基于物聯網+上位機+APP+PLC的遠程控制系統設計

李 虎，許衛國，王福家

(江蘇豐海新能源工程技術有限公司，江蘇 鹽城 224100)

0 引言

隨著工廠設備不斷朝著大型化、復雜化和自動化方向發展，設備的運行監控和維修難度日益增大，傳統的設備故障事后維修與計劃維修已經不適應精益生產需求，采用物聯網+上位機+APP+PLC的遠程控制系統來輔助設備運行監控，可進行設備狀態實時監控、數據實時采集、故障實時微信推送、程序實時遠程修改，保證設備的正常運轉，避免過度維修和維修不及時給企業造成不必要的浪費。

文獻[1]研究了基于物聯網+APP的設備狀態監管系統，實現了智能移動終端監控設備的管理功能。文獻[2]研究了基于物聯網的遠程PLC控制系統設計，與傳統控制系統相比具有實時性、安全性、穩定性等方面優勢。文獻[3]研究了DCS控制系統與S7-200PLC的通信實現及應用，解決了不同生產裝置孤島運行、數據無法交換的問題。以上文獻從物聯網、APP、上位機、PLC各自角度解決傳統自動化控制存在的問題，但是沒有將各系統連接組成一個完整的系統，使其既能解決智能移動終端監控問題，又能解決不同生產裝置數據交換、統一監控問題，同時又能得到廠家的實時遠程維護及技術支持。因此研究基于物聯網+上位機+APP+PLC的遠程控制系統對生產企業具有重要意義。

1 遠程控制系統功能

(1)多地監控控制功能：系統可選擇車間控制室、中央控制室、智能手機終端、設備廠家云端多處上位機監控控制。遠程控制系統網絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 遠程控制系統網絡拓撲圖

(2)程序遠程監控、修改功能：系統可通過云端遠程在線監控程序、修改程序、診斷故障。

(3)故障微信推送功能：系統故障信息可以通過微信實時推送給APP用戶。

(4)多級密碼功能：根據設備運行維護需要，設置了操作員、管理員、工程師等多級密碼，分權限實現設備監控、設備控制、參數修改和廠家維護等多級監管，確保了系統的安全穩定運行。

(5)歷史報表和故障記錄功能：車間上位機、中控室上位機、廠家云端上位機組態王軟件及智能手機終端都可以通過選擇時間查詢歷史報表和歷史報警信息，方便設備故障診斷。

(6)接口豐富：系統485接口可通過MODBUS RTU協議與DCS通訊，RJ45網口可通過tcp/ip協議與多臺局域網的上位機通訊，

2 遠程控制系統硬件設計

2.1 下位機設計

下位機選用西門子200 SMART系列CPUST60 PLC、SBCM01 MODBUS通訊信號板、廣州巨控GRM533Y-C智能遠程控制終端、EMDT32 開關量輸入輸出模塊、EMAE08 模擬量輸入模塊、西門子V20變頻器，各類帶回訊器功能氣動球閥/蝶閥、各類溫度和壓力變送器、各類磁翻板液位計等。

2.2 上位機設計

車間上位機選用亞控科技kingview軟件，中央控制室選用浙大中控ECS-700 DCS系統，手機APP用戶采用巨控科技的云端APP軟件，設備廠家云端上位機同樣選用亞控科技kingview軟件。

3 遠程控制系統軟件設計及編程

3.1 PLC與DCS MODBUS RTU通訊

西門子200 SMART PLC通過SBCM01信號板(Port 1口)與浙大中控ECS-700系統通訊，成為DCS的MODBUS RTU從站。要實現MODBUS RTU通訊，需要使用STEP 7-Micro/WIN SMART Instruction Library(指令庫)。MODBUS RTU從站通訊指定變量地址為40000～49999，變量為讀寫屬性，掉電保持。200 SMART PLC MODBUS RTU從站通訊程序如下：

(1)200 SMART PLC作為DCS從站，編程時先用SM0.1調用子程序MBUS-INIT指令使能并初始化MODBUS從站，并指定相應參數，只在第一個掃描周期執行一次。200 SMART PLC 初始化通訊程序如圖2所示。

圖2 200 SMART PLC初始化通訊程序

(2)編程時用SM0.0調用子程序MBUS_SLAVE指令，處理來自MODBUS主站的請求，EN輸入接通后，每次掃描時執行該指令。200 SMART PLC MODBUS初始化完成檢查程序如圖3所示。

圖3 200 SMART PLC MODBUS初始化完成檢查程序

3.2 PLC與變頻器USS通訊

SINAMICS V20 可通過 RS485 接口的USS 協議與西門子 PLC通訊。變頻器通過參數設置為 RS485 接口選擇 USS 或者 MODBUS RTU 協議，USS 為默認總線設置。PLC通過CPU本體集成的通訊端口(Port 0)與變頻器連接，通過通訊既可以設定頻率、啟停電機，也可以讀取電機轉速、頻率、散熱器溫度等狀態。200 SMART PLC USS主站通訊程序如下：

(1)編程時先通過SM0.1調用USS_INIT子程序指令，啟用和初始化變頻為USS通訊。200 SMART PLC USS初始化程序如圖4所示。

圖4 200 SMART PLC USS初始化程序

(2)編程通過SM0.0調用子程序USS_CTRL指令驅動變頻器，并指定參數控制變頻器啟停、故障復位，速度給定。PLC控制激活變頻器USS通訊程序如圖5所示。

圖5 PLC控制激活變頻器USS通訊程序

3.3 PLC與組態王TCP/IP通訊

組態王基于網絡的概念，是一種真正的客戶-服務器模式，支持分布式歷史數據庫和分布式報警系統，可運行在基于TCP/IP網絡協議的網上，使用戶能夠實現上、下位機以及更高層次的廠級聯網。200 SMART PLC與業主車間上位機kingview軟件采用TCP/IP協議通訊，PLC的地址與kingview的軟件地址設定在同一網段即可與PLC成功通訊。另外，需要注意的是組態王軟件需要改寫西門子200 PLC驅動文件，這樣才支持與200 SMART PLC TCP/IP通訊，具體修改KVS200記事本內容如下：

[192.168.2.1:0]

/SMART

LocalTSAP=0200

RemoteTSAP=0200

TpduTSAP=000A

SourceTSAP=0009

改寫完成以后保存，如果有多臺PLC需要連接，需要將其地址一一寫出。然后在 kingview文件中安裝新的200 PLC驅動文件，驅動安裝完成后，用網線連接上位機和PLC的網口，上位機即與200 SMART PLC通訊成功。

3.4 PLC與遠程通訊智能終端TCP/IP通訊

西門子PLC與巨控遠程通訊智能終端TCP/IP連接，巨控遠程通訊智能終端和PLC使用廠家TCP/IP協議通訊，然后通過內部加密壓縮的形式和客戶端進行數據交互，因此在網絡上始終傳輸的是加密壓縮的數據流，相對透傳模塊，不僅可以節省流量，還可以從根本上避免網絡層監聽直接獲取PLC通訊數據的可能。首先安裝遠程通訊終端配置軟件，安裝完成后，用賬號密碼登錄服務器，并配置虛擬網卡參數，如圖6所示。

圖6 遠程智能終端與PLC通訊參數設定 圖7 APP顯示 圖8 APP微信推送 圖9 遠程智能通訊終端OPC管理器

軟件配置PLC、業主車間上位機、設備廠家上位機在遠程通訊智能終端設定了同一地址網段，并將設置參數下載至遠程通訊智能終端服務器。工程師登錄服務器后通過建立的虛擬局域網進行遠程監控、下載PLC程序、故障診斷。

3.5 PLC與APP通過云端服務器連接

PLC與巨控APP應用程序基于物聯網模塊通過云端服務器連接，利用APP開發軟件建立變量地址，設置APP頁面布局，顯示數據、負載狀態、設備狀態、參數設定、遠程控制、故障顯示、報警短信、歷史趨勢、歷史數據等，登錄系統賬戶下載至遠程通訊智能終端服務器中，手機APP即可監控設備運行狀況。APP顯示如圖7所示。

在軟件開發界面編輯報警短信并下載至服務器，APP用戶關注物聯網模塊廠家公眾號，接收報警短信微信推送，設備故障時即可通過微信推送給APP用戶，如圖8所示。

3.6 PLC與遠程上位機通過云端OPC通訊

設備廠家云端上位機軟件通過遠程通訊終端OPC管理器讀取OPC服務器數據地址，寫入設備廠家云端上位機數據庫，這樣設備廠家云終端上位機就可以實時監控各現場設備運行情況。遠程通訊終端OPC管理器如圖9所示。

4 結語

基于工業物聯網技術結合上位機、APP、PLC的設備遠程控制系統與傳統控制技術相比，實現了生產車間、中控室、運維人員、工程師、設備廠家云端上位機對設備的監控控制。但其也有缺點：多種通訊協議轉換、通訊速率低。隨著工業自動化的發展，TCP/IP協議或MODBUS TCP/IP協議能夠兼容各廠家自動化產品，設備間的數據交換將會變得更加簡潔方便。總體來說基于物聯網的多方遠程控制方式能夠在工業自動化生產過程中得以運用，說明物聯網環境下設備多方遠程監控控制有著廣闊的前景，工業設備不再是冰冷的機器，萬物互聯將是工業自動化的未來，工業自動化即將進入全新的時代。