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        基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的鼓風曝氣設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)*

        2023-12-13 11:25:30楊楚歆李祿達梁華軒麥麗菊沈大財
        機電工程技術 2023年11期
        關鍵詞:鼓風開源聯(lián)網(wǎng)

        楊楚歆,李祿達,梁華軒,麥麗菊,沈大財

        (廣東省機械研究所有限公司,廣州 510799)

        0 引言

        隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展和普及,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的一部分[1]。國際上主流的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺包括亞馬遜公司開發(fā)的AWS IOT 平臺、微軟公司開發(fā)的Microsoft Azure IoT 平臺、以及傳統(tǒng)工業(yè)龍頭企業(yè)西門子公司的MindSphere云平臺、GE公司的Predix 云平臺等等。隨著《中國制造2025》的戰(zhàn)略發(fā)布,國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)技術也在蓬勃發(fā)展,眾多掌握云服務器的廠商都提供了物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺,如阿里云、騰訊云等等[2]。但工業(yè)制造行業(yè)細分領域眾多,不同應用場景使用的設備及搭建的生產(chǎn)線也無統(tǒng)一標準,尤其體現(xiàn)于非標項目。因此現(xiàn)有的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺越來越難以滿足企業(yè)自身的個性化和定制化需求[3],技術的不透明以及不菲的授權費用也為企業(yè)二次開發(fā)增加負擔,因而需要企業(yè)投入資源,加強自主研發(fā)能力,針對自身產(chǎn)品開發(fā)定制化的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

        在環(huán)保裝備制造領域,鼓風曝氣設備是非常關鍵和重要的設備之一,在污水處理[4]、生物發(fā)酵等方面有著廣泛的應用,然而,傳統(tǒng)的鼓風曝氣設備的監(jiān)測、控制和維護工作中存在許多問題,包括人力物力的消耗,維護的及時性和效率低下,無法遠程監(jiān)控等等[5]。因此本文基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術,依托于多個仿真軟件和開源平臺,以鼓風曝氣設備為研究對象,搭建一套在線遠程監(jiān)測和控制系統(tǒng),實現(xiàn)的功能包括設備的在線監(jiān)控和管理,實時獲取鼓風曝氣設備的運行狀態(tài)和各種參數(shù),同時進行數(shù)據(jù)可視化展示,便于分析和處理,另外監(jiān)測設備的故障報警信息,即時記錄且可遠程處理等[6]。本研究以鼓風曝氣設備為例,驗證了一種從工業(yè)設備到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)交互的流程,為制造企業(yè)根據(jù)自身產(chǎn)品或生產(chǎn)線個性化開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供了一種具有參考價值的設計思路和研究方向。

        1 系統(tǒng)設計思路與架構(gòu)組成

        1.1 鼓風曝氣設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件及整體架構(gòu)

        本研究所用的鼓風曝氣設備配備有專用的變頻器用于運行參數(shù)設置與控制,其含有多個傳感器,如風量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、噪聲探測器等,用于監(jiān)測鼓風曝氣設備運行過程中的物理變量。變頻器與傳感器均與配備了數(shù)字量和模擬量輸入輸出模塊的PLC 連接,由PLC 作為數(shù)據(jù)采集和控制指令下發(fā)的核心部件,且與PLC 直接連接的觸摸屏作為可視化控制界面,以上部件構(gòu)成本地的鼓風曝氣設備控制系統(tǒng)。要實現(xiàn)設備的遠程監(jiān)控和管理,預設方案中,要使用工業(yè)智能網(wǎng)關與PLC 連接進行數(shù)據(jù)交互,同時作為MQTT 客戶端通過聯(lián)網(wǎng)模塊遠程連接MQTT 云服務器進行數(shù)據(jù)交互,而后工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺便可以通過與MQTT 服務器進行數(shù)據(jù)交互以間接獲取設備數(shù)據(jù)和寫入控制指令,打通數(shù)據(jù)交互路徑后便可根據(jù)需要進行功能模塊設計,包括設備控制、數(shù)據(jù)可視化、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障報警信息等等,該預想系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖1所示。

        圖1 鼓風曝氣設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

        1.2 鼓風曝氣設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)方案

        由上述討論可以看出,搭建鼓風曝氣設備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術問題在于如何實現(xiàn)從工業(yè)設備到物聯(lián)網(wǎng)云平臺的數(shù)據(jù)交互,對此本研究結(jié)合多個仿真軟件和開源平臺,測試出了一種實現(xiàn)工業(yè)設備與物聯(lián)網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)交互的方法及流程。該流程的主要模塊包括工業(yè)設備數(shù)據(jù)采集模塊,由仿真軟件ModSim32模擬從PLC寄存器中讀取和寫入數(shù)據(jù);智能網(wǎng)關模塊,由開源網(wǎng)關軟件Neuron 完成網(wǎng)關的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、協(xié)議轉(zhuǎn)換、主題訂閱和發(fā)布等功能;MQTT云服務器模塊,使用MQTT云服務器EMQX 的開源版本;以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺模塊,由開源工具Node-RED 開發(fā),功能可自定義。各個模塊之間的數(shù)據(jù)交互架構(gòu)如圖2所示。

        圖2 模塊間的數(shù)據(jù)交互架構(gòu)圖

        2 系統(tǒng)重要模塊設計

        2.1 鼓風曝氣設備數(shù)據(jù)采集模塊

        工業(yè)設備的數(shù)據(jù)采集通常由傳感器(如溫度、壓力、流量傳感器等)、監(jiān)測儀器(如電能表、頻率計、氣體分析儀等)、數(shù)據(jù)采集卡、設備專用的控制器等來實現(xiàn)[7]。采集的數(shù)據(jù)可通過多種通信協(xié)議如Modbus 協(xié)議、OPC UA協(xié)議、Profibus協(xié)議等傳遞到控制設備或系統(tǒng)中[8]。大型或復雜工業(yè)設備通常配備專用控制器集中管理數(shù)據(jù),如機床的CNC 數(shù)控系統(tǒng),外圍控制設備或系統(tǒng)可直接與設備控制器連接并進行數(shù)據(jù)交互。中小型或多個設備需要進行數(shù)據(jù)交互時,通常使用PLC(可編程邏輯控制器)來完成,PLC 可配置多個數(shù)字量和模擬量輸入輸出模塊,以及各種通信模塊(如以太網(wǎng)、串口通信等),以連接多種不同的傳感器或其他監(jiān)測設備來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,并集中保存在內(nèi)部寄存器中,可以對數(shù)據(jù)進行使用和管理也可以通過通信接口傳遞給其他監(jiān)控設備或系統(tǒng)[9]。

        本次研究中,采用仿真軟件ModSim32來模擬實時采集并保存在PLC 寄存器中的數(shù)據(jù)(圖3)。ModSim32 是Windows 應用,用來模擬從設備(與之相對的是ModScan32,用于模擬主設備)[10],可以接收主設備發(fā)送的指令報文,根據(jù)窗口配置的數(shù)據(jù)返回主設備需要的指令報文,并可通過Modbus TCP 協(xié)議與網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)交互。在本研究中,寄存器地址對應的模擬數(shù)據(jù)及其模擬方式如表1所示。

        表1 ModSim32寄存器地址與數(shù)據(jù)對應關系

        圖3 ModSim32仿真軟件的使用

        2.2 連接設備與云服務器中間模塊

        工業(yè)設備與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺之間進行數(shù)據(jù)交互需要將從數(shù)據(jù)采集模塊中獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務器,實現(xiàn)這一功能就需要一個連接工業(yè)設備與云服務器的中間模塊,可用的設備包括智能網(wǎng)關、嵌入式開發(fā)板、數(shù)據(jù)采集卡或軟件接口等。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域,最常用的中間模塊設備是智能網(wǎng)關,其需具備的基礎功能包括:協(xié)議解析、設備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)?,除了基礎功能外,智能網(wǎng)關還可根據(jù)需求拓展其他功能,如數(shù)據(jù)緩存、邊緣計算、安全保障等[11]。

        本研究中,采用在Windows 系統(tǒng)下可直接部署使用的開源網(wǎng)關軟件Neuron 作為連接ModSim32 仿真軟件與MQTT 云服務器的中間模塊。Neuron 是一款輕量級工業(yè)協(xié)議網(wǎng)關軟件,可運行在各種邊緣硬件上,旨在解決設備數(shù)據(jù)難以統(tǒng)一訪問的問題。Neuron 通過將多種工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換成標準統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)MQTT 消息,進行數(shù)據(jù)采集和遠程控制,實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺與各種設備的互聯(lián)互通。開源模式下,僅支持智能網(wǎng)關的基礎功能,即通信協(xié)議解析與轉(zhuǎn)換,連接云服務器,以及數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

        2.2.1 Neuron的南向設備管理

        仿真數(shù)據(jù)采集模塊的ModSim32 軟件作為南向設備,通過Modbus TCP協(xié)議與Neuron網(wǎng)關軟件連接,IP地址為測試所用的主機本地IP 地址,連接端口號為502,連接后在Neuron 管理平臺的界面如圖4 所示,連接后所要讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)列表如圖5 所示。南向連接設置完成,即可在“監(jiān)控”界面查看或修改(需具備寫入屬性)點位列表中對應ModSim32的各項數(shù)據(jù)的仿真數(shù)值。

        圖4 Neuron連接ModSim32

        圖5 南向設備連接獲取的點位列表

        2.2.2 Neuron的北向應用管理

        北向應用的連接,即連接云服務器,此處以開源MQTT 云服務器EMQX為例,開啟MQTT服務器后,只需在應用配置中輸入本機IP 地址(服務器部署在本地),端口號為1883,即可連接上EMQX云服務器,如圖6所示。

        圖6 Neuron連接EMQX云服務器

        進一步地,在北向應用管理的EMQX 頁面中,即可添加云服務器對Neuron 網(wǎng)關的訂閱主題,在該主題中,可自定義需要上傳的從南向設備中讀取的數(shù)據(jù),網(wǎng)關軟件將該主題按照MQTT 協(xié)議,封裝為JSON 格式的報文,發(fā)布到云服務器中,任何第三方MQTT 客戶端只需連接同一個節(jié)點的云服務器,訂閱該主題,即可獲取包含數(shù)據(jù)的報文。本次實驗中Neuron發(fā)布的報文實例如圖7所示。

        圖7 Neuron發(fā)布的主題報文

        2.3 云服務器模塊

        2.3.1 MQTT協(xié)議

        云服務器是物聯(lián)網(wǎng)云平臺與智能網(wǎng)關等中間模塊進行數(shù)據(jù)交互的交通樞紐,需要具備的基本功能包括接收來自各個客戶端的消息,以及向各個客戶端分發(fā)消息,在此基礎上,可增加連接管理,客戶端管理,數(shù)據(jù)管理,安全保障等功能。適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的云服務器需要支持的通信協(xié)議包括MQTT協(xié)議、CoAP協(xié)議、AMQP協(xié)議、OPC UA 協(xié)議等。其中,在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中最常用也是最簡潔高效的通信協(xié)議是MQTT 協(xié)議。MQTT(Message Queue Telemetry Transport)協(xié)議是一種輕量級、基于發(fā)布/訂閱(Publish/Subscribe)模式和消息隊列機制的通信協(xié)議。MQTT 協(xié)議分為客戶端和代理服務器兩個部分,客戶端負責連接到服務器、發(fā)布消息、訂閱主題等操作,代理服務器負責信息存儲、數(shù)據(jù)路由、消息傳遞等核心任務[12]。

        2.3.2 開源MQTT服務器EMQX

        本研究使用開源的MQTT服務器EMQX,EMQX是一款大規(guī)??蓮椥陨炜s的云原生分布式物聯(lián)網(wǎng)MQTT 消息服務器,開源版即可支持百萬個以內(nèi)的MQTT 連接及十萬以內(nèi)MQTT 消息每秒吞吐量,對于中小型項目來說性能已充足[13]。本研究將EMQX 服務器部署在Windows 系統(tǒng)下,進入EMQX 后臺管理界面的連接管理頁面,可查看當前連接狀態(tài),如圖8 所示。在訂閱管理頁面,可查看當前所有客戶端的訂閱信息,如圖9所示。

        圖8 EMQX連接管理頁面

        圖9 EMQX訂閱管理頁面

        2.4 物聯(lián)網(wǎng)云平臺模塊

        2.4.1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺開發(fā)工具Node-RED

        物聯(lián)網(wǎng)云平臺的開發(fā)工具通常由提供云服務器的廠商提供,本研究在使用開源云服務器的前提下,采用開源工具Node-RED 來開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)云平臺。Node-RED 是一個基于Node.js 并且使用可視化交互進行編程的開源工具,它常用于物聯(lián)網(wǎng)、工作流等領域的開發(fā)。

        Node-RED 提供了一個可視化的編輯器,讓用戶可以通過節(jié)點間的連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和交換。在Node-RED 的編輯器中,每個節(jié)點表示一個操作項,如設備、函數(shù)、流程控制等,連接線則表示數(shù)據(jù)流的傳輸方式。用戶可以在編輯器中拖拽不同類型的節(jié)點進行配置,并將它們通過連接線連接起來,通過這些節(jié)點來創(chuàng)建一個完整的、可執(zhí)行的流程。

        2.4.2 Node-RED連接MQTT服務器

        Node-RED 可通過“mqtt in”節(jié)點連接MQTT 服務器,與MQTT服務器部署在同一本地主機的前提下,只需設置服務端的IP地址和端口號,即可與EMQX服務器建立連接[14],并選擇訂閱網(wǎng)關軟件Neuron發(fā)布的包含仿真數(shù)據(jù)報文的主題,即可獲取JSON格式的數(shù)據(jù)流,如圖10所示。

        圖10 Node-RED連接EMQX

        2.4.3 使用MySQL數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)

        Node-RED 支持使用多種數(shù)據(jù)庫存儲和管理數(shù)據(jù),如MySQL 和Sqlite 等[15],在本研究中,采用MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲設備信息。首先在MySQL 數(shù)據(jù)庫管理平臺(本次實驗使用的是SQLyog)中新建數(shù)據(jù)庫,并新建表,屬性與ModSim32仿真軟件中的一致,如圖11所示。

        圖11 使用MySQL數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建表

        下一步在Node-RED 編輯器中使用“MySQL”節(jié)點,輸入本地IP地址,默認端口號3306,以及用戶密碼等登錄信息,即可與MySQL數(shù)據(jù)庫建立連接。建立連接后,可使用“function”節(jié)點,編寫對數(shù)據(jù)庫進行增刪改查的SQL語句,連接數(shù)據(jù)庫節(jié)點后便可對數(shù)據(jù)庫進行操作。以保存數(shù)據(jù)為例,正確連接后即可將從EMQX 服務器讀取的訂閱數(shù)據(jù)信息,存儲到MySQL數(shù)據(jù)對應表中,如圖12所示。

        圖12 MySQL數(shù)據(jù)庫表中數(shù)據(jù)

        2.4.4 使用Node-RED開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)云平臺界面

        Node-RED 可以通過“dashboard”節(jié)點集合進行界面開發(fā),“dashboard”可使用的控件節(jié)點有按鈕、下拉列表、開關、滑塊、數(shù)字輸入、文本輸入、表單、日歷、顏色選擇器等,可做數(shù)據(jù)可視化的節(jié)點有文本顯示、儀表盤(多種形式)、圖表(折線圖、餅圖、柱形圖等),并且支持快速開發(fā)菜單欄控件,同時可通過節(jié)點管理,安裝更多控件節(jié)點。本研究中將簡單設置物聯(lián)網(wǎng)云平臺頁面布局,實現(xiàn)設備控制、數(shù)據(jù)可視化、歷史數(shù)據(jù)查詢和故障報警信息等功能,編輯器界面如圖13所示。

        圖13 Node-RED編輯器界面

        3 系統(tǒng)運行調(diào)試驗證

        為驗證遠程監(jiān)控系統(tǒng)的可行性,搭建了磁懸浮鼓風機試驗硬件平臺,如圖14 所示。將遠程監(jiān)控系統(tǒng)裝載在電腦上進行遠程試驗測試。試驗過程中,使用“gauge”節(jié)點中的可視化工具實時顯示風量、壓力、噪聲和溫度的數(shù)值,并設置其表征顏色。當顏色為紅色時表示數(shù)值過高,顏色為綠色時表示數(shù)值過低,觸發(fā)相應的報警信息,并等待確認。設備的當前狀態(tài)讀取自ModSim32 的寄存器地址為40001 的數(shù)據(jù),并且可以通過“開啟”和“停止”按鈕寫入,云平臺控制臺界面如圖15所示。

        圖14 磁懸浮鼓風機

        圖15 云平臺控制臺界面

        采用實時更新的折線圖形式展示各個物理量隨著時間的變化情況,根據(jù)需要可選用餅圖、柱形圖等其他形式展示,并且可基于可視化數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)分析,效果如圖16所示。

        圖16 云平臺數(shù)據(jù)可視化界面

        數(shù)據(jù)從云服務器讀取后,經(jīng)過解析與處理,保存于MySQL 數(shù)據(jù)庫中,使用“table”節(jié)點進行自定義展示,圖17~18 為云平臺的歷史數(shù)據(jù)展示界面及故障報警記錄界面。

        圖17 云平臺歷史數(shù)據(jù)查詢界面

        圖18 云平臺故障報警記錄界面

        本研究中以基礎的設備控制和數(shù)據(jù)可視化展示功能為例,演示功能模塊的開發(fā)過程,實驗結(jié)果表明:該遠程監(jiān)控系統(tǒng)已打通了從數(shù)據(jù)采集模塊到物聯(lián)網(wǎng)云平臺模塊的數(shù)據(jù)交互通道,可以實現(xiàn)設備工作時的狀態(tài)實時監(jiān)控,接下來依托云平臺可根據(jù)項目實際需要自定義開發(fā)所需的功能,如用戶與權限管理、視頻監(jiān)控界面、組態(tài)管理等等。

        4 結(jié)束語

        隨著信息技術的飛速發(fā)展,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)字化與智能化轉(zhuǎn)型的主要手段和工具已經(jīng)展現(xiàn)出強大的潛力。本文從企業(yè)的實際項目需求出發(fā),基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關技術,以鼓風曝氣設備為研究對象,以MQTT 協(xié)議為主要框架,利用多個仿真軟件和開源平臺,針對性開發(fā)了一套可在線遠程監(jiān)控和管理鼓風曝氣設備的物聯(lián)網(wǎng)云平臺系統(tǒng),打通了從工業(yè)設備到物聯(lián)網(wǎng)云平臺的數(shù)據(jù)交互渠道,為傳統(tǒng)的鼓風曝氣設備進行數(shù)字化和信息化改造提供了設計思路和參考方向,也為制造企業(yè)進行工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了實驗平臺。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷完善和發(fā)展,相信它將在未來更廣泛的應用和推廣中發(fā)揮著更為重要的作用和價值,帶來更加良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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