流程自定義的工業數據監控系統設計與應用

胡文強　胡建鵬　張彭明　薛斌　賴羅斌

摘要：為解決在5G環境下工控系統在數據采集與回送部分的設備兼容性問題，以及在數據可視化方面缺少靈活性與定制性的問題，設計了面向多變需求自定義生產流程的數據監控系統。該系統通過采用物聯網技術實現了設備狀態監控的基礎功能，同時開發了設備兼容性良好的5G智能邊緣網關中間件;對SVG-Edit開源項目進行了二次開發，使系統具有靈活部署工控場景的功能。該系統為工業互聯網的應用服務提供了新思路。

關鍵詞：工業互聯網;數據采集;可視化;SVG技術;狀態監控

【Abstract】Inordertosolvetheproblemofequipmentcompatibilitybasedon5Gindustrialcontrolsystemindatainteraction，aswellasthelackofflexibilityandcustomizationindatavisualization，acustomizedproductionprocessdatamonitoringsystembasedonever-changingrequirementsisdesigned.ThesystemrealizesthebasicfunctionsofdevicestatusmonitoringbyusingInternetofThingstechnologyanddevelops5Gintelligentedgegatewaymiddlewarewithgooddevicecompatibility.ThesecondarydevelopmentofopensourceprojectSVG-Editenablesthesystemtoflexiblydeployindustrialcontrolscenarios.ThesystemprovidesafirmtheoreticalfoundationandreferencevalueforindustrialInternetapplicationservice.

【Keywords】industrialInternet;dataacquisition;visualization;SVGtechnology;statemonitoring

作者簡介：胡文強（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向：多元信息融合、室內定位;胡建鵬（1980-），男，博士，副教授，主要研究方向：軟件工程、數據挖掘、云計算。

0引言

隨著5G技術的商用落地，以物聯網為代表的新興技術快速取得突破，為未來工業領域的發展帶來了新的機遇，以工業互聯網為核心的第四次工業革命正在迅速推進。工業互聯網系統構建了一種云邊協同的工業數據采集和分析應用的服務體系，同時對企業內部的各工業制造系統，如MES、ERP與PLM等進行邏輯上的智能控制，實現了整個工業生產過程的自動化執行，工業控制系統正在向網絡化、集成化與智能化方向發展[1]。

基于B/S的工業監控系統具有便捷的開發、維護與使用流程，系統平臺主要將其核心功能集成在服務器端，目前得到了較為廣泛的使用。李勃良[2]提出了一種基于PLC和工業現場總線技術的電力監控系統解決方案，根據船舶電力應用場景，實現了對系統電力參數的監控。馮金金等人[3]設計并提出了一種基于工業互聯網的數控機床數據采集平臺，實現遠程感知、實時監測和功能動態擴展。侯一鳴等人[4]利用物聯網技術實現了對選礦設備運行實時數據的感知與監測，并且提出了基于物聯網和工業云的選礦設備狀態監控系統。趙炯等人[5]提出了一種面向工業應用的通用遠程數據采集器設計方案，引入了基于Web服務器與數據庫的實時配置功能，滿足了工業上對數據采集系統擴展性與靈活性的需求。高慧慧等人[6]構建了4種新型可視化工具，包括基于信息融合的解釋結構模型、層次高密度報警圖、層次優先級色彩圖、性能水平趨勢圖，實現了報警與評估的系統功能。

上述研究對系統的實時性、跨設備以及可視化等方面進行了探討，但數據采集方面沒有較好地考慮設備兼容性問題，在數據可視化應用上靈活性差，面對工業生產環境復雜多變的需求，不能為工程業務提供適應性良好的平臺搭建效果。為此，本文采用了基于云服務器的遠程監控系統，通過物聯網技術，實現對PLC設備的遠程監控管理，能夠提供在線監控、故障及數據查詢、分析、統計功能。5G智能邊緣網關部分開發了能兼容多種下層設備的系統中間件，同時對開源項目SVG-Edit進行了二次開發，能為用戶提供快速構建工控系統監控功能的通用軟件服務。

1數據監控系統的設計

基于B/S模式的PLC遠程監控系統有3種常見實現方式：組態軟件、有Web功能的控制器和云服務器[7]。其中，組態軟件是一種能夠進行數據采集與監控的專用開發軟件，實現了與控制軟件及智能裝置的無縫對接;基于PLCWeb服務器的遠程監控系統將Web服務器內嵌到PLC中，使信息交互變得更加便捷;基于云服務器的遠程監控系統以智能網關作為現場設備及控制系統與云服務器通信的橋梁。本文采用了基于云服務器的遠程監控系統，其系統結構如圖1所示。

系統可分為3層結構，分別是：感知控制層、網絡通信層與應用服務層[8]。對此擬做闡釋分述如下。

（1）感知控制層。由傳感器終端和控制器終端組成，其中傳感器終端主要對環境參數進行采集并上傳給上一層結構，控制器終端的主要作用是對現場設備進行控制。

（2）網絡通信層。通常由智能網關與平臺服務器組成，是系統數據的重要傳輸通道，其中智能網關具備工業協議解析、數據過濾和分發等核心功能，可支持多種主流工業協議，向下兼容不同的現場設備與控制器，能通過5G、Wi-Fi等無線傳輸技術，將信息傳送至云服務器。

（3）應用服務層。是流程數據監控系統實現人機交互的關鍵部分，也是系統數據傳輸的最上層，應用服務層的設備可通過網絡連接平臺服務器，再由平臺服務器與智能網關進行信息交互。

2數據監控系統關鍵技術

2.1智能邊緣網關

5G邊緣網關具備工業協議解析、數據過濾和分發等核心功能，同時具有跨平臺、易使用和二次開發等特點。系統適配多種接入和協議轉換，具有較強的下層設備與上層服務的兼容性。

智能網關的系統中間件驅動程序可以通過Modbus、SiemensSnap7以太網套件以及OPCUA等方式收集PLC數據，并通過UDP協議將數據發送給MQTT客戶端，MQTT客戶端再通過MQTT協議將數據上傳至代理服務器。最終，用戶通過訂閱方式接收PLC數據，從而實現對PLC的監控。智能網關數據流如圖2所示。

2.2服務器系統

服務器系統在云計算設施的基礎上進行數據分析處理后發布對應的應用服務，系統主要包含2個部分：實時數據庫與Web服務器。這里將對此展開研究論述如下。

2.2.1實時數據庫

實時數據庫是指對數據和事務都具備顯式實時限制的數據庫系統，使用時序約束來表示數據在一定范圍內的有效值，能實時處理狀態不斷變化的工作負載，并保持數據一致性，同時為上層系統提供數據支撐服務。實時數據庫需要滿足對數據信息進行采集、指令下發、報警及數據處理等操作的實時要求。

工業監控系統實時數據庫總體框架如圖3所示。由圖3可知，除了實時數據庫以外，系統還包括數據采集模塊、數據處理模塊及應用程序接口模塊[9]。其中，數據采集模塊負責對現場設備進行數據采集與控制指令的回送;數據處理模塊主要處理業務數據，具體包含了實時數據處理、報警處理與歷史數據處理;應用程序接口模塊作為數據的最上層，主要負責數據調用與控制命令的傳輸。

2.2.2Web服務器

系統采用了Node.js技術進行Web后端開發，Node.js是一個封裝了GoogleV8引擎、基于ChromeJavaScript運行時的平臺，用于方便地搭建擴展性良好、響應速度快的網絡應用。Web服務器同時包含了MQTT代理服務器。

2.3前端可視化系統

應用服務層主要將設備管理系統通過在工業云上進行部署來完成狀態監控系統的服務化，同時提供實時狀態檢測服務、運行統計分析服務、故障/異常工況報警服務、自定義畫面生成服務、在線故障診斷服務，以及其他的應用服務等。

2.3.1SVG-Edit

SVG是一種基于XML的具有可伸縮性的矢量圖形技術。利用SVG中各種不同對象，以及相應的腳本程序，就能實現工控系統可視化圖形的繪制與動畫功能[10]。

本文對工控系統常規可視化效果進行了總結分析，如圖4所示，同時對SVG-Edit進行了二次開發，對生成的圖形進行動畫事件綁定，主要包含8種動畫類型，分別為：文字動畫、顏色動畫、圖形顯示與隱藏動畫、填充動畫、位置動畫、伸縮動畫、旋轉動畫以及點擊事件的添加。

2.3.2vue-element-admin

Vue.js是一套用于構建用戶界面的漸進式框架，可自底向上逐層進行應用開發。vue-element-admin則是基于Vue的一個后臺前端解決方案，具有動態路由，權限驗證等基礎功能，提煉了典型的業務模型，其效果圖如圖5所示。

3數據監控系統的開發與應用

3.1系統演示

基于上述研究內容，利用物聯網數據采集技術和微服務架構對狀態監控系統進行了設計和開發。系統部署在阿里云上，并進行平臺的運維和應用服務的實時監控等。系統主要包含了系統管理、數據管理、畫面布局、圖形畫面四個部分，如圖6所示。

3.2系統驗證

應用系統平臺完成了狀態監控系統的初步驗證，系統采用Siemens的S7系列PLC設備做測試。PLC與5G智能邊緣網關通過ModbusRTU通信協議進行信息傳輸。由結果可知，智能邊緣網關能夠通過5G網絡將采集到的數據傳輸到云端，利用二次開發后的SVG-edit，用戶可自行增添系統功能來滿足定制化的需求，如增添系統操作變量或報警信息等。同時系統能夠進行遠程實時監控，以及設備管理與報警查詢，并對設備進行遠程故障診斷，結合現場設備運行狀態，實現對設備的遠程遙測與故障排查。

4結束語

本文針對目前狀態監控系統存在的問題與不足，利用移動互聯網、互聯網、云計算和大數據等信息技術構建了基于工業云和物聯網的自定義生產流程數據監控系統。該系統設計開發了5G環境下具有良好設備兼容性的智能邊緣網關中間件，可支持主流的PLC設備，同時二次開發了開源項目SVG-Edit，滿足了系統根據不同場景進行靈活部署的功能需求，最終形成了實時狀態檢測服務、運行統計分析服務、故障/異常工控報警服務、自定義畫面和歷史數據趨勢分析等應用服務，從而可以為不同場景提供定制化的設備監控服務。

參考文獻

[1]羅軍舟，何源，張蘭，等.云端融合的工業互聯網體系結構及關鍵技術[J].中國科學（信息科學），2020，50（2）：195-220.

[2]李勃良.基于PLC技術和工業現場總線技術的船舶電力監控系統設計[J].艦船科學技術，2020，42（16）：118-120.

[3]馮金金，鄧昌義，張健.基于工業互聯網的數控機床數據采集平臺應用研究[J].制造技術與機床，2020（3）：124-129.

[4]侯一鳴，徐泉，李亞杰，等.基于物聯網和工業云的選礦設備狀態監控系統[J].計算機集成制造系統，2017，23（9）：1972-1982.

[5]趙炯，楊天豪，肖杰，等.通用嵌入式遠程數據采集器研究與設計[J].自動化儀表，2019，40（1）：53-57，61.

[6]高慧慧，徐圓，朱群雄.過程工業報警系統可視化監控技術及應用[J].化工學報，2015（1）：215-221.

[7]郭瓊，姚曉寧，錢曉忠，等.基于PLC的遠程監控系統研究及實踐[J].實驗技術與管理，2019，36（5）：94-97.

[8]馮煒君.基于MQTT消息路由的智能家居網關的研究與實現[D].廣州：華南理工大學，2017.

[9]朱春雪.基于國產平臺的工控組態軟件實時數據庫設計[D].太原：中北大學，2020.

[10]王惠.基于SVG技術的網頁可視化視覺符號交互系統設計[J].現代電子技術，2020，43（16）：135-137，141.