基于PLC的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李飛

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東省德州市 253014）

計算機技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，使得智能工業(yè)逐漸成為當(dāng)前設(shè)備加工領(lǐng)域的重要形式。其中，對數(shù)控機床等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、無線通信和遠程監(jiān)控也是當(dāng)前智能工業(yè)領(lǐng)域熱門話題。如何將單片機與PLC無線串行通信技術(shù)進行連接和處理是當(dāng)前數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集研究的重點。湯才剛等采用 STM32型號的單片機作為數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集中的的SD卡，通過該存儲器對數(shù)控工作時的信息進行采集和讀寫，并利用無線網(wǎng)絡(luò)與其采集設(shè)備進行連接，實現(xiàn)了無線通信；譚建斌等針對太陽能跟蹤數(shù)據(jù)，設(shè)計并實現(xiàn)了基于STC8F單片機的PLC控制系統(tǒng)，通過將單片機與PLC相結(jié)合，提升了太陽能數(shù)據(jù)的實時跟蹤和捕捉；石英等提出基于“單片機+FPGA”，設(shè)計一個數(shù)控機床運作數(shù)據(jù)自動采集和遠程監(jiān)測系統(tǒng)，通過數(shù)字芯片對監(jiān)測信息進行讀取和表述，從而提高了遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性?；诖耍蠁纹瑱C與PLC控制系統(tǒng)的原理，針對數(shù)控機床的工作原理，設(shè)計一個生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)控原型系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)單片機的PLC無線串行通信的結(jié)合，從而完成數(shù)據(jù)采集、無線通信和遠程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

為滿足智能工廠中，機床設(shè)備采集、互聯(lián)網(wǎng)通信和遠程監(jiān)控的需求，將設(shè)計一個多層的數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)分為五個層級，分別為設(shè)備層、數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)管理層和應(yīng)用層。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1。

圖1：設(shè)備數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

（1）設(shè)備層主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、通信卡和數(shù)控機床等基礎(chǔ)設(shè)備，其主要負責(zé)為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)設(shè)計和數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)采集層則為所有采集系統(tǒng)集合，作用是通過采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)采集主要包括感知層、信息處理層和應(yīng)用服務(wù)層。感知層中，采集設(shè)備包括數(shù)控機床、PLC設(shè)備數(shù)據(jù)和音視頻等設(shè)備，設(shè)備數(shù)據(jù)采集選用集成西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中OPC實時采集數(shù)控機床NC變量。

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)硬件主要由機床控制面板、主流電機、數(shù)控單元NCU和人機通訊接口MMC等部分組成。其中，基于OPC實時采集數(shù)控機床NC變量時西門子840D系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集的主要方式。通過OPC服務(wù)器與其他應(yīng)用程序和服務(wù)器進行連接，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和通信，由此實現(xiàn)人機交互功能?；贠PC的數(shù)據(jù)采集方法在系統(tǒng)中擴展性更強，組網(wǎng)方便快捷，數(shù)據(jù)傳輸速度和效率高，通用性強，符合智能工廠各個機床設(shè)備的數(shù)據(jù)采集需求。

數(shù)據(jù)采集前，需對采集系統(tǒng)進行初始化處理，并選取相應(yīng)的配置文件；之后查看其是否需增加變量和連接OPC服務(wù)器，通過對遠程服務(wù)器進行連接后，即可進行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程服務(wù)器中，之后判斷該程序是否完成采集工作，若是，則可斷開OPC和遠程服務(wù)器，結(jié)束采集工作；反之則重新進行數(shù)據(jù)采集。

（3）網(wǎng)絡(luò)層由一個路由器和多個交換機組成，采用車間級以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互和傳輸。

（4）數(shù)據(jù)管理層，即邏輯業(yè)務(wù)層，該層主要由多個服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫和防火墻組成。

（5）應(yīng)用層通過企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與管理層進行無線通信，其主要負責(zé)對上傳的數(shù)據(jù)進行分析、運算決策和遠程監(jiān)控。

2 功能模塊設(shè)計

2.1 服務(wù)端數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集后，即可通過數(shù)據(jù)管理層中的服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)通信和傳輸。根據(jù)本數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸特性，將選用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，主要分為三步：

（1）服務(wù)器與客戶端間的連接，該連接對象為socket。

（2）連接完成后，通過方法調(diào)用方式對兩個設(shè)備間的通信信息進行監(jiān)聽；當(dāng)客戶機根據(jù)自身需求需求助與服務(wù)器時，客戶機即可通過監(jiān)聽設(shè)備對服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器接收請求后再進行信息處理再給與回復(fù)。

（3）服務(wù)器接收信息后，主要采用邏輯層進行信息邏輯分析和分類處理，邏輯分析結(jié)束后，即可將處理結(jié)果反饋至客戶機，由此完成TCP通信。

數(shù)據(jù)傳輸過程中，為保證數(shù)據(jù)的有效性，將對數(shù)據(jù)進行過濾和存儲，避免數(shù)據(jù)丟失和遺漏。針對此問題，基于TCP通信協(xié)議，對傳輸數(shù)據(jù)格式、字段解析方式對數(shù)據(jù)規(guī)則進行定義，從而存儲于數(shù)據(jù)庫。

當(dāng)采集數(shù)據(jù)傳輸至客戶端時，其可生成有效的字符串，并添加相應(yīng)的標志位；從而對該標志為進行奇偶校驗，若該數(shù)為奇數(shù)時，即則其校驗位=0，若該數(shù)為偶數(shù)時，則校驗位為1，完成奇偶校驗后，即可將兩者進行融合，從而組成新的字符串，并將該字符串發(fā)送至服務(wù)器端，服務(wù)端則根據(jù)接收的字符串進行再次校驗處理，若判別該設(shè)備為真時，則對其標志位進行檢查，從而進行數(shù)據(jù)處理，若校驗位假時，則返回至客戶端重新生成有效字符串進行操作，直至校驗為真，即可停止校驗。

采用圖6的數(shù)據(jù)傳輸格式解析，即可得到一個傳輸接口，從而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的過濾和校驗等操作，從而提升了系統(tǒng)擴展性。

2.2 監(jiān)控端功能設(shè)計

服務(wù)器與客戶機交互完成后，即可通過監(jiān)控端對傳輸數(shù)據(jù)進行分析、運算決策和遠程監(jiān)控。系統(tǒng)監(jiān)控主要分為三個步驟，具體如下：

（1）將監(jiān)控設(shè)備與服務(wù)器進行通信連接，獲取工廠車間內(nèi)的IP地址，通過密碼和用戶名進行賬號登錄；

（2）通過攝像頭對遠程監(jiān)控和環(huán)境信息進行采集，并設(shè)置定時器，當(dāng)采集時長達到定時標準時，定時器將作出反應(yīng)，由此實現(xiàn)監(jiān)控信息采集；

（3）最后將數(shù)據(jù)設(shè)置為文件夾，將其保存在服務(wù)器硬盤中，便于后續(xù)數(shù)據(jù)查詢，并結(jié)束監(jiān)控。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與性能測試

3.1 開發(fā)環(huán)境

為驗證設(shè)計的數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控系統(tǒng)是否有效，實驗將B/S架構(gòu)進行系統(tǒng)構(gòu)建，在 VB 語言中引入西門子opc，開發(fā)環(huán)境和平臺分別為DAAutomation2.0中的sopcdaauto.dll文件和MFC，系統(tǒng)信息集成采用Windows API,系統(tǒng)封裝方式為C++。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)主要從三個方面入手，分別為數(shù)控設(shè)備采集、PLC數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控數(shù)據(jù)采集。

3.2.1.1 數(shù)控設(shè)備采集

選用 OPC服務(wù)器進行數(shù)控設(shè)備采集，采集對象分別為機床主要參數(shù)、安裝配置數(shù)據(jù)和NC數(shù)據(jù)等，設(shè)備常用變量為機床狀態(tài)數(shù)據(jù)、主軸驅(qū)動負載（其中通道和驅(qū)動均為1）、機床當(dāng)前位置、當(dāng)前操作模式、X軸狀態(tài)和X軸進給率等。

確定西門子840D常用變量后，即可利用OPC對數(shù)據(jù)進行訪問和處理，并根據(jù)其常用變量進行變量調(diào)用。根據(jù)OPC設(shè)定事件觸發(fā)器，當(dāng)觸發(fā)器響應(yīng)時即可得到數(shù)控機床具體參數(shù)，通過OPC標簽名字數(shù)組，并在程序中對標簽名稱進行讀取操作，由此實現(xiàn)無線串行網(wǎng)絡(luò)與單片機的通信連接。 完成以上操作后，即可獲得數(shù)控機床采集數(shù)控。

得到數(shù)控機床采集數(shù)據(jù)后，即可切斷OPC端連接，并利用串行無線網(wǎng)絡(luò)通信將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端。

3.2.1.2 PLC數(shù)據(jù)采集

PLC數(shù)據(jù)采集采用操作簡單、速度快、適用性強的組態(tài)軟件方式進行實現(xiàn)，即安裝與西門子840D相對應(yīng)的WinCC組態(tài)軟件。將其與PLC中的SMATIC產(chǎn)品進行連接后，即可得到采集數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建PLC變量列表。在PLC列表中選擇一編碼與TCP網(wǎng)絡(luò)通信進行連接，從而將采集數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端。

3.2.1.3 監(jiān)控數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)采集通過攝像頭開發(fā)接口API和SDK結(jié)合，并在MFC平臺上進行再次開發(fā)，之后通過方法調(diào)用方式獲取監(jiān)控信息，根據(jù)想要查看的時間段進行數(shù)據(jù)標簽輸入，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢和存儲。

3.2.2 服務(wù)器端管理功能的實現(xiàn)

服務(wù)器端功能主要從系統(tǒng)界面得以實現(xiàn)，該界面中分為服務(wù)器開啟和關(guān)閉功能、數(shù)據(jù)庫配置功能、設(shè)備管理模塊、用戶管理模塊和視頻監(jiān)控模塊。

管理人員根據(jù)所需查詢設(shè)備在系統(tǒng)界面中輸入該設(shè)備編號，設(shè)備名稱等，系統(tǒng)連接無線網(wǎng)絡(luò)后，即可從數(shù)據(jù)庫中匹配出相應(yīng)的設(shè)備IP、在線狀態(tài)和設(shè)備類型等信息，用戶可在該數(shù)控設(shè)備顯示界面中，對設(shè)備信息進行進一步查詢、添加修改、檢索和刪除等操作。由此實現(xiàn)服務(wù)端管理功能實現(xiàn)。

3.2.3 監(jiān)控功能實現(xiàn)

要實現(xiàn)監(jiān)控窗口可視化，主要通過MFC將監(jiān)控視頻界面分為動態(tài)和靜態(tài)形式。管理人員根據(jù)攝像頭監(jiān)控信息，從數(shù)據(jù)庫中選擇某一時間段的設(shè)備信息，即可輸入該設(shè)備IP型號和時間，即可得到PLC監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示界面，該界面中包含了設(shè)備的名稱、設(shè)備編號、實際工作圖像、可監(jiān)控變量信息等，管理人員可根據(jù)想要獲取的信息從界面中進行點擊和查詢操作，即可完成PLC控制系統(tǒng)的操作。

3.3 系統(tǒng)測試

3.3.1 測試方案

為驗證設(shè)計系統(tǒng)的功能性，實驗將對系統(tǒng)性能和各功能模塊進行測試，具體測試方案如下所示。

（1）測試工具選擇。首先對測試腳本信息進行提前設(shè)置，選用Load Runner工具進行系統(tǒng)測試,并采用多臺測試終端服務(wù)器進行測試。

（2）測試數(shù)據(jù)準備。其中，測試數(shù)據(jù)的內(nèi)容為對一個省份內(nèi)全部管理人員和志愿者信息進行登錄維護。

（3）測試場景參數(shù)設(shè)置。根據(jù)不同的實驗場景，對其不同的參數(shù)進行設(shè)置。

（4）測試啟動。根據(jù)以上測試腳本進行參數(shù)設(shè)置和并發(fā)用戶輸入。

（5）實時監(jiān)控系統(tǒng)的表現(xiàn)參數(shù)。分別對TPS、ART、CPUT占用率、內(nèi)存占用率、輸入輸出IO等參數(shù)進行監(jiān)控，并實時查看系統(tǒng)各個功能模塊的運行狀況。

（6）測試完成，給出最終測試結(jié)果并進行具體分析，給出相應(yīng)的解決措施。

3.3.2 測試指標

根據(jù)設(shè)定的測試方案，采用以下評價指標對實驗結(jié)果進行評估：

（1）由用戶登錄系統(tǒng)的并發(fā)量大小、系統(tǒng)作出反應(yīng)的響應(yīng)時間對系統(tǒng)性能進行評估。

（2）查看用戶通過賬號密碼成功登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)各個設(shè)備和數(shù)據(jù)是否正常。

（3）對系統(tǒng)輸入不同大小的數(shù)據(jù)，從而對系統(tǒng)服務(wù)器CPU、內(nèi)存和反饋時間進行判斷。

3.3.3 測試環(huán)境

為取得更好的實驗結(jié)果，將按照1:1比例還原真實環(huán)境下的生產(chǎn)狀態(tài)。并分別對系統(tǒng)性能、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器性能進行測試，具體配置信息如下：

表1：系統(tǒng)測試缺陷清單列表

（1）Load Runner控制器，壓力測試服務(wù)器與Load Runner控制器相互配合，對運行腳本進行測試。并選擇普通的PC機器作為測試服務(wù)器，其硬件配置選用2個CPU，內(nèi)存大小為4GB，硬盤大小為500G，光纖大小為100M，軟件設(shè)置中，選用Window作為操作系統(tǒng)，Load Runner選用9.5版本。

（2）應(yīng)用服務(wù)器主要負責(zé)系統(tǒng)應(yīng)用測試。依舊選用普通PC機器作為測試服務(wù)器，其硬件環(huán)境選用4CPU、8GB內(nèi)存和500G硬盤，光纖依舊為100M。系統(tǒng)軟件選擇Linux和Tomcat7.0。

（3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器選用同種硬件配置，軟件配置則選用Linux、MySQL5.5進行測試。

3.3.4 測試結(jié)果

在以上測試環(huán)境下，將對系統(tǒng)正常運行時的CPU、內(nèi)存大小和響應(yīng)時間進行分析，在相同時間段內(nèi)，由50名用戶進行系統(tǒng)并發(fā)操作后，得到測試結(jié)果如下：

從圖2結(jié)果能夠直觀的看出，相同條件下，50名用戶進行并發(fā)測試后，系統(tǒng)始終保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，CPU使用率最高僅為25%，處于相對較低狀態(tài)。由此可知，通過50名用戶對系統(tǒng)進行并發(fā)測試對系統(tǒng)影響較小，系統(tǒng)無明顯卡頓現(xiàn)象。

圖2：50名用戶并發(fā)測試結(jié)果

因此，為進一步驗證系統(tǒng)性能，將并發(fā)用戶增加至100個，得到的系統(tǒng)測試結(jié)果如下：

從圖3結(jié)果可知，用戶并發(fā)量增加至100個時，系統(tǒng)仍無明顯卡頓和反饋慢的現(xiàn)象，且系統(tǒng)響應(yīng)時間依舊保持較好。CPU占用率增加了20%左右，但對系統(tǒng)內(nèi)存無較大影響。由此說明，即使增加了并發(fā)量，系統(tǒng)依舊可以取得較好的測試結(jié)果，系統(tǒng)性能優(yōu)越。

圖3：100名用戶并發(fā)測試結(jié)果

通過以上測試結(jié)果對系統(tǒng)測試的缺陷進行清單列表，得到的列表如下：

從表1中可以看出，系統(tǒng)在50～100個并發(fā)量的狀態(tài)下，除CPU占用率有所增加外，其他方面均保持穩(wěn)定，無明顯變化，由此說明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定性較強，具備一定的有效性，通過以上改進措施即可提升系統(tǒng)性能，避免缺陷發(fā)生。

4 結(jié)論

綜上所述，設(shè)計的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)控原型系統(tǒng)性能優(yōu)越，可實現(xiàn)數(shù)控機床智能工廠中數(shù)據(jù)采集、單片機與PLC無線串行通信和遠程監(jiān)控。測試結(jié)果表明，通過50名并發(fā)用戶進行系統(tǒng)測試后，系統(tǒng)可在短時間內(nèi)給與反饋和回復(fù)，響應(yīng)時間較短，且系統(tǒng)CPU使用率保持在較低水平。將并發(fā)用戶增加至100人時，除CPU占用率少量增加外，系統(tǒng)依舊處理平穩(wěn)狀態(tài)。由此說明，系統(tǒng)受并發(fā)量的影響較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性較強，各功能模塊性能優(yōu)越。