PLC遠(yuǎn)程維護(hù)控制系統(tǒng)技術(shù)分析與設(shè)計(jì)

康金濤，蔡其星，駱 慧，張宏偉

（浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州 310053）

在互聯(lián)網(wǎng)的普及和工業(yè)技術(shù)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下，工業(yè)現(xiàn)場對(duì)設(shè)備自動(dòng)化的要求越來越高。很多大型設(shè)備公司在為國內(nèi)外客戶提供先進(jìn)的技術(shù)和優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品之外，更是考慮到如何提供更加完善的售后維護(hù)服務(wù)，更好更快更精確地為客戶解決設(shè)備故障問題，減少設(shè)備因?yàn)楣收?、停機(jī)而帶來的損失，快速響應(yīng)設(shè)備故障進(jìn)行維修。

通過不同構(gòu)建方式的遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)，工程師可以通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)控和遠(yuǎn)程系統(tǒng)維護(hù)。目前很多大型設(shè)備公司提出通過遠(yuǎn)程方式精準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的異常運(yùn)行狀態(tài)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)了解掌握當(dāng)前情況，及時(shí)作出故障判斷。并且在必要時(shí)候能夠通過遠(yuǎn)程連接的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行變量參數(shù)修改以及邏輯程序更新等功能，及時(shí)恢復(fù)現(xiàn)場設(shè)備正常運(yùn)行。以前工程師需要到現(xiàn)場才能夠針對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試、診斷，整個(gè)維護(hù)的過程是典型的有故障才有反應(yīng)的過程，這樣的故障維護(hù)只能在設(shè)備故障停機(jī)后才能起到作用，現(xiàn)在通過遠(yuǎn)程連接的方式也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，預(yù)先故障提示，做到對(duì)整個(gè)售后、維護(hù)數(shù)據(jù)的記錄、查詢和分析[1]。

針對(duì)現(xiàn)有大型設(shè)備故障解決方案不完備的現(xiàn)狀，中控集團(tuán)所研發(fā)的PLC 遠(yuǎn)程維護(hù)控制系統(tǒng)軟件，集成了多個(gè)功能化的子系統(tǒng)，針對(duì)設(shè)備建模、管網(wǎng)組態(tài)、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)、數(shù)據(jù)管理等方面，將完成對(duì)全線各工藝站場的監(jiān)控和管理等任務(wù)。準(zhǔn)確針對(duì)行業(yè)需求，解決實(shí)際面臨的問題，大大提高了設(shè)備的故障響應(yīng)時(shí)間。

1 遠(yuǎn)程維護(hù)解決方案

在傳統(tǒng)行業(yè)內(nèi)絕大部分設(shè)備制造商還使用現(xiàn)場維護(hù)模式，如圖1所示。僅當(dāng)客戶的設(shè)備產(chǎn)生故障之后，通知設(shè)備制造商，此時(shí)設(shè)備制造商才會(huì)派工程師到現(xiàn)場為客戶解決問題，從而導(dǎo)致客戶的設(shè)備停機(jī)，耽誤客戶設(shè)備使用，整體響應(yīng)時(shí)間過長造成客戶不滿意，并且此方式要耗費(fèi)大量的人員資源和出差費(fèi)用。

圖1 現(xiàn)場維護(hù)模式Fig.1 On-site maintenance mode

結(jié)合大型設(shè)備行業(yè)特點(diǎn)，為用戶提供遠(yuǎn)程維護(hù)模式，如圖2所示。通過遠(yuǎn)程診斷，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場PLC、RTU、SIS、DCS 等多種設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析設(shè)備的異常運(yùn)行情況，分析后能夠及時(shí)掌握設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)的某種故障。通過遠(yuǎn)程維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備組態(tài)、遠(yuǎn)程調(diào)試、程序及配置參數(shù)的在線修改、上載下載等。此模式可以做到及時(shí)響應(yīng)設(shè)備故障，快速解決設(shè)備故障信息，減少了現(xiàn)場設(shè)備因?yàn)楣收显驅(qū)е略O(shè)備停機(jī)，避免給客戶帶來更大的損失。設(shè)備使用方能隨時(shí)觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，避免設(shè)備故障帶來不必要的損失[2]。生產(chǎn)方也能通過遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)來及時(shí)排除故障，提高售后維修的時(shí)效性，提高客戶對(duì)產(chǎn)品的滿意程度，提升產(chǎn)品品牌。

圖2 遠(yuǎn)程維護(hù)模式Fig.2 Remote maintenance mode

2 PLC 遠(yuǎn)程維護(hù)控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用J2EE 架構(gòu)、B/S 模式，能夠直接在瀏覽器端運(yùn)行，前后端交互圖如圖3所示。該系統(tǒng)的后端使用JAVA 語言實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，前端使用React技術(shù)，從而達(dá)到了前后端分離的效果，前后端的交互采用標(biāo)準(zhǔn)的Restful 風(fēng)格的HTTP 接口。

圖3 前后端交互圖Fig.3 Front end and back end interaction diagram

前后端分離已成為互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目開發(fā)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)使用方式，通過nginx+tomcat 的方式（也可以中間加一個(gè)nodejs）有效地進(jìn)行解耦，并且前后端分離會(huì)為以后的大型分布式架構(gòu)、彈性計(jì)算架構(gòu)、微服務(wù)架構(gòu)、多端化服務(wù)（多種客戶端，例如：瀏覽器，車載終端，安卓，IOS 等）打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。核心思想是前端html 頁面通過ajax 調(diào)用后端的Restuful API 接口并使用json 數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。

該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)位號(hào)值由SCADA 軟件進(jìn)行上送，通過WebSocket 協(xié)議完成瀏覽器與服務(wù)器的全雙工通信，擴(kuò)展了瀏覽器與服務(wù)端的通信功能，使服務(wù)端也能主動(dòng)向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，WebSocket 通信過程如圖4所示。傳統(tǒng)的HTTP 協(xié)議是無狀態(tài)的，每次request 請(qǐng)求都要由客戶端（如瀏覽器）主動(dòng)發(fā)起，服務(wù)端進(jìn)行處理后返回response 結(jié)果，而服務(wù)端很難主動(dòng)向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)；這種客戶端是主動(dòng)方，服務(wù)端是被動(dòng)方的傳統(tǒng)Web 模式對(duì)于信息變化不頻繁的Web 應(yīng)用來說適用性較強(qiáng)，而對(duì)于涉及實(shí)時(shí)信息的Web 應(yīng)用卻帶來了很大的不便，如帶有即時(shí)通信、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、訂閱推送等功能的應(yīng)用。伴隨著HTML5 推出的WebSocket，真正實(shí)現(xiàn)了Web 的實(shí)時(shí)通信，使B/S 模式具備了C/S 模式的實(shí)時(shí)通信能力。WebSocket 是HTML5 開始提供的一種在單個(gè)TCP連接上進(jìn)行全雙工通訊的協(xié)議[3]。在WebSocket API中，瀏覽器和服務(wù)器只需要做一個(gè)握手的動(dòng)作，然后，瀏覽器和服務(wù)器之間就形成了一條快速通道，兩者之間就可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳。瀏覽器通過JavaScript 向服務(wù)器發(fā)出建立WebSocket 連接的請(qǐng)求，連接建立以后，客戶端和服務(wù)器端就可以通過TCP 連接直接交換數(shù)據(jù)。當(dāng)你獲取WebSocket 連接后，你可以通過send（）方法來向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過onMessage（）事件來接收服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)。

圖4 客戶端與服務(wù)端使用WebSocket 通信流程Fig.4 Client communicates with the server using WebSocket

PLC/RTU 遠(yuǎn)維系統(tǒng)支持多種標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，如Modbus TCP/IP、Ethernet/IP、IEC60870-5-104、OPC等。系統(tǒng)能夠診斷各場站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并能夠精確地判斷出各模塊的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)模塊發(fā)生故障時(shí)，該系統(tǒng)能夠立即產(chǎn)生報(bào)警事件并上傳故障信息。當(dāng)模塊恢復(fù)工作后，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)復(fù)位該模塊故障及報(bào)警信息。在模塊故障的時(shí)候，該系統(tǒng)將產(chǎn)生報(bào)警并記錄發(fā)生的事件。此外，該系統(tǒng)能夠記錄下每個(gè)模塊的統(tǒng)計(jì)信息和故障參數(shù)，進(jìn)行診斷和分析，并用于顯示成報(bào)告[4]。

系統(tǒng)共分為設(shè)備建模、管網(wǎng)組態(tài)、數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)及主界面6 個(gè)模塊，如圖5所示。

圖5 模塊架構(gòu)圖Fig.5 Module architecture diagram

設(shè)備建模主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，定義設(shè)備模型建立的過程，并為設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)提供判斷標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)，靈活的故障判定模式可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需要進(jìn)行配置。包含模塊：數(shù)據(jù)字典、設(shè)備類型、模塊類型、參數(shù)類型、故障字典。

管網(wǎng)組態(tài)主要是將現(xiàn)場管網(wǎng)情況實(shí)例化還原至系統(tǒng)中，如管網(wǎng)下的管線、站點(diǎn)中的設(shè)備等。此模塊還負(fù)責(zé)與以計(jì)算機(jī)為核心的監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)軟件進(jìn)行通訊，將采集到的位號(hào)值以訂閱的方式實(shí)時(shí)上送至系統(tǒng)中，提供位號(hào)值的趨勢變化。包含模塊：管網(wǎng)實(shí)例、管線實(shí)例、站點(diǎn)實(shí)例、工程師站實(shí)例、機(jī)柜實(shí)例、機(jī)架實(shí)例、設(shè)備實(shí)例、模塊實(shí)例、參數(shù)實(shí)例。

數(shù)據(jù)管理主要是分析設(shè)備的歷史故障和用戶在系統(tǒng)中的操作，可對(duì)系統(tǒng)中所監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生的故障進(jìn)行記錄，查詢和分析，并詳細(xì)記錄下用戶對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的“寫”操作。包含模塊：歷史報(bào)警管理、日志管理。

遠(yuǎn)程診斷模塊主要是以“樹”型結(jié)構(gòu)對(duì)全站所有管網(wǎng)、管線、站點(diǎn)下的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，清晰直觀地展示出故障的設(shè)備、模塊及參數(shù)。

遠(yuǎn)程維護(hù)主要是利用NoVNC 服務(wù)對(duì)工程師站進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)、遠(yuǎn)程維護(hù)，以及維護(hù)后進(jìn)行故障維護(hù)登記、組態(tài)上傳、下載等。包含模塊：遠(yuǎn)程維護(hù)、故障維護(hù)上報(bào)、組態(tài)版本管理。

主界面以可視化的形式對(duì)全線設(shè)備故障進(jìn)行多維度展示、分析。對(duì)整個(gè)管網(wǎng)分布形態(tài)進(jìn)行展示，并對(duì)全網(wǎng)的設(shè)備故障和設(shè)備健康度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 設(shè)備建模

該模塊對(duì)系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行配置，如設(shè)備類型、品牌型號(hào)、站點(diǎn)類型、故障類型等，為其提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)字典。且針對(duì)不同品牌的設(shè)備，對(duì)其內(nèi)部各個(gè)模塊（如CPU 模塊、電源模塊、通信模塊、冗余模塊、DI 模塊、AI 模塊、DO 模塊等）的狀態(tài)信息進(jìn)行定義，不同的模塊包含不同的狀態(tài)信息，如運(yùn)行狀態(tài)信息、故障狀態(tài)信息、通道狀態(tài)信息等。并根據(jù)不同品牌的設(shè)備，提供相應(yīng)的故障字典，根據(jù)相應(yīng)的故障碼進(jìn)行故障定位及為系統(tǒng)恢復(fù)操作提供依據(jù)。此外，當(dāng)模塊存在故障時(shí)可以點(diǎn)擊相應(yīng)模塊查看模塊的故障代碼、故障的詳細(xì)解釋說明和故障的排除方法。

2.2 管網(wǎng)組態(tài)

該模塊基于設(shè)備建模，完成管網(wǎng)-管線-站點(diǎn)-設(shè)備-模塊-參數(shù)的逐級(jí)實(shí)例化工作，其中：管網(wǎng)下含有多條管線，管線下含有多個(gè)站點(diǎn)（站場/閥室），站點(diǎn)下含有多個(gè)設(shè)備（PLC/RTU/SIS/DCS）。建立工程師站、機(jī)柜、機(jī)架等實(shí)例，完成現(xiàn)場實(shí)際管網(wǎng)情況的組態(tài)工作。通過WebSocket 協(xié)議與SCADA 軟件進(jìn)行對(duì)接，獲取采集的數(shù)據(jù)值，完成位號(hào)綁定、取值、記錄的工作。

2.3 數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要分為實(shí)時(shí)系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)兩類。當(dāng)系統(tǒng)中實(shí)例化的設(shè)備滿足故障報(bào)警條件時(shí)，則將該條故障記錄在數(shù)據(jù)庫中，并在此模塊展示，可以詳細(xì)地看到故障的管網(wǎng)、管線、站點(diǎn)、設(shè)備、故障的等級(jí)、故障的產(chǎn)生時(shí)間、滯留時(shí)間、是否有被其他用戶確認(rèn)等信息，為后期故障分析提供依據(jù)（歷史報(bào)警，如圖6所示）。此外，該模塊還負(fù)責(zé)記錄系統(tǒng)中的用戶對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行的“寫”操作，可以在系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)方便進(jìn)行故障定位和顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，好的日志記錄方式可以提供足夠多定位問題的依據(jù)。

圖6 歷史報(bào)警Fig.6 Historical alarm

2.3.1 實(shí)時(shí)系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)

實(shí)時(shí)系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)采用調(diào)控中心SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行建設(shè)。SCADA 實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)對(duì)PLC/RTU 實(shí)時(shí)診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及存儲(chǔ)，并提供給PLC/RTU 診斷系統(tǒng)終端進(jìn)行展示。

2.3.2 系統(tǒng)管理類數(shù)據(jù)

遠(yuǎn)維系統(tǒng)同時(shí)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)PLC/RTU系統(tǒng)硬件及程序的診斷和組態(tài)信息，并記錄用戶對(duì)現(xiàn)場PLC/RTU 程序的備份及升級(jí)操作。

根據(jù)本工程現(xiàn)場控制系統(tǒng)型號(hào)，將建立控制系統(tǒng)故障信息數(shù)據(jù)庫，用戶可通過上傳的系統(tǒng)故障代碼，在系統(tǒng)中查詢相應(yīng)的故障原因及處理方法或建議措施，并支持用戶自定義輸入故障處理日志等信息[5]。

2.4 遠(yuǎn)程診斷

該系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)依托調(diào)控中心SCADA 系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)庫及關(guān)系數(shù)據(jù)庫，采用調(diào)控中心SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行建設(shè)。SCADA 實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及存儲(chǔ)，并提供給本診斷系統(tǒng)終端進(jìn)行展示。通過點(diǎn)擊相應(yīng)站名提示標(biāo)可以打開每個(gè)站的系統(tǒng)界面，能夠詳細(xì)地顯示出每個(gè)模塊的故障狀態(tài)。可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的模塊運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)信息、通道狀態(tài)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及集中監(jiān)視 （如圖7），實(shí)現(xiàn)運(yùn)維人員遠(yuǎn)程對(duì)PLC/RTU 設(shè)備的監(jiān)視與診斷。

圖7 故障診斷Fig.7 Fault diagnosis

2.5 遠(yuǎn)程維護(hù)

該模塊利用NoVNC 技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試的實(shí)現(xiàn)方式，NoVNC 可以使用瀏覽器直接訪問服務(wù)器而不需要使用VNC 客戶端。所謂遠(yuǎn)程調(diào)試，指的是工程師在辦公室，就可以對(duì)分布在全國各地的PLC 進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試，無需到現(xiàn)場，減少工程師出差時(shí)間，節(jié)約出差經(jīng)費(fèi)，及時(shí)解決客戶問題，提高服務(wù)質(zhì)量和客戶滿意度。

2.6 主界面

系統(tǒng)主界面可以顯示各管道走向概貌圖，通過點(diǎn)擊相應(yīng)站名提示標(biāo)可以打開每個(gè)站的系統(tǒng)界面，以可視化的方式多維度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障展示、分析，如圖8所示。

圖8 PLC 遠(yuǎn)程維護(hù)控制系統(tǒng)全線自控設(shè)備故障分析Fig.8 Fault analysis of automatic control equipment in PLC remote maintenance control system

3 產(chǎn)品應(yīng)用

根據(jù)本文提出的PLC 遠(yuǎn)程維護(hù)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法，將控制系統(tǒng)采集到的點(diǎn)位參數(shù)信息按照一定模式進(jìn)行參數(shù)過濾、篩選、計(jì)算、匹配等操作后，根據(jù)上層系統(tǒng)的需要，完成關(guān)鍵參數(shù)上傳[6]。工程人員根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備組態(tài)情況以及行業(yè)軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)完成設(shè)備模型的抽象工作，將參差不齊的現(xiàn)場設(shè)備抽象為層次清晰的結(jié)構(gòu)模型。與先前建立的設(shè)備機(jī)理模型中定義的參數(shù)進(jìn)行鍵-值綁定，完成設(shè)備的實(shí)例化工作。

系統(tǒng)的展示業(yè)務(wù)模塊提供樹狀架構(gòu)、實(shí)景3D圖、分層展示圖等設(shè)備數(shù)據(jù)展示方式。工程師可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景進(jìn)行顯示框架組態(tài)，生成設(shè)備展示模型，自定義類設(shè)備展示平臺(tái)界面。

本文提出的PLC 遠(yuǎn)程維護(hù)控制系統(tǒng)軟件被應(yīng)用在《廣東省天然氣管網(wǎng)二期工程調(diào)控及應(yīng)急指揮中心和行政辦公用房項(xiàng)目調(diào)控中心PLC/RTU 遠(yuǎn)維系統(tǒng)》，系統(tǒng)處于試運(yùn)行階段，并根據(jù)客戶需求不斷進(jìn)行產(chǎn)品迭代，為現(xiàn)場提供安全、可靠的設(shè)備組態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)控及故障維護(hù)等功能。

4 結(jié)語

本文主要介紹了PLC 遠(yuǎn)程維護(hù)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，從應(yīng)用行業(yè)重要性、軟件的設(shè)計(jì)、軟件主要功能、系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用等方面介紹了PLC 遠(yuǎn)程維護(hù)控制系統(tǒng)軟件在大型設(shè)備監(jiān)控、故障維護(hù)中的重要意義。