基于云平臺(tái)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)*

琚長江, 胡良輝, 李 倩

(1.上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063; 2.上海理工大學(xué), 上海 200093)

0 引 言

電氣設(shè)備在工業(yè)現(xiàn)場、樓宇、小區(qū)建筑等應(yīng)用場合發(fā)生設(shè)備故障時(shí),客戶常通過電話聯(lián)系技術(shù)工程師進(jìn)行溝通,而技術(shù)工程師根據(jù)客戶描述的故障現(xiàn)象進(jìn)行診斷,遇到稍微復(fù)雜點(diǎn)的問題,常需要派技術(shù)工程師到現(xiàn)場解決問題。這種解決設(shè)備故障問題的方法效率低下,產(chǎn)品的維護(hù)成本較高。

本文設(shè)計(jì)一種基于云平臺(tái)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),其核心組成包括云平臺(tái)管理軟件、智能控制器、工業(yè)通信服務(wù)器和遠(yuǎn)程服務(wù)終端軟件。設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控云平臺(tái)是一種應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型模式,能夠通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取遠(yuǎn)程設(shè)備數(shù)據(jù),可將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)送到客戶端軟件,技術(shù)工程師可以在遠(yuǎn)程進(jìn)行維護(hù),解決現(xiàn)場的問題。這種新型的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可以提高設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)的效率,減少人力物力,降低維護(hù)成本。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示?；谠破脚_(tái)的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)控[1-2],主要包括云平臺(tái)管理軟件、智能控制器、工業(yè)通信服務(wù)器、遠(yuǎn)程服務(wù)終端。在基于云平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中,可以將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過智能控制器和工業(yè)通信服務(wù)器傳送到云平臺(tái),云平臺(tái)接收信息后傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)終端。監(jiān)控設(shè)備的故障信息和報(bào)警信息及時(shí)地反饋給工程師,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)的目標(biāo)。基于該監(jiān)控系統(tǒng),用戶能夠在辦公室中遠(yuǎn)程獲知各地設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),判斷現(xiàn)場狀況,從而遠(yuǎn)程解決大部分的故障。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成

1.1 云平臺(tái)

云平臺(tái)部署在云端服務(wù)器上,提供云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的云服務(wù)。為滿足系統(tǒng)的需求,云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能有工業(yè)通信服務(wù)器管理、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢等。云平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)獲取遠(yuǎn)程設(shè)備數(shù)據(jù),對設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷與遠(yuǎn)程維護(hù)。管理人員在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的情況下可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制各個(gè)終端設(shè)備,對各設(shè)備進(jìn)行相關(guān)信息的統(tǒng)計(jì)和綜合查詢。

1.2 工業(yè)通信服務(wù)器

工業(yè)通信服務(wù)器是一款智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器,是智能控制器與云平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信橋梁,提供RS-232/RS-485串口到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)換,以太網(wǎng)側(cè)工作在TCP Client模式,串口側(cè)工作在Modbus主站模式。上電后,工業(yè)通信服務(wù)器主動(dòng)連接云平臺(tái),同時(shí)掃描智能控制器,從平臺(tái)上讀取配置信息,并同智能控制器驗(yàn)證,驗(yàn)證成功后云平臺(tái)與智能控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向通信。通信服務(wù)器在斷電上電或網(wǎng)絡(luò)掉線時(shí)也能自動(dòng)重新連接云平臺(tái),可以確保通信質(zhì)量和通信的實(shí)時(shí)性,滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

1.3 智能控制器

智能控制器適用于工廠中流水線、機(jī)械手的控制,支持工業(yè)以太網(wǎng)通信及串口通信、可編程控制、高精度運(yùn)動(dòng)控制、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和主從軸同步控制、電子凸輪等復(fù)雜高精度的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)[3-4]。智能控制器支持梯形圖編程,通過可編程軟件二次開發(fā)應(yīng)用程序,程序容量24 KB。核心硬件主要采用一款A(yù)RM公司功能強(qiáng)大的Cortex M4處理器,外接系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、片外FLASH存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、電源電路、看門狗、輸入/輸出處理電路等。智能控制器在工業(yè)現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行管理,并通過工業(yè)通信服務(wù)器與云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

1.4 遠(yuǎn)程終端軟件

終端軟件可運(yùn)行在手機(jī)、iPad(Android、IOS系統(tǒng))上[5],支持HTML5頁面設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫緩存加速訪問技術(shù),通過基于http協(xié)議的Restful框架數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端對云服務(wù)的訪問,用戶能隨時(shí)隨地獲取生產(chǎn)信息,并下達(dá)命令。系統(tǒng)對用戶進(jìn)行分類,使不同用戶根據(jù)其權(quán)限訪問不同的界面和數(shù)據(jù)。軟件配合實(shí)際工程中的業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì),使工作人員能更直觀地運(yùn)用遠(yuǎn)程服務(wù)終端軟件。用戶通過遠(yuǎn)程終端軟件可遠(yuǎn)程監(jiān)控智能控制器連接的相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)。

2 遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)工作原理

基于云平臺(tái)的設(shè)備監(jiān)控與維護(hù)工作流程示意如圖2所示。

圖2 基于云平臺(tái)的設(shè)備監(jiān)控與維護(hù)工作流程示意

智能控制器和工業(yè)通信服務(wù)器采集現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù),通過以太網(wǎng)上傳至云平臺(tái)?；ヂ?lián)網(wǎng)云平臺(tái)對設(shè)備運(yùn)行狀況、故障信息、實(shí)時(shí)狀態(tài)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)控,顯示包括生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)速度、產(chǎn)量及運(yùn)行時(shí)間等數(shù)據(jù);對設(shè)備信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理,具有多樣化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析功能。

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)[6],云平臺(tái)通過郵件、短信等方式,及時(shí)通知相關(guān)工程維護(hù)技術(shù)人員、負(fù)責(zé)人或客戶服務(wù)人員。工程維護(hù)技術(shù)人員可以在終端軟件查看遠(yuǎn)程診斷信息,得知具體的故障點(diǎn),并根據(jù)平臺(tái)提供的信息遠(yuǎn)程排除相關(guān)故障,在不能遠(yuǎn)程解決的情況下才會(huì)通知應(yīng)用工程師去現(xiàn)場服務(wù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)組成

試驗(yàn)平臺(tái)包含云平臺(tái)管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程服務(wù)APP終端軟件、工業(yè)通信服務(wù)器、智能控制器、生產(chǎn)流水線、機(jī)械手物料定位系統(tǒng)、激光打印機(jī)等模塊。基于云平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。用戶可通過遠(yuǎn)程服務(wù)APP終端軟件,在手機(jī)或平板電腦上進(jìn)行下單;云平臺(tái)接到訂單以后,負(fù)責(zé)分發(fā)生產(chǎn)任務(wù)到生產(chǎn)設(shè)備,同時(shí)監(jiān)控原料、訂單、生產(chǎn)狀態(tài)等信息;用戶可通過終端軟件查看即時(shí)的生產(chǎn)信息;工業(yè)通信服務(wù)器完成底層工作設(shè)備的數(shù)據(jù)與云平臺(tái)之間的傳輸工作;智能控制器控制生產(chǎn)流水線、機(jī)械手等完成生產(chǎn)加工任務(wù),將生產(chǎn)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等上傳到云平臺(tái);激光打印機(jī)用來模擬生產(chǎn)終端。

圖3 基于云平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)的試驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 試驗(yàn)平臺(tái)功能

(1) 設(shè)備運(yùn)行管理。對整體設(shè)備統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)有設(shè)備使用次數(shù)、設(shè)備使用時(shí)長、設(shè)備故障記錄。故障記錄包括故障點(diǎn)、故障信息、故障發(fā)生時(shí)間點(diǎn)、故障解決時(shí)間點(diǎn)和故障修復(fù)時(shí)長。通過故障時(shí)間、設(shè)備持續(xù)運(yùn)行時(shí)間的信息來計(jì)算設(shè)備的平均無故障時(shí)間MTBF。

(2) 訂單定制。用戶可以通過終端APP下訂單來定制不同的產(chǎn)品,通過APP設(shè)計(jì)要打印的名片盒上的文字,發(fā)送給現(xiàn)場的智能控制器,點(diǎn)擊打印確認(rèn)后,即可完成名片的制作。訂單定制界面如圖4所示。

圖4 訂單定制界面

(3) 生產(chǎn)監(jiān)控。生產(chǎn)監(jiān)控的變量有原料數(shù)量、產(chǎn)品數(shù)量、不良品數(shù)量、生產(chǎn)效率(每小時(shí)產(chǎn)量)、成品不良率等。監(jiān)控的設(shè)備運(yùn)行概況有運(yùn)行中或者停機(jī)中傳送帶的速度。產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)界面如圖5所示,餅圖包括合格品數(shù)量和不合格品數(shù)量,以及各自所占的比例;折線圖顯示在所選月份里每天的產(chǎn)量。

圖5 產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)界面

(4) 視頻監(jiān)控。終端APP軟件還集成視頻攝像頭監(jiān)控功能。在工作現(xiàn)場安裝攝像頭,視頻圖像傳送到云平臺(tái)存儲(chǔ),同時(shí)終端APP軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場,得到生產(chǎn)現(xiàn)場的畫面,讓管理者能隨時(shí)隨地了解生產(chǎn)情況。

(5) 故障診斷與報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),云平臺(tái)通過郵件、短信等方式自動(dòng)地通知給預(yù)先設(shè)置的相關(guān)負(fù)責(zé)人。相關(guān)人員可以根據(jù)故障信息得知具體的故障點(diǎn)。當(dāng)收到云平臺(tái)系統(tǒng)報(bào)出的故障信息后,APP終端軟件自動(dòng)報(bào)警,并通知操作人員。

3.3 試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證

試驗(yàn)平臺(tái)的工作流程如下:

(1) 待加工的原料為名片盒,在傳輸帶上循環(huán)輸送。

(2) 通過平板電腦或手機(jī)的APP軟件連接云平臺(tái),輸入名片盒上待定制的字符。APP軟件將打印命令通過云平臺(tái)發(fā)送到工業(yè)通信服務(wù)器,再由工業(yè)通信服務(wù)器發(fā)送到智能控制器,智能控制器通過檢測傳感器檢測到一個(gè)空的名片盒,控制三軸機(jī)械手抓取名片盒,放置到待打印位置,再控制激光打印機(jī)打印出所需要的字符。

(3) 訂單通過APP軟件進(jìn)行下單,生產(chǎn)流水線由智能控制器控制,工業(yè)通信服務(wù)器將生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息等上傳到云平臺(tái)。云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示正在運(yùn)行的流水線設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。云平臺(tái)電腦瀏覽器端監(jiān)控畫面如圖6所示。

圖6 云平臺(tái)電腦瀏覽器端監(jiān)控畫面

4 結(jié) 語

試驗(yàn)平臺(tái)能夠穩(wěn)定、可靠地連續(xù)運(yùn)行,驗(yàn)證設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可行的。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備、生產(chǎn)信息,還可以通過視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控和指導(dǎo)現(xiàn)場操作,使系統(tǒng)運(yùn)行高效,故障響應(yīng)時(shí)間加快,降低解決問題的成本。

系統(tǒng)研究的成果可以進(jìn)一步推廣,可以提高設(shè)備管理的信息化水平,加快工業(yè)化和信息化的融合,提升企業(yè)在設(shè)備研究、設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成以及運(yùn)行管理方面的綜合實(shí)力。

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