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无人操作全自动计量的研究与应用
2019-06-11 13:13:09 来源:http://www.scalesh.com 作者:http://www.scalesh.com 【 】 浏览:1次 评论:0

一、整体设计

(一) 系统功能模块

系统功能架构无人操作全自动计量系统分为设备层、控制层、监控层、管理层四个层次结构, 是一个分布式的工业网络控制系统。其中设备层 (现场执行设备) 负责将物理信号转换成数字或标准的模拟信号, 控制层 (PLC) 完成对现场计量流程的实时监测与控制, 监控层 (数据存储转发服务器) 通过对多个控制层设备的集中管理, 以及与计量系统的信息交互, 计量系统实现对计量数据进行管理、统计和查询, 并实现与监控层服务器的实时交互。系统功能框架如图1-1所示。

图1-1智能化计量系统功能设计

图1-1智能化计量系统功能设计  下载原图

(二) 系统集成

现场控制系统的设备层由红外对射、红绿信号灯、大屏幕、分屏、道闸、读卡器、照明灯、计量仪表、打印机、确认按钮等构成。

控制层PLC程序设计实现汽车衡计量过程中的车辆精准定位、车辆防作弊监管、仪表精准取数等技术问题, 实现汽车衡自动计量控制。

无人操作全自动计量系统的监控层 (数据存储转发系统) 通过上位机与计量系统进行交互, 提供接口给无人操作全自动计量系统。

计量系统向控制系统传输车辆信息、异常信息、显示信息、打印信息, 通过接口下发到上位机。上位机实时获取计量系统下发的信息。

计量系统实现申请单据管理、自动计量流程管理、异常信息处理、与现场控制系统指令下达及接收等, 如图1-2所示。

图1-2无人操作全自动计量系统集成图

图1-2无人操作全自动计量系统集成图  下载原图

二、汽车衡防舞弊

解决汽车衡防舞弊的途径主要通过以下两方面: (1) 通过PLC控制系统实时采集仪表、现场设备信号, 并实时传递给全自动计量系统进行校验, 由全自动计量系统完成数据的采集、核对、确认; (2) 异常情况由全自动计量系统自动判断并保存数据, 事后在进行异常数据处理。

(一) PLC控制系统

通过RS232接口与仪表通信, 实时采集仪表的数据变化, 仪表数据不发生跳变时, PLC控制系统认为汽车衡已达到稳定状态, 可以保存重量, 避免了由于人工操作的作弊行为。PLC控制系统作为底层控制设备, 为上层系统实现全自动计量提供了有力的支撑。

为解决车辆舞弊的情况, 汽车衡秤体的前后两侧各设置一对红外对射装置。在没有车辆计量的情况下, 两对红外对射处于不遮挡状态, 此时PLC控制系统没有限位报警信号输入。当有车辆上衡时, 秤体的重量逐渐增大, 而且上衡红外对射被遮挡, 此时PLC控制系统开始限位报警。若此时称重仪表处于稳定状态, PLC控制系统会输出语音提示信息, 提示司机“向前调整车身”, 直到上衡红外对射不再遮挡。假如司机调整车身太过, 导致下衡红外对射被遮挡, 同样PLC控制系统会下发语音提示信息, 提示司机调整车身, 直至两对红外对射均不遮挡, 同时称重仪表处于稳定状态。随后, 才开始提示司机刷卡。若司机在车辆没有完全上衡的情况下刷卡, 这时系统会提示“等待车辆稳态”, 不会进行下面的流程, 直到车辆完全上衡。逻辑梯形图如图2-1所示。

图2-1无人车辆限位提示逻辑图

图2-1无人车辆限位提示逻辑图  下载原图

在多辆车排队计量的情况下, 为避免前车计量结束后还未完全下衡, 后车就上衡压秤导致计量数据失真的情况, 衡前设置一套道闸机。通过PLC控制系统的程序控制实现:

(1) 在车辆完全上衡后, 衡前道闸机落下, 避免后车在前车计量过程中上衡压秤。

(2) 在前车计量结束完全下衡后, 衡前道闸抬起, 后车上衡继续计量。

实现现场执行设备自动控制, 首先通过PLC获取现场执行设备的状态, 判断出计量过程中所处的状态, 并在显示屏上实时展示出来。在计量过程中共分为初始状态、上衡状态、稳定状态、下衡状态四个计量状态。

初始状态表示衡器处于可用状态, 现场所有执行设备均处于计量前的状态。3对红外光电设备没有被遮挡;称重仪表数值为0;上衡红绿灯为绿灯;下衡红绿灯为红灯;上衡道闸处于抬起状态;下衡道闸处于落下状态;读卡器处于等待刷卡状态。如图2-2所示。

图2-2道闸机控制逻辑图

图2-2道闸机控制逻辑图  下载原图

(二) 异常流程处理

原有模式, 出现无计量申请单、皮重差异、未收货确认等异常情况时, 需要计量员通过语音进行沟通, 并通过手工操作来完成异常情况的确认, 人工操作的干预使计量舞弊成为可能。

通过对计量异常情况的优化, 将无计量申请单、皮重差异、未收货确认等异常情况的处理, 更改为全自动计量系统先保存重量, 之后再处理异常问题、打印小票, 从而避免了人工操作介入造成的舞弊现象, 并且提高了计量效率。

三、自动计量主体

远程值守计量系统, 由计量员通过车辆位置来判断车辆是否具备开始计量条件, 再由人工点击开始计量进入计量流程;计量员再通过计量申请单业务类型来判断计量顺序选择过重、过空;之后计量员根据仪表重量变化情况来判断是否具备保存重量条件, 再进行重量保存, 出净重后再由计量员根据业务类型打印不同数量的计量小票。

对计量业务进行总结梳理, 重新设计了一套无人值守的智能化、自动化计量流程, 满足了过空、过重的流程设计, 同时能够满足包含收货、销售、转储在内的各种业务场景, 规避了几乎所有的人为操作, 从而达到很好的防作弊效果, 同时也减少了汽车衡计量员的工作量, 减少了汽车衡操作人员, 并且计量人员工作性质发生了根本的改变, 由操作变为监控、异常处理。

(一) 计量流程触发

全自动计量系统通过自主研发实时数据库与读卡器的接口程序, 通过对读卡器的控制和对读卡器的数据采集, 实现了通过刷卡触发全自动计量流程, 避免了人工重复性操作, 解放了劳动力, 提高了计量效率。

(二) 计量顺序判断

全自动计量系统通过对各种计量业务进行归纳汇总, 为不同的业务类型配置了不同的计量顺序, 全自动计量功能根据车辆的业务类型, 自动判断计量顺序, 提升了汽车衡计量效率, 降低了人工操作的错误率。

(三) 汽车衡状态判断

初始状态表示衡器处于可用状态, 现场所有执行设备均处于计量前的状态。3对红外光电设备没有被遮挡;称重仪表数值为0;上衡红绿灯为绿灯;下衡红绿灯为红灯;上衡道闸处于抬起状态;下衡道闸处于落下状态;读卡器处于等待刷卡状态。逻辑梯形图, 如图3-1所示。

图3-1初始化状态的判断

图3-1初始化状态的判断  下载原图

上衡状态表示称重车辆正处于上衡过程中, 称重仪表数值不断增大, 上衡红外光电设备被遮挡。上衡红绿灯由绿变红, 用于提示后面司机不能上衡。若上衡车辆在上衡过程中没有完全上衡, 语音显示屏会及时提示司机调整车身, 直至车辆完全上衡并停稳。逻辑梯形图如图3-2所示。

图3-2上衡状态的判断

图3-2上衡状态的判断  下载原图

稳定状态表示称重车辆完全上衡, 称重仪表数值稳定。此时上衡道闸自动落下, 以防止后面车辆未按红绿灯引导上衡压秤。同时语音显示屏提示司机下车刷卡。逻辑图如图3-3所示。

下衡状态表示计量结束, 车辆下衡状态, 此时由于计量系统下发下衡命令, 下衡道闸自动抬起, 下衡红绿灯变绿。称重仪表数值开始逐渐变小, 下衡2对红外光电被遮挡。直到下衡2对红外光电设备不被遮挡且称重仪表数值小于1t, 下衡道闸自动落下, 上衡道闸自动抬起。此时由下衡状态变为初始状态, 等待下一次计量。逻辑图如图3-4所示。

图3-3稳态的判断

图3-3稳态的判断  下载原图

图3-4下衡状态的判断

图3-4下衡状态的判断  下载原图

四、稳定高效的接口通讯

数据存储转发控制子系统采用力控实时数据库系统实现。力控监控组态软件实现对现场数据的采集与过程控制。它提供了良好的用户开发界面和简介的工程实现方法, 可以实现和完成监控层的各项功能, 极大地提高了集成效率。

(一) 力控实时数据库系统

力控实时数据库结构图如图4-1所示。

数据存储转发控制子系统采用力控实时数据库系统实现。主要实现如下功能:

(1) 作为现场PLC控制器与智能化计量系统的媒介, 实现PLC点位状态数据、车辆卡信息及计量信息采集, 传递智能化计量系统下发的控制指令等功能。

(2) 通过实时数据库Modbus Server, 实现智能化计量系统与实时数据库数值型信息交互。

(3) 通过自主开发的通信接口, 实现智能化计量系统与实时数据库之间字符信息的交互。

(二) 读卡器技术的实现

读卡器由原来与计量系统直接相接改为下放到执行端。难点在于:

(1) 门禁IC卡CPU卡号获取后如何传递到计量系统。

(2) 组态软件无法直接驱动读卡器, 必须开发独立接口, 又必须将数据整合到统一数据平台传递到计量系统。

(3) 为防止司机重复刷卡, 造成计量错误, 要求控制读卡器一次刷卡成功后, 司机再刷卡无效。

(4) 为防止跟车, 造成计量错误, 要求读卡器进行控制。

(5) 读卡器与实时数据库主节点、备节点的通信自动切换。

最终通过自主开发读卡器到实时数据库的通信接口程序解决以上难题。

(1) 完成获取并传递CPU卡号的功能。

(2) 接口控制同一卡片连续刷卡只读一次。

(3) 接口控制不同卡片相继刷卡时间间隔, 此间隔可根据需求自主更改。

(4) 接口程序通过检测当前节点的工作状态, 来实现读卡器与实时数据库主节点、备节点的通信自动切换。

图4-1力控实时数据库结构

图4-1力控实时数据库结构  下载原图

(三) 计量信息通讯技术的实现

计量信息由原来远程值守计量系统直接下发显示及控制打印机打印计量小票改为下放到执行端, 由现场客户端展示车辆计量信息以及控制打印机打印计量小票。难点在于:

(1) 计量信息90%以上为字符信息, 实时数据库无法直接实时处理。

(2) 打印机需要在现场客户端获取打印信息, 包括:打印内容及打印张数并返回打印结束标识。

(3) ODBC与计量系统关系数据库交互, 频率太高, 关系数据库压力大。

(4) ADO组件与计量系统关系数据库交互, 不稳定, 出现连续相同指令无法处理, 甚至客户端崩溃, 造成计量中断。

最终解决方案:

自主开发与计量系统关系数据库交互的通信接口, 完成客户端显示及打印所需的字符型计量信息。接口根据计量系统下发的数字指令, 实时条件判断是否对关系数据库接口表进行读取, 此方式既可避免无意义的高频访问关系数据库, 又可实时对指令做出响应, 避免信息延时及缺失。读取计量信息后写入实时数据库对应点位的字符型属性字段, 以供客户端分屏显示及打印机打印所需。

客户端打印机根据计量系统下发的打印指令判断是否进行打印操作, 收到打印指令后获取打印内容及打印张数发送至打印机进行打印。

(四) 并发控制模型的建立

在钢铁企业中经常出现多台汽车衡并行, 在共享代码的前提下要保证多台汽车衡可同时计量且互不影响, 还要保证每个汽车衡数据的准确。为此, 我们将每一台汽车衡抽象为一个独立的应用模型, 采用Spring+quartz整合方案实现定时任务, Quartz的Scheduler Factory Bean配置参数中不注入task Executor属性, 使用默认自带的线程池。为每一台汽车衡称重创建了独立的定时任务运行线程, 保证每台汽车衡的相对独立, 确保数据的准确, 同时多台汽车衡同时运行, 增加了汽车衡整体的称重效率。

五、DMZ隔离区设置

为满足操作及时性和广播性质传播的业务需求, 通过手机APP功能开发来实现。为了解决安装防火墙后外部网络不能访问内部网络服务器的问题, 而设立的一个非安全系统与安全系统之间的缓冲区即DMZ区, 这个缓冲区位于企业内部网络和外部网络之间的小网络区域内, 在这个小网络区域内可以放置手机APP的服务器。DMZ在内部网络和外部网络之间构造了一个安全地带。如图5-1所示。

图5-1 DMZ隔离示意图

图5-1 DMZ隔离示意图  下载原图

App是无人操作全自动计量在用户体验上相比于PC端是有很大优势的, 移动App应用的崛起也是时代发展的潮流, 将移动App应用引入生产制造单位, 在人员操作效率上会有一个很大的提升。

物资计量移动App应用, 可满足用户一些即时的操作, 比如收货确认, 皮重差异确认等, 现场操作人员不用在现场看着司机卸车以后又转向远处的操作室进行PC端操作, 操作人员可直接拿起手机进行操作, 大大方便了操作人员的对业务的操作。对于司机用户可在进厂后通过App查看各个汽车衡的检修公告, 同时可通过视频监控功能查看各个汽车衡排队等候的状态, 选择最优的汽车衡去称重, 加快了物流运输的效率。如图5-2所示。

(一) 优化汽车衡资源调度

目前国内大型钢铁企业的汽车衡计量业务多采用远程, 未考虑的汽车衡资源的利用。或者是通过业务排队派单的形式分发的计量员的操作终端。而此次项目实施的全自动计量, 通过DMZ虚拟技术, 实现手机互联网与公司内网的通讯, 为司机提供了查看各个汽车衡实时排队的信息, 司机可以根据实际情况选择最佳的汽车衡进行称重, 提高了汽车衡的计量效率。

(二) 辅助形成高效闭环

为保证运输货物的安全, 在皮重和毛重计量之间, 需要对货物的接、卸进行系统操作后, 再进行第二次计量, 装、收料点往往不具备办公网络的条件, 料场人员需要步行一段距离才能到达办公地点, 收货确认不及时的情况时有发生, 这将影响到计量效率。现在手机APP功能开发彻底打破了这个地域限制。

图5-2移动App硬件架构

图5-2移动App硬件架构  下载原图

皮重差异功能在手机APP上面的开发也使得发生皮重差异的情况下, 业务人员在去现场了解车辆的情况的同时, 就可以在手机上进行皮重差异的确认, 同样不受地域的限制。

六、结论

融合信息技术、自动化技术实现了一套全自动计量系统, 满足了涵盖收货、销售、转储、盘倒在内的钢铁企业汽运计量的全部业务场景。规避了所有人为操作, 从而达到计量数据的获取客观、公正、准确、及时的效果。基于此创新点, 已取得软件著作权, 专利授权正在受理过程中。

应用自动监听技术, 结合车辆状态判断, 自助读取车辆卡号, 并通过TCP/IP协议控制器通讯接口传输到计量系统, 实现了自动计量中卡片的自动读取与安全准确传输, 打造了自动计量与现场司机的人机互动。基于此创新点, 已申请并获得《TCP/IP协议控制器通信接口应用系统及方法》的发明专利授权 (专利号:201610797913.X) 。

引入移动App是首钢京唐公司无人操作全自动计量的一个创新点, 移动App在用户体验上相比于PC端是有很大的优势, 手机APP汽车衡视频功能高效调配了汽车衡资源的均衡使用, 收货确认、皮重确认等APP功能, 促进业务流程闭环, 辅助提升了计量效率。基于此创新点, 已取得软件著作权, 专利授权正在受理过程中。

运用DMZ技术, 在内部网络和外部网络之间构造了一个安全地带, 提供了对外网应用端、内网数据库的访问。在确保网络安全的基础上, 实现APP与内网ERP数据的高效传输, 提供高效稳定的对外服务。

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