模擬啤酒生產線可視化中央監控系統設計與實現

袁 浩，白瑞峰，房朝暉，楊 博

（天津大學 自動化學院，天津 300072）

隨著科學技術和工業的發展，全面提高自動化專業大學生的工程素質越來越重要，因此高校實驗室的建設越來越受到重視，尤以PLC在工業控制應用為背景的實驗室建設越來越突出。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，湖南科學技術研究所機械工程學院實現了一個遠程PLC實驗系統［3］，華中科技大學設計了基于PLC的機床控制實驗教學平臺［4］和交通控制實訓裝置［5］。但目前國內高校實驗室建設水平高低不一，還存在一些問題：（1）只搭建了控制層面的實驗臺，缺少系統性和整體性，不便于學生深刻理解控制系統；（2）驗證性實驗與實際生產脫鉤；（3）功能固定，訓練的內容單一。

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工程等學生開放，也可作為本科生科技創新和參加相關科技競賽的活動平臺。該生產線以其靈活開放、可擴展、易于教學又貼近實際等特點受到國內外廣泛關注。

1 系統結構及其功能設計

按照啤酒生產線的實際工藝流程，本系統包括釀造和灌裝兩條子線結構，如圖1所示。釀造部分包含制麥、糖化、過濾、發酵、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 系統結構圖

為系統實現啤酒灌裝生產線的自動、高效運行，提高生產線的自動化水平，提高生產效率和可靠性，對啤酒灌裝模擬生產線設計含視頻監控、組態監控和數據庫管理功能。

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

（2）組態監控系統。通過以太網技術，將現場的信息與工控機的組態進行通信連接，實現對現場信息的遠程監控和數據處理。

（3）數據庫管理系統。通過SQL server 2005數據庫對數據進行實時更新、查詢等操作。為增加數據對管理層的共享，建立遠程的數據查詢系統，可以允許遠方管理者通過互聯網訪問數據庫。

2 中央監控系統網絡架構

中央監控系統的計算機通過交換機、根據設定的IP地址分別遠程監控釀造和灌裝部分，控制系統采用基于網絡層和控制設備層的結構形式。（1）網絡層采用以太網實現計算機監控系統與主站PLC的信息交換，對各分部設備控制系統進行監控；（2）控制設備層負責統一設計，本地站PLC完成各分部的控制任務，采用CC－Link現場總線技術連接控制設備層，將各個獨立的部分組成現場總線控制系統，由主站PLC實現與本地站的信息交換。

整個啤酒生產線控制系統采用以太網和CC－Link現場總線相結合的通信方式，網絡架構如圖2所示。中央監控系統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）上的以太網模塊相連。每條子生產線都有一個主站，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現場總線系統管理、各部分之間信息通信與協調，并由以太網模塊，通過對相關IP地址、端口號等通信參數的設置和通信協議的選擇，經交換機與中央控制系統的PC機實現通信。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 遠程視頻監控系統開發

遠程視頻監控系統包括視頻采集部分、服務器視頻數據處理部分和客戶端。考慮經濟成本和工況需求，在釀造中的制麥、發酵、灌裝中的理瓶和立體庫這4個關鍵部分安放置了攝像頭以采集視頻。建立視頻監控服務器，客戶端可通過網絡實現對視頻服務器的訪問，以調取監控畫面。

視頻服務器主要對攝像頭采集的經H.264編碼視頻數據進行處理，將處理后的視頻數據發送至終端用戶。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、視頻數據傳輸規則等進行定義，為用戶提供較好的視頻監控效果。監控終端部分主要對H.264數據幀進行解碼，播放解碼后的視頻圖像，同時可控制攝像機云臺。

圖2 中央監控系統網絡架構

圖3為立體庫部分的客戶端播放畫面，系統框架采用VC＋＋編程，采用JSON格式［7］傳遞參數。視頻數據的接收采用經典的“生產者／消費者模型”，數據接收模塊將接收到的數據進行解析后存入緩沖區，解碼線程讀緩沖區中的視頻數據，對視頻數據進行解碼播放。為了在多用戶登錄時不影響視頻數據傳輸的速度，客戶端指令的交互和數據的傳輸使用不同的端口。

圖3 立體庫監控調整畫面

4 基于MCGS監控系統開發

當今廣泛應用的組態軟件有Intouch、組態王、力控、MCGS和 Wincc等［8］。MCGS具有易操作、系統維護性強、可靠性高等特點，廣泛應用于石油化工、環境監測、機械制造等領域［9］，因此本系統選用 MCGS組態軟件。

4.1 MCGS、PLC與互聯網通信

在網絡層應用三菱QJ71E71以太網模塊連接中央監控系統PC機與主站的PLC，通過UDP／IP或TCP／IP通信協議實現計算機組態監控系統與生產線之間的數據通信［10］。圖4所示為應用以太網模塊實現外部PC機與主站PLC CPU的通信示意圖，為避免網絡延時而造成通信失敗，選用UDP／IP協議。

MCGS與互聯網的通信是基于以太網和TCP／IP協議。本系統選用可作為服務器的 MCGS6.2網絡版，訪問模式采用B／S模式。與傳統C／S模式相比，無需設計客戶端軟件，增強了訪問的通用性。如圖5所示，在互聯網上的任意一臺計算機均可通過IE瀏覽器登錄本系統組態服務器。客戶端只需安裝標推的瀏覽器，無需安裝MCGS的相關軟件，系統維護方便，升級容易。

4.2 MCGS的控制與監控功能

根據各個部分的實際情況設置動畫，將按鈕和虛擬傳感器與各個本地站PLC軟元建立連接通道，通過組態界面控制系統啟停，改變系統運行狀態，調整電機正反轉。用戶可根據組態環境反饋的信號操作整個生產線，實現在計算機上操作按鈕完成整個灌裝系統的啟停、監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模式的遠程監控畫面

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

圖6 立體庫組態圖

圖7為金檢分部伺服電機1的實時狀態數據及曲線、歷史數據及曲線。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，脈沖數反應伺服電機的定位的位置。由圖7中實時數據曲線可清晰地監控該伺服電機1在一次抓放瓶動作中的兩次升降運動。通過歷史數據曲線可查詢該伺服電機1在系統運行過程中的完整狀態。

圖7 金檢分部伺服電機1實時狀態數據及曲線、歷史數據及曲線

5 數據管理系統

生產過程中的數據通過以太網傳輸至監控系統后，為實現系統大量的數據保存及科學的管理，選用SQL Server 2005進行數據的管理和優化。

按照不同部分在SQL server 2005中建立［11］相應的表，存儲各部分的產量、電機運轉情況、各部分報錯內容、數量及時間。通過參數設置、腳本程序編程進行數據的提取，完成數據庫和組態的連接［12］。MCGS數據連接到SQL Server 2005數據庫，把源存盤數據記錄按指定的時間間隔分組，將MCGS的數據提取出來；在運行策略窗口中添加數據提取策略；在數據來源選項卡中選擇出MCGS存儲該數據組的源數據庫文件，然后在數據選擇選項卡中選擇需要提取的數據對象，在數據輸出選項卡中選擇數據保存到的在SQL Server 2005數據庫中對應的數據表，在時間條件選項卡中選擇數據的時間列名，在提取方式選項卡中對數據有不同的提取方式，對每組數據分別進行處理并且設置提取的時間間隔。處理結果作為一條記錄提取出來保存，完成從原始存盤數據中提取有用數據的任務。

為保證數據的安全管理，對數據庫中的數據進行權限管理，數據庫采用spring＋hibernate的框架結構，Tomcat作為Web服務器，應用JSP技術，以SQL Server2005作為關系數據庫，構建一個以查新功能為主要功能的管理系統。系統的用戶權限和功能如圖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平臺的維護，以及對系統信息的更新及排除故障，擁有對數據的查詢、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 管理系統不同用戶權限設置

6 結束語

本文按照具有模塊化、多功能、柔性、互聯網環境監控及e－F＠ctory的理念，利用PLC技術、現場總線技術、以太網技術、組態技術、數據庫對實驗室啤酒生產線進行了設計改造，從設備層、控制層、以太網層和管理層對系統進行了規劃。在e－F＠ctory的理念指導下，建立了一套可視化中央監控的系統，包括自主構建的服務器、視頻與組態監控系統、數據庫系統管理系統。實驗結果表明：系統的設計實現了模擬啤酒灌裝生產線的自動化運行，遠程監控和對數據的處理、查詢，對故障的預警及初步自動處理等可視化設計。將可視化技術引進到具有工程應用背景的模擬啤酒生產線的實驗教學平臺中，豐富了學生的實驗內容，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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