基于VNC工业控制监控系统的设计研究

吴浪武, 吴静进, 吴馨芳, 张 燕

(南昌大学科学技术学院，江西 南昌 332020)

0 引言

近年来，远程控制是一种以网络信息推送为基础的服务提供方式, 主要应用于异地之间展示远端用户的信息。 远程同步控制利用网络打破了地域与硬件的限制，拥有非常大的市场占有率。利用这些将装有安卓系统的手机或平板电脑对目标物体进行监控，既保证了监控过程的连续性与方便性，又具有低成本和普遍性的特点，代表着未来监控平台的发展方向。特别是当前工业控制环境下的自动过程控制。机械手作为工业自动化系统中典型的机械传动机构，主要包含电气、气动、机械、 PLC 和触摸屏等元件。在很多工控现场，拉线不方便或拉线成本很高，就需要用到无线方式，现在无线远程通讯已经大量运用到工控项目中。目前在工业控制中主流的无线通讯的方式有数传电台、GPRS、3G/4G等模式。因为数传电台无线通讯有着后期不需要运营其他费用的特点，所以特别适合近距离无线通讯。本次研究以昆仑通态公司系列的触摸屏作为VNC服务器端，安卓移动设备作为VNC客户端，以西门子S7-200SMART系列的PLC控制机械手为实例，针对TPCHi-TVRC触摸屏的VNC开发方式进行具体设计。

1 机械手的简介

机械手工作结构如图1所示，即气爪松开与夹紧，机械手臂伸缩包括伸出与缩回， 机械手臂升降包括上升与下降。其工作过程大体可以描述为：初始状态，机械手位于原点的位置并处于气爪松开、机械手臂处于上升的状态；按下启动按钮，机械手臂伸出并下降到 A点，由气爪抓取工件；抓稳工件后，机械手臂上升并缩回，机械手臂完成转出、伸出、下降等动作到达B点，然后手爪松开工件，机械手臂同时上升并缩回，转回到原点的位置，完成一个周期的动作。

2 利用PLC、触摸屏控制机械手的设计

根据机械手的工作原理的过程，确定I/O点数，其需要10个输入，8个输出。故本设计选用西门子S7-200SMART CR40plc ,具有输入24个，输出16个，总计40个点数，完全满足工作过程所需要的点数。同时在MCGS触摸屏上设置必要的控制和工作显示状态，并关联相对应的程序中I/O地址，便于后期工作过程的调试工作。为保证机械手运行的高效性和可靠性，在设计过程中通常应考虑其控制系统应至少具备以下几种控制方式:

1 自动操作方式

(1)单步运行，机械手每次运行时只完成一个动作,便于系统的调试工作，每次运行过程中只受一个启动按钮控制并进行状态切换。

(2)连续运行，当启动按钮时，机械手能够连续完成多个连续的动作，实现工件搬运，直到完成所有的动作为止。

(3)用户权限的设置，可以有效地禁止非专业或工作人员对机械手的操作，最大限度地降低误操作率。

2手动操作方式

实现对机械手的每一步运动是用按钮单独进行控制。要求：

(1)当选择上行或下行运动时,分别由上升或下降按钮控制。

(2)当选择左行或右行运动时,分别由左移或右移按钮控制。

(3)当选择夹紧或放松运动时,分别由夹紧或放松按钮控制。

3回原点方式

由于运动控制大多数都是增量伺服设备，所以当产生故障或者其他原因使机械手并不在最初设定的原点位置，则必须让机械手回到手臂位于左限位处-上限位处-手爪释放时，设备才能正常工作。

所以根据以上对机械手动作的控制要求，设计了如图 2所示的控制功能。

进行PLC选型的时候应遵循设计的步骤，首先确定输入、输出地址功能进行分配，以开关量地址为基准进行地址的分配。它是对机械手在工作过程中顺序的一个梳理，同时针对触摸屏中的相对组成的功能一并设置，也是在程序中设定的重要的一个组成环节。

输入/输出变量地址分配表：

启动单步单周期手动自动回原点I0.0I0.5I0.6I1.0I0.7I1.1连续下限位上限位右限位左限位下限位I1.2I0.1I0.2I0.3I0.4I0.1下降上升加紧放松左移右移Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5停止急停复位I1.3I1.4I1.5

PLC和MCGS设备连接的设置

设备的连接是将监控系统中所用到的设备在这里通过设置建立通讯，包括有添加设备、设置设备属性、调试设备3部分。首先， 将“通用串口父设备”和“西门子S7-200SMART PPI”设备添加到设备窗口下，再分别设置“通用串口父设备”和“西门子 S7-200SMART PPI”设备的基本属性，最后将MCGS变量与PLC通道进行连接。

同时在编写程序过程中，需要充分考虑机械手的动作要求，去分析整个控制过程的逻辑关系。同时在选择元件时也需要注意干扰的影响，避免因为干扰的因素造成机械手产生一些误动作。待触摸屏设计模型和 PLC设计 程序导入系统以后， 即可进行机械手运动作的调试。在搬运程序执行的过程中，输入信号和机械手动作都会通过指示灯显示出来，能直观看出搬运动作的过程，并且可以根据指示灯点亮的逻辑关系，验证 PLC 程序设计的准确性。

经程序的调试，本次设计符合其动作要求。部分程序及控制过程调试图3、图4所示。

3 VNC技术现状

VNC基本组成分为两部分：一部分是客户端的应用程序(vncviewer)，另一部分是服务器端应用程序(vncserver)。本文采用本地应用程序，用于远程接入运行vncserver的计算机并显示其环境状态。

对远程调试解决方案的需求可以分为以下三个方面：

(1)最基础的要求是远程维护：这需要实现从工程师电脑到客户端的PLC或其它设备之间的远程连接，并且能够进行变量监控、日志读取等维护操作。这种模式下对网络的稳定性和带宽的环境要求相对较低。

(2)更为普遍的需求是远程调试：可以通过建立的远程连接进行程序修改，程序下载，在线调试等原本只能在本地进行的操作。如果设备有HMI还需要能够远程访问HMI并可以操作。由于下载程序需要稳定的网络连接，这就对网络的稳定性有了更高的要求。

(3)为了更好的掌握现场信息，还需要通过远程连接视频和音频，直接了解现场的实时信息，这就对连接的带宽提出了较高的要求。

针对远程服务需求，可以采用Teamviewer软件+ PC的解决方案。对远程PC机的要求是具有两个网络连接，例如Wi-Fi连接现场互联网，本地网卡连接PLC。本文主要介绍这种远程服务的方案。

此次在触摸屏TPCHi-TVRC上电后进入“系统参数设置”界面，服务端与客户端通过 TCP/IP 协议进行信息交换，显示界面和远程操作处理采用 VNC 服务协议进行处理。同时进入“TPC系统设置”的界面，对Wi-Fi配置相应的属性，比如SSIS名称、服务地址以及链接密码。如图5、图6所示。

经过调试，设备能够成功连接触摸屏的地址，并对其进行控制。如图7、图8所示。

远程调试的实现就基于Teamviewer的VPN连接，VPN连接建立后，可以看到远程PC机的IP地址， 对于同一台远程PC，这个IP地址会一直保持不变，所以目标客户的IP地址可以确定下来。和传统的监控比较，解决了控制全部串口通信速度慢、通信距离受限、需要PLC有多个串口的特征。同时对在自动无线无人值守设备的数据采集和监控控制中，不仅能达到设备运行的稳定性，同时也能最大限度降低用户运行费用，更重要的是PLC在运行状态下，PC端可通过通讯进行远程模拟运行。以实时查看其设备状态。

4 结论

本文介绍了触摸屏和机械手系统的基本构架，通过VNC技术无线控制触摸屏、PLC实现远程控制功能，结果显示可实现远程PLC的固件更新、程序上传下载、程序监控，以及HMI的远程模拟运行，通过一系列的远程操作，大大节约了设备的运行成本。同时远程控制系统在工业控制应用过程中有着非常大的潜力，也可以根据控制过程中的工步不同，监控其工作状态。另外，随着无线网络在现代化工业技术中的应用，远程控制系统一定会发挥更大的作用，有着更丰富、更直观的应用，值得我们工控人进一步关注和深入研究。