黃正銘，杜寶江，吳恩啟，喬俊偉，過(guò)奕君

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海光華印刷機(jī)械有限公司，上海 200436）

0 引言

隨著社會(huì)需求的日益增加，大型高端印刷設(shè)備越來(lái)越多地應(yīng)用到社會(huì)生產(chǎn)和生活中。一旦印刷設(shè)備發(fā)生故障或者設(shè)備發(fā)生失效，如果不能夠及時(shí)排除故障，那么將不僅會(huì)給制造企業(yè)帶來(lái)不可預(yù)期的損失，而且還會(huì)加大企業(yè)的經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。因此如何能夠保證設(shè)備高效正常的運(yùn)轉(zhuǎn)、保證快速排除設(shè)備故障和做好故障發(fā)生的預(yù)警是各大中制造企業(yè)管理者工作的重心。

為了保證生產(chǎn)安全，企業(yè)管理者會(huì)給設(shè)備配備專業(yè)技術(shù)高的維修技術(shù)人員、專業(yè)的維修設(shè)備、供技術(shù)人員參考的故障維修資料。這種單一、較為傳統(tǒng)的維修方式不僅耗資巨大，浪費(fèi)珍貴的人力資源和寶貴的時(shí)間，而且效率不高，起不到很好的維修效果。此外延緩了企業(yè)的信息化管理升級(jí)，不利于提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

印刷設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效地幫助制造企業(yè)解決以上的問(wèn)題。制造領(lǐng)域的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)獲取異地印刷設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，然后在本地通過(guò)對(duì)運(yùn)行參數(shù)的分析，得出結(jié)論，最后再通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)對(duì)遠(yuǎn)程的印刷設(shè)備進(jìn)行控制和采取必要的干預(yù)。從設(shè)備信息快速反饋和設(shè)備維修的角度考慮，該系統(tǒng)主要包含三方面內(nèi)容：高速網(wǎng)絡(luò)的搭建、設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和維修方案的確定。

1 設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

印刷設(shè)備的復(fù)雜性、維修人員的技術(shù)局限性、維修設(shè)備的有限性和維修時(shí)間的緊迫性使得遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要用一個(gè)全新的思路去設(shè)計(jì)：設(shè)備信息反饋及時(shí)、異地協(xié)同維修、設(shè)備維修信息的整理與保存。按照這個(gè)思路設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 印刷設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分的功能

此系統(tǒng)主要由以下四層組成：

1）數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)的采集主要是通過(guò)采集PLC的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行的。PLC由于其易操作性和穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)，特別是先進(jìn)制造領(lǐng)域。

此外PLC還有豐富的擴(kuò)展接口與外部控制設(shè)備進(jìn)行通訊，基于此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要是通過(guò)RS232/RS485串口電纜或者RJ45以太網(wǎng)口連接外部中繼設(shè)備進(jìn)行采集。主流電氣自動(dòng)化廠商生產(chǎn)的PLC支持RS232/RS485串口電纜進(jìn)行通信，也有些廠商的產(chǎn)品支持通過(guò)其網(wǎng)絡(luò)通信模塊（含RJ45通信口）進(jìn)行通信，例如三菱Q系列PLC的QJ71E71-100/B5/B2等三種模塊，施奈德Twido系列PLC也包含以太網(wǎng)模塊。這些都為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M網(wǎng)方式提供了豐富的選擇。

2）數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層主要包括數(shù)據(jù)中繼和數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊主要依托于3G網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，3G無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突破了傳輸速率的限制，一般可以達(dá)到2M～3.1Mbps,可以滿足對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)囊?，很好的保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩图皶r(shí)，與傳統(tǒng)的GPRS/CDMA無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相比，大大減緩了時(shí)間的延遲[2]。數(shù)據(jù)中繼模塊和數(shù)據(jù)模塊主要用于將采集的PLC數(shù)據(jù)傳輸給3G網(wǎng)絡(luò)終端模塊，該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以將接收到的PLC數(shù)據(jù)進(jìn)行IP打包，經(jīng)過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程的制造企業(yè)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接收模塊。

圖2 PLC數(shù)據(jù)分析框圖

3）數(shù)據(jù)接收層

數(shù)據(jù)接受層主要用于接收遠(yuǎn)程PLC數(shù)據(jù)，PLC的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議遵循MODBUS通信協(xié)議。MODBUS工業(yè)通信協(xié)議是國(guó)際上通用的關(guān)于工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的一種，它提供了一個(gè)控制器能夠認(rèn)識(shí)的消息結(jié)構(gòu)。獲得了PLC數(shù)據(jù)后就要將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)分析模塊，然后進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的分析，如圖2所示，線圈的狀態(tài)值或者寄存器的值是否正確或者超出值的范圍，如不正確去經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中查找原因，如果找不到原因，操作者就要向?qū)＜艺?qǐng)教，得出解決方案，并且將解決方案存放至數(shù)據(jù)庫(kù)。

4）數(shù)據(jù)反饋層

數(shù)據(jù)反饋層是將RDL得出的解決方案的具體實(shí)施方法，反饋至遠(yuǎn)程的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備端。首先將實(shí)施方法的按照MODBUS協(xié)議的消息格式編寫成MODBUS命令（MBC，ModBus Command），然后通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以達(dá)到在線維護(hù)的目的，具體如圖3所示。

圖3 PLC數(shù)據(jù)傳輸框圖

2 設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各功能的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)傳輸

對(duì)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸是通過(guò)含有3G無(wú)線互聯(lián)技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸裝置的模塊。本系統(tǒng)中3G無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用的是由我國(guó)所制定的3G標(biāo)準(zhǔn)—TD-SCDMA（時(shí)分同步碼分多址）。3G技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠極大地增加系統(tǒng)容量，提高通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。

中興、華為等通訊公司都有支持3G無(wú)線數(shù)據(jù)終端模塊，該模塊能夠接入擁有TCOIP協(xié)議的Internet網(wǎng)絡(luò)，用戶通過(guò)設(shè)置一些簡(jiǎn)單的參數(shù)就可以直接通過(guò)RS232/RS485串口電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該模塊具有客戶機(jī)功能，能夠主動(dòng)請(qǐng)求TCP連接遠(yuǎn)方的服務(wù)器中心進(jìn)行通信。在每一個(gè)這樣的無(wú)線終端中安裝一個(gè)UIM芯片，該芯片主要是通過(guò)電信運(yùn)營(yíng)商提供相關(guān)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還可以對(duì)該芯片進(jìn)行設(shè)備ID號(hào)碼。該ID號(hào)碼就是該數(shù)據(jù)模塊的唯一標(biāo)識(shí)，同時(shí)還是服務(wù)器中心與現(xiàn)場(chǎng)流水線設(shè)備進(jìn)行通信的唯一標(biāo)識(shí)。

2.2 監(jiān)控中心數(shù)據(jù)的接收

遠(yuǎn)程PLC數(shù)據(jù)接收的程序設(shè)計(jì)是應(yīng)用基于TCP/IP協(xié)議的套接字進(jìn)行接收的。在監(jiān)控中心服務(wù)器端主要用到了多線程技術(shù)和套接字技術(shù)，打開監(jiān)聽(tīng)程序，當(dāng)有遠(yuǎn)程的通信設(shè)備有請(qǐng)求時(shí)，就將記錄下該通信設(shè)備的設(shè)備ID，同時(shí)新開一個(gè)線程，本線程專門用于接收遠(yuǎn)程通信設(shè)備的PLC數(shù)據(jù)和本地給遠(yuǎn)程通信設(shè)備的反饋，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程服務(wù)器接收PLC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.3 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與協(xié)同共享

每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維護(hù)方案都要存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，這不僅是企業(yè)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，這明顯有利于其他的技術(shù)人員進(jìn)行借鑒和參考，而且還相當(dāng)于為每臺(tái)機(jī)器都建立了“個(gè)人病例”檔案，如果該臺(tái)設(shè)備維修的頻率大于某個(gè)參考值，系統(tǒng)就會(huì)預(yù)警，給企業(yè)以足夠的時(shí)間進(jìn)行設(shè)備處理，企業(yè)就要考慮該臺(tái)設(shè)備做進(jìn)行大修或者報(bào)廢等的處理。所以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)與共享是十分必要的。

經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)主要包括以下幾張表：PurchaserInfo（設(shè)備擁有者的信息），該表是用來(lái)記錄設(shè)備擁有者的一些信息；MaintainRecord（設(shè)備的維修記錄），該表主要是用來(lái)記錄設(shè)備維修的記錄；RemoteEquipment（設(shè)備的具體信息），該表主要是用來(lái)存儲(chǔ)設(shè)備的具體信息；UserInfo（用戶信息），該表記錄了不同權(quán)限的操作人員，不同的權(quán)限的操作人員可以看不同的數(shù)據(jù)庫(kù)信息；AlarmLog（報(bào)警記錄），主要記錄設(shè)備的維修次數(shù)等報(bào)警信息。

不同地域的專家在診治不同的設(shè)備時(shí)，需要根據(jù)自己的權(quán)限來(lái)遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)，這樣就可以通過(guò)監(jiān)控服務(wù)器對(duì)遠(yuǎn)程的設(shè)備進(jìn)行診斷，并且能夠共享經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的解決方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種典型的基于3G無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)程印刷設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)的整體框架和模型，并且對(duì)各模塊進(jìn)行了細(xì)分和功能概述。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式相比，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠快速的，高效率的解決設(shè)備出現(xiàn)的問(wèn)題，并且能夠?yàn)槠髽I(yè)節(jié)省大量的財(cái)力物力。目前該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想已經(jīng)運(yùn)用在上海光華印刷機(jī)械有限公司的印刷設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)項(xiàng)目中，目前系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。

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