云環(huán)境下塑料設(shè)備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集與監(jiān)控技術(shù)研究

宋 建，儲王濤，荊忠凱

（1.華南理工大學(xué) 廣東省高分子先進(jìn)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640；2.華南理工大學(xué) 聚合物加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640）

近年來，我國已成為全球最大的塑料機(jī)械消費(fèi)國，其消費(fèi)額占全球市場的20%左右，并仍將持續(xù)高速增長。吹膜機(jī)和流延機(jī)等設(shè)備作為塑料機(jī)械中舉足輕重的一員，在塑料加工行業(yè)應(yīng)用廣泛，對塑料產(chǎn)品的質(zhì)量起關(guān)鍵作用[1]。然而，現(xiàn)階段此類設(shè)備加工過程的參數(shù)采集仍依賴于操作員工，設(shè)備監(jiān)控維護(hù)也局限于本地，時(shí)效性較差。隨著智能制造新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，這種傳統(tǒng)的方式已經(jīng)不能滿足塑料設(shè)備應(yīng)用廠商對于提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的迫切需求[2]。

在此，根據(jù)塑料設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的功能需求，提出了一種基于云環(huán)境的塑料設(shè)備綜合信息遠(yuǎn)程采集與監(jiān)控技術(shù)。利用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)VPN（virtual private network）技術(shù)，將不同地理區(qū)域、不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的多臺塑料設(shè)備接入云計(jì)算機(jī)； 采用C/S 模式，對遠(yuǎn)端塑料設(shè)備加工過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲；采用B/S 模式，對塑料設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的數(shù)字化、信息化管理，提高生產(chǎn)效率和運(yùn)行安全性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體方案

塑料設(shè)備綜合信息遠(yuǎn)程采集與監(jiān)控系統(tǒng)，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在云服務(wù)器環(huán)境下實(shí)現(xiàn)跨域塑料設(shè)備的遠(yuǎn)程接入和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集與存儲，根據(jù)監(jiān)控需求在云計(jì)算機(jī)中進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，并實(shí)現(xiàn)塑料設(shè)備加工過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

系統(tǒng)整體框架分為采集端、數(shù)據(jù)處理云端和監(jiān)控端。1）采集端 底層設(shè)備在本地局域網(wǎng)硬件組網(wǎng)后，通過VPN 接入云服務(wù)器，由數(shù)據(jù)采集軟件獲取底層設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，并存入云服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中。2）數(shù)據(jù)處理云端 云服務(wù)器根據(jù)監(jiān)控需求對塑料設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行加工處理，并預(yù)留第三方數(shù)據(jù)接口，以備數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等二次開發(fā)使用。3）監(jiān)控端 數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件調(diào)用經(jīng)云端處理過的設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備綜合信息的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案Fig.1 Overall framework of system

1.2 軟件體系

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。其中，最常用的軟件體系結(jié)構(gòu)主要有2 種：C/S 模式即客戶端/服務(wù)器（client/server）和B/S 模式即瀏覽器/服務(wù)器（browser/server）[3]。

C/S 模式給每臺客戶端安裝專用的客戶端軟件，通過該專用軟件訪問服務(wù)器。這種方式將網(wǎng)絡(luò)任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)器，降低系統(tǒng)通信的壓力，其響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸和處理效率高。同時(shí)，通過嚴(yán)格管理軟件的使用范圍，能夠保證通信數(shù)據(jù)的安全，適用于專人使用的系統(tǒng)。

B/S 模式則是采用Web 瀏覽器訪問Web 服務(wù)器，由Web 服務(wù)器操作數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。該模式無需開發(fā)任何客戶端軟件，降低系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)成本。同時(shí)，其跨平臺性能強(qiáng)，升級擴(kuò)展容易且操作簡單[4-5]。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際分析，數(shù)據(jù)采集端是PLC 與數(shù)據(jù)庫的橋梁，具有特定性、安全性和快速性的要求，適合使用C/S 模式； 數(shù)據(jù)監(jiān)控端的對象用戶主要是設(shè)備的用戶、供應(yīng)商及高層管理，位于不同的地理位置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，訪問媒介的操作系統(tǒng)也多種多樣，對監(jiān)控程序的兼容性和高并發(fā)性提出了較高的要求，適合使用B/S 模式。

經(jīng)過綜合分析系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，軟件體系采用了基于C/S 和B/S 的混合軟件模式。系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2 設(shè)備遠(yuǎn)程接入實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)備遠(yuǎn)程接入技術(shù)研究

隨著智能設(shè)備的空前發(fā)展，全球范圍內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過IPv4 即網(wǎng)際協(xié)議版本4（internet protocol version 4）地址所允許接入的計(jì)算機(jī)數(shù)量。為了解決更多設(shè)備的入網(wǎng)問題，人們使用NAT（network address translation）和NAPT（network address port translation）這2 項(xiàng)技術(shù)，擴(kuò)展局域網(wǎng)內(nèi)可用的網(wǎng)絡(luò)端口。此外，運(yùn)營商為了更加規(guī)范化、便捷化地管理和使用IP 地址，使用DHCP（dynamic host configuration protocol） 技術(shù)進(jìn)行主機(jī)地址的動(dòng)態(tài)分配。因而，局域網(wǎng)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲取的IP 地址是動(dòng)態(tài)變化的，致使公網(wǎng)上的服務(wù)器無法訪問位于不同局域網(wǎng)中的設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)Fig.2 System software architecture

目前解決此類問題的技術(shù)方案主要有2 種：1）通過DDNS（dynamic domain name server）和DNS（domain name server）將局域網(wǎng)設(shè)備映射到公網(wǎng)；2）通過VPN 將局域網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程接入VPN 服務(wù)器。DDNS 方式的數(shù)據(jù)傳輸多使用明文傳輸，安全性低，且為每一個(gè)設(shè)備申請一個(gè)固定域名的手續(xù)繁瑣，費(fèi)用昂貴。VPN 技術(shù)采用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，不需要搭建專門的物理線路，因而無需租用專門的通信線路，降低了設(shè)備的使用成本。另外，數(shù)據(jù)在通過VPN 的傳輸過程中進(jìn)行了加密處理，能夠保證通信過程的安全性，這一點(diǎn)在工業(yè)現(xiàn)場十分關(guān)鍵。

綜上所述，選用VPN 作為遠(yuǎn)程設(shè)備接入方式進(jìn)行系統(tǒng)搭建。

2.2 遠(yuǎn)程接入實(shí)現(xiàn)

在此，主要研究2 種不同PLC 控制系統(tǒng)的塑料設(shè)備，一種采用西門子S7-200PLC，利用有線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連，另一種使用西門子S7-1200PLC，利用3G/4G 網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連。其中，S7-200PLC 不具備RJ45 接口，需要配備CP243-1 以太網(wǎng)模塊來完成局域網(wǎng)內(nèi)組網(wǎng)，并通過位于同網(wǎng)段的VPN 路由器，實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器的有線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程VPN 連接；S7-1200PLC 具有RJ45 接口，可以直接與支持VPN 的3G/4G 無線路由器連接，實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程VPN 連接。

經(jīng)過試驗(yàn)探究，Windows Server 2003 系統(tǒng)對VPN 的支持性最好，功能豐富且系統(tǒng)穩(wěn)定[6]。然而，西門子S7-1200 PLC 的OPC 軟件Simatic Net V12與該系統(tǒng)無法兼容，其在Windows Server 2008 系統(tǒng)中穩(wěn)定性最好。故在云服務(wù)器中設(shè)計(jì)雙主機(jī)工作模式，一臺為VPN 服務(wù)器專用（稱為接入主機(jī)），另一臺用于安裝采集軟件和數(shù)據(jù)庫軟件（稱為采集主機(jī)），與塑料設(shè)備的PLC 控制系統(tǒng)交互。接入主機(jī)和采集主機(jī)均選用騰訊云服務(wù)器，通過局域網(wǎng)LAN（local area network）互相連接。遠(yuǎn)程接入整體方案如圖3 所示。

3 綜合信息遠(yuǎn)程采集

3.1 塑料設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

圖3 遠(yuǎn)程接入實(shí)現(xiàn)Fig.3 Implementation of remote access

數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)環(huán)境選擇Visual Studio 2015 IDE，框架選擇Microsoft Net Framework 4.5，并利用C# 語言完成采集程序的開發(fā)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)選用MySQL 數(shù)據(jù)庫。采集軟件主要實(shí)現(xiàn)從塑料設(shè)備PLC的OPC 軟件中讀取設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)信息，進(jìn)行界面顯示，并定時(shí)存儲到數(shù)據(jù)庫中[7]。其程序流程如圖4所示。

圖4 采集程序流程Fig.4 Flow chart of acquisition program

在塑料設(shè)備數(shù)據(jù)采集之前，需要配置好MySQL數(shù)據(jù)庫和PLC 的OPC 軟件，使數(shù)據(jù)采集軟件對PLC 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)能有效地讀取并存儲[8]。在此，基于OPC DA 即OPC 數(shù)據(jù)存儲（OPC data access）規(guī)范，對服務(wù)器對象、組對象和項(xiàng)對象進(jìn)行初始化，并注冊O(shè)PC 服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序調(diào)用塑料設(shè)備OPC 軟件，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的讀取和加工參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)定。通過遠(yuǎn)程設(shè)定加工參數(shù)，可以根據(jù)具體工況調(diào)整加工條件，無需操作員工現(xiàn)場監(jiān)控與手動(dòng)調(diào)參，大大提高生產(chǎn)效率。關(guān)鍵變量的顯示和存儲采用定時(shí)觸發(fā)的方式，設(shè)置定時(shí)器，定時(shí)讀取OPC軟件中的設(shè)備參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中設(shè)備數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新和監(jiān)控端的實(shí)時(shí)顯示。

3.2 地理位置信息采集

設(shè)備地理位置信息的采集需要借助外設(shè)硬件的支持，通過外設(shè)硬件的GPS 功能，進(jìn)行塑料設(shè)備地理位置數(shù)據(jù)的采集。鑒于塑料設(shè)備的移動(dòng)率低，為減少大量重復(fù)數(shù)據(jù)的采集和存儲，在地理位置采集程序中設(shè)有特定閾值。當(dāng)實(shí)時(shí)讀取的位置數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中歷史數(shù)據(jù)的差值變化超過該閾值時(shí)，則視為設(shè)備發(fā)生移動(dòng)，應(yīng)再次更新地理位置信息的存儲。

通過外設(shè)硬件采集的經(jīng)緯度地理坐標(biāo)為度-分格式，需要按坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法將其轉(zhuǎn)換為百度地圖標(biāo)準(zhǔn)格式坐標(biāo)，并在程序中調(diào)用百度地圖開放的API，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的地理位置顯示與標(biāo)定。此外，通過給位置標(biāo)定點(diǎn)添加設(shè)備信息和超鏈接，將地理位置與設(shè)備數(shù)據(jù)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對特定設(shè)備地理位置的地圖標(biāo)定。塑料設(shè)備的地理位置標(biāo)定如圖5 所示。

圖5 塑料設(shè)備的地理位置標(biāo)定Fig.5 Geographical location calibration of plastic equipment

4 設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控

數(shù)據(jù)自設(shè)備端采集入庫后需要進(jìn)行加工處理，通過B/S 模式實(shí)現(xiàn)Web 可視化監(jiān)控。選取MyEclipse Enterprise Workbench 為 開 發(fā) 環(huán) 境，Tomcat 7.0 為Web 應(yīng)用服務(wù)器，框架選擇jQuery JavaScript，使用JavaScript 和Java 語言進(jìn)行網(wǎng)頁程序和服務(wù)器端程序的開發(fā)設(shè)計(jì)。

4.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示有2 種實(shí)現(xiàn)方法，即定時(shí)刷新頁面技術(shù)和Ajax 技術(shù)。傳統(tǒng)的Web 應(yīng)用交互由瀏覽器向服務(wù)器提交HTTP 請求，服務(wù)器根據(jù)請求返回頁面內(nèi)容。使用定時(shí)刷新頁面的方法，即使一個(gè)簡單的數(shù)據(jù)更新的刷新操作，服務(wù)器都需要返回整個(gè)頁面，響應(yīng)速度慢。而Ajax 通過JavaScript 向服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器端進(jìn)行異步響應(yīng)，返回局部頁面的更新內(nèi)容，從而大大減少響應(yīng)時(shí)間，提高用戶體驗(yàn)。

設(shè)定MySQL 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表，利用Ajax 技術(shù)定時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫中設(shè)備運(yùn)行的最新數(shù)據(jù)，返回到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)信息的異步更新。塑料設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示如圖6 所示。

圖6 塑料設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)顯示Fig.6 Real-time display of operating parameters of plastic equipment

4.2 歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線

采用運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線來表征設(shè)備的歷史運(yùn)行狀態(tài)，選用JavaScript 的開源圖表庫Echars 進(jìn)行歷史曲線的開發(fā)。數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)以JSON格式從數(shù)據(jù)接口被讀取到頁面，并加載至Echarts圖表中，將歷史數(shù)據(jù)以曲線形式展現(xiàn)。曲線數(shù)據(jù)讀取時(shí)序圖如圖7 所示。

此外，還設(shè)計(jì)了歷史數(shù)據(jù)曲線的精確值顯示和原始數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)換，塑料設(shè)備溫度曲線和主軸運(yùn)行扭矩曲線如圖8 所示。通過移動(dòng)光標(biāo)點(diǎn)，就可以精確顯示數(shù)據(jù)曲線中任意點(diǎn)的精確數(shù)值。經(jīng)過數(shù)據(jù)視圖切換，將曲線圖轉(zhuǎn)為坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并提供記事本和Excel 表格格式下載，便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等二次開發(fā)。

5 結(jié)語

圖7 數(shù)據(jù)讀取時(shí)序圖Fig.7 Data reading sequence diagram

圖8 塑料設(shè)備歷史參數(shù)曲線Fig.8 History parameter curve of plastic equipment

經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，該塑料設(shè)備綜合信息遠(yuǎn)程采集與監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高、響應(yīng)速度快，能夠?qū)崟r(shí)、精確獲取設(shè)備數(shù)據(jù)信息，并能實(shí)現(xiàn)塑料設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)共享，為設(shè)備的維護(hù)、調(diào)度以及生產(chǎn)計(jì)劃的規(guī)劃安排提供科學(xué)依據(jù)，有效提高工業(yè)生產(chǎn)制造的安全性和生產(chǎn)效率。