張保森

摘 要： 為滿足工業(yè)遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的快速發(fā)展需求，設(shè)計一種基于網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess的遠程異構(gòu)式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。首先以分布式控制為指導(dǎo)思想，確定自下而上的分層控制方案，以RS 485和ProfiBus現(xiàn)場總線連接底層設(shè)備，以MCGS和WinCC構(gòu)成中間控制層，最后以WebAccess完成遠程控制。采用中間件技術(shù)實現(xiàn)不同組態(tài)軟件之間的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)綜合調(diào)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)集成方案合理，實現(xiàn)了雙向遠程數(shù)據(jù)信息的交互，系統(tǒng)整體滿足設(shè)計要求，設(shè)計思路有較強的新穎性和實用性。

關(guān)鍵詞： WebAccess； PLC； 遠程監(jiān)控； 分布式控制； 組態(tài)軟件

中圖分類號： TN911.7?34； TP391.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0149?04

Design of PLC remote control system based on WebAccess

ZHANG Baosen

（Haohua Yuhang Chemical Co.， Ltd.， China National Chemical Corporation， Jiaozuo 454000， China）

Abstract： To satisfy the demands of rapid development in industrial remote network monitoring， the remote heterogeneous network monitoring system based on configuration software WebAccess was designed. Taking distributed control as guiding ideology， the bottom?up hierarchical control scheme is confirmed. The basic layer equipments are connected with RS 485 and ProfiBus field?bus. The intermediate control layer is constituted with MCGS and WinCC， and remote control is accomplished by WebAccess. The middleware technology is adopted to achieve data interaction between different configuration software. System comprehensive debugging results show that this integration scheme is reasonable. The interaction of bi?directional remote data information was achieved. The entire system satisfies the design demands， and the design idea has strong novelty and practicality.

Keywords： WebAccess； PLC； remote monitoring； distributed control； configuration software

0 引 言

計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展給控制系統(tǒng)領(lǐng)域帶來了一系列變革，其與控制技術(shù)的融合誕生了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。目前網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要包括PLC網(wǎng)絡(luò)、分散控制網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)以太網(wǎng)等?；贗nternet的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在被廣泛應(yīng)用，同時伴隨現(xiàn)場總線技術(shù)，信息交互中間件技術(shù)，組態(tài)軟件技術(shù)，Web遠程操作等技術(shù)的彼此交叉影響，為將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)推向更加智能化、多元化、集散化創(chuàng)造了條件。通用工業(yè)組態(tài)軟件的集成度和兼容性越來越高，大大節(jié)省了工業(yè)控制系統(tǒng)的周期。作為一種專業(yè)編程和組態(tài)軟件平臺，組態(tài)軟件支持多種通信協(xié)議，并兼容眾多工業(yè)產(chǎn)品，為用戶實現(xiàn)多設(shè)備互聯(lián)提供了有力支持。借助組態(tài)軟件可快速開發(fā)出具有圖形，圖標，趨勢曲線，實時數(shù)據(jù)庫，報警信號，報表存儲等功能的可視化控制界面，并可通過Web瀏覽器方便地實現(xiàn)遠程監(jiān)控，相關(guān)編程人員不需要掌握復(fù)雜的編程語言，只需要以類似“搭積木”的方式針對待設(shè)計系統(tǒng)進行系統(tǒng)拼接，并完成簡單的接口參數(shù)設(shè)置即可。伴隨越來越多主流廠商的加入和主動開發(fā)其自身協(xié)議接口，相信組態(tài)軟件在未來將被不斷賦予新的內(nèi)容。

在遠程控制系統(tǒng)設(shè)計策略方面，當今最大的發(fā)展趨勢即依托Ethernet技術(shù)的擴展，通過Internet可以使系統(tǒng)與世界上的任何地方實現(xiàn)連接。遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的具體定義可以描述為：利用計算機監(jiān)控技術(shù)并通過網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進行遠端監(jiān)視，并可以根據(jù)監(jiān)視情況發(fā)送控制和維護命令。課件，在Internet占據(jù)互聯(lián)網(wǎng)世界的背景下，搭建基于Internet的工業(yè)遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢。而作為網(wǎng)際組態(tài)軟件的WebAccess[1?2]正是以IE瀏覽器內(nèi)核開發(fā)的HMI/SCADA監(jiān)控軟件，可以在IE瀏覽器界面上快速實現(xiàn)人機交互界面設(shè)計和資料傳送采集監(jiān)測，能夠為遠程監(jiān)控提供完善的設(shè)計方案和安全保證?；诖?，本文提出一種基于網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess的遠程異構(gòu)式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，進行實際運行調(diào)試，驗證了所提方案的可行性和有效性。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計對象是面向PLC底層控制的基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠程綜合控制系統(tǒng)，上位機程序利用WebAccess開發(fā)，采用三菱FX2N型號的PLC作為底層控制網(wǎng)絡(luò)[3]，并以多關(guān)節(jié)機械手為對象的物流管控系統(tǒng)設(shè)計作為應(yīng)用對象，驗證整體系統(tǒng)的可行性，而在物流管控系統(tǒng)，選用的是西門子S7?200型號的PLC[4?5]。整體工作包含三大部分內(nèi)容：

（1） 搭建基于三菱FX2N PLC的網(wǎng)絡(luò)綜合控制系統(tǒng)；

（2） 以物流管控系統(tǒng)為具體應(yīng)用對象，組建基于西門子S7?200 PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)的多關(guān)節(jié)機械手及碼垛自動物流系統(tǒng)；

（3） 實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)集成以及中間件信息交互，完成整體遠程監(jiān)控系統(tǒng)滿足基于Internet的遠程測控。

整體系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，底層現(xiàn)場控制由基于三菱FX2N PLC構(gòu)成綜合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和基于西門子S7?200 PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)的多關(guān)節(jié)機械手及碼垛自動物流系統(tǒng)組成；中間監(jiān)控層由基于MCGS和WinCC的組態(tài)軟件編程實現(xiàn)[6?9]；最上層將兩個異構(gòu)系統(tǒng)進行集成實現(xiàn)遠程監(jiān)控層設(shè)計，具有分散控制，集中管控，分層獨立設(shè)計和遠程監(jiān)控等功能。下面將采取由下至上的順序依次論述各層具體的設(shè)計方案。

2 現(xiàn)場底層控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 基于三菱FX2N PLC綜合控制網(wǎng)絡(luò)

采用三菱FX2N PLC完成下位多臺獨立PLC分別控制不同的現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成各個從站，通過RS 485網(wǎng)絡(luò)通信，構(gòu)成1[∶][N]網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，最終將各從站統(tǒng)一交由一臺上位機進行監(jiān)控，并定義為通信網(wǎng)絡(luò)主站。整體網(wǎng)絡(luò)采用專用協(xié)議和計算機進行連接，一個主站最多可搭載16個獨立PLC控制系統(tǒng)。各從站PLC之間的連接是通過FX2N?485?BD模塊自帶接口實現(xiàn)，構(gòu)成下位機RS 485網(wǎng)絡(luò)，各站獨立數(shù)據(jù)延伸通信距離不超過50 m，若不使用FX2N?485?BD模塊，則最大延伸距離可擴展為500 m，所以如果現(xiàn)場設(shè)備要求的通信距離大于50 m時，可通過RS 485通信網(wǎng)絡(luò)對通信距離進行延伸擴展，從最大程度上發(fā)揮PLC的現(xiàn)場工作優(yōu)勢[10]。

具體底層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由虛（虛擬控制對象）實（真實控制對象）相結(jié)合的現(xiàn)場對象控制層、RS 485網(wǎng)絡(luò)通信層和上位主站監(jiān)控層構(gòu)成。

圖2 基于三菱FX2N PLC現(xiàn)場控制層結(jié)構(gòu)圖

（1） 現(xiàn)場虛實結(jié)合被控對象控制層：采用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)虛擬控制對象，以動畫形式直觀地仿真出程序的執(zhí)行情況，同時設(shè)計了PLC、變頻器實際控制系統(tǒng)；

（2） RS 485通信網(wǎng)絡(luò)層：利用三菱FX2N PLC自帶的RS 485接口，按照RS 485通信協(xié)議，搭建以主站PC機為主控單元的1[∶][N]型集散化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；

（3） 上位監(jiān)控管理層：仍采用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)上位PC機的監(jiān)控系統(tǒng)，直觀方便地對下位從站各PLC管控設(shè)備進行監(jiān)控。上位PC機既可以作為1[∶][N]網(wǎng)絡(luò)中的主站監(jiān)控機，又可作為對整個網(wǎng)絡(luò)的上位監(jiān)控機，同時承擔對PLC各從站的實時編程、參數(shù)設(shè)置等調(diào)試工作。

2.2 多關(guān)節(jié)機械手物流倉儲管控系統(tǒng)

以現(xiàn)代物流倉儲為實際應(yīng)用對象，設(shè)計面向自動化立體倉儲的實驗裝置平臺，構(gòu)建物流信息實時管理與監(jiān)控系統(tǒng)，整體設(shè)計方案如圖3所示。

如圖3所示，監(jiān)控層內(nèi)部采用WinCC和數(shù)據(jù)庫相配合的DDE通信管理模式，監(jiān)控層和控制層之間的三個西門子S7?200 PLC構(gòu)成PROFIBUS?DP控制網(wǎng)絡(luò)，分別控制堆垛機、機械手和輥道輸送機三個具體的設(shè)備對象，最終通過EM277擴展模塊連接到PROFIBUS?DP現(xiàn)場總線上。整體物流倉儲管理系統(tǒng)以配置有WinCC HMI/SCADA的PC機作為上位機，通過插在主機箱內(nèi)的CP5611網(wǎng)卡與下層S7?200 PLC通過EM277 DP模塊進行連接和通信。

圖3 實時物流倉儲管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

實際測試中總結(jié)出所提物流倉儲系統(tǒng)具有六大主要特點：具備自動識別金屬，物品顏色，條碼信息和物品功能自動整理擺放等功能的現(xiàn)代進貨管理、識別和規(guī)劃倉儲系統(tǒng)；物流輸送交流傳動、氣動系統(tǒng)準確控制；立體式倉庫貨物自動記錄存儲和提取；取物多自由度靈巧機械手精確控制；基于WinCC組態(tài)軟件的可視化計算機控制系統(tǒng)；基于現(xiàn)場總線協(xié)議的高可靠性局域網(wǎng)絡(luò)通信保障。

3 上層綜合監(jiān)控與通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

針對中間控制層和遠程監(jiān)控層兩個不同級別的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為了保障網(wǎng)絡(luò)化協(xié)調(diào)發(fā)展，達到網(wǎng)絡(luò)資源最優(yōu)配置，實現(xiàn)易操作的遠程監(jiān)控，結(jié)合用戶對于系統(tǒng)集成、分布式控制、集中管理、獨立分層設(shè)計等具體要求，提出基于MCGS，WinCC，WebAccess，OPC中間件技術(shù)，以太網(wǎng)技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)的綜合遠程網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案。

3.1 基于WebAccess網(wǎng)際組態(tài)軟件遠程監(jiān)控方案

在當前眾多組態(tài)技術(shù)各自占據(jù)一部分市場的大背景下，通過綜合分析和比較三種解決方案，最終選取性能最優(yōu)的WebAccess網(wǎng)際組態(tài)軟件作為本系統(tǒng)的首選軟件。為了更好地驗證選擇方案的最優(yōu)性，現(xiàn)以三種解決方案為例，進行分析評述。

（1） MCGS網(wǎng)絡(luò)版組網(wǎng)方案

MCGS組態(tài)軟件自身具有WWW網(wǎng)絡(luò)版的功能，通過此網(wǎng)絡(luò)版設(shè)計的控制系統(tǒng)具有Internet遠程瀏覽的功能，能夠通過搭載于任何一臺接入互聯(lián)網(wǎng)的IE瀏覽器進行遠程瀏覽與操作控制，它是一種基于瀏覽器/服務(wù)器（B/S）的通信模式。開發(fā)者在MCGS網(wǎng)絡(luò)版中對HTTP等參數(shù)進行設(shè)置，啟動運行工程。遠端用戶只需打開IE瀏覽器，在地址欄輸入運行工程用戶的IP，就能實現(xiàn)直接訪問此計算機，進一步可瀏覽到工程中設(shè)定好的組態(tài)畫面，以此完成基于MCGS網(wǎng)絡(luò)版的遠程組網(wǎng)，在安全性方面，開發(fā)者可以通過給用戶設(shè)定不同的訪問權(quán)限或設(shè)置登陸密碼的方式維護系統(tǒng)的安全。該方案是一種最基礎(chǔ)、簡單、快速遠程組網(wǎng)方案。

（2） WinCC服務(wù)器方案

WinCC的客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（C/S）是一種較廣泛應(yīng)用的服務(wù)器型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所謂服務(wù)器型，就是通過功能較普通PC更為強大的服務(wù)器作為控制主站，其高性能優(yōu)勢在高速運算能力、長時間不間斷可靠運行、外部大數(shù)據(jù)吞吐能力等方面得到很好的展現(xiàn)。采用WinCC服務(wù)器方式建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以保證物流系統(tǒng)的整體一致性。

（3） WebAccess綜合開發(fā)方案

WebAccess是集成功能強大的網(wǎng)際監(jiān)控軟件，可以將被監(jiān)控的底層三菱系統(tǒng)主站PC機作為Server，并設(shè)置另一臺PC機作為Client，整體采用OPC中間件技術(shù)、DDE決策技術(shù)等通信模式進行綜合組網(wǎng)。

本文設(shè)計方案即選用WebAccess綜合開發(fā)方案，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 WebAccess綜合遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

與采用WinCC方案不同，WebAccess網(wǎng)際組態(tài)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)客戶端不需要額外安裝任何第三方軟件，直接在計算機自帶操作系統(tǒng)上即可使用，客戶只需打開IE 5.0及以上版本的IE瀏覽器即可，可操作性大為提高。同時系統(tǒng)所選用的方案，把SCADA Node和Project Node一同組態(tài)到一臺PC機上，實現(xiàn)了基于WebAccess網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的單機控制系統(tǒng)，此時，使用操作系統(tǒng)自帶IE瀏覽器，遠程Client通過設(shè)置權(quán)限，連入以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，對系統(tǒng)進行實時遠程編程和監(jiān)控。WebAccess單機系統(tǒng)PC機作為服務(wù)器，以HTTP，F(xiàn)TP，HTML等協(xié)議方式通過MCGS和現(xiàn)場PLC連接設(shè)備中收集的數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)保存?zhèn)魉偷絊CADA Node中，客戶可隨時經(jīng)以太網(wǎng)將存儲信息傳給遠程的客戶機。WebAccess網(wǎng)際組態(tài)軟件支持冗余構(gòu)架，能夠為它設(shè)計冗余網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)快速組態(tài)，保證并增強了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 物流倉儲遠程監(jiān)控設(shè)計方案

所提物流管理系統(tǒng)采用西門子S7?200 PLC作為主要硬件控制單元，軟件設(shè)計單元則采用OPC中間件通信模式，利用中間件技術(shù)，將監(jiān)控物流系統(tǒng)的一臺PC機作為WinCC OPC Server，另一臺PC機作為WebAccess OPC Client，構(gòu)建如圖5所示的現(xiàn)代遠程物流管理系統(tǒng)。

圖5 基于WebAccess遠程物流倉儲遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖5所示，所提設(shè)計方案采用WebAccess網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中的單機系統(tǒng)，遠程用戶可以通過以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，使用PC系統(tǒng)自帶的IE瀏覽器進行遠程編程和參數(shù)設(shè)置。通過帶WinCC的上位機將PLC底層設(shè)備中的信息經(jīng)以太網(wǎng)保存，或者傳送到WebAccess單機系統(tǒng)中，最終同樣采用如前文所述的將WebAccess作為服務(wù)器，以HTTP，F(xiàn)TP，HTML等協(xié)議方式將信息經(jīng)以太網(wǎng)傳給遠程客戶機。為了使系統(tǒng)更加完善，同樣考慮將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計成冗余網(wǎng)絡(luò)以增強系統(tǒng)的可靠性。

4 系統(tǒng)功能調(diào)試

在完成不同網(wǎng)絡(luò)層的獨立設(shè)計后，對整體系統(tǒng)進行組裝和調(diào)試。與其余方案對比，所選方案采用研華公司開發(fā)的WebAccess網(wǎng)際組態(tài)軟件，其系統(tǒng)構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)層次分明有著很好的優(yōu)越性，便于控制與管理，其強有力的網(wǎng)絡(luò)通信功能提供了巨大支持，在獲取WebAccess授權(quán)后，幾乎不需要其他多余的硬件設(shè)施即可完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建，同時研華公司對WebAccess的授權(quán)只需要一次性購買，其后就永遠沒有點數(shù)限制，可享受無限點待遇。冗余系統(tǒng)設(shè)計是WebAccess的最大亮點，不僅使用方便，且具有高可靠性。圖6是采用WebAccess監(jiān)控軟件方案構(gòu)建遠程綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

從圖6中可以看出，所設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的三層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分明，從最底層設(shè)備的控制層到現(xiàn)場總線層中間監(jiān)控層以及WebAccess工程節(jié)點和局域網(wǎng)PC機局域網(wǎng)監(jiān)控層和最上層的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控層，各層控制網(wǎng)絡(luò)之間任務(wù)分工明確，在保障基本功能實現(xiàn)的同時，利用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和防火墻技術(shù)等提升了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性能和安全可靠性能。從具體測試結(jié)果來看，局域網(wǎng)監(jiān)控層和互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控層，同樣歸屬為遠程監(jiān)控層，但是在設(shè)計時，兩個控制網(wǎng)絡(luò)既相互獨立，又具有分布式控制特點，并最終通過WebAccess軟件對整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行集中管理和遠程監(jiān)控。此設(shè)計策略在保證了下位設(shè)備機系統(tǒng)獨立性的同時，又可以進行統(tǒng)一監(jiān)控且不用擔心破壞系統(tǒng)各自的完整性。綜上所述，實際調(diào)試結(jié)果驗證，采用WebAccess遠程監(jiān)控方案設(shè)計的PLC綜合遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的監(jiān)控特性，滿足了系統(tǒng)的整體設(shè)計要求。

圖6 系統(tǒng)整體實際調(diào)試工作原理圖

5 結(jié) 語

本文針對工業(yè)現(xiàn)場實時遠程控制的需求，設(shè)計了一套基于網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess的遠程異構(gòu)式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。具體工作和實現(xiàn)策略包括：基于三菱FX2N PLC構(gòu)成綜合網(wǎng)絡(luò)底層現(xiàn)場控制系統(tǒng)，基于西門子S7?200 PLC和現(xiàn)場總線技術(shù)的多關(guān)節(jié)機械手及碼垛現(xiàn)代自動物流倉儲管理系統(tǒng)，基于MCGS和WinCC的組態(tài)軟件編程實現(xiàn)的中間監(jiān)控層，將兩個異構(gòu)系統(tǒng)集成實現(xiàn)最上層遠程監(jiān)控層。系統(tǒng)整體具有分布式控制，集中管控，分層獨立設(shè)計，冗余網(wǎng)絡(luò)，防火墻維護和遠程監(jiān)控等特點，達到了設(shè)計預(yù)期要求。

參考文獻

[1] 朱光燦，鄭萍，邵子惠，等.基于WebAccess的遠程實驗物流控制系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2012，31（1）：68?72.

[2] 劉德生，張?zhí)扉_，李長啟，等.基于VB的WebAccess組態(tài)功能擴展[J].微型機與應(yīng)用，2012，31（2）：8?11.

[3] 江天亮，張少波.基于S7?200 PLC飲料混合機的控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（13）：102?104.

[4] 潘益玲，羅坤明.基于MCGS和三菱PLC的五層電梯控制仿真系統(tǒng)設(shè)計[J].湖州職業(yè)技術(shù)學院學報，2013，11（3）：68?72.

[5] 呂俊.基于OPC的PLC在線PID模糊自整定系統(tǒng)[J].輕工機械，2013，31（2）：35?39.

[6] 徐翊峰，肖興明，王前，等.基于OPC與PLC的應(yīng)用程序與提升機制動系統(tǒng)故障動態(tài)監(jiān)測[J].煤礦安全，2009（12）：57?59.

[7] 朱凌云，林琳.基于WINCC的PLC控制系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2010，29（5）：49?53.

[8] 李明輝，張秦.利用VB實現(xiàn)WinCC數(shù)據(jù)高級歸檔的研究和應(yīng)用[J].自動化儀表，2012，33（6）：36?39.

[9] 王文強.基于西門子PLC以太網(wǎng)模塊與WinCC實現(xiàn)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2013，26（4）：34?36.

[10] 胡欣濤.PLC系統(tǒng)在水平繞線機上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（24）：168?170.