基于庫軟科技云盒子的遠程控制系統

樊雨軒，張 劍，韓翼飛

（上海化工研究院有限公司，上海 200062）

0 引言

隨著自動化系統演變得愈發成熟，控制系統已經不僅僅存在于工業生產當中，除了實驗室穩定利用控制系統外，越來越多的廠家開始推出利用遠程控制技術實現對遠端設備進行操作的軟件系統[1]，遠程控制也伴隨著各類廠家的產品步入人們的日常生活之中。跟隨無線網絡快速發展，遠程控制技術極大方便了網絡的維護和控制，具有非常重要的應用價值[2]，以無線網絡通訊穩定性穩步提升且速率增加為前提，通過無線網絡實現的遠程控制系統也得到了快速發展，并且在大部分情況下其穩定性、可靠性是可以滿足常規要求的。由于有幸曾與某高校合作完成了一套新型遠程控制輻射空調機組，將根據該系統的具體構成以及其中遠程控制系統的設計思路，以及具體功能舉例并分析遠程控制系統的常見能力以及應用范圍，初步探討了一些遠程控制系統在生活、工作以及科研領域的作用。

1 遠程控制系統的發展

PLC 作為編程容易、可靠穩定的邏輯可編輯控制器，在工業控制上被廣泛運用。伴隨著4G、5G 的無線網絡發展，基于愈發穩定的無線網絡通訊以及更快的通訊速度，遠程控制系統的需求被提出，并逐漸開始實現。

PLC 最早的遠程通訊技術為DTU，配置難度較大，且需要上位機系統協議進行數據解析。由于不含有握手協議，所以易受網絡干擾導致數據丟失，并且由于DTU 采用輪訓通訊的方式，延遲較大，一般傳送周期需要10s 左右，得益于成本較低，可應用于數據實時性以及穩定性需求不高的環境。

PLC 最近的無限遠程控制方式采用硬件模塊+云的模式較多，利用云計算技術解決移動端的存儲和數據處理的問題[3]，采用PLC 連接內置各品牌PLC 協議的硬件模塊，在PLC 建立變量或寄存器映射后，將組態完成的程序下載至硬件模塊中。硬件模塊與PLC 連接成功后，通過內部處理器將變量進行數據處理，形成網絡協議再發送至云端服務器或接收云端服務器的指令并還原成PLC 協議。

2 庫軟科技云盒子

庫軟科技云盒子是由上海庫軟信息科技有限公司開發并配有自主開發的移動SCADA 組態軟件，主要功能為數據采集并上傳至云服務器，其作用主要為數據采集網關，并且內置實時數據庫，滿足實時報警、歷史報警、報警記錄等功能；支持高清圖片、攝像頭等特殊控件；支持PLC 遠程下載；配置完成后即可進行遠程訪問。云盒子應用架構相對靈活，除了直接連接PLC，也可以直接接入I/O 模塊或Modbus 通訊模塊，組態過程中可直接識別其中的信號。圖1 為云盒子應用架構示意圖，來自庫軟科技官方產品手冊。

圖1 云盒子應用構架示意圖Fig.1 Schematic diagram of cloud box application architecture

3 遠程控制系統的功能

一般的辦公和居家場所使用的近場通訊是創建內部局域網，通過局域網通信實現數據交換和指令實現，但是局域網通信有地域限制，超過信號覆蓋范圍便不能與其他設備進行通信[4]?；趲燔浛萍荚坪凶犹峁┑幕ヂ摼W技術以及云盒子本身的靈活應用架構，這套遠程系統能夠結合信息技術、互聯網技術、控制技術等，具有較為多樣化的能力，能夠實現遠程監控、管理、報警等功能，除了使用者在線時的直接反饋，也可以通過電子郵件、微信公眾號等常用手段提供及時的信息服務，因此適用于需要及時收到反饋、接收信息多樣的場合。無論是現場的使用人員，還是遠程的移動端用戶，都可以獲取云盒子中已組態的信息。

4 遠程控制系統應用實例

根據高校提出的控制要求，需要一套運行穩定，能夠就地顯示并且具有遠程控制能力的控制系統。根據此要求，定制了一套基于PLC 的控制系統，由交換機將PLC 與西門子精彩面板（HMI 液晶屏）以及庫軟云盒子連接起來，就地由HMI 液晶屏顯示，移動端以及PC 端基于庫軟云盒子，具體關系如圖2 所示。

圖2 遠程控制系統關系圖Fig.2 Remote control system relationship diagram

由PLC 作為信號收發的基礎，并以交換機的方式同時讓云盒子和HMI 液晶屏對PLC 的信號進行讀寫，因此HMI液晶屏和云盒子可獨立控制PLC 的可控制部分，互不影響，并且可以同時進行。同理，PC 端為網線直連云盒子，而移動端為通過互聯網訪問云盒子，二者都是直接對云盒子進行讀寫，同樣做到了互不影響且可以同時進行。PC 端和移動端聯動控制與云盒子和HMI 液晶屏聯動控制的不同點在于，由于都是基于庫軟云盒子，在同一平臺上既是兩方同時操作，也可以根據登錄賬號以及預設的事件記錄區分不同操作者的操作內容，而不在一個平臺上的云盒子和HMI液晶屏只能做到記錄觸發內容，無法精確到操作來源。

與普通的上位機不同，為了確保云盒子可以正常使用，在組態之前需要優先對云盒子進行設備系統設置，具體內容如圖3 所示。

圖3 云盒子硬件組態圖Fig.3 Cloud box hardware configuration diagram

首先需要將PC 端與云盒子通過網線相連，在“掃描子網查找設備”一欄中進行掃描，在未知的情況下可以使用上圖默認的方式進行掃描。若云盒子的IP 地址已知，可將起始IP 和終止IP 改為設備IP 地址。

掃描完成后，可在上圖右側的框內選中被成功掃描到的設備，進行設置。設備選中以后，即可根據實際情況對云盒子本體進行配置，該部分具體可參考官方說明書。配置完成后，插入SIM 卡或通過組態接入WIFI，云盒子即可正常使用。根據實際測試情況后發現，云盒子不支持帶有中文字符的WIFI 名稱，若需要將云盒子接入WIFI，則需要將對應的WIFI 名稱改為純英文字符。

新建工程后，根據需要選擇分辨率，最大默認分辨率為1024×768，若無法滿足需求也可在畫面布局中選擇“畫面分辨率自適應”，并在繪制畫面時更改畫面本身的分辨率。此外，主區域為主要顯示部分，畫面布局中的上下左右欄框將作為額外部分出現，即當畫面組態時選擇了上下左右欄框，實際使用時，顯示部分將多出被選欄框部分。若沒有進行規劃，可能會出現畫面需要拖動才能完整呈現的情況。

工程新建完成后，在左側導航條選擇數據庫部分，即可建立內部變量或IO 設備通信。系統模塊定義的部分為內部變量，IO 設備通信為外部變量。在IO 設備通信中，可根據云盒子適配的設備進行數據庫建立，云盒子默認適配的PLC 列表中，具體適配情況視當前版本而定。數據庫建立完成后，即可選中進行變量編輯，可根據需求將不同的變量進行分組或將變量表導出后用Excel 進行批量編輯后，重新導入。變量編輯完成后進入畫面編輯，可根據工具箱中的元素進行自由組合，若工具箱中的內容無法滿足創作需求，可直接外部導入高清圖片。創建元件后，可分別對其屬性、動畫、事件進行編輯，關聯不同的變量，達成所需的效果。

圖4 為云盒子組態后遠程控制系統的基礎界面。由于遠程控制系統具有能夠適配分辨率的能力，因而在組態時添加高清圖片也可以保證正常顯示，而同價位的HMI 液晶屏則無法提供更高的分辨率，在使用高清圖片時達不到圖片應有的效果。由于遠程控制系統無法精確地做到訪問設備管理問題，因而使用了權限分級的功能，防止無關人員誤入該控制系統造成誤操作等行為，相對的HMI 液晶屏采用網線直連的方式，則不存在網絡安全問題。

圖4 移動端使用實例Fig.4 Example of using mobile devices

圖5 為遠程控制系統的歷史表格功能。歷史表格支持顯示大量實時數據，創建歷史表格控件后，組態人員可根據用戶觀察需求對變量進行排列，使用戶可以第一時間關注到自己所需要的信息。并且該報表可隨時導出，因此數據保存或數據利用將較為方便。而同樣情況下，HMI 液晶屏存儲數據雖然可以支持高頻率保存，但是可保存數據總量極為有限，并且需要外界存儲設備進行數據存儲。

圖6 中包含了該遠程控制系統的主要功能，數據交互、遠程控制以及基礎的顯示。圖6 中灰色的按鈕代表在當前情況下該按鈕無法觸發，而此功能的實現僅需在編輯過程中對其動畫效果進行調整；畫面中運行狀態顯示切換源自動畫效果中的填充功能，并且圖6 中動畫效果為隨著溫度變化呈現漸變條的效果。雖然該效果為流動曲線拼接而成，但是在項目完成后的后續交流中確認，范圍內顏色漸變效果可通過編寫腳本完成，足以證明其靈活性以及極高的可塑性。若配合相關專業，即可開發出更為優秀的效果。

5 遠程控制系統的優缺點及適用范圍

5.1 遠程控制系統相對于常用控制系統的優缺點

本文中使用的基于庫軟云盒子的遠程控制系統，基于其硬件內置的穿透，達到了小型服務器的原理。因此，能夠提供移動端訪問或遠程PLC 下載等功能，相較于傳統控制系統需要去到現場替換文件或逐個更改畫面，遠程修改提供了相當靈活的使用體驗，并且由于云盒子配套的組態軟件優化較好，畫面組態易上手，可塑性極高，得益于其良好的優化，工程本身也可以承載各類功能。上文中提到的歷史數據僅僅是較為簡單的部分，已有實例確認該遠程系統除了控制之外還能夠加入視頻監控等功能，目前常用控制系統最多支持訪問瀏覽器，而該遠程控制系統支持更多應用軟件，功能更強。此外該遠程控制系統默認采用CSV 格式的文件進行存盤，在同樣的容量下可以存儲更多數據內容并且在數據導出時也能夠更加流暢，同時此部分數據支持移動端下載。而且除開使用云盒子配套的移動軟件，直接使用谷歌瀏覽器或PC 端與云盒子同一平臺的瀏覽器也可以進行遠程訪問，在網線直連的情況下也可直接使用PC 端作為就地顯示，極大地降低了訪問門檻。

該遠程控制系統在使用中也遇到過一些不可避免的問題。云盒子雖然在該遠程控制系統中扮演小型服務器的角色，但是自身承載能力有限，若為保持歷史數據穩定，則需要將其寫入死區，防止由于外部因素導致數據流失。而死區容量有限，因此需要存盤的數據越多，該部分數據可穩定保存的時間就越短，并且不推薦高頻率數據保存，保存頻率會影響歷史數據的預分配空間，進而影響云盒子本體運行。常用的控制系統由PC 端就地存儲歷史數據，因此存儲空間充足，不存在存盤頻率、數據量對控制系統本體存在影響的隱患。此外該控制系統的遠程功能本質上就是云盒子上傳數據，隨后移動端下載的過程，因此某些功能如報警聲功能在移動端訪問時便無法實現，如報警聲移動端將無法實現。但是傳統控制系統上位機由于直接將文件保存在電腦中，因而不存在數據無法下載導致功能無法實現的情況。由于移動端用戶訪問完全依靠互聯網，因而網絡質量同樣直接影響了用戶的訪問體驗。在使用過程中曾出現過極端天氣信號較差時訪問速率較慢，以及作為承載云盒子上傳數據的服務器維護導致云盒子斷線的情況。相較于直接的網線連接，移動端的網絡訪問就顯得極為不可靠。

綜上所述，該套控制系統具有組態簡單、功能全面、使用靈活等各種優點，在各類中小型裝置中都能大放異彩。但是相對地，由于本身體量有限，并且需要保證網絡環境，在大型設備或數據存儲頻率較高的情況下，遠程控制系統依舊無法代替傳統DCS、常規的控制面板或其余常用的通訊手段。

5.2 遠程控制系統的適用范圍

基于庫軟云盒子的遠程控制系統與常用的控制系統相比，承載能力低，無法穩定承載較大的數據存儲量，其所需硬件配置靈活，不像傳統控制系統局限于一個液晶屏或一套對應PC 設備。

結合該遠程控制器靈活性強的特點，可適用于數據需求量不高，且值得密切關注或控制的場合：①適用于智能家居。它能夠將不同品牌的電氣儀表進行整合并在同一個控制界面中，使用戶能在任何情況下只要使用一個系統便可順利使用或檢查所有的家用設備或儀表數據。相對于直接控制或查詢設備參數以及觀察室內各類儀表，綜合展示能力是遠程控制系統獨有的特點；②固定范圍的園區能耗統計。它能夠將存儲頻率要求不高但是數據量龐大的范圍內能耗進行整合，做到清晰地梳理；③固定范圍內的網絡設備監管。網絡機房信號接入遠程控制系統后，可以直觀地顯示網絡狀態，高效地完成網絡維護以及故障點排查。該遠程系統優秀的數據分享能力也可用于中小型智能實驗室，在確認實驗室沒有極高的保密需求的情況下，該遠程系統除了能保證實時數據監控，還能使實驗人員在進行控制類操作時保持充足的安全距離，并且進行實時數據記錄及統計，除了可以讓實驗人員在任何時間都能獲得準確信息，還可以第一時間完成數據、趨勢共享，對于學術討論、技術支持以及實驗情況交流都能保證其極高的時效性及準確性。

然而，根據現有國家標準來看，該遠程控制系統不適合用于生產場合的DCS 控制系統。由于DCS 具有高可用性需求，一般不允許重啟系統[5]，因而依賴互聯網的遠程控制系統無法適用于生產設備的DCS 控制系統，并且對于安全要求更高的實驗室或企業來說，遠程控制系統較難實現訪問控制功能。除了訪問權限外，邏輯安全隔離、移動代碼限制、入侵防御等需求都較難達成，即使在達到所有條件的情況下，對應遠程控制系統的性價比也遠低于常規控制系統，因此遠程控制系統同樣不適用于對網絡安全有嚴格要求的場合。

6 總結

遠程控制系統的架構隨著互聯網的發展將變得愈發靈活，控制將不再局限于固定的地點或人員，并且遠程控制系統帶來的遠程報警能夠第一時間通知管理人員及各級工作人員，可見遠程控制系統相較于傳統控制系統靈活性及安全性提升顯著。在確保網絡安全以及網絡穩定的情況下，遠程控制系統能帶來遠超普通控制系統的便利性。但由于遠程控制系統需要及時更新，因而在生產場合依舊無法代替傳統控制系統，遠程控制系統依舊有很大的發展空間。