馮殿義，宋 濤，陳 浩

包裝機遠程運維的研究與實現(xiàn)

馮殿義，宋 濤，陳 浩

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

針對包裝機遠程維護的需求，研究設(shè)計了一套C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的遠程監(jiān)控和故障維護系統(tǒng)。詳細介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程并解釋了系統(tǒng)各部分的功能。在設(shè)計過程中闡述了所涉及的遠程通訊技術(shù)和要點，通過C/S結(jié)構(gòu)的組態(tài)軟件，完成包裝機的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲，利用VPN隧道通訊技術(shù)實現(xiàn)包裝機的遠程監(jiān)控和遠程維護，搭配串口服務(wù)器的串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口功能實現(xiàn)PLC程序的遠程調(diào)試和下載。通過遠程通訊測試和仿真實驗驗證了系統(tǒng)性能和可行性，有效地解決了包裝機制造商需要頻繁派遣工程師到現(xiàn)場處理故障的問題，為包裝機制造商節(jié)約了維護成本。

程序遠程上下載；VPN隧道技術(shù)；串口服務(wù)器；遠程運維

隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的本地數(shù)據(jù)采集已經(jīng)不能完成企業(yè)對其設(shè)備遠程維護的要求[1]。在此背景下，研究設(shè)計了一套C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的遠程運維系統(tǒng)，使用ICentroView(ICV)組態(tài)軟件組態(tài)監(jiān)控畫面實時采集包裝機的工作狀態(tài)，組態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲功能將運行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲至SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫中，通過VPN隧道技術(shù)和串口服務(wù)器建立包裝機制造商和設(shè)備現(xiàn)場的虛擬局域網(wǎng)通訊，實現(xiàn)包裝機的遠程監(jiān)控和組態(tài)軟件的遠程部署，并可將修改后的程序遠程下載至PLC，進行遠程調(diào)試[2]，極大地方便了技術(shù)人員對包裝機進行遠程維護并節(jié)省企業(yè)開支，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

1 遠程運維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

包裝機系統(tǒng)層次與結(jié)構(gòu)部署如圖1所示，系統(tǒng)層次分為遠程運維中心、數(shù)據(jù)服務(wù)中心和現(xiàn)場層3個層次。

ICV組態(tài)軟件分為3個模塊，每個模塊有其特有名稱和功能。

(1)服務(wù)管理器SM：實現(xiàn)軟件基本信息實時監(jiān)視、工程管理、進程監(jiān)視管理等功能。

(2)配置客戶端CC：實現(xiàn)配置客戶端的登錄、工程所有功能的配置和部署。

(3)運行客戶端RC：實現(xiàn)查看所有組態(tài)畫面的運行狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部署

1.1 應(yīng)用展示層

應(yīng)用展示層主要由PLC、HMI及現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)成。PLC選用施耐德M258型PLC作為現(xiàn)場控制器，采用So Machine編程軟件為PLC編程，PLC掃描現(xiàn)場輸入裝置的各種信號狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入過程狀態(tài)寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中，按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，并提供各種接口供設(shè)備之間的通訊和程序的上下載。

HMI選用施耐德GXU5512型觸摸屏作為HMI，觸摸屏提供觸控輸入、顯示輸出、通訊和控制邏輯功能，操作員通過點擊觸摸屏控制設(shè)備的啟停和調(diào)整設(shè)備的各項參數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層部署2臺計算機。一臺計算機作為監(jiān)控服務(wù)器，部署RC，主要完成PLC變量的實時監(jiān)測和監(jiān)控畫面的顯示。另一臺計算機作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器運行Windows 7系統(tǒng)，在系統(tǒng)中部署SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫軟件，實現(xiàn)包裝機運行數(shù)據(jù)的存儲。

1.3 遠程維護中心

遠程維護中心位于包裝機生產(chǎn)單位，在維護中心設(shè)立戴爾Precision T3620塔式工作站作為集中配置服務(wù)器進行ICV的離線配置和在線部署，遠程維護中心其中部署和CC軟件工程師站是基于ICV的全局配置操作站，部署PLC編程軟件So Machine、SM、CC和RC，供現(xiàn)場工程師用來對SCADA節(jié)點、數(shù)據(jù)庫節(jié)點與RC節(jié)點進行配置，實現(xiàn)客戶端的遠程訪問。

2 遠程通訊實現(xiàn)

包裝機的遠程運維離不開互聯(lián)網(wǎng)來建立通訊，而包裝機所在的局域網(wǎng)和運維中心所在的局域網(wǎng)又屬于同一局域網(wǎng)，這時就需要VPN隧道技術(shù)進行異地組網(wǎng)組成虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，以簡捷的方式實現(xiàn)局域網(wǎng)之間的互聯(lián)互通[3]。

由于PLC設(shè)備并不具備Server功能，當異地組網(wǎng)后需要對PLC設(shè)備進行遠程的程序上下載調(diào)試時，運維中心并不能通過ping命令探索到包裝機的PLC，如果為包裝機配備一臺PC機供PLC設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通訊會增加成本，而且PC機的故障風(fēng)險會為遠程運維增加難度。針對這一問題，選用串口服務(wù)器可以既方便又節(jié)約成本地解決[4]。

2.1 VPN隧道技術(shù)

隧道技術(shù)的簡單定義是在公用網(wǎng)絡(luò)上建立屬于自己的專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，實際上是在公用網(wǎng)絡(luò)隧道中建立一條加密通訊隧道[5]。在此選用該公司的上海貝銳信息科技股份有限公司研發(fā)的蒲公英X5-4253型路由器來建立遠程維護中心和包裝機用戶的加密VPN安全傳輸通道，能將異地局域網(wǎng)通過蒲公英路由器快速組建成虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，進行加密傳輸[6]，確保了工業(yè)數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)傳輸?shù)臋C密性、真實性和完整性，為包裝機的遠程通訊建立了基礎(chǔ)，使異地局域網(wǎng)的通訊成為可能。

VPN網(wǎng)絡(luò)配置步驟：

(1)配置主機網(wǎng)絡(luò)，將Internet的IPV4網(wǎng)絡(luò)屬性設(shè)置為自動獲取IP地址和自用獲取DNS地址。

(2)將運維中心服務(wù)器主機連接到VPN路由器。

(3)啟動計算機瀏覽器訪問http://oraybox.com并輸入蒲公英路由器的SN碼與默認密碼進入管理界面。

(4)將包裝機使用現(xiàn)場客戶端PC機同理連接到VPN路由器并進入管理界面。

(5)在各自網(wǎng)絡(luò)管理界面中將服務(wù)器與客戶端路由器綁定在同一Oray賬號下完成異地組網(wǎng)[7]。

VPN異地組網(wǎng)完成后，通過兩地蒲公英分配的設(shè)備局域網(wǎng)IP地址即可通信。異地局域網(wǎng)IP地址互ping如圖2所示。

圖2 異地局域網(wǎng)IP地址ping測試

2.2 串口服務(wù)器

PLC設(shè)備普遍具有RS-232/485接口，串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器可讓傳統(tǒng)的RS-232/422/485設(shè)備立即聯(lián)網(wǎng)，利用基于TCP/IP協(xié)議的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶崿F(xiàn)來控制設(shè)備硬件，是專為串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)而設(shè)計的連接橋梁。串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器就像一臺帶CPU、實時操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議的微型電腦，方便在串口和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中傳輸數(shù)據(jù)[8]。

串口服務(wù)器的工作模式設(shè)置為TCP Server模式，在此模式下，模塊串口監(jiān)聽本機端口，有連接請求發(fā)來時接受并建立連接進行數(shù)據(jù)通信，當模塊串口收到數(shù)據(jù)后會同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給所有與模塊建立連接的客戶端設(shè)備，TCP Server模式具有Keep Alive功能用于保證實時監(jiān)測連接的完整[9]。

考慮到包裝機的運維方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選用濟南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司的USR-TCP232-304型串口服務(wù)器，硬件連接好后應(yīng)用該串口服務(wù)器配套的虛擬串口軟件USR-TCP232-304 V1.0.1對串口服務(wù)器進行工作模式、默認參數(shù)設(shè)置，設(shè)置好后進行數(shù)據(jù)傳輸測試，配置界面如圖3所示。

圖3 串口服務(wù)器參數(shù)配置界面

3 運維系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)主要功能為對制藥包裝機設(shè)備SGA30A的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測與報警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、設(shè)備維護、遠程管理等[10]。將監(jiān)控服務(wù)器作為一個遠程SCADA節(jié)點，維護人員通過工程師站登錄遠程RC訪問遠程SCADA節(jié)點，進行遠程畫面監(jiān)控并瀏覽客戶端的各種數(shù)據(jù)，如實時曲線、歷史曲線、報表、報警等信息，并登錄關(guān)系數(shù)據(jù)庫查看歷史數(shù)據(jù)，維護人員通過這些信息對設(shè)備的工況信息進行分析和故障診斷。通過So Machine編程軟件對PLC控制程序進行程序修改和遠程下載。

3.1 實時監(jiān)控子系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)測功能作為遠程運維系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用以獲得包裝機的運行狀態(tài)、關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)、報警信息以及其他伺服系統(tǒng)及傳感器數(shù)據(jù)信息，為運維系統(tǒng)的實時監(jiān)測和其他功能的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[11]。

根據(jù)包裝機型號通過ICV對其所在的SCADA節(jié)點進行組態(tài)，不同包裝機具有不同的工作方式和工作數(shù)據(jù)，根據(jù)包裝機類型組態(tài)包裝機PLC的I/O狀態(tài)監(jiān)控、伺服系統(tǒng)參數(shù)、加熱工位溫度參數(shù)等界面，實現(xiàn)頁面中實時監(jiān)測包裝機的工作狀態(tài)和關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)，便于維護時技術(shù)人員更直觀地了解設(shè)備情況和故障定位。在此將SGA30A型包裝機作為監(jiān)測對象，對其進行運行狀態(tài)監(jiān)測畫面的設(shè)計與實現(xiàn)。

如圖4監(jiān)控畫面所示，畫面內(nèi)主要監(jiān)控SGA30A型包裝機設(shè)備的生產(chǎn)信息、生產(chǎn)產(chǎn)品信息合格率、設(shè)備的工作電流、電壓、功率等，并對包裝機的主控器、軸運動控制區(qū)和卷膜控制區(qū)的開關(guān)狀態(tài)進行信號燈顯示，便于直觀觀察各控制區(qū)狀態(tài)。

加熱工位共計12個，如圖5所示，監(jiān)測的狀態(tài)包括溫度測量值、溫度設(shè)定值、工作狀態(tài)。工作期間，設(shè)定一定的溫度區(qū)間，溫度達到設(shè)定值后，高于或低于目標溫度差值過多，監(jiān)控軟件將進行報警并提供解決方案，提示溫度整定或更換加熱管等。加熱期間，如果長時間沒有溫升，監(jiān)控軟件將報警提示加熱管損壞或熱電偶損壞。對每一次的溫度報警，ICV轉(zhuǎn)儲子系統(tǒng)會將報警信息轉(zhuǎn)儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中進行記錄，便于事后查看報警頻率評估設(shè)備所需更換配件。

圖4 設(shè)備生產(chǎn)信息

圖5 加工熱位信息

3.2 報警與事件子系統(tǒng)

在ICV中組態(tài)變量報警，配置各個變量的報警相關(guān)參數(shù)，將變量的異常變化產(chǎn)生報警并設(shè)置報警級別，報警級別是報警的一個邏輯分區(qū)，在報警與事件子系統(tǒng)中，可以產(chǎn)生報警的變量有若干個，為不同的報警設(shè)置不同的報警級別，在報警查詢及有特殊應(yīng)用需求時，根據(jù)報警級別進行查詢和區(qū)分。報警級別可選擇0~255級別，對需要存儲到數(shù)據(jù)庫中的變量報警在組態(tài)畫面中加入報警控件，在控件中加入腳本[12]。

此腳本功能是當處理報警時，會彈出窗口供工作人員填入確認信息，確認信息包括確認時間、確認人、節(jié)點名、確認理由。確認后該確認信息會存入關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的表格，方便工作人員記錄故障原因和后續(xù)故障查詢和定位。

3.3 趨勢子系統(tǒng)

趨勢子系統(tǒng)將變量配置為趨勢點，自動進行采集和存儲，用于過程趨勢的展示和分析，支持長達3個月的數(shù)據(jù)存儲。在組態(tài)畫面中插入趨勢圖控件，新增歷史趨勢點，為控件選擇需要監(jiān)控的封合溫度變量和伺服角度變量，在控件畫布屬性中添加如下腳本來監(jiān)控變量的變化曲線。

3.4 轉(zhuǎn)儲子系統(tǒng)

利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲子系統(tǒng)將事件、報警及實時數(shù)據(jù)，通過畫面配置方式轉(zhuǎn)儲到第三方關(guān)系數(shù)據(jù)庫。支持定時寫、定量寫、即時寫功能，復(fù)雜邏輯還可通過自定義腳本實現(xiàn)，并支持數(shù)據(jù)離線緩存。

首先，在ICV服務(wù)端配置中添加數(shù)據(jù)源連接，輸入要連接的數(shù)據(jù)庫名稱和數(shù)據(jù)庫的IP地址，并選擇數(shù)據(jù)庫類型，在此選擇SQL Server 2008作為關(guān)系數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲任務(wù)部署運行后，數(shù)據(jù)采集層采集到的數(shù)據(jù)將按設(shè)定時間周期自動轉(zhuǎn)儲至目的數(shù)據(jù)庫。

3.5 程序遠程上下載

當包裝機出現(xiàn)故障，運維工作技術(shù)人員通過ICV登錄包裝機所在SCADA節(jié)點后，查看運行客戶端運行畫面數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫中報警和事件進行故障分析和定位，解決辦法通常有更改組態(tài)畫面腳本程序，然后重新部署到該包裝機SCADA節(jié)點的運行客戶端，或利用PLC編程軟件修改PLC程序進行遠程上下載，或在線調(diào)試[13]。

4 結(jié)論

此系統(tǒng)設(shè)計完成后，經(jīng)過數(shù)月的實際運行測試，系統(tǒng)功能運行狀態(tài)良好。異地局域網(wǎng)組網(wǎng)后數(shù)據(jù)傳輸速率受網(wǎng)絡(luò)影響較小，網(wǎng)絡(luò)延遲在2 s以內(nèi)，遠程監(jiān)控效果良好，所設(shè)計的遠程維護手段能夠在包裝機故障后通過遠程運維系統(tǒng)穩(wěn)定高效地解決問題，完全滿足應(yīng)用需求。

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Research and Implementation of Remote Operation and Maintenance of Packaging Machine

FENG Dian-yi, SONG Tao, CHEN Hao

（College of Mechanical Engineering & Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

According to the requirements of remote maintenance of packaging machines, a set of C/S network structure remote monitoring and fault maintenance system is designed. The design process of the system structure is introduced in detail and the functions of each part of the system are explained. In the design process, the remote communication technology and key points are described. Through the configuration software of C/S structure, the data collection and data storage of the packaging machine are completed. The VPN tunnel communication technology is used to realize the remote monitoring and maintenance of the packaging machine. The remote debugging and downloading of PLC program are realized with the serial port to network port function of the serial port server. The performance and feasibility of the system are verified by remote communication test and simulation experiment, which effectively solves the problem that packaging machine manufacturers need to send engineers to the site frequently to deal with failures, and saves the maintenance cost for packaging machine manufacturers.

program remote download; VPN tunnel technology; serial device server; remote operation and maintenance

TH17

A

1674-3261(2020)04-0230-06

10.15916/j.issn1674-3261.2020.04.005

2019-11-18

馮殿義(1962-)，男，遼寧錦州人，教授，碩士。

責(zé)任編校：孫 林