图1  嵌入式硫化机系统结构

随着组态软件的快速发展，近年来在工业自动化领域获得了越来越广泛的应用。本文详细介绍基于MCGS嵌入版组态软件的硫化生产监控系统的设计和实现。

MCGS嵌入版组态软件是基于RTOS（real-time multi-tasks operating system）实时多任务操作系统的专门应用于嵌入式操作系统的组态软件，用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，从而将用户从繁琐的编程中解脱出来，让更多的用户在使用嵌入式系统时得心应手。硫化机行业采用MCGS作为开发平台，并结合自身行业特点进行特殊定制，建立了适合自身行业特点的监控管理系统。

硫化监控系统要求

1.轮胎生产工艺

轮胎生产工艺过程可以分为四步：密炼、部件准备、轮胎成型和硫化。轮胎硫化的生产过程，主要是硫化机按照工艺要求，给轮胎施加不同的压力和温度，达到控制轮胎产品性能的目的。硫化工序生胎经过适当的时间以及适宜的条件，从而硫化成成品轮胎，如果硫化时温度、压力和时间控制得不准确就会影响轮胎质量。硫化完的轮胎即具备了成品轮胎的外观，轮胎通过检验后就可入成品库。所以硫化过程是轮胎生产成败的关键。该过程条件多，控制复杂，一旦出现问题，前面几道工序做得再好也没有意义。

2.硫化系统组成

图2  圆盘曲线

整个硫化过程涉及到的软硬件可以划分为三个部分：硫化机的机械装置；机械控制单元（PLC）：接受设置，并完成控制过程；监控软件：完成工艺配置，PLC设置，以及数据显示和管理。在硫化过程中，这三部分密切相关，首先是由监控软件完成工艺的编制，然后下载需要的工艺到PLC，由PLC按照工艺设置控制机械装置完成生产过程。在生产过程中，监控软件采集生产相关的实时数据完成显示和历史记录的保存工作。

传统硫化机系统

传统的硫化机系统，硬件方面使用通用计算机CPU和内存，以硬盘作为存储设备，仅提供1~2个RS232通信口，这就决定了它的运行需要占用计算机的资源，致使计算机速度比较慢。另一方面，使用这些硬件机器发热量也比较大，且硬盘易损坏，不安全。软件方面，HMI软件使用WIN98或WIN2000系统，采用第三方开发的监控软件，而这些监控软件普遍使用通用计算机语言开发，软件灵活性不是很好，而且WIN98和WIN2000系统安全方面不太可靠，易受网络攻击，存在安全隐患。

嵌入式硫化机系统

这种体系结构与传统的体系相比，硬件方面：它使用高性能低功耗CPU，内存容量为64~256M，提供了64M~2G的数据存储空间，并且它还提供1~4个RS232、RS485、网口、CAN等通信接口。软件方面：嵌入式WINCE操作系统代替了传统的WIN98，WIN2000等操作系统，MCGS组态监控系统代替了传统的应用程序，如图1所示。

组态开发

1.硫化数据分析

硫化过程中用到的数据，总体分为两大部分：控制数据和工艺数据。控制数据包括三个方面：开关控制、模拟量控制和时间控制。各种控制数据的功能分别如下：

（1）开关控制数据用来控制各种蒸气阀门（进气和排气）、水阀门（进水和排水）、机械臂、压力装置。

（2）模拟量控制主要是温度和压力，一共两个温度（左右温度），两个压力（内外压力）。

（3）时间控制用来控制保持温度和压力的时间长度。

工艺数据也包括三个方面：工艺数据、过程数据和历史数据。各种数据的功能分别如下：

（1）工艺数据：由一组预先设置的控制数据组成一个工艺步骤，多个工艺步骤组成一个完整的工艺过程。

（2）过程数据：生产过程中测量得到的开关控制状态数据和模拟量数据。

（3）历史数据：过程数据的保存结果。

2.工艺数据组态

根据硫化过程的特点，一个轮胎硫化过程需要多步工序，每个工序都需要进行一段时间，同时每步工序对应的多个阀门状态也各不相同，这就需要为每步工序设置不同的进行时间，及每步工序对应的多个阀门状态控制参数。结合MCGS组态软件的特点可以使用配方来实现工艺数据的控制，在组态下定义和编辑配方，每个工序需要进行的一段时间用配方的延迟时间来实现。即由一组预设的阀门控制状态和一个时间量组成一个工艺记录，工艺步骤按时间顺序执行。具体实现方法如下：

（1）工艺表编辑和保存方案：使用配方来管理工艺记录表，配方组保存工艺记录表，每条配方表示一个工艺记录。

（2）工艺执行方案：在循环策略中使用配方脚本完成设置数据的读取，并按照时间要求将数据下载到PLC设备。

（3）工艺表下载方案：PLC驱动提供设备命令，驱动的该命令能直接读取配方数据，实现块下发。硫化工艺开始前，当前工艺数据需下载到PLC中，每步工艺保持时间长短由PLC根据该步骤的执行时间控制。

3.硫化数据保存与显示

硫化数据显示针对不同的数据而不同，开关量数据显示使用动画构件，模拟量数据显示使用圆盘曲线显示。内温、外温、内压和外压的变化趋势可以通过两种方式来显示，历史曲线和圆盘曲线。

圆盘曲线是专门为替代三针指示记录调节仪设计的曲线显示构件。它最大支持八条曲线，支持24h范围实时数据和历史数据的显示及曲线标识显示（温度和压力），能够直观地体现出当前的曲线说明，还支持3~60s的数据采集间隔，通过使用脚本程序在运行环境下对圆盘曲线的大小进行缩放，当曲线放大后点击曲线的某一点可以对该曲线进行移动，移动至所关心的数据区查看曲线细节。硫化机的曲线如图2所示。

图3  技术拓扑图

硫化胎号将写在最外层曲线的周围，一周0~24表示一天中的24h，垂直方向0~250表示温度为0~250℃，水平方向0~5表示压力，其中温度和压力的范围可以自定义。曲线关联数据对象，以曲线的形式来显示实时数据，历史数据的查询使用HisData()方法打开自定义查询时间，也以曲线形式在该构件上显示。

历史数据保存面临两大风险，一是数据量大，二是查询效率低。数据量大的风险主要是由于历史数据保存的时间要求比较长，一般都在一年以上，按每6s保存一条记录计算数据量也接近1G，而查询效率低的原因也就是由于数据量大引起的，因此要解决这两个问题除了用MCGS提供的组对象存盘机制进行保存并扩展存储空间外，使用圆盘曲线实现按天查询，有效地解决了查询效率低这一问题。以存储四个模拟量、间隔6s为例，圆盘曲线可存储120~6200天的硫化过程数据，而查询任意一天的数据时耗时<2s，缩放状态切换耗时<1s。

硫化机网络群控

1.网络群控意义

随着生产规模的扩大，在一个生产厂里可能分布有几十台甚至上百台硫化机，如何集中、方便和高效地管理整个生产过程及硫化机设备就成为一个难题。为此充分利用MCGS组态开放性，可扩展性的特点，开发工厂级的设备联网管控系统，将整个工厂里所有硫化设备和生产过程纳入统一管理。就能很好地满足现场设备管理和生产管理的需要，大大简化管理复杂度，提高管理效率。

2.技术特点(拓扑图)

如图3所示，下位机使用相同的设备和工程，工程环境都使用MCGS硫化机专用版，每台下位机通过ModbusTCP转发出12个浮点数(或整数)。

上位机配置一个中心服务器，中心服务器使用网络版MCGS软件，通过以太网和所有硫化机的TPC相连接，使用专用群控设备驱动，轮询扫描所有TPC，读取的数据存在设备内的缓冲区内；使用一组变量表和监控画面，系统运行时在脚本中使用驱动的设备命令将数据从设备的缓冲区读到通道变量中并在画面上显示。

3.应用情况

MCGS组态软件在硫化行业的联网应用，实现了远程工艺设置、远程参数显示和设置，并且集中显示远程实时数据，通过MCGS网络版组态软件实现IE客户端浏览功能。目前这一网络群控功能在硫化行业得到了广泛应用，并为其他行业指明了方向。

总结

结合硫化行业自身的特点，通过MCGS本身的平台及专业的圆盘曲线和配方功能，实现了硫化工艺的控制与数据的显示与保存及全生产过程实时管理的功能，同时体现了嵌入式HMI的高效率和良好系统的扩展性。