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(1．華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，廣東 廣州 510640； 2．華南理工大學聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣東 廣州 510640)

0 引言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，塑料生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)自動化水平進一步提高，越來越多的塑料生產(chǎn)企業(yè)引進了集中監(jiān)控系統(tǒng)[1-2]。由于基于PC或服務器的集中監(jiān)控系統(tǒng)，其搭建成本昂貴，搭建過程較為復雜。許多中小企業(yè)依然采用人工巡視的方式監(jiān)控設備的生產(chǎn)狀態(tài)。

為了解決中小塑料生產(chǎn)企業(yè)擠出機生產(chǎn)時采用人工巡視而導致的監(jiān)控效率低，發(fā)現(xiàn)問題不及時的情況。采用Android系統(tǒng)為開發(fā)平臺，開發(fā)一款能與西門子S7-1200PLC通訊的無線控制軟件，結合工業(yè)路由器和S7-1200PLC，構建一個擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過移動終端人機界面與人交互，實現(xiàn)對多臺擠出機實時工作參數(shù)的在線監(jiān)控。

1 擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構

擠出機電機的啟停和轉速是由變頻器控制的，機筒的加熱和冷卻則是由溫控模塊根據(jù)設定溫度與當前溫度進行調(diào)控的，而部分報警功能則是通過PLC控制繼電器的通斷實現(xiàn)的。擠出機的控制系統(tǒng)中，PLC作為核心，它通過與變頻器、溫控模塊和繼電器等的連接，獲取擠出機運行的各項所需參數(shù)，并對擠出機的可設置參數(shù)進行修改。移動終端作為擠出機無線監(jiān)控器運行監(jiān)控軟件，通過WiFi無線網(wǎng)絡與S7-1200PLC建立通訊，從PLC中讀取要監(jiān)控的擠出機的各項參數(shù)，如電機轉速、機筒溫度和熔體壓力等。并且根據(jù)用戶操作向PLC發(fā)出更改參數(shù)或運動控制指令，PLC接收到指令后控制其子控制器完成相應動作。如上所述，擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

圖1 無線監(jiān)控系統(tǒng)

整個無線監(jiān)控系統(tǒng)主要分為3個部分：下位機控制部分、局域網(wǎng)通信部分和移動端監(jiān)控部分。下位機控制部分主要是通過編寫PLC程序，使PLC能通過指令對設備進行控制，且能將設備的特征參數(shù)采集上來，保存到指定寄存器中。局域網(wǎng)通信部分主要包括通過工業(yè)路由器，將移動終端和多臺擠出機的PLC接入到同一個局域網(wǎng)內(nèi)，使得移動終端能和多臺擠出機實現(xiàn)穩(wěn)定的通信。移動端監(jiān)控部分主要包括與PLC建立連接后，從PLC指定寄存器中獲取當前被監(jiān)控擠出機的實時工作參數(shù)，并將用戶更改參數(shù)的指令發(fā)送給PLC，完成參數(shù)的更改或設定，同時保存參數(shù)更改的歷史信息。擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)整體架構如圖2所示。

圖2中，首先通過工業(yè)路由器，將移動終端和擠出機的S7-1200PLC配置到同一局域網(wǎng)。用戶打開移動終端監(jiān)控軟件，首先與PLC建立通信，一旦建立通信，軟件便會自動向PLC發(fā)送請求指令，讀取擠出機當前的各項參數(shù)到顯示界面，使用戶能夠監(jiān)視當前擠出機的各項主要運行參數(shù)。當用戶在操作界面更改可設定參數(shù)時，軟件接收到操作響應，向PLC發(fā)送相應數(shù)據(jù)或指令，PLC接收到指令或數(shù)據(jù)后對相應寄存器或開關變量進行更改，從而控制變頻器、溫控模塊或繼電器，進而控制擠出機的運行狀態(tài)。

圖2 無線監(jiān)控系統(tǒng)整體架構

2 擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)硬件平臺設計

本課題需要用到的設備和硬件：多臺以S7-1200 PLC為控制核心的擠出機、工業(yè)路由器和1臺Android移動終端。硬件連接方案：通過雙絞線，把擠出機中PLC的以太網(wǎng)接口和工業(yè)路由器的LAN口連接起來，對多臺擠出機進行組網(wǎng)。工業(yè)路由器擬采用AP模式(接入點模式)，放射WiFi熱點， Android移動終端接入路由器的WiFi熱點。Android手機應用和PLC通過Modbus TCP/IP協(xié)議進行通信[3-4]。

2.2 系統(tǒng)軟件部分設計

Android系統(tǒng)是Google公司發(fā)布的基于Linux內(nèi)核的開源操作系統(tǒng)。Android應用程序的開發(fā)工具有很多，通常使用Eclipse或者Android Studio作為應用開發(fā)環(huán)境[5]。相比Eclipse，Android Studio的功能更加強大，具有構建程序界面方便，打印信息更加詳細，智能識別更強大等特點。因此，移動終端的軟件開發(fā)選用對開發(fā)者更友好的Android Studio作為開發(fā)工具。

移動終端的APP需要以下幾個功能：通訊設置功能、數(shù)據(jù)寫入功能、數(shù)據(jù)自動更新功能和查看監(jiān)控歷史記錄功能。其中，通訊設置功能通過在APP中輸入目標PLC的IP地址，便能使移動終端和PLC實現(xiàn)通信連接；數(shù)據(jù)寫入功能主要是通過移動終端的APP能往PLC中特定的寄存器寫入數(shù)值，并能在APP的數(shù)據(jù)操作顯示界面中顯示寫入的值；數(shù)據(jù)自動更新功能則使APP能實時地讀取PLC中特定寄存器的值，并在界面中顯示實時數(shù)值；查看監(jiān)控歷史記錄功能則是為了方便查看何時對擠出機的哪些參數(shù)進行了更改，對擠出機的運行參數(shù)做一個記錄。監(jiān)控APP軟件的功能如圖3所示。

圖3 軟件功能模塊

S7-1200PLC的程序則由西門子PLC專用編程軟件博途TIA V14編寫。首先，對PLC的IP地址進行配置，使其與工業(yè)路由器的IP地址位于同一網(wǎng)段內(nèi)。然后，編寫PLC程序對擠出機工作時的各項參數(shù)進行讀取，并將其保存到指定的寄存器中。且PLC程序還能通過寫入數(shù)據(jù)到指定寄存器，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送到子控制系統(tǒng)，進而改變擠出機的運行狀態(tài)。最后，通過在PLC的啟動塊中設置Modbus_server功能模塊，將PLC設置為可被外部設備訪問的從站，移動終端的APP根據(jù)PLC程序中指定的寄存器地址，便能實現(xiàn)對指定變量的讀寫。

3 擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)首先配置工業(yè)路由器，使移動終端和S7-1200PLC能接入并實現(xiàn)通信。工業(yè)路由器和家用路由器一樣，是用于連接2個或超過2個的設備接入網(wǎng)絡的設備器件。工業(yè)路由器其實就是功能更加強大，性能更為穩(wěn)定的路由器。 其高性能高主頻處理器使其網(wǎng)絡有更大的輻射范圍，而其工業(yè)級的做工則讓它能在較惡劣的工業(yè)環(huán)境中長時間使用不出現(xiàn)問題。無線監(jiān)控系統(tǒng)中將工業(yè)路由器配置成為AP模式。在這種模式下，無線網(wǎng)絡得到擴充，無線和有線網(wǎng)絡可以并存。進入路由器設置界面，將路由器IP設置為192.168.2.1， WiFi命名為“C”，并對其進行加密。

擠出機S7-1200PLC的系統(tǒng)控制程序在博途TIA V14中采用梯形圖的方式編寫，使用MB_COMM_LOAD_DB功能塊，以及MB_MASTER_DB功能塊與變頻器和溫控模塊建立通信，設置開關變量控制電機和加熱冷卻系統(tǒng)的啟停。創(chuàng)建DB數(shù)據(jù)塊，為擠出機待設定變量和狀態(tài)變量指定數(shù)據(jù)存儲的寄存器。接著，通過邏輯編程，實現(xiàn)整個擠出機的功能控制。最后，創(chuàng)建MB_SERVER_DB功能塊，將PLC設置為從站，使其能被處于同一網(wǎng)段的移動終端訪問。

智能終端無線監(jiān)控軟件是在Android開發(fā)平臺的基礎上進行軟件實現(xiàn)的。開發(fā)環(huán)境需要安裝Android Studio，Java JDK，Android SDK，NDK等[6]。該軟件是用Java語言編寫的，為了實現(xiàn)和相關設備進行基于Modbus協(xié)議的通信，需要在Modbus組織的官網(wǎng)上下載Jamod庫[7]，該庫提供了Modbus通信中每種不同類型所需的類，如表1所示。

表1 Jamod提供的操作類

在擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)中，通信部分主要在后臺運行，不和用戶進行交互服務，因此采用Android的服務(Service)來實現(xiàn)[8]。在手機監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)顯示頁面設置開關按鈕，用以啟動服務和停止服務，相對應于功能上的開啟監(jiān)控和停止監(jiān)控。開啟服務后，啟動定時器，每隔2 s，后臺服務執(zhí)行讀取PLC特定寄存器的代碼，將讀取數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，并將其顯示到監(jiān)控界面。通過每隔2 s讀取1次擠出機運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，完成對擠出機的實時監(jiān)測。其流程如圖4a所示。

為了實現(xiàn)對擠出機的控制，使用EditText控件，獲取用戶輸入的值，并且通過建立和擠出機PLC的Modbus TCP通信，將讀取的值直接寫入特定的保持寄存器、線圈或者輸入寄存器，從而改變預設溫度、電機轉速等參數(shù)，以完成對擠出機的控制。數(shù)據(jù)寫入功能的流程如圖4b 所示。

圖4 軟件監(jiān)控流程

查看監(jiān)控歷史記錄功能，系統(tǒng)軟件采用了數(shù)據(jù)庫記錄數(shù)據(jù)，再從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)來更新數(shù)據(jù)顯示界面，除了方便活動和服務的數(shù)據(jù)交換，還有另外一個重要原因是，要對采集的數(shù)據(jù)進行記錄。在歷史記錄界面，可以通過選取合適的時間段來指定顯示的需要查找的歷史記錄。

4 擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)的測試

根據(jù)系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)流程，選用3臺以S7-1200PLC為下位機控制器的擠出機、1部Android系統(tǒng)手機和1臺工業(yè)路由器，搭建擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)。

打開移動端監(jiān)控APP，對其中1臺擠出機進行監(jiān)控，對比擠出機觸摸屏控制面板可以看到，移動監(jiān)控界面可以實時地讀取擠出機的溫度、電流和轉速等參數(shù)。并能對擠出機的運行參數(shù)進行更改設定。擠出機無線監(jiān)控效果如圖5所示。切換其他擠出機監(jiān)控界面，監(jiān)測效果相同。通過以上測試可知，本文所提出的基于Android的擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)搭建簡單，易于操作，整體功能完好。

圖5 系統(tǒng)整體測試監(jiān)控數(shù)據(jù)

5 結束語

基于Android和WiFi技術開發(fā)了一套擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的監(jiān)控界面運行在移動終端上，利用WiFi便能和正在運行的多臺擠出機進行通信，并對多臺擠出機進行監(jiān)控。經(jīng)過實驗測試表明，該擠出機無線監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控不僅實時性好、穩(wěn)定，而且大大提高了擠出機生產(chǎn)過程中的監(jiān)控效率。隨著工業(yè)控制技術的發(fā)展和設備制造技術的不斷進步，基于移動端的無線監(jiān)控在未來的自動化生產(chǎn)中會越來越普遍。