包裝機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維的研究與實(shí)現(xiàn)

馮殿義，宋 濤，陳 浩

包裝機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維的研究與實(shí)現(xiàn)

馮殿義，宋 濤，陳 浩

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

針對(duì)包裝機(jī)遠(yuǎn)程維護(hù)的需求，研究設(shè)計(jì)了一套C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障維護(hù)系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程并解釋了系統(tǒng)各部分的功能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中闡述了所涉及的遠(yuǎn)程通訊技術(shù)和要點(diǎn)，通過(guò)C/S結(jié)構(gòu)的組態(tài)軟件，完成包裝機(jī)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，利用VPN隧道通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)，搭配串口服務(wù)器的串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口功能實(shí)現(xiàn)PLC程序的遠(yuǎn)程調(diào)試和下載。通過(guò)遠(yuǎn)程通訊測(cè)試和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)性能和可行性，有效地解決了包裝機(jī)制造商需要頻繁派遣工程師到現(xiàn)場(chǎng)處理故障的問(wèn)題，為包裝機(jī)制造商節(jié)約了維護(hù)成本。

程序遠(yuǎn)程上下載；VPN隧道技術(shù)；串口服務(wù)器；遠(yuǎn)程運(yùn)維

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的本地?cái)?shù)據(jù)采集已經(jīng)不能完成企業(yè)對(duì)其設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)的要求[1]。在此背景下，研究設(shè)計(jì)了一套C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，使用ICentroView(ICV)組態(tài)軟件組態(tài)監(jiān)控畫(huà)面實(shí)時(shí)采集包裝機(jī)的工作狀態(tài)，組態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能將運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)VPN隧道技術(shù)和串口服務(wù)器建立包裝機(jī)制造商和設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的虛擬局域網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和組態(tài)軟件的遠(yuǎn)程部署，并可將修改后的程序遠(yuǎn)程下載至PLC，進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試[2]，極大地方便了技術(shù)人員對(duì)包裝機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)并節(jié)省企業(yè)開(kāi)支，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

包裝機(jī)系統(tǒng)層次與結(jié)構(gòu)部署如圖1所示，系統(tǒng)層次分為遠(yuǎn)程運(yùn)維中心、數(shù)據(jù)服務(wù)中心和現(xiàn)場(chǎng)層3個(gè)層次。

ICV組態(tài)軟件分為3個(gè)模塊，每個(gè)模塊有其特有名稱和功能。

(1)服務(wù)管理器SM：實(shí)現(xiàn)軟件基本信息實(shí)時(shí)監(jiān)視、工程管理、進(jìn)程監(jiān)視管理等功能。

(2)配置客戶端CC：實(shí)現(xiàn)配置客戶端的登錄、工程所有功能的配置和部署。

(3)運(yùn)行客戶端RC：實(shí)現(xiàn)查看所有組態(tài)畫(huà)面的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部署

1.1 應(yīng)用展示層

應(yīng)用展示層主要由PLC、HMI及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)成。PLC選用施耐德M258型PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，采用So Machine編程軟件為PLC編程，PLC掃描現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置的各種信號(hào)狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入過(guò)程狀態(tài)寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中，按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，并提供各種接口供設(shè)備之間的通訊和程序的上下載。

HMI選用施耐德GXU5512型觸摸屏作為HMI，觸摸屏提供觸控輸入、顯示輸出、通訊和控制邏輯功能，操作員通過(guò)點(diǎn)擊觸摸屏控制設(shè)備的啟停和調(diào)整設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層部署2臺(tái)計(jì)算機(jī)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控服務(wù)器，部署RC，主要完成PLC變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控畫(huà)面的顯示。另一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器運(yùn)行Windows 7系統(tǒng)，在系統(tǒng)中部署SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

1.3 遠(yuǎn)程維護(hù)中心

遠(yuǎn)程維護(hù)中心位于包裝機(jī)生產(chǎn)單位，在維護(hù)中心設(shè)立戴爾Precision T3620塔式工作站作為集中配置服務(wù)器進(jìn)行ICV的離線配置和在線部署，遠(yuǎn)程維護(hù)中心其中部署和CC軟件工程師站是基于ICV的全局配置操作站，部署PLC編程軟件So Machine、SM、CC和RC，供現(xiàn)場(chǎng)工程師用來(lái)對(duì)SCADA節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)與RC節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)客戶端的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

2 遠(yuǎn)程通訊實(shí)現(xiàn)

包裝機(jī)的遠(yuǎn)程運(yùn)維離不開(kāi)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)建立通訊，而包裝機(jī)所在的局域網(wǎng)和運(yùn)維中心所在的局域網(wǎng)又屬于同一局域網(wǎng)，這時(shí)就需要VPN隧道技術(shù)進(jìn)行異地組網(wǎng)組成虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，以簡(jiǎn)捷的方式實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)之間的互聯(lián)互通[3]。

由于PLC設(shè)備并不具備Server功能，當(dāng)異地組網(wǎng)后需要對(duì)PLC設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的程序上下載調(diào)試時(shí)，運(yùn)維中心并不能通過(guò)ping命令探索到包裝機(jī)的PLC，如果為包裝機(jī)配備一臺(tái)PC機(jī)供PLC設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通訊會(huì)增加成本，而且PC機(jī)的故障風(fēng)險(xiǎn)會(huì)為遠(yuǎn)程運(yùn)維增加難度。針對(duì)這一問(wèn)題，選用串口服務(wù)器可以既方便又節(jié)約成本地解決[4]。

2.1 VPN隧道技術(shù)

隧道技術(shù)的簡(jiǎn)單定義是在公用網(wǎng)絡(luò)上建立屬于自己的專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上是在公用網(wǎng)絡(luò)隧道中建立一條加密通訊隧道[5]。在此選用該公司的上海貝銳信息科技股份有限公司研發(fā)的蒲公英X5-4253型路由器來(lái)建立遠(yuǎn)程維護(hù)中心和包裝機(jī)用戶的加密VPN安全傳輸通道，能將異地局域網(wǎng)通過(guò)蒲公英路由器快速組建成虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行加密傳輸[6]，確保了工業(yè)數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)傳輸?shù)臋C(jī)密性、真實(shí)性和完整性，為包裝機(jī)的遠(yuǎn)程通訊建立了基礎(chǔ)，使異地局域網(wǎng)的通訊成為可能。

VPN網(wǎng)絡(luò)配置步驟：

(1)配置主機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將Internet的IPV4網(wǎng)絡(luò)屬性設(shè)置為自動(dòng)獲取IP地址和自用獲取DNS地址。

(2)將運(yùn)維中心服務(wù)器主機(jī)連接到VPN路由器。

(3)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)瀏覽器訪問(wèn)http://oraybox.com并輸入蒲公英路由器的SN碼與默認(rèn)密碼進(jìn)入管理界面。

(4)將包裝機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)客戶端PC機(jī)同理連接到VPN路由器并進(jìn)入管理界面。

(5)在各自網(wǎng)絡(luò)管理界面中將服務(wù)器與客戶端路由器綁定在同一Oray賬號(hào)下完成異地組網(wǎng)[7]。

VPN異地組網(wǎng)完成后，通過(guò)兩地蒲公英分配的設(shè)備局域網(wǎng)IP地址即可通信。異地局域網(wǎng)IP地址互ping如圖2所示。

圖2 異地局域網(wǎng)IP地址ping測(cè)試

2.2 串口服務(wù)器

PLC設(shè)備普遍具有RS-232/485接口，串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器可讓傳統(tǒng)的RS-232/422/485設(shè)備立即聯(lián)網(wǎng)，利用基于TCP/IP協(xié)議的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)來(lái)控制設(shè)備硬件，是專為串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)而設(shè)計(jì)的連接橋梁。串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器就像一臺(tái)帶CPU、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議的微型電腦，方便在串口和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中傳輸數(shù)據(jù)[8]。

串口服務(wù)器的工作模式設(shè)置為TCP Server模式，在此模式下，模塊串口監(jiān)聽(tīng)本機(jī)端口，有連接請(qǐng)求發(fā)來(lái)時(shí)接受并建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)模塊串口收到數(shù)據(jù)后會(huì)同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給所有與模塊建立連接的客戶端設(shè)備，TCP Server模式具有Keep Alive功能用于保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)連接的完整[9]。

考慮到包裝機(jī)的運(yùn)維方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選用濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司的USR-TCP232-304型串口服務(wù)器，硬件連接好后應(yīng)用該串口服務(wù)器配套的虛擬串口軟件USR-TCP232-304 V1.0.1對(duì)串口服務(wù)器進(jìn)行工作模式、默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，設(shè)置好后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，配置界面如圖3所示。

圖3 串口服務(wù)器參數(shù)配置界面

3 運(yùn)維系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)主要功能為對(duì)制藥包裝機(jī)設(shè)備SGA30A的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、設(shè)備維護(hù)、遠(yuǎn)程管理等[10]。將監(jiān)控服務(wù)器作為一個(gè)遠(yuǎn)程SCADA節(jié)點(diǎn)，維護(hù)人員通過(guò)工程師站登錄遠(yuǎn)程RC訪問(wèn)遠(yuǎn)程SCADA節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行遠(yuǎn)程畫(huà)面監(jiān)控并瀏覽客戶端的各種數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、報(bào)表、報(bào)警等信息，并登錄關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)查看歷史數(shù)據(jù)，維護(hù)人員通過(guò)這些信息對(duì)設(shè)備的工況信息進(jìn)行分析和故障診斷。通過(guò)So Machine編程軟件對(duì)PLC控制程序進(jìn)行程序修改和遠(yuǎn)程下載。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能作為遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用以獲得包裝機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警信息以及其他伺服系統(tǒng)及傳感器數(shù)據(jù)信息，為運(yùn)維系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和其他功能的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[11]。

根據(jù)包裝機(jī)型號(hào)通過(guò)ICV對(duì)其所在的SCADA節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)，不同包裝機(jī)具有不同的工作方式和工作數(shù)據(jù)，根據(jù)包裝機(jī)類型組態(tài)包裝機(jī)PLC的I/O狀態(tài)監(jiān)控、伺服系統(tǒng)參數(shù)、加熱工位溫度參數(shù)等界面，實(shí)現(xiàn)頁(yè)面中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)包裝機(jī)的工作狀態(tài)和關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，便于維護(hù)時(shí)技術(shù)人員更直觀地了解設(shè)備情況和故障定位。在此將SGA30A型包裝機(jī)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)畫(huà)面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

如圖4監(jiān)控畫(huà)面所示，畫(huà)面內(nèi)主要監(jiān)控SGA30A型包裝機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)信息、生產(chǎn)產(chǎn)品信息合格率、設(shè)備的工作電流、電壓、功率等，并對(duì)包裝機(jī)的主控器、軸運(yùn)動(dòng)控制區(qū)和卷膜控制區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)燈顯示，便于直觀觀察各控制區(qū)狀態(tài)。

加熱工位共計(jì)12個(gè)，如圖5所示，監(jiān)測(cè)的狀態(tài)包括溫度測(cè)量值、溫度設(shè)定值、工作狀態(tài)。工作期間，設(shè)定一定的溫度區(qū)間，溫度達(dá)到設(shè)定值后，高于或低于目標(biāo)溫度差值過(guò)多，監(jiān)控軟件將進(jìn)行報(bào)警并提供解決方案，提示溫度整定或更換加熱管等。加熱期間，如果長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有溫升，監(jiān)控軟件將報(bào)警提示加熱管損壞或熱電偶損壞。對(duì)每一次的溫度報(bào)警，ICV轉(zhuǎn)儲(chǔ)子系統(tǒng)會(huì)將報(bào)警信息轉(zhuǎn)儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行記錄，便于事后查看報(bào)警頻率評(píng)估設(shè)備所需更換配件。

圖4 設(shè)備生產(chǎn)信息

圖5 加工熱位信息

3.2 報(bào)警與事件子系統(tǒng)

在ICV中組態(tài)變量報(bào)警，配置各個(gè)變量的報(bào)警相關(guān)參數(shù)，將變量的異常變化產(chǎn)生報(bào)警并設(shè)置報(bào)警級(jí)別，報(bào)警級(jí)別是報(bào)警的一個(gè)邏輯分區(qū)，在報(bào)警與事件子系統(tǒng)中，可以產(chǎn)生報(bào)警的變量有若干個(gè)，為不同的報(bào)警設(shè)置不同的報(bào)警級(jí)別，在報(bào)警查詢及有特殊應(yīng)用需求時(shí)，根據(jù)報(bào)警級(jí)別進(jìn)行查詢和區(qū)分。報(bào)警級(jí)別可選擇0~255級(jí)別，對(duì)需要存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量報(bào)警在組態(tài)畫(huà)面中加入報(bào)警控件，在控件中加入腳本[12]。

此腳本功能是當(dāng)處理報(bào)警時(shí)，會(huì)彈出窗口供工作人員填入確認(rèn)信息，確認(rèn)信息包括確認(rèn)時(shí)間、確認(rèn)人、節(jié)點(diǎn)名、確認(rèn)理由。確認(rèn)后該確認(rèn)信息會(huì)存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的表格，方便工作人員記錄故障原因和后續(xù)故障查詢和定位。

3.3 趨勢(shì)子系統(tǒng)

趨勢(shì)子系統(tǒng)將變量配置為趨勢(shì)點(diǎn)，自動(dòng)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，用于過(guò)程趨勢(shì)的展示和分析，支持長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在組態(tài)畫(huà)面中插入趨勢(shì)圖控件，新增歷史趨勢(shì)點(diǎn)，為控件選擇需要監(jiān)控的封合溫度變量和伺服角度變量，在控件畫(huà)布屬性中添加如下腳本來(lái)監(jiān)控變量的變化曲線。

3.4 轉(zhuǎn)儲(chǔ)子系統(tǒng)

利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)子系統(tǒng)將事件、報(bào)警及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)畫(huà)面配置方式轉(zhuǎn)儲(chǔ)到第三方關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。支持定時(shí)寫、定量寫、即時(shí)寫功能，復(fù)雜邏輯還可通過(guò)自定義腳本實(shí)現(xiàn)，并支持?jǐn)?shù)據(jù)離線緩存。

首先，在ICV服務(wù)端配置中添加數(shù)據(jù)源連接，輸入要連接的數(shù)據(jù)庫(kù)名稱和數(shù)據(jù)庫(kù)的IP地址，并選擇數(shù)據(jù)庫(kù)類型，在此選擇SQL Server 2008作為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)任務(wù)部署運(yùn)行后，數(shù)據(jù)采集層采集到的數(shù)據(jù)將按設(shè)定時(shí)間周期自動(dòng)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至目的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.5 程序遠(yuǎn)程上下載

當(dāng)包裝機(jī)出現(xiàn)故障，運(yùn)維工作技術(shù)人員通過(guò)ICV登錄包裝機(jī)所在SCADA節(jié)點(diǎn)后，查看運(yùn)行客戶端運(yùn)行畫(huà)面數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中報(bào)警和事件進(jìn)行故障分析和定位，解決辦法通常有更改組態(tài)畫(huà)面腳本程序，然后重新部署到該包裝機(jī)SCADA節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行客戶端，或利用PLC編程軟件修改PLC程序進(jìn)行遠(yuǎn)程上下載，或在線調(diào)試[13]。

4 結(jié)論

此系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過(guò)數(shù)月的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)功能運(yùn)行狀態(tài)良好。異地局域網(wǎng)組網(wǎng)后數(shù)據(jù)傳輸速率受網(wǎng)絡(luò)影響較小，網(wǎng)絡(luò)延遲在2 s以內(nèi)，遠(yuǎn)程監(jiān)控效果良好，所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程維護(hù)手段能夠在包裝機(jī)故障后通過(guò)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)穩(wěn)定高效地解決問(wèn)題，完全滿足應(yīng)用需求。

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Research and Implementation of Remote Operation and Maintenance of Packaging Machine

FENG Dian-yi, SONG Tao, CHEN Hao

（College of Mechanical Engineering & Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

According to the requirements of remote maintenance of packaging machines, a set of C/S network structure remote monitoring and fault maintenance system is designed. The design process of the system structure is introduced in detail and the functions of each part of the system are explained. In the design process, the remote communication technology and key points are described. Through the configuration software of C/S structure, the data collection and data storage of the packaging machine are completed. The VPN tunnel communication technology is used to realize the remote monitoring and maintenance of the packaging machine. The remote debugging and downloading of PLC program are realized with the serial port to network port function of the serial port server. The performance and feasibility of the system are verified by remote communication test and simulation experiment, which effectively solves the problem that packaging machine manufacturers need to send engineers to the site frequently to deal with failures, and saves the maintenance cost for packaging machine manufacturers.

program remote download; VPN tunnel technology; serial device server; remote operation and maintenance

TH17

A

1674-3261(2020)04-0230-06

10.15916/j.issn1674-3261.2020.04.005

2019-11-18

馮殿義(1962-)，男，遼寧錦州人，教授，碩士。

責(zé)任編校：孫 林