物聯網的機械設備遠程監控系統設計

◆任彬 潘維凱 耿欣 姚福江 閆冉 亓鑫

物聯網的機械設備遠程監控系統設計

◆任彬1潘維凱1耿欣1姚福江1閆冉2亓鑫1

（1.山東能源重裝集團魯中裝備制造有限公司 山東 271000；2.泰安佰特瑞流體技術有限公司 山東 271000）

隨著人工智能、大數據、云計算、物聯網技術的出現，我國工業制造領域發生了巨大變化。本文從物聯網技術下的遠程監控技術入手，分析如何設計機械設備遠程監控系統。

物聯網；機械設備；遠程監控系統；設計；立式壓濾機

在固液分離物料生產中，立式壓濾機是主要的生產設備，其廣泛用于化工、食品、醫藥、冶金多個領域，由于立式壓濾機具有產量大、能耗低、人工力少、產品粒度均勻等優勢，可以為后續生產提供有力支持。然而，當前我國臥式壓濾機的更新速度較慢，所配備控制系統自動化程度偏低，導致臥式壓濾機的操作以人工為主，無法實時分析物料變化以及給料粒度，并且當前的臥式壓濾機維修保養較為頻繁，難以實時監控其運轉狀態，一旦出現潤滑不良或者運行過載等情況，容易導致無法進行生產作業。為了提升過濾設備的運行效率，需要設計出一套科學的監控系統。

1 系統設計概況

本系統為物聯網系統，涵蓋了無線通訊、組態軟件和自動控制等板塊，可以形成智能監控立式壓濾機，集中管理，統一調控的信息管理平臺，并且整個監控系統呈現平面化、模塊化、網絡化的結構形式。此外，通過監控中心以及設備監控點，實現了數個PLC分布到現場或者和傳感器連接，可以有效控制和采集監測點的溫度、壓力、油位等數據。該系統可以在監控中心實現遠距離監控，形成可視化人機界面，然后把故障信息發送到移動端，為管理人員快速解除故障提供支持。該系統在實現數據通信、自診斷的基礎上還可以對立式壓濾機的液壓系統、潤滑系統以及各個部件進行監控，以此確保立式壓濾機的良好運行，最大程度降低安全事故發生概率[1]。

2 物聯網技術下遠程監控技術

隨著云計算、大數據等技術的出現，我國的監控技術也得到了有效發展。新時期的遠程監控技術，有效融合了計算機網絡技術以及無線信息傳輸技術，可以滿足實時遠程監控需要，并且遠程監控技術廣泛用于農業生產、機械制造等諸多領域，在滿足圖片、視頻傳輸的同時，通過遠程監控系統，可以對機械設備監督和調控，在最短時間內解決機械設備故障問題，對我國工業制造領域發展影響深遠。

3 系統結構和工作過程設計

立式壓濾機的監控系統包括網絡層、應用層以及感知層。其中，應用層包括了數據庫服務器連接In Touch組態軟件，其作用在于可以實時顯示遠程采集到的報表和數據信息，然后借助移動端收集的故障信息對采集數據實時“交互”和共享，無線通信模塊是連接監控系統的橋梁，可以將傳感器和PLC采集的數據通過GPRS傳輸。感知層包括壓力、溫度、振動等傳感器，PLC其作用在于對壓濾機設備的數據采集和工業控制[2]。

在壓濾機運行過程中，電機驅動液壓馬達帶動驅動輥和導向輥的轉動，隨之帶動濾布裝置驅動；PLC可以控制不同的部件運行，同時還可以對電機的報警信號實時采集；傳感器的作用在于對壓濾機進料時流量、油壓溫度、液壓系統、壓力主軸溫度、傳動軸轉速等信息檢測，然后通過無線模塊將采集到的數據發送出去。本次研究的系統利用無線模塊與PLC通訊，借助以太網協議和傳感器連接，然后把采集的主驅動輥轉速、回油溫度、油缸壓力、入料時物料流量等系統啟停連鎖和模擬信號，通過GPRS傳送到In Touch，實現對組態軟件的監控，還能夠將故障信息上報到管理人員手機中，然后利用手機實時監測不同設備的運行數據。整個物聯網的工作流程系統性較強，具有可靠性，通過相關信息的采集與通訊能夠實時分析立式壓濾機的運行狀態（如表1）。

表1 物聯網監控系統結構

4 系統硬件設計

該系統硬件包括監控站硬件部分以及監控中心硬件部分。監控中心硬件涵蓋了In Touch組態軟件的PC機以及存儲數據的服務器。監控站硬件構造包括設備控制PLC模塊、無線通訊模塊。

設備控制模塊借助PLC達到控制目標，傳統的繼電器—接觸器控制方式接線工作量大，工作環境惡劣，可靠性差，一旦出現故障停工檢修時間長嚴重影響正常生產。而PLC控制系統不但可以很容易地完成邏輯、順序、定時、計數、數字運算和數據處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產機械數字量和模擬量的聯系，從而實現生產過程的自動控制。PLC是一種較為成熟的控制系統，借助微機技術確保整個集成電路相對封閉，結構緊湊并且抗干擾能力強，很少發生故障，此外還具有良好的邏輯運算能力和數據傳輸功能，進而滿足數據處理、過程控制以及通信等具體要求。PLC模塊是監控系統的關鍵部分，能夠為立式壓濾機的安全運行提供支持，利用傳感器作為檢測裝置，把搜集的信息按照相關規律轉化為電信號傳輸，進而對信息存儲處理，并且在監控系統中，可以控制機體振動、驅動輥轉速、油缸壓力、回油溫度、供油溫度、流量進行系統啟停連鎖，同時還能夠結合用戶的具體要求，把給料量、水流量、冷卻水溫等輸入信號進行擴展。整體看來，借助溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器的不同功能，可以集中為數據采集模塊組建出監控系統的感知體系[3]。

無線通訊模塊采用4G網絡，既可滿足通訊要求，并且內置網頁發布功能可以為PLC提供通信協議支持，直接和PLC接口連接把數據采集模塊搜集的多種數據儲存到云服務器。系統通過In Touch組態軟件調用云服務器大數據至監控中心中，進而滿足采集需求。同時能夠對PLC控制系統隨時訪問，對程序監控進行設備維護和發送報警短信。

5 系統軟件設計

（1）PLC控制系統設計

在監控系統中的自動控制PLC發揮出了重要作用，可以對油泵運行狀態、濾板板框的打開合攏、濾布的運行、跑偏以及入料擠壓洗滌干燥等各工藝參數都進行了監控，工作模式各階段可手動控制和自動控制，設計有階段定時器，可實現工作循環計數，采用觸摸屏與PLC 實現數字通信，顯示整個工藝流程，并具有追溯工作參數的能力，采用可編程控制器，靈活的程序設計，保證系統可靠、準確。PLC程序是由一個主程序和多個子程序構成。其中，主程序作為設備的控制程序涵蓋了系統初始化程序、自動轉換程序、運行模式、故障檢測和預警程序，可以對立式壓濾機的作業流程負責。子程序涵蓋了手動和自動兩個子程序，分別管理立式壓濾機的手動控制以及自動控制板塊。其中手動控制主要是操作人員通過現場觸摸屏人機交互操作執行工作，通常在系統維修和檢測中利用，壓濾機處于自動控制狀態下，PLC可以實現自動控制，借助監控中心組態軟件觸摸屏實時顯示相關狀態，還可在故障發生之后通過觸屏按鈕進行遠距離控制。

PLC系統包括自動運行和手動運行兩種模式，通常情況下系統為自動運行狀態，操作人員轉動自動運行開關，如果檢測不到系統故障，輸入點接收到信號之后進入自動運行子程序，隨即進入到自動模式，該模式下包括了油壓下限開關，如果油缸壓力比設定值低，PLC控制程序自動控制電機，可以自動對油缸補壓，實現油壓的恒定。調節到手動開關狀態后，輸入點開始接收信號，隨即進入到手動模式，之后通過觸摸屏虛擬按鈕控制油泵的啟停。

（2）組態軟件In Touch監控系統設計

這是一款人機交互軟件，具有智能化特征，可以為工廠生產和操作人員提供可視化操作界面，能夠快速建立和檢測實時信息、自動化應用，In Touch監控系統的可視化界面開發包括了登錄界面、控制界面、監控界面以及查詢界面。其中，查詢界面和監控界面又包括了不同的二級功能界面，可以對采集的數據顯示，分析故障情況進行報表打印，然后數據傳送到數據庫當中，滿足于操作人員進行數據的查詢需要。同時，該設計系統能夠實時顯示油位、溫度、傳動裝置轉速、各項壓力，尤其是查詢界面，涵蓋了軸承數據庫分析系統以及故障診斷分析系統，為操作人員遠程控制提供了極大便利（如表2）。

表2 In Touch界面結構

在固液分離作業中安全操作十分關鍵，因此需要對安全作業進行監控，In Touch提供了基于用戶等級的安全管理系統，可以結合用戶等級權限允許或者禁止其操作監控系統。通過設置界面優先訪問權，確保系統處于安全運行狀態，具體流程為操作人員點擊登錄按鈕并輸入操作員密碼，成功登錄后會顯示操作員的等級以及權限，以此判定是否允許操作，之后按下配置按鈕，對操作員進行增加、刪減、修改等操作（如圖1）。

6 物聯網下的工程機械遠程監控系統

（1）遠程監控通信功能

在信息技術飛速發展的今天，遠程監控技術得到了極大的發展，在滿足遠程監控需要的同時還可以進行通信，具體說來：在遠程監控系統下可以對網絡信息搜集，然后將機械的運行狀態顯示出來，進而分析設備是否存在故障，在網絡信號較差的地方，也可以利用無線網絡技術進行通信與監控。

（2）多向控制監控中心

在大數據和“云計算”等技術下，遠程監控系統可以成為手機終端，也可以成為計算機終端，具體說來：一方面，在手機功能日益智能化的今天，不僅可以滿足通信需要，還有視頻等多種功能，比如利用手機和車載電腦的遠程監控裝置可以實現監控，然后手機監控中心可以將壓力狀態、行駛信息反饋出來；另一方面，電腦終端的控制中心與移動網絡技術、遠程監控設備的融合，可以通過對電腦的控制實現遠程監控（如圖2）。

圖1 安全登錄界面

圖2 手機監控登錄界面

7 結語

綜上所述，通過分析立式壓濾機監控系統可以發現該系統涵蓋了PLC控制技術、傳感器檢測技術、網絡技術、無線通信技術、組態軟件監控技術，這些技術共同組成了物聯網系統，并借助In Touch人機界面實現可視化操作，能夠滿足自動和手動操作需要，一旦系統出現故障，還可以及時發出警告，實現在網絡環境下的數據接收與共享。整體看來，在物聯網技術的支持下，立式壓濾機可以滿足信息的采集、傳輸與自動控制，可以實現對立式壓濾機的監控與優化配置，顯著提升其工作效率，確保生產安全，因此具有重大意義。

[1]馮挺，杜向黨，郭玉嘉.物聯網云平臺環境下的手機遠程監控系統設計[J].自動化儀表，2020，41（3）：72-75.

[2]孟鵬飛，劉昱芊.水電站啟閉設備遠程智能綜合管理系統設計[J].華電技術，2020，42（2）：33-36，41.

[3]孟帥，仲梁維，陳彩鳳.基于物聯網的機械設備遠程監控系統設計[J].軟件導刊，2018，17（3）：114-116，120.