PLC300 技術下工業設備遠程管理系統的設計

李 揚

（重慶長征重工有限責任公司，重慶 400084）

0 引言

計算機技術、人工智能和互聯網技術的發展，引發自動化控制領域的變革，逐漸向著更加開放、網絡化的方向發展。PLC技術具有可靠性高、適應性好、通信方面的特點，已經廣泛應用于工業控制領域。基于PLC300 技術，結合無線通訊網絡與因特網實現工業設備的遠程管理，具備一定的安全性與可靠性。

1 工業設備遠程監控系統發展現狀

隨著互聯網、傳感器、嵌入式等技術的進步與發展，基于這幾項關鍵支撐技術建立的遠程監控系統的研究逐漸成為研究熱點，目前在智能家居、智慧醫療和智能農業等行業得到廣泛應用，但是尚未廣泛應用到遠程監控系統中。

現代工業的高速發展推動自動化單機與生產線的應用，其功能和結構逐漸變得復雜多樣，相較于傳統的人力現場管理，自動化遠程管理對生產過程中參數、數據、設備運轉情況的遠程獲取和各類數據的跟蹤、分析與管理更為注重。遠程監控系統可以自動地實現數據的采集與錄入，并在PC 端對采集的信息進行匯總與可視化，數據以柱狀圖、狀態圖等直觀形式展示出來，在遠程監控終端對目標對象進行實時監測。工作人員通過遠程監控裝置，可以隨時查看設備的運行狀態和數據指標，可以對設備故障進行及時預警。

國際上自20 世紀80 年代初期就開始遠程監控技術的研究，在1997 年斯坦福大學和麻省理工學院聯合舉辦了首屆基于Internet 的遠程監控與診斷會議，期間對系統的傳輸協議、用戶限制和開放式系統等問題進行了探討與研究[1]。后續一些國外企業逐漸加大該方面的開發資金投入，并相繼基于自身研發的產品融入遠程監控功能。其中，National Instruments 公司在其產品LabWindows 和LabView 中加入網絡通訊處理模塊，幫助該產品以FTP、E-mail 等方式在網絡上進行數據的傳送；英國圣安德魯斯大學的Chonalatee 和Saleem 提出適用于醫療護理的遠程監控手段；而葡萄牙學者對大型湖泊水質監測監控系統進行了研究。

目前，國內遠程監控設備的研究起步較晚，與國外發達國家相比存在一定的技術差距，沒有較強的市場競爭力[2]。目前，華中科技大學、哈爾濱工業大學、西安交通大學的學者取得一系列研究成果，典型的有華中科技大學的“汽輪機工況檢測和診斷系統”、西安交通大學的“大型旋轉機械計算機狀態監測及故障診斷專家系統”等。國內的遠程監測應用主要集中于電網數據、礦山機電和水利監測等遠距離、較為分散的場合，不利于工作人員的直接監控，沒有推廣到工業設備的監控應用領域。

智能工業的迅速發展導致對遠程監控應用的需求，而大數據與云計算技術的涌現提升監控系統的應用層面，未來遠程監控技術將呈現出一體化、專業化、智能化的趨勢。在工業設備的遠程監控方面，遠程監控系統應當具備數據監測、設備管理和故障診斷功能，及時將采集到的數據信息進行存儲與分析，并與標準數據實施對比，對處于異常狀況的設備及時進行預警并顯示。

2 工業設備遠程管理系統的設計與實現

2.1 PLC300 控制技術

可編程邏輯控制器簡稱為PLC，其內部用于存儲程序，可以執行如邏輯運算、定時、控制和計數等用戶指令，是一類可編程存儲器。PLC 可以將數字量或模擬量作為輸入和輸出對不同類型元器件的執行過程進行控制。國內的PLC 應用十分普遍，集中于傳統制造、交通運輸、化工產品等多種領域。PLC 的主要功能包括以下6 類[3]：

（1）邏輯控制。邏輯控制是PLC 使用最廣泛，也是最基本的應用功能，可以用于單個工業設備的控制，也可以用于自動化生產線的整體控制。在鉆床、電鍍、物流輸送、包裝等控制領域應用比較普遍。

（2）運動控制。PLC 可以對伺服電機等結構的加減速運動進行運動控制，其初期階段主要直接將開關量的輸入輸出模塊和位置傳感器等執行元件進行直接組合應用。PLC 的運動控制功能在機械加工、機器人、汽車制造等場合得以廣泛應用，對執行元器件的機械結構設計進行一定結合可以實現較為精準的定位控制。

（3）模擬量控制。工業生產中存在溫度、壓力、液位、流量等連續變化的模擬量，必須事先模擬量（Analog）與數字量（Digital）之間的轉換才能方便PLC 對模擬量數據進行快速處理。目前，大部分邏輯控制器的生產廠商都生產配套的A/D 和D/A 轉換模塊，有利于PLC 應用于模擬量的控制。

（4）數據處理。PLC 具備數學運算、轉換、查表、位操作等功能，可以實現各類數據的采集、分析與處理。上述功能在煤礦、造紙、食品等大型控制系統方面具備較為廣泛的應用。

（5）過程控制。過程控制主要指對風速、油溫、濕度等模擬量進行閉環控制，PLC 可以通過算法程序的編寫實現所需的閉環控制。目前，大部分PLC 模塊的調節包括應用較多的PID 調節方式，對PID 子程序的調節可以實現過程控制需要的控制策略，可以應用于鍋爐、冶金和熱處理等領域。

（6）通信與聯網。通信與聯網包括PLC 與PLC 之間的通信和PLC 與工業設備的通信。智能工廠對內部網絡建設提出較高的要求，迫使PLC 廠商盡快發展PLC 的聯網功能，現階段的PLC 具備RS-232 和RS-485 等串口通信模塊，便于PLC 的通信聯網功能的實現。

將PLC 作為控制系統的核心，比起傳統繼電器控制，開關接點和電氣接線可以降低到原有水平的百分之幾，大幅度降低控制系統的故障率。此外，PLC 控制器具備診斷設備故障的功能，在運行發生錯誤時可以自動顯示錯誤信息，工作人員可以使用應用軟件編寫故障診斷程序，進一步提升系統的可靠性。在實際工業生產現場中，為了保證逐漸復雜化的設備可以處于長期安全高效的運行狀態，必然要對這些設備實行遠程監控與故障診斷，PLC 控制系統具備極為重要的應用地位。

2.2 工業設備遠程管理系統設計方案

2.2.1 總體架構

遠程監控系統如圖1 所示，主要組成部分為服務器、客戶端和現場段，服務器與現場端配合完成工業設備的遠程監控，客戶端可以方便客戶對現場的實際情況進行查詢，從而更好的進行管控。服務器分為用戶服務器和數據庫服務器，前者主要負責客戶端與現場的通信，后者對工業設備的各項數據進行查詢與處理。數據采集、故障診斷以及報警功能由現場段實現。

系統中PLC 子系統用于執行服務器的控制命令，對工業現場設備進行實時的監控、管理與反饋，可以通過預先設置故障算法實現故障診斷功能，采用兩級診斷方法可以對工業現場段的數據進行在線診斷與實時報警，并將相關數據上傳至服務器供客戶查閱，從而做出最后診斷。服務器主要用于管理客戶端的客戶資料、用戶會話、設備注冊信息和現場設備，并可以實現對各種日志的查詢功能。

圖1 系統總體架構

2.2.2 工作流程

具體工作流程如下：服務器用于處理客戶端請求，然后將請求發送至PLC，PLC 返回的信息會按照系統要求的形式回傳給客戶，客戶可以監控PLC 的工作情況，必要時通過PLC 實現對設備的控制。客戶命令和PLC 的狀態主要通過服務器實現傳送，服務器與PLC 之間利用串口服務器傳送信息。PLC 選用PLC300，它自帶RS-485 串口，并且具備較為緊湊的設計、強大的擴展性和指令體系。系統的串口服務器可采用DNS-1 整機串口WED 服務器，具有兩個可調整的串口，設定可選為RS-422、RS-485 或RS-232，系統的網絡通信協議為TCP/IP。

2.2.3 網絡結構

系統的網絡結構表述如下：服務器與PLC 可以通過PLC帶有的RS-485 串口連接，PLC300 的串口通信協議在串口服務器下可以轉化為TCP/IP 協議實現通信功能。DNS 串口可以連接到具有串口的設備上，幫助設備在TCP/IP 協議下建立網絡支持功能，可以在網絡上將串口信息進行共享。服務器前端的COM 口可以連接到多個元件上，后端在TCP/IP 協議下實現與因特網的鏈接。串口服務器的IP 與前端通信端口在實現映射之后，PLC 和串口服務器之間就實現了鏈接，系統呈現為PLC 子網和中心服務器的Internet 網兩個層次，串口服務器為維系兩者的紐帶。

2.2.4 通信方式選擇

中心服務器與PLC 具有多種通信方式，包括查詢、時鐘中斷讀標和可屏蔽硬件的中斷方式等。查詢方式中，服務器主動讀取下位機的信息，實現較為簡單，但不具備實時優勢；時鐘中斷讀標指的是在PLC 建立請求通信的標識，出現變化時服務器會對其發送命令請求，具備較好的效率以及較高的實時性；可屏蔽硬件中斷方式指的是PLC 主動發出中斷請求信號，服務器處于被動接受狀態，由于串行系統RS-485 為半雙工標準，信號無法在同一時刻進行雙向流動，因此PLC 命令的接受與發送可能會出現同時執行的情況，引發系統的崩潰，且其編程較為復雜，不易實現，因此不是較優的選擇。因此通信方式可選擇查詢與時鐘中斷相結合，中心服務器定期向虛擬串口讀取下位機的信息，接受客戶端對PLC 的實時監控管理。

2.2.5 通信進程設置PLC、中心服務器和數據庫服務器可以利用串口服務器進行連接，中心服務器的數據采集設置可以在TCP/IP 協議下實現通信控制。系統在運行過程中，中心服務器與PLC 之間的數據流動路線為：中心服務器數據采集設置、TCP/IP網絡、中心服務器網卡、串口服務器的網絡適配器、指定串口、RS-485 及PLC 通信模塊。流通的數據主要包括IP 幀和PLC 控制幀，二中心服務器的數據采集設置可以通過PLC 控制幀和應答幀的發送實現。

系統TCP/IP 協議下控制程序的功能分為打包、解包等：打包指的是中心服務器發送PLC 控制幀至串口服務器，通信程序對其進行截獲并對ID 號進行判斷，若判斷結果為存在于配置表中就會按照設置組成TCP/IP 協議下的Socket 套接字，然后通過網卡發往串口服務器；解包指的是系統接收到PLC 發送的應答幀，由通信控制程序截獲并翻譯，將翻譯后的ID 號發送至相應進程中。

3 結語

隨著工業企業的迅速發展，工業設備的遠程管理逐漸引起人們的重視，成為自動化控制領域的研究重點。基于常用的PLC300 技術，提出工業設備遠程管理系統的設計方案，該方案融合計算機科學、互聯網技術、自動控制技術等多學科知識，闡述總體方案構成，希望為相關的企業單位提供借鑒。