基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的加快，企業(yè)需要大量的懂工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字工匠人才。針對(duì)現(xiàn)有工業(yè)自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)裝置無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)字化技術(shù)教學(xué)、信息化素養(yǎng)培養(yǎng)以及無(wú)法遠(yuǎn)程控制管理等問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用智能網(wǎng)關(guān)，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，采集以PLC為控制核心的自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)裝置的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和決策分析，從而達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生掌握邊緣側(cè)設(shè)備安裝接線(xiàn)、設(shè)備組網(wǎng)調(diào)試、網(wǎng)關(guān)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集分析及上云等技術(shù)技能目標(biāo)，以提高數(shù)字工匠人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；PLC控制器；數(shù)據(jù)采集；智能網(wǎng)關(guān)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在傳統(tǒng)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型需求驅(qū)動(dòng)下，以泛在互聯(lián)、全面感知、智能優(yōu)化、安全穩(wěn)固為特征的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。高職自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)的數(shù)字工匠主要從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)施、服務(wù)應(yīng)用和運(yùn)行維護(hù)等工作，涉及的典型工作崗位主要包括工業(yè)網(wǎng)絡(luò)工程師、工業(yè)數(shù)據(jù)采集工程師、工業(yè)邊緣計(jì)算實(shí)施工程師、工業(yè)控制系統(tǒng)安全工程師等［1］。

現(xiàn)有的工業(yè)自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置主要停留在設(shè)備層、控制層和監(jiān)控層，即通過(guò)PLC編程控制氣動(dòng)系統(tǒng)、指示燈、各種電機(jī)、機(jī)器人等設(shè)備，利用HMI、計(jì)算機(jī)和仿真軟件等監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集的數(shù)據(jù)、PLC控制器的程序、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等工業(yè)大數(shù)據(jù)無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控、存儲(chǔ)及管理，達(dá)不到學(xué)生數(shù)字化技術(shù)、信息化素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，同時(shí)各實(shí)訓(xùn)裝置之間形成信息孤島，數(shù)據(jù)無(wú)法上傳云共享，也給設(shè)備的管理、維護(hù)帶來(lái)不便。在信息化與工業(yè)化深度融合的今天，工業(yè)數(shù)據(jù)采集在智能制造中扮演著至關(guān)重要的角色，是實(shí)現(xiàn)智能制造目標(biāo)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一［2］。

1 總體方案設(shè)計(jì)

PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在工業(yè)自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)上，利用智能網(wǎng)關(guān)將PLC的輸入輸出信號(hào)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或云端服務(wù)器，為生產(chǎn)管理和決策分析提供有力的數(shù)據(jù)支持，充分體現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，涵蓋了PLC控制器數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程設(shè)備I/O數(shù)據(jù)采集、設(shè)備能耗數(shù)據(jù)采集3個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，可采集PLC、光電傳感器、按鈕開(kāi)關(guān)、溫濕度傳感器、機(jī)械手、電能表、電磁閥等各種類(lèi)型數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)采系統(tǒng)設(shè)備的安裝接線(xiàn)、網(wǎng)關(guān)配置、通信連接以及調(diào)試等任務(wù)的實(shí)施，能使學(xué)生較好地完成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層、控制層、邊緣側(cè)數(shù)據(jù)采集層和云平臺(tái)層的實(shí)踐練習(xí)，可滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)、智能控制技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)技能訓(xùn)練需求［3-4］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能網(wǎng)關(guān)選型

智能網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，幫助用戶(hù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，提高生產(chǎn)效率，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，提高設(shè)備管理的便捷性。Hanyun-Box系列網(wǎng)關(guān)是徐工漢云推出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)智能數(shù)據(jù)采集終端，可以方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程下載和遠(yuǎn)程維護(hù)。該網(wǎng)關(guān)支持350多種工業(yè)協(xié)議接入和絕大部分工業(yè)設(shè)備連接，能夠完成本地?cái)?shù)據(jù)解析，將數(shù)據(jù)推送至云端服務(wù)器，支持邊緣計(jì)算，可在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，支持PLC程序上傳、下載、監(jiān)控以及歷史數(shù)據(jù)本地緩存。

2.2 PLC控制器選型

PLC控制器選擇西門(mén)子1214C DC/DC/DC型號(hào)。它有14路數(shù)字量輸入、10路數(shù)字量輸出和2路模擬量輸入端子，模擬量輸入范圍0～10 V，最大支持284個(gè)本地I/O端子；還具有6路高速計(jì)數(shù)器輸入和4路100 kHz脈沖輸出端子。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)采集的需求，可以添加數(shù)字量擴(kuò)展模塊SM1223、模擬量輸入信號(hào)板SB1231、RS485通信擴(kuò)展模塊CM1241，還支持通過(guò)添加GSD文件軟件組態(tài)FR系列遠(yuǎn)程I/O模塊、RFID、機(jī)器視覺(jué)等設(shè)備，可拓展性強(qiáng)。

2.3 工業(yè)交換機(jī)選型

8口工業(yè)交換機(jī)選擇中科德能科技有限公司的XPTN-9000-65-8TX非管理型百兆8電工業(yè)交換機(jī)，提供8個(gè)10/100M自適應(yīng)RJ45端口，支持12～58 V DC的寬電壓輸入，適配各種工業(yè)電源；16口工業(yè)交換機(jī)選擇TP-LINK三層網(wǎng)管工業(yè)交換機(jī)TL-IS800-16T，提供靈活的全千兆接入和高性?xún)r(jià)比的萬(wàn)兆上行端口，支持三層路由協(xié)議、完備的安全防護(hù)機(jī)制、完善的ACL/QoS策略和豐富的VLAN功能。

2.4 傳感器及電能表選型

物料檢測(cè)傳感器采用歐姆龍E3Z系列漫反射光電傳感器，PNP輸出，檢測(cè)距離不小于100 mm；溫濕度傳感器采用安科瑞WH-3溫濕度傳感器和WHD20R-11控制器，控制器支持2路傳感器接入，可選配RS485通信功能，能輸出DC4-20mA模擬信號(hào)，控制精度為溫度±1 ℃、濕度±5%RH。

電能能耗監(jiān)測(cè)儀表采用安科瑞DDSD1352單相電子式電能表，可測(cè)量電壓、電流、功率等電量，具有紅外通信功能，可選配RS485通信功能，方便用戶(hù)進(jìn)行用電監(jiān)測(cè)、集抄和管理。

2.5 數(shù)采自動(dòng)化設(shè)備選擇

數(shù)據(jù)采集對(duì)象選擇實(shí)訓(xùn)室的汽車(chē)輪轂自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)教學(xué)設(shè)備。該生產(chǎn)線(xiàn)模擬汽車(chē)輪轂的生產(chǎn)工藝流程，主要包括原料出庫(kù)、輪轂加工、車(chē)標(biāo)安裝、顏色檢測(cè)、成品及廢品入庫(kù)等工作程序，涉及按鈕開(kāi)關(guān)、三色燈、氣動(dòng)手爪、光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、傳送帶、絲桿滑臺(tái)、立體倉(cāng)庫(kù)等自動(dòng)化裝置，再配合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)設(shè)備能耗監(jiān)測(cè)等，能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集實(shí)訓(xùn)的多應(yīng)用場(chǎng)景需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制器程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)關(guān)算法建模和邊緣計(jì)算。由于篇幅有限，本文以采集“qidong、tingzhi、fuwei、jiting”開(kāi)關(guān)量、“Temperature、Humidity”模擬量、“QuantityOutput、OnlineDuration、總產(chǎn)量、產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行速度”生產(chǎn)數(shù)據(jù)等代表性數(shù)據(jù)為例進(jìn)行闡述。

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC控制器采用TIA Portal VI6.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)LAD程序。模擬量的采集大多采用RS485通信，本文以溫濕度模擬量采集為例進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)采用基于任務(wù)輪詢(xún)機(jī)制的Modbus-RTU主站通信方式，即PLC要讀取溫濕度儀表的數(shù)值，必須先給儀表發(fā)送一個(gè)讀取數(shù)值的請(qǐng)求，儀表接收到請(qǐng)求信號(hào)，才會(huì)反饋給PLC相應(yīng)的請(qǐng)求數(shù)值。儀表（從站）是不會(huì)主動(dòng)給PLC（主站）發(fā)送它所需要的數(shù)值的。

在博圖軟件中組態(tài)CB 1241 RS485模塊，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位等通信參數(shù)，調(diào)用Modbus功能塊中“MB_COMM_LOAD”“MB_MASTER”指令?！癕B_COMM_LOAD”指令用于組態(tài)端口使用Modbus RTU協(xié)議來(lái)通信；“MB_MASTER”指令允許PLC作為Modbus主站進(jìn)行通信，可以訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)或多個(gè)Modbus從站設(shè)備中的數(shù)據(jù)。溫濕度采集控制程序如圖2所示。

3.2 網(wǎng)關(guān)算法建模

網(wǎng)關(guān)客戶(hù)端xEdge軟件提供內(nèi)部函數(shù)模型和JavaScript自帶的Math Js函數(shù)算子，支持通過(guò)在線(xiàn)編輯器實(shí)現(xiàn)自定義編輯、保存算法模型和新算子功能。本文以生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行效率為例進(jìn)行算法建模。

設(shè)備運(yùn)行效率=合格率×開(kāi)機(jī)率×性能率；

合格率=（良品數(shù)/總產(chǎn)量）×100%；

開(kāi)機(jī)率=（開(kāi)機(jī)時(shí)長(zhǎng)/計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)）×100%；

性能率=（生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行速度/生產(chǎn)線(xiàn)理論速度）×100%；

生產(chǎn)線(xiàn)的計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)3 h；

生產(chǎn)線(xiàn)的理論速度60個(gè)/h；

設(shè)備運(yùn)行效率算法模型設(shè)計(jì)如下：

3.3 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算可以將傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地處理和分析，降低數(shù)據(jù)傳輸延遲和云端服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)傳輸速率和安全性［5］。本文以濕度采集的邊緣計(jì)算為例進(jìn)行邏輯運(yùn)算代碼編寫(xiě)，溫度采集的邊緣計(jì)算與此類(lèi)似，可參照編寫(xiě)。

根據(jù)控制要求，當(dāng)濕度為35%～75%，代表產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行環(huán)境正常；當(dāng)濕度<35%或>75%時(shí)，代表產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行環(huán)境異常，邏輯運(yùn)算代碼如下：

4 系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證

4.1 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接

PLC、遠(yuǎn)程I/O模塊、智能網(wǎng)關(guān)的LAN口連接到8口換機(jī)上，且IP地址要設(shè)在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，即IP地址192.168.0.X的最后一位不同；PC電腦網(wǎng)口、智能網(wǎng)關(guān)WAN口、無(wú)線(xiàn)路由器WAN口連接到16口換機(jī)上，且IP地址要設(shè)在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)，即IP地址172.16.0.X的最后一位不同。所有設(shè)備連接完成后，打開(kāi)電源，網(wǎng)口上的燈亮起表示連接成功。

4.2 智能網(wǎng)關(guān)配置

智能網(wǎng)關(guān)上電、聯(lián)網(wǎng)后，須通過(guò)網(wǎng)關(guān)客戶(hù)端軟件xEdge進(jìn)行相關(guān)配置方可以正常使用。其配置步驟為：首先建立軟件與網(wǎng)關(guān)盒子的連接，設(shè)置完成后重啟設(shè)備使配置生效；其次查看日志信息，日志內(nèi)顯示“盒子登錄服務(wù)器成功”等信息，代表網(wǎng)關(guān)盒子成功登錄服務(wù)器；最后查看網(wǎng)關(guān)盒子運(yùn)行狀態(tài)，連接狀態(tài)綠色代表網(wǎng)關(guān)盒子處于在線(xiàn)狀態(tài)，并且下方顯示盒子當(dāng)前IP信息，至此智能網(wǎng)關(guān)配置成功。

4.3 網(wǎng)關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)添加

通過(guò)漢云網(wǎng)關(guān)客戶(hù)端xEdge完成對(duì)智能網(wǎng)關(guān)的配置后，需要對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行綁定及添加監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，具體操作步驟為：首先在xEdge軟件添加網(wǎng)關(guān)盒子，默認(rèn)分組為“PLCBox”，其次進(jìn)行PLC的添加，最后添加“qidong”“tingzhi”“fuwei”“jiting”“Temperature”“Humidity”等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)添加完成后，頁(yè)面顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的狀態(tài)，綠色表示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)運(yùn)行正常，紅色表示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)超時(shí)，監(jiān)控畫(huà)面如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

在制造業(yè)智能化改造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，高職自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)必須勇?lián)姑?，為地方發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供數(shù)字工匠人才支撐。本文針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可采集總線(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)、I/O數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)等，能夠用于訓(xùn)練學(xué)生掌握數(shù)據(jù)采集方式、邊緣側(cè)設(shè)備安裝、網(wǎng)關(guān)配置、數(shù)據(jù)類(lèi)型匹配等工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識(shí)和技能。

參考文獻(xiàn)

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Design of PLC data acquisition system based on industrial Internet

Abstract： With the acceleration of transformation and upgrading of traditional manufacturing industry， enterprises need a large number of digital craftsmen who understand industrial Internet technology. Aiming at the problems that the existing industrial automation training devices cannot meet the requirements of digital technology teaching， information literacy training and remote control management， a PLC data acquisition system based on industrial Internet is designed. The system utilizes an intelligent gateway to collect dynamic data and operational status data of an automated training device controlled by PLC through industrial network communication protocols， in order to achieve remote control and decision analysis of the equipment. Its purpose is to train students to master technical skills such as edge side device installation and wiring， device networking and debugging， gateway parameter configuration， data collection and analysis， and cloud deployment， thereby improving the quality of digital craftsmen cultivation.

Key words： industrial Internet; PLC controller; data collection; intelligent gateway