基于PLC的遠程監控系統研究及實踐

郭 瓊, 姚曉寧, 錢曉忠, 丁 健

(無錫職業技術學院 機器人技術系, 江蘇 無錫 214121)

PLC是設備控制、信息采集和數據通信的主要技術手段,是工業控制系統的核心。PLC可通過自帶的通信接口,或借助通信模塊、協議轉換器等方式與其他智能設備和系統集成,還可通過互聯網或智能網關與云服務器連接,實現網間設備的信息共享和交互,獲取故障信息和報警通知,實現遠程運維；它代表了面向未來的通用工業控制器技術平臺,是智能制造的核心和智能工廠的關鍵環節[1-3]。

本文依托當前智能制造領域中主流的控制技術和網絡平臺,研究基于PLC遠程監控系統的特點并開發相應的實踐案例,以期將快速發展的網絡控制與物聯網技術等知識引入教學,助力專業學習內容與企業需求無縫對接[4]。

1 遠程監控系統

基于B/S(Browser/Server)模式的遠程監控系統客戶端統一采用瀏覽器技術,并將系統功能實現的核心部分集中到服務器上,簡化了系統的開發、維護和使用,因此得到了廣泛的使用[5]。圖1為基于B/S模式的遠程監控系統結構。中間件是用于將不同協議的設備或系統與Web服務器信息渠道打通的軟件平臺。瀏覽器接受用戶的請求并提交給Web服務器,Web服務器從數據服務器中獲得數據或寫入數據,并將結果送回發出請求的瀏覽器端呈現給終端用戶[6]。

圖1 基于B/S的遠程監控系統結構

目前常用的基于B/S模式的PLC遠程監控系統可以采用組態軟件、具有Web功能的控制器及云服務器等方法實現。

2 基于組態軟件的遠程監控

2.1 系統結構

組態軟件是數據采集與監控的專用開發軟件,是連接PLC和上位機的紐帶,可提供多種協議，實現與控制設備或智能裝置的無縫對接。隨著遠程監控的發展,組態軟件提供Web網頁發布功能已成為基本配置,例如Siemens公司的Wincc Web Navigator、GE公司的iFIX Webspace等都為自己的產品提供了Web發布組件。遠程監控系統結構見圖2。

圖2 基于組態軟件的遠程監控系統結構

Web服務器通過組態軟件提供的通信驅動程序與現場設備通信,獲取運行數據,并通過組態軟件編輯界面、設置用戶操作權限、進行Web頁面發布,實現PLC系統的遠程監控、報警、歷史數據查詢、報表生成打印等功能。這種遠程監控系統軟件集成度高、兼容性好,為操作人員提供了“搭積木”的靈活組態方式,可快速構建控制系統監控功能[7],但客戶端需要安裝相應的插件,且主要針對Windows系統用戶。

2.2 實踐案例

本例通過采用Wincc組態軟件及其Web網頁發布功能,對我校實驗室多套控制系統及智能工程中心某一生產單元設備狀態、運行參數及數據進行遠程監控,并應用于教學演示和遠程助學。用戶可通過IP地址及登錄密碼在遠程終端實現登錄,系統操作界面見圖3。如單擊“基于PID的乒乓球控制系統”項目界面中的進入按鈕“go”,則進入該項目運行界面,如圖4所示；可在線設置乒乓球位置、系統PID參數,實時觀測系統運行情況。

圖3 遠程監控實訓系統操作界面

圖4 遠程監控界面

由案例可見基于組態軟件的遠程監控系統界面友好,控件資源豐富,實現方法簡單；但需要采用專門的PC機作為服務器。

3 基于PLC Web服務器的遠程監控

3.1 系統結構

隨著控制系統聯網的需求和軟硬件標準化的發展,新一代的PLC帶有明顯的IT特征和系統開放的特點[8],不僅PLC通信功能增強,而且本體內直接植入Web Server、OPC UA Server等功能。

將Web服務器嵌入到PLC中,這一技術將信息技術領域B/S結構引入自動化系統,客戶端通過瀏覽器進行系統診斷和監視,使信息交互變得更為方便。該系統結構見圖5。利用PLC內嵌入的Web服務器功能,可設置遠程服務功能、操作權限、操作密碼等。

圖5 基于PLC內置 Web服務器的遠程監控系統結構

這種遠程監控系統利用編程軟件自帶功能,且在操作終端無需安裝插件,可支持多種瀏覽器軟件,并通過PC機、手機等終端設備訪問PLC系統開放的數據或參數；但對CPU本體的要求較高,除了管理 TCP/IP 棧和Web 服務器外,還要考慮PLC的性能[9]。

3.2 實踐案例

本例采用S7-1500 PLC控制變頻器,實現電機轉速控制。用戶可在PLC屬性中選擇啟用Web服務器功能,見圖6。西門子所有帶有PN口的SIMATIC S7-300/400,S7-1200/1500 CPU或者配置了CP卡的SIMATIC S7-300/400PLC均支持Web服務器功能。

圖6 啟用并設置PLC Web服務器

啟用PLC的Web服務器功能后,將系統硬件配置、程序功能塊下載至CPU；系統運行后就可通過Intranet或Internet實現對PLC系統的遠程監視控制、故障診斷等。

圖7為從PC終端登錄查詢PLC系統歷史操作情況及事件詳情；圖8為從手機終端錄陸查詢控制電機轉速的變頻器運行狀態；圖9為通過遠程終端獲得的電機運行狀態監控界面。如果需要通過外網使用PLC遠程監控功能,需要配置路由器的UPNP功能,實現內網設備端口號到外網IP端口的映射關系。

圖7 系統歷史操作查詢界面

圖8 基于手機終端的變頻器狀態監控

圖9 電機運行狀態

由此案例可見,進入遠程操作界面,用戶可直接使用PLC Web服務器提供的診斷緩沖區、消息、運動控制診斷等選項,查看系統操作及報警信息等；也可自行定制變量表、監控界面及上傳下載用戶文件、CPU運行日志等，且系統實時性好、實現遠程監控成本低。

4 基于云服務器的遠程監控

4.1 系統結構

以智能服務為核心的數字化服務、遠程診斷、大規模定制化生產等理念和經營模式逐漸滲透到制造業的各個環節[1],許多公司或單位自主研發智能網關,并提供配套的云平臺服務。該系統架構見圖10。

圖10 基于云平臺的遠程監控系統架構

智能網關是現場設備及控制系統與云服務器通信的橋梁,支持多種工業協議[10],可連接多臺現場設備或控制器進行數據采集,并通過Wi-Fi、GPRS等無線傳輸技術，將信息傳送至云服務器；云服務器是在Web應用系統基礎上為用戶提供各種定制和二次開發需求,用戶可根據需求采購數據網關和云平臺服務。

這種遠程監控系統是未來監控發展的方向,服務商提供設備聯網技術和大數據服務平臺,用戶通過PC機、移動終端APP等方式獲得現場數據、故障信息和報警通知等服務。

4.2 實踐案例

本例采用S7-200 PLC控制電機運行,通過光電編碼器實時獲取電機的運行速度，并反饋給PLC控制器,形成電機轉速的閉環控制。PLC與智能網關通過Modbus RTU協議通信,智能網關由所選擇的云平臺服務商提供。圖11和圖12分別為采用PC終端遠程監控電機運行狀態和查詢電機歷史運行速度曲線；也可進入“數據讀寫”界面遠程操控電機狀態及修改電機轉速給定值；還可進入“報警記錄”界面查詢歷史報警記錄等信息。

圖11 遠程實時數據監控

圖12 電機轉速歷史數據查詢

由案例可見,現場智能網關借助無線網絡將采集到的PLC系統數據傳輸至云端服務器,用戶根據自身需求設計系統遠程操控變量及報警信息等模塊。比如當電機轉速高于限制值時,可通過編寫報警信息使運維人員借助PC機或手機短信等方式接收到相應報警通知；也可在線打開設備遠程故障診斷頁面,通過查看設備運行歷史數據,分析故障原因,還可結合現場視頻,實現遠程遙控排除故障等。

基于云服務器的遠程監控系統無需購置IT硬件,具有多樣化的數據統計、數據分析、運行決策等功能,可為企業或行業提供“積累和共享”的專家知識庫,且數據在云端,使用方便,無需備份。

5 結語

PLC系統遠程監控的實現為技術人員實時掌握控制系統設備狀態及主要參數指標、利用專家知識庫對設備問題預警或預案處理提供了便利[11]，特別是云平臺的發展和應用,不僅為異地資源共享和遠程運維提供了新的模式,而且可利用其強大的數據處理和分析能力,實現對遠程系統的在線診斷、性能優化,提升企業管理水平及管理效率；為下一步采取基于知識經驗管理、故障預測和人工智能等策略提供基礎數據。

PLC正在融合網絡、數據分析、云計算等前沿技術,將主流的PLC遠程監控系統引入專業教學,為專業課程增加網絡控制案例和拓展物聯網技術知識；通過遠程操控PLC實訓系統,可擴展多媒體教學內涵,增加課堂教學內容的可視化與直觀化,并可減少新設備、新技術應用的投資,緩解實驗設備臺套數少、實驗室空間不足或實驗經費不足等困難。