基于VPN技術(shù)的竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

徐源鈺，蘇旭中*，劉燕卿，劉新金，張 娣

（1.江南大學(xué)，無錫 214122；2.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（江南大學(xué)），無錫 214122；3.無錫市金茂對外貿(mào)易有限公司，無錫 214000)

0 引言

作為花式紗線的重要品種之一，竹節(jié)紗是一種在長度方向上出現(xiàn)粗細(xì)節(jié)狀態(tài)的單紗線，不僅產(chǎn)品的附加值高，產(chǎn)品的應(yīng)用范圍也廣，廣泛應(yīng)用于牛仔布、窗簾、裝飾用品等。竹節(jié)紗的生產(chǎn)參數(shù)包括基紗號數(shù)、節(jié)距、節(jié)長等，決定了竹節(jié)紗表面竹節(jié)的粗細(xì)及分布情況[1，2]?，F(xiàn)有的ZJ-5A型數(shù)字式竹節(jié)紗智能生產(chǎn)裝置，需要用戶通過調(diào)節(jié)觸摸屏來改變主控單元PLC中的運(yùn)行參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對竹節(jié)紗各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)的設(shè)置。這種控制方式需要人工到現(xiàn)場對每一臺生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行一一操作，生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量的把控也完全依靠人工來實(shí)現(xiàn)，因此生產(chǎn)效率難以得到提高。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的全面推進(jìn)及“中國制造2025”的落地實(shí)施，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在紡織上的廣泛應(yīng)用讓整個紡織行業(yè)所面臨的產(chǎn)業(yè)升級壓力、勞動力成本上升等問題迎刃而解[3，4]。為提高竹節(jié)紗生產(chǎn)的效率，本文采用VPN技術(shù)搭建竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行改造升級，以實(shí)現(xiàn)竹節(jié)紗生產(chǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能簡介

以ZJ-5A數(shù)字式智能竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置作為研究對象，深入研究竹節(jié)紗生產(chǎn)流程及設(shè)備運(yùn)行狀況，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程端與現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，這樣用戶只需在遠(yuǎn)程端發(fā)布命令即可操控現(xiàn)場設(shè)備，亦可在遠(yuǎn)程端查看設(shè)備的實(shí)時信息及歷史信息，

該系統(tǒng)的使用能夠有效的減少人工成本且提高生產(chǎn)效率，其中VPN技術(shù)的應(yīng)用使得該系統(tǒng)兼具了安全性高、低成本、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。該設(shè)計是在現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上添加了一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，無需對原有的硬件設(shè)備進(jìn)行處理，簡化了改造的過程、降低了設(shè)備改造升級的成本。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于VPN技術(shù)的竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是將竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的主控單元PLC通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與信捷A-BOX模塊進(jìn)行網(wǎng)線連接，接著打開A-BOX網(wǎng)絡(luò)模塊的VPN功能，相當(dāng)于在服務(wù)器端和主控單元PLC之間建立了“虛擬網(wǎng)線”，可將PLC中的竹節(jié)紗生產(chǎn)信息傳輸至遠(yuǎn)程的服務(wù)器端，通過PC端設(shè)計的界面即可查看竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息；根據(jù)不同品種的竹節(jié)紗工藝參數(shù)的要求，用戶在PC端將各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)傳至服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫中，接著在本地端通過OPC協(xié)議將這些數(shù)據(jù)傳輸至底層設(shè)備的控制核心PLC中，從而調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況以滿足不同的竹節(jié)紗工藝要求。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

系統(tǒng)中需選用傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，綜合成本及各方面因素考慮后選用信捷公司生產(chǎn)的A-BOX網(wǎng)絡(luò)模塊，此產(chǎn)品支持多種協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)程序的遠(yuǎn)程修改和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控功能。竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置的主控單元為西門子S7-200(CPU 224) PLC，考慮PLC上的串口已與觸摸屏連接，故添加一個帶以太網(wǎng)口的通信擴(kuò)展模塊CP243-1。

系統(tǒng)中用網(wǎng)線將通信擴(kuò)展模塊和信捷A-BOX網(wǎng)絡(luò)模塊連接，并設(shè)置好相應(yīng)的連接配置；遠(yuǎn)程的服務(wù)器端需打開A-BOX網(wǎng)絡(luò)模塊的VPN功能，從而將設(shè)備現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸至NI-OPC中，接著在Labview中實(shí)現(xiàn)NI-OPC與數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)雙向傳遞；最后，客戶端通過訪問共享數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸并顯示于界面中。此外，客戶端中的界面設(shè)計是根據(jù)用戶實(shí)際生產(chǎn)需求及使用感受角度出發(fā)，設(shè)計出相應(yīng)的畫面供使用者方便、快捷地監(jiān)測與控制現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)。因而，本文設(shè)計的竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程雙向傳輸，同時又能將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，這對于日后歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析及故障診斷具有重要作用。綜上，系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

2 VPN技術(shù)及設(shè)置

2.1 VPN概述

在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場設(shè)備與遠(yuǎn)程服務(wù)器端通常不處于同一個局域網(wǎng)內(nèi)，因此如何快速、高效、安全的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸成為了首要問題。VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網(wǎng)）技術(shù)可以為數(shù)據(jù)的傳送方與接收方在公用網(wǎng)上搭建一個虛擬的專用隧道，安全地傳輸經(jīng)過加密的數(shù)據(jù)[5]。在遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)時，具有著成本低、容易擴(kuò)展、安全性高、穩(wěn)定性好、支持新興應(yīng)用等有點(diǎn)[6]。

2.2 VPN的設(shè)置

VPN技術(shù)在竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心（服務(wù)器端和客戶端）的異地組網(wǎng)本地通信功能，效果如圖3所示。

圖3 VPN虛擬網(wǎng)絡(luò)連接

利用A-BOX網(wǎng)絡(luò)模塊的VPN功能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享，硬件上需要將A-BOX網(wǎng)絡(luò)模塊與竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的PLC進(jìn)行網(wǎng)線連接，接著在服務(wù)器端完成A-BOX模塊的網(wǎng)絡(luò)配置并打開A-BOX模塊的VPN功能，具體步驟如下：

1）A-BOX模塊的網(wǎng)絡(luò)配置：網(wǎng)絡(luò)模塊A-BOX的工作模式共包含三種：模式A（4G）、模式B（WIFI）和模式C（有線網(wǎng)口），如圖4所示?？紤]到操作現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)配備情況及網(wǎng)絡(luò)安裝快捷、方便等因素，選用了模式A（通過4G上網(wǎng)）。在模塊的4G卡槽中插入一張電話卡，同時將A-BOX設(shè)置為模式A（4G）；接著配置局域網(wǎng)參數(shù)，此時需填入與PLC地址處于同一網(wǎng)段的IP地址。A-BOX網(wǎng)絡(luò)模塊參數(shù)配置完成后需重啟A-BOX模塊，重新上電后模塊上的4G燈常亮、WIFI燈閃爍、LINK燈常亮，說明A-BOX模塊的工作模式已設(shè)定為通過4G上網(wǎng)。

圖4 A-BOX模塊的網(wǎng)絡(luò)配置

2）打開A-BOX模塊的VPN功能：在VPN的功能選項(xiàng)中設(shè)置VPN相關(guān)參數(shù)時，虛擬網(wǎng)關(guān)的IP地址要與主控單元PLC的IP地址處于同一網(wǎng)段中，設(shè)置完成后再重新寫入、啟動VPN，這樣就打開了A-BOX網(wǎng)絡(luò)模塊的VPN功能。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計

基于VPN的竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心以美國虛擬儀器公司研發(fā)的Labview軟件作為開發(fā)平臺，選用對應(yīng)的NI-OPC服務(wù)器作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?。Labview是由美國國家儀器（National Instruments，NI）公司研發(fā)的一款程序開發(fā)軟件，最大的特點(diǎn)是采用圖形化編輯語言來進(jìn)行程序的編寫，從而使得編程及使用過程都更為生動靈活[7]。

竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心包括服務(wù)器端和客戶端，兩者的數(shù)據(jù)交互過程如圖5所示。PLC中的數(shù)據(jù)經(jīng)NI OPC服務(wù)器傳至數(shù)據(jù)庫，再通過數(shù)據(jù)庫的共享功能將竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)展示于客戶端界面；客戶端界面設(shè)置的竹節(jié)紗參數(shù)值寫入到數(shù)據(jù)庫中，同時服務(wù)器端將數(shù)據(jù)庫中更新的參數(shù)值寫入NI OPC中，從而改變PLC中相應(yīng)寄存器的值，即改變設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。服務(wù)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與存儲，而客戶端作為移動終端可隨時隨地訪問服務(wù)器端，用戶可通過Labview軟件根據(jù)自身習(xí)慣及實(shí)際生產(chǎn)需求來設(shè)計系統(tǒng)的各個界面，可方便迅捷地了解現(xiàn)場竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及狀況。相比于傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備上的觸摸屏控制，客戶端能夠根據(jù)用戶需求完成定制界面，如歷史信息的查閱、數(shù)據(jù)以報表形式存儲到本地電腦中的固定位置等；亦可代替觸摸屏進(jìn)行遠(yuǎn)程控制竹節(jié)紗設(shè)備。由此可見，這樣能使對竹節(jié)紗設(shè)備的控制更智能化，也為后期的設(shè)備維護(hù)提供數(shù)據(jù)參考。

圖5 服務(wù)器端和客戶端間的數(shù)據(jù)傳遞

3.1 服務(wù)器端

服務(wù)器端主要完成對竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置與監(jiān)控，包含兩部分內(nèi)容：將數(shù)據(jù)庫中的值傳輸至PLC中對應(yīng)竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)的變量地址、將PLC中的竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)值更新至數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的表格中。

首先，將A-BOX網(wǎng)絡(luò)模塊通過網(wǎng)線與西門子以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊CP243-1連接；接著在NI OPC中建立通道，在其中選擇Siemens TCP/IP Ethernet作為設(shè)備驅(qū)動的協(xié)議。一個通道可包含多個竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置中的PLC設(shè)備，并在設(shè)置中選擇具體的設(shè)備型號：S7-200 PLC。為控制PLC中的數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊和內(nèi)部繼電器，需在具體的設(shè)備下配置標(biāo)簽，使得NI OPC中設(shè)備的標(biāo)簽與PLC的寄存器地址一一對應(yīng)；根據(jù)PLC程序中的參數(shù)變量地址，在NI OPC中建立相對應(yīng)的數(shù)據(jù)通信地址標(biāo)簽，如：前羅拉轉(zhuǎn)速、后羅拉轉(zhuǎn)速、基紗長度、竹節(jié)長度和倍率等，竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的NI OPC標(biāo)簽配置如圖6所示。

圖6 NI OPC標(biāo)簽設(shè)置

傳統(tǒng)的竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置通常將生產(chǎn)信息存于觸摸屏內(nèi)存單元中，數(shù)據(jù)的存儲量受到內(nèi)存容量的限制，且歷史數(shù)據(jù)往往只能存放一段時間。而在信息智能化的大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)的存儲及分析顯得尤為重要。因此該系統(tǒng)選用了SQL Sever數(shù)據(jù)庫作為竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存放后臺，不僅能夠海量存儲竹節(jié)紗設(shè)備的生產(chǎn)信息，還可供故障診斷、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)分析使用，具有長遠(yuǎn)的意義。該系統(tǒng)中將竹節(jié)紗參數(shù)管理數(shù)據(jù)庫命名為“Test”，在該數(shù)據(jù)庫中新建若干數(shù)據(jù)表，每個數(shù)據(jù)表存放著竹節(jié)紗的生產(chǎn)參數(shù)，并把同一類型的數(shù)據(jù)存放于同一個表中，至此，該系統(tǒng)的SQL Sever數(shù)據(jù)庫構(gòu)建完成。

竹節(jié)紗遠(yuǎn)程控制平臺借助Labview軟件及NI OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)竹節(jié)紗設(shè)備主控單元PLC與SQL Sever數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互，如圖7所示。其中，圖7(a)表示的是數(shù)據(jù)庫中的竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)傳遞至主控單元PLC中的寄存器中：程序位于FOR循環(huán)中表示不斷讀取數(shù)據(jù)庫相應(yīng)表中的所有參數(shù)，并將這些參數(shù)分別索引至不同的顯示控件。由于這些顯示控件通過NI OPC與主控單元PLC中的變量地址已數(shù)據(jù)綁定，從而將數(shù)據(jù)庫中的值傳入至PLC中，即可改變竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的工藝參數(shù)。圖7(b)表示的是將主控單元PLC中的竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)傳遞至數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)表格中：程序同樣位于FOR循環(huán)中，目的是將已完成數(shù)據(jù)綁定的輸入控件中的竹節(jié)紗生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫的表格3中。由此完成了竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程控制平臺中服務(wù)器端的搭建，同時為后續(xù)客戶端的開發(fā)及使用提供數(shù)據(jù)支持。

圖7 竹節(jié)紗設(shè)備主控單元PLC與SQL Sever數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互

3.2 客戶端

客戶端主要完成兩個任務(wù)：將存儲于數(shù)據(jù)庫中的竹節(jié)紗生產(chǎn)信息顯示在客戶端界面和將客戶端中用戶設(shè)置的生產(chǎn)參數(shù)傳遞至數(shù)據(jù)庫中。由于數(shù)據(jù)庫具有共享功能，因此竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺中服務(wù)器端和客戶端的數(shù)據(jù)庫信息始終保持一致，也為服務(wù)器端和客戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸提供“橋梁”作用?？蛻舳说墓芾斫缑媸褂肔abview軟件根據(jù)用戶經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行個性化設(shè)計，以此來滿足用戶的實(shí)際生產(chǎn)操作需求。其中，Labview軟件與竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備控制核心PLC間的數(shù)據(jù)傳輸通過NI OPC服務(wù)器及SQL Sever數(shù)據(jù)庫完成，這樣在PC客戶端就能完成對竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測與控制。

首先，在Labview的前面板控件屬性中利用Datasocket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對NI OPC中的竹節(jié)紗設(shè)備參數(shù)標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，這樣就使得Labview能夠通過NI OPC讀寫竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備控制核心S7-200 PLC的寄存器內(nèi)容。其次，Labview軟件為SQL Sever數(shù)據(jù)庫的管理操作提供了豐富的指令，進(jìn)而方便竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程控制平臺的數(shù)據(jù)管理及操作。Labview中的Database函數(shù)包含了數(shù)據(jù)庫的許多操作指令，如連接數(shù)據(jù)庫、插入數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫、打開和關(guān)閉數(shù)據(jù)庫等功能：例如當(dāng)竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程控制平臺對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問時，需要與相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，這里就要用到Database函數(shù)中的連接數(shù)據(jù)庫（DB Tools Open Connection）指令，需要在引腳部位填上三個信息：用戶名、密碼和連接信息，連接信息指的是所連數(shù)據(jù)庫類型、名稱及數(shù)據(jù)庫地址。

Labview的程序面板中使用“事件結(jié)構(gòu)”指令來處理由用戶設(shè)置引起的竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)值變化，從而將改變后的生產(chǎn)參數(shù)更新至數(shù)據(jù)庫；同時又能夠?qū)崟r掌握竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行情況，并通過客戶終端查看竹節(jié)紗生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)信息。當(dāng)用戶在客戶端界面設(shè)置竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)后，事件結(jié)構(gòu)立即響應(yīng)該事件所對應(yīng)的程序，并將設(shè)置值同步到數(shù)據(jù)庫中，又由于服務(wù)器端和客戶端共享一個數(shù)據(jù)庫，所以服務(wù)器端將用戶設(shè)置的生產(chǎn)信息寫入到主控單元PLC中，即可改變竹節(jié)紗設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)[8]。當(dāng)竹節(jié)紗生產(chǎn)信息中的部分?jǐn)?shù)據(jù)需要供用戶參考時，主控單元PLC中的竹節(jié)紗生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)VPN技術(shù)傳至本地端的數(shù)據(jù)庫，再由客戶端將數(shù)據(jù)庫中的生產(chǎn)信息展示于客戶端的界面中。

3.3 運(yùn)行調(diào)試

基于VPN的竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，PC客戶端設(shè)定竹節(jié)紗基本的生產(chǎn)參數(shù)的操作界面如圖8所示。

圖8 調(diào)試結(jié)果

4 結(jié)語

該系統(tǒng)利用VPN技術(shù)及A-BOX遠(yuǎn)程通訊模塊等設(shè)備，在PC客戶端即可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和生產(chǎn)狀況的實(shí)時監(jiān)測，并能夠保存歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，便于日后數(shù)據(jù)分析及故障診斷。系統(tǒng)具有著安全性高、低成本、擴(kuò)展性好、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢，使用后可有效地節(jié)省人工成本，提高竹節(jié)紗的生產(chǎn)效率，推動智能化工廠生產(chǎn)和管理的實(shí)現(xiàn)。