物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◆任彬 潘維凱 耿欣 姚福江 閆冉 亓鑫

物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◆任彬1潘維凱1耿欣1姚福江1閆冉2亓鑫1

（1.山東能源重裝集團(tuán)魯中裝備制造有限公司 山東 271000；2.泰安佰特瑞流體技術(shù)有限公司 山東 271000）

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，我國(guó)工業(yè)制造領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化。本文從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)入手，分析如何設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)；機(jī)械設(shè)備；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；立式壓濾機(jī)

在固液分離物料生產(chǎn)中，立式壓濾機(jī)是主要的生產(chǎn)設(shè)備，其廣泛用于化工、食品、醫(yī)藥、冶金多個(gè)領(lǐng)域，由于立式壓濾機(jī)具有產(chǎn)量大、能耗低、人工力少、產(chǎn)品粒度均勻等優(yōu)勢(shì)，可以為后續(xù)生產(chǎn)提供有力支持。然而，當(dāng)前我國(guó)臥式壓濾機(jī)的更新速度較慢，所配備控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度偏低，導(dǎo)致臥式壓濾機(jī)的操作以人工為主，無法實(shí)時(shí)分析物料變化以及給料粒度，并且當(dāng)前的臥式壓濾機(jī)維修保養(yǎng)較為頻繁，難以實(shí)時(shí)監(jiān)控其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，一旦出現(xiàn)潤(rùn)滑不良或者運(yùn)行過載等情況，容易導(dǎo)致無法進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。為了提升過濾設(shè)備的運(yùn)行效率，需要設(shè)計(jì)出一套科學(xué)的監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況

本系統(tǒng)為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，涵蓋了無線通訊、組態(tài)軟件和自動(dòng)控制等板塊，可以形成智能監(jiān)控立式壓濾機(jī)，集中管理，統(tǒng)一調(diào)控的信息管理平臺(tái)，并且整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)平面化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)形式。此外，通過監(jiān)控中心以及設(shè)備監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)個(gè)PLC分布到現(xiàn)場(chǎng)或者和傳感器連接，可以有效控制和采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力、油位等數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可以在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控，形成可視化人機(jī)界面，然后把故障信息發(fā)送到移動(dòng)端，為管理人員快速解除故障提供支持。該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、自診斷的基礎(chǔ)上還可以對(duì)立式壓濾機(jī)的液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)以及各個(gè)部件進(jìn)行監(jiān)控，以此確保立式壓濾機(jī)的良好運(yùn)行，最大程度降低安全事故發(fā)生概率[1]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的出現(xiàn)，我國(guó)的監(jiān)控技術(shù)也得到了有效發(fā)展。新時(shí)期的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，有效融合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及無線信息傳輸技術(shù)，可以滿足實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控需要，并且遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域，在滿足圖片、視頻傳輸?shù)耐瑫r(shí)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)機(jī)械設(shè)備監(jiān)督和調(diào)控，在最短時(shí)間內(nèi)解決機(jī)械設(shè)備故障問題，對(duì)我國(guó)工業(yè)制造領(lǐng)域發(fā)展影響深遠(yuǎn)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作過程設(shè)計(jì)

立式壓濾機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層以及感知層。其中，應(yīng)用層包括了數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器連接In Touch組態(tài)軟件，其作用在于可以實(shí)時(shí)顯示遠(yuǎn)程采集到的報(bào)表和數(shù)據(jù)信息，然后借助移動(dòng)端收集的故障信息對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)“交互”和共享，無線通信模塊是連接監(jiān)控系統(tǒng)的橋梁，可以將傳感器和PLC采集的數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸。感知層包括壓力、溫度、振動(dòng)等傳感器，PLC其作用在于對(duì)壓濾機(jī)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制[2]。

在壓濾機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輥和導(dǎo)向輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之帶動(dòng)濾布裝置驅(qū)動(dòng)；PLC可以控制不同的部件運(yùn)行，同時(shí)還可以對(duì)電機(jī)的報(bào)警信號(hào)實(shí)時(shí)采集；傳感器的作用在于對(duì)壓濾機(jī)進(jìn)料時(shí)流量、油壓溫度、液壓系統(tǒng)、壓力主軸溫度、傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速等信息檢測(cè)，然后通過無線模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。本次研究的系統(tǒng)利用無線模塊與PLC通訊，借助以太網(wǎng)協(xié)議和傳感器連接，然后把采集的主驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、回油溫度、油缸壓力、入料時(shí)物料流量等系統(tǒng)啟停連鎖和模擬信號(hào)，通過GPRS傳送到In Touch，實(shí)現(xiàn)對(duì)組態(tài)軟件的監(jiān)控，還能夠?qū)⒐收闲畔⑸蠄?bào)到管理人員手機(jī)中，然后利用手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的工作流程系統(tǒng)性較強(qiáng)，具有可靠性，通過相關(guān)信息的采集與通訊能夠?qū)崟r(shí)分析立式壓濾機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（如表1）。

表1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件包括監(jiān)控站硬件部分以及監(jiān)控中心硬件部分。監(jiān)控中心硬件涵蓋了In Touch組態(tài)軟件的PC機(jī)以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的服務(wù)器。監(jiān)控站硬件構(gòu)造包括設(shè)備控制PLC模塊、無線通訊模塊。

設(shè)備控制模塊借助PLC達(dá)到控制目標(biāo)，傳統(tǒng)的繼電器—接觸器控制方式接線工作量大，工作環(huán)境惡劣，可靠性差，一旦出現(xiàn)故障停工檢修時(shí)間長(zhǎng)嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。而PLC控制系統(tǒng)不但可以很容易地完成邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產(chǎn)機(jī)械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。PLC是一種較為成熟的控制系統(tǒng)，借助微機(jī)技術(shù)確保整個(gè)集成電路相對(duì)封閉，結(jié)構(gòu)緊湊并且抗干擾能力強(qiáng)，很少發(fā)生故障，此外還具有良好的邏輯運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)傳輸功能，進(jìn)而滿足數(shù)據(jù)處理、過程控制以及通信等具體要求。PLC模塊是監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，能夠?yàn)榱⑹綁簽V機(jī)的安全運(yùn)行提供支持，利用傳感器作為檢測(cè)裝置，把搜集的信息按照相關(guān)規(guī)律轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸，進(jìn)而對(duì)信息存儲(chǔ)處理，并且在監(jiān)控系統(tǒng)中，可以控制機(jī)體振動(dòng)、驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、油缸壓力、回油溫度、供油溫度、流量進(jìn)行系統(tǒng)啟停連鎖，同時(shí)還能夠結(jié)合用戶的具體要求，把給料量、水流量、冷卻水溫等輸入信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展。整體看來，借助溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器的不同功能，可以集中為數(shù)據(jù)采集模塊組建出監(jiān)控系統(tǒng)的感知體系[3]。

無線通訊模塊采用4G網(wǎng)絡(luò)，既可滿足通訊要求，并且內(nèi)置網(wǎng)頁發(fā)布功能可以為PLC提供通信協(xié)議支持，直接和PLC接口連接把數(shù)據(jù)采集模塊搜集的多種數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到云服務(wù)器。系統(tǒng)通過In Touch組態(tài)軟件調(diào)用云服務(wù)器大數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心中，進(jìn)而滿足采集需求。同時(shí)能夠?qū)LC控制系統(tǒng)隨時(shí)訪問，對(duì)程序監(jiān)控進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和發(fā)送報(bào)警短信。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在監(jiān)控系統(tǒng)中的自動(dòng)控制PLC發(fā)揮出了重要作用，可以對(duì)油泵運(yùn)行狀態(tài)、濾板板框的打開合攏、濾布的運(yùn)行、跑偏以及入料擠壓洗滌干燥等各工藝參數(shù)都進(jìn)行了監(jiān)控，工作模式各階段可手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)有階段定時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)計(jì)數(shù)，采用觸摸屏與PLC 實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，顯示整個(gè)工藝流程，并具有追溯工作參數(shù)的能力，采用可編程控制器，靈活的程序設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)可靠、準(zhǔn)確。PLC程序是由一個(gè)主程序和多個(gè)子程序構(gòu)成。其中，主程序作為設(shè)備的控制程序涵蓋了系統(tǒng)初始化程序、自動(dòng)轉(zhuǎn)換程序、運(yùn)行模式、故障檢測(cè)和預(yù)警程序，可以對(duì)立式壓濾機(jī)的作業(yè)流程負(fù)責(zé)。子程序涵蓋了手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)子程序，分別管理立式壓濾機(jī)的手動(dòng)控制以及自動(dòng)控制板塊。其中手動(dòng)控制主要是操作人員通過現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏人機(jī)交互操作執(zhí)行工作，通常在系統(tǒng)維修和檢測(cè)中利用，壓濾機(jī)處于自動(dòng)控制狀態(tài)下，PLC可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，借助監(jiān)控中心組態(tài)軟件觸摸屏實(shí)時(shí)顯示相關(guān)狀態(tài)，還可在故障發(fā)生之后通過觸屏按鈕進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。

PLC系統(tǒng)包括自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行兩種模式，通常情況下系統(tǒng)為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，操作人員轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行開關(guān)，如果檢測(cè)不到系統(tǒng)故障，輸入點(diǎn)接收到信號(hào)之后進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行子程序，隨即進(jìn)入到自動(dòng)模式，該模式下包括了油壓下限開關(guān)，如果油缸壓力比設(shè)定值低，PLC控制程序自動(dòng)控制電機(jī)，可以自動(dòng)對(duì)油缸補(bǔ)壓，實(shí)現(xiàn)油壓的恒定。調(diào)節(jié)到手動(dòng)開關(guān)狀態(tài)后，輸入點(diǎn)開始接收信號(hào)，隨即進(jìn)入到手動(dòng)模式，之后通過觸摸屏虛擬按鈕控制油泵的啟停。

（2）組態(tài)軟件In Touch監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這是一款人機(jī)交互軟件，具有智能化特征，可以為工廠生產(chǎn)和操作人員提供可視化操作界面，能夠快速建立和檢測(cè)實(shí)時(shí)信息、自動(dòng)化應(yīng)用，In Touch監(jiān)控系統(tǒng)的可視化界面開發(fā)包括了登錄界面、控制界面、監(jiān)控界面以及查詢界面。其中，查詢界面和監(jiān)控界面又包括了不同的二級(jí)功能界面，可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)顯示，分析故障情況進(jìn)行報(bào)表打印，然后數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，滿足于操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢需要。同時(shí)，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示油位、溫度、傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速、各項(xiàng)壓力，尤其是查詢界面，涵蓋了軸承數(shù)據(jù)庫(kù)分析系統(tǒng)以及故障診斷分析系統(tǒng)，為操作人員遠(yuǎn)程控制提供了極大便利（如表2）。

表2 In Touch界面結(jié)構(gòu)

在固液分離作業(yè)中安全操作十分關(guān)鍵，因此需要對(duì)安全作業(yè)進(jìn)行監(jiān)控，In Touch提供了基于用戶等級(jí)的安全管理系統(tǒng)，可以結(jié)合用戶等級(jí)權(quán)限允許或者禁止其操作監(jiān)控系統(tǒng)。通過設(shè)置界面優(yōu)先訪問權(quán)，確保系統(tǒng)處于安全運(yùn)行狀態(tài)，具體流程為操作人員點(diǎn)擊登錄按鈕并輸入操作員密碼，成功登錄后會(huì)顯示操作員的等級(jí)以及權(quán)限，以此判定是否允許操作，之后按下配置按鈕，對(duì)操作員進(jìn)行增加、刪減、修改等操作（如圖1）。

6 物聯(lián)網(wǎng)下的工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)控通信功能

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)得到了極大的發(fā)展，在滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控需要的同時(shí)還可以進(jìn)行通信，具體說來：在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)下可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息搜集，然后將機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)顯示出來，進(jìn)而分析設(shè)備是否存在故障，在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差的地方，也可以利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行通信與監(jiān)控。

（2）多向控制監(jiān)控中心

在大數(shù)據(jù)和“云計(jì)算”等技術(shù)下，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以成為手機(jī)終端，也可以成為計(jì)算機(jī)終端，具體說來：一方面，在手機(jī)功能日益智能化的今天，不僅可以滿足通信需要，還有視頻等多種功能，比如利用手機(jī)和車載電腦的遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，然后手機(jī)監(jiān)控中心可以將壓力狀態(tài)、行駛信息反饋出來；另一方面，電腦終端的控制中心與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的融合，可以通過對(duì)電腦的控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控（如圖2）。

圖1 安全登錄界面

圖2 手機(jī)監(jiān)控登錄界面

7 結(jié)語

綜上所述，通過分析立式壓濾機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)涵蓋了PLC控制技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、組態(tài)軟件監(jiān)控技術(shù)，這些技術(shù)共同組成了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并借助In Touch人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)可視化操作，能夠滿足自動(dòng)和手動(dòng)操作需要，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，還可以及時(shí)發(fā)出警告，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)接收與共享。整體看來，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，立式壓濾機(jī)可以滿足信息的采集、傳輸與自動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)立式壓濾機(jī)的監(jiān)控與優(yōu)化配置，顯著提升其工作效率，確保生產(chǎn)安全，因此具有重大意義。

[1]馮挺，杜向黨，郭玉嘉.物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)環(huán)境下的手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2020，41（3）：72-75.

[2]孟鵬飛，劉昱芊.水電站啟閉設(shè)備遠(yuǎn)程智能綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].華電技術(shù)，2020，42（2）：33-36，41.

[3]孟帥，仲梁維，陳彩鳳.基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊，2018，17（3）：114-116，120.