控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)上云技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑

何錫武

(武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430064)

1 背景

工業(yè)企業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、平臺(tái)化成為技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)化，必須是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通信。而企業(yè)生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，決定了企業(yè)設(shè)備的多樣性，生產(chǎn)設(shè)備不可能是同一品牌或系列。不同設(shè)備的物理接口、各種協(xié)議各異，一般情況下數(shù)據(jù)不能直接互聯(lián)互通。目前，工業(yè)數(shù)據(jù)采集主要有以下3種途徑。一是利用通用工業(yè)網(wǎng)關(guān)，連接工業(yè)現(xiàn)場控制器，通過以太網(wǎng)或串口讀取控制器內(nèi)部變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種方式需要購買廠商的工業(yè)網(wǎng)關(guān)并與廠商的平臺(tái)進(jìn)行綁定。優(yōu)點(diǎn)是使用方便，并且售后服務(wù)比較有保障。二是利用數(shù)據(jù)傳輸單元DTU(DataTerminal Unit)進(jìn)行透明傳輸，通過Socket方式將現(xiàn)場數(shù)據(jù)上云，遠(yuǎn)程訪問遠(yuǎn)程測控。這種方式不需要購買硬件網(wǎng)關(guān)，能利用企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備，減少了硬件成本開銷。缺點(diǎn)是需要自建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，通信服務(wù)需長期付費(fèi)且價(jià)格也取決于基礎(chǔ)通信廠商。三是利用現(xiàn)有工業(yè)SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端。這樣工業(yè)數(shù)據(jù)的采集可以不依賴于具體硬件網(wǎng)關(guān)，減少使用成本。但用戶本身已經(jīng)具備數(shù)據(jù)集中采集條件，數(shù)據(jù)上云作用大打折扣，且需要用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場總線技術(shù)再開發(fā)，IP地址需要固定等，難以廣泛應(yīng)用。

2 系統(tǒng)遠(yuǎn)程測控方案

2.1 有線網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程操控

人工氣候室的現(xiàn)場控制硬件主要由PLC和觸摸屏構(gòu)成。系統(tǒng)有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)步驟是：現(xiàn)場控制盤觸摸屏的軟件組態(tài)中，除正常的操控界面外，專門添加ModBus TCP轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備構(gòu)建。在轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備構(gòu)件中添加所需要的數(shù)據(jù)通道，鏈接相應(yīng)變量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)(如圖1)。在上位機(jī)上安裝MCGS網(wǎng)絡(luò)版軟件。其硬件組態(tài)需安裝標(biāo)準(zhǔn)添加ModBus TCP構(gòu)建，接收從控制端轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)并組態(tài)相應(yīng)控制界面。由于網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件自帶網(wǎng)頁發(fā)布功能，這樣在任何聯(lián)網(wǎng)地點(diǎn)，遠(yuǎn)程電腦或移動(dòng)端只要訪問上位機(jī)的IP地址，即可得到與上位機(jī)相同的操作界面(首次訪問會(huì)提示安裝插件)。在此界面可讀取數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程操控。該方案全部由組態(tài)軟件通過有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程訪問不需要專門軟件或APP開發(fā)，簡單實(shí)用。缺點(diǎn)是上位機(jī)需要固定IP地址，對企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的系統(tǒng)使用有其局限性。

2.2 無線途徑實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程操控

無線數(shù)據(jù)上云是通過無線網(wǎng)關(guān)，將PLC數(shù)據(jù)上傳到企業(yè)的數(shù)據(jù)云平臺(tái)。用戶在任何地方通過移動(dòng)端訪問該企業(yè)的數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。本系統(tǒng)采用河北藍(lán)蜂信息科技有限公司的GM10-DTU物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。GM10-DTU是用于EMCP物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)連接下位設(shè)備所用的GPRS網(wǎng)關(guān)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)Modbus數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和傳輸，配置參數(shù)靈活，運(yùn)行安全穩(wěn)定，適合于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場。用戶通過簡單配置就可以完成設(shè)備到EMCP物聯(lián)云平臺(tái)的可靠數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信中GM10-DTU作為MODBUS主站，能用于各種具備串口和MODBUS協(xié)議的PLC、IO模塊、智能儀表等現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)。設(shè)備具有RS232和RS485雙串口，還額外提供4路DI，可實(shí)現(xiàn)4路報(bào)警數(shù)字量輸入，方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)緊急安全連鎖，具有短信報(bào)警提示。上電即可進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)用戶現(xiàn)場設(shè)備與平臺(tái)公司私有EMCP物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)鏈接。

系統(tǒng)配置過程如下：

(1)硬件準(zhǔn)備：按GM10-DTU網(wǎng)關(guān)的使用要求連接電源和高頻天線，插入移動(dòng)通信所用的SIM卡。通過9針串口頭連接網(wǎng)關(guān)和PLC控制器的RS485的通信端口。按西門子200PLC系統(tǒng)手冊介紹485通訊接口信號線，將PLC串口的第3和8引腳分別連接GM10模塊的“485A”端子和“485B”端子，硬件連接完成。

圖1 現(xiàn)場端添加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)通道

(2)創(chuàng)建Modbus從站：在該數(shù)據(jù)通信過程中，PLC是作為Modbus從站來響應(yīng)平臺(tái)發(fā)出的讀書請求。所以，需要將PLC設(shè)置為Modbus協(xié)議從站。從站建立需要提前安裝Modbus協(xié)議庫指令(如圖2)。西門子Modbus從站協(xié)議庫包括MBUS_INIT 指令和MBUS_SLAVE兩條指令。其中MBUS_INIT指令用于啟用、初始化或禁止Modbus從站通訊，在使用 MBUS_SLAVE指令之前，只需在系統(tǒng)初次循環(huán)中一次調(diào)研MBUS_INIT執(zhí)行即可。MBUS_SLAV指令用于回應(yīng)Modbus主設(shè)備發(fā)出的請求。指令完成后其輸出信號“Done”位會(huì)數(shù)據(jù)置1，程序中可以作為數(shù)據(jù)傳輸完成，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令的條件。

圖2 PLC的Modbus從站指令

程序中我們將Modbus保持寄存器區(qū)從VB1000開始(HoldStart=VB1000)，并且保持寄存器為100個(gè)字(MaxHold=100)，因保持寄存器以字(兩個(gè)字節(jié))為單位，實(shí)際上這個(gè)通信緩沖區(qū)占用了VB1000～VB1200共200個(gè)字節(jié)。另外，還需要為Modbus通信功能塊分配庫存儲(chǔ)區(qū)。庫存儲(chǔ)區(qū)的分配要避免與程序中其它應(yīng)用所占用的區(qū)域相沖突。編譯無誤后下載到PLC中。打開程序監(jiān)控，正常情況下可以看到MBUS_INIT指令和MBUS_SLAVE指令的“Error”引腳輸出是否為0，即表示正常，如為其它數(shù)值即為故障，需要調(diào)整。

(3)通信過程：在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上采用購買模塊時(shí)公司分配的管理員賬號登錄平臺(tái)，按照平臺(tái)手冊說明完成網(wǎng)關(guān)模塊的綁定和參數(shù)設(shè)置，添加從站設(shè)備(具體為西門子S7200 PLC)，設(shè)置從站地址和讀取數(shù)據(jù)長度等參數(shù)。登錄EMCP平臺(tái)( www.lfemcp.com)，點(diǎn)擊前述建立的從站設(shè)備名稱進(jìn)入設(shè)備，即可以看到現(xiàn)場200PLC定時(shí)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過“讀寫數(shù)據(jù)”按鈕，可以即時(shí)對200PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和輸出操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。在手機(jī)安裝《云聯(lián)物通》手機(jī)APP，進(jìn)入列表中的“西門子 S7-200PLC”設(shè)備，在菜單中點(diǎn)擊“讀寫數(shù)據(jù)”，可進(jìn)行移動(dòng)端的遠(yuǎn)程讀取和操控。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

人工氣候室是通過現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)局部環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)特殊的環(huán)境要求，是現(xiàn)代生物和農(nóng)業(yè)研究的重要設(shè)備。它對溫度、濕度和光照強(qiáng)度的控制要求很高。首先，要像普通恒溫、恒濕實(shí)驗(yàn)室一樣，能將室內(nèi)溫濕度精確地控制在設(shè)定值附近，對溫度控制精度要求達(dá)到±1 ℃。其次，要求溫度、濕度和光照強(qiáng)度能按設(shè)定的變化規(guī)律自動(dòng)改變，最短變化時(shí)間為1 h，以1 d或若干天為周期循環(huán)地變化。本案例被控對象包括調(diào)節(jié)光源、空調(diào)、加熱器、空氣加濕器、土壤澆灌和空氣換風(fēng)系統(tǒng)等，其中光源控制如附表1。其它負(fù)載配置情況略。系統(tǒng)按照加權(quán)編碼的開關(guān)量控制方式，簡單實(shí)現(xiàn)多級調(diào)，控制效果逼近PID調(diào)節(jié)水平。并分別通過遠(yuǎn)程桌面和移動(dòng)端APP實(shí)施遠(yuǎn)程操控，極大地方便了農(nóng)業(yè)研究這種實(shí)驗(yàn)室比較遠(yuǎn)，分布區(qū)域廣的應(yīng)用場合。

表1 人工氣候室光源配置

3 結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)際使用需求，通過有線網(wǎng)絡(luò)和無線兩種技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)距離監(jiān)視操控，使設(shè)備的使用更加方便。特別是通過HMI組態(tài)軟件IP轉(zhuǎn)發(fā)的方式使數(shù)據(jù)上云不需增加新的成本，方便應(yīng)用推廣。無線上云途徑可以讓使用操作不受地域限制，特別適應(yīng)于農(nóng)業(yè)研究這些范圍廣的應(yīng)用場景。系統(tǒng)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)人工氣候室得到長時(shí)間應(yīng)用驗(yàn)證，其溫度控制進(jìn)度在0.5 ℃。生物光照時(shí)段的任意設(shè)置及光照色譜的調(diào)節(jié)，為生物光反應(yīng)研究提供了有效的技術(shù)手段?？刂茀?shù)設(shè)置還能按預(yù)先設(shè)定的曲線設(shè)置，避免頻繁改變設(shè)置的麻煩。特別是數(shù)據(jù)上云和遠(yuǎn)程操控的實(shí)現(xiàn)，非常適用于農(nóng)業(yè)試驗(yàn)這種地域廣、周期長的特殊場合，得到了學(xué)校師生試用者的高度肯定。