基于OPC的注塑机监控系统的研究与实现.docx

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基于OPC的注塑机监控系统的研究与实现

北京化工大学

硕士研究生学位论文

题目基于OPC的注塑机监控系统

的研究与实现

研究生叶立永

专业机械工程

指导教师闫宝瑞副教授

日期:

二○一三年五月三十日

北京化工大学学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者签名：

　日期：

关于论文使用授权的说明

学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：

研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。

学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。

保密论文注释：

本学位论文属于保密范围，在年解密后适用本授权书。

非保密论文注释：

本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。

作者签名：

日期：

导师签名：

日期：

北京化工大学学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者签名：

　日期：

关于论文使用授权的说明

学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：

研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。

学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。

保密论文注释：

本学位论文属于保密范围，在2年解密后适用本授权书。

非保密论文注释：

本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。

作者签名：

日期：

导师签名：

日期：

学位论文数据集

中图分类号

TQ32

学科分类号

460.20

论文编号

密级

公开

学位授予单位代码

10010

学位授予单位名称

北京化工大学

作者姓名

叶立永

学号

2010030017

获学位专业名称

机械工程

获学位专业代码

30102

课题来源

海天公司

研究方向

注射成型原理及设备

论文题目

基于OPC的注塑机监控系统的研究与实现

关键词

注塑机，远程监控，OPC，ADO，Client/Server结构

论文答辩日期

2013年11月22日

*论文类型

应用研究

学位论文评阅及答辩委员会情况

姓名

职称

工作单位

学科专长

指导教师

闫宝瑞

副教授

北京化工大学

机械工程及自动化

评阅人1

董力群

副教授

北京化工大学

塑料机械

评阅人2

杨于光

副教授

北京化工大学

塑料机械

答辩委员会主席

王奎生

教授

北京化工大学

化工机械

答辩委员1

王兴天

教授

海天塑机集团

塑料机械

答辩委员2

张师军

教授级高工

中石化北京化工研究院

高分子材料

答辩委员3

杨卫民

教授

北京化工大学

塑料机械

答辩委员4

李方俊

副教授

北京化工大学

机械制造

答辩委员5

答辩委员6

答辩委员7

答辩委员8

答辩委员9

注：

一.论文类型：

1.基础研究2.应用研究3.开发研究4.其它

二.中图分类号在《中国图书资料分类法》查询。

三.学科分类号在中华人民共和国国家标准（GB/T13745-9）《学科分类与代码》中查询。

四.论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。

基于OPC的注塑机监控系统的研究和实现

摘要

塑料工业在近20年得到快速发展，塑料制品广泛应用到社会的各个方面。

注塑成型是塑料加工使用最广泛的工艺之一。

随着生产规模越来越大，注塑企业对远程监控工厂内注塑机的运行状况有迫切的需求。

实时监控注塑机的运行状况，对历史生产数据进行统计分析能够让管理者及时维护注塑机，并且有效地提高生产效率。

本文首先对注塑机结构、注塑工艺以及注塑车间管理等方面进行了充分的调查，并且研究了实时监控技术的国内外发展现状，在此基础上进行了注塑机群远程监控系统的需求分析，提出了基于OPC（OLEforprocesscontrol）规范标准来开发注塑机群远程监控系统的方案。

本文首先对系统进行需求分析、总体设计、所应用的开发方法和技术等问题进行了阐述，提出来Client/Server的系统结构，然后重点研究了OPC规范的应用技术以及数据库技术，在此基础上开发了客户端程序的OPC数据采集模块并且建立了监控系统数据库。

最后根据监控系统的功能需求设计、开发了客户端应用程序的SOCKET通讯模块、客户管理模块以及图形界面；图形界面的开发主要应用了WPF技术，并且对实施监测曲线图的绘制原理、警报记录以及操作记录的产生机制进行了阐述。

关键词：

注塑机；远程监控；.OPC；ADO；Client/Server结构

RESERCHANDDEVELOPMENTONINJECTMOLDINGMACHINEMONITORSYSTEMBASEDONOPCSTANDARD

ABSTRACT

Plasticsindustryinthepast20yearshasbeenrapidlydevelopment,plasticproductsarewidelyappliedtoallaspectsofsociety.Injectionmoldingisthemostwidelyusedplasticsprocessingtechnologyworld.Withtheincreasingscaleofproductioninjectionmolding,injectionmoldingmachinebusinessworkshoptoremotelymonitortheproductionstatusofurgentneeds.Theinjectionmoldingmachineproductionstatusinreal-timemonitoring,historicaldataonproductionanalysisallowstheoperatorinatimelymannertomaintaintheinjectionmoldingmachine,injectionmoldingmachinesandeffectivelyimproveproductionefficiency.

Thisarticlefirstinjectionmoldingmachinestructure,injectionmoldingandinjectionworkshopmanagementandotheraspectsofafullinvestigationandstudyofreal-timemonitoringtechnologydevelopmentintheworld,onthisbasis,forremotemonitoringofinjectionclustersystemrequirementsanalysis,proposedbasedonOPC（OLEforprocesscontrol）injectionofstandardstodevelopremotemonitoringsystemclustersolution.Firstly,thesystemneedsanalysis,overalldesign,theapplicationdevelopmentmethodsandtechniquesandotherissuesaredescribed,raisedonClient/Serverarchitecture,andthenfocusesontheapplicationofOPCspecificationtechnologyanddatabasetechnology,onthisbasis,developedanOPCclientprogramandtheestablishmentofdataacquisitionmodulemonitoringsystemdatabase.Finally,accordingtothefunctionalrequirementsofmonitoringsystemdesign,developmentofclientapplicationsSOCKETcommunicationmodule,customermanagementmodule,andthegraphicalinterface;graphicalinterfacedevelopmentmainapplicationoftheWPFtechnology,andmonitoringoftheimplementationoftheprincipledrawngraph,alarmlogandgenerationmechanismofoperationrecordsaredescribed.

KEYWORDS:

injectionmoldingmachine,remotemonitor,OPC,ADO,Client/Server

Contents

第一章绪论

1.1课题研究背景

这一二十年来中国塑料工业的发展速度非常快，塑料产品无论是在工业还是民用领域都无处不在。

随着技术水平的飞速发展，各行各业对塑料制品的品质及性能要求越来越高，产品设计、生产方法不断创新，各种新型的塑料成型设备不断地涌现[1]。

在塑料加工行业中，使用量最大的加工机械是注塑机，注塑机可以直接生产大量的塑料产品，而且它也是组成其它塑料生产工艺的关键设备。

经过快速的发展，中国已成为产量第一的注塑机生产大国。

国内塑料制品生产企业的规模大小不一，企业车间的注塑机数量少至几台，多至几百台。

其中大多数企业的技术和管理的水平不高，注塑机的参数设定、注塑机的运行状况以及注塑机生产任务的执行情况等大多数都是人工操作，对于实现住塑企业管理的信息化及提高生产率、加快交货速度的目标是一个阻碍[2]。

因此，注塑企业迫切地需要能够实时地采集、处理车间内大量注塑机的数据，并能够远程监控注塑机的运行状态。

研究和开发这样的技术和系统具有重大的意义。

1.2注塑机和注射成型简介

注射成型是指通过注塑机提供的压力将融溶状态下的塑料注入模具模腔而成型的工艺。

它的原理是：

通过注塑机的料筒加热将固态的塑料颗粒融化成液体状态，然后利用注射机提供的压力，以设定的速度将融胶注射入模具模腔内，最后通过冷却将熔融的塑料固化，得到与模腔一样形状的塑料制品。

绝大多数热塑性塑料都适用注射成型来生产。

而且某些热固性塑料也可以用注塑成型来生产。

注射成型的成型周期很短，从几秒到几分钟都有，成型的制品质量范围广，有几克到几十千克的范围，注射成型能够用来成型外形复杂、尺寸精确、以及带有嵌件的模塑品。

一台注塑机通常是由以下部件组成：

合模系统、注射系统、传动机构、润滑系统、电气控制系统、加热系统、安全检测系统等[3]。

（1）注塑机构

注射机构是注塑机最重要的部分之一，注射机构主要有柱塞式、螺杆式、螺杆预塑柱塞注射式这3种形式。

其中螺杆式是目前应用最广泛的形式。

注射机构的作用是，通过加热将一定数量的塑料加热塑化后，油缸或者电机以设定的速度和压力推动螺杆前进，将熔融状态下的塑料注入模具型腔中。

（2）合模系统

合模系统的作用是闭合模具、打开模具以及将制品顶出。

模具合紧以后，锁模机构提供一定的锁模力，以抵抗注射时模腔内产生的压力，防止模具被挤开而造成飞边等制品的不良形状。

（3）传动系统

传动系统的作用是提供动力以实现各种注塑工艺所要求的注塑机动作。

传动系统主要分为液压和电动两种，传统液压机由各种液压元件和液压辅助元件所组成，目前最新的全电动注塑机则以伺服电机和驱动器作为动力源。

传动系统通过控制液压的压力和流量或者电机的扭矩与转速来实现各种注塑机动作。

（4）电气控制系统

电气控制系统用来控制传动系统，以实现各种工艺过程要求和动作顺序。

电气控制系统主要由各种电子元器件、仪表仪器、以及传感器等组成。

 注塑机的电气控制发展经历了继电器、接触器、可编程控制器等阶段的发展[1]。

从上世纪60年代开始，经过几十年的发展，注塑机的控制技术不止是用来做简单的顺序动作，而是用来控制加热温度、压力、速度、位置的闭环运算及各种参数的集合控制。

目前大多数注塑机是用PLC（可编程控制器）作为控制系统。

（5）加热冷却系统

加热系统是用来对料筒及喷嘴进行加热的，目前一般采用电热圈作为注塑机料筒的加热装置，电热圈安装在料筒外部，料筒各段的温度用热电偶来检测。

冷却系统的作用是用来冷却油温或者电机的温度，油温过高或者电机温度过高会导致多种故障发生，所以必须加以控制。

而还有一处需要冷却的地方在料筒的下料口附近，防止下料口温度过高导致原料在下料口熔化，不能正常下料。

（6）润滑系统

润滑系统作用是为动模板、连杆机构、滑脚滑块、调模机构、以及丝杠丝母等频繁地相对运动的部位进行油脂润滑，以减少磨损、降低能耗、延长零件寿命，润滑系统可分为手动润滑和自动电动润滑两种；

（7）安全保护与监测系统

注塑机的安全保护与检测装置主要的作用是保护操作者和机器设备的安全。

安全保护系统主要是由防护门、机械保险、安全继电器、液压阀、机械限位开关、光电检测元器件等部件组成以实现电气一机械一液压的联锁保护。

监测系统的主要作用是检测料筒温度、油温、油压、电机温度、系统负载，以及设备故障情况，当发现机器存在异常情况，以声、光、文字等形式进行提示或报警。

1.3实时监控技术的发展

目前，工业领域中自动化系统的应用已经非常普遍，自动化系统的集成度也非常的高。

工业现场的仪器、仪表种类很多，工业控制的过程也日益复杂，而且与各类商业系统的结合度也越来越高。

过去的监控系统没有开放性，系统内部的联系非常紧密、复杂，因此更新和升级都非常麻烦，而且系统维护的成本也很高。

另一个重要的问题是软件需要重复地进行开发，无法重用，资源不能共享，造成大量浪费。

近来软件以及计算机技术发展越来越快，库函数在高级语言中的应用，可以实现一定程度上的共享，而面相对象的方法的应用，可以利用继承等方法重用源代码。

但这仅仅只是对源代码的重用，并不能实现对可执行文件的重用，每个类库都需要进行重新的编译，因此也无法实现资源的完全共享，只要更改了某个类库就会导致所有的用到该类的子模块都需要重新修改，这样也就无法实现模块的单独升级。

另外，不同的编程语言之间不能共享所开发的函数库和类库，这也使软件的可重用性受到了很大的限制。

当前实时监控系统一般都采用了分布式的结构，数据的采集、数据通讯、数据的处理、人机接口等各种功能分散在网络上的不同位置，划分成为各个不同的子系统[4]，这个使得系统的复杂度得到了很大的降低，性能得到了很大的提高，开发周期及维护的成本大大低减少，不过因为整个监控系统中不同计算机间的通信协议没有统一的标准，所以对于不同厂家产品，难以实现软件以及硬件功能的相互集成。

因此，在工控领域迫切需要一种数据访问、数据管理和数据传输的开放性标准，使工控环境中不同的数据源之间可以灵活地进行通信。

1.4．OPC技术简介

随着计工业控制技术的快速发展，计算机监控系统早已由传统的集中监控向分布式系统的方式转变和发展[5]，而计算机监控系统的应用软件也因为随着分布式对象技术、面向对象编程技术、以及多层次的Client/Server技术的发展[6]，从面向功能，逐渐发展成为面向现场设备。

随着计算机监控系统的规模变得越来越大，现场设备的种类的不断增加，而由于不同厂家的设备往往通讯机制都不一样，因此系统软件需要不断地开发各种驱动程序，而基于微软公司的COM/DCOM技术的OPC技术标准，则建立和提供了一个统一的工业领域的通讯规范[7]，OPC的全名是OLEforProcessControl，即用于过程控制的OLE技术，OPC是由世界上著名的一些自动化行业设备软件、硬件的开发与制造的公司通过与微软的合作而建立的，而且行业内还成立了OPC基金会对OPC技术标准的制定、发布以及推广进行管理。

OPC创建了一整套的统一的标准，OPC模型采用典型的客户/服务器（CLIENT/SERVER）模式。

通过图1.1所示，OPC技术作为新兴的技术与传统通讯方式相比具有以下的优势：

·硬件厂商为因为更了解自己生产的设备，所开发驱动程序的速度更快、开发的驱动程序也更加可靠。

·软件厂商仅需按照OPC标准开发一套程序就可实现与硬件设备的通信，减少了设备驱动程序的开发时间，。

·软硬件厂商可以区分开来，使工作效率得到很大的提高。

·可以实现软硬件的互操作性。

图1-1OPC技术应用前后比较

Fig.1-1BeforeandafterapplicationofOPCtechnology

因此，OPC技术自从诞生以来得到了众多自动化系统厂商的大力支持，并且得到了迅速的发展。

1997年9月OPC基金会发布了第一版的OPCDA规范，随后OPC规范被工控和自动化领域内的大多数设备与软件厂商所接受，成为工控软件行业的一种成熟的技术标准。

到目前为止，OPC规范主要分为OPCDA（DataAccess）规范，OPCAE（alarmandevent）规范，以及OPCHDA（historydataaccess）规范[8]。

随着OPC技术与ERP系统集成的需求越来越多,OPC技术的跨平台性和互联网特性的要求也越来越高。

为此，OPC基金会又以XML为基础开始制定新的一系列的标准。

在2003年4月，OPCFoundation发布了OPCXML-DA第一版规范,并在2005年9月又发布了它的第二个版本1.01，为OPC技术的进一步推广，以及工控系统之间的可互操作性的进一步提高翻开了新的一页。

1.5课题来源、研究意义和研究内容

1.5.1课题来源

本课题的研究来源于海天国际有限公司：

注塑机远程监控系统平台开发项目.

1.5.2研究意义

现在的注塑企业大多数采用人工操作与管理模式，生产效率始终徘徊不前，而管理者不能对每台注塑机進行具体和快速地考核，发生的问题不能够及时、直观地反映出來。

生产管理停留在“低效、高耗、劣质”的落后的模式上。

当前，注塑企业正由劳动密集型企业向技术密集型企业转变。

而实现“高效、低耗、优质”的先进运作管理模式是每一个注塑生产企业的目标。

在注塑生产企业使用远程监控系统集中监控与管理注塑机群可以实现提高生产效率、降低人力成本、减少人为的重复错误、收集生产数据等多方面作用。

国外已有的注塑机远程监控系统如奥地利T.I.G公司的产品，价格非常昂贵，一般国内用户无法接受；日本的一些知名注塑机厂商如日本FUNAC、住友、东芝等公司的注塑机远程监控系统只是作为注塑机的一个附属选配项目，只能与他们自己的PLC相连，无法与其它公司的控制器进行通讯，没有兼容性。

而国内一些自动化公司所开发的监控系统多为通用型的系统，并不适合注塑机的应用，而且这些系统往往各自有各自的通讯协议，如：

台湾宏讯的TECHMATION系统以TCP/UDP协议作为数据传输协议，很难实现对不同系统的兼容性。

作为国内注塑机行业的龙头，世界上产量最大的注塑机生产公司，海天集团目前有来自国内外的7个控制器供应商，今后有可能会有更多的控制器加入或者替代现有的控制器。

目前，大多数控制器厂商都能够开发并提供OPC服务器程序；因此应用OPC技术开发一个能够兼容各个控制器的注塑机远程监控系统不仅对于海天集团来说能够提升技术水平，给客户更好的应用服务，对于提升品牌形象有很好的作用；同时，也是对于国内的注塑机行业在此领域的一个探索与推动。

1.5.3研究内容

本文为了实现注塑机群联网以及远程集中监控的功能，同时又从系统的兼容性角度出发引入了OPC技术研究并设计了一个注塑机群监控系统。

本文内容共分为六章。

第一章为绪论部分，简述了本文研究的背景、研究的目的及研究的意义。

主要介绍了实时监控技术发展的现状以及注塑机监控系统国内外的发展状况，对比了OPC技术与传统数据采集技术的不同之处。

第二章为监控系统的总体设计方案。

包括监控系统的需求分析、网络硬件结构、软件系统结构等。

在这章中分析了常见的系统网络结构的优缺点，工控系统的软硬件结构，在此基础上提出本系统所采用的技术方案。

第三章详细研究了OPC技术在本监控系统中的应用。

首先研究了OPC规范，剖析了OPC技术的原理和本质，掌握了OPC的实现方式，然后阐述了在监控系统应用程序中OPC客户端程序的设计与开发过程。

第四章的研究内容是监控系统数据库的开发。

以第二章中对数据的需求分析为基础，根据本系统的特点选用了监控系统数据库的软件，开发了数据库，并且采用ADO技术设计并开发数据库的操作接口程序。

第五章研究了监控系统的客户端应用软件的设计与开发，并且进行了通讯测试和实际应用来验证监控系统的效果。

最后一章是总结和展望，首先总结了本论文所做的主要的研究工作和内容，然后对今后在本领域需要进一步研究的内容和需要解决的问题进行了简单的描述与展望。

第二章注塑机远程监控系统总体设计

注塑机远程监控系统从功能上总体分为下位机系统和上位机系统两层.下位机主要的作用是数据采集、以及过程控制。

上位机系统在下位机系统的基础上实现注塑工艺参数设定、工况显示、数据处理、历史数据存储、报警状态监视、监控记录、数据曲线记录等功能。

这里本文所研究的监控系统是指上位机系统的研究与设计。

2.1监控系统的需求分析

如图2-1所示，一台注塑机生产塑料制品的完整的注塑循环周期，可以分为合模与锁模、射台前进和注射、保压、冷却和预塑、射台后退和开模顶出产品等几个阶段。

图2-1注塑成型周期示意图

Fig.2-1Injectionmoldingcycleschematic

注射成型工艺：

（1）合模：

动模板快速接近定模板，确认无异物存在的情况，起高压，锁紧模板至连杆机构伸直为止。

（2）射台前进：

在模具锁紧后，射台前移，使喷嘴与模具的浇口贴合。

（3）注射和保压：

可设定螺杆以多段速度、位置和压力将原料注射进模具。

（4）冷却和预塑：

注射