模擬啤酒生產(chǎn)線可視化中央監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

袁 浩，白瑞峰，房朝暉，楊 博

（天津大學 自動化學院，天津 300072）

隨著科學技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，全面提高自動化專業(yè)大學生的工程素質(zhì)越來越重要，因此高校實驗室的建設(shè)越來越受到重視，尤以PLC在工業(yè)控制應用為背景的實驗室建設(shè)越來越突出。在國外，華盛頓大學［1］、意大利卡塔尼亞大學工程學院［2］等頂尖高校均建立了供學生實驗教學的開放式實驗平臺。國內(nèi)，湖南科學技術(shù)研究所機械工程學院實現(xiàn)了一個遠程PLC實驗系統(tǒng)［3］，華中科技大學設(shè)計了基于PLC的機床控制實驗教學平臺［4］和交通控制實訓裝置［5］。但目前國內(nèi)高校實驗室建設(shè)水平高低不一，還存在一些問題：（1）只搭建了控制層面的實驗臺，缺少系統(tǒng)性和整體性，不便于學生深刻理解控制系統(tǒng)；（2）驗證性實驗與實際生產(chǎn)脫鉤；（3）功能固定，訓練的內(nèi)容單一。

天津大學電氣與自動化實驗中心于2007年與三菱電機自動化（中國）有限公司合作建立了一套基于三菱FA自動化裝置，用于實踐教學的模擬啤酒生產(chǎn)線。該平臺可面向機械制造及自動化、化工自動化裝備以及工業(yè)工程等學生開放，也可作為本科生科技創(chuàng)新和參加相關(guān)科技競賽的活動平臺。該生產(chǎn)線以其靈活開放、可擴展、易于教學又貼近實際等特點受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能設(shè)計

按照啤酒生產(chǎn)線的實際工藝流程，本系統(tǒng)包括釀造和灌裝兩條子線結(jié)構(gòu)，如圖1所示。釀造部分包含制麥、糖化、過濾、發(fā)酵、熟化、殺菌和儲存分部；灌裝部分包含理瓶、清洗、灌裝、封蓋、金檢、貼標、裝箱、移載和入庫分部。學生可在每個分部按照工藝要求獨立完 成相應功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為系統(tǒng)實現(xiàn)啤酒灌裝生產(chǎn)線的自動、高效運行，提高生產(chǎn)線的自動化水平，提高生產(chǎn)效率和可靠性，對啤酒灌裝模擬生產(chǎn)線設(shè)計含視頻監(jiān)控、組態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)庫管理功能。

（1）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。分析啤酒生產(chǎn)的工藝與生產(chǎn)線運行情況，對重點視頻監(jiān)控點建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并設(shè)計視頻服務器和遠程視頻監(jiān)控客戶端。

（2）組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。通過以太網(wǎng)技術(shù)，將現(xiàn)場的信息與工控機的組態(tài)進行通信連接，實現(xiàn)對現(xiàn)場信息的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。

（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。通過SQL server 2005數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行實時更新、查詢等操作。為增加數(shù)據(jù)對管理層的共享，建立遠程的數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，可以允許遠方管理者通過互聯(lián)網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)庫。

2 中央監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

中央監(jiān)控系統(tǒng)的計算機通過交換機、根據(jù)設(shè)定的IP地址分別遠程監(jiān)控釀造和灌裝部分，控制系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)層和控制設(shè)備層的結(jié)構(gòu)形式。（1）網(wǎng)絡(luò)層采用以太網(wǎng)實現(xiàn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)與主站PLC的信息交換，對各分部設(shè)備控制系統(tǒng)進行監(jiān)控；（2）控制設(shè)備層負責統(tǒng)一設(shè)計，本地站PLC完成各分部的控制任務，采用CC－Link現(xiàn)場總線技術(shù)連接控制設(shè)備層，將各個獨立的部分組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，由主站PLC實現(xiàn)與本地站的信息交換。

整個啤酒生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)和CC－Link現(xiàn)場總線相結(jié)合的通信方式，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。中央監(jiān)控系統(tǒng)計算機通過交換機與釀造線主站（制麥分部）和灌裝線主站（理瓶分部）上的以太網(wǎng)模塊相連。每條子生產(chǎn)線都有一個主站，站號為0，其他站為本地站［6］。主站除完成本部分的控制外，還負責CC－Link現(xiàn)場總線系統(tǒng)管理、各部分之間信息通信與協(xié)調(diào)，并由以太網(wǎng)模塊，通過對相關(guān)IP地址、端口號等通信參數(shù)的設(shè)置和通信協(xié)議的選擇，經(jīng)交換機與中央控制系統(tǒng)的PC機實現(xiàn)通信。本地站作為該部分的控制器完成該分部的工藝控制要求。

3 遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括視頻采集部分、服務器視頻數(shù)據(jù)處理部分和客戶端。考慮經(jīng)濟成本和工況需求，在釀造中的制麥、發(fā)酵、灌裝中的理瓶和立體庫這4個關(guān)鍵部分安放置了攝像頭以采集視頻。建立視頻監(jiān)控服務器，客戶端可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對視頻服務器的訪問，以調(diào)取監(jiān)控畫面。

視頻服務器主要對攝像頭采集的經(jīng)H.264編碼視頻數(shù)據(jù)進行處理，將處理后的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至終端用戶。該部分還對處理后的視頻進行存儲并周期性的清除，同時對用戶的認證登錄、視頻數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則等進行定義，為用戶提供較好的視頻監(jiān)控效果。監(jiān)控終端部分主要對H.264數(shù)據(jù)幀進行解碼，播放解碼后的視頻圖像，同時可控制攝像機云臺。

圖2 中央監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖3為立體庫部分的客戶端播放畫面，系統(tǒng)框架采用VC＋＋編程，采用JSON格式［7］傳遞參數(shù)。視頻數(shù)據(jù)的接收采用經(jīng)典的“生產(chǎn)者／消費者模型”，數(shù)據(jù)接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)進行解析后存入緩沖區(qū)，解碼線程讀緩沖區(qū)中的視頻數(shù)據(jù)，對視頻數(shù)據(jù)進行解碼播放。為了在多用戶登錄時不影響視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋蛻舳酥噶畹慕换ズ蛿?shù)據(jù)的傳輸使用不同的端口。

圖3 立體庫監(jiān)控調(diào)整畫面

4 基于MCGS監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

當今廣泛應用的組態(tài)軟件有Intouch、組態(tài)王、力控、MCGS和 Wincc等［8］。MCGS具有易操作、系統(tǒng)維護性強、可靠性高等特點，廣泛應用于石油化工、環(huán)境監(jiān)測、機械制造等領(lǐng)域［9］，因此本系統(tǒng)選用 MCGS組態(tài)軟件。

4.1 MCGS、PLC與互聯(lián)網(wǎng)通信

在網(wǎng)絡(luò)層應用三菱QJ71E71以太網(wǎng)模塊連接中央監(jiān)控系統(tǒng)PC機與主站的PLC，通過UDP／IP或TCP／IP通信協(xié)議實現(xiàn)計算機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)與生產(chǎn)線之間的數(shù)據(jù)通信［10］。圖4所示為應用以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)外部PC機與主站PLC CPU的通信示意圖，為避免網(wǎng)絡(luò)延時而造成通信失敗，選用UDP／IP協(xié)議。

MCGS與互聯(lián)網(wǎng)的通信是基于以太網(wǎng)和TCP／IP協(xié)議。本系統(tǒng)選用可作為服務器的 MCGS6.2網(wǎng)絡(luò)版，訪問模式采用B／S模式。與傳統(tǒng)C／S模式相比，無需設(shè)計客戶端軟件，增強了訪問的通用性。如圖5所示，在互聯(lián)網(wǎng)上的任意一臺計算機均可通過IE瀏覽器登錄本系統(tǒng)組態(tài)服務器。客戶端只需安裝標推的瀏覽器，無需安裝MCGS的相關(guān)軟件，系統(tǒng)維護方便，升級容易。

4.2 MCGS的控制與監(jiān)控功能

根據(jù)各個部分的實際情況設(shè)置動畫，將按鈕和虛擬傳感器與各個本地站PLC軟元建立連接通道，通過組態(tài)界面控制系統(tǒng)啟停，改變系統(tǒng)運行狀態(tài)，調(diào)整電機正反轉(zhuǎn)。用戶可根據(jù)組態(tài)環(huán)境反饋的信號操作整個生產(chǎn)線，實現(xiàn)在計算機上操作按鈕完成整個灌裝系統(tǒng)的啟停、監(jiān)測以及故障初步分析與排除。雖各部分工藝不同，但各部分設(shè)計具有一致性，因此下面以立體庫和金檢為典型代表進行介紹。

圖4 以太網(wǎng)模塊與外部PC機進行通信示意圖

圖5 基于B／S模式的遠程監(jiān)控畫面

圖6為立體庫組態(tài)圖，根據(jù)物流系統(tǒng)實際情況設(shè)計相應組態(tài)界面。管理人員可通過組態(tài)界面遠程觀察物流現(xiàn)場各個傳感器狀態(tài)、傳送帶、交流電機與伺服電機運轉(zhuǎn)狀況。設(shè)計故障報警警示燈，當傳送帶卡貨時，警示燈亮，提醒管理員配合視頻監(jiān)控判斷卡貨部位及維修方法；若管理員10min內(nèi)未解決該問題，則中央監(jiān)控系統(tǒng)可自動控制電機反轉(zhuǎn)10s后再正轉(zhuǎn)以嘗試排除該問題，從而防止貨物堆積阻礙物流線的正常運行。

圖6 立體庫組態(tài)圖

圖7為金檢分部伺服電機1的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)及曲線、歷史數(shù)據(jù)及曲線。橫坐標為時間，縱坐標為伺服電機偏離機械原點位置的脈沖數(shù)，脈沖數(shù)反應伺服電機的定位的位置。由圖7中實時數(shù)據(jù)曲線可清晰地監(jiān)控該伺服電機1在一次抓放瓶動作中的兩次升降運動。通過歷史數(shù)據(jù)曲線可查詢該伺服電機1在系統(tǒng)運行過程中的完整狀態(tài)。

圖7 金檢分部伺服電機1實時狀態(tài)數(shù)據(jù)及曲線、歷史數(shù)據(jù)及曲線

5 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)后，為實現(xiàn)系統(tǒng)大量的數(shù)據(jù)保存及科學的管理，選用SQL Server 2005進行數(shù)據(jù)的管理和優(yōu)化。

按照不同部分在SQL server 2005中建立［11］相應的表，存儲各部分的產(chǎn)量、電機運轉(zhuǎn)情況、各部分報錯內(nèi)容、數(shù)量及時間。通過參數(shù)設(shè)置、腳本程序編程進行數(shù)據(jù)的提取，完成數(shù)據(jù)庫和組態(tài)的連接［12］。MCGS數(shù)據(jù)連接到SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，把源存盤數(shù)據(jù)記錄按指定的時間間隔分組，將MCGS的數(shù)據(jù)提取出來；在運行策略窗口中添加數(shù)據(jù)提取策略；在數(shù)據(jù)來源選項卡中選擇出MCGS存儲該數(shù)據(jù)組的源數(shù)據(jù)庫文件，然后在數(shù)據(jù)選擇選項卡中選擇需要提取的數(shù)據(jù)對象，在數(shù)據(jù)輸出選項卡中選擇數(shù)據(jù)保存到的在SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫中對應的數(shù)據(jù)表，在時間條件選項卡中選擇數(shù)據(jù)的時間列名，在提取方式選項卡中對數(shù)據(jù)有不同的提取方式，對每組數(shù)據(jù)分別進行處理并且設(shè)置提取的時間間隔。處理結(jié)果作為一條記錄提取出來保存，完成從原始存盤數(shù)據(jù)中提取有用數(shù)據(jù)的任務。

為保證數(shù)據(jù)的安全管理，對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行權(quán)限管理，數(shù)據(jù)庫采用spring＋hibernate的框架結(jié)構(gòu)，Tomcat作為Web服務器，應用JSP技術(shù)，以SQL Server2005作為關(guān)系數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建一個以查新功能為主要功能的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的用戶權(quán)限和功能如圖8所示。用戶分為管理員和普通用戶。管理員負責整個管理信息系統(tǒng)平臺的維護，以及對系統(tǒng)信息的更新及排除故障，擁有對數(shù)據(jù)的查詢、增加、刪除、修改功能。一般用戶只是具有瀏覽功能的用戶。

圖8 管理系統(tǒng)不同用戶權(quán)限設(shè)置

6 結(jié)束語

本文按照具有模塊化、多功能、柔性、互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控及e－F＠ctory的理念，利用PLC技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫對實驗室啤酒生產(chǎn)線進行了設(shè)計改造，從設(shè)備層、控制層、以太網(wǎng)層和管理層對系統(tǒng)進行了規(guī)劃。在e－F＠ctory的理念指導下，建立了一套可視化中央監(jiān)控的系統(tǒng)，包括自主構(gòu)建的服務器、視頻與組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了模擬啤酒灌裝生產(chǎn)線的自動化運行，遠程監(jiān)控和對數(shù)據(jù)的處理、查詢，對故障的預警及初步自動處理等可視化設(shè)計。將可視化技術(shù)引進到具有工程應用背景的模擬啤酒生產(chǎn)線的實驗教學平臺中，豐富了學生的實驗內(nèi)容，進一步提高了實驗教學平臺的智能化與自動化程度。

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