基于VPN的硅酸钙板生产线远程监控与诊断系统

彭 辉

(武汉建筑材料工业设计研究院， 湖北 武汉 430200)

硅酸钙板生产线是硅酸钙板生产厂家的重要生产设备之一,它的正常运转决定着硅酸钙板生产厂家的生产效率。虽然硅酸钙板生产线的现场都配置了触摸屏,具备了现场操作、数据显示和故障报警等功能，但是如果现场操作人员对设备的控制逻辑不够熟悉，一旦设备出现故障，可能使整条硅酸钙板生产线停产，给企业带来经济损失。同时，当硅酸钙板生产厂家的维修人员不能排除设备故障时，硅酸钙板生产线设备供货商可能要派遣技术工程师前往现场解决问题。这样一来，给硅酸钙板生产厂家和设备供货商都带来了运营成本的增加。为了更快更精准地为用户解决设备故障问题，减少因设备故障停机带来的损失，完善售后维护服务，设计和开发一套硅酸钙板生产线远程监控与诊断系统显得十分必要。而硅酸钙板生产线设备供货商和硅酸钙板生产厂家两地相距较远，如果铺设专用的通讯光纤网络，工程费用高，施工困难，从经济角度来衡量，也是不可行的[1]。为了对用户现场设备进行远程监控和诊断，如果使用常规的因特网来实现远程访问，会降低网络的安全性；如果租借专用通信线路来实现远程访问，将导致企业网费运行成本增加，降低市场竞争力[2]。针对传统网络的上述缺点，采用VPN网络技术是开发设计硅酸钙板生产线远程监控与诊断系统最理想的选择。

1 VPN简介

VPN(Virtual Private Network，虚拟专用网络)以公众网络为载体，通过安全的加密和验证等手段来提高网络安全性，为最终用户提供类似于私有网络、高安全性的网络服务技术[3-4]。VPN网络通过私有隧道技术在公共网络上仿真一条点到点的专线从而达到安全的数据传输目的,虽然不是真正的专用网络，但它具备专用网络一样的性能。VPN网络可增强网络中信息传输的安全性，它采用复杂密码算法，对网络数据进行加密处理，保证网络传输数据的安全性和完整性；采用数字签名技术，确保网络信息发送源的真实性得以保障,提供不同用户不同权限的访问控制。VPN具备多网络协议支持，它的数据是重新封装经由隧道传输的，因此，VPN的操作独立于网络协议，隧道内的数据可以是IP，IPX，Appletalk或其他类型的网络协议数据包。通过VPN网络，企业可以像专用网络一样，完全掌握自己网络的控制权，对本VPN网络中的用户、登录访问权限，IP地址分配实施管理，增强网络的安全性，减少网络遭受黑客攻击的机率[5]。此外，VPN还可以节省企业的移动通讯费用、架设专线费用，降低企业的成本。

2 系统的工作原理

在硅酸钙板生产线的现场，各种传感器和现场仪表所采集到的开关量信号和模拟量信号等外部信号先接入PLC系统来处理，PLC系统会根据软件工程师预先定义好的I/O点而编写的PLC程序逻辑来做出相应的响应。整条硅酸钙板生产线所涉及到的PLC模块较多。如果给每个PLC系统都配置一台VPN路由器，是不可取的。为此，我们采用了多口交换机将单个PLC模块用网线连接，组建了环网，然后将环网中的网线连接至VPN路由器。VPN路由器一般都具有LAN接口和WAN接口。其中LAN是局域网接口，用来连接内部网络，起到集线的效果。WAN是广域网接口，连接网络运营商，是路由器发送和接收IP数据包的接口。连接PLC模块的网线将连接至VPN路由器的LAN接口，Internet外网直接连接至VPN路由器的WAN接口。在硅酸钙板生产线设备供货商处，同样要将Internet外网连接至VPN路由器的WAN接口，再把VPN路由器与内网计算机连接起来。VPN网关通常采用双网卡结构，其中外网卡与因特网进行连接，内网卡与内部局域网络进行连接。要想企业的内网和外网之间创建一个VPN网络，必须确保服务器和互联网连接的网卡获取的是一个公网地址。在VPN服务器端的IP地址必须固定，客户端要提前获知服务器端的IP地址信息，并设置好相关的网络参数，才能建立连接。由于大多数用户是自动获取IP地址模式，为使用VPN网络，必须将动态IP地址转换成静态IP地址。硅酸钙板生产厂家设备现场PLC和硅酸钙板生产线设备供货商的内网计算机通过VPN技术通信成功，就可以像内网一样去访问现场PLC系统，采集相关数据，实现远程监控，诊断设备故障[6]。

3 系统的硬件平台搭建

在硅酸钙板生产线现场，整条生产线的控制系统主要包括了原配料控制系统、制板机组控制系统、吊机机组控制系统、堆垛机组控制系统、刷油机组控制系统、脱模机组控制系统、蒸压釜控制系统、成品工段控制系统[7]。整条生产线的设备比较分散，而且涉及到设备非常多。为了对本条硅酸钙板生产线进行远程监控和诊断，硅酸钙板生产厂家设备现场PLC和硅酸钙板生产线设备供货商必须进行通信。系统结构图如图1所示，其中原配料控制系统的PLC1与光交换机1进行网络连接，制板机组控制系统的PLC2与交换机1进行网络连接，堆垛机组控制系统的PLC3与交换机2进行网络连接，吊机机组控制系统的PLC4与交换机3进行网络连接，脱模机组控制系统的PLC5、刷油机组控制系统的PLC6，蒸压釜控制系统的PLC7，分别与交换机4进行网络连接。成品工段控制系统的PLC8与光交换机4进行网络连接，交换机1—4通过网线与就近的光交换机以网线连接至光环网络。为了降低网络的掉线机率，提高网络连接的可靠性，防止网络中任何一条网络连接中断，影响设备的运行和数据采集，设备现场配置光交换机1—4，这4个光交换机之间通过光纤连接，形成光纤环网，让整条生产线的网络在冗余模式下工作。光交换机1通过网线接入VPN网关的LAN接口，VPN网关的WAN接口连接至Internet公网的路由器。

图1 系统结构图

在硅酸钙板生产线设备供货商处，配置用来远程监控和诊断的计算机直接通过网线连接至VPN网关的LAN接口，VPN网关的WAN接口用网线连接至Internet公网的路由器。硅酸钙板生产厂家和硅酸钙板生产线设备供货商之间通过VPN网络，设置相关网络参数，即可实现对现场设备的访问与监控，获取相关PLC的信息，了解现场设备的运行状况。

4 系统的软件设计

本系统的软件主要由下位机PLC程序和上位机WinCC监控画面软件构成。其中下位机采用了西门子S7-1200 序列PLC模块，负责现场设备的控制逻辑，完成对现场设备的逻辑控制。上位机以工控机为载体，安装微软公司的WINDOWS操作系统和西门子WinCC7.3组态软件，用来设计上位机监控和诊断画面。上位机和下位机之间的通讯由VPN构成的远程通讯系统实现。

4.1 下位机软件设计

下位机软件设计主要是根据设备的控制逻辑，在确保设备运行安全、高效、可靠的前提下进行PLC程序设计。PLC程序的设计需要采用TIA Portal V14软件来组态编程。在编写下位机PLC程序时，先要根据现场配置的PLC模块类型完成硬件组态，设置CPU模块以太网IP地址,设置PLC模块的开关量I/O或者模拟量AI/AO起始地址、结束地址。根据现场接线情况及电气原理图来定义PLC模块的开关量I/O点、模拟量AI点和AO点的功能，生成对应的变量名称，再根据设备的控制逻辑动作来编写PLC程序。

整条硅酸钙板生产线的PLC程序采用可读性较强的梯形图设计，主要由OB、FC、FB、SFC、DB块等组成。使用直观形象的梯形图来编写，是因为梯形图是一种图形化编程语言，是从传统的继电器、接触器电路演变而来的图形语言，类似于继电器、接触器的常开触点、常闭触点、线圈以及触点的串联、并联、自锁、互锁等关系。结合各种控制逻辑，转化为梯形图语言可以直观地对设备进行操控。

梯形图每一行都是从左边母线开始编写，线圈接在最右边。在设计下位机PLC程序时，以保证设备的安全可靠、稳定实用为原则，同时，需要考虑设备的操作简单、维修保养方便。设计的PLC控制程序还需可读性强、注释清晰、架构合理，便于其他工程师进行程序修改、增减相关功能、优化程序。

4.2 上位机软件设计

上位机软件设计主要是为了监控下位机PLC变量的状态，显示整条硅酸钙板生产线的工艺参数值、设备工作状态的电气参数值以及各种设备的运行状态信息，并提供历史数据查询、报警记录查询、报表打印、远程诊断等功能。上位机监控软件主要功能有：对砂浆系统、纸浆系统、配料系统、清回水系统、料浆输送系统进行数据采集和设备运行情况动态监控；对制板机、接坯机、水切割系统和回料系统进行数据采集和设备运行情况动态监控；对四工位堆垛机、吊机和预养窑进行数据采集和设备运行情况动态监控；对四工位脱模机、两工位堆垛机和刷油机进行数据采集和设备运行情况动态监控；对全线牵引机和辊道进行数据采集和设备运行情况动态监控；对 606#，607#，608#蒸压釜的工作情况进行数据采集和实时监控；对成品工段的四工位脱垫板机组和烘干进板机组进行数据采集和设备运行情况动态监控；对全线SEW伺服电机的动态性能曲线和电机的用户参数进行数据采集和实时监控；自动生成配料部分、制板机产量班、四工位堆垛机产量班、四工位脱模机产量班、两工位堆垛机产量班、四工位脱垫板机产量班、烘干机产量班等报表；对釜前横移车的进行动态监控及数据采集；对全线电能消耗情况实时监控和统计；对全线设备报警故障信息进行采集，实时显示和检测报警故障信息等。

系统上位机软件的设计采用西门子WinCC7.3组态软件设计。为了让装有WinCC软件的计算机和PLC之间进行网络通信，必须将该计算机的IP地址和PLC的IP地址设置在同一网段，保证子网掩码相同。首要是创建WinCC工程项目，然后打开WinCC工程的变量管理，再添加新的驱动程序，设置连接参数，如IP地址、访问点、产品序列等。针对下位机PLC的变量地址和名称、变量的类型，完成变量的添加，使用变量管理器来处理变量的集中管理。在添加有效合法的变量后，激活WinCC项目运行之前，需要进入计算机的控制面板，找到Set PG/PC Interface选项对通讯接口进行设置，确保WinCC项目启用的网卡和计算机上的网卡一致，方可让WinCC项目正常连接PLC变量。

为了让用户对设备的工作状态和当前数据进行实时监控变得直观，系统使用了图形化的设计思想。根据各个设备的外形以及工艺流程，设计制作图形化的可视界面，关联下位机变量，并设置图片的属性、显示条件。通过上位机实时采集到下位机PLC中各个变量的变化，及时在上位机图形界面上显示设备的工作状态和当前数据。实时监控画面如图2所示。

图2 实时监控画面

为了让用户对生产线中的温度、压力、液位、料位、电机实际电流的历史数据进行查询，系统对设备的数据进行长期快速归档，供用户调用查询，并生成历史曲线趋势图，如图3所示。为了实现系统的远程诊断功能，本系统设计了变量报警信息表，对设备的故障报警信息进行长期快速归档，每一个报警信息都会在系统的报警记录表中实时显示，设备维修人员即可以根据系统的报警信息，及时排除故障。报警记录表如图4所示。在远程计算机站，技术工程师可以通过VPN网络，借助TIA Portal 软件来在线实时监控PLC内部运行状态，在线修改下位机PLC程序。为了获取相应设备每天的产量数据，工艺配方参数、原材料的消耗情况、电力能耗情况，本系统将上述数据自动采集，并报表归档,供相关技术人员进行数据分析,为优化设备的性能,改进工艺的配方,减少能源的消耗,低碳环保具有重要的参考价值。尤其是工艺的配方的获取，将为提高产品质量提供了有利保障。电能消耗情况的获取，为厂家节能降耗、合理统筹用电时间、控制用电成本，提供了指导依据。

图3 历史曲线趋势图 图4 报警记录表

5 结束语

在系统调试过程中，由于受网络带宽的限制,网速太慢,产生了数据传输时延,导致数据更新滞后，动态图像显示不连贯,给系统的测试带来了很大影响。我们通过增加网络带宽，提高网速，上述问题才得以解决。因此，使用本系统，必须保证足够的带宽，较高的网速。本系统暂时只能在计算机上运行，来完成远程监控和故障诊断。另外，利用本系统进行远程协助维护维修，需要与现场技术人员电话沟通，协助配合，才可以顺利完成。为使系统使用更为方便，下一步，将开发手机APP客户端，用户在手机APP客户端上设置不同的访问权限，凭有效的用户名和密码登录系统，对硅酸钙板生产线的现场进行监控和故障诊断。

目前，基于VPN的硅酸钙板生产线远程监控与诊断系统已经成功应用于中材 (宜昌)节能新材料有限公司的硅酸钙板生产线上。本系统的投入使用，使硅酸钙板生产线制造商能够在办公室打开计算机，经由Internet公网远程监控用户现场设备的运行情况。通过本系统的上位机实时监控画面、历史曲线趋势图、报警记录表和下位机PLC程序的在线监控，能够实时掌握现场设备的运行情况，获取设备的产量统计报表数据，原材料的消耗情况、电力能耗情况，可以用于生产厂家的上级单位进行节能、低碳等方面的质量考核。同时，可以对现场设备的故障情况进行分析和诊断，协助现场设备维修人员找出故障原因，定位故障点，尽快地恢复设备正常运行，节省维修成本。本系统的使用也给设备维护人员维护设备减轻了劳动强度，给生产管理人员改进工艺配方和提高产品质量提供了重要参考数据。

[1] 王海波.基于VPN网络的污水处理厂集中监控系统[J].自动化技术与应用,2014,33(5):118-120.

[2] 丁巧林,于力强,张哲.基于VPN技术的风电场远程监控系统[J].机电信息,2011(3):30-31.

[3] 万钦.基于SSL协议的VPN在校园网中的应用与实现[D].南昌:南昌大学，2011.

[4] 张旭.VPN中间人攻击与防护关键技术研究[D].杭州:浙江理工大学,2016.

[5] 万科星.基于VPN的自来水管网无线监控系统设计[J].自动化仪表,2012,27(2):27-29.

[6] 陈县,夏挺,郭正平,等.基于VPN技术的工业设备远程监控[J].电子世界,2017(3):104-105

[7] 彭辉.SCADA系统在硅酸钙板生产线中的应用研究[J].常熟理工学院学报,2017,31(4):41-45.