基于VNC工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

吳浪武, 吳靜進(jìn), 吳馨芳, 張 燕

(南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 332020)

0 引言

近年來，遠(yuǎn)程控制是一種以網(wǎng)絡(luò)信息推送為基礎(chǔ)的服務(wù)提供方式, 主要應(yīng)用于異地之間展示遠(yuǎn)端用戶的信息。 遠(yuǎn)程同步控制利用網(wǎng)絡(luò)打破了地域與硬件的限制，擁有非常大的市場(chǎng)占有率。利用這些將裝有安卓系統(tǒng)的手機(jī)或平板電腦對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行監(jiān)控，既保證了監(jiān)控過程的連續(xù)性與方便性，又具有低成本和普遍性的特點(diǎn)，代表著未來監(jiān)控平臺(tái)的發(fā)展方向。特別是當(dāng)前工業(yè)控制環(huán)境下的自動(dòng)過程控制。機(jī)械手作為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中典型的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要包含電氣、氣動(dòng)、機(jī)械、 PLC 和觸摸屏等元件。在很多工控現(xiàn)場(chǎng)，拉線不方便或拉線成本很高，就需要用到無線方式，現(xiàn)在無線遠(yuǎn)程通訊已經(jīng)大量運(yùn)用到工控項(xiàng)目中。目前在工業(yè)控制中主流的無線通訊的方式有數(shù)傳電臺(tái)、GPRS、3G/4G等模式。因?yàn)閿?shù)傳電臺(tái)無線通訊有著后期不需要運(yùn)營(yíng)其他費(fèi)用的特點(diǎn)，所以特別適合近距離無線通訊。本次研究以昆侖通態(tài)公司系列的觸摸屏作為VNC服務(wù)器端，安卓移動(dòng)設(shè)備作為VNC客戶端，以西門子S7-200SMART系列的PLC控制機(jī)械手為實(shí)例，針對(duì)TPCHi-TVRC觸摸屏的VNC開發(fā)方式進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

1 機(jī)械手的簡(jiǎn)介

機(jī)械手工作結(jié)構(gòu)如圖1所示，即氣爪松開與夾緊，機(jī)械手臂伸縮包括伸出與縮回， 機(jī)械手臂升降包括上升與下降。其工作過程大體可以描述為：初始狀態(tài)，機(jī)械手位于原點(diǎn)的位置并處于氣爪松開、機(jī)械手臂處于上升的狀態(tài)；按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手臂伸出并下降到 A點(diǎn)，由氣爪抓取工件；抓穩(wěn)工件后，機(jī)械手臂上升并縮回，機(jī)械手臂完成轉(zhuǎn)出、伸出、下降等動(dòng)作到達(dá)B點(diǎn)，然后手爪松開工件，機(jī)械手臂同時(shí)上升并縮回，轉(zhuǎn)回到原點(diǎn)的位置，完成一個(gè)周期的動(dòng)作。

2 利用PLC、觸摸屏控制機(jī)械手的設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手的工作原理的過程，確定I/O點(diǎn)數(shù)，其需要10個(gè)輸入，8個(gè)輸出。故本設(shè)計(jì)選用西門子S7-200SMART CR40plc ,具有輸入24個(gè)，輸出16個(gè)，總計(jì)40個(gè)點(diǎn)數(shù)，完全滿足工作過程所需要的點(diǎn)數(shù)。同時(shí)在MCGS觸摸屏上設(shè)置必要的控制和工作顯示狀態(tài)，并關(guān)聯(lián)相對(duì)應(yīng)的程序中I/O地址，便于后期工作過程的調(diào)試工作。為保證機(jī)械手運(yùn)行的高效性和可靠性，在設(shè)計(jì)過程中通常應(yīng)考慮其控制系統(tǒng)應(yīng)至少具備以下幾種控制方式:

1 自動(dòng)操作方式

(1)單步運(yùn)行，機(jī)械手每次運(yùn)行時(shí)只完成一個(gè)動(dòng)作,便于系統(tǒng)的調(diào)試工作，每次運(yùn)行過程中只受一個(gè)啟動(dòng)按鈕控制并進(jìn)行狀態(tài)切換。

(2)連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)啟動(dòng)按鈕時(shí)，機(jī)械手能夠連續(xù)完成多個(gè)連續(xù)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工件搬運(yùn)，直到完成所有的動(dòng)作為止。

(3)用戶權(quán)限的設(shè)置，可以有效地禁止非專業(yè)或工作人員對(duì)機(jī)械手的操作，最大限度地降低誤操作率。

2手動(dòng)操作方式

實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)是用按鈕單獨(dú)進(jìn)行控制。要求：

(1)當(dāng)選擇上行或下行運(yùn)動(dòng)時(shí),分別由上升或下降按鈕控制。

(2)當(dāng)選擇左行或右行運(yùn)動(dòng)時(shí),分別由左移或右移按鈕控制。

(3)當(dāng)選擇夾緊或放松運(yùn)動(dòng)時(shí),分別由夾緊或放松按鈕控制。

3回原點(diǎn)方式

由于運(yùn)動(dòng)控制大多數(shù)都是增量伺服設(shè)備，所以當(dāng)產(chǎn)生故障或者其他原因使機(jī)械手并不在最初設(shè)定的原點(diǎn)位置，則必須讓機(jī)械手回到手臂位于左限位處-上限位處-手爪釋放時(shí)，設(shè)備才能正常工作。

所以根據(jù)以上對(duì)機(jī)械手動(dòng)作的控制要求，設(shè)計(jì)了如圖 2所示的控制功能。

進(jìn)行PLC選型的時(shí)候應(yīng)遵循設(shè)計(jì)的步驟，首先確定輸入、輸出地址功能進(jìn)行分配，以開關(guān)量地址為基準(zhǔn)進(jìn)行地址的分配。它是對(duì)機(jī)械手在工作過程中順序的一個(gè)梳理，同時(shí)針對(duì)觸摸屏中的相對(duì)組成的功能一并設(shè)置，也是在程序中設(shè)定的重要的一個(gè)組成環(huán)節(jié)。

輸入/輸出變量地址分配表：

啟動(dòng)單步單周期手動(dòng)自動(dòng)回原點(diǎn)I0.0I0.5I0.6I1.0I0.7I1.1連續(xù)下限位上限位右限位左限位下限位I1.2I0.1I0.2I0.3I0.4I0.1下降上升加緊放松左移右移Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5停止急停復(fù)位I1.3I1.4I1.5

PLC和MCGS設(shè)備連接的設(shè)置

設(shè)備的連接是將監(jiān)控系統(tǒng)中所用到的設(shè)備在這里通過設(shè)置建立通訊，包括有添加設(shè)備、設(shè)置設(shè)備屬性、調(diào)試設(shè)備3部分。首先， 將“通用串口父設(shè)備”和“西門子S7-200SMART PPI”設(shè)備添加到設(shè)備窗口下，再分別設(shè)置“通用串口父設(shè)備”和“西門子 S7-200SMART PPI”設(shè)備的基本屬性，最后將MCGS變量與PLC通道進(jìn)行連接。

同時(shí)在編寫程序過程中，需要充分考慮機(jī)械手的動(dòng)作要求，去分析整個(gè)控制過程的邏輯關(guān)系。同時(shí)在選擇元件時(shí)也需要注意干擾的影響，避免因?yàn)楦蓴_的因素造成機(jī)械手產(chǎn)生一些誤動(dòng)作。待觸摸屏設(shè)計(jì)模型和 PLC設(shè)計(jì) 程序?qū)胂到y(tǒng)以后， 即可進(jìn)行機(jī)械手運(yùn)動(dòng)作的調(diào)試。在搬運(yùn)程序執(zhí)行的過程中，輸入信號(hào)和機(jī)械手動(dòng)作都會(huì)通過指示燈顯示出來，能直觀看出搬運(yùn)動(dòng)作的過程，并且可以根據(jù)指示燈點(diǎn)亮的邏輯關(guān)系，驗(yàn)證 PLC 程序設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

經(jīng)程序的調(diào)試，本次設(shè)計(jì)符合其動(dòng)作要求。部分程序及控制過程調(diào)試圖3、圖4所示。

3 VNC技術(shù)現(xiàn)狀

VNC基本組成分為兩部分：一部分是客戶端的應(yīng)用程序(vncviewer)，另一部分是服務(wù)器端應(yīng)用程序(vncserver)。本文采用本地應(yīng)用程序，用于遠(yuǎn)程接入運(yùn)行vncserver的計(jì)算機(jī)并顯示其環(huán)境狀態(tài)。

對(duì)遠(yuǎn)程調(diào)試解決方案的需求可以分為以下三個(gè)方面：

(1)最基礎(chǔ)的要求是遠(yuǎn)程維護(hù)：這需要實(shí)現(xiàn)從工程師電腦到客戶端的PLC或其它設(shè)備之間的遠(yuǎn)程連接，并且能夠進(jìn)行變量監(jiān)控、日志讀取等維護(hù)操作。這種模式下對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和帶寬的環(huán)境要求相對(duì)較低。

(2)更為普遍的需求是遠(yuǎn)程調(diào)試：可以通過建立的遠(yuǎn)程連接進(jìn)行程序修改，程序下載，在線調(diào)試等原本只能在本地進(jìn)行的操作。如果設(shè)備有HMI還需要能夠遠(yuǎn)程訪問HMI并可以操作。由于下載程序需要穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性有了更高的要求。

(3)為了更好的掌握現(xiàn)場(chǎng)信息，還需要通過遠(yuǎn)程連接視頻和音頻，直接了解現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息，這就對(duì)連接的帶寬提出了較高的要求。

針對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)需求，可以采用Teamviewer軟件+ PC的解決方案。對(duì)遠(yuǎn)程PC機(jī)的要求是具有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，例如Wi-Fi連接現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)網(wǎng)，本地網(wǎng)卡連接PLC。本文主要介紹這種遠(yuǎn)程服務(wù)的方案。

此次在觸摸屏TPCHi-TVRC上電后進(jìn)入“系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置”界面，服務(wù)端與客戶端通過 TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行信息交換，顯示界面和遠(yuǎn)程操作處理采用 VNC 服務(wù)協(xié)議進(jìn)行處理。同時(shí)進(jìn)入“TPC系統(tǒng)設(shè)置”的界面，對(duì)Wi-Fi配置相應(yīng)的屬性，比如SSIS名稱、服務(wù)地址以及鏈接密碼。如圖5、圖6所示。

經(jīng)過調(diào)試，設(shè)備能夠成功連接觸摸屏的地址，并對(duì)其進(jìn)行控制。如圖7、圖8所示。

遠(yuǎn)程調(diào)試的實(shí)現(xiàn)就基于Teamviewer的VPN連接，VPN連接建立后，可以看到遠(yuǎn)程PC機(jī)的IP地址， 對(duì)于同一臺(tái)遠(yuǎn)程PC，這個(gè)IP地址會(huì)一直保持不變，所以目標(biāo)客戶的IP地址可以確定下來。和傳統(tǒng)的監(jiān)控比較，解決了控制全部串口通信速度慢、通信距離受限、需要PLC有多個(gè)串口的特征。同時(shí)對(duì)在自動(dòng)無線無人值守設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控控制中，不僅能達(dá)到設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)也能最大限度降低用戶運(yùn)行費(fèi)用，更重要的是PLC在運(yùn)行狀態(tài)下，PC端可通過通訊進(jìn)行遠(yuǎn)程模擬運(yùn)行。以實(shí)時(shí)查看其設(shè)備狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文介紹了觸摸屏和機(jī)械手系統(tǒng)的基本構(gòu)架，通過VNC技術(shù)無線控制觸摸屏、PLC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，結(jié)果顯示可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程PLC的固件更新、程序上傳下載、程序監(jiān)控，以及HMI的遠(yuǎn)程模擬運(yùn)行，通過一系列的遠(yuǎn)程操作，大大節(jié)約了設(shè)備的運(yùn)行成本。同時(shí)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在工業(yè)控制應(yīng)用過程中有著非常大的潛力，也可以根據(jù)控制過程中的工步不同，監(jiān)控其工作狀態(tài)。另外，隨著無線網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)一定會(huì)發(fā)揮更大的作用，有著更豐富、更直觀的應(yīng)用，值得我們工控人進(jìn)一步關(guān)注和深入研究。