控制系統數據上云技術實現路徑

何錫武

(武漢城市職業學院，湖北 武漢 430064)

1 背景

工業企業的技術轉型升級，控制系統的網絡化、數字化、平臺化成為技術發展的必然趨勢。工業企業數據平臺化，必須是實現設備的通信。而企業生產工藝的復雜性，決定了企業設備的多樣性，生產設備不可能是同一品牌或系列。不同設備的物理接口、各種協議各異，一般情況下數據不能直接互聯互通。目前，工業數據采集主要有以下3種途徑。一是利用通用工業網關，連接工業現場控制器，通過以太網或串口讀取控制器內部變量進行數據采集。這種方式需要購買廠商的工業網關并與廠商的平臺進行綁定。優點是使用方便，并且售后服務比較有保障。二是利用數據傳輸單元DTU(DataTerminal Unit)進行透明傳輸，通過Socket方式將現場數據上云，遠程訪問遠程測控。這種方式不需要購買硬件網關，能利用企業現有設備，減少了硬件成本開銷。缺點是需要自建數據存儲空間，通信服務需長期付費且價格也取決于基礎通信廠商。三是利用現有工業SCADA系統數據轉發到云端。這樣工業數據的采集可以不依賴于具體硬件網關，減少使用成本。但用戶本身已經具備數據集中采集條件，數據上云作用大打折扣，且需要用戶進行網絡和現場總線技術再開發，IP地址需要固定等，難以廣泛應用。

2 系統遠程測控方案

2.1 有線網絡化遠程操控

人工氣候室的現場控制硬件主要由PLC和觸摸屏構成。系統有線數據網絡化的實現步驟是：現場控制盤觸摸屏的軟件組態中，除正常的操控界面外，專門添加ModBus TCP轉發設備構建。在轉發設備構件中添加所需要的數據通道，鏈接相應變量實現數據轉發(如圖1)。在上位機上安裝MCGS網絡版軟件。其硬件組態需安裝標準添加ModBus TCP構建，接收從控制端轉發來的數據并組態相應控制界面。由于網絡版組態軟件自帶網頁發布功能，這樣在任何聯網地點，遠程電腦或移動端只要訪問上位機的IP地址，即可得到與上位機相同的操作界面(首次訪問會提示安裝插件)。在此界面可讀取數據和遠程操控。該方案全部由組態軟件通過有線網絡實現，遠程訪問不需要專門軟件或APP開發，簡單實用。缺點是上位機需要固定IP地址，對企業內網的系統使用有其局限性。

2.2 無線途徑實現數據網絡化和遠程操控

無線數據上云是通過無線網關，將PLC數據上傳到企業的數據云平臺。用戶在任何地方通過移動端訪問該企業的數據平臺實現遠程操控。本系統采用河北藍蜂信息科技有限公司的GM10-DTU物聯網網關。GM10-DTU是用于EMCP物聯網云平臺連接下位設備所用的GPRS網關，利用GPRS網絡實現Modbus數據自動采集和傳輸，配置參數靈活，運行安全穩定，適合于惡劣的工業現場。用戶通過簡單配置就可以完成設備到EMCP物聯云平臺的可靠數據通信。數據通信中GM10-DTU作為MODBUS主站，能用于各種具備串口和MODBUS協議的PLC、IO模塊、智能儀表等現場設備的遠程聯網。設備具有RS232和RS485雙串口，還額外提供4路DI，可實現4路報警數字量輸入，方便系統實現緊急安全連鎖，具有短信報警提示。上電即可進入數據傳輸狀態，實現用戶現場設備與平臺公司私有EMCP物聯網平臺的數據鏈接。

系統配置過程如下：

(1)硬件準備：按GM10-DTU網關的使用要求連接電源和高頻天線，插入移動通信所用的SIM卡。通過9針串口頭連接網關和PLC控制器的RS485的通信端口。按西門子200PLC系統手冊介紹485通訊接口信號線，將PLC串口的第3和8引腳分別連接GM10模塊的“485A”端子和“485B”端子，硬件連接完成。

圖1 現場端添加數據轉發設備和轉發數據通道

(2)創建Modbus從站：在該數據通信過程中，PLC是作為Modbus從站來響應平臺發出的讀書請求。所以，需要將PLC設置為Modbus協議從站。從站建立需要提前安裝Modbus協議庫指令(如圖2)。西門子Modbus從站協議庫包括MBUS_INIT 指令和MBUS_SLAVE兩條指令。其中MBUS_INIT指令用于啟用、初始化或禁止Modbus從站通訊，在使用 MBUS_SLAVE指令之前，只需在系統初次循環中一次調研MBUS_INIT執行即可。MBUS_SLAV指令用于回應Modbus主設備發出的請求。指令完成后其輸出信號“Done”位會數據置1，程序中可以作為數據傳輸完成，繼續執行下一條指令的條件。

圖2 PLC的Modbus從站指令

程序中我們將Modbus保持寄存器區從VB1000開始(HoldStart=VB1000)，并且保持寄存器為100個字(MaxHold=100)，因保持寄存器以字(兩個字節)為單位，實際上這個通信緩沖區占用了VB1000～VB1200共200個字節。另外，還需要為Modbus通信功能塊分配庫存儲區。庫存儲區的分配要避免與程序中其它應用所占用的區域相沖突。編譯無誤后下載到PLC中。打開程序監控，正常情況下可以看到MBUS_INIT指令和MBUS_SLAVE指令的“Error”引腳輸出是否為0，即表示正常，如為其它數值即為故障，需要調整。

(3)通信過程：在遠程計算機上采用購買模塊時公司分配的管理員賬號登錄平臺，按照平臺手冊說明完成網關模塊的綁定和參數設置，添加從站設備(具體為西門子S7200 PLC)，設置從站地址和讀取數據長度等參數。登錄EMCP平臺( www.lfemcp.com)，點擊前述建立的從站設備名稱進入設備，即可以看到現場200PLC定時采集的實時數據。通過“讀寫數據”按鈕，可以即時對200PLC進行數據讀取和輸出操作，實現遠程控制。在手機安裝《云聯物通》手機APP，進入列表中的“西門子 S7-200PLC”設備，在菜單中點擊“讀寫數據”，可進行移動端的遠程讀取和操控。

2 系統應用

人工氣候室是通過現代控制技術實現局部環境控制，實現特殊的環境要求，是現代生物和農業研究的重要設備。它對溫度、濕度和光照強度的控制要求很高。首先，要像普通恒溫、恒濕實驗室一樣，能將室內溫濕度精確地控制在設定值附近，對溫度控制精度要求達到±1 ℃。其次，要求溫度、濕度和光照強度能按設定的變化規律自動改變，最短變化時間為1 h，以1 d或若干天為周期循環地變化。本案例被控對象包括調節光源、空調、加熱器、空氣加濕器、土壤澆灌和空氣換風系統等，其中光源控制如附表1。其它負載配置情況略。系統按照加權編碼的開關量控制方式，簡單實現多級調，控制效果逼近PID調節水平。并分別通過遠程桌面和移動端APP實施遠程操控，極大地方便了農業研究這種實驗室比較遠，分布區域廣的應用場合。

表1 人工氣候室光源配置

3 結語

本文根據實際使用需求，通過有線網絡和無線兩種技術途徑，實現了設備的遠距離監視操控，使設備的使用更加方便。特別是通過HMI組態軟件IP轉發的方式使數據上云不需增加新的成本，方便應用推廣。無線上云途徑可以讓使用操作不受地域限制，特別適應于農業研究這些范圍廣的應用場景。系統在華中農業大學人工氣候室得到長時間應用驗證，其溫度控制進度在0.5 ℃。生物光照時段的任意設置及光照色譜的調節，為生物光反應研究提供了有效的技術手段。控制參數設置還能按預先設定的曲線設置，避免頻繁改變設置的麻煩。特別是數據上云和遠程操控的實現，非常適用于農業試驗這種地域廣、周期長的特殊場合，得到了學校師生試用者的高度肯定。