李 揚(yáng)

（重慶長征重工有限責(zé)任公司，重慶 400084）

0 引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的變革，逐漸向著更加開放、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。PLC技術(shù)具有可靠性高、適應(yīng)性好、通信方面的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域?；赑LC300 技術(shù)，結(jié)合無線通訊網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理，具備一定的安全性與可靠性。

1 工業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、嵌入式等技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，基于這幾項(xiàng)關(guān)鍵支撐技術(shù)建立的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究逐漸成為研究熱點(diǎn)，目前在智能家居、智慧醫(yī)療和智能農(nóng)業(yè)等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但是尚未廣泛應(yīng)用到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。

現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展推動(dòng)自動(dòng)化單機(jī)與生產(chǎn)線的應(yīng)用，其功能和結(jié)構(gòu)逐漸變得復(fù)雜多樣，相較于傳統(tǒng)的人力現(xiàn)場(chǎng)管理，自動(dòng)化遠(yuǎn)程管理對(duì)生產(chǎn)過程中參數(shù)、數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況的遠(yuǎn)程獲取和各類數(shù)據(jù)的跟蹤、分析與管理更為注重。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與錄入，并在PC 端對(duì)采集的信息進(jìn)行匯總與可視化，數(shù)據(jù)以柱狀圖、狀態(tài)圖等直觀形式展示出來，在遠(yuǎn)程監(jiān)控終端對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。工作人員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置，可以隨時(shí)查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)指標(biāo)，可以對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。

國際上自20 世紀(jì)80 年代初期就開始遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的研究，在1997 年斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合舉辦了首屆基于Internet 的遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷會(huì)議，期間對(duì)系統(tǒng)的傳輸協(xié)議、用戶限制和開放式系統(tǒng)等問題進(jìn)行了探討與研究[1]。后續(xù)一些國外企業(yè)逐漸加大該方面的開發(fā)資金投入，并相繼基于自身研發(fā)的產(chǎn)品融入遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。其中，National Instruments 公司在其產(chǎn)品LabWindows 和LabView 中加入網(wǎng)絡(luò)通訊處理模塊，幫助該產(chǎn)品以FTP、E-mail 等方式在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送；英國圣安德魯斯大學(xué)的Chonalatee 和Saleem 提出適用于醫(yī)療護(hù)理的遠(yuǎn)程監(jiān)控手段；而葡萄牙學(xué)者對(duì)大型湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

目前，國內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的研究起步較晚，與國外發(fā)達(dá)國家相比存在一定的技術(shù)差距，沒有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[2]。目前，華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)的學(xué)者取得一系列研究成果，典型的有華中科技大學(xué)的“汽輪機(jī)工況檢測(cè)和診斷系統(tǒng)”、西安交通大學(xué)的“大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械計(jì)算機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷專家系統(tǒng)”等。國內(nèi)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)應(yīng)用主要集中于電網(wǎng)數(shù)據(jù)、礦山機(jī)電和水利監(jiān)測(cè)等遠(yuǎn)距離、較為分散的場(chǎng)合，不利于工作人員的直接監(jiān)控，沒有推廣到工業(yè)設(shè)備的監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域。

智能工業(yè)的迅速發(fā)展導(dǎo)致對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用的需求，而大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)的涌現(xiàn)提升監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用層面，未來遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)將呈現(xiàn)出一體化、專業(yè)化、智能化的趨勢(shì)。在工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理和故障診斷功能，及時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)實(shí)施對(duì)比，對(duì)處于異常狀況的設(shè)備及時(shí)進(jìn)行預(yù)警并顯示。

2 工業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 PLC300 控制技術(shù)

可編程邏輯控制器簡(jiǎn)稱為PLC，其內(nèi)部用于存儲(chǔ)程序，可以執(zhí)行如邏輯運(yùn)算、定時(shí)、控制和計(jì)數(shù)等用戶指令，是一類可編程存儲(chǔ)器。PLC 可以將數(shù)字量或模擬量作為輸入和輸出對(duì)不同類型元器件的執(zhí)行過程進(jìn)行控制。國內(nèi)的PLC 應(yīng)用十分普遍，集中于傳統(tǒng)制造、交通運(yùn)輸、化工產(chǎn)品等多種領(lǐng)域。PLC 的主要功能包括以下6 類[3]：

（1）邏輯控制。邏輯控制是PLC 使用最廣泛，也是最基本的應(yīng)用功能，可以用于單個(gè)工業(yè)設(shè)備的控制，也可以用于自動(dòng)化生產(chǎn)線的整體控制。在鉆床、電鍍、物流輸送、包裝等控制領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍。

（2）運(yùn)動(dòng)控制。PLC 可以對(duì)伺服電機(jī)等結(jié)構(gòu)的加減速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，其初期階段主要直接將開關(guān)量的輸入輸出模塊和位置傳感器等執(zhí)行元件進(jìn)行直接組合應(yīng)用。PLC 的運(yùn)動(dòng)控制功能在機(jī)械加工、機(jī)器人、汽車制造等場(chǎng)合得以廣泛應(yīng)用，對(duì)執(zhí)行元器件的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行一定結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的定位控制。

（3）模擬量控制。工業(yè)生產(chǎn)中存在溫度、壓力、液位、流量等連續(xù)變化的模擬量，必須事先模擬量（Analog）與數(shù)字量（Digital）之間的轉(zhuǎn)換才能方便PLC 對(duì)模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。目前，大部分邏輯控制器的生產(chǎn)廠商都生產(chǎn)配套的A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換模塊，有利于PLC 應(yīng)用于模擬量的控制。

（4）數(shù)據(jù)處理。PLC 具備數(shù)學(xué)運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、查表、位操作等功能，可以實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的采集、分析與處理。上述功能在煤礦、造紙、食品等大型控制系統(tǒng)方面具備較為廣泛的應(yīng)用。

（5）過程控制。過程控制主要指對(duì)風(fēng)速、油溫、濕度等模擬量進(jìn)行閉環(huán)控制，PLC 可以通過算法程序的編寫實(shí)現(xiàn)所需的閉環(huán)控制。目前，大部分PLC 模塊的調(diào)節(jié)包括應(yīng)用較多的PID 調(diào)節(jié)方式，對(duì)PID 子程序的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)過程控制需要的控制策略，可以應(yīng)用于鍋爐、冶金和熱處理等領(lǐng)域。

（6）通信與聯(lián)網(wǎng)。通信與聯(lián)網(wǎng)包括PLC 與PLC 之間的通信和PLC 與工業(yè)設(shè)備的通信。智能工廠對(duì)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提出較高的要求，迫使PLC 廠商盡快發(fā)展PLC 的聯(lián)網(wǎng)功能，現(xiàn)階段的PLC 具備RS-232 和RS-485 等串口通信模塊，便于PLC 的通信聯(lián)網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)。

將PLC 作為控制系統(tǒng)的核心，比起傳統(tǒng)繼電器控制，開關(guān)接點(diǎn)和電氣接線可以降低到原有水平的百分之幾，大幅度降低控制系統(tǒng)的故障率。此外，PLC 控制器具備診斷設(shè)備故障的功能，在運(yùn)行發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)可以自動(dòng)顯示錯(cuò)誤信息，工作人員可以使用應(yīng)用軟件編寫故障診斷程序，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，為了保證逐漸復(fù)雜化的設(shè)備可以處于長期安全高效的運(yùn)行狀態(tài)，必然要對(duì)這些設(shè)備實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷，PLC 控制系統(tǒng)具備極為重要的應(yīng)用地位。

2.2 工業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.2.1 總體架構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如圖1 所示，主要組成部分為服務(wù)器、客戶端和現(xiàn)場(chǎng)段，服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)端配合完成工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，客戶端可以方便客戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行查詢，從而更好的進(jìn)行管控。服務(wù)器分為用戶服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，前者主要負(fù)責(zé)客戶端與現(xiàn)場(chǎng)的通信，后者對(duì)工業(yè)設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與處理。數(shù)據(jù)采集、故障診斷以及報(bào)警功能由現(xiàn)場(chǎng)段實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)中PLC 子系統(tǒng)用于執(zhí)行服務(wù)器的控制命令，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控、管理與反饋，可以通過預(yù)先設(shè)置故障算法實(shí)現(xiàn)故障診斷功能，采用兩級(jí)診斷方法可以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線診斷與實(shí)時(shí)報(bào)警，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器供客戶查閱，從而做出最后診斷。服務(wù)器主要用于管理客戶端的客戶資料、用戶會(huì)話、設(shè)備注冊(cè)信息和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種日志的查詢功能。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2.2 工作流程

具體工作流程如下：服務(wù)器用于處理客戶端請(qǐng)求，然后將請(qǐng)求發(fā)送至PLC，PLC 返回的信息會(huì)按照系統(tǒng)要求的形式回傳給客戶，客戶可以監(jiān)控PLC 的工作情況，必要時(shí)通過PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制?？蛻裘詈蚉LC 的狀態(tài)主要通過服務(wù)器實(shí)現(xiàn)傳送，服務(wù)器與PLC 之間利用串口服務(wù)器傳送信息。PLC 選用PLC300，它自帶RS-485 串口，并且具備較為緊湊的設(shè)計(jì)、強(qiáng)大的擴(kuò)展性和指令體系。系統(tǒng)的串口服務(wù)器可采用DNS-1 整機(jī)串口WED 服務(wù)器，具有兩個(gè)可調(diào)整的串口，設(shè)定可選為RS-422、RS-485 或RS-232，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為TCP/IP。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表述如下：服務(wù)器與PLC 可以通過PLC帶有的RS-485 串口連接，PLC300 的串口通信協(xié)議在串口服務(wù)器下可以轉(zhuǎn)化為TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信功能。DNS 串口可以連接到具有串口的設(shè)備上，幫助設(shè)備在TCP/IP 協(xié)議下建立網(wǎng)絡(luò)支持功能，可以在網(wǎng)絡(luò)上將串口信息進(jìn)行共享。服務(wù)器前端的COM 口可以連接到多個(gè)元件上，后端在TCP/IP 協(xié)議下實(shí)現(xiàn)與因特網(wǎng)的鏈接。串口服務(wù)器的IP 與前端通信端口在實(shí)現(xiàn)映射之后，PLC 和串口服務(wù)器之間就實(shí)現(xiàn)了鏈接，系統(tǒng)呈現(xiàn)為PLC 子網(wǎng)和中心服務(wù)器的Internet 網(wǎng)兩個(gè)層次，串口服務(wù)器為維系兩者的紐帶。

2.2.4 通信方式選擇

中心服務(wù)器與PLC 具有多種通信方式，包括查詢、時(shí)鐘中斷讀標(biāo)和可屏蔽硬件的中斷方式等。查詢方式中，服務(wù)器主動(dòng)讀取下位機(jī)的信息，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但不具備實(shí)時(shí)優(yōu)勢(shì)；時(shí)鐘中斷讀標(biāo)指的是在PLC 建立請(qǐng)求通信的標(biāo)識(shí)，出現(xiàn)變化時(shí)服務(wù)器會(huì)對(duì)其發(fā)送命令請(qǐng)求，具備較好的效率以及較高的實(shí)時(shí)性；可屏蔽硬件中斷方式指的是PLC 主動(dòng)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，服務(wù)器處于被動(dòng)接受狀態(tài)，由于串行系統(tǒng)RS-485 為半雙工標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)無法在同一時(shí)刻進(jìn)行雙向流動(dòng)，因此PLC 命令的接受與發(fā)送可能會(huì)出現(xiàn)同時(shí)執(zhí)行的情況，引發(fā)系統(tǒng)的崩潰，且其編程較為復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)，因此不是較優(yōu)的選擇。因此通信方式可選擇查詢與時(shí)鐘中斷相結(jié)合，中心服務(wù)器定期向虛擬串口讀取下位機(jī)的信息，接受客戶端對(duì)PLC 的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。

2.2.5 通信進(jìn)程設(shè)置PLC、中心服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以利用串口服務(wù)器進(jìn)行連接，中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集設(shè)置可以在TCP/IP 協(xié)議下實(shí)現(xiàn)通信控制。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，中心服務(wù)器與PLC 之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)路線為：中心服務(wù)器數(shù)據(jù)采集設(shè)置、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、中心服務(wù)器網(wǎng)卡、串口服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)適配器、指定串口、RS-485 及PLC 通信模塊。流通的數(shù)據(jù)主要包括IP 幀和PLC 控制幀，二中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集設(shè)置可以通過PLC 控制幀和應(yīng)答幀的發(fā)送實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)TCP/IP 協(xié)議下控制程序的功能分為打包、解包等：打包指的是中心服務(wù)器發(fā)送PLC 控制幀至串口服務(wù)器，通信程序?qū)ζ溥M(jìn)行截獲并對(duì)ID 號(hào)進(jìn)行判斷，若判斷結(jié)果為存在于配置表中就會(huì)按照設(shè)置組成TCP/IP 協(xié)議下的Socket 套接字，然后通過網(wǎng)卡發(fā)往串口服務(wù)器；解包指的是系統(tǒng)接收到PLC 發(fā)送的應(yīng)答幀，由通信控制程序截獲并翻譯，將翻譯后的ID 號(hào)發(fā)送至相應(yīng)進(jìn)程中。

3 結(jié)語

隨著工業(yè)企業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理逐漸引起人們的重視，成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域的研究重點(diǎn)?；诔Ｓ玫腜LC300 技術(shù)，提出工業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案融合計(jì)算機(jī)科學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，闡述總體方案構(gòu)成，希望為相關(guān)的企業(yè)單位提供借鑒。