智能真空热处理炉远程监控系统设计与实现

邢 星，罗建岩，贾志淳，于占东，于 震，付 莹

(1.渤海大学 信息科学与技术学院，辽宁 锦州 121013；2.辽宁省智能真空冶金装备设计与制造工程技术研究中心，辽宁 锦州 121013)

0 引 言

随着社会的发展和技术的革新，人们的生活需要和物质追求日渐提高，因此对生产质量的要求也越来越严格，同时对绿色制造也提高了标准。而绿色、高效的现代高新技术的发展紧密地依赖高品质金属材料技术的发展。虽然中国是金属材料大国，金属产量占据世界前列，但还不是金属材料强国[1]。相比于国外高质量金属材料产业，中国高品质的金属材料研发的总体水平与发达国家尚有差距，主要表现在创新能力不强，拥有自主知识产权的专利成果不多，核心技术受制于人，应用开发较落后，成果转化率低；高性能、高附加值的产品相对较少，高品质金属材料的产学研一体化程度不高，高品质金属材料产业技术集成能力差，难以大规模工业化生产。加工技术及装备制造水平低，资源和能源利用率低，高品质金属材料产业还未从根本上实现由资源密集型向技术密集型、劳动密集型向高效经济型的转变。

在新一轮科技革命和产业变革大势下，全球新材料产业格局发生重大调整。新材料与信息、能源、生物等高技术加速融合，互联网+、材料基因组计划、增材制造等新技术新模式蓬勃兴起，新材料创新步伐持续加快，国际竞争日趋激烈。在此大背景下，中国高度重视新材料产业发展，目前通过纲领性文件、指导性文件、规划发展目标与任务等构筑起新材料发展政策金字塔，予以全产业链、全方位的指导。为了促进高质高效的绿色生产，真空冶金技术获得蓬勃的发展和广泛的应用[2]。真空冶金是指在小于大气压下进行的冶金作业，真空冶金的应用是建立在真空技术的进步和广泛应用基础上的，具备对环境无污染或极少污染、流程短、占地面积小、基建投资少、能源和原材料消耗少及金属回收率高且不易氧化、简化劳动作业条件等许多独特的优点。20世纪70年代至80年代间，真空热处理技术主要应用于油气淬火。在此之后真空热处理技术的应用领域日益扩大，真空热处理技术不断进步，与之相关的各种设备和装置不断发展并日渐增多。

目前，中国已能自主生产种类繁多的真空泵、真空阀、真空仪表等真空热处理技术的主要设备以及其他的配套设备，并在质量和性能上赶超国外同类产品。真空冶金装备主要包括真空热处理炉、真空感应熔炼炉、真空蒸馏炉等。现有的真空热处理设备存在操作繁琐和安全隐患大等问题，严重影响了真空热处理设备的发展与普及。针对真空热处理设备的这些问题，文中提出了一种智能真空热处理炉的远程监控系统，该系统使用了Modbus、WebSocket等技术，实现了本地设备、服务器和客户端之间的数据传输和实时通讯，在保留设备的本地控制的同时实现了真空热处理设备的远程操控和管理，大大降低了真空热处理设备操作的复杂性。同时，在生产过程中将设备和人员分离，保障了操作人员的人身安全，间接降低了安全隐患。

1 架构设计

为实现本地设备、服务器、客户端三者之间的数据传输和实时通讯并提高系统的实用性，方便完善和扩展业务，设计了如图1所示的系统架构[3]。智能真空热处理炉远程监控系统分为设备控制层、数据传输层、云端服务层和远程控制层四部分[4]。设备控制层负责真空热处理炉的控制，包括温度控制、真空控制、工艺流程控制等设备层的控制；数据传输层是数据传输模块，将采集到的数据信息通过网络传输到远程服务器，负责设备控制层和云端服务层的数据传输和通讯；云端服务层是基于云技术的远程设备监控和管理平台；而远程控制层则负责系统与用户的交互。数据通过固定协议逐层传递以实现系统的数据传输与通讯。

图1 智能真空热处理炉远程监控系统总体架构

1.1 设备控制层

设备控制层包括本地集中控制单元、保障子系统、真空子系统、加热子系统、运动子系统、整机HMI、整机操作面板以及远程温控表等。设备控制层的架构如图2所示。

图2 设备控制层架构

可编程控制器(PLC)组建本地集中控制单元用于协调各部分工作、接收本地和远程的操作指令、执行热处理控制、实现连锁保护功能。整机HMI和整机操作面板用于现场的人机操作、超级用户登录、普通用户登录、用户管理登录、系统状态面板显示、流程控制、分段单元控制操作设置、固定流程操作等。各子系统通过不同的继电器与本地控制器相连，受可编程控制器控制并向控制单元反馈水压、真空度、温度等重要信息，用于实现加热工件、温度控制、自适应加热物料及工况、真空的建立与保持、误操作保护、报警等功能。

本地集中控制单元与整机HMI和远程温控表之间采用Modbus-RTU通信协议来实现数据交互。Modbus通讯协议采用主从式的通信模式，只允许在控制器和终端设备之间的数据往来，而不允许独立的设备之间相互交换数据[5]。Modbus-RTU通信协议采用二进制的表现形式具有紧凑的数据结构和较高的通信效率。Modbus-RTU使用数据帧的形式实现请求和响应[6]，其通讯格式如表1所示。

表1 Modbus-RTU通讯数据帧格式

当主机需要从机执行任务时向从机发送请求，先将从机地址存入地址域，将该任务所对应的代码及执行该功能所必须的数据分别存入功能域和数据域，错误校验域包含两个8位字符，其内容是通过对消息内容进行循环冗长检测方法得出。Modbus通过请求内所封装的地址找到对应从机，当从机接收请求时重新计算错误校验域内的冗余循环码，并与错误校验域内的冗余循环码进行比较，若两者不同说明请求有误不予执行，这样就避免了在数据传输过程中产生的数据异常而导致的从机错误操作；若相同则根据功能域内的代码执行任务。从机执行任务后给主机返回响应。从机将地址存入地址域表明信息来源，将其执行功能的代码存入功能域，将从机执行动作或从机采集的返回信息存入数据域，计算信息的冗余循环码存入错误校验域用于主机接收响应时的错误检测[7]。

1.2 数据传输层

数据传输层由数据传输中转站构成，使用串口通讯将采集到的数据信息通过网络传输到远程服务器，主要负责设备控制层与云端服务层的通讯与数据传输。串口通信部分基于帧的传输思想，即工控机发送的数据以帧为单位，一帧一帧发送，设备接收到一帧数据之后，要有一个应答，应答时，把设备的状态顺便发送给工控机。工控机接收到设备的状态后，在本地备份一份，以便当云端连接以后，向云端传输设备的当前状态(或者云端不连接的时候，工控机没有任何动作，直到云端连接之后，才开始与设备通信)。串口通讯的传输格式如表2所示。

表2 串口通讯的传输格式

在工控机启动并初始化完成之后，向设备发出握手帧，此时设备要比对设备编码是否一致，一致则产生令牌码，不一致就返回错误，不接受控制。

数据传输过程中，下位机接收到报文的顺序如下：

(1)接收握手报文；(2)下载数据指令(设置温度曲线)；(3)开始运行指令；(4)关闭设备指令。

1.3 云端服务层

智能真空热处理炉的云端服务层是基于Windows操作系统，使用Java语言开发，采用B/S程序架构，使用Struts，Hibernate，Spring开发框架和Tomcat和MySQL等技术开发的基于云技术的远程设备监控和管理平台。由于智能真空热处理炉远程监控系统主机与从机之间是一对多的关系，在这种关系下为了实现智能真空热处理炉远程监控系统的远程客户端对从机设备的监控与管理，智能真空热处理炉远程监控系统的云端服务层采用B/S架构。

B/S架构是Web兴起后的一种网络结构模式，这种模式将系统功能的实现核心部分放在服务器上，统一了客户端，通过这种方式可以简化系统的开发、维护和使用。由于系统的实现核心被放在服务器上，客户端得到极大的简化，在服务器上安装SQL Server、Oracle、MySQL等数据库，客户机只需要一个浏览器，用户就可以使用浏览器通过Web Server同数据库进行数据交互。B/S架构采取浏览器请求和浏览器响应的工作模式[8]。用户通过浏览器访问Internet上由Web服务器产生的文本、数据、图片、动画、视频和声音等信息。大量的数据实际上被存储在数据库服务器中，每一个Web服务器可以通过使用各种方式与数据库服务器连接。图3所示的是B/S架构的运行原理，其工作流程如下：

图3 B/S架构的工作原理

(1)客户端发送请求：用户在客户端提交表单，发送请求，等待服务器响应；

(2)服务器端处理请求：服务器接收请求并处理，使用服务器端技术处理请求数据，并产生响应；

(3)服务器端发送响应：服务器端把客户端请求的数据返回给浏览器；

(4)显示页面：浏览器解释并执行HTML文件，呈现用户页面。

B/S架构底层支持TCP/IP协议，可以做到Web网和局域网的连接，因此不存在异构系统的连接问题，大大提高了系统的适应性和重用性。精简的客户端使得系统的开放性得到极大的改善，系统对将要访问系统的用户数量的限度有所提升。使用B/S架构，系统的维护和扩展变得更加集中和容易[9]。

1.4 远程控制层

远程控制层是智能真空热处理炉远程监控系统的客户端，负责与用户进行交互，使用户实时掌握设备状态并进行控制与管理[10]。对于智能真空热处理炉远程监控系统，通信实时性是一项最重要的指标。服务器接收到监测数据后，需要即刻将数据推送到客户端，实时刷新客户端的数据，使用户实时掌握设备的状态和信息，从而使异常发生时，用户能够在第一时间掌握设备信息与运行状态，第一时间做出反应。为了实现客户端与服务器之间的实时通讯，使用轮询和长连接都无法满足智能真空热处理炉远程监控系统的需要。轮询是在设定的时间间隔由浏览器发送请求，若服务器有新信息则由响应带回。这种方法需要服务器具有很快的处理速度和资源。长连接也是使用轮询的方式，采用阻塞模型，即浏览器发起连接后，会一直等待，直到有新信息返回，然后客户端再次建立连接。这种方法需要有很高的并发。这两种方式都太过被动，只能由客户端询问服务器，而服务器不能主动联系客户端，因此选择了采用WebSocket实现实时通讯[11-12]。

2 功能设计

智能真空热处理炉监控系统的流程如图4所示。图4的左边是智能真空热处理炉的启动流程，图4的右边是智能真空热处理炉的停止流程。

图4 智能真空热处理炉监控系统的流程

通过对真空热处理炉的生产和管理过程中的需求分析，抽离出几个功能模块。这几个模块之间相互独立，且耦合度较低，有利于系统的维护和扩展，同时能提高开发效率[13-15]。如图5所示，系统划分为系统管理、设备管理、工艺管理和监控报警四个功能模块。

图5 系统功能模块结构

2.1 系统管理

系统管理包括用户管理、权限管理和编码维护三个功能。用户管理负责管理用户的添加、删除、修改等功能。权限管理用于修改用户权限。编码维护用于设置系统运行相关的数据信息。智能真空热处理炉远程监控系统是基于云平台的多用户系统[16-18]，用户基于权限进行划分，赋予不同的用户以不同的操作权限。用户分为普通用户、超级用户和系统管理员。普通用户使用设备面板进行操作时，需要远程访问通过后，才可以启动本地设备。超级用户登陆时，经本地控制器核实，可以直接启动。系统管理员负责增添、删除用户，修改用户权限和系统的管理和维护。

2.2 设备管理

设备管理功能模块作为智能真空热处理炉远程监控系统的核心功能模块之一，包括设备状态监控、设备远程控制和温度曲线对比三个主要功能。设备状态管理负责监测设备状态(开关量)、实际温度曲线、功率曲线、设备工作状态(自动状态或手动状态)及系统推送等内容。设备远程控制负责远程控制设备的启动和停止。温度曲线对比可查看用户设置的温度曲线和设备。

2.3 工艺管理

工艺管理是智能真空热处理炉生产和加工过程中最重要的一环。智能真空热处理炉远程监控系统的工艺管理功能模块包含温度曲线设置和温度曲线查看两个主要功能。用户通过温度曲线控制功能设置设备的温控曲线，使用该功能用户可以任意添加和修改升温、降温的温度曲线控制段。温度曲线查看功能可查看用户设置的温度曲线，用户确认无误后，下载温度先到本机设备，当温控数据完成准备即可进行自动生产。

2.4 监控报警

监控报警提供了设备状态的实时监控、异常报警和消息推送等功能[19-20]。通过该功能模块，用户可以更好地掌握智能真空热处理炉的状态，当异常发生时监控报警可以更快地通知用户或管理人员，提示异常并及时采取相应的措施，保障设备和人身安全。

智能真空热处理炉远程监控系统的监控报警功能的报警内容如下：

(1)水压传感器，水压正常为0，当欠压时，报警停机。

(2)电力电子模块温度传感器，温度正常为0，当过温时，报警停机。

(3)加热电源过压，电压正常为0，过压=1，停机报警。

(4)加热电源欠压，电压正常为0，欠压=1，停机报警。

(5)加热电源过流，电流正常为0，过流=1，停机报警。

(6)加热电源进入容性区，感性负载为0，容性负载=1，容性负载时停机报警。

3 系统实现

智能真空热处理炉远程监控系统的软件部分，运用Java语言开发，选择Tomcat9作为系统应用服务器，数据库使用MySQL，使用SSH框架进行开发。硬件部分选择使用西门子S7-200作为本地控制单元的可编程逻辑控制器，使用Eview ET070作为人机交互的触摸屏。按照第2节所介绍的架构方式所搭建的智能真空热处理炉如图6所示。

图6 智能真空热处理炉

智能真空热处理炉可由工业触屏进行本地操作或使用上位PC进行远程控制。用户通过本地触屏或远程PC设置设备的温控曲线，用户可以任意添加和修改升温、降温的温度曲线控制段。用户设置的温度曲线和实际的温度曲线均可在远程的PC端进行查看。用户可在远程的控制端对设备进行工艺管理、设备管理和物料管理等操作。用户也可在远程控制端监测设备温度和功率，可进行设备开关、操控模式切换、动力电断和、继电器开关、机械泵开关、循环水泵开关、真空阀开关、控制切换以及模式切换等操作。

4 结束语

设计并实现了智能真空热处理炉远程监控系统，有效地避免了传统真空热处理设备的安全隐患，同时有效地降低了真空热处理设备操作的复杂性。实现了真空热处理炉智能化的远程监测和操控。通过本系统真空热处理炉的生产过程摆脱了本地操作的约束，将人与机器分离，提高真空热处理炉的安全性能，规避了生产过程中可能的风险。