流程自定义的工业数据监控系统设计与应用

胡文强　胡建鹏　张彭明　薛斌　赖罗斌

摘要：为解决在5G环境下工控系统在数据采集与回送部分的设备兼容性问题，以及在数据可视化方面缺少灵活性与定制性的问题，设计了面向多变需求自定义生产流程的数据监控系统。该系统通过采用物联网技术实现了设备状态监控的基础功能，同时开发了设备兼容性良好的5G智能边缘网关中间件;对SVG-Edit开源项目进行了二次开发，使系统具有灵活部署工控场景的功能。该系统为工业互联网的应用服务提供了新思路。

关键词：工业互联网;数据采集;可视化;SVG技术;状态监控

【Abstract】Inordertosolvetheproblemofequipmentcompatibilitybasedon5Gindustrialcontrolsystemindatainteraction，aswellasthelackofflexibilityandcustomizationindatavisualization，acustomizedproductionprocessdatamonitoringsystembasedonever-changingrequirementsisdesigned.ThesystemrealizesthebasicfunctionsofdevicestatusmonitoringbyusingInternetofThingstechnologyanddevelops5Gintelligentedgegatewaymiddlewarewithgooddevicecompatibility.ThesecondarydevelopmentofopensourceprojectSVG-Editenablesthesystemtoflexiblydeployindustrialcontrolscenarios.ThesystemprovidesafirmtheoreticalfoundationandreferencevalueforindustrialInternetapplicationservice.

【Keywords】industrialInternet;dataacquisition;visualization;SVGtechnology;statemonitoring

作者簡介：胡文强（1994-），男，硕士研究生，主要研究方向：多元信息融合、室内定位;胡建鹏（1980-），男，博士，副教授，主要研究方向：软件工程、数据挖掘、云计算。

0引言

随着5G技术的商用落地，以物联网为代表的新兴技术快速取得突破，为未来工业领域的发展带来了新的机遇，以工业互联网为核心的第四次工业革命正在迅速推进。工业互联网系统构建了一种云边协同的工业数据采集和分析应用的服务体系，同时对企业内部的各工业制造系统，如MES、ERP与PLM等进行逻辑上的智能控制，实现了整个工业生产过程的自动化执行，工业控制系统正在向网络化、集成化与智能化方向发展[1]。

基于B/S的工业监控系统具有便捷的开发、维护与使用流程，系统平台主要将其核心功能集成在服务器端，目前得到了较为广泛的使用。李勃良[2]提出了一种基于PLC和工业现场总线技术的电力监控系统解决方案，根据船舶电力应用场景，实现了对系统电力参数的监控。冯金金等人[3]设计并提出了一种基于工业互联网的数控机床数据采集平台，实现远程感知、实时监测和功能动态扩展。侯一鸣等人[4]利用物联网技术实现了对选矿设备运行实时数据的感知与监测，并且提出了基于物联网和工业云的选矿设备状态监控系统。赵炯等人[5]提出了一种面向工业应用的通用远程数据采集器设计方案，引入了基于Web服务器与数据库的实时配置功能，满足了工业上对数据采集系统扩展性与灵活性的需求。高慧慧等人[6]构建了4种新型可视化工具，包括基于信息融合的解释结构模型、层次高密度报警图、层次优先级色彩图、性能水平趋势图，实现了报警与评估的系统功能。

上述研究对系统的实时性、跨设备以及可视化等方面进行了探讨，但数据采集方面没有较好地考虑设备兼容性问题，在数据可视化应用上灵活性差，面对工业生产环境复杂多变的需求，不能为工程业务提供适应性良好的平台搭建效果。为此，本文采用了基于云服务器的远程监控系统，通过物联网技术，实现对PLC设备的远程监控管理，能够提供在线监控、故障及数据查询、分析、统计功能。5G智能边缘网关部分开发了能兼容多种下层设备的系统中间件，同时对开源项目SVG-Edit进行了二次开发，能为用户提供快速构建工控系统监控功能的通用软件服务。

1数据监控系统的设计

基于B/S模式的PLC远程监控系统有3种常见实现方式：组态软件、有Web功能的控制器和云服务器[7]。其中，组态软件是一种能够进行数据采集与监控的专用开发软件，实现了与控制软件及智能装置的无缝对接;基于PLCWeb服务器的远程监控系统将Web服务器内嵌到PLC中，使信息交互变得更加便捷;基于云服务器的远程监控系统以智能网关作为现场设备及控制系统与云服务器通信的桥梁。本文采用了基于云服务器的远程监控系统，其系统结构如图1所示。

系统可分为3层结构，分别是：感知控制层、网络通信层与应用服务层[8]。对此拟做阐释分述如下。

（1）感知控制层。由传感器终端和控制器终端组成，其中传感器终端主要对环境参数进行采集并上传给上一层结构，控制器终端的主要作用是对现场设备进行控制。

（2）网络通信层。通常由智能网关与平台服务器组成，是系统数据的重要传输通道，其中智能网关具备工业协议解析、数据过滤和分发等核心功能，可支持多种主流工业协议，向下兼容不同的现场设备与控制器，能通过5G、Wi-Fi等无线传输技术，将信息传送至云服务器。

（3）应用服务层。是流程数据监控系统实现人机交互的关键部分，也是系统数据传输的最上层，应用服务层的设备可通过网络连接平台服务器，再由平台服务器与智能网关进行信息交互。

2数据监控系统关键技术

2.1智能边缘网关

5G边缘网关具备工业协议解析、数据过滤和分发等核心功能，同时具有跨平台、易使用和二次开发等特点。系统适配多种接入和协议转换，具有较强的下层设备与上层服务的兼容性。

智能网关的系统中间件驱动程序可以通过Modbus、SiemensSnap7以太网套件以及OPCUA等方式收集PLC数据，并通过UDP协议将数据发送给MQTT客户端，MQTT客户端再通过MQTT协议将数据上传至代理服务器。最终，用户通过订阅方式接收PLC数据，从而实现对PLC的监控。智能网关数据流如图2所示。

2.2服务器系统

服务器系统在云计算设施的基础上进行数据分析处理后发布对应的应用服务，系统主要包含2个部分：实时数据库与Web服务器。这里将对此展开研究论述如下。

2.2.1实时数据库

实时数据库是指对数据和事务都具备显式实时限制的数据库系统，使用时序约束来表示数据在一定范围内的有效值，能实时处理状态不断变化的工作负载，并保持数据一致性，同时为上层系统提供数据支撑服务。实时数据库需要满足对数据信息进行采集、指令下发、报警及数据处理等操作的实时要求。

工业监控系统实时数据库总体框架如图3所示。由图3可知，除了实时数据库以外，系统还包括数据采集模块、数据处理模块及应用程序接口模块[9]。其中，数据采集模块负责对现场设备进行数据采集与控制指令的回送;数据处理模块主要处理业务数据，具体包含了实时数据处理、报警处理与历史数据处理;应用程序接口模块作为数据的最上层，主要负责数据调用与控制命令的传输。

2.2.2Web服务器

系统采用了Node.js技术进行Web后端开发，Node.js是一个封装了GoogleV8引擎、基于ChromeJavaScript运行时的平台，用于方便地搭建扩展性良好、响应速度快的网络应用。Web服务器同时包含了MQTT代理服務器。

2.3前端可视化系统

应用服务层主要将设备管理系统通过在工业云上进行部署来完成状态监控系统的服务化，同时提供实时状态检测服务、运行统计分析服务、故障/异常工况报警服务、自定义画面生成服务、在线故障诊断服务，以及其他的应用服务等。

2.3.1SVG-Edit

SVG是一种基于XML的具有可伸缩性的矢量图形技术。利用SVG中各种不同对象，以及相应的脚本程序，就能实现工控系统可视化图形的绘制与动画功能[10]。

本文对工控系统常规可视化效果进行了总结分析，如图4所示，同时对SVG-Edit进行了二次开发，对生成的图形进行动画事件绑定，主要包含8种动画类型，分别为：文字动画、颜色动画、图形显示与隐藏动画、填充动画、位置动画、伸缩动画、旋转动画以及点击事件的添加。

2.3.2vue-element-admin

Vue.js是一套用于构建用户界面的渐进式框架，可自底向上逐层进行应用开发。vue-element-admin则是基于Vue的一个后台前端解决方案，具有动态路由，权限验证等基础功能，提炼了典型的业务模型，其效果图如图5所示。

3数据监控系统的开发与应用

3.1系统演示

基于上述研究内容，利用物联网数据采集技术和微服务架构对状态监控系统进行了设计和开发。系统部署在阿里云上，并进行平台的运维和应用服务的实时监控等。系统主要包含了系统管理、数据管理、画面布局、图形画面四个部分，如图6所示。

3.2系统验证

应用系统平台完成了状态监控系统的初步验证，系统采用Siemens的S7系列PLC设备做测试。PLC与5G智能边缘网关通过ModbusRTU通信协议进行信息传输。由结果可知，智能边缘网关能够通过5G网络将采集到的数据传输到云端，利用二次开发后的SVG-edit，用户可自行增添系统功能来满足定制化的需求，如增添系统操作变量或报警信息等。同时系统能够进行远程实时监控，以及设备管理与报警查询，并对设备进行远程故障诊断，结合现场设备运行状态，实现对设备的远程遥测与故障排查。

4结束语

本文针对目前状态监控系统存在的问题与不足，利用移动互联网、互联网、云计算和大数据等信息技术构建了基于工业云和物联网的自定义生产流程数据监控系统。该系统设计开发了5G环境下具有良好设备兼容性的智能边缘网关中间件，可支持主流的PLC设备，同时二次开发了开源项目SVG-Edit，满足了系统根据不同场景进行灵活部署的功能需求，最终形成了实时状态检测服务、运行统计分析服务、故障/异常工控报警服务、自定义画面和历史数据趋势分析等应用服务，从而可以为不同场景提供定制化的设备监控服务。

参考文献

[1]罗军舟，何源，张兰，等.云端融合的工业互联网体系结构及关键技术[J].中国科学（信息科学），2020，50（2）：195-220.

[2]李勃良.基于PLC技术和工业现场总线技术的船舶电力监控系统设计[J].舰船科学技术，2020，42（16）：118-120.

[3]冯金金，邓昌义，张健.基于工业互联网的数控机床数据采集平台应用研究[J].制造技术与机床，2020（3）：124-129.

[4]侯一鸣，徐泉，李亚杰，等.基于物联网和工业云的选矿设备状态监控系统[J].计算机集成制造系统，2017，23（9）：1972-1982.

[5]赵炯，杨天豪，肖杰，等.通用嵌入式远程数据采集器研究与设计[J].自动化仪表，2019，40（1）：53-57，61.

[6]高慧慧，徐圆，朱群雄.过程工业报警系统可视化监控技术及应用[J].化工学报，2015（1）：215-221.

[7]郭琼，姚晓宁，钱晓忠，等.基于PLC的远程监控系统研究及实践[J].实验技术与管理，2019，36（5）：94-97.

[8]冯炜君.基于MQTT消息路由的智能家居网关的研究与实现[D].广州：华南理工大学，2017.

[9]朱春雪.基于国产平台的工控组态软件实时数据库设计[D].太原：中北大学，2020.

[10]王惠.基于SVG技术的网页可视化视觉符号交互系统设计[J].现代电子技术，2020，43（16）：135-137，141.