基于LabVIEW的增压器生产线数据采集和监控系统设计

饶立雯 ， 兰 锋 ， 孙聚川

（中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201111）

随着汽车制造业技术数字化、网络化、智能化发展，自动化设备、视觉检测、智能识别、人机交互、网络通信技术等先进技术的深度融合与集成，自动化生产线对于生产数据的信息化要求越来越高。准确地对生产过程中的各类数据信息进行有效的采集处理，及时地将数据信息进行记录并上传给上层管理系统，并能够在后期准确地追溯生产数据，对企业生产的高效管理极其重要。

1 增压器零部件生产线工艺流程

增压器零部件生产线9个工站按生产工序的顺序实现生产加工，生产线布局如图1所示，具体的工艺流程如图2所示。

图1 增压器零部件生产线布局图

图2 增压器零部件生产线流程图

1.1 人工上料

人工将产品零部件按照正确的方向和位置放置在托盘上；每个型腔都要确保相对应的产品零部件位置准确；人工确认后把托盘放到生产线上。托盘上还有RFID芯片，记录每一工站的生产信息。

1.2 读码/机械防呆/激光打码/打码评级

该工站的作用是检测产品上是否存在二维码，判别是否为返工件，返工件集中返修。

识别为返工件，在数据库中检索当前状态，进一步处理时取决于产品实际状态。工件托盘上的所有零部件在机械防呆工位中检查是否有料并进行防呆检查。

识别为非返工件，激光打码，DMC的内容按照规范进行设定，检查判别二维码质量，DMC质量A、B、C是合格的，从D开始设置为不合格，并通知生产线操作员。上位机绑定二维码。

机械防呆工位可以防止批量生产过程中流入错误型号的零部件和错误装配的物料和工件托盘；每个机械防呆工位发生报警的工件托盘都会返回到人工上料工位，并在控制面板上显示不合格位置。在将正确的零部件安装确认后，工件托盘重新通过读码工位后进入机械防呆工位确认。

带不合格零部件的工件托盘也可以设置为不合格，进入到NG品下线区域。

1.3 压装工站

该工站的作用是将产品零部件自动安装，通过固定销连接驱动环并将其旋转到目标位置，通过工件托盘上的卡紧来固定驱动环的位置。

另一种零部件由振动盘供料，自动安装，确保零部件和产品角度对齐。

自动上料时零部件至少能够一次性投入2 000个以上，满足装配线4小时连续生产；缺料时通过声光报警进行加料提示。

零部件自动上料必须识别正确方向，零部件的压装过程有力和位移的监控，数据采集系统自动将数据传输到上位机，并与二维码绑定。

1.4 旋铆工站

该工站的作用是使用搬运机器人完成零部件与产品的合装；使用一个压紧装置，用来固定铆接时的工件，自动完成旋铆过程。

铆头寿命计次更换，次数可以通过HMI设置，达到次数HMI向操作者显示更换提示（带铆头型号标识）并由操作员进行更换后的确认；数据采集系统自动将旋铆机输出数据上传至上位机，并与二维码绑定。

1.5 间隙检测

该工站的作用是完成每个零部件的间隙测量，检测标准以图纸为准。

选择零部件全开或全闭过程中的一种状态进行一次间隙测量。

按照产品图纸要求完成测量同一工件下的全部数值的比较及均值计算。将检测数据上传至上位机，并与二维码绑定。

1.6 人工下料

该工站的作用是人工将组装检测过的产品下料；人工将零部件放置在托盘上的凹腔中。

清洁工位，净化托盘，保持清洁。

2 产线数据采集和监控方案设计

通过以上对该产线的工艺流程和各工站实现的功能的分析，可以得出该产线有以下几个特点。

2.1 控制点多

增压器零部件生产线控制设备数量多，每个工站需要独立控制，按照每一工站的工艺流程，控制或驱动设备进行相应工作。

2.2 数据存储量大

整个产线对生产过程数据存储的要求很高，最基本的数据流是在生产过程和生产管理过程中产生与采集的[1]。生产线上涉及多种零部件的压装、铆接和关键值检测，且每个过程都要有力和位移的监控，形成相应曲线且将数据上传至服务器，并与二维码绑定。数据量较大，需要工控机来实现相应数据的存储功能。

2.3 串行工作

各个工站串行工作，产品到每一工站需要确认上一工站结果合格方可进行本工站的工作，如果有工站的结果为不合格，之后的各个工站直接通过直至人工下料返修或报废。

结合以上的需求与特点，可以通过PLC控制每个工站的设备工作，客户端采集每个工站的生产数据，写入中控服务器进行数据汇总和机台监控，产品在各个机台间的输送通过RFID记录过站信息的方式实现增压器生产线数据采集和监控系统。而现代企业在提高产品生产效率和提升企业效益的同时，也本着降本增效的原则，通过一个客户端和PLC对应两个工站，在实现功能的同时也节约了硬件成本，减少了通信路数，增加了系统稳定性。整个增压器生产线数据采集和监控系统结构如图3所示。

图3 增压器生产线数据采集和监控系统结构图

3 客户端数据采集软件的实现

3.1 LabVIEW开发环境简介

LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了RS-485、RS-232、GPIB和VXI等协议的硬件及数据采集卡通信功能。它还内置了便于应用以太网通信、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件[2]。

图形化的程序语言，又被称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，可以增强人们构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率[3]。

3.2 数据采集系统设计

基于LabVIEW软件平台，通过TCP/IP通信，调用MXComponent控件与三菱PLC通信，通过CallLibraryFunctionNode（CLN）节点来完成RFID控制器DLL文件调用实现TCP/IP通信，把压机、旋铆机、间隙检测数据从设备端采集到本地，绑定产品二维码后将数据保存到监控系统服务器中。整个数据采集系统结构如图4所示。

图4 数据采集系统架构图

LabVIEW软件平台把上位机监控软件与下位机之间的通信很方便地进行了打通，相比传统的通过编译烦琐的代码，大大降低了技术门槛，从而缩短了开发周期，减小了开发难度。

3.3 数据采集系统硬件组态

3.3.1 RFID

RFID系统由读写头、电子标签及应用数据采集系统（软件）三个部分组成。当标签进入读写头识别范围后，接收读写头发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，读写头将数据传至控制器，控制器连接数据采集系统进行有关数据处理。RFID系统构成如图5所示[4]。

图5 RFID系统构成

本研究使用的RFID控制器上有4路端口，可以连接不同的读写头进行数据读取。本着降本增效的原则，本研究RFID的读取需求涉及不同工控机，连接多个控制器的不同端口，充分利用每一个端口。所以本研究使用的控制器使用TCP/IP的通信方式。每个控制器可以设置为单端口或多端口通信，本研究使用多端口通信，独立的TCP端口用于连接H1～H4。多端口插口连接可用于缩短对时间要求严格的应用程序的访问时间。

LabVIEW通过CallLibraryFunctionNode（CLN）节点实现RFID端口打开、读取、写入、关闭等功能，如图6、图7所示。

图6 端口打开程序框图，RFID读取程序框图

图7 RFID写入程序框图，RFID端口关闭程序框图

由于设置了多端口通信，控制器每一端口都要单独设置IP地址、端口号建立连接，读取、写入、关闭等功能则通过设置读写头号、起始地址、读写长度等来实现。

3.3.2 PLC

PLC控制就是一种可编程逻辑控制器的控制方式[5]，是采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

上位机客户端通过PLC的数据内容获取对应机台的运作情况，基于工业以太网的上位机客户端与PLC的通信组态过程如下：

本研究使用的是三菱PLC。首先，下载三菱MXComponent控件，MXComponent是三菱电机自动化公司发布的第三方通信软件包，可以通过简单方法实现从计算机至可编程控制器的通信[6]。安装完毕后进入Communication Setup Utility。

进入Target setting选项卡，点击Wizard，新建一个新的连接，设置相关的通信参数，包括PC侧通信方式，通信协议、PLC侧的IP地址、网络主从站设置等相关参数。

确保所有参数设置无误后，点击Connection test选项卡进行通信测试，测试ok后，完成组态。

当以上所有步骤进行完毕后，可以通过LabVIEW调用相关控件读写PLC指定地址的数据，如图8所示。

图8 LabVIEW通过读取PLC数据程序框图

3.3.3 压机、旋铆机等标准设备

扫码枪、间隙检测传感器等只读一个数据的设备，通过TCP/IP连接设备，直接发送读取指令，根据回数截取相关的生产数据，如图9所示。

图9 LabVIEW通过TCP/IP读取扫码枪数据程序框图

压机、旋铆机的数据由自带控制机记录，并保存为CSV文件存储在控制器本地。LabVIEW读取文件进行数据分析，形成过程曲线在界面显示，如图10所示。

图10 LabVIEW显示力和位移曲线图

4 服务器监控软件的实现

4.1 监控软件程序结构设计

LabVIEW软件支持多种通信方式。LabVIEW作为通信软件使用过程中主要分为三个层次实现功能。第一层是接口层，这一层处于整个通信功能实现的最底层，底层设备通过对现场信号的采集把信息传送给计算机。第二层是网络控制层，这一层主要负责对通信按照一定的协议（比如Ethernet、TCP/IP、UDP）进行约定并对整个通信过程进行统一调配，是整个通信部分的中间环节。第三层是应用程序层，在这一层上可以通过应用程序对通信获取的数据进行操作，获得所需信息，这一层是最顶层，也就是服务层。LabVIEW中支持的通信方式有共享变量、DataSocket、TCP和UDP、远程VI前面板、SMPTEmail几种方式[7]。本系统软件程序开发采用C/S结构，即客户端和服务器端的结构，C/S结构由于部分信息处理在客户端完成，能有效降低服务器的负荷，也会提高系统的运行效率[8]。监控系统架构如图11所示。

图11 服务器监控系统架构图

4.2 监控软件主要功能设计

1）人员登录权限。设置用户名和密码（可以增加和删除用户，只有进入系统后管理者才可执行该操作）；对进入系统的用户进行记录保存（包含用户、日期）。

2）数据采集、实时显示及存储。通过与PLC交互，存储各分站数据，包括产品编码、二维码、位移、压力、各站点图片、气压等；获取各站PLC的设置、RFID信息、IO状态，站点节拍显示、统计OK数量及NG数量、设备报警等相关信息。服务器实时获取各站点数据并根据界面要求实时显示及存储。

3）与外围系统的交互。与厂级MES交互，从MES获取生产计划单及物料信息，并实时给MES上传生产数据。

4）S/C（服务器/客户端）交互。

4.3 监控软件界面设计

4.3.1 状态栏

1）标题栏：显示页面名称、公司logo、当前时间。

2）登录状态栏：显示当前登录用户及权限，登入登出按钮。

3）菜单栏：显示中控系统功能界面，点击进行页面切换。

4）报警信息栏：显示当前报警信息。

4.3.2 界面

1）主界面可以实现生产过程的目视化管理。看板系统主界面，包括生产订单信息、当前工位运行状态、产线报警等信息。实时展示当前的生产计划、计划完成情况以及现场各工位的异常情况，对造成的总停线情况及分工位停线情况进行汇总、分析并显示。

2）站点界面可以查看全线设备状态，监控系统能够实时动态显示装配线上设备的实际运行状态，实现按照站点条件进行信息查看。各站点的机台信息通过共享变量进行交互，实时显示系统网络设备通信状态，设备实时通信数据，显示实时报警信息等。

3）参数设置界面用于压机、旋铆机参数在其控制器上进行设置，程序需要用专用软件打开并由IO切换程序，参数设置功能仅针对控制器中事先做好的程序进行切换，然后PLC控制IO切换。

4）通信监控界面显示的是服务器和各个工站、PLC之间的网络通信状态。

5）用户登录管理权限设置界面：本界面能够对中控系统的登录账户、口令、权限进行设置。

6）LOG查询界面可按时间、信息类型、数据量筛选log数据。

7）产量报表界面可按机台、时间、OK/NG等条件筛选，显示产量报表，报表数据可以导出。

8）产品追溯界面可通过输入二维码查询各个工位的生产数据，通过曲线按钮，可以查看相关工位生产过程中的曲线数据。

4.4 监控软件数据交互

4.4.1 数据库搭建

本研究通过LabVIEW基于配置ODBC数据源的方法访问SQL Serve数据库，手动配置ODBC数据源实际上是将数据源的相关信息写入注册表，而应用程序又是通过注册表中的相关信息来访问数据源的。因此，只要将与手动配置相似的注册表信息导入到注册表中，并由程序控制注册表中的相关内容就可实现ODBC数据源的动态配置[9]。首先打开ODBC，选择对应数据库的驱动。设置ODBC数据源名后，选择对应数据库文件，如图12所示。

图12 配置ODBC数据源界面图

新建一个udl文件，由于系统是64位的，但是LabVIEW和access连接的驱动是32位的，所以udl文件需要用命令提示符打开，否则找不到32位的ODBC数据源。命令提示符输入：C:Windowssyswow64 undll32.exe “C:Program Files (x86)Common FilesSystemOle DBoledb32.dll”, OpenDSLFile UDL文件路径。

下一步选择之前设置的数据源名，点击测试连接，测试成功则说明LabVIEW可以连接数据库。

4.4.2 共享变量

共享变量是一个比较新的概念，和LabVIEW中的全局变量类似，共享变量的属性及特点和全局变量基本一致，但是全局变量在少数使用时比较稳定，当在程序中大量使用全局变量时就会出现数据竞争的问题，共享变量的使用就完全避免了数据竞争的问题。除此之外，共享变量的使用范围要比全局变量大得多。利用网络发布的共享变量，可以在以太网上对共享变量进行读写操作。网络应用的处理完全由网络发布的变量完成。除了使数据在网络中可用，网络发布共享变量中还增加了许多单进程共享变量不能提供的功能[10]。本项目所使用的共享变量，实现了将PLC数据通过在客户端写入，如图13所示；在服务器解析后转换为设备状态信息显示，如图14所示。

图13 PLC数据转换为数组通过共享变量网络发布程序接口图

图14 共享变量解析后转换为设备状态信息接口图

5 结论

增压器生产线数据采集和监控系统的设计和研究，基于LabVIEW软件平台开发了针对增压器生产线的上位机数据采集和监控系统软件界面。在整个数据采集和监控系统的研发过程中解决了几个关键技术：

客户端上位机PC基于以太网MXComponent控件获取PLC生产运行数据和RFID过站信息，并进行采集记入数据库中；服务器上位机与4台客户端通过共享变量实现数据交互；数据库实现生产数据追溯。

通过仿真实验，本研究得到如下结论：

1）深入对LabVIEW和三菱PLC的通信交互，基于以太网MXComponent控件，实现了对PLC寄存器的批量读写功能，可以高效地打通上位机和下位机间的数据交互，提升了设备运行效率。

2）传统的监控软件主要针对单个下位机，或者整条生产线增加一台PLC主站，监控软件通过和主站PLC通过OPC通信实现设备监控，但是OPC读取效率较低而且需要提前组态。本研究结合MXComponent控件，可以不需要组态，直接读取指定地址的数据信息，通过共享变量网络发布给监控系统，可以提升通信的扩展性和通用性。

本数据采集和监控系统的开发，实现了准确、有效地对生产过程中的各类数据信息进行采集处理，及时地将数据信息进行记录并上传给上层管理系统，并能够在后期准确追溯生产数据，大大提升了生产管理效率。