智能真空熱處理爐遠程監控系統設計與實現

邢 星，羅建巖，賈志淳，于占東，于 震，付 瑩

(1.渤海大學 信息科學與技術學院，遼寧 錦州 121013；2.遼寧省智能真空冶金裝備設計與制造工程技術研究中心，遼寧 錦州 121013)

0 引 言

隨著社會的發展和技術的革新，人們的生活需要和物質追求日漸提高，因此對生產質量的要求也越來越嚴格，同時對綠色制造也提高了標準。而綠色、高效的現代高新技術的發展緊密地依賴高品質金屬材料技術的發展。雖然中國是金屬材料大國，金屬產量占據世界前列，但還不是金屬材料強國[1]。相比于國外高質量金屬材料產業，中國高品質的金屬材料研發的總體水平與發達國家尚有差距，主要表現在創新能力不強，擁有自主知識產權的專利成果不多，核心技術受制于人，應用開發較落后，成果轉化率低；高性能、高附加值的產品相對較少，高品質金屬材料的產學研一體化程度不高，高品質金屬材料產業技術集成能力差，難以大規模工業化生產。加工技術及裝備制造水平低，資源和能源利用率低，高品質金屬材料產業還未從根本上實現由資源密集型向技術密集型、勞動密集型向高效經濟型的轉變。

在新一輪科技革命和產業變革大勢下，全球新材料產業格局發生重大調整。新材料與信息、能源、生物等高技術加速融合，互聯網+、材料基因組計劃、增材制造等新技術新模式蓬勃興起，新材料創新步伐持續加快，國際競爭日趨激烈。在此大背景下，中國高度重視新材料產業發展，目前通過綱領性文件、指導性文件、規劃發展目標與任務等構筑起新材料發展政策金字塔，予以全產業鏈、全方位的指導。為了促進高質高效的綠色生產，真空冶金技術獲得蓬勃的發展和廣泛的應用[2]。真空冶金是指在小于大氣壓下進行的冶金作業，真空冶金的應用是建立在真空技術的進步和廣泛應用基礎上的，具備對環境無污染或極少污染、流程短、占地面積小、基建投資少、能源和原材料消耗少及金屬回收率高且不易氧化、簡化勞動作業條件等許多獨特的優點。20世紀70年代至80年代間，真空熱處理技術主要應用于油氣淬火。在此之后真空熱處理技術的應用領域日益擴大，真空熱處理技術不斷進步，與之相關的各種設備和裝置不斷發展并日漸增多。

目前，中國已能自主生產種類繁多的真空泵、真空閥、真空儀表等真空熱處理技術的主要設備以及其他的配套設備，并在質量和性能上趕超國外同類產品。真空冶金裝備主要包括真空熱處理爐、真空感應熔煉爐、真空蒸餾爐等。現有的真空熱處理設備存在操作繁瑣和安全隱患大等問題，嚴重影響了真空熱處理設備的發展與普及。針對真空熱處理設備的這些問題，文中提出了一種智能真空熱處理爐的遠程監控系統，該系統使用了Modbus、WebSocket等技術，實現了本地設備、服務器和客戶端之間的數據傳輸和實時通訊，在保留設備的本地控制的同時實現了真空熱處理設備的遠程操控和管理，大大降低了真空熱處理設備操作的復雜性。同時，在生產過程中將設備和人員分離，保障了操作人員的人身安全，間接降低了安全隱患。

1 架構設計

為實現本地設備、服務器、客戶端三者之間的數據傳輸和實時通訊并提高系統的實用性，方便完善和擴展業務，設計了如圖1所示的系統架構[3]。智能真空熱處理爐遠程監控系統分為設備控制層、數據傳輸層、云端服務層和遠程控制層四部分[4]。設備控制層負責真空熱處理爐的控制，包括溫度控制、真空控制、工藝流程控制等設備層的控制；數據傳輸層是數據傳輸模塊，將采集到的數據信息通過網絡傳輸到遠程服務器，負責設備控制層和云端服務層的數據傳輸和通訊；云端服務層是基于云技術的遠程設備監控和管理平臺；而遠程控制層則負責系統與用戶的交互。數據通過固定協議逐層傳遞以實現系統的數據傳輸與通訊。

圖1 智能真空熱處理爐遠程監控系統總體架構

1.1 設備控制層

設備控制層包括本地集中控制單元、保障子系統、真空子系統、加熱子系統、運動子系統、整機HMI、整機操作面板以及遠程溫控表等。設備控制層的架構如圖2所示。

圖2 設備控制層架構

可編程控制器(PLC)組建本地集中控制單元用于協調各部分工作、接收本地和遠程的操作指令、執行熱處理控制、實現連鎖保護功能。整機HMI和整機操作面板用于現場的人機操作、超級用戶登錄、普通用戶登錄、用戶管理登錄、系統狀態面板顯示、流程控制、分段單元控制操作設置、固定流程操作等。各子系統通過不同的繼電器與本地控制器相連，受可編程控制器控制并向控制單元反饋水壓、真空度、溫度等重要信息，用于實現加熱工件、溫度控制、自適應加熱物料及工況、真空的建立與保持、誤操作保護、報警等功能。

本地集中控制單元與整機HMI和遠程溫控表之間采用Modbus-RTU通信協議來實現數據交互。Modbus通訊協議采用主從式的通信模式，只允許在控制器和終端設備之間的數據往來，而不允許獨立的設備之間相互交換數據[5]。Modbus-RTU通信協議采用二進制的表現形式具有緊湊的數據結構和較高的通信效率。Modbus-RTU使用數據幀的形式實現請求和響應[6]，其通訊格式如表1所示。

表1 Modbus-RTU通訊數據幀格式

當主機需要從機執行任務時向從機發送請求，先將從機地址存入地址域，將該任務所對應的代碼及執行該功能所必須的數據分別存入功能域和數據域，錯誤校驗域包含兩個8位字符，其內容是通過對消息內容進行循環冗長檢測方法得出。Modbus通過請求內所封裝的地址找到對應從機，當從機接收請求時重新計算錯誤校驗域內的冗余循環碼，并與錯誤校驗域內的冗余循環碼進行比較，若兩者不同說明請求有誤不予執行，這樣就避免了在數據傳輸過程中產生的數據異常而導致的從機錯誤操作；若相同則根據功能域內的代碼執行任務。從機執行任務后給主機返回響應。從機將地址存入地址域表明信息來源，將其執行功能的代碼存入功能域，將從機執行動作或從機采集的返回信息存入數據域，計算信息的冗余循環碼存入錯誤校驗域用于主機接收響應時的錯誤檢測[7]。

1.2 數據傳輸層

數據傳輸層由數據傳輸中轉站構成，使用串口通訊將采集到的數據信息通過網絡傳輸到遠程服務器，主要負責設備控制層與云端服務層的通訊與數據傳輸。串口通信部分基于幀的傳輸思想，即工控機發送的數據以幀為單位，一幀一幀發送，設備接收到一幀數據之后，要有一個應答，應答時，把設備的狀態順便發送給工控機。工控機接收到設備的狀態后，在本地備份一份，以便當云端連接以后，向云端傳輸設備的當前狀態(或者云端不連接的時候，工控機沒有任何動作，直到云端連接之后，才開始與設備通信)。串口通訊的傳輸格式如表2所示。

表2 串口通訊的傳輸格式

在工控機啟動并初始化完成之后，向設備發出握手幀，此時設備要比對設備編碼是否一致，一致則產生令牌碼，不一致就返回錯誤，不接受控制。

數據傳輸過程中，下位機接收到報文的順序如下：

(1)接收握手報文；(2)下載數據指令(設置溫度曲線)；(3)開始運行指令；(4)關閉設備指令。

1.3 云端服務層

智能真空熱處理爐的云端服務層是基于Windows操作系統，使用Java語言開發，采用B/S程序架構，使用Struts，Hibernate，Spring開發框架和Tomcat和MySQL等技術開發的基于云技術的遠程設備監控和管理平臺。由于智能真空熱處理爐遠程監控系統主機與從機之間是一對多的關系，在這種關系下為了實現智能真空熱處理爐遠程監控系統的遠程客戶端對從機設備的監控與管理，智能真空熱處理爐遠程監控系統的云端服務層采用B/S架構。

B/S架構是Web興起后的一種網絡結構模式，這種模式將系統功能的實現核心部分放在服務器上，統一了客戶端，通過這種方式可以簡化系統的開發、維護和使用。由于系統的實現核心被放在服務器上，客戶端得到極大的簡化，在服務器上安裝SQL Server、Oracle、MySQL等數據庫，客戶機只需要一個瀏覽器，用戶就可以使用瀏覽器通過Web Server同數據庫進行數據交互。B/S架構采取瀏覽器請求和瀏覽器響應的工作模式[8]。用戶通過瀏覽器訪問Internet上由Web服務器產生的文本、數據、圖片、動畫、視頻和聲音等信息。大量的數據實際上被存儲在數據庫服務器中，每一個Web服務器可以通過使用各種方式與數據庫服務器連接。圖3所示的是B/S架構的運行原理，其工作流程如下：

圖3 B/S架構的工作原理

(1)客戶端發送請求：用戶在客戶端提交表單，發送請求，等待服務器響應；

(2)服務器端處理請求：服務器接收請求并處理，使用服務器端技術處理請求數據，并產生響應；

(3)服務器端發送響應：服務器端把客戶端請求的數據返回給瀏覽器；

(4)顯示頁面：瀏覽器解釋并執行HTML文件，呈現用戶頁面。

B/S架構底層支持TCP/IP協議，可以做到Web網和局域網的連接，因此不存在異構系統的連接問題，大大提高了系統的適應性和重用性。精簡的客戶端使得系統的開放性得到極大的改善，系統對將要訪問系統的用戶數量的限度有所提升。使用B/S架構，系統的維護和擴展變得更加集中和容易[9]。

1.4 遠程控制層

遠程控制層是智能真空熱處理爐遠程監控系統的客戶端，負責與用戶進行交互，使用戶實時掌握設備狀態并進行控制與管理[10]。對于智能真空熱處理爐遠程監控系統，通信實時性是一項最重要的指標。服務器接收到監測數據后，需要即刻將數據推送到客戶端，實時刷新客戶端的數據，使用戶實時掌握設備的狀態和信息，從而使異常發生時，用戶能夠在第一時間掌握設備信息與運行狀態，第一時間做出反應。為了實現客戶端與服務器之間的實時通訊，使用輪詢和長連接都無法滿足智能真空熱處理爐遠程監控系統的需要。輪詢是在設定的時間間隔由瀏覽器發送請求，若服務器有新信息則由響應帶回。這種方法需要服務器具有很快的處理速度和資源。長連接也是使用輪詢的方式，采用阻塞模型，即瀏覽器發起連接后，會一直等待，直到有新信息返回，然后客戶端再次建立連接。這種方法需要有很高的并發。這兩種方式都太過被動，只能由客戶端詢問服務器，而服務器不能主動聯系客戶端，因此選擇了采用WebSocket實現實時通訊[11-12]。

2 功能設計

智能真空熱處理爐監控系統的流程如圖4所示。圖4的左邊是智能真空熱處理爐的啟動流程，圖4的右邊是智能真空熱處理爐的停止流程。

圖4 智能真空熱處理爐監控系統的流程

通過對真空熱處理爐的生產和管理過程中的需求分析，抽離出幾個功能模塊。這幾個模塊之間相互獨立，且耦合度較低，有利于系統的維護和擴展，同時能提高開發效率[13-15]。如圖5所示，系統劃分為系統管理、設備管理、工藝管理和監控報警四個功能模塊。

圖5 系統功能模塊結構

2.1 系統管理

系統管理包括用戶管理、權限管理和編碼維護三個功能。用戶管理負責管理用戶的添加、刪除、修改等功能。權限管理用于修改用戶權限。編碼維護用于設置系統運行相關的數據信息。智能真空熱處理爐遠程監控系統是基于云平臺的多用戶系統[16-18]，用戶基于權限進行劃分，賦予不同的用戶以不同的操作權限。用戶分為普通用戶、超級用戶和系統管理員。普通用戶使用設備面板進行操作時，需要遠程訪問通過后，才可以啟動本地設備。超級用戶登陸時，經本地控制器核實，可以直接啟動。系統管理員負責增添、刪除用戶，修改用戶權限和系統的管理和維護。

2.2 設備管理

設備管理功能模塊作為智能真空熱處理爐遠程監控系統的核心功能模塊之一，包括設備狀態監控、設備遠程控制和溫度曲線對比三個主要功能。設備狀態管理負責監測設備狀態(開關量)、實際溫度曲線、功率曲線、設備工作狀態(自動狀態或手動狀態)及系統推送等內容。設備遠程控制負責遠程控制設備的啟動和停止。溫度曲線對比可查看用戶設置的溫度曲線和設備。

2.3 工藝管理

工藝管理是智能真空熱處理爐生產和加工過程中最重要的一環。智能真空熱處理爐遠程監控系統的工藝管理功能模塊包含溫度曲線設置和溫度曲線查看兩個主要功能。用戶通過溫度曲線控制功能設置設備的溫控曲線，使用該功能用戶可以任意添加和修改升溫、降溫的溫度曲線控制段。溫度曲線查看功能可查看用戶設置的溫度曲線，用戶確認無誤后，下載溫度先到本機設備，當溫控數據完成準備即可進行自動生產。

2.4 監控報警

監控報警提供了設備狀態的實時監控、異常報警和消息推送等功能[19-20]。通過該功能模塊，用戶可以更好地掌握智能真空熱處理爐的狀態，當異常發生時監控報警可以更快地通知用戶或管理人員，提示異常并及時采取相應的措施，保障設備和人身安全。

智能真空熱處理爐遠程監控系統的監控報警功能的報警內容如下：

(1)水壓傳感器，水壓正常為0，當欠壓時，報警停機。

(2)電力電子模塊溫度傳感器，溫度正常為0，當過溫時，報警停機。

(3)加熱電源過壓，電壓正常為0，過壓=1，停機報警。

(4)加熱電源欠壓，電壓正常為0，欠壓=1，停機報警。

(5)加熱電源過流，電流正常為0，過流=1，停機報警。

(6)加熱電源進入容性區，感性負載為0，容性負載=1，容性負載時停機報警。

3 系統實現

智能真空熱處理爐遠程監控系統的軟件部分，運用Java語言開發，選擇Tomcat9作為系統應用服務器，數據庫使用MySQL，使用SSH框架進行開發。硬件部分選擇使用西門子S7-200作為本地控制單元的可編程邏輯控制器，使用Eview ET070作為人機交互的觸摸屏。按照第2節所介紹的架構方式所搭建的智能真空熱處理爐如圖6所示。

圖6 智能真空熱處理爐

智能真空熱處理爐可由工業觸屏進行本地操作或使用上位PC進行遠程控制。用戶通過本地觸屏或遠程PC設置設備的溫控曲線，用戶可以任意添加和修改升溫、降溫的溫度曲線控制段。用戶設置的溫度曲線和實際的溫度曲線均可在遠程的PC端進行查看。用戶可在遠程的控制端對設備進行工藝管理、設備管理和物料管理等操作。用戶也可在遠程控制端監測設備溫度和功率，可進行設備開關、操控模式切換、動力電斷和、繼電器開關、機械泵開關、循環水泵開關、真空閥開關、控制切換以及模式切換等操作。

4 結束語

設計并實現了智能真空熱處理爐遠程監控系統，有效地避免了傳統真空熱處理設備的安全隱患，同時有效地降低了真空熱處理設備操作的復雜性。實現了真空熱處理爐智能化的遠程監測和操控。通過本系統真空熱處理爐的生產過程擺脫了本地操作的約束，將人與機器分離，提高真空熱處理爐的安全性能，規避了生產過程中可能的風險。