基于互联网的智能控制离心技术研究与实现

徐 苏，李 想，付文京，钮硕硕，许金纲，王杨淞

(1.江苏海洋大学 创新创业学院， 江苏 连云港 222005； 2.兰州职业技术学院 电子信息工程系， 甘肃 兰州 730070)

一、引言

智能制造已经在全世界范围内上升到了国家战略层面，比如，德国工业4.0由产学研推动，升至国家战略；美国政府战略推动创新，积极实施再工业化，牵头推出了“工业互联网”；日本企业也提出了“工业4.1P”，更强调机器人应用和工业本身高质量的发展；我们国家实施制造强国战略第一个十年的行动纲领——“中国制造2025”，加速从制造大国迈向制造强国，甚至我国发达的工业城市苏州也推出了“苏州制造”的品牌认证体系。现代工业与“智慧”“智能”的联系越来越紧密，不仅仅在“智造”层面，更是要求装备在实际作业中拥有智能化自动控制的能力甚至是故障自诊断和纠偏能力，以维持高效、持续、可靠的生产[1]。随着工业科技的飞速发展，通过国内外技术交流和合作及成套设备的引进、消化与吸收，国内的离心机控制技术有了长足的进步[2]。国内的智能控制离心机处于发展阶段，但远程控制的开发仍处于探索中，对于一些关键性技术尚未得到很好的解决。离心机运行中的报警反馈故障分析与解决方案，及实现远程诊断，是一个技术难题；同时，对全部离心机以及上、下游设备进行控制，反馈设备的运行数据、车间和离心机内部实时视频，实现远程操作与监控，都是目前需要深入研究的重要方向。

二、总体设计方案

本设计立足工业互联网环境下对离心技术的智能化改造，离心机组智能控制系统的结构采用了B/S结构，具体工作流程由三个部分组成：生产部的工程师将制定好的工艺参数和工作流程通过企业内部局域网或Internet公网浏览器传送到生产车间现场的Web服务器数据库SQL Server，并通过下位机部署的WinCC服务器，将设置好的“生产工艺流程”传送到现场的控制系统，根据产品参数控制生产过程；在生产过程中，将现场采集的数据反馈至数据中心，上位机根据数据中心的数据信息，按照预定的流程进行操作并提供给生产部[3]。系统方案如图1所示。

(一)管理层

管理层主要由生产部、销售部、工程部、品控部、仓储部和公司高管构成，负责企业生产的整体把控，每个部门根据自己的权限了解整个企业的生产过程、质量库存等信息，并由生产部通过网络把相关的产品参数、工艺流程等上传至服务器。每一个有权限的工程师都可以通过WEB浏览器实时查看生产过程，并现场编写工艺流程传送至远程的数据中心；生成工作报表，同时可以对工艺流程、生产中的重要参数、报警信息、报表等现场监控。

(二)数据中心

数据中心采用了SQL数据库作为整个智能控制离心机组的数据交换平台；同时，为了便于工程师根据生产需求远程调整生产参数、工艺流程以及监控生产过程，以Web server作为网络服务器，工程师可以通过访问服务器进行实时监控工艺流程和生产现场的各种数据，并在线修改参数。

WEB和SQL服务器都部署在一台服务器上，为用户提供 Web服务，通过网络实现现场数据的远程接收和转发，并可以对各种数据进行分析和管理，通过报表系统实现数据的实时存储和归档备份，方便工程师对生产过程前后进行溯源及跟踪。

(三)现场执行层

现场执行层通过部署WinCC和PLC进行数据交互。WinCC可以通过网络远程访问数据库服务器(SQL Server)，获取生产工艺流程操作票并传送回生产过程监控系统(WinCC)，由PLC根据生产工艺流程操作票对若干离心机组进行生产过程控制，从而实现生产过程的智能化控制。

图1 离心机组智能控制总体框图

三、智能控制策略

基于Internet的智能控制离心技术的重点在于将远程通过网络输入的生产内容操作票从数据中心读取到现场执行层，并经由WinCC下载至现场PLC进行设备控制，进而完成每组离心机设备的智能化控制，现场执行层控制流程如图2[4]。第一，新建内部变量——操作流程变量；第二，VBS脚本的编写读取SQL数据库中操作票的内容；第三，编写脚本将操作流程中的文字内容转化为数据变量；第四，根据数据变量的内容将工艺参数传送至PLC；第五，将“自动运行”变量置“1”，现场设备开始运行。

图2 智能控制策略架构

(一)集散控制

基于集散控制、PLC编程，集成反应、离心、流体与粉体输送、干燥等工艺段全部设备，反馈设备的运行数据、车间以及离心机内部实时视频，实现自动化、智能化控制，解决离心机以及上、下游设备全过程的程序控制。通过丰富的传感器模组实时感知能力，可以迅速的将现场的各种数据传送到主控电脑，并由主控电脑根据预先编制好的程序执行相应的工作指令，实现闭环控制，达到车间级智能化生产的要求，设置多级控制界面，可以对其中任何一台设备进行重点监控、参数设置、运行全数据监控、故障诊断，同时可以浏览所有离心机的运行状态。

(二)故障诊断技术

基于传感器技术，采集运行数据，建立运行数据库，根据数据库保存的运行历史数据，控制系统对突变异常事件实时报警，并实时自行修正或反馈处置建议。数据库保存的运行历史数据与报警事件，可追溯分析。数据可以通过网络提供给远程工程师会诊，远程监控操作。

(三)控制成本、提升品质

基于控制程序、传感技术、运行数据库技术，系统对历史数据进行实时测量，生成设备运行日志和储存运行历史记录，对用电量、洗涤用量、产量、成品率、加工时间等，生成动态曲线，为工程师提供分析与优化依据，提升运行效率、降低运行成本、提升产品品质。

四、智能控制离心技术核心功能实现

智能控制离心技术现场执行层作为整个系统的监控中心和控制枢纽，有着重要的作用，如图3。作为离心机组的控制端应具备如下功能：工作状态监控功能、生产流程及工艺参数制定下发功能、现场参数的调整及阈值偏离预警功能、信息存档备份和异常情况的报警恢复功能、用户权限管理等功能。从现场端的角度对PLC进行设计与分析时，可将其作为主控制系统，对离心机控制系统中的各个机电设备进行控制。将PLC应用于控制系统与自动测量系统中时，通常情况下都应该与计算机通信技术有机结合。也就是相应数据通过PLC被发送到计算机中，再由计算机将接收到的数据进行具体的分析与处理，这样PLC在接收到相应的指令时就要按照指令任务进行运行控制。在开发离心机监控系统时联合应用PLC与计算机通信技术，具有非常高的可靠性，在设计电气硬件时会更加简单、便捷，适合批量生产，并且可以实现高效的程序复制。不仅如此，在实际运行过程中能够进行模块或单元的扩展，不管需要多少I/O，在扩展时也都比较方便，再加上PLC本身就具备继电器的基本功能与较强的扩展功能，使其智能化程度相对提高，机构也实现了极大的简化。除此之外，只需要进行软件修改，就能够有效地更改控制逻辑，而不用进行硬件改动[5]。

图3 现场执行层功能图

(一)工作状态监控功能

现场执行层的WinCC和PLC负责控制整个智能控制离心机组生产的正常运行，因此监控系统需模拟出离心机组的实时工作状态，实现整个离心机组的实际控制。考虑到实际环境下设备的体积及密闭环境，操作站需要将生产过程图形化，如图4，在虚拟出来的图形化面板内实现每一个工艺、每一个组件及重要参数的相应控制。

图4 现场执行层工作状态监控系统主界面设计

主界面显示整个离心机组工作过程的所有工作流程，如进料，点击后可开启相应阀门进行进料工作，按钮呈现绿色状态，再次点击进料按钮关闭阀门，呈现原始状态。主程序也设计了自动运行控制，程序启动后，根据制定的工艺流程和参数进行自动控制完成生产，并实时反馈各个流程状态，相应流程启动，启动按钮将变成绿色，直至停机按钮显示红色，完成该工作流程。如图5，主界面还能够对生产过程中重要参数的变动进行监控，包括进料、清洗、空气源等的实时压力值，PLC和上下机的通讯，异常报警等信息。

图5 弹出显示界面

(二)生产流程及工艺参数制定下发功能

智能控制离心技术就是生产全过程的智能化，通过PLC程序的逻辑功能，实现离心机组各设备的智能化，智能化的目的在于提高生产的效率和控制产品的质量，因此顺利下发生产流程及工艺参数是关乎整个智能化系统正常运行的重要环节。现场执行层作为智能离心机组的总指挥，应具备加工生产流程的制定和工艺参数的修改功能，并顺利下发。生产流程的运行可以按照顺序控制的方式，生产工艺流程制定和下发的时候可以根据产品进行选择，同时由于生产工艺流程本身具备一定的先后顺序(如清洗工艺，属于生产前准备工序，不会放置在最后一步，同样，脱水流程，必须在清洗流程之后进行)，所以流程的制定也会有一定的限制。

(三)其他功能

工艺参数对最终产品的质量有至关重要的作用，所以智能控制离心系统需要具备参数制定和修改的功能，比如温度、压力、工作时间等现场信息，工程师需要在主界面点击相应的流程图标，并在弹出窗口制定或者修改参数。对生产过程中的一些信息，系统要进行存档，对具有异常变化趋势的信息，要能够做出预警分析，达到报警阈值的，要能够及时显著地显示警报信息并记录，方便工程师对生产过程及产品进行追根溯源，有针对性地改进工艺和参数。

五、结语

离心机作为一个在化工、制药、食品、环保等行业广泛使用的设备，设备的自动化程度、加工产品的质量参数都尤为重要。国外的离心机制造商大多已经使用计算机集成制造的方式来控制离心机的操作，可实现比单纯PLC 控制系统更加智能的控制。目前国内的离心机控制系统大多还停留在PLC控制的水平，本文提出了基于互联网的智能控制离心技术的实现方案，设计了整体架构，分析了智能控制策略，并对智能控制离心技术核心功能进行了阐述，该方案充分运用互联网+智能控制技术，可以实现自动远程操作与监控，设置多级控制界面，可以对其中任何一台设备进行参数设置、运行全数据监控、故障诊断等；实现了集散控制、故障诊断、实时报警及日志等主要技术指标，可对离心机组以及上、下游设备进行控制，生成设备运行日志，储存运行历史记录，对用电量、洗涤用量、产量、收率、工艺时间等生成动态曲线，提供分析与优化依据，提升运行效率及管理水平。