云环境下塑料设备数据远程采集与监控技术研究

宋 建，储王涛，荆忠凯

（1.华南理工大学 广东省高分子先进制造技术及装备重点实验室，广州510640；2.华南理工大学 聚合物加工工程教育部重点实验室，广州510640）

近年来，我国已成为全球最大的塑料机械消费国，其消费额占全球市场的20%左右，并仍将持续高速增长。吹膜机和流延机等设备作为塑料机械中举足轻重的一员，在塑料加工行业应用广泛，对塑料产品的质量起关键作用[1]。然而，现阶段此类设备加工过程的参数采集仍依赖于操作员工，设备监控维护也局限于本地，时效性较差。随着智能制造新技术的蓬勃发展，这种传统的方式已经不能满足塑料设备应用厂商对于提升产品生产效率和生产质量的迫切需求[2]。

在此，根据塑料设备远程监控平台的功能需求，提出了一种基于云环境的塑料设备综合信息远程采集与监控技术。利用虚拟专用网络VPN（virtual private network）技术，将不同地理区域、不同网络环境的多台塑料设备接入云计算机； 采用C/S 模式，对远端塑料设备加工过程的数据进行采集与存储；采用B/S 模式，对塑料设备实时运行参数和历史数据信息进行远程在线监控。该系统实现了生产过程的数字化、信息化管理，提高生产效率和运行安全性。

1 系统方案设计

1.1 系统整体方案

塑料设备综合信息远程采集与监控系统，基于工业互联网技术，在云服务器环境下实现跨域塑料设备的远程接入和设备运行参数的采集与存储，根据监控需求在云计算机中进行相应的数据处理，并实现塑料设备加工过程的远程监控。

系统整体框架分为采集端、数据处理云端和监控端。1）采集端 底层设备在本地局域网硬件组网后，通过VPN 接入云服务器，由数据采集软件获取底层设备的实时运行参数，并存入云服务器端的数据库中。2）数据处理云端 云服务器根据监控需求对塑料设备运行参数进行加工处理，并预留第三方数据接口，以备数据分析、数据挖掘等二次开发使用。3）监控端 数据监控软件调用经云端处理过的设备数据，实现设备综合信息的动态呈现与远程监控。系统整体方案设计如图1 所示。

图1 系统整体方案Fig.1 Overall framework of system

1.2 软件体系

随着网络技术的不断发展，各种网络程序开发体系结构应运而生。其中，最常用的软件体系结构主要有2 种：C/S 模式即客户端/服务器（client/server）和B/S 模式即浏览器/服务器（browser/server）[3]。

C/S 模式给每台客户端安装专用的客户端软件，通过该专用软件访问服务器。这种方式将网络任务合理分配到客户端和服务器，降低系统通信的压力，其响应速度快，数据传输和处理效率高。同时，通过严格管理软件的使用范围，能够保证通信数据的安全，适用于专人使用的系统。

B/S 模式则是采用Web 浏览器访问Web 服务器，由Web 服务器操作数据库实现数据交互。该模式无需开发任何客户端软件，降低系统的开发和维护成本。同时，其跨平台性能强，升级扩展容易且操作简单[4-5]。

根据项目实际分析，数据采集端是PLC 与数据库的桥梁，具有特定性、安全性和快速性的要求，适合使用C/S 模式； 数据监控端的对象用户主要是设备的用户、供应商及高层管理，位于不同的地理位置和网络环境，访问媒介的操作系统也多种多样，对监控程序的兼容性和高并发性提出了较高的要求，适合使用B/S 模式。

经过综合分析系统的整体结构，软件体系采用了基于C/S 和B/S 的混合软件模式。系统软件体系结构如图2 所示。

2 设备远程接入实现

2.1 设备远程接入技术研究

随着智能设备的空前发展，全球范围内的联网设备已经远远超过IPv4 即网际协议版本4（internet protocol version 4）地址所允许接入的计算机数量。为了解决更多设备的入网问题，人们使用NAT（network address translation）和NAPT（network address port translation）这2 项技术，扩展局域网内可用的网络端口。此外，运营商为了更加规范化、便捷化地管理和使用IP 地址，使用DHCP（dynamic host configuration protocol） 技术进行主机地址的动态分配。因而，局域网内联网设备获取的IP 地址是动态变化的，致使公网上的服务器无法访问位于不同局域网中的设备。

图2 系统软件体系结构Fig.2 System software architecture

目前解决此类问题的技术方案主要有2 种：1）通过DDNS（dynamic domain name server）和DNS（domain name server）将局域网设备映射到公网；2）通过VPN 将局域网设备远程接入VPN 服务器。DDNS 方式的数据传输多使用明文传输，安全性低，且为每一个设备申请一个固定域名的手续繁琐，费用昂贵。VPN 技术采用虚拟专用网络，不需要搭建专门的物理线路，因而无需租用专门的通信线路，降低了设备的使用成本。另外，数据在通过VPN 的传输过程中进行了加密处理，能够保证通信过程的安全性，这一点在工业现场十分关键。

综上所述，选用VPN 作为远程设备接入方式进行系统搭建。

2.2 远程接入实现

在此，主要研究2 种不同PLC 控制系统的塑料设备，一种采用西门子S7-200PLC，利用有线网络与互联网相连，另一种使用西门子S7-1200PLC，利用3G/4G 网络与互联网相连。其中，S7-200PLC 不具备RJ45 接口，需要配备CP243-1 以太网模块来完成局域网内组网，并通过位于同网段的VPN 路由器，实现与云服务器的有线网络远程VPN 连接；S7-1200PLC 具有RJ45 接口，可以直接与支持VPN 的3G/4G 无线路由器连接，实现与云服务器的移动网络远程VPN 连接。

经过试验探究，Windows Server 2003 系统对VPN 的支持性最好，功能丰富且系统稳定[6]。然而，西门子S7-1200 PLC 的OPC 软件Simatic Net V12与该系统无法兼容，其在Windows Server 2008 系统中稳定性最好。故在云服务器中设计双主机工作模式，一台为VPN 服务器专用（称为接入主机），另一台用于安装采集软件和数据库软件（称为采集主机），与塑料设备的PLC 控制系统交互。接入主机和采集主机均选用腾讯云服务器，通过局域网LAN（local area network）互相连接。远程接入整体方案如图3 所示。

3 综合信息远程采集

3.1 塑料设备运行数据采集

图3 远程接入实现Fig.3 Implementation of remote access

数据采集软件开发环境选择Visual Studio 2015 IDE，框架选择Microsoft Net Framework 4.5，并利用C# 语言完成采集程序的开发，数据库系统选用MySQL 数据库。采集软件主要实现从塑料设备PLC的OPC 软件中读取设备的运行参数信息，进行界面显示，并定时存储到数据库中[7]。其程序流程如图4所示。

图4 采集程序流程Fig.4 Flow chart of acquisition program

在塑料设备数据采集之前，需要配置好MySQL数据库和PLC 的OPC 软件，使数据采集软件对PLC 控制系统数据能有效地读取并存储[8]。在此，基于OPC DA 即OPC 数据存储（OPC data access）规范，对服务器对象、组对象和项对象进行初始化，并注册OPC 服务器，实现数据采集程序调用塑料设备OPC 软件，进行设备运行数据的读取和加工参数的远程设定。通过远程设定加工参数，可以根据具体工况调整加工条件，无需操作员工现场监控与手动调参，大大提高生产效率。关键变量的显示和存储采用定时触发的方式，设置定时器，定时读取OPC软件中的设备参数值，实现数据库中设备数据的动态更新和监控端的实时显示。

3.2 地理位置信息采集

设备地理位置信息的采集需要借助外设硬件的支持，通过外设硬件的GPS 功能，进行塑料设备地理位置数据的采集。鉴于塑料设备的移动率低，为减少大量重复数据的采集和存储，在地理位置采集程序中设有特定阈值。当实时读取的位置数据与数据库中历史数据的差值变化超过该阈值时，则视为设备发生移动，应再次更新地理位置信息的存储。

通过外设硬件采集的经纬度地理坐标为度-分格式，需要按坐标转换算法将其转换为百度地图标准格式坐标，并在程序中调用百度地图开放的API，实现设备的地理位置显示与标定。此外，通过给位置标定点添加设备信息和超链接，将地理位置与设备数据互联，实现对特定设备地理位置的地图标定。塑料设备的地理位置标定如图5 所示。

图5 塑料设备的地理位置标定Fig.5 Geographical location calibration of plastic equipment

4 设备远程监控

数据自设备端采集入库后需要进行加工处理，通过B/S 模式实现Web 可视化监控。选取MyEclipse Enterprise Workbench 为 开 发 环 境，Tomcat 7.0 为Web 应用服务器，框架选择jQuery JavaScript，使用JavaScript 和Java 语言进行网页程序和服务器端程序的开发设计。

4.1 运行数据实时显示

设备运行参数的实时显示有2 种实现方法，即定时刷新页面技术和Ajax 技术。传统的Web 应用交互由浏览器向服务器提交HTTP 请求，服务器根据请求返回页面内容。使用定时刷新页面的方法，即使一个简单的数据更新的刷新操作，服务器都需要返回整个页面，响应速度慢。而Ajax 通过JavaScript 向服务器发送请求，服务器端进行异步响应，返回局部页面的更新内容，从而大大减少响应时间，提高用户体验。

设定MySQL 实时数据表，利用Ajax 技术定时读取数据库中设备运行的最新数据，返回到实时数据表中，实现设备数据信息的异步更新。塑料设备运行参数的实时显示如图6 所示。

图6 塑料设备运行参数实时显示Fig.6 Real-time display of operating parameters of plastic equipment

4.2 历史运行数据曲线

采用运行参数随时间变化的曲线来表征设备的历史运行状态，选用JavaScript 的开源图表库Echars 进行历史曲线的开发。数据库中数据以JSON格式从数据接口被读取到页面，并加载至Echarts图表中，将历史数据以曲线形式展现。曲线数据读取时序图如图7 所示。

此外，还设计了历史数据曲线的精确值显示和原始数据表转换，塑料设备温度曲线和主轴运行扭矩曲线如图8 所示。通过移动光标点，就可以精确显示数据曲线中任意点的精确数值。经过数据视图切换，将曲线图转为坐标数据，并提供记事本和Excel 表格格式下载，便于对数据进行数据分析、数据挖掘等二次开发。

5 结语

图7 数据读取时序图Fig.7 Data reading sequence diagram

图8 塑料设备历史参数曲线Fig.8 History parameter curve of plastic equipment

经过实际应用检验，该塑料设备综合信息远程采集与监控系统运行稳定性高、响应速度快，能够实时、精确获取设备数据信息，并能实现塑料设备运行状态的远程在线监测与数据共享，为设备的维护、调度以及生产计划的规划安排提供科学依据，有效提高工业生产制造的安全性和生产效率。