洗封孔吹干下架包装。3）主要问题目前，生产主要存在如下不足：在挤压生产线上，铝棒的上料和向炉中喂料均为手工作业，工人劳动强度大；生产柔性不够，不能快速应变；对某些工艺过程缺少高水平的控制，没有闭环自动控制系统，有时造成产品质量不够稳定，甚至出现废品；没有实现对生产过程的实时监控，无法实时了解设备运行状态信息及关键的生产工艺参数信息； 由于缺少实时生产监控系统，难以满足生产管理现代化和科学化的需要。以上不足，有些是由于设备先进性不够造成的，另一部分则可以通过加强对制造信息的采集处理和实时监控来得以克服。22 功能需求 基于对目前生产过程中存在问题的分析以及MES的总体要求，生产监控系统总体上应具有以下功能，分布在现场控制级和上层监控级上，各级具体功能如下：现场控制级 生产过程控制； 生产过程数据采集与处理； 设备状态数据采集与处理； 报警与紧急事件处理； 与上位机实时通信。监控级设备状态监控；关键工艺参数监控；历史数据收集、归档和分析；数据分析及参数优化；信息集成服务。23 信息需求基于生产监控系统的功能需求，确立其信息需求如下：（1）MES系统及上层系统下达给生产监控系统的信息 工艺指标 质量指标 设备维修计划 质量计划 生产质量分析数据（2）生产监控系统的上报信息 主要设备运行状况信息 关键工艺点信息（温度、压力、流量、速度等） 质量信息 （3）生产监控系统内部采集与处理的信息 生产工况信息 设备运行状态信息 生产安全保护信息 报警信息 控制参数 现场质量信息2.4 性能需求 生产监控系统的性能需求表现为： 实现与MES系统其它分系统的信息集成，并与JPCIMS其它分系统实现集成； 硬软件体系结构应具有较好的开放性； 良好的安全可靠性，系统要适应恶劣的工业环境 系统的人机界面友好，使用维护方便； 满足生产需要的实时多任务处理性能；经济实用。3 生产监控系统总体结构及模型31方案确立依据 符合JPCIMS及MES系统的结构要求。 具有良好的开放性，便于未来升级换代。 强调实用、可靠、投入较低。 充分利用现有的底层控制系统。 实现监控系统内部及与其它子系统的集成。 硬软件采用成熟可靠的技术。总体规划，分步实施。3.2 生产监控系统总体逻辑结构为满足上述监控系统的设计需求，需要建立一个合适的现场数据采集和处理网络。应用LonWorks现场总线技术建立一个现场监控网络将可以解决上述问题，一方面，选择合适的LonWorks节点将可以在维持底层控制现状的情况下，将所监控的设备状态信息和关键工艺参数以数字信号形式传输到上位监控计算机；一方面LonWorks节点本身同时具有运算和网络通信功能，在现场就地完成数据采集和处理的同时，可以以网络变量的形式实现节点之间以及节点与上位监控计算机的通信；另外，LonWorks现场智能节点不仅可以向监控计算机传送测量数据，而且可以传输现场设备的各类诊断数据，借助LonWorks网络管理和图1 系统总体结构图维护工具可以方便实现对现场监控网络的管理和维护，增强了监控系统的自检能力，也为设备管理提供了有益的帮助。由此，建立基于LonWorks现场总线技术的生产监控系统总体结构如图1所示。33 生产监控系统功能模型功能模型树生产监控系统功能模型树如图2所示，1）实时数据采集与处理；2）生产实时监控；3）生产控制与参数优化数据采集与处理 数据采集与处理负责完成对现场信号的采集与处理功能，包括对温度、压力、流量、电压、电流等模拟信号以及开关状态信号的采集，以及A/D转换等数据处理功能，包括信息采集、信号处理和信号传输。生产实时监控生产监控是提供系统运行状况信息的直接保证，它包括过程监控、设备监控、监控组态以及历史数据回顾四个部分。控制与参数优化控制与参数优化一方面通过底层PLC、仪表等完成对生产过程的控制，同时通过对生产历史数据的分析和处理，对工艺参数进行优化，调节现场设备的控制性能，它包括工艺参数设定、生产控制和参数优化。图2 生产监控系统功能模型树IDEFO图生产监控系统的功能模型采用IDEF0图方法来描述，如图3所示（具体各功能模块IDEF0见附件1）。A4图说明A4图说明：1 生产监控系统由数据采集与控制、生产实时监控、控制及和参数优化等三个功能子系统组成。2各子系统的功能分别为： 数据采集与处理 数据采集与处理负责完成对现场信号的采集与处理功能，包括对温度、压力、流量、电压、电流等模拟信号以及开关状态信号的采集，以及A/D转换等数据处理功能，包括信息采集、信号处理和信号传输。 生产实时监控生产监控是提供系统运行状况信息的直接保证，它包括过程监控、设备监控、监控组态三个部分。 控制与参数优化控制与参数优化一方面通过底层PLC、仪表等完成对生产过程的控制，同时通过对生产历史数据的分析和处理，对工艺参数进行优化，调节现场设备的控制性能，它包括工艺参数设定、生产控制和参数优化。 3生产监控系统功能模型的输入为生产指令以及内部过程及设备的控制信息如采集指令、控制算法等；输出为包括生产过程控制信息、生产优化信息、监控信息以及故障诊断报告等。34 信息模型 （1）信息关系生产监控系统的信息流主要表现在系统内部各功能模块之间的信息传输以及与PBS等其它系统的信息集成，信息传递关系模型如图3所示。图3 生产监控系统信息流示意图（2）实体、属性与联系生产监控系统主要实体名、实体属性、实体联系矩阵见附件1。 4 生产监控系统详细设计41 系统分析（1）设计总体思路整个核心生产过程包括熔铸、挤压和氧化，分布在熔铸车间、挤压车间和氧化车间。由于目前生产过程的控制已经基本实现仪表控制和PLC控制，控制效果较好、自动化程度较高，所以在设计生产监控系统时，力求在维持底层控制现状的情况下，增加对生产过程中设备状态信息、关键工艺参数的采集与处理和实时监控等功能，以进一步提高生产科学化管理的水平。（2）信号部分模拟量信号输入：将生产现场的各种温度信号、压力信号、流量信号、电气设备状态信号（电机电流、电压、转速等）等模拟量信号，经过信号处理转换成标准信号送入计算机。开关量信号输入：挤压机开启信号、风机开启信号、油枪指示信号、设备状态信号等。输出信号 主要是报警信号输出，如铝锭加热温度超限报警等。所有信号如表1所示。表1 现场信号一览表序号信号信号类型信号点数信号源信号类属1熔炼温度AI2热电偶输入熔铸车间2铸造温度AI2热电偶输入熔铸车间3铸造速度AI1速度传感器送入熔铸车间4电机转速AI1转速传感器输入熔铸车间5电机电压AI1变送器输入熔铸车间6铝液流量AI1流速表输入熔铸车间7冷却水温度AI1温度传感器输入熔铸车间8冷却水压力AI1压力传感器输入熔铸车间9烟道风机1状态DI1开关装置输入熔铸车间10烟道风机2状态DI1开关装置输入熔铸车间11熔炼炉开停状态DI1开关装置输入熔铸车间12铝锭加热温度AI2热电偶输入挤压车间13模具加热温度AI2热电偶输入挤压车间14挤压筒温度AI1热电偶输入挤压车间15挤压速度AI1速度传感器输入挤压车间16挤压压力AI1压力传感器输入挤压车间17时效温度AI4热电偶输入挤压车间18风机状态DI1开关装置输入挤压车间（铝棒）19油枪状态DI1开关装置输入挤压车间（铝棒）20风机状态DI1开关装置输入挤压车间（模具）21油枪状态DI1开关装置输入挤压车间（模具）22挤压机开停状态DI1开关装置输入挤压车间23氧化温度AI8热电偶输入氧化车间24氧化电流AI8变送器输入氧化车间25着色电压AI8变送器输入氧化车间26熔炼温度报警DO1送报警装置熔铸车间27铸造温度报警DO1送报警装置熔铸车间28铝锭温度报警DO1送报警装置挤压车间29模具温度报警DO1送报警装置挤压车间30挤压筒温度报警DO1送报警装置挤压车间31挤压速度报警DO1送报警装置挤压车间32挤压压力报警DO1送报警装置挤压车间33氧化温度报警DO8送报警装置氧化车间（3） 数据处理部分根据系统的功能需求及功能模型设计，具体确定数据处理部分所应具有的功能如下：数据采集与处理 对设备的开、停、维护等工作状态进行监视，对运行的生产过程进行连续监控，对设备状态参数、关键工艺参数等进行实时信号采集并进行存储，动态刷新。数据存储分为即时数据和历史数据两类。将实际采样值与给定的工艺参数进行比较和动态显示。当它们之间的差值超出给定的上下限范围时就按规定流程进行报警输出，包括灯光、蜂鸣器等。数据显示 包括监控总貌显示、组貌显示、趋势曲线和查询显示、报警数据显示等。数据存储 系统要能够保持半年到一年的主要工艺参数并能对这些历史数据进行分析，找出控制质量最优的组合参数，从而指导和提供当前生产工艺流程的参数设置和控制。系统自检功能 为了增强系统的可靠型，系统应能够带有自检功能，包括硬件自检和软件自检，发生故障时，系统应能够具有较强的自修复能力。信息集成 监控系统的监控信息应能够为其它相关系统共享并可接受其它系统的信息和指令。42 系统硬件设计（1） 硬件选型监控计算机 考虑到整个生产过程分布在熔铸、挤压和氧化三个车间，并综合考虑主机处理速度、扩充能力、插槽数目，拟选用PentiumII档次标准配置的工业控制计算机和18in彩色显示器、鼠标、键盘共三套作为系统主机。LonWorks节点模块 根据现场的模拟量、数字量信号类型选取相应的LonWorks节点模块。LonWorks通信模块 选用带PCNSI网络接口卡与LonWorks网络相连，三台监控计算机共选用三套。 打印机及UPS共三套。网络设备，包括LonWorks路由器、终端适配器等。（2） 硬件型号表上位机及网络序号设备名、型号厂家单位数量1工控机PII233台湾研华台32UPS待定台33喷墨打印机待定台34PCNSI网络接口卡美国Echelon块35FTT SMX收发器美国Echelon块36通用网络终端适配器上海自仪所块67Belden 8471电缆美国Belden米待定824V电源，150W日本Nemic-Lambda台39接线器、DIN导轨等不定套3节点设备序号设备名、型号厂家单位数量18通道热电偶输入待定块62模拟量输入节点待定块42开关量输入节点8路干触点输入（5-32VDC） 上海自仪所块23开关量输出节点8路（18-26VDC）上海自仪所块4（3） 系统配置图系统配置图如图2所示。（详见附件3）图2 系统配置图图3 功能分解图43 软件设计（1）系统功能设计按照模块化结构化设计原则，从粗到细，由表及里进行功能细化，直至每一功能块都能清楚表达并易于实施为止。按照监控系统的总体功能需求和具体设计需求，系统功能分解如图3所示。（2）系统软件方案设计根据功能分解图进行具体的软件设计，需要确定系统软件的开发工具和开发策略。开发工具主要包括三部分，一是开发系统平台，二是LonWorks节点开发工具，三是上位监控软件开发工具，具体如下： 开发平台 Windows 95 操作系统 节点程序开发工具 Nodebuilder 、LonManager LonMaker 监控软件开发工具 Wonderware2000 Intouch 、LonManager DDE Server 数据库平台 MS SQL Server数据库整个生产监控系统的软件模块由两部分组成，一是节点内部的数据采集与处理程序模块，由Nodebuilder 、LonManager LonMaker节点开发工具来实现；二是监控计算机上运行的监控软件模块，由Wonderware2000 Intouch 结合LonManager DDE Server提供的数据通信功能来实现。根据上面的系统功能设计，确定系统软件模块及其开发策略如下：节点程序设计（Nodebuilder 、LonManager LonMaker）：数据采集信号处理A/D转换其它图4节点开发流程节点开发过程如图4所示，具体节点程序流程如图5所示。图5 节点程序流程数据通信模块（LonManager DDE Server）人机界面软件设计（Wonderware2000 Intouch）工序流程图：包括静态流程图、动态模拟、动态测试点参数显示；设备状态监控：包括设备的开停状态、正常、异常状态等的监控；报警设置及处理：设置报警类型、上下限等；数据显示表：对于不同生产工序，设计出综合参数显示表；参数趋势图：实时监测关键工艺参数的变化趋势，分析工艺点的历史趋势情况；数据管理：将历史数据定期转存到数据库，并可调入历史数据进行分析；报警监控及查询：对各处的实时报警和历史报警进行实时监控和查询；打印模块：打印实时生产流程图、数据表、趋势曲线、故障报警等。整个监控软件流程图如图6所示。图6 监控软件流程（4） 监控软件主要界面设计 挤压车间流程监控、工艺参数监控界面如图7所示。图7 挤压车间监控界面熔铸车间流程监控、工艺参数监控界面如图8所示。图8 熔铸车间监控界面报警记录查询界面如图9所示。图9 报警记录查询界面趋势图监控界面如图10所示。图10 趋势监控界面数据管理监控界面如图11所示。图11 数据管理界面5 系统接口设计5 1集成方案考虑到生产监控系统是MES系统的一个有机组成部分，在实施生产监控系统中，不仅要考虑到车间生产监控系统内部监控级与底层监控网络的信息集成，还需要考虑到生产监控系统与MES中其它功能模块以及JP-CIMS其它分系统如PBS的集成问题。这里给出一个初步的集成方案，如图6所示。图6 集成方案图52 软件接口软件接口包括两部分，一是生产监控系统上层监控软件与底层监控节点网络的接口，也即内部软件接口；二是生产监控系统与其它功能子系统的接口，即外部软件接口。（1） 生产监控系统内部软件接口在车间底层监控网组网完成之后，监控网络与上层监控计算机之间信息的交换，是通过Lonmanager DDE Server来完成的，内部接口方式如图7所示。 图7 内部接口方式（2）生产监控系统外部软件接口运用InTouch SQL Access Manager来实现Intouch和后台数据库MS SQL Server的数据交换，从而为生产监控系统与其它分系统的信息集成提供基础。外部接口方式如图8所示。InTouch SQL Access Manager提供SQL数据库与InTouch 应用之间的数据通信，如将实时运行数据，报警状态或历史数据存入SQL库中，或反过来，也可以将SQL库中的有关生产管理数据送给InTouch 。53 硬件接口这里所指的硬件包括计算机、底层节点模块、部分可以提供集成接口的设图8 外部信息交换机制备，在系统中，它们通过以下接口方式连接：LonWorks适配器PCNSI；LonWorks路由器；网卡3C905；RS232/422/485接口等。6 车间组织结构、人员配置和培训计划61 车间组织结构、人员配置车间组织结构基本维持现状，在生产监控系统实施之后，需对车间人员配置进行适当调整。首先每个车间增加车间监控系统管理员一人，能够对监控系统进行日常管理和维护，必要情况下还可对系统进行必要的修改和调整。另外每个车间增加操作员一名，能够进行一般的系统操作，数据备份、维护，数据打印等日常事务。62 培训计划通过培训，使系统使用人员能够对监控系统的一般原理有所了解；使系统管理员能够对系统进行必要的管理、维护以及修改等工作；使系统操作