基于3G技術的印刷設備遠程維護系統的研究

黃正銘，杜寶江，吳恩啟，喬俊偉，過奕君

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海光華印刷機械有限公司，上海 200436）

0 引言

隨著社會需求的日益增加，大型高端印刷設備越來越多地應用到社會生產和生活中。一旦印刷設備發生故障或者設備發生失效，如果不能夠及時排除故障，那么將不僅會給制造企業帶來不可預期的損失，而且還會加大企業的經營風險。因此如何能夠保證設備高效正常的運轉、保證快速排除設備故障和做好故障發生的預警是各大中制造企業管理者工作的重心。

為了保證生產安全，企業管理者會給設備配備專業技術高的維修技術人員、專業的維修設備、供技術人員參考的故障維修資料。這種單一、較為傳統的維修方式不僅耗資巨大，浪費珍貴的人力資源和寶貴的時間，而且效率不高，起不到很好的維修效果。此外延緩了企業的信息化管理升級，不利于提高企業的市場競爭力。

印刷設備的遠程維護監測系統能夠有效地幫助制造企業解決以上的問題。制造領域的遠程監測系統是指通過Internet網絡獲取異地印刷設備的運行參數，然后在本地通過對運行參數的分析，得出結論，最后再通過Internet網絡對遠程的印刷設備進行控制和采取必要的干預。從設備信息快速反饋和設備維修的角度考慮，該系統主要包含三方面內容：高速網絡的搭建、設備數據的采集和維修方案的確定。

1 設備遠程監測系統

1.1 設備遠程監測系統的結構

印刷設備的復雜性、維修人員的技術局限性、維修設備的有限性和維修時間的緊迫性使得遠程設備監測系統需要用一個全新的思路去設計：設備信息反饋及時、異地協同維修、設備維修信息的整理與保存。按照這個思路設計的遠程設備的監測系統結構如圖1所示。

圖1 印刷設備遠程監測系統結構

1.2 設備遠程監測系統各部分的功能

此系統主要由以下四層組成：

1）數據采集層

數據的采集主要是通過采集PLC的數據來進行的。PLC由于其易操作性和穩定性被廣泛應用于現代工業，特別是先進制造領域。

此外PLC還有豐富的擴展接口與外部控制設備進行通訊，基于此監測系統的數據主要是通過RS232/RS485串口電纜或者RJ45以太網口連接外部中繼設備進行采集。主流電氣自動化廠商生產的PLC支持RS232/RS485串口電纜進行通信，也有些廠商的產品支持通過其網絡通信模塊（含RJ45通信口）進行通信，例如三菱Q系列PLC的QJ71E71-100/B5/B2等三種模塊，施奈德Twido系列PLC也包含以太網模塊。這些都為系統數據傳輸的組網方式提供了豐富的選擇。

2）數據傳輸層

數據傳輸層主要包括數據中繼和數據傳輸模塊。該模塊主要依托于3G網絡來進行數據的傳輸，3G無線互聯網技術突破了傳輸速率的限制，一般可以達到2M～3.1Mbps,可以滿足對大量數據進行傳輸的要求，很好的保證了數據傳輸的安全和及時，與傳統的GPRS/CDMA無線通信網絡相比，大大減緩了時間的延遲[2]。數據中繼模塊和數據模塊主要用于將采集的PLC數據傳輸給3G網絡終端模塊，該模塊內嵌TCP/IP協議，可以將接收到的PLC數據進行IP打包，經過3G網絡傳輸給遠程的制造企業監控中心的數據接收模塊。

圖2 PLC數據分析框圖

3）數據接收層

數據接受層主要用于接收遠程PLC數據，PLC的數據傳輸協議遵循MODBUS通信協議。MODBUS工業通信協議是國際上通用的關于工業控制器的網絡協議的一種，它提供了一個控制器能夠認識的消息結構。獲得了PLC數據后就要將數據送到數據分析模塊，然后進行相對應的分析，如圖2所示，線圈的狀態值或者寄存器的值是否正確或者超出值的范圍，如不正確去經驗數據庫中查找原因，如果找不到原因，操作者就要向專家請教，得出解決方案，并且將解決方案存放至數據庫。

4）數據反饋層

數據反饋層是將RDL得出的解決方案的具體實施方法，反饋至遠程的現場設備端。首先將實施方法的按照MODBUS協議的消息格式編寫成MODBUS命令（MBC，ModBus Command），然后通過Internet網絡，將數據發送至遠程的現場設備，以達到在線維護的目的，具體如圖3所示。

圖3 PLC數據傳輸框圖

2 設備遠程監測系統各功能的關鍵技術

2.1 遠程終端的數據傳輸

對遠程現場設備運行狀態數據的傳輸是通過含有3G無線互聯技術數據傳輸裝置的模塊。本系統中3G無線互聯網技術采用的是由我國所制定的3G標準—TD-SCDMA（時分同步碼分多址）。3G技術的主要優點是能夠極大地增加系統容量，提高通信質量和數據傳輸速率。

中興、華為等通訊公司都有支持3G無線數據終端模塊，該模塊能夠接入擁有TCOIP協議的Internet網絡，用戶通過設置一些簡單的參數就可以直接通過RS232/RS485串口電纜進行數據傳輸。該模塊具有客戶機功能，能夠主動請求TCP連接遠方的服務器中心進行通信。在每一個這樣的無線終端中安裝一個UIM芯片，該芯片主要是通過電信運營商提供相關的數據業務，還可以對該芯片進行設備ID號碼。該ID號碼就是該數據模塊的唯一標識，同時還是服務器中心與現場流水線設備進行通信的唯一標識。

2.2 監控中心數據的接收

遠程PLC數據接收的程序設計是應用基于TCP/IP協議的套接字進行接收的。在監控中心服務器端主要用到了多線程技術和套接字技術，打開監聽程序，當有遠程的通信設備有請求時，就將記錄下該通信設備的設備ID，同時新開一個線程，本線程專門用于接收遠程通信設備的PLC數據和本地給遠程通信設備的反饋，如圖4所示。

圖4 遠程服務器接收PLC數據結構

2.3 經驗數據庫的設計與協同共享

每一個現場設備的維護方案都要存入到數據庫中，這不僅是企業的寶貴經驗，這明顯有利于其他的技術人員進行借鑒和參考，而且還相當于為每臺機器都建立了“個人病例”檔案，如果該臺設備維修的頻率大于某個參考值，系統就會預警，給企業以足夠的時間進行設備處理，企業就要考慮該臺設備做進行大修或者報廢等的處理。所以經驗數據的設計與共享是十分必要的。

經驗數據庫的設計主要包括以下幾張表：PurchaserInfo（設備擁有者的信息），該表是用來記錄設備擁有者的一些信息；MaintainRecord（設備的維修記錄），該表主要是用來記錄設備維修的記錄；RemoteEquipment（設備的具體信息），該表主要是用來存儲設備的具體信息；UserInfo（用戶信息），該表記錄了不同權限的操作人員，不同的權限的操作人員可以看不同的數據庫信息；AlarmLog（報警記錄），主要記錄設備的維修次數等報警信息。

不同地域的專家在診治不同的設備時，需要根據自己的權限來遠程登錄系統，這樣就可以通過監控服務器對遠程的設備進行診斷，并且能夠共享經驗數據庫中的解決方案。

3 結束語

本文介紹了一種典型的基于3G無線互聯網技術對遠程印刷設備進行監測的系統的整體框架和模型，并且對各模塊進行了細分和功能概述。與傳統的監測方式相比，該監測系統能夠快速的，高效率的解決設備出現的問題，并且能夠為企業節省大量的財力物力。目前該系統設計思想已經運用在上海光華印刷機械有限公司的印刷設備遠程維護項目中，目前系統運行狀況良好。

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