PLC300 技術下工業(yè)設備遠程管理系統(tǒng)的設計

李 揚

（重慶長征重工有限責任公司，重慶 400084）

0 引言

計算機技術、人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，引發(fā)自動化控制領域的變革，逐漸向著更加開放、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。PLC技術具有可靠性高、適應性好、通信方面的特點，已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)控制領域?；赑LC300 技術，結合無線通訊網(wǎng)絡與因特網(wǎng)實現(xiàn)工業(yè)設備的遠程管理，具備一定的安全性與可靠性。

1 工業(yè)設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

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

現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展推動自動化單機與生產(chǎn)線的應用，其功能和結構逐漸變得復雜多樣，相較于傳統(tǒng)的人力現(xiàn)場管理，自動化遠程管理對生產(chǎn)過程中參數(shù)、數(shù)據(jù)、設備運轉情況的遠程獲取和各類數(shù)據(jù)的跟蹤、分析與管理更為注重。遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以自動地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與錄入，并在PC 端對采集的信息進行匯總與可視化，數(shù)據(jù)以柱狀圖、狀態(tài)圖等直觀形式展示出來，在遠程監(jiān)控終端對目標對象進行實時監(jiān)測。工作人員通過遠程監(jiān)控裝置，可以隨時查看設備的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)指標，可以對設備故障進行及時預警。

國際上自20 世紀80 年代初期就開始遠程監(jiān)控技術的研究，在1997 年斯坦福大學和麻省理工學院聯(lián)合舉辦了首屆基于Internet 的遠程監(jiān)控與診斷會議，期間對系統(tǒng)的傳輸協(xié)議、用戶限制和開放式系統(tǒng)等問題進行了探討與研究[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)絡通訊處理模塊，幫助該產(chǎn)品以FTP、E-mail 等方式在網(wǎng)絡上進行數(shù)據(jù)的傳送；英國圣安德魯斯大學的Chonalatee 和Saleem 提出適用于醫(yī)療護理的遠程監(jiān)控手段；而葡萄牙學者對大型湖泊水質監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究。

目前，國內(nèi)遠程監(jiān)控設備的研究起步較晚，與國外發(fā)達國家相比存在一定的技術差距，沒有較強的市場競爭力[2]。目前，華中科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大學的學者取得一系列研究成果，典型的有華中科技大學的“汽輪機工況檢測和診斷系統(tǒng)”、西安交通大學的“大型旋轉機械計算機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷專家系統(tǒng)”等。國內(nèi)的遠程監(jiān)測應用主要集中于電網(wǎng)數(shù)據(jù)、礦山機電和水利監(jiān)測等遠距離、較為分散的場合，不利于工作人員的直接監(jiān)控，沒有推廣到工業(yè)設備的監(jiān)控應用領域。

智能工業(yè)的迅速發(fā)展導致對遠程監(jiān)控應用的需求，而大數(shù)據(jù)與云計算技術的涌現(xiàn)提升監(jiān)控系統(tǒng)的應用層面，未來遠程監(jiān)控技術將呈現(xiàn)出一體化、專業(yè)化、智能化的趨勢。在工業(yè)設備的遠程監(jiān)控方面，遠程監(jiān)控系統(tǒng)應當具備數(shù)據(jù)監(jiān)測、設備管理和故障診斷功能，及時將采集到的數(shù)據(jù)信息進行存儲與分析，并與標準數(shù)據(jù)實施對比，對處于異常狀況的設備及時進行預警并顯示。

2 工業(yè)設備遠程管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.1 PLC300 控制技術

可編程邏輯控制器簡稱為PLC，其內(nèi)部用于存儲程序，可以執(zhí)行如邏輯運算、定時、控制和計數(shù)等用戶指令，是一類可編程存儲器。PLC 可以將數(shù)字量或模擬量作為輸入和輸出對不同類型元器件的執(zhí)行過程進行控制。國內(nèi)的PLC 應用十分普遍，集中于傳統(tǒng)制造、交通運輸、化工產(chǎn)品等多種領域。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，也是最基本的應用功能，可以用于單個工業(yè)設備的控制，也可以用于自動化生產(chǎn)線的整體控制。在鉆床、電鍍、物流輸送、包裝等控制領域應用比較普遍。

（2）運動控制。PLC 可以對伺服電機等結構的加減速運動進行運動控制，其初期階段主要直接將開關量的輸入輸出模塊和位置傳感器等執(zhí)行元件進行直接組合應用。PLC 的運動控制功能在機械加工、機器人、汽車制造等場合得以廣泛應用，對執(zhí)行元器件的機械結構設計進行一定結合可以實現(xiàn)較為精準的定位控制。

（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）之間的轉換才能方便PLC 對模擬量數(shù)據(jù)進行快速處理。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 轉換模塊，有利于PLC 應用于模擬量的控制。

（4）數(shù)據(jù)處理。PLC 具備數(shù)學運算、轉換、查表、位操作等功能，可以實現(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用。

（5）過程控制。過程控制主要指對風速、油溫、濕度等模擬量進行閉環(huán)控制，PLC 可以通過算法程序的編寫實現(xiàn)所需的閉環(huán)控制。目前，大部分PLC 模塊的調節(jié)包括應用較多的PID 調節(jié)方式，對PID 子程序的調節(jié)可以實現(xiàn)過程控制需要的控制策略，可以應用于鍋爐、冶金和熱處理等領域。

（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)設備的通信。智能工廠對內(nèi)部網(wǎng)絡建設提出較高的要求，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，開關接點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 控制器具備診斷設備故障的功能，在運行發(fā)生錯誤時可以自動顯示錯誤信息，工作人員可以使用應用軟件編寫故障診斷程序，進一步提升系統(tǒng)的可靠性。在實際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中，為了保證逐漸復雜化的設備可以處于長期安全高效的運行狀態(tài)，必然要對這些設備實行遠程監(jiān)控與故障診斷，PLC 控制系統(tǒng)具備極為重要的應用地位。

2.2 工業(yè)設備遠程管理系統(tǒng)設計方案

2.2.1 總體架構

遠程監(jiān)控系統(tǒng)如圖1 所示，主要組成部分為服務器、客戶端和現(xiàn)場段，服務器與現(xiàn)場端配合完成工業(yè)設備的遠程監(jiān)控，客戶端可以方便客戶對現(xiàn)場的實際情況進行查詢，從而更好的進行管控。服務器分為用戶服務器和數(shù)據(jù)庫服務器，前者主要負責客戶端與現(xiàn)場的通信，后者對工業(yè)設備的各項數(shù)據(jù)進行查詢與處理。數(shù)據(jù)采集、故障診斷以及報警功能由現(xiàn)場段實現(xiàn)。

系統(tǒng)中PLC 子系統(tǒng)用于執(zhí)行服務器的控制命令，對工業(yè)現(xiàn)場設備進行實時的監(jiān)控、管理與反饋，可以通過預先設置故障算法實現(xiàn)故障診斷功能，采用兩級診斷方法可以對工業(yè)現(xiàn)場段的數(shù)據(jù)進行在線診斷與實時報警，并將相關數(shù)據(jù)上傳至服務器供客戶查閱，從而做出最后診斷。服務器主要用于管理客戶端的客戶資料、用戶會話、設備注冊信息和現(xiàn)場設備，并可以實現(xiàn)對各種日志的查詢功能。

圖1 系統(tǒng)總體架構

2.2.2 工作流程

具體工作流程如下：服務器用于處理客戶端請求，然后將請求發(fā)送至PLC，PLC 返回的信息會按照系統(tǒng)要求的形式回傳給客戶，客戶可以監(jiān)控PLC 的工作情況，必要時通過PLC 實現(xiàn)對設備的控制。客戶命令和PLC 的狀態(tài)主要通過服務器實現(xiàn)傳送，服務器與PLC 之間利用串口服務器傳送信息。PLC 選用PLC300，它自帶RS-485 串口，并且具備較為緊湊的設計、強大的擴展性和指令體系。系統(tǒng)的串口服務器可采用DNS-1 整機串口WED 服務器，具有兩個可調整的串口，設定可選為RS-422、RS-485 或RS-232，系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信協(xié)議為TCP/IP。

2.2.3 網(wǎng)絡結構

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

2.2.4 通信方式選擇

中心服務器與PLC 具有多種通信方式，包括查詢、時鐘中斷讀標和可屏蔽硬件的中斷方式等。查詢方式中，服務器主動讀取下位機的信息，實現(xiàn)較為簡單，但不具備實時優(yōu)勢；時鐘中斷讀標指的是在PLC 建立請求通信的標識，出現(xiàn)變化時服務器會對其發(fā)送命令請求，具備較好的效率以及較高的實時性；可屏蔽硬件中斷方式指的是PLC 主動發(fā)出中斷請求信號，服務器處于被動接受狀態(tài)，由于串行系統(tǒng)RS-485 為半雙工標準，信號無法在同一時刻進行雙向流動，因此PLC 命令的接受與發(fā)送可能會出現(xiàn)同時執(zhí)行的情況，引發(fā)系統(tǒng)的崩潰，且其編程較為復雜，不易實現(xiàn)，因此不是較優(yōu)的選擇。因此通信方式可選擇查詢與時鐘中斷相結合，中心服務器定期向虛擬串口讀取下位機的信息，接受客戶端對PLC 的實時監(jiān)控管理。

2.2.5 通信進程設置PLC、中心服務器和數(shù)據(jù)庫服務器可以利用串口服務器進行連接，中心服務器的數(shù)據(jù)采集設置可以在TCP/IP 協(xié)議下實現(xiàn)通信控制。系統(tǒng)在運行過程中，中心服務器與PLC 之間的數(shù)據(jù)流動路線為：中心服務器數(shù)據(jù)采集設置、TCP/IP網(wǎng)絡、中心服務器網(wǎng)卡、串口服務器的網(wǎng)絡適配器、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，二中心服務器的數(shù)據(jù)采集設置可以通過PLC 控制幀和應答幀的發(fā)送實現(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器發(fā)送PLC 控制幀至串口服務器，通信程序對其進行截獲并對ID 號進行判斷，若判斷結果為存在于配置表中就會按照設置組成TCP/IP 協(xié)議下的Socket 套接字，然后通過網(wǎng)卡發(fā)往串口服務器；解包指的是系統(tǒng)接收到PLC 發(fā)送的應答幀，由通信控制程序截獲并翻譯，將翻譯后的ID 號發(fā)送至相應進程中。

3 結語

隨著工業(yè)企業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)設備的遠程管理逐漸引起人們的重視，成為自動化控制領域的研究重點。基于常用的PLC300 技術，提出工業(yè)設備遠程管理系統(tǒng)的設計方案，該方案融合計算機科學、互聯(lián)網(wǎng)技術、自動控制技術等多學科知識，闡述總體方案構成，希望為相關的企業(yè)單位提供借鑒。