一種面向光纜自動(dòng)收排過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

傅勝軍，唐敦兵，，王仕存，段祺舜，惠大可

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016； 2. 南京航空航天大學(xué) 無(wú)錫研究院，江蘇 無(wú)錫 214154)

0 引言

光纜收排是指在光纜護(hù)套生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)套塑冷卻完成后，線纜被整齊卷繞到收線盤上的過(guò)程，并要求收排平坦緊實(shí)，無(wú)穿插，無(wú)壓摞跳線[1]。為更好地實(shí)現(xiàn)光纜自動(dòng)化收排，基于當(dāng)前設(shè)備和工藝開發(fā)高效、實(shí)用的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。本文提出了一套能夠?qū)饫|自動(dòng)收排過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)，可為企業(yè)生產(chǎn)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)。方案采取PLC+PROFINET構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信[2]，并通過(guò)OPC UA和Socket技術(shù)開發(fā)數(shù)據(jù)采集層，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互[3]。該控制系統(tǒng)基于云端服務(wù)器和web技術(shù)將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行發(fā)布，生產(chǎn)人員在任何地方都可以實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史記錄、報(bào)警信息等，并及時(shí)進(jìn)行控制管理。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 光纜收排過(guò)程及監(jiān)控對(duì)象

如圖1所示，光纜的收排過(guò)程主要由收線和排線構(gòu)成，光纜通過(guò)牽引在收卷運(yùn)動(dòng)和排線運(yùn)動(dòng)的作用下，進(jìn)行收排。收卷運(yùn)動(dòng)使光纜卷繞到線盤上，排線運(yùn)動(dòng)為排線電機(jī)帶動(dòng)整體收線機(jī)構(gòu)沿排線方向水平移動(dòng)。線盤每收卷一圈，排線移動(dòng)一個(gè)排線節(jié)距。若當(dāng)前層被排滿，排線運(yùn)動(dòng)則反向，進(jìn)行下一層線纜的收排。

圖1 光纜收排過(guò)程示意圖

由上述對(duì)收排過(guò)程可知，面向光纜自動(dòng)收排過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要針對(duì)以下生產(chǎn)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控：1)收排線狀態(tài)：收卷角速度、實(shí)際線速度、排線節(jié)距、尋邊距離、收線層數(shù)等；2)工藝參數(shù)：電纜直徑、預(yù)制計(jì)米長(zhǎng)度、手動(dòng)速度設(shè)定、線盤直徑和盤寬等；3)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)及報(bào)警信息：收排計(jì)米長(zhǎng)度、單盤生產(chǎn)周期、PLC報(bào)警信息等。

1.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文規(guī)劃了一種3層架構(gòu)的自動(dòng)化光纜收排遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案，如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

第1層為收排控制層，設(shè)定為現(xiàn)場(chǎng)控制器和各類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如PLC、收排線電機(jī)傳感器等，該層主要負(fù)責(zé)自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)收集。第2層為數(shù)據(jù)采集層，主要由控制室PC機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)收排現(xiàn)場(chǎng)和云端監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互，讀取控制層的生產(chǎn)數(shù)據(jù)(如收卷速度、收線層數(shù)、計(jì)米長(zhǎng)度和報(bào)警信息等)，同時(shí)從云端監(jiān)控平臺(tái)獲取監(jiān)控指令和參數(shù)(如預(yù)制計(jì)米長(zhǎng)度、手動(dòng)設(shè)定速度等)。第3層為云端監(jiān)控平臺(tái)，該層以云端服務(wù)器為中心，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和發(fā)布。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)收排控制

在自動(dòng)收排控制系統(tǒng)中，要求收排控制層的網(wǎng)絡(luò)具有一定實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和安全性，本文采用了PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式，實(shí)現(xiàn)了控制層分布式IO和控制的主干[4]。光纜自動(dòng)收排現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)由一臺(tái)S7-1500PLC和兩臺(tái)S7-1200PLC、G120變頻器、HMI觸摸屏等構(gòu)成。在收排控制層的PROFINET通信中，西門子S7-1500PLC作為PROFINET IO控制器，S7-1200PLC和變頻器等其他設(shè)備作為PROFINET從站設(shè)備。

針對(duì)收排的不同控制要求，采用了一種偏差耦合同步控制和主從同步控制相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。牽引運(yùn)動(dòng)和收卷運(yùn)動(dòng)要求線速度相同，所以采用偏差耦合同步控制，引入前饋環(huán)節(jié)，動(dòng)態(tài)對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到良好的同步性能。對(duì)于收卷運(yùn)動(dòng)和排線運(yùn)動(dòng)，收線盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，排線移動(dòng)一個(gè)排線節(jié)距。因此采用主從同步控制結(jié)構(gòu)，排線電機(jī)(從電機(jī))實(shí)時(shí)跟蹤收卷電機(jī)(主電機(jī))的輸出，來(lái)實(shí)現(xiàn)精密排線。該結(jié)構(gòu)在保證了自動(dòng)收排精度的同時(shí)降低了系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)載。通過(guò)增加比例器1/R1和1/R2來(lái)確保電機(jī)的線速度同步，R1和R2分別為牽引、收卷半徑，R2隨著收卷層數(shù)的增加不斷增大。同時(shí)通過(guò)引入前饋控制，增加PI速度補(bǔ)償器，實(shí)時(shí)消除轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化等擾動(dòng)給同步控制帶來(lái)的誤差。

圖3 收排系統(tǒng)控制策略結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場(chǎng)控制程序的主要流程如圖4所示。設(shè)備在初始化后，將空收線盤上盤，并與光纜進(jìn)行固定。然后牽引電機(jī)、收卷電機(jī)、排線電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行收排。當(dāng)設(shè)備上的尋邊傳感器檢測(cè)到排線到邊，本層排線結(jié)束，排線運(yùn)動(dòng)反向運(yùn)行，進(jìn)行下一層光纜的收排。直至收排長(zhǎng)度到達(dá)預(yù)制計(jì)米長(zhǎng)度，本盤收排結(jié)束，將光纜打扎后，卸下收滿的線盤。上述流程循環(huán)執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)上盤收線。

圖4 光纜收排控制程序流程

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集層通過(guò)OPC UA通信訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)控制主站，對(duì)收排控制層數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，同時(shí)數(shù)據(jù)采集層通過(guò)Socket與云端監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

OPC UA使用客戶端/服務(wù)器模式通信[4-5]。OPC UA通信中，OPC UA服務(wù)器為現(xiàn)場(chǎng)S7-1500PLC，在控制室PC機(jī)上開發(fā)OPC UA客戶端模塊，作為采集層與OPC UA服務(wù)器交互的OPC UA客戶端接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集層與現(xiàn)場(chǎng)收排控制層的數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互過(guò)程如圖5所示。針對(duì)OPC UA客戶端通信模塊采用不同的交互方式。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要分為以下幾種：1)傳感器、編碼器采集：動(dòng)作限位、尋邊距離、牽引和收排速度、PLC和變頻器報(bào)警信息等；2)PLC累計(jì)運(yùn)算得到：收排計(jì)米長(zhǎng)度、生產(chǎn)周期、班產(chǎn)量等；3)云端監(jiān)控平臺(tái)或現(xiàn)場(chǎng)HMI設(shè)定：如排線節(jié)距、預(yù)制計(jì)米長(zhǎng)度、手動(dòng)速度等。

1)類數(shù)據(jù)是現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)反映，變化較快，監(jiān)控實(shí)時(shí)性要求較高，因而采用OPC UA訂閱監(jiān)視變量的方式進(jìn)行訪問(wèn)，并通過(guò)在服務(wù)器上注冊(cè)提高訪問(wèn)速度。2)類數(shù)據(jù)在收排過(guò)程中不斷地累計(jì)變化，但監(jiān)控實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以采用標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)讀寫方式訪問(wèn)。3)類數(shù)據(jù)采用事件觸發(fā)的方式進(jìn)行讀寫訪問(wèn)，當(dāng)數(shù)據(jù)改變時(shí)，OPC UA客戶端程序才進(jìn)行讀寫。根據(jù)上述交互方式，將客戶端通信功能封裝成了以下幾個(gè)模塊：遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定模塊、實(shí)時(shí)狀態(tài)采集模塊、生產(chǎn)信息統(tǒng)計(jì)模塊、現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)采集模塊、連接和初始化模塊。

圖5 光纜自動(dòng)收排的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互過(guò)程

收排控制層的數(shù)據(jù)被OPC UA客戶端通信模塊采集后，經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換，由Socket客戶端通信模塊發(fā)送給云端監(jiān)控平臺(tái)，其中的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)信息和實(shí)時(shí)報(bào)警信息將通過(guò)JDBC進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，作為本地記錄和備份。同時(shí)，Socket客戶端通信模塊接收來(lái)自云端監(jiān)控平臺(tái)的控制信息，格式轉(zhuǎn)換后，由OPC UA客戶端通信模塊下發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)的PLC主站，對(duì)收排過(guò)程進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)在云端監(jiān)控平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集層之間通過(guò)Json格式進(jìn)行交互，Json是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式[6]，可方便地使用工具進(jìn)行解析。

數(shù)據(jù)采集層通過(guò)開發(fā)OPC UA通信客戶端程序和Socket通信客戶端程序，完成了云端監(jiān)控臺(tái)和收排控制層的信息交互。

2.3 云端監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

云端監(jiān)控平臺(tái)以云端服務(wù)器為中心，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示并提供監(jiān)控界面作為遠(yuǎn)程控制接口。云端監(jiān)控平臺(tái)采用MVC設(shè)計(jì)模式進(jìn)行開發(fā)。MVC設(shè)計(jì)模式將系統(tǒng)分為控制層(Control)、模型層(Model)和顯示層(View)，采用模型層封裝業(yè)務(wù)方法，顯示層則將數(shù)據(jù)和可視化界面返回給用戶，控制層接受輸入并調(diào)用Model和View完成請(qǐng)求[7]。

在云端監(jiān)控平臺(tái)中，遠(yuǎn)程監(jiān)控端負(fù)責(zé)提交遠(yuǎn)程監(jiān)控請(qǐng)求和獲取監(jiān)控結(jié)果，這就需要可視化界面設(shè)計(jì)，而數(shù)據(jù)采集層主要與云端監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。因此，將控制層、顯示層分為面向遠(yuǎn)程監(jiān)控端和面向數(shù)據(jù)采集層兩種，即面向遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端的遠(yuǎn)程監(jiān)控控制層、遠(yuǎn)程監(jiān)控顯示層和面向車間數(shù)據(jù)采集層的車間通信控制層，如圖6所示。

圖6 云端監(jiān)控平臺(tái)的MVC設(shè)計(jì)模式

車間通信控制層將來(lái)自采集層的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。遠(yuǎn)程監(jiān)控控制層在收到遠(yuǎn)程監(jiān)控端的監(jiān)控請(qǐng)求后，調(diào)用模型層的業(yè)務(wù)方法將可視化界面交給遠(yuǎn)程監(jiān)控顯示層返回給遠(yuǎn)程監(jiān)控端。系統(tǒng)中使用Ajax(異步JavaScript和XML)技術(shù)開發(fā)監(jiān)控界面[8]，可在不刷新整個(gè)頁(yè)面的情況下與服務(wù)器交互，其降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，保證了交互實(shí)時(shí)性。

3 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行

對(duì)現(xiàn)有光纜收排設(shè)備進(jìn)行改造，通過(guò)傳感器、編碼器、變頻器等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和動(dòng)作控制，完成了現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的硬件搭建。在分析光纜收排過(guò)程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開發(fā)光纜自動(dòng)收排控制程序。同時(shí)，在車間控制室計(jì)算機(jī)上開發(fā)數(shù)據(jù)采集層程序，在云端服務(wù)器上部署云端監(jiān)控平臺(tái)。監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況如圖7所示。

遠(yuǎn)程監(jiān)控界面的窗口區(qū)主要分為五大區(qū)塊：①監(jiān)控選項(xiàng)區(qū)?？赏ㄟ^(guò)菜單選擇分別進(jìn)行生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)查詢、歷史報(bào)警信息查詢等。②生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)。用于動(dòng)態(tài)展示光纜收排過(guò)程中的生產(chǎn)狀態(tài)，如收排速度、排線節(jié)距和動(dòng)作限位等。③遠(yuǎn)程控制區(qū)塊?？蓪?duì)收線速度、預(yù)制計(jì)米長(zhǎng)度進(jìn)行手動(dòng)設(shè)定，對(duì)計(jì)米數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)位和系統(tǒng)啟停控制。④單盤生產(chǎn)信息統(tǒng)計(jì)的區(qū)塊。展示如收排計(jì)米長(zhǎng)度、單盤生產(chǎn)周期和當(dāng)前層數(shù)等。⑤參數(shù)展示區(qū)塊，展示如光纜直徑和線盤參數(shù)等信息。平臺(tái)還具有實(shí)時(shí)警報(bào)功能，可通過(guò)彈窗實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警信息。

針對(duì)所開發(fā)的自動(dòng)收排遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試檢測(cè)，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)平均延遲在0.8～1.5s，現(xiàn)場(chǎng)控制器平臺(tái)控制指令的平均響應(yīng)時(shí)間約為0.8s，該檢測(cè)結(jié)果在可接受范圍內(nèi)。利用遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)整個(gè)車間收排狀況進(jìn)行查看，耗時(shí)在1min以內(nèi)，相較于人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)需要耗時(shí)的10～15min，監(jiān)控效率大幅提高，系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期監(jiān)控目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種面向光纜自動(dòng)收排過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控方案。通過(guò)PROFINET實(shí)現(xiàn)了控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備通信，并設(shè)計(jì)了電機(jī)控制方案，同時(shí)基于web技術(shù)設(shè)計(jì)了云端監(jiān)控平臺(tái)，使用OPC UA和Socket開發(fā)數(shù)據(jù)采集層，實(shí)現(xiàn)了收排現(xiàn)場(chǎng)與云端監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)完成了對(duì)光纜自動(dòng)收排過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄。系統(tǒng)的開發(fā)大大降低了對(duì)光纜自動(dòng)收排車間監(jiān)控與管理的成本，生產(chǎn)管理人員可隨時(shí)隨地便捷地了解現(xiàn)場(chǎng)狀況，為光纜加工企業(yè)的車間無(wú)人化和生產(chǎn)管理信息化奠定了基礎(chǔ)。

圖7 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行