基于3G技术的印刷设备远程维护系统的研究

黄正铭，杜宝江，吴恩启，乔俊伟，过奕君

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海光华印刷机械有限公司，上海 200436）

0 引言

随着社会需求的日益增加，大型高端印刷设备越来越多地应用到社会生产和生活中。一旦印刷设备发生故障或者设备发生失效，如果不能够及时排除故障，那么将不仅会给制造企业带来不可预期的损失，而且还会加大企业的经营风险。因此如何能够保证设备高效正常的运转、保证快速排除设备故障和做好故障发生的预警是各大中制造企业管理者工作的重心。

为了保证生产安全，企业管理者会给设备配备专业技术高的维修技术人员、专业的维修设备、供技术人员参考的故障维修资料。这种单一、较为传统的维修方式不仅耗资巨大，浪费珍贵的人力资源和宝贵的时间，而且效率不高，起不到很好的维修效果。此外延缓了企业的信息化管理升级，不利于提高企业的市场竞争力。

印刷设备的远程维护监测系统能够有效地帮助制造企业解决以上的问题。制造领域的远程监测系统是指通过Internet网络获取异地印刷设备的运行参数，然后在本地通过对运行参数的分析，得出结论，最后再通过Internet网络对远程的印刷设备进行控制和采取必要的干预。从设备信息快速反馈和设备维修的角度考虑，该系统主要包含三方面内容：高速网络的搭建、设备数据的采集和维修方案的确定。

1 设备远程监测系统

1.1 设备远程监测系统的结构

印刷设备的复杂性、维修人员的技术局限性、维修设备的有限性和维修时间的紧迫性使得远程设备监测系统需要用一个全新的思路去设计：设备信息反馈及时、异地协同维修、设备维修信息的整理与保存。按照这个思路设计的远程设备的监测系统结构如图1所示。

图1 印刷设备远程监测系统结构

1.2 设备远程监测系统各部分的功能

此系统主要由以下四层组成：

1）数据采集层

数据的采集主要是通过采集PLC的数据来进行的。PLC由于其易操作性和稳定性被广泛应用于现代工业，特别是先进制造领域。

此外PLC还有丰富的扩展接口与外部控制设备进行通讯，基于此监测系统的数据主要是通过RS232/RS485串口电缆或者RJ45以太网口连接外部中继设备进行采集。主流电气自动化厂商生产的PLC支持RS232/RS485串口电缆进行通信，也有些厂商的产品支持通过其网络通信模块（含RJ45通信口）进行通信，例如三菱Q系列PLC的QJ71E71-100/B5/B2等三种模块，施奈德Twido系列PLC也包含以太网模块。这些都为系统数据传输的组网方式提供了丰富的选择。

2）数据传输层

数据传输层主要包括数据中继和数据传输模块。该模块主要依托于3G网络来进行数据的传输，3G无线互联网技术突破了传输速率的限制，一般可以达到2M～3.1Mbps,可以满足对大量数据进行传输的要求，很好的保证了数据传输的安全和及时，与传统的GPRS/CDMA无线通信网络相比，大大减缓了时间的延迟[2]。数据中继模块和数据模块主要用于将采集的PLC数据传输给3G网络终端模块，该模块内嵌TCP/IP协议，可以将接收到的PLC数据进行IP打包，经过3G网络传输给远程的制造企业监控中心的数据接收模块。

图2 PLC数据分析框图

3）数据接收层

数据接受层主要用于接收远程PLC数据，PLC的数据传输协议遵循MODBUS通信协议。MODBUS工业通信协议是国际上通用的关于工业控制器的网络协议的一种，它提供了一个控制器能够认识的消息结构。获得了PLC数据后就要将数据送到数据分析模块，然后进行相对应的分析，如图2所示，线圈的状态值或者寄存器的值是否正确或者超出值的范围，如不正确去经验数据库中查找原因，如果找不到原因，操作者就要向专家请教，得出解决方案，并且将解决方案存放至数据库。

4）数据反馈层

数据反馈层是将RDL得出的解决方案的具体实施方法，反馈至远程的现场设备端。首先将实施方法的按照MODBUS协议的消息格式编写成MODBUS命令（MBC，ModBus Command），然后通过Internet网络，将数据发送至远程的现场设备，以达到在线维护的目的，具体如图3所示。

图3 PLC数据传输框图

2 设备远程监测系统各功能的关键技术

2.1 远程终端的数据传输

对远程现场设备运行状态数据的传输是通过含有3G无线互联技术数据传输装置的模块。本系统中3G无线互联网技术采用的是由我国所制定的3G标准—TD-SCDMA（时分同步码分多址）。3G技术的主要优点是能够极大地增加系统容量，提高通信质量和数据传输速率。

中兴、华为等通讯公司都有支持3G无线数据终端模块，该模块能够接入拥有TCOIP协议的Internet网络，用户通过设置一些简单的参数就可以直接通过RS232/RS485串口电缆进行数据传输。该模块具有客户机功能，能够主动请求TCP连接远方的服务器中心进行通信。在每一个这样的无线终端中安装一个UIM芯片，该芯片主要是通过电信运营商提供相关的数据业务，还可以对该芯片进行设备ID号码。该ID号码就是该数据模块的唯一标识，同时还是服务器中心与现场流水线设备进行通信的唯一标识。

2.2 监控中心数据的接收

远程PLC数据接收的程序设计是应用基于TCP/IP协议的套接字进行接收的。在监控中心服务器端主要用到了多线程技术和套接字技术，打开监听程序，当有远程的通信设备有请求时，就将记录下该通信设备的设备ID，同时新开一个线程，本线程专门用于接收远程通信设备的PLC数据和本地给远程通信设备的反馈，如图4所示。

图4 远程服务器接收PLC数据结构

2.3 经验数据库的设计与协同共享

每一个现场设备的维护方案都要存入到数据库中，这不仅是企业的宝贵经验，这明显有利于其他的技术人员进行借鉴和参考，而且还相当于为每台机器都建立了“个人病例”档案，如果该台设备维修的频率大于某个参考值，系统就会预警，给企业以足够的时间进行设备处理，企业就要考虑该台设备做进行大修或者报废等的处理。所以经验数据的设计与共享是十分必要的。

经验数据库的设计主要包括以下几张表：PurchaserInfo（设备拥有者的信息），该表是用来记录设备拥有者的一些信息；MaintainRecord（设备的维修记录），该表主要是用来记录设备维修的记录；RemoteEquipment（设备的具体信息），该表主要是用来存储设备的具体信息；UserInfo（用户信息），该表记录了不同权限的操作人员，不同的权限的操作人员可以看不同的数据库信息；AlarmLog（报警记录），主要记录设备的维修次数等报警信息。

不同地域的专家在诊治不同的设备时，需要根据自己的权限来远程登录系统，这样就可以通过监控服务器对远程的设备进行诊断，并且能够共享经验数据库中的解决方案。

3 结束语

本文介绍了一种典型的基于3G无线互联网技术对远程印刷设备进行监测的系统的整体框架和模型，并且对各模块进行了细分和功能概述。与传统的监测方式相比，该监测系统能够快速的，高效率的解决设备出现的问题，并且能够为企业节省大量的财力物力。目前该系统设计思想已经运用在上海光华印刷机械有限公司的印刷设备远程维护项目中，目前系统运行状况良好。

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