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基于IPC智能控制系统管控平台解决方案

2022-01-13华龙讯达

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结合国内锂电池生产厂商发展现状与趋势,华龙讯达打造了“基于IPC智能控制系统管控平台”,其在单体设备上程序开发涵盖了感知、控制、通讯、计算等各要素,并采用源程序采集数据方式,包含嵌入式软件和自适应算法功能,简化了硬件投入,打破封闭的原有控制体系,是软件替代硬件的典型代表。
1、案例背景

       一直以来,国内锂电池生产厂商的生产设备大多数由国外购入,虽然性能较好,但价格昂贵,而且技术支持方面得不到保证。总体上讲,我国的锂电生产设备技术处于较低的水平,生产设备的控制技术也远不及部分国外厂商,控制的实时性和生产的效率都还有待进一步提高。因此,高精度、高生产效率的锂电池生产设备将有利于我国锂电池行业的发展需要,将进一步扩大锂离子电池生产规模,降低生产成本,增强国际竞争能力;同时进一步提高生产锂电池的性能,提高容量、提高使用寿命和稳定性、增加充放电倍率、提高安全性等。

       近年来国际上的设备生产企业已经将设备自动化控制技术发展到计算机智能控制技术,智能传感技术、智能人机交互技术、无线传输技术、智能分析技术、数据采集技术、数据挖掘技术和的信息化管理,将设备制造往设备智能制造的方向发展,因此,实现设备智能化,是设备生产过程中急需解决的问题,认识到设备自动化控制系统、过程管控系统、质量检测系统、智能诊断系统和信息管理分析系统都是实现设备智能的应用目标,建设智能设备、最终实现设备智能化管控的目标不是简单的叠加,而是一种整合、一种优化、是工业化与信息化融合的基础。

       随着IT技术进步,庞大的设备中用于计算和控制的硬件体积会越来越小,特别是随着IPC开源技术的发展,用计算机编程方式嵌入到设备控制核心大脑,以软件驱动或代替原有老旧的控制硬件负载的部分功能,成为越来越多自动化控制领域专家研究和践行的主流方式。“基于IPC智能控制系统管控平台”在单体设备上所做的程序开发涵盖了感知、控制、通讯、计算等各项要素,以简洁灵活的源程序采集数据方式替代外挂传感器采集数据,以快捷装载的嵌入式软件和不断优化的自适应算法丰富设备的控制能力,从整体设计上简化了硬件的投入,打破封锁和封闭的原有控制体系,是软件替代硬件化的典型代表。

2、解决方案内容

       本解决方案是基于德国倍福IPC自动化控制、虚拟仿真、3D人机交互、数据采集、物联网等技术,搭建智能控制、智能诊断、智能管理为一体、无缝融合到基于IPC智能控制系统管控平台,以一条总线和统一的电控平台适用多种不同机械设备的控制方式,实现设备自感知、自适应、自优化、自控制,在人机交互体验上实现智能化与可视化的创新应用,形成智能控制系统的应用典范。

       基于IPC智能控制系统管控平台在TwinCAT平台上开发智能控制系统的自动化底层程序,以智能硬件–Ceres智能设备作为各层次(控制层、监控层、管理层)之间以及企业各系统之间横向、纵向贯通互联的桥梁,构建一个集智能控制、智能诊断、智能管理为一体的、无缝融合的“基于IPC智能控制系统管控平台”,为企业未来建设智慧工厂提供基础支撑,为企业在改善和优化设备上提供可靠的、有价值的关于设备使用、维护状况的数据信息。基于IPC智能控制系统管控平台以恢复其功能和控制精度,完成工业化与信息化的融合,实现设备智能化。

基于IPC智能控制系统管控平台技术架构

图1 基于IPC智能控制系统管控平台技术架构

       基于IPC智能控制系统管控平台具体为以下三层内容:

       ●控制层:控制系统及外围元器件改造,实现控制运行功能;

       ●监控层:搭建设备基于可视化的智能监控平台,实现整机信息监控、故障监控、参数修改等功能;

       ●管理层:搭建智能管理平台,实现面向工厂的数据采集、处理和传输,实现本机管理的一些特色功能。

       基于IPC智能控制系统管控平台包含了IPC智能设备管控平台、HMI智能设备人机交互系统、智能管理系统(智能终端管理系统、设备生命周期管理系统)、智能设备通讯平台。

基于IPC智能控制系统管控平台功能架构

图2 基于IPC智能控制系统管控平台功能架构

       ⑴搭建基于IPC智能设备统一电控管理平台,通过IPC智能设备管控平台软件实现设备智能控制。

       ⑵建立数据采集系统,采用融合各种通信制式的边缘计算器—Ceres智能设备,实时采集关键数据,实时采集设备在生产过程中的生产、质量、物料和设备状态相关数据,实现工业现场设备的智能互联互通、协同工作。

       ⑶建设设备基于可视化的人机交互系统,实现设备信息监控、故障监控、参数修改等功能,虚拟仿真生产动态,实现人机交互界面与实时监控,虚拟设备与现场设备生产过程同步。

       ⑷搭建设备智能管理系统以实时的数据采集为基础,为企业的管理搭建设备生命周期管理平台及实现设备现场信息点对点的一站式生产管理、质量管理、物料管理、标准管理、交接班管理、统计分析管理智能管理服务。

       ⑸建立生产、质量和设备的基础数据库,为智能设备数据与云平台的实时交互及设备物联网应用技术奠定基础。

3、实施步骤

       ⑴控制层-IPC智能控制系统

       基于PC的控制技术是实现“科技自动化”的重要基础。其中,高性能的多核CPU是科技自动化的硬件基础,TwinCAT的实时内核是科技自动化的软件基础。可以真正做到“一个控制器(IPC),一个网络(EtherCAT)、一种自动化软件(TwinCAT)完成对设备和生产线的全面控制。

IPC控制系统功能

图3 IPC控制系统功能

       ⑵中间层-数据采集系统

       数据采集系统采用自动化控制源程序采集设备生产过程中所产生的实时生产数据、设备运行状态数据、质量在线数据,通过采集软件技术将采集的实时数据应用到智能设备管理中,以实时动态的方式反映生产线运行中的生产状态、原材料消耗状态、设备运行状态、生产产能状态、设置正常运行参数,用可视化报警的方式显示非正常状态的异常现象,为其他系统提供分析所需的生产数据,通过对生产、剔除、消耗、故障、质量等数据的分析,寻求改进生产过程、提高生产工艺水平的途径。

       数据采集采用智能Ceres智能设备从设备自动化层提取数据的方式,实时的将设备所产生的生产数据、质量信息、故障信息、机器状态数据和其他人工录入数据。

Ceres智能设备

图4 Ceres智能设备

       ⑶监控层HMI智能设备人机交互系统

       基于3D可视化的HMI智能设备人机交互系统采用模块化的设计架构及标准化的数据编码设计、接口设计,并将人机交互数据与虚拟化的设备特征物体(设备3D模块)进行无缝融合,直观、形象的展现系统平台的人机交互功能。通过模块化、标准化的设计,可以根据预设置的不同设备3D模型组合实现一种适用于不同设备机型的、统一的人机交互系统平台,可任意切换以适应客户的不同需求,故障指示通俗易懂、触摸屏操作方便快捷,同时提供数据采集分析功能及标准的外部接口协议。

       HMI人机交互系统平台主要分用户层、业务层和数据交互层。用户层主要针对使用者,让操作者可以很直观的了解机器的状况。业务层主要是对操作者下发的各指令行逻辑运算后,将指令下发到数据交互层,然后将数据交互层反馈的指令以一定的形式在用户层上展示出来。数据交互层主要接受业务层的指令,同时将指令下发到自动化控制系统,同时将自动化控制系统的执行的结果反馈给业务层。

       ⑷管理层-智能终端管理系统

       实现设备现场信息点对点的一站式智能管理服务,主要对生产设备的运维过程进行管理与记录,通过对设备运行状况信息、生产质量信息、物料消耗信息进行采集与分析,为设备整体运行现状提供客观依据,不断改进设备维护方法与策略,质量管控标准,提高物料使用规格,提高设备生产能力。

智能终端管理系统主界面

图5 智能终端管理系统主界面

4、案例创新性

       ⑴提高设备智能控制程度

       运用全新的控制技术——基于IPC(工业控制计算机)的控制技术,一种基于工业PC和PLC之间的嵌入式PC。它很好地结合了两个领域:工业PC和硬件PLC。不仅兼容了传统PLC的所有功能,而且还有运动控制和组态(HMI)功能。基于PC的控制技术是实现“科技自动化”的重要基础。其中,高性能的多核CPU是科技自动化的硬件基础,TwinCAT的实时内核是科技自动化的软件基础。可以真正做到“一个控制器(IPC),一个网络(EtherCAT)、一种自动化软件(TwinCAT)完成对设备和生产线的全面控制。

       ⑵实现与自动化层多介质通讯总线的高度融合

       目前生产设备自动化控制系统纷繁复杂的多介质通讯总线是困扰企业实现底层数据自动采集的难题,Ceres智能设备采用多介质智能网关技术解决了这一困扰企业的难题。Ceres智能设备可实现目前自动化控制主流的工业总线的解析。同时将采集到的数据转换成基于XML的协议传输给监控层进行设备的监控管理,转换成基于MQTT通讯协议传输到云服务平台作为信息化管理和大数据分析的数据源。

       ⑶实现设备3D可视化运行管理

       应用自动化与可视化融合技术,在设备生产过程实时同步虚拟仿真、物料消耗仿真、质量检测状态仿真、设备运行预警仿真,实现基于3D可视化的监控、设备、生产、消耗、质量、故障、统计分析等管理功能,最终实现智能设备的可视运行化管理。

       ⑷实现设备3D各种状态的监控

       通过Ceres智能设备对设备数据的自动采集,实现设备状态的感知,监控设备的实时状态和异常情况,对故障停机、关键工艺参数超差等重要事件通过计算机系统等形式及时送达相关人员,实现机器状态透明化、实时化的监控管理。应用监控软件实现设备状态监控、设备故障监控、设备生产监控、产品质量监控、原辅料的消耗监控、设备控制参数的读取、设置和控制、生产统计分析、消耗统计分析、质量数据的统计分析等。

5、案例应用成效意义

       ⑴基于IPC智能控制系统管控平台突破国外厂商垄断的技术瓶颈,填补了国内大规模生产领域和机械制造领域控制技术的短板,促进中国智能制造业的发展,提升国家的综合实力。

       ⑵基于IPC智能控制系统管控平台实现了工控领域设备管理和运维方式的全新变革,有效提升了装备的智能化水平和工业制造企业的生产管理能力,有利于提高企业的核心竞争力。

       ⑶基于IPC智能控制系统管控平台的开发和应用,有利于提高设备有效利用率,减少设备损耗和生产消耗,减少设备意外故障停机,降低工人劳动强度,加速人才培养,提升其技能水平,从而提高劳动生产率,实现节能降耗和降本增效。

       ⑷基于IPC智能控制系统管控平台的实施,证明了软件替代硬件的可行性与有效性,对促进工业化与信息化深度融合有典型示范效应。
 
责任编辑:程玥
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