挤压机数据采集系统改造研究

罗 韦， 熊经先， 刘思尧， 袁有明

（桂林金格电工电子材料科技有限公司，广西桂林 541004）

0 引言

挤压机是对银基合金电接触材料进行热挤压的关键设备，其工艺参数、控制精度对产品质量的影响非常大。银基合金电接触材料是现代工业中重要的器件材料之一，采用银及其他合金料配制而成，具有良好的导电性、耐磨损性、接触可靠性及高温性能等特点，广泛应用于新能源汽车、航空航天等领域。随着科学技术的进步,市场对产品质量的要求不提高,加工工艺参数在银基合金电接触材料挤压成形中占有重要地位。

改造的挤压机设备，其控制系统由西门子S5系列PLC 构成，该PLC 控制器只参与设备的逻辑控制，未涉及数据信息采集；而整套设备最核心的挤压力控制单元使用分立模拟电路系统，汇聚了整个挤压过程中的PⅠD 自动控制，挤压压力通过机械压力表显示，挤压速度通过LED 仪表显示，挤压锭子温度及挤压锭子加热功率分别通过相应的仪器仪表显示，无数据采集及记录功能，每次挤压均需要操作员人工记录相关参数，不便于重要工艺参数的数据汇总和计算分析。随着市场对产品品质要求的不断提高，客户对工艺参数记录及分析要求增加，工艺技术人员需要更加精准而便捷的数据监控及处理工具，设备的数据采集与监视控制系统改造势在必行。

本研究设计了一种基于西门子WinCC 数据采集软件的挤压机数据监控系统，利用S7-1200 系列PLC 进行现场数据采集与控制，通过硬件系统及软件系统的设计，实现了对设备挤压工艺参数进行实时远程监控及数据分析。

1 系统原理

1.1 需求分析

挤压机电气系统的工艺参数主要涉及挤压压力、挤压速度、锭子加热时间间隔、挤压锭子温度及挤压锭子加热功率等方面，它们是改造项目数据采集的主要内容。机械指针压力表只能显示挤压过程中的实时压力，无记录功能。LED 数显表与设备上的编码器结合，负责采集挤压过程中的挤压速度，显示在操作面板上。中频感应加热装置为挤压机的附属设备，其主要功能是给挤压锭加热，由加热线圈、陶瓷管、线圈支撑架及电控柜构成。电控柜上包含温控表、电压表、电流表及功率表，其中温度及功率是需要记录的工艺参数。综上可知，挤压机相关的工艺参数的记录由人工完成，尤其是锭子加热时间间隔的记录，人为误差较大，需要改为系统自动记录。

1.2 设备数据采集系统原理分析

挤压机数据采集系统工作原理如图1所示。为了更好地采集到挤压压力，在不改变系统原有机械压力表的情况下，通过增加一个三通外加一个带RS485接口通讯功能的电子压力表，便于采集数据；同理，外加一套带RS485 接口通讯功能的编码器及电子速度表。中频感应加热装置上增加锭子出炉计数按钮，配合温控表的温度确定每次出炉锭子的时间间隔；温控表和功率表都带RS485 通讯，通过西门子S7-1200PLC 上的RS485 接口通讯模块去采集挤压压力、挤压速度、锭子加热时间间隔、挤压锭子温度及挤压锭子加热功率等参数，显示在HMⅠ（触摸屏）上，再通过S7-1200PLC 的S7 协议通讯将采集到的数据提供给数据处理服务器，用于保存生产过程参数，最后在上位机显示器上显示挤压过程中的工艺参数曲线。

图1 挤压机数据采集系统工作原理

此外，通过对挤压参数的上下限值的设计，可以实现在挤压过程中当系统实时数据超出设定值时通过PLC 输出报警信息，提示生产过程异常。而WinCC 数据处理服务器给工艺技术人员提供了一套数据采集分析处理工具，便于评估分析每一个锭子的挤压生产品质。

2 挤压机数据采集系统设计

2.1 系统硬件

系统的硬件部分主要由PLC 模块、触摸屏、显示器、数据处理服务器、按钮开关、电子压力表、电子速度表、温控表、功率表及核心交换机等部件组成。PLC 选用西门子S7-1200 系列；触摸屏采用威纶通带网口的MT8072iE 系列，便于系统通讯；显示器选用京东方21.5 寸宽屏，便于显示采集信号的全部信息；数据处理服务器采用H3C DL388GEN10服务器，主频2.2 G，16 G 内存，1 TB 存储空间，性能优越，满足数据采集系统软件的使用要求；电子压力表、电子速度表、温控表及功率表均带有RS485 接口通讯，方便与PLC 进行通讯。核心交换机选用环网型交换机，确保一条网络出现故障时系统不受影响。

2.2 WinCC数据采集软件

视窗控制中心(SⅠMATⅠC WinCC)是一款生产过程中的数据采集与监控系统软件，具有良好的开放性和灵活性。其提供了OLE、DDE、ActiveX、OPC服务器和客户机等接口或控件，可以很方便地与其他应用程序交换数据；还可编写脚本语言，通过完整和丰富的编程系统实现双向的开放性。由于WinCC为标准化接口，它可与其他ⅠT解决方案交换数据，这超越了自动控制的过程，将范围扩展到工厂监控级，为公司管理MES（制造执行系统）和ERP（企业资源计划）提供管理数据[1]。

2.3 通讯协议

采用MODBUS RTU 作为仪表端通讯协议，它是一种主要基于串行链路(RS232C 或RS485)的通信协议,也称为“远程终端设备”，支持多种电气接口，如RS-232、RS-485 等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等，项目选用带RS485 接口的仪器仪表，便于现场的数据采集。

2.4 数据采集系统的软件设计

挤压机数据采集系统的软件设计包含：PLC 程序设计、威纶通触摸屏组态设计及WinCC页面组态设计。PLC 主程序主要包括系统参数初始化，读取设备启动信号，判断启动信号，判断设备出炉锭子计数信号，挤压关键工艺参数信号采集设计。PLC主程序流程图如图2所示。

图2 主程序流程图

威纶通触摸屏组态设计涉及锭子加热时间间隔的记录，当炉口的挤压锭子温度达到工艺要求并且即将挤压时，按下出炉锭子计数按钮，PLC 采集到当前锭子的加热功率、加热温度、当前锭子序号及当前锭子与上一个锭子的加热时间间隔，挤压压力和挤压速度将会在接下来的挤压过程中按平均中值采集，并显示在触摸屏上。

WinCC 的组态设计主要是显示采集结果及查询挤压过程参数的界面，通过WinCC 软件自带的曲线显示功能，可以方便地设计挤压关键工艺参数的曲线变量列表，便于远程监控；同时，还需要设计工艺参数配方库，操作者可以根据不同材料及规格的产品设置相应的生产阈值，在挤压加工时通过调出配方信息，系统将导引操作者按照工艺参数流程操作，确保了生产工艺的稳定性。

3 结语

通过挤压机数据采集与监视控制系统的设计与应用，实现了对挤压工艺参数的数据采集和实时远程监控，为工艺技术人员产品质量分析提供了有效的工艺数据支持，为研究提高产品质量提供了可靠的基础数据支持。通过改造，实现了挤压生产过程的可视化监控，为智能化工厂提供数据基础，为类似设备的改造升级提供了参考。