工業(yè)自動化儀表與自動化控制技術(shù)

文/崔慧銳

B/S架構(gòu)不但可滿足當今工業(yè)生產(chǎn)的需求，隨著云計算技術(shù)的快速發(fā)展，還能夠進一步提高工業(yè)生產(chǎn)故障診斷的效率、精確程度。通過應(yīng)用B/S架構(gòu)以及云計算技術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)無需購入大量的硬件設(shè)備，只需要將軟硬件開發(fā)交予云計算服務(wù)商，企業(yè)不僅能夠在云平臺上直觀了解到工業(yè)生產(chǎn)情況，同時還可對自動化儀表進行控制、調(diào)整。

1 工業(yè)自動化儀表與自動化控制技術(shù)應(yīng)用情況

我國正處于工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵階段，伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的自動化控制技術(shù)、自動監(jiān)測技術(shù)也有了長足的進步，從工業(yè)監(jiān)測的發(fā)展來看，自動化控制儀表、自動化控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)體系中的作用越發(fā)重要。雷達物位計、核子秤、電磁流量計、電動閥、電流檢測計、溫度傳感器等等自動化儀表在工業(yè)生產(chǎn)中的作用也越發(fā)重要，因為許多企業(yè)在追求更低成本、更高效率的自動化儀表控制方式，所以現(xiàn)場總線技術(shù)、現(xiàn)場監(jiān)控技術(shù)、基于zigbee、藍牙等技術(shù)的現(xiàn)場局域網(wǎng)絡(luò)等均得到了應(yīng)用，但是這些技術(shù)在前期的投入均比較高，且技術(shù)應(yīng)用安全性會直接受到現(xiàn)場生產(chǎn)影響。而基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“云計算”在“工業(yè)生產(chǎn)控制”中的應(yīng)用開始逐步嶄露頭角，且取得了階段性的發(fā)展成果。

2 技術(shù)方案

以“云計算技術(shù)、B/S架構(gòu)”為基礎(chǔ)的工業(yè)儀表監(jiān)測控制系統(tǒng)是基于“云計算憑條”的工業(yè)監(jiān)測平臺，企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)接入平臺實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的控制，實現(xiàn)對分散、危險場所環(huán)境情況的一般監(jiān)測以及對自動化工業(yè)儀表數(shù)據(jù)的實時讀取。該系統(tǒng)不同于以一般的工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)以及工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)，它主要有云檢測平臺和監(jiān)測模塊兩個大的部分構(gòu)成，用戶通過計算機終端上的瀏覽器訪問云計算平臺便能夠?qū)崿F(xiàn)有效的監(jiān)測、控制。案例中所用的工業(yè)儀表為“核子秤”，“核子秤”在我國的工業(yè)生產(chǎn)體系中已經(jīng)經(jīng)歷了幾代更新，在許多的工業(yè)企業(yè)中都得到了廣泛應(yīng)用，并且有相當一部分企業(yè)中“核子秤”的使用存在“新舊共存”的現(xiàn)象，且老版本的儀表缺少網(wǎng)絡(luò)接口，所以不支持網(wǎng)絡(luò)訪問，新版本的儀表則配置了STM32控制器，在硬件上也增加了網(wǎng)絡(luò)接口。

圖1：核子秤工作示意圖

整體架構(gòu)分為控制監(jiān)控模塊、云計算平臺模塊。在控制監(jiān)控模塊部分，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)操作、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)儲存等功能，控制通過PLC等控制技術(shù)實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的獲取則通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)。在云計算平臺部分，Web前端不但能夠直接滿足客戶需求，而且實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)內(nèi)容的篩選、封裝，同時能將獲得的數(shù)據(jù)內(nèi)容以“曲線、圖表”的方式發(fā)送至監(jiān)測客戶端，這是實現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)鍵要素，在該部分，TCP服務(wù)器有著至關(guān)重要的作用，且TCP服務(wù)器一直處于運作狀態(tài)，若是有自動化儀表通過Internet上傳數(shù)據(jù)，那么TCP服務(wù)器就會直接解析數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)庫中。

選擇B/S架構(gòu)作為主要架構(gòu)，B/S架構(gòu)的全稱為Browser／Serve，B/S通過瀏覽器便能夠提供服務(wù)，相較于C/S架構(gòu)，B/S架構(gòu)的開發(fā)成本更低，且能夠根據(jù)企業(yè)內(nèi)自動化儀表的調(diào)整進行定期的革新，且所有數(shù)據(jù)均保存在服務(wù)器端，即便是企業(yè)發(fā)生斷電或者設(shè)備故障，數(shù)據(jù)也能夠在服務(wù)器端安全存儲。

3 監(jiān)測控制端

3.1 硬件配置

3.1.1 自動化儀表

“核子秤”是工業(yè)生產(chǎn)中的主要自動化控制儀表之一，目前“核子秤”本身的高穩(wěn)定性、高精準性較為突出，所以在許多工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。如圖1所示，“核子秤”技術(shù)原理是通過“γ”射線的吸收作用，對輸送機傳送散裝物料實現(xiàn)非接觸式的測量，“核子秤”的使用不會影響工業(yè)傳輸帶的傳輸效率，且安裝無需對原有的物料傳輸帶進行改進，在水泥生產(chǎn)、化工生產(chǎn)、電力生產(chǎn)、礦物生產(chǎn)等企業(yè)中均得到應(yīng)用。在物料傳送的過程中，“核子秤”的稱重傳感器可將物料的實際重量住轉(zhuǎn)換為電信號，在經(jīng)過濾波電路處理之后，實現(xiàn)ADC采樣，就可轉(zhuǎn)化為電子設(shè)備可識別的數(shù)字信號。

3.1.2 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

“核子秤”本身具有本地監(jiān)測的自動化功能，多臺“核子秤”還能夠通過現(xiàn)場總線（RS485）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合，RS485本身是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為成熟的工業(yè)現(xiàn)場總線，利用通訊接口箱便能夠?qū)崿F(xiàn)和計算機等設(shè)備的相互連接。本文所提出的自動化控制技術(shù)，就是在“核子秤”、現(xiàn)場總線（RS485）應(yīng)用的基礎(chǔ)上進行再次升級，將原本上傳到計算機的數(shù)據(jù)，改為利用移動網(wǎng)絡(luò)模塊進行傳輸，數(shù)據(jù)最終傳輸至云服務(wù)器。傳輸過程為“核子秤分析數(shù)據(jù)→核子秤傳輸數(shù)據(jù)→移動網(wǎng)絡(luò)模塊接收→數(shù)據(jù)傳送至Internet→數(shù)據(jù)傳輸至云計算平臺”。

這里所舉例的移動數(shù)據(jù)傳輸模塊為MF210，MF210本 身 支 持UMTS850（900）/1900/2100、GSM/GPRS/EDGE 850/900/1800/ 1900多頻段HSUPA，能夠在移動環(huán)境下支持WCDMA、GSM/GPRS、EDGE（EGPRS）和HSUPA高速數(shù)據(jù)接入服務(wù)，因MF210本身支持Electromagnetic compatibility (EMC) requir ements for Mobile terminals and ancillary equ ipment，所以MF210具有較為突出的實用性、可拓展性。系統(tǒng)接口為UART，即通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，該傳輸器能夠?qū)崿F(xiàn)串行通信、并行通信之間的高效率切換，然后由核子秤本身的STM32處理器來實現(xiàn)對指令A(yù)T的發(fā)送。

3.2 軟件設(shè)計

想要自動化儀表實現(xiàn)正常的信息傳輸，必須要設(shè)置好通訊的統(tǒng)一格式，根據(jù)“核子秤”本身傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)類型，所有數(shù)據(jù)格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，再加上1位停止位。在通信的過程中，由PC發(fā)出一個命令字節(jié)，發(fā)送命令的格式為（命令字節(jié)按位置取反+命令字符+0x00）+WJHIZ，在核子秤監(jiān)測到工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，通過現(xiàn)場總線RS485串口綜合數(shù)據(jù)，然后通過MF210發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 云平臺配置

3.3.1 訪問權(quán)限管理

為保證工業(yè)生產(chǎn)的安全性、可控性，系統(tǒng)需要設(shè)置權(quán)限管理，權(quán)限管理采用“權(quán)限、角色關(guān)聯(lián)”方法，通過賦予不同工作人員角色來給予其相應(yīng)的權(quán)限，如管理人員、用戶、技術(shù)人員。在人員通過Web程序訪問后，首先連接的是數(shù)據(jù)庫，然后調(diào)用相關(guān)的數(shù)據(jù)庫信息，判斷權(quán)限相關(guān)的SESSION變量，判斷是否存在相關(guān)數(shù)據(jù)，以及角色信息的正確性，同時采用SESSION變量對訪問次數(shù)進行控制。

3.3.2 自動化儀表控制

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)中自動化儀表的更新迭代情況，增加自動化儀表設(shè)備注冊功能，工作人員可根據(jù)設(shè)備的編號、種類，將設(shè)備提交到數(shù)據(jù)庫中，同時生成一張有所有設(shè)備的數(shù)據(jù)表。自動化儀表的控制整合PID控制算法，目前PID控制算法是國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的控制算法，PID控制算法能夠解決絕大多數(shù)控制回路反應(yīng)滯后問題，同時也能夠在減小動態(tài)偏差的基礎(chǔ)上，保證自動化控制的有效性。根據(jù)核子秤的分布情況，可將現(xiàn)場的核子秤分為多個區(qū)域，從而實現(xiàn)各個控制區(qū)域的整合，最終形成一個完善的PLC控制系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

上文對以“云計算”為基礎(chǔ)技術(shù)的工業(yè)自動化儀表控制技術(shù)進行了詳盡論述，從軟件、硬件、系統(tǒng)架構(gòu)等方面進行了詳盡分析，Web本身具有較高的實用性、快捷性，且工業(yè)生產(chǎn)自動化儀表的控制需求相對單一，所以Web應(yīng)用程序既可滿足工業(yè)生產(chǎn)自動化儀表的控制需求、監(jiān)控需求。Web技術(shù)整合B/S結(jié)構(gòu)，同時基于云計算平臺的支持，相較于利用DCS和現(xiàn)場總線技術(shù)控制企業(yè)內(nèi)的自動化儀表，其成本更低、穩(wěn)定性、安全性更高，同時還能夠根據(jù)實際情況調(diào)整自動化儀表的監(jiān)控數(shù)量，同時利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)記錄設(shè)備異常報警、用戶管理等。建議可采用MySQL+PHP來構(gòu)建后端系統(tǒng)，同時讓移動智能設(shè)備通過安裝APP以實現(xiàn)相同的控制功能。