云環境下塑料設備數據遠程采集與監控技術研究

宋 建，儲王濤，荊忠凱

（1.華南理工大學 廣東省高分子先進制造技術及裝備重點實驗室，廣州510640；2.華南理工大學 聚合物加工工程教育部重點實驗室，廣州510640）

近年來，我國已成為全球最大的塑料機械消費國，其消費額占全球市場的20%左右，并仍將持續高速增長。吹膜機和流延機等設備作為塑料機械中舉足輕重的一員，在塑料加工行業應用廣泛，對塑料產品的質量起關鍵作用[1]。然而，現階段此類設備加工過程的參數采集仍依賴于操作員工，設備監控維護也局限于本地，時效性較差。隨著智能制造新技術的蓬勃發展，這種傳統的方式已經不能滿足塑料設備應用廠商對于提升產品生產效率和生產質量的迫切需求[2]。

在此，根據塑料設備遠程監控平臺的功能需求，提出了一種基于云環境的塑料設備綜合信息遠程采集與監控技術。利用虛擬專用網絡VPN（virtual private network）技術，將不同地理區域、不同網絡環境的多臺塑料設備接入云計算機； 采用C/S 模式，對遠端塑料設備加工過程的數據進行采集與存儲；采用B/S 模式，對塑料設備實時運行參數和歷史數據信息進行遠程在線監控。該系統實現了生產過程的數字化、信息化管理，提高生產效率和運行安全性。

1 系統方案設計

1.1 系統整體方案

塑料設備綜合信息遠程采集與監控系統，基于工業互聯網技術，在云服務器環境下實現跨域塑料設備的遠程接入和設備運行參數的采集與存儲，根據監控需求在云計算機中進行相應的數據處理，并實現塑料設備加工過程的遠程監控。

系統整體框架分為采集端、數據處理云端和監控端。1）采集端 底層設備在本地局域網硬件組網后，通過VPN 接入云服務器，由數據采集軟件獲取底層設備的實時運行參數，并存入云服務器端的數據庫中。2）數據處理云端 云服務器根據監控需求對塑料設備運行參數進行加工處理，并預留第三方數據接口，以備數據分析、數據挖掘等二次開發使用。3）監控端 數據監控軟件調用經云端處理過的設備數據，實現設備綜合信息的動態呈現與遠程監控。系統整體方案設計如圖1 所示。

圖1 系統整體方案Fig.1 Overall framework of system

1.2 軟件體系

隨著網絡技術的不斷發展，各種網絡程序開發體系結構應運而生。其中，最常用的軟件體系結構主要有2 種：C/S 模式即客戶端/服務器（client/server）和B/S 模式即瀏覽器/服務器（browser/server）[3]。

C/S 模式給每臺客戶端安裝專用的客戶端軟件，通過該專用軟件訪問服務器。這種方式將網絡任務合理分配到客戶端和服務器，降低系統通信的壓力，其響應速度快，數據傳輸和處理效率高。同時，通過嚴格管理軟件的使用范圍，能夠保證通信數據的安全，適用于專人使用的系統。

B/S 模式則是采用Web 瀏覽器訪問Web 服務器，由Web 服務器操作數據庫實現數據交互。該模式無需開發任何客戶端軟件，降低系統的開發和維護成本。同時，其跨平臺性能強，升級擴展容易且操作簡單[4-5]。

根據項目實際分析，數據采集端是PLC 與數據庫的橋梁，具有特定性、安全性和快速性的要求，適合使用C/S 模式； 數據監控端的對象用戶主要是設備的用戶、供應商及高層管理，位于不同的地理位置和網絡環境，訪問媒介的操作系統也多種多樣，對監控程序的兼容性和高并發性提出了較高的要求，適合使用B/S 模式。

經過綜合分析系統的整體結構，軟件體系采用了基于C/S 和B/S 的混合軟件模式。系統軟件體系結構如圖2 所示。

2 設備遠程接入實現

2.1 設備遠程接入技術研究

隨著智能設備的空前發展，全球范圍內的聯網設備已經遠遠超過IPv4 即網際協議版本4（internet protocol version 4）地址所允許接入的計算機數量。為了解決更多設備的入網問題，人們使用NAT（network address translation）和NAPT（network address port translation）這2 項技術，擴展局域網內可用的網絡端口。此外，運營商為了更加規范化、便捷化地管理和使用IP 地址，使用DHCP（dynamic host configuration protocol） 技術進行主機地址的動態分配。因而，局域網內聯網設備獲取的IP 地址是動態變化的，致使公網上的服務器無法訪問位于不同局域網中的設備。

圖2 系統軟件體系結構Fig.2 System software architecture

目前解決此類問題的技術方案主要有2 種：1）通過DDNS（dynamic domain name server）和DNS（domain name server）將局域網設備映射到公網；2）通過VPN 將局域網設備遠程接入VPN 服務器。DDNS 方式的數據傳輸多使用明文傳輸，安全性低，且為每一個設備申請一個固定域名的手續繁瑣，費用昂貴。VPN 技術采用虛擬專用網絡，不需要搭建專門的物理線路，因而無需租用專門的通信線路，降低了設備的使用成本。另外，數據在通過VPN 的傳輸過程中進行了加密處理，能夠保證通信過程的安全性，這一點在工業現場十分關鍵。

綜上所述，選用VPN 作為遠程設備接入方式進行系統搭建。

2.2 遠程接入實現

在此，主要研究2 種不同PLC 控制系統的塑料設備，一種采用西門子S7-200PLC，利用有線網絡與互聯網相連，另一種使用西門子S7-1200PLC，利用3G/4G 網絡與互聯網相連。其中，S7-200PLC 不具備RJ45 接口，需要配備CP243-1 以太網模塊來完成局域網內組網，并通過位于同網段的VPN 路由器，實現與云服務器的有線網絡遠程VPN 連接；S7-1200PLC 具有RJ45 接口，可以直接與支持VPN 的3G/4G 無線路由器連接，實現與云服務器的移動網絡遠程VPN 連接。

經過試驗探究，Windows Server 2003 系統對VPN 的支持性最好，功能豐富且系統穩定[6]。然而，西門子S7-1200 PLC 的OPC 軟件Simatic Net V12與該系統無法兼容，其在Windows Server 2008 系統中穩定性最好。故在云服務器中設計雙主機工作模式，一臺為VPN 服務器專用（稱為接入主機），另一臺用于安裝采集軟件和數據庫軟件（稱為采集主機），與塑料設備的PLC 控制系統交互。接入主機和采集主機均選用騰訊云服務器，通過局域網LAN（local area network）互相連接。遠程接入整體方案如圖3 所示。

3 綜合信息遠程采集

3.1 塑料設備運行數據采集

圖3 遠程接入實現Fig.3 Implementation of remote access

數據采集軟件開發環境選擇Visual Studio 2015 IDE，框架選擇Microsoft Net Framework 4.5，并利用C# 語言完成采集程序的開發，數據庫系統選用MySQL 數據庫。采集軟件主要實現從塑料設備PLC的OPC 軟件中讀取設備的運行參數信息，進行界面顯示，并定時存儲到數據庫中[7]。其程序流程如圖4所示。

圖4 采集程序流程Fig.4 Flow chart of acquisition program

在塑料設備數據采集之前，需要配置好MySQL數據庫和PLC 的OPC 軟件，使數據采集軟件對PLC 控制系統數據能有效地讀取并存儲[8]。在此，基于OPC DA 即OPC 數據存儲（OPC data access）規范，對服務器對象、組對象和項對象進行初始化，并注冊OPC 服務器，實現數據采集程序調用塑料設備OPC 軟件，進行設備運行數據的讀取和加工參數的遠程設定。通過遠程設定加工參數，可以根據具體工況調整加工條件，無需操作員工現場監控與手動調參，大大提高生產效率。關鍵變量的顯示和存儲采用定時觸發的方式，設置定時器，定時讀取OPC軟件中的設備參數值，實現數據庫中設備數據的動態更新和監控端的實時顯示。

3.2 地理位置信息采集

設備地理位置信息的采集需要借助外設硬件的支持，通過外設硬件的GPS 功能，進行塑料設備地理位置數據的采集。鑒于塑料設備的移動率低，為減少大量重復數據的采集和存儲，在地理位置采集程序中設有特定閾值。當實時讀取的位置數據與數據庫中歷史數據的差值變化超過該閾值時，則視為設備發生移動，應再次更新地理位置信息的存儲。

通過外設硬件采集的經緯度地理坐標為度-分格式，需要按坐標轉換算法將其轉換為百度地圖標準格式坐標，并在程序中調用百度地圖開放的API，實現設備的地理位置顯示與標定。此外，通過給位置標定點添加設備信息和超鏈接，將地理位置與設備數據互聯，實現對特定設備地理位置的地圖標定。塑料設備的地理位置標定如圖5 所示。

圖5 塑料設備的地理位置標定Fig.5 Geographical location calibration of plastic equipment

4 設備遠程監控

數據自設備端采集入庫后需要進行加工處理，通過B/S 模式實現Web 可視化監控。選取MyEclipse Enterprise Workbench 為 開 發 環 境，Tomcat 7.0 為Web 應用服務器，框架選擇jQuery JavaScript，使用JavaScript 和Java 語言進行網頁程序和服務器端程序的開發設計。

4.1 運行數據實時顯示

設備運行參數的實時顯示有2 種實現方法，即定時刷新頁面技術和Ajax 技術。傳統的Web 應用交互由瀏覽器向服務器提交HTTP 請求，服務器根據請求返回頁面內容。使用定時刷新頁面的方法，即使一個簡單的數據更新的刷新操作，服務器都需要返回整個頁面，響應速度慢。而Ajax 通過JavaScript 向服務器發送請求，服務器端進行異步響應，返回局部頁面的更新內容，從而大大減少響應時間，提高用戶體驗。

設定MySQL 實時數據表，利用Ajax 技術定時讀取數據庫中設備運行的最新數據，返回到實時數據表中，實現設備數據信息的異步更新。塑料設備運行參數的實時顯示如圖6 所示。

圖6 塑料設備運行參數實時顯示Fig.6 Real-time display of operating parameters of plastic equipment

4.2 歷史運行數據曲線

采用運行參數隨時間變化的曲線來表征設備的歷史運行狀態，選用JavaScript 的開源圖表庫Echars 進行歷史曲線的開發。數據庫中數據以JSON格式從數據接口被讀取到頁面，并加載至Echarts圖表中，將歷史數據以曲線形式展現。曲線數據讀取時序圖如圖7 所示。

此外，還設計了歷史數據曲線的精確值顯示和原始數據表轉換，塑料設備溫度曲線和主軸運行扭矩曲線如圖8 所示。通過移動光標點，就可以精確顯示數據曲線中任意點的精確數值。經過數據視圖切換，將曲線圖轉為坐標數據，并提供記事本和Excel 表格格式下載，便于對數據進行數據分析、數據挖掘等二次開發。

5 結語

圖7 數據讀取時序圖Fig.7 Data reading sequence diagram

圖8 塑料設備歷史參數曲線Fig.8 History parameter curve of plastic equipment

經過實際應用檢驗，該塑料設備綜合信息遠程采集與監控系統運行穩定性高、響應速度快，能夠實時、精確獲取設備數據信息，并能實現塑料設備運行狀態的遠程在線監測與數據共享，為設備的維護、調度以及生產計劃的規劃安排提供科學依據，有效提高工業生產制造的安全性和生產效率。