模拟啤酒生产线可视化中央监控系统设计与实现

袁 浩，白瑞峰，房朝晖，杨 博

（天津大学 自动化学院，天津 300072）

随着科学技术和工业的发展，全面提高自动化专业大学生的工程素质越来越重要，因此高校实验室的建设越来越受到重视，尤以PLC在工业控制应用为背景的实验室建设越来越突出。在国外，华盛顿大学［1］、意大利卡塔尼亚大学工程学院［2］等顶尖高校均建立了供学生实验教学的开放式实验平台。国内，湖南科学技术研究所机械工程学院实现了一个远程PLC实验系统［3］，华中科技大学设计了基于PLC的机床控制实验教学平台［4］和交通控制实训装置［5］。但目前国内高校实验室建设水平高低不一，还存在一些问题：（1）只搭建了控制层面的实验台，缺少系统性和整体性，不便于学生深刻理解控制系统；（2）验证性实验与实际生产脱钩；（3）功能固定，训练的内容单一。

天津大学电气与自动化实验中心于2007年与三菱电机自动化（中国）有限公司合作建立了一套基于三菱FA自动化装置，用于实践教学的模拟啤酒生产线。该平台可面向机械制造及自动化、化工自动化装备以及工业工程等学生开放，也可作为本科生科技创新和参加相关科技竞赛的活动平台。该生产线以其灵活开放、可扩展、易于教学又贴近实际等特点受到国内外广泛关注。

1 系统结构及其功能设计

按照啤酒生产线的实际工艺流程，本系统包括酿造和灌装两条子线结构，如图1所示。酿造部分包含制麦、糖化、过滤、发酵、熟化、杀菌和储存分部；灌装部分包含理瓶、清洗、灌装、封盖、金检、贴标、装箱、移载和入库分部。学生可在每个分部按照工艺要求独立完 成相应功能。

图1 系统结构图

为系统实现啤酒灌装生产线的自动、高效运行，提高生产线的自动化水平，提高生产效率和可靠性，对啤酒灌装模拟生产线设计含视频监控、组态监控和数据库管理功能。

（1）视频监控系统。分析啤酒生产的工艺与生产线运行情况，对重点视频监控点建立视频监控系统，并设计视频服务器和远程视频监控客户端。

（2）组态监控系统。通过以太网技术，将现场的信息与工控机的组态进行通信连接，实现对现场信息的远程监控和数据处理。

（3）数据库管理系统。通过SQL server 2005数据库对数据进行实时更新、查询等操作。为增加数据对管理层的共享，建立远程的数据查询系统，可以允许远方管理者通过互联网访问数据库。

2 中央监控系统网络架构

中央监控系统的计算机通过交换机、根据设定的IP地址分别远程监控酿造和灌装部分，控制系统采用基于网络层和控制设备层的结构形式。（1）网络层采用以太网实现计算机监控系统与主站PLC的信息交换，对各分部设备控制系统进行监控；（2）控制设备层负责统一设计，本地站PLC完成各分部的控制任务，采用CC－Link现场总线技术连接控制设备层，将各个独立的部分组成现场总线控制系统，由主站PLC实现与本地站的信息交换。

整个啤酒生产线控制系统采用以太网和CC－Link现场总线相结合的通信方式，网络架构如图2所示。中央监控系统计算机通过交换机与酿造线主站（制麦分部）和灌装线主站（理瓶分部）上的以太网模块相连。每条子生产线都有一个主站，站号为0，其他站为本地站［6］。主站除完成本部分的控制外，还负责CC－Link现场总线系统管理、各部分之间信息通信与协调，并由以太网模块，通过对相关IP地址、端口号等通信参数的设置和通信协议的选择，经交换机与中央控制系统的PC机实现通信。本地站作为该部分的控制器完成该分部的工艺控制要求。

3 远程视频监控系统开发

远程视频监控系统包括视频采集部分、服务器视频数据处理部分和客户端。考虑经济成本和工况需求，在酿造中的制麦、发酵、灌装中的理瓶和立体库这4个关键部分安放置了摄像头以采集视频。建立视频监控服务器，客户端可通过网络实现对视频服务器的访问，以调取监控画面。

视频服务器主要对摄像头采集的经H.264编码视频数据进行处理，将处理后的视频数据发送至终端用户。该部分还对处理后的视频进行存储并周期性的清除，同时对用户的认证登录、视频数据传输规则等进行定义，为用户提供较好的视频监控效果。监控终端部分主要对H.264数据帧进行解码，播放解码后的视频图像，同时可控制摄像机云台。

图2 中央监控系统网络架构

图3为立体库部分的客户端播放画面，系统框架采用VC＋＋编程，采用JSON格式［7］传递参数。视频数据的接收采用经典的“生产者／消费者模型”，数据接收模块将接收到的数据进行解析后存入缓冲区，解码线程读缓冲区中的视频数据，对视频数据进行解码播放。为了在多用户登录时不影响视频数据传输的速度，客户端指令的交互和数据的传输使用不同的端口。

图3 立体库监控调整画面

4 基于MCGS监控系统开发

当今广泛应用的组态软件有Intouch、组态王、力控、MCGS和 Wincc等［8］。MCGS具有易操作、系统维护性强、可靠性高等特点，广泛应用于石油化工、环境监测、机械制造等领域［9］，因此本系统选用 MCGS组态软件。

4.1 MCGS、PLC与互联网通信

在网络层应用三菱QJ71E71以太网模块连接中央监控系统PC机与主站的PLC，通过UDP／IP或TCP／IP通信协议实现计算机组态监控系统与生产线之间的数据通信［10］。图4所示为应用以太网模块实现外部PC机与主站PLC CPU的通信示意图，为避免网络延时而造成通信失败，选用UDP／IP协议。

MCGS与互联网的通信是基于以太网和TCP／IP协议。本系统选用可作为服务器的 MCGS6.2网络版，访问模式采用B／S模式。与传统C／S模式相比，无需设计客户端软件，增强了访问的通用性。如图5所示，在互联网上的任意一台计算机均可通过IE浏览器登录本系统组态服务器。客户端只需安装标推的浏览器，无需安装MCGS的相关软件，系统维护方便，升级容易。

4.2 MCGS的控制与监控功能

根据各个部分的实际情况设置动画，将按钮和虚拟传感器与各个本地站PLC软元建立连接通道，通过组态界面控制系统启停，改变系统运行状态，调整电机正反转。用户可根据组态环境反馈的信号操作整个生产线，实现在计算机上操作按钮完成整个灌装系统的启停、监测以及故障初步分析与排除。虽各部分工艺不同，但各部分设计具有一致性，因此下面以立体库和金检为典型代表进行介绍。

图4 以太网模块与外部PC机进行通信示意图

图5 基于B／S模式的远程监控画面

图6为立体库组态图，根据物流系统实际情况设计相应组态界面。管理人员可通过组态界面远程观察物流现场各个传感器状态、传送带、交流电机与伺服电机运转状况。设计故障报警警示灯，当传送带卡货时，警示灯亮，提醒管理员配合视频监控判断卡货部位及维修方法；若管理员10min内未解决该问题，则中央监控系统可自动控制电机反转10s后再正转以尝试排除该问题，从而防止货物堆积阻碍物流线的正常运行。

图6 立体库组态图

图7为金检分部伺服电机1的实时状态数据及曲线、历史数据及曲线。横坐标为时间，纵坐标为伺服电机偏离机械原点位置的脉冲数，脉冲数反应伺服电机的定位的位置。由图7中实时数据曲线可清晰地监控该伺服电机1在一次抓放瓶动作中的两次升降运动。通过历史数据曲线可查询该伺服电机1在系统运行过程中的完整状态。

图7 金检分部伺服电机1实时状态数据及曲线、历史数据及曲线

5 数据管理系统

生产过程中的数据通过以太网传输至监控系统后，为实现系统大量的数据保存及科学的管理，选用SQL Server 2005进行数据的管理和优化。

按照不同部分在SQL server 2005中建立［11］相应的表，存储各部分的产量、电机运转情况、各部分报错内容、数量及时间。通过参数设置、脚本程序编程进行数据的提取，完成数据库和组态的连接［12］。MCGS数据连接到SQL Server 2005数据库，把源存盘数据记录按指定的时间间隔分组，将MCGS的数据提取出来；在运行策略窗口中添加数据提取策略；在数据来源选项卡中选择出MCGS存储该数据组的源数据库文件，然后在数据选择选项卡中选择需要提取的数据对象，在数据输出选项卡中选择数据保存到的在SQL Server 2005数据库中对应的数据表，在时间条件选项卡中选择数据的时间列名，在提取方式选项卡中对数据有不同的提取方式，对每组数据分别进行处理并且设置提取的时间间隔。处理结果作为一条记录提取出来保存，完成从原始存盘数据中提取有用数据的任务。

为保证数据的安全管理，对数据库中的数据进行权限管理，数据库采用spring＋hibernate的框架结构，Tomcat作为Web服务器，应用JSP技术，以SQL Server2005作为关系数据库，构建一个以查新功能为主要功能的管理系统。系统的用户权限和功能如图8所示。用户分为管理员和普通用户。管理员负责整个管理信息系统平台的维护，以及对系统信息的更新及排除故障，拥有对数据的查询、增加、删除、修改功能。一般用户只是具有浏览功能的用户。

图8 管理系统不同用户权限设置

6 结束语

本文按照具有模块化、多功能、柔性、互联网环境监控及e－F＠ctory的理念，利用PLC技术、现场总线技术、以太网技术、组态技术、数据库对实验室啤酒生产线进行了设计改造，从设备层、控制层、以太网层和管理层对系统进行了规划。在e－F＠ctory的理念指导下，建立了一套可视化中央监控的系统，包括自主构建的服务器、视频与组态监控系统、数据库系统管理系统。实验结果表明：系统的设计实现了模拟啤酒灌装生产线的自动化运行，远程监控和对数据的处理、查询，对故障的预警及初步自动处理等可视化设计。将可视化技术引进到具有工程应用背景的模拟啤酒生产线的实验教学平台中，丰富了学生的实验内容，进一步提高了实验教学平台的智能化与自动化程度。

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［3］Li H，Zhang J.Study on remote PLC experiment system based on web，Mechanic Automation and Control Engineering （MACE）［C］／／2011Second International Conference，2011：1683－1686.

［4］周纯杰，陶志东，周永鹏.基于PLC的机床控制实验教学平台的开发与实践［J］.实验技术与管理，2005，22（3）：37－39.

［5］黄为，王明哲.交通控制新型教学实验［J］.实验技术与管理，2004，21（6）：79－84.

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［7］龚成莹，邢敬宏，胡银保.基于JSON的Android移动终端与PHP及 MySQL数据通信［J］.工业仪表与自动化装，2013（1）：63－65.

［8］葛玻，沈文杰，赵旎.工控组态软件的对比及应用［J］.计算机测量与控制，2002，10（8）：15－19.

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［10］宋彬，张春华.基于以太网的中央空调远程集散控制系统［J］.工业控制计算机，2011，24（1）：11－13.

［11］董明阳.基于JavaWeb技术的军队基层文化工作管理系统的设计与实现［D］.吉林：吉林大学，2010.

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