模擬啤酒生產(chǎn)線可視化中央監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁 浩，白瑞峰，房朝暉，楊 博

（天津大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，天津 300072）

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，全面提高自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)生的工程素質(zhì)越來越重要，因此高校實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)越來越受到重視，尤以PLC在工業(yè)控制應(yīng)用為背景的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)越來越突出。在國外，華盛頓大學(xué)［1］、意大利卡塔尼亞大學(xué)工程學(xué)院［2］等頂尖高校均建立了供學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。國內(nèi)，湖南科學(xué)技術(shù)研究所機(jī)械工程學(xué)院實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遠(yuǎn)程PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［3］，華中科技大學(xué)設(shè)計(jì)了基于PLC的機(jī)床控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)［4］和交通控制實(shí)訓(xùn)裝置［5］。但目前國內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平高低不一，還存在一些問題：（1）只搭建了控制層面的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，缺少系統(tǒng)性和整體性，不便于學(xué)生深刻理解控制系統(tǒng)；（2）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)脫鉤；（3）功能固定，訓(xùn)練的內(nèi)容單一。

天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)中心于2007年與三菱電機(jī)自動(dòng)化（中國）有限公司合作建立了一套基于三菱FA自動(dòng)化裝置，用于實(shí)踐教學(xué)的模擬啤酒生產(chǎn)線。該平臺(tái)可面向機(jī)械制造及自動(dòng)化、化工自動(dòng)化裝備以及工業(yè)工程等學(xué)生開放，也可作為本科生科技創(chuàng)新和參加相關(guān)科技競賽的活動(dòng)平臺(tái)。該生產(chǎn)線以其靈活開放、可擴(kuò)展、易于教學(xué)又貼近實(shí)際等特點(diǎn)受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能設(shè)計(jì)

按照啤酒生產(chǎn)線的實(shí)際工藝流程，本系統(tǒng)包括釀造和灌裝兩條子線結(jié)構(gòu)，如圖1所示。釀造部分包含制麥、糖化、過濾、發(fā)酵、熟化、殺菌和儲(chǔ)存分部；灌裝部分包含理瓶、清洗、灌裝、封蓋、金檢、貼標(biāo)、裝箱、移載和入庫分部。學(xué)生可在每個(gè)分部按照工藝要求獨(dú)立完 成相應(yīng)功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)啤酒灌裝生產(chǎn)線的自動(dòng)、高效運(yùn)行，提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)效率和可靠性，對(duì)啤酒灌裝模擬生產(chǎn)線設(shè)計(jì)含視頻監(jiān)控、組態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫管理功能。

（1）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。分析啤酒生產(chǎn)的工藝與生產(chǎn)線運(yùn)行情況，對(duì)重點(diǎn)視頻監(jiān)控點(diǎn)建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)視頻服務(wù)器和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控客戶端。

（2）組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。通過以太網(wǎng)技術(shù)，將現(xiàn)場的信息與工控機(jī)的組態(tài)進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。

（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。通過SQL server 2005數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新、查詢等操作。為增加數(shù)據(jù)對(duì)管理層的共享，建立遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，可以允許遠(yuǎn)方管理者通過互聯(lián)網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)庫。

2 中央監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

中央監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)通過交換機(jī)、根據(jù)設(shè)定的IP地址分別遠(yuǎn)程監(jiān)控釀造和灌裝部分，控制系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)層和控制設(shè)備層的結(jié)構(gòu)形式。（1）網(wǎng)絡(luò)層采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與主站PLC的信息交換，對(duì)各分部設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控；（2）控制設(shè)備層負(fù)責(zé)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，本地站PLC完成各分部的控制任務(wù)，采用CC－Link現(xiàn)場總線技術(shù)連接控制設(shè)備層，將各個(gè)獨(dú)立的部分組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，由主站PLC實(shí)現(xiàn)與本地站的信息交換。

整個(gè)啤酒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)和CC－Link現(xiàn)場總線相結(jié)合的通信方式，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。中央監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過交換機(jī)與釀造線主站（制麥分部）和灌裝線主站（理瓶分部）上的以太網(wǎng)模塊相連。每條子生產(chǎn)線都有一個(gè)主站，站號(hào)為0，其他站為本地站［6］。主站除完成本部分的控制外，還負(fù)責(zé)CC－Link現(xiàn)場總線系統(tǒng)管理、各部分之間信息通信與協(xié)調(diào)，并由以太網(wǎng)模塊，通過對(duì)相關(guān)IP地址、端口號(hào)等通信參數(shù)的設(shè)置和通信協(xié)議的選擇，經(jīng)交換機(jī)與中央控制系統(tǒng)的PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。本地站作為該部分的控制器完成該分部的工藝控制要求。

3 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括視頻采集部分、服務(wù)器視頻數(shù)據(jù)處理部分和客戶端?？紤]經(jīng)濟(jì)成本和工況需求，在釀造中的制麥、發(fā)酵、灌裝中的理瓶和立體庫這4個(gè)關(guān)鍵部分安放置了攝像頭以采集視頻。建立視頻監(jiān)控服務(wù)器，客戶端可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻服務(wù)器的訪問，以調(diào)取監(jiān)控畫面。

視頻服務(wù)器主要對(duì)攝像頭采集的經(jīng)H.264編碼視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理后的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至終端用戶。該部分還對(duì)處理后的視頻進(jìn)行存儲(chǔ)并周期性的清除，同時(shí)對(duì)用戶的認(rèn)證登錄、視頻數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則等進(jìn)行定義，為用戶提供較好的視頻監(jiān)控效果。監(jiān)控終端部分主要對(duì)H.264數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼，播放解碼后的視頻圖像，同時(shí)可控制攝像機(jī)云臺(tái)。

圖2 中央監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖3為立體庫部分的客戶端播放畫面，系統(tǒng)框架采用VC＋＋編程，采用JSON格式［7］傳遞參數(shù)。視頻數(shù)據(jù)的接收采用經(jīng)典的“生產(chǎn)者／消費(fèi)者模型”，數(shù)據(jù)接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后存入緩沖區(qū)，解碼線程讀緩沖區(qū)中的視頻數(shù)據(jù)，對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼播放。為了在多用戶登錄時(shí)不影響視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋蛻舳酥噶畹慕换ズ蛿?shù)據(jù)的傳輸使用不同的端口。

圖3 立體庫監(jiān)控調(diào)整畫面

4 基于MCGS監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

當(dāng)今廣泛應(yīng)用的組態(tài)軟件有Intouch、組態(tài)王、力控、MCGS和 Wincc等［8］。MCGS具有易操作、系統(tǒng)維護(hù)性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、環(huán)境監(jiān)測、機(jī)械制造等領(lǐng)域［9］，因此本系統(tǒng)選用 MCGS組態(tài)軟件。

4.1 MCGS、PLC與互聯(lián)網(wǎng)通信

在網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用三菱QJ71E71以太網(wǎng)模塊連接中央監(jiān)控系統(tǒng)PC機(jī)與主站的PLC，通過UDP／IP或TCP／IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)與生產(chǎn)線之間的數(shù)據(jù)通信［10］。圖4所示為應(yīng)用以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)外部PC機(jī)與主站PLC CPU的通信示意圖，為避免網(wǎng)絡(luò)延時(shí)而造成通信失敗，選用UDP／IP協(xié)議。

MCGS與互聯(lián)網(wǎng)的通信是基于以太網(wǎng)和TCP／IP協(xié)議。本系統(tǒng)選用可作為服務(wù)器的 MCGS6.2網(wǎng)絡(luò)版，訪問模式采用B／S模式。與傳統(tǒng)C／S模式相比，無需設(shè)計(jì)客戶端軟件，增強(qiáng)了訪問的通用性。如圖5所示，在互聯(lián)網(wǎng)上的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)均可通過IE瀏覽器登錄本系統(tǒng)組態(tài)服務(wù)器?？蛻舳酥恍璋惭b標(biāo)推的瀏覽器，無需安裝MCGS的相關(guān)軟件，系統(tǒng)維護(hù)方便，升級(jí)容易。

4.2 MCGS的控制與監(jiān)控功能

根據(jù)各個(gè)部分的實(shí)際情況設(shè)置動(dòng)畫，將按鈕和虛擬傳感器與各個(gè)本地站PLC軟元建立連接通道，通過組態(tài)界面控制系統(tǒng)啟停，改變系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整電機(jī)正反轉(zhuǎn)。用戶可根據(jù)組態(tài)環(huán)境反饋的信號(hào)操作整個(gè)生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上操作按鈕完成整個(gè)灌裝系統(tǒng)的啟停、監(jiān)測以及故障初步分析與排除。雖各部分工藝不同，但各部分設(shè)計(jì)具有一致性，因此下面以立體庫和金檢為典型代表進(jìn)行介紹。

圖4 以太網(wǎng)模塊與外部PC機(jī)進(jìn)行通信示意圖

圖5 基于B／S模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面

圖6為立體庫組態(tài)圖，根據(jù)物流系統(tǒng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)相應(yīng)組態(tài)界面。管理人員可通過組態(tài)界面遠(yuǎn)程觀察物流現(xiàn)場各個(gè)傳感器狀態(tài)、傳送帶、交流電機(jī)與伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。設(shè)計(jì)故障報(bào)警警示燈，當(dāng)傳送帶卡貨時(shí)，警示燈亮，提醒管理員配合視頻監(jiān)控判斷卡貨部位及維修方法；若管理員10min內(nèi)未解決該問題，則中央監(jiān)控系統(tǒng)可自動(dòng)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)10s后再正轉(zhuǎn)以嘗試排除該問題，從而防止貨物堆積阻礙物流線的正常運(yùn)行。

圖6 立體庫組態(tài)圖

圖7為金檢分部伺服電機(jī)1的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)及曲線、歷史數(shù)據(jù)及曲線。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為伺服電機(jī)偏離機(jī)械原點(diǎn)位置的脈沖數(shù)，脈沖數(shù)反應(yīng)伺服電機(jī)的定位的位置。由圖7中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線可清晰地監(jiān)控該伺服電機(jī)1在一次抓放瓶動(dòng)作中的兩次升降運(yùn)動(dòng)。通過歷史數(shù)據(jù)曲線可查詢?cè)撍欧姍C(jī)1在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的完整狀態(tài)。

圖7 金檢分部伺服電機(jī)1實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)及曲線、歷史數(shù)據(jù)及曲線

5 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)后，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大量的數(shù)據(jù)保存及科學(xué)的管理，選用SQL Server 2005進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和優(yōu)化。

按照不同部分在SQL server 2005中建立［11］相應(yīng)的表，存儲(chǔ)各部分的產(chǎn)量、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況、各部分報(bào)錯(cuò)內(nèi)容、數(shù)量及時(shí)間。通過參數(shù)設(shè)置、腳本程序編程進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取，完成數(shù)據(jù)庫和組態(tài)的連接［12］。MCGS數(shù)據(jù)連接到SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，把源存盤數(shù)據(jù)記錄按指定的時(shí)間間隔分組，將MCGS的數(shù)據(jù)提取出來；在運(yùn)行策略窗口中添加數(shù)據(jù)提取策略；在數(shù)據(jù)來源選項(xiàng)卡中選擇出MCGS存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)組的源數(shù)據(jù)庫文件，然后在數(shù)據(jù)選擇選項(xiàng)卡中選擇需要提取的數(shù)據(jù)對(duì)象，在數(shù)據(jù)輸出選項(xiàng)卡中選擇數(shù)據(jù)保存到的在SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，在時(shí)間條件選項(xiàng)卡中選擇數(shù)據(jù)的時(shí)間列名，在提取方式選項(xiàng)卡中對(duì)數(shù)據(jù)有不同的提取方式，對(duì)每組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理并且設(shè)置提取的時(shí)間間隔。處理結(jié)果作為一條記錄提取出來保存，完成從原始存盤數(shù)據(jù)中提取有用數(shù)據(jù)的任務(wù)。

為保證數(shù)據(jù)的安全管理，對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)限管理，數(shù)據(jù)庫采用spring＋hibernate的框架結(jié)構(gòu)，Tomcat作為Web服務(wù)器，應(yīng)用JSP技術(shù)，以SQL Server2005作為關(guān)系數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建一個(gè)以查新功能為主要功能的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的用戶權(quán)限和功能如圖8所示。用戶分為管理員和普通用戶。管理員負(fù)責(zé)整個(gè)管理信息系統(tǒng)平臺(tái)的維護(hù)，以及對(duì)系統(tǒng)信息的更新及排除故障，擁有對(duì)數(shù)據(jù)的查詢、增加、刪除、修改功能。一般用戶只是具有瀏覽功能的用戶。

圖8 管理系統(tǒng)不同用戶權(quán)限設(shè)置

6 結(jié)束語

本文按照具有模塊化、多功能、柔性、互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控及e－F＠ctory的理念，利用PLC技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫對(duì)實(shí)驗(yàn)室啤酒生產(chǎn)線進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造，從設(shè)備層、控制層、以太網(wǎng)層和管理層對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃。在e－F＠ctory的理念指導(dǎo)下，建立了一套可視化中央監(jiān)控的系統(tǒng)，包括自主構(gòu)建的服務(wù)器、視頻與組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了模擬啤酒灌裝生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)行，遠(yuǎn)程監(jiān)控和對(duì)數(shù)據(jù)的處理、查詢，對(duì)故障的預(yù)警及初步自動(dòng)處理等可視化設(shè)計(jì)。將可視化技術(shù)引進(jìn)到具有工程應(yīng)用背景的模擬啤酒生產(chǎn)線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中，豐富了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的智能化與自動(dòng)化程度。

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［1］Richter，Donald.Infusing an interdisciplinary automation experience in engineering technology education［C］／／114th Annual ASEE Conference and Exposition，2007：175－180.

［2］Pitrone，Nicola.Computer based tools for distribution network automation［C］／／6th IASTED International Conference on European Power and Energy Systems，EuroPES 2006，2006：161－166.

［3］Li H，Zhang J.Study on remote PLC experiment system based on web，Mechanic Automation and Control Engineering （MACE）［C］／／2011Second International Conference，2011：1683－1686.

［4］周純杰，陶志東，周永鵬.基于PLC的機(jī)床控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（3）：37－39.

［5］黃為，王明哲.交通控制新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2004，21（6）：79－84.

［6］Satoshi Noguchi，Kenji Suzuki，Shinichiro Chino，et al.FDT Technology for CC－Link Network［C］／／SICE Annual Conference.2011：1560－1565.

［7］龔成瑩，邢敬宏，胡銀保.基于JSON的Android移動(dòng)終端與PHP及 MySQL數(shù)據(jù)通信［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝，2013（1）：63－65.

［8］葛玻，沈文杰，趙旎.工控組態(tài)軟件的對(duì)比及應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2002，10（8）：15－19.

［9］吳作明.工業(yè)組態(tài)軟件與PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：3－6.

［10］宋彬，張春華.基于以太網(wǎng)的中央空調(diào)遠(yuǎn)程集散控制系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24（1）：11－13.

［11］董明陽.基于JavaWeb技術(shù)的軍隊(duì)基層文化工作管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.吉林：吉林大學(xué)，2010.

［12］楊田.物業(yè)信息管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.