一種面向光纜自動收排過程的遠程監(jiān)控系統(tǒng)

傅勝軍，唐敦兵，，王仕存，段祺舜，惠大可

(1. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016； 2. 南京航空航天大學 無錫研究院，江蘇 無錫 214154)

0 引言

光纜收排是指在光纜護套生產過程中，當套塑冷卻完成后，線纜被整齊卷繞到收線盤上的過程，并要求收排平坦緊實，無穿插，無壓摞跳線[1]。為更好地實現光纜自動化收排，基于當前設備和工藝開發(fā)高效、實用的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。本文提出了一套能夠對光纜自動收排過程進行遠程監(jiān)控的系統(tǒng)，可為企業(yè)生產提供遠程監(jiān)控服務。方案采取PLC+PROFINET構成現場控制系統(tǒng)，實現了現場設備間通信[2]，并通過OPC UA和Socket技術開發(fā)數據采集層，實現遠程監(jiān)控平臺和現場控制設備間的數據交互[3]。該控制系統(tǒng)基于云端服務器和web技術將生產現場的情況進行發(fā)布，生產人員在任何地方都可以實時查看生產狀態(tài)數據、歷史記錄、報警信息等，并及時進行控制管理。

1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

1.1 光纜收排過程及監(jiān)控對象

如圖1所示，光纜的收排過程主要由收線和排線構成，光纜通過牽引在收卷運動和排線運動的作用下，進行收排。收卷運動使光纜卷繞到線盤上，排線運動為排線電機帶動整體收線機構沿排線方向水平移動。線盤每收卷一圈，排線移動一個排線節(jié)距。若當前層被排滿，排線運動則反向，進行下一層線纜的收排。

圖1 光纜收排過程示意圖

由上述對收排過程可知，面向光纜自動收排過程的遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要針對以下生產對象進行監(jiān)控：1)收排線狀態(tài)：收卷角速度、實際線速度、排線節(jié)距、尋邊距離、收線層數等；2)工藝參數：電纜直徑、預制計米長度、手動速度設定、線盤直徑和盤寬等；3)生產統(tǒng)計及報警信息：收排計米長度、單盤生產周期、PLC報警信息等。

1.2 系統(tǒng)整體架構

本文規(guī)劃了一種3層架構的自動化光纜收排遠程監(jiān)控系統(tǒng)方案，如圖2所示。

圖2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體架構

第1層為收排控制層，設定為現場控制器和各類現場設備，如PLC、收排線電機傳感器等，該層主要負責自動化控制和數據收集。第2層為數據采集層，主要由控制室PC機構成，負責收排現場和云端監(jiān)控平臺的數據交互，讀取控制層的生產數據(如收卷速度、收線層數、計米長度和報警信息等)，同時從云端監(jiān)控平臺獲取監(jiān)控指令和參數(如預制計米長度、手動設定速度等)。第3層為云端監(jiān)控平臺，該層以云端服務器為中心，負責將數據進行處理和發(fā)布。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術實現

2.1 現場收排控制

在自動收排控制系統(tǒng)中，要求收排控制層的網絡具有一定實時性、穩(wěn)定性和安全性，本文采用了PROFINET工業(yè)以太網的通信方式，實現了控制層分布式IO和控制的主干[4]。光纜自動收排現場控制系統(tǒng)由一臺S7-1500PLC和兩臺S7-1200PLC、G120變頻器、HMI觸摸屏等構成。在收排控制層的PROFINET通信中，西門子S7-1500PLC作為PROFINET IO控制器，S7-1200PLC和變頻器等其他設備作為PROFINET從站設備。

針對收排的不同控制要求，采用了一種偏差耦合同步控制和主從同步控制相結合的控制結構，如圖3所示。牽引運動和收卷運動要求線速度相同，所以采用偏差耦合同步控制，引入前饋環(huán)節(jié)，動態(tài)對電機速度進行補償，從而達到良好的同步性能。對于收卷運動和排線運動，收線盤每轉動一周，排線移動一個排線節(jié)距。因此采用主從同步控制結構，排線電機(從電機)實時跟蹤收卷電機(主電機)的輸出，來實現精密排線。該結構在保證了自動收排精度的同時降低了系統(tǒng)的運算負載。通過增加比例器1/R1和1/R2來確保電機的線速度同步，R1和R2分別為牽引、收卷半徑，R2隨著收卷層數的增加不斷增大。同時通過引入前饋控制，增加PI速度補償器，實時消除轉動慣量變化等擾動給同步控制帶來的誤差。

圖3 收排系統(tǒng)控制策略結構圖

現場控制程序的主要流程如圖4所示。設備在初始化后，將空收線盤上盤，并與光纜進行固定。然后牽引電機、收卷電機、排線電機協調運動，進行收排。當設備上的尋邊傳感器檢測到排線到邊，本層排線結束，排線運動反向運行，進行下一層光纜的收排。直至收排長度到達預制計米長度，本盤收排結束，將光纜打扎后，卸下收滿的線盤。上述流程循環(huán)執(zhí)行，以實現持續(xù)上盤收線。

圖4 光纜收排控制程序流程

2.2 數據采集

數據采集層通過OPC UA通信訪問現場控制主站，對收排控制層數據進行存取，同時數據采集層通過Socket與云端監(jiān)控平臺進行數據交互。

OPC UA使用客戶端/服務器模式通信[4-5]。OPC UA通信中，OPC UA服務器為現場S7-1500PLC，在控制室PC機上開發(fā)OPC UA客戶端模塊，作為采集層與OPC UA服務器交互的OPC UA客戶端接口，實現數據采集層與現場收排控制層的數據交互。

系統(tǒng)的數據交互過程如圖5所示。針對OPC UA客戶端通信模塊采用不同的交互方式。傳輸的數據主要分為以下幾種：1)傳感器、編碼器采集：動作限位、尋邊距離、牽引和收排速度、PLC和變頻器報警信息等；2)PLC累計運算得到：收排計米長度、生產周期、班產量等；3)云端監(jiān)控平臺或現場HMI設定：如排線節(jié)距、預制計米長度、手動速度等。

1)類數據是現場狀態(tài)的動態(tài)反映，變化較快，監(jiān)控實時性要求較高，因而采用OPC UA訂閱監(jiān)視變量的方式進行訪問，并通過在服務器上注冊提高訪問速度。2)類數據在收排過程中不斷地累計變化，但監(jiān)控實時性要求不是很高，所以采用標準的循環(huán)讀寫方式訪問。3)類數據采用事件觸發(fā)的方式進行讀寫訪問，當數據改變時，OPC UA客戶端程序才進行讀寫。根據上述交互方式，將客戶端通信功能封裝成了以下幾個模塊：遠程參數設定模塊、實時狀態(tài)采集模塊、生產信息統(tǒng)計模塊、現場工藝參數采集模塊、連接和初始化模塊。

圖5 光纜自動收排的監(jiān)控系統(tǒng)數據交互過程

收排控制層的數據被OPC UA客戶端通信模塊采集后，經過格式轉換，由Socket客戶端通信模塊發(fā)送給云端監(jiān)控平臺，其中的生產統(tǒng)計信息和實時報警信息將通過JDBC進行數據庫存儲，作為本地記錄和備份。同時，Socket客戶端通信模塊接收來自云端監(jiān)控平臺的控制信息，格式轉換后，由OPC UA客戶端通信模塊下發(fā)給現場的PLC主站，對收排過程進行控制。數據在云端監(jiān)控平臺和數據采集層之間通過Json格式進行交互，Json是一種輕量級的數據交換格式[6]，可方便地使用工具進行解析。

數據采集層通過開發(fā)OPC UA通信客戶端程序和Socket通信客戶端程序，完成了云端監(jiān)控臺和收排控制層的信息交互。

2.3 云端監(jiān)控平臺設計

云端監(jiān)控平臺以云端服務器為中心，將系統(tǒng)數據進行展示并提供監(jiān)控界面作為遠程控制接口。云端監(jiān)控平臺采用MVC設計模式進行開發(fā)。MVC設計模式將系統(tǒng)分為控制層(Control)、模型層(Model)和顯示層(View)，采用模型層封裝業(yè)務方法，顯示層則將數據和可視化界面返回給用戶，控制層接受輸入并調用Model和View完成請求[7]。

在云端監(jiān)控平臺中，遠程監(jiān)控端負責提交遠程監(jiān)控請求和獲取監(jiān)控結果，這就需要可視化界面設計，而數據采集層主要與云端監(jiān)控平臺進行數據交互。因此，將控制層、顯示層分為面向遠程監(jiān)控端和面向數據采集層兩種，即面向遠程監(jiān)控客戶端的遠程監(jiān)控控制層、遠程監(jiān)控顯示層和面向車間數據采集層的車間通信控制層，如圖6所示。

圖6 云端監(jiān)控平臺的MVC設計模式

車間通信控制層將來自采集層的數據進行格式轉換。遠程監(jiān)控控制層在收到遠程監(jiān)控端的監(jiān)控請求后，調用模型層的業(yè)務方法將可視化界面交給遠程監(jiān)控顯示層返回給遠程監(jiān)控端。系統(tǒng)中使用Ajax(異步JavaScript和XML)技術開發(fā)監(jiān)控界面[8]，可在不刷新整個頁面的情況下與服務器交互，其降低了網絡負載，保證了交互實時性。

3 系統(tǒng)實際運行

對現有光纜收排設備進行改造，通過傳感器、編碼器、變頻器等設備進行數據收集和動作控制，完成了現場控制系統(tǒng)的硬件搭建。在分析光纜收排過程的基礎上，設計并開發(fā)光纜自動收排控制程序。同時，在車間控制室計算機上開發(fā)數據采集層程序，在云端服務器上部署云端監(jiān)控平臺。監(jiān)控系統(tǒng)的實際運行情況如圖7所示。

遠程監(jiān)控界面的窗口區(qū)主要分為五大區(qū)塊：①監(jiān)控選項區(qū)?？赏ㄟ^菜單選擇分別進行生產狀態(tài)實時監(jiān)控、歷史統(tǒng)計數據查詢、歷史報警信息查詢等。②生產狀態(tài)實時監(jiān)控區(qū)。用于動態(tài)展示光纜收排過程中的生產狀態(tài)，如收排速度、排線節(jié)距和動作限位等。③遠程控制區(qū)塊?？蓪κ站€速度、預制計米長度進行手動設定，對計米數據進行復位和系統(tǒng)啟停控制。④單盤生產信息統(tǒng)計的區(qū)塊。展示如收排計米長度、單盤生產周期和當前層數等。⑤參數展示區(qū)塊，展示如光纜直徑和線盤參數等信息。平臺還具有實時警報功能，可通過彈窗實時顯示現場報警信息。

針對所開發(fā)的自動收排遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過現場測試檢測，遠程監(jiān)控平臺平均延遲在0.8～1.5s，現場控制器平臺控制指令的平均響應時間約為0.8s，該檢測結果在可接受范圍內。利用遠程監(jiān)控平臺對整個車間收排狀況進行查看，耗時在1min以內，相較于人工現場監(jiān)測需要耗時的10～15min，監(jiān)控效率大幅提高，系統(tǒng)達到預期監(jiān)控目標。

4 結語

本文設計了一種面向光纜自動收排過程的遠程監(jiān)控方案。通過PROFINET實現了控制現場的設備通信，并設計了電機控制方案，同時基于web技術設計了云端監(jiān)控平臺，使用OPC UA和Socket開發(fā)數據采集層，實現了收排現場與云端監(jiān)控平臺的數據交互。遠程監(jiān)控系統(tǒng)完成了對光纜自動收排過程的實時監(jiān)控與記錄。系統(tǒng)的開發(fā)大大降低了對光纜自動收排車間監(jiān)控與管理的成本，生產管理人員可隨時隨地便捷地了解現場狀況，為光纜加工企業(yè)的車間無人化和生產管理信息化奠定了基礎。

圖7 遠程監(jiān)控系統(tǒng)實際運行