基于VPN技術的竹節紗生產遠程監控系統

徐源鈺，蘇旭中*，劉燕卿，劉新金，張 娣

（1.江南大學，無錫 214122；2.生態紡織教育部重點實驗室（江南大學），無錫 214122；3.無錫市金茂對外貿易有限公司，無錫 214000)

0 引言

作為花式紗線的重要品種之一，竹節紗是一種在長度方向上出現粗細節狀態的單紗線，不僅產品的附加值高，產品的應用范圍也廣，廣泛應用于牛仔布、窗簾、裝飾用品等。竹節紗的生產參數包括基紗號數、節距、節長等，決定了竹節紗表面竹節的粗細及分布情況[1，2]。現有的ZJ-5A型數字式竹節紗智能生產裝置，需要用戶通過調節觸摸屏來改變主控單元PLC中的運行參數，從而實現對竹節紗各項生產參數的設置。這種控制方式需要人工到現場對每一臺生產設備進行一一操作，生產過程中的產品質量的把控也完全依靠人工來實現，因此生產效率難以得到提高。

隨著“互聯網+”的全面推進及“中國制造2025”的落地實施，物聯網技術在紡織上的廣泛應用讓整個紡織行業所面臨的產業升級壓力、勞動力成本上升等問題迎刃而解[3，4]。為提高竹節紗生產的效率，本文采用VPN技術搭建竹節紗生產遠程監控平臺，對現有的設備進行改造升級，以實現竹節紗生產的遠程監測與控制。

1 系統整體設計

1.1 系統功能簡介

以ZJ-5A數字式智能竹節紗生產裝置作為研究對象，深入研究竹節紗生產流程及設備運行狀況，利用物聯網技術實現遠程端與現場設備之間的數據傳輸，這樣用戶只需在遠程端發布命令即可操控現場設備，亦可在遠程端查看設備的實時信息及歷史信息，

該系統的使用能夠有效的減少人工成本且提高生產效率，其中VPN技術的應用使得該系統兼具了安全性高、低成本、擴展性好等特點。該設計是在現有的生產設備的基礎上添加了一套遠程監控系統，無需對原有的硬件設備進行處理，簡化了改造的過程、降低了設備改造升級的成本。

1.2 系統結構

基于VPN技術的竹節紗生產遠程監控系統是將竹節紗生產設備的主控單元PLC通過網絡交換機與信捷A-BOX模塊進行網線連接，接著打開A-BOX網絡模塊的VPN功能，相當于在服務器端和主控單元PLC之間建立了“虛擬網線”，可將PLC中的竹節紗生產信息傳輸至遠程的服務器端，通過PC端設計的界面即可查看竹節紗生產設備的各項數據信息；根據不同品種的竹節紗工藝參數的要求，用戶在PC端將各項生產參數傳至服務器端數據庫中，接著在本地端通過OPC協議將這些數據傳輸至底層設備的控制核心PLC中，從而調整執行機構的運行狀況以滿足不同的竹節紗工藝要求。系統的整體結構如圖1所示。

1.3 系統組網方式

系統中需選用傳輸穩定、抗干擾能力強的網絡模塊來實現數據傳輸，綜合成本及各方面因素考慮后選用信捷公司生產的A-BOX網絡模塊，此產品支持多種協議，能夠實現程序的遠程修改和遠程數據監控功能。竹節紗生產裝置的主控單元為西門子S7-200(CPU 224) PLC，考慮PLC上的串口已與觸摸屏連接，故添加一個帶以太網口的通信擴展模塊CP243-1。

系統中用網線將通信擴展模塊和信捷A-BOX網絡模塊連接，并設置好相應的連接配置；遠程的服務器端需打開A-BOX網絡模塊的VPN功能，從而將設備現場的數據傳輸至NI-OPC中，接著在Labview中實現NI-OPC與數據庫間的數據雙向傳遞；最后，客戶端通過訪問共享數據庫實現遠程數據的傳輸并顯示于界面中。此外，客戶端中的界面設計是根據用戶實際生產需求及使用感受角度出發，設計出相應的畫面供使用者方便、快捷地監測與控制現場設備參數。因而，本文設計的竹節紗生產遠程控制系統不僅能夠實現數據的遠程雙向傳輸，同時又能將這些數據進行保存，這對于日后歷史生產數據的分析及故障診斷具有重要作用。綜上，系統的通信結構如圖2所示。

圖2 系統通信結構

2 VPN技術及設置

2.1 VPN概述

在實際應用中，現場設備與遠程服務器端通常不處于同一個局域網內，因此如何快速、高效、安全的實現數據傳輸成為了首要問題。VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網）技術可以為數據的傳送方與接收方在公用網上搭建一個虛擬的專用隧道，安全地傳輸經過加密的數據[5]。在遠程傳輸數據時，具有著成本低、容易擴展、安全性高、穩定性好、支持新興應用等有點[6]。

2.2 VPN的設置

VPN技術在竹節紗生產遠程監控系統的應用實現了現場與遠程監控中心（服務器端和客戶端）的異地組網本地通信功能，效果如圖3所示。

圖3 VPN虛擬網絡連接

利用A-BOX網絡模塊的VPN功能實現現場設備與遠程監控中心間的遠程數據共享，硬件上需要將A-BOX網絡模塊與竹節紗生產設備的PLC進行網線連接，接著在服務器端完成A-BOX模塊的網絡配置并打開A-BOX模塊的VPN功能，具體步驟如下：

1）A-BOX模塊的網絡配置：網絡模塊A-BOX的工作模式共包含三種：模式A（4G）、模式B（WIFI）和模式C（有線網口），如圖4所示。考慮到操作現場網絡配備情況及網絡安裝快捷、方便等因素，選用了模式A（通過4G上網）。在模塊的4G卡槽中插入一張電話卡，同時將A-BOX設置為模式A（4G）；接著配置局域網參數，此時需填入與PLC地址處于同一網段的IP地址。A-BOX網絡模塊參數配置完成后需重啟A-BOX模塊，重新上電后模塊上的4G燈常亮、WIFI燈閃爍、LINK燈常亮，說明A-BOX模塊的工作模式已設定為通過4G上網。

圖4 A-BOX模塊的網絡配置

2）打開A-BOX模塊的VPN功能：在VPN的功能選項中設置VPN相關參數時，虛擬網關的IP地址要與主控單元PLC的IP地址處于同一網段中，設置完成后再重新寫入、啟動VPN，這樣就打開了A-BOX網絡模塊的VPN功能。

3 遠程監控中心設計

基于VPN的竹節紗生產設備的遠程監控系統的遠程監控中心以美國虛擬儀器公司研發的Labview軟件作為開發平臺，選用對應的NI-OPC服務器作為數據傳輸的媒介。Labview是由美國國家儀器（National Instruments，NI）公司研發的一款程序開發軟件，最大的特點是采用圖形化編輯語言來進行程序的編寫，從而使得編程及使用過程都更為生動靈活[7]。

竹節紗生產設備的遠程監控中心包括服務器端和客戶端，兩者的數據交互過程如圖5所示。PLC中的數據經NI OPC服務器傳至數據庫，再通過數據庫的共享功能將竹節紗生產參數展示于客戶端界面；客戶端界面設置的竹節紗參數值寫入到數據庫中，同時服務器端將數據庫中更新的參數值寫入NI OPC中，從而改變PLC中相應寄存器的值，即改變設備運行參數。服務器主要負責數據的采集與存儲，而客戶端作為移動終端可隨時隨地訪問服務器端，用戶可通過Labview軟件根據自身習慣及實際生產需求來設計系統的各個界面，可方便迅捷地了解現場竹節紗生產設備的運行參數及狀況。相比于傳統生產設備上的觸摸屏控制，客戶端能夠根據用戶需求完成定制界面，如歷史信息的查閱、數據以報表形式存儲到本地電腦中的固定位置等；亦可代替觸摸屏進行遠程控制竹節紗設備。由此可見，這樣能使對竹節紗設備的控制更智能化，也為后期的設備維護提供數據參考。

圖5 服務器端和客戶端間的數據傳遞

3.1 服務器端

服務器端主要完成對竹節紗生產設備運行參數的設置與監控，包含兩部分內容：將數據庫中的值傳輸至PLC中對應竹節紗生產參數的變量地址、將PLC中的竹節紗生產參數值更新至數據庫相應的表格中。

首先，將A-BOX網絡模塊通過網線與西門子以太網擴展模塊CP243-1連接；接著在NI OPC中建立通道，在其中選擇Siemens TCP/IP Ethernet作為設備驅動的協議。一個通道可包含多個竹節紗生產裝置中的PLC設備，并在設置中選擇具體的設備型號：S7-200 PLC。為控制PLC中的數字輸入模塊、數字輸出模塊和內部繼電器，需在具體的設備下配置標簽，使得NI OPC中設備的標簽與PLC的寄存器地址一一對應；根據PLC程序中的參數變量地址，在NI OPC中建立相對應的數據通信地址標簽，如：前羅拉轉速、后羅拉轉速、基紗長度、竹節長度和倍率等，竹節紗生產設備的NI OPC標簽配置如圖6所示。

圖6 NI OPC標簽設置

傳統的竹節紗生產裝置通常將生產信息存于觸摸屏內存單元中，數據的存儲量受到內存容量的限制，且歷史數據往往只能存放一段時間。而在信息智能化的大數據時代，數據的存儲及分析顯得尤為重要。因此該系統選用了SQL Sever數據庫作為竹節紗生產設備的歷史生產數據的存放后臺，不僅能夠海量存儲竹節紗設備的生產信息，還可供故障診斷、機器學習等數據分析使用，具有長遠的意義。該系統中將竹節紗參數管理數據庫命名為“Test”，在該數據庫中新建若干數據表，每個數據表存放著竹節紗的生產參數，并把同一類型的數據存放于同一個表中，至此，該系統的SQL Sever數據庫構建完成。

竹節紗遠程控制平臺借助Labview軟件及NI OPC服務器實現竹節紗設備主控單元PLC與SQL Sever數據庫之間的數據交互，如圖7所示。其中，圖7(a)表示的是數據庫中的竹節紗生產參數傳遞至主控單元PLC中的寄存器中：程序位于FOR循環中表示不斷讀取數據庫相應表中的所有參數，并將這些參數分別索引至不同的顯示控件。由于這些顯示控件通過NI OPC與主控單元PLC中的變量地址已數據綁定，從而將數據庫中的值傳入至PLC中，即可改變竹節紗生產設備的工藝參數。圖7(b)表示的是將主控單元PLC中的竹節紗生產參數傳遞至數據庫的相應表格中：程序同樣位于FOR循環中，目的是將已完成數據綁定的輸入控件中的竹節紗生產數據傳輸至數據庫的表格3中。由此完成了竹節紗生產遠程控制平臺中服務器端的搭建，同時為后續客戶端的開發及使用提供數據支持。

圖7 竹節紗設備主控單元PLC與SQL Sever數據庫之間的數據交互

3.2 客戶端

客戶端主要完成兩個任務：將存儲于數據庫中的竹節紗生產信息顯示在客戶端界面和將客戶端中用戶設置的生產參數傳遞至數據庫中。由于數據庫具有共享功能，因此竹節紗生產遠程監控平臺中服務器端和客戶端的數據庫信息始終保持一致，也為服務器端和客戶端之間的數據傳輸提供“橋梁”作用。客戶端的管理界面使用Labview軟件根據用戶經驗來進行個性化設計，以此來滿足用戶的實際生產操作需求。其中，Labview軟件與竹節紗生產設備控制核心PLC間的數據傳輸通過NI OPC服務器及SQL Sever數據庫完成，這樣在PC客戶端就能完成對竹節紗生產設備的監測與控制。

首先，在Labview的前面板控件屬性中利用Datasocket網絡通信技術對NI OPC中的竹節紗設備參數標簽進行數據綁定，這樣就使得Labview能夠通過NI OPC讀寫竹節紗生產設備控制核心S7-200 PLC的寄存器內容。其次，Labview軟件為SQL Sever數據庫的管理操作提供了豐富的指令，進而方便竹節紗生產遠程控制平臺的數據管理及操作。Labview中的Database函數包含了數據庫的許多操作指令，如連接數據庫、插入數據至數據庫、打開和關閉數據庫等功能：例如當竹節紗生產遠程控制平臺對數據庫進行訪問時，需要與相應的數據庫進行連接，這里就要用到Database函數中的連接數據庫（DB Tools Open Connection）指令，需要在引腳部位填上三個信息：用戶名、密碼和連接信息，連接信息指的是所連數據庫類型、名稱及數據庫地址。

Labview的程序面板中使用“事件結構”指令來處理由用戶設置引起的竹節紗生產參數值變化，從而將改變后的生產參數更新至數據庫；同時又能夠實時掌握竹節紗生產設備的運行情況，并通過客戶終端查看竹節紗生產的歷史數據信息。當用戶在客戶端界面設置竹節紗生產參數后，事件結構立即響應該事件所對應的程序，并將設置值同步到數據庫中，又由于服務器端和客戶端共享一個數據庫，所以服務器端將用戶設置的生產信息寫入到主控單元PLC中，即可改變竹節紗設備的運行參數[8]。當竹節紗生產信息中的部分數據需要供用戶參考時，主控單元PLC中的竹節紗生產數據經VPN技術傳至本地端的數據庫，再由客戶端將數據庫中的生產信息展示于客戶端的界面中。

3.3 運行調試

基于VPN的竹節紗生產遠程監控系統中，PC客戶端設定竹節紗基本的生產參數的操作界面如圖8所示。

圖8 調試結果

4 結語

該系統利用VPN技術及A-BOX遠程通訊模塊等設備，在PC客戶端即可遠程實現對竹節紗生產設備的各項生產參數進行設定和生產狀況的實時監測，并能夠保存歷史生產數據，便于日后數據分析及故障診斷。系統具有著安全性高、低成本、擴展性好、運行穩定等優勢，使用后可有效地節省人工成本，提高竹節紗的生產效率，推動智能化工廠生產和管理的實現。