基于VPN技术的竹节纱生产远程监控系统

徐源钰，苏旭中*，刘燕卿，刘新金，张 娣

（1.江南大学，无锡 214122；2.生态纺织教育部重点实验室（江南大学），无锡 214122；3.无锡市金茂对外贸易有限公司，无锡 214000)

0 引言

作为花式纱线的重要品种之一，竹节纱是一种在长度方向上出现粗细节状态的单纱线，不仅产品的附加值高，产品的应用范围也广，广泛应用于牛仔布、窗帘、装饰用品等。竹节纱的生产参数包括基纱号数、节距、节长等，决定了竹节纱表面竹节的粗细及分布情况[1，2]。现有的ZJ-5A型数字式竹节纱智能生产装置，需要用户通过调节触摸屏来改变主控单元PLC中的运行参数，从而实现对竹节纱各项生产参数的设置。这种控制方式需要人工到现场对每一台生产设备进行一一操作，生产过程中的产品质量的把控也完全依靠人工来实现，因此生产效率难以得到提高。

随着“互联网+”的全面推进及“中国制造2025”的落地实施，物联网技术在纺织上的广泛应用让整个纺织行业所面临的产业升级压力、劳动力成本上升等问题迎刃而解[3，4]。为提高竹节纱生产的效率，本文采用VPN技术搭建竹节纱生产远程监控平台，对现有的设备进行改造升级，以实现竹节纱生产的远程监测与控制。

1 系统整体设计

1.1 系统功能简介

以ZJ-5A数字式智能竹节纱生产装置作为研究对象，深入研究竹节纱生产流程及设备运行状况，利用物联网技术实现远程端与现场设备之间的数据传输，这样用户只需在远程端发布命令即可操控现场设备，亦可在远程端查看设备的实时信息及历史信息，

该系统的使用能够有效的减少人工成本且提高生产效率，其中VPN技术的应用使得该系统兼具了安全性高、低成本、扩展性好等特点。该设计是在现有的生产设备的基础上添加了一套远程监控系统，无需对原有的硬件设备进行处理，简化了改造的过程、降低了设备改造升级的成本。

1.2 系统结构

基于VPN技术的竹节纱生产远程监控系统是将竹节纱生产设备的主控单元PLC通过网络交换机与信捷A-BOX模块进行网线连接，接着打开A-BOX网络模块的VPN功能，相当于在服务器端和主控单元PLC之间建立了“虚拟网线”，可将PLC中的竹节纱生产信息传输至远程的服务器端，通过PC端设计的界面即可查看竹节纱生产设备的各项数据信息；根据不同品种的竹节纱工艺参数的要求，用户在PC端将各项生产参数传至服务器端数据库中，接着在本地端通过OPC协议将这些数据传输至底层设备的控制核心PLC中，从而调整执行机构的运行状况以满足不同的竹节纱工艺要求。系统的整体结构如图1所示。

1.3 系统组网方式

系统中需选用传输稳定、抗干扰能力强的网络模块来实现数据传输，综合成本及各方面因素考虑后选用信捷公司生产的A-BOX网络模块，此产品支持多种协议，能够实现程序的远程修改和远程数据监控功能。竹节纱生产装置的主控单元为西门子S7-200(CPU 224) PLC，考虑PLC上的串口已与触摸屏连接，故添加一个带以太网口的通信扩展模块CP243-1。

系统中用网线将通信扩展模块和信捷A-BOX网络模块连接，并设置好相应的连接配置；远程的服务器端需打开A-BOX网络模块的VPN功能，从而将设备现场的数据传输至NI-OPC中，接着在Labview中实现NI-OPC与数据库间的数据双向传递；最后，客户端通过访问共享数据库实现远程数据的传输并显示于界面中。此外，客户端中的界面设计是根据用户实际生产需求及使用感受角度出发，设计出相应的画面供使用者方便、快捷地监测与控制现场设备参数。因而，本文设计的竹节纱生产远程控制系统不仅能够实现数据的远程双向传输，同时又能将这些数据进行保存，这对于日后历史生产数据的分析及故障诊断具有重要作用。综上，系统的通信结构如图2所示。

图2 系统通信结构

2 VPN技术及设置

2.1 VPN概述

在实际应用中，现场设备与远程服务器端通常不处于同一个局域网内，因此如何快速、高效、安全的实现数据传输成为了首要问题。VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）技术可以为数据的传送方与接收方在公用网上搭建一个虚拟的专用隧道，安全地传输经过加密的数据[5]。在远程传输数据时，具有着成本低、容易扩展、安全性高、稳定性好、支持新兴应用等有点[6]。

2.2 VPN的设置

VPN技术在竹节纱生产远程监控系统的应用实现了现场与远程监控中心（服务器端和客户端）的异地组网本地通信功能，效果如图3所示。

图3 VPN虚拟网络连接

利用A-BOX网络模块的VPN功能实现现场设备与远程监控中心间的远程数据共享，硬件上需要将A-BOX网络模块与竹节纱生产设备的PLC进行网线连接，接着在服务器端完成A-BOX模块的网络配置并打开A-BOX模块的VPN功能，具体步骤如下：

1）A-BOX模块的网络配置：网络模块A-BOX的工作模式共包含三种：模式A（4G）、模式B（WIFI）和模式C（有线网口），如图4所示。考虑到操作现场网络配备情况及网络安装快捷、方便等因素，选用了模式A（通过4G上网）。在模块的4G卡槽中插入一张电话卡，同时将A-BOX设置为模式A（4G）；接着配置局域网参数，此时需填入与PLC地址处于同一网段的IP地址。A-BOX网络模块参数配置完成后需重启A-BOX模块，重新上电后模块上的4G灯常亮、WIFI灯闪烁、LINK灯常亮，说明A-BOX模块的工作模式已设定为通过4G上网。

图4 A-BOX模块的网络配置

2）打开A-BOX模块的VPN功能：在VPN的功能选项中设置VPN相关参数时，虚拟网关的IP地址要与主控单元PLC的IP地址处于同一网段中，设置完成后再重新写入、启动VPN，这样就打开了A-BOX网络模块的VPN功能。

3 远程监控中心设计

基于VPN的竹节纱生产设备的远程监控系统的远程监控中心以美国虚拟仪器公司研发的Labview软件作为开发平台，选用对应的NI-OPC服务器作为数据传输的媒介。Labview是由美国国家仪器（National Instruments，NI）公司研发的一款程序开发软件，最大的特点是采用图形化编辑语言来进行程序的编写，从而使得编程及使用过程都更为生动灵活[7]。

竹节纱生产设备的远程监控中心包括服务器端和客户端，两者的数据交互过程如图5所示。PLC中的数据经NI OPC服务器传至数据库，再通过数据库的共享功能将竹节纱生产参数展示于客户端界面；客户端界面设置的竹节纱参数值写入到数据库中，同时服务器端将数据库中更新的参数值写入NI OPC中，从而改变PLC中相应寄存器的值，即改变设备运行参数。服务器主要负责数据的采集与存储，而客户端作为移动终端可随时随地访问服务器端，用户可通过Labview软件根据自身习惯及实际生产需求来设计系统的各个界面，可方便迅捷地了解现场竹节纱生产设备的运行参数及状况。相比于传统生产设备上的触摸屏控制，客户端能够根据用户需求完成定制界面，如历史信息的查阅、数据以报表形式存储到本地电脑中的固定位置等；亦可代替触摸屏进行远程控制竹节纱设备。由此可见，这样能使对竹节纱设备的控制更智能化，也为后期的设备维护提供数据参考。

图5 服务器端和客户端间的数据传递

3.1 服务器端

服务器端主要完成对竹节纱生产设备运行参数的设置与监控，包含两部分内容：将数据库中的值传输至PLC中对应竹节纱生产参数的变量地址、将PLC中的竹节纱生产参数值更新至数据库相应的表格中。

首先，将A-BOX网络模块通过网线与西门子以太网扩展模块CP243-1连接；接着在NI OPC中建立通道，在其中选择Siemens TCP/IP Ethernet作为设备驱动的协议。一个通道可包含多个竹节纱生产装置中的PLC设备，并在设置中选择具体的设备型号：S7-200 PLC。为控制PLC中的数字输入模块、数字输出模块和内部继电器，需在具体的设备下配置标签，使得NI OPC中设备的标签与PLC的寄存器地址一一对应；根据PLC程序中的参数变量地址，在NI OPC中建立相对应的数据通信地址标签，如：前罗拉转速、后罗拉转速、基纱长度、竹节长度和倍率等，竹节纱生产设备的NI OPC标签配置如图6所示。

图6 NI OPC标签设置

传统的竹节纱生产装置通常将生产信息存于触摸屏内存单元中，数据的存储量受到内存容量的限制，且历史数据往往只能存放一段时间。而在信息智能化的大数据时代，数据的存储及分析显得尤为重要。因此该系统选用了SQL Sever数据库作为竹节纱生产设备的历史生产数据的存放后台，不仅能够海量存储竹节纱设备的生产信息，还可供故障诊断、机器学习等数据分析使用，具有长远的意义。该系统中将竹节纱参数管理数据库命名为“Test”，在该数据库中新建若干数据表，每个数据表存放着竹节纱的生产参数，并把同一类型的数据存放于同一个表中，至此，该系统的SQL Sever数据库构建完成。

竹节纱远程控制平台借助Labview软件及NI OPC服务器实现竹节纱设备主控单元PLC与SQL Sever数据库之间的数据交互，如图7所示。其中，图7(a)表示的是数据库中的竹节纱生产参数传递至主控单元PLC中的寄存器中：程序位于FOR循环中表示不断读取数据库相应表中的所有参数，并将这些参数分别索引至不同的显示控件。由于这些显示控件通过NI OPC与主控单元PLC中的变量地址已数据绑定，从而将数据库中的值传入至PLC中，即可改变竹节纱生产设备的工艺参数。图7(b)表示的是将主控单元PLC中的竹节纱生产参数传递至数据库的相应表格中：程序同样位于FOR循环中，目的是将已完成数据绑定的输入控件中的竹节纱生产数据传输至数据库的表格3中。由此完成了竹节纱生产远程控制平台中服务器端的搭建，同时为后续客户端的开发及使用提供数据支持。

图7 竹节纱设备主控单元PLC与SQL Sever数据库之间的数据交互

3.2 客户端

客户端主要完成两个任务：将存储于数据库中的竹节纱生产信息显示在客户端界面和将客户端中用户设置的生产参数传递至数据库中。由于数据库具有共享功能，因此竹节纱生产远程监控平台中服务器端和客户端的数据库信息始终保持一致，也为服务器端和客户端之间的数据传输提供“桥梁”作用。客户端的管理界面使用Labview软件根据用户经验来进行个性化设计，以此来满足用户的实际生产操作需求。其中，Labview软件与竹节纱生产设备控制核心PLC间的数据传输通过NI OPC服务器及SQL Sever数据库完成，这样在PC客户端就能完成对竹节纱生产设备的监测与控制。

首先，在Labview的前面板控件属性中利用Datasocket网络通信技术对NI OPC中的竹节纱设备参数标签进行数据绑定，这样就使得Labview能够通过NI OPC读写竹节纱生产设备控制核心S7-200 PLC的寄存器内容。其次，Labview软件为SQL Sever数据库的管理操作提供了丰富的指令，进而方便竹节纱生产远程控制平台的数据管理及操作。Labview中的Database函数包含了数据库的许多操作指令，如连接数据库、插入数据至数据库、打开和关闭数据库等功能：例如当竹节纱生产远程控制平台对数据库进行访问时，需要与相应的数据库进行连接，这里就要用到Database函数中的连接数据库（DB Tools Open Connection）指令，需要在引脚部位填上三个信息：用户名、密码和连接信息，连接信息指的是所连数据库类型、名称及数据库地址。

Labview的程序面板中使用“事件结构”指令来处理由用户设置引起的竹节纱生产参数值变化，从而将改变后的生产参数更新至数据库；同时又能够实时掌握竹节纱生产设备的运行情况，并通过客户终端查看竹节纱生产的历史数据信息。当用户在客户端界面设置竹节纱生产参数后，事件结构立即响应该事件所对应的程序，并将设置值同步到数据库中，又由于服务器端和客户端共享一个数据库，所以服务器端将用户设置的生产信息写入到主控单元PLC中，即可改变竹节纱设备的运行参数[8]。当竹节纱生产信息中的部分数据需要供用户参考时，主控单元PLC中的竹节纱生产数据经VPN技术传至本地端的数据库，再由客户端将数据库中的生产信息展示于客户端的界面中。

3.3 运行调试

基于VPN的竹节纱生产远程监控系统中，PC客户端设定竹节纱基本的生产参数的操作界面如图8所示。

图8 调试结果

4 结语

该系统利用VPN技术及A-BOX远程通讯模块等设备，在PC客户端即可远程实现对竹节纱生产设备的各项生产参数进行设定和生产状况的实时监测，并能够保存历史生产数据，便于日后数据分析及故障诊断。系统具有着安全性高、低成本、扩展性好、运行稳定等优势，使用后可有效地节省人工成本，提高竹节纱的生产效率，推动智能化工厂生产和管理的实现。