基于云平台的高频摇振器监控系统的设计与实现

马汇海 张君燕 孟彦京

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安， 710021)

高频摇振器在纸机中对高定量纸张和提高纸质量起着十分重要的作用[1]。通过对网案上浆料的摇振，有效加强了纤维的横向分布，减少了纤维的絮聚，对成纸均匀度、平整性和纵横抗张强度具有明显的优化作用[2]。高频摇振系统主要由胸辊和摇振单元组成，通过摇振连杆将产生的可调节谐波重力传递到胸辊上，带动成形网在轴向上一起反复高频率振动，根据网速变化可自动调整振幅与频率，使纸幅的厚度与定量均匀，获得较好的纸张成形效果[3]。因此在造纸过程中，对高频摇振器工作参数的监控必不可少。

现造纸工业领域的监控多以局域网络、集散化控制为特征的分布式监控系统为主，每个独立的子系统由PLC控制完成特定功能，局域网再把分布于各个局部现场的本地计算机互联起来，实现其协同工作、分散监测和集中操作，这是基于工业局域网相对开放的系统[4]。但这种监控系统仅局限于内部控制，没有跨地域远程采集数据并进行分析和处理的功能[5]。随着造纸工业产量需求日益增加，企业管理出厂的造纸设备广泛运往各个地区，分布在不同地区的纸机设备需要技术人员对其进行远程监控与维护时，往往要在带有上网功能的PLC模块上添加程序与上位机组态才能实现，使得安装设备成本增加，浪费时间与人力，效率不高。

为解决监控系统局域化，不能随时随地掌控设备工作状态并进行远程维护的问题，本课题引入“互联网+”制造，设计实现一种基于物联网的远程监控造纸设备工作系统[6- 8]。它以云平台为桥梁，通信网关为主要协议转换设备，将造纸工厂中以PLC为控制中心监控采集下层设备的数据信息以MQTT协议形式上传网络，实现设备与监控人员间的各种客户端通信(如APP、PC软件或WEB界面)[9- 12]。经实验测试，数据收发准确，满足用户要求，可使设备始终工作在最佳状态，提高使用周期，并充分挖掘其增值服务，为远程监控提供了有力的解决方案。

图1 远程监控系统原理图

1 系统原理分析

1.1系统原理简介

结合造纸设备的常用电气接口及数据传输通信协议，分析造纸设备远程监控系统原理，如图1所示。在造纸现场用于工业控制的西门子300-PLC具有DP和以太网两种接口，PLC采集监控数据存入内部寄存器后，将要监测的数据写入PLC的只读模块，因PLC内部有单独通信设置时钟，现场设备控制程序在此时钟中执行周期约为10 ms，远程监测数据更新频率设为一次3～5 s，两者相差很大，不会干扰到原来的监控程序和正在运行的造纸设备。然后通过相应的协议转换模块将读到的数据转换成Modbus通用形式，再接入网关，网关内设通过HTTP获得域名解析出IP地址与连接的云服务器外网IP地址一致，将数据转换成MQTT通信形式后，通过通信IP与端口号连入云服务器上MQTT通信端口与其进行信息交互，用户上网后打开客户端软件通过HTTP与MQTT共同访问接入云服务器的HTTP与MQTT端口，获取云上的设备信息。网关、云平台与客户端三者可在不同的网络环境下通过接入互联网建立连接，从而实现了PLC及下层设备与工作人员的远程通信。

1.2通信协议约定

为实现对造纸设备的实时监控，数据传输主要通过两种通信协议的规范，一种是网关与下层设备的通信为Modbus协议，另一种是网关、云平台与用户的通信为MQTT协议。

Modbus协议是工业领域电子控制器上的通用语言，在本系统主要约定了读模拟量输入、写单个保持寄存器和写多个保持寄存器共三种。MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)协议是一种轻量级、开销小、及时可靠性高的消息传输协议，该协议基于代理的发布/订阅模型，方便实现物联网系统中一对多的消息通信，且与其他应用软件为松耦合，支持所有客户端应用平台。在本系统中以手机APP作为客户端为例，客户端发送消息的通信协议约定主要有控制消息、数据点属性修改消息和发布周期修改消息，格式如表1～表3所示。

表1 数据点控制命令帧格式

表2 数据点属性修改命令帧格式

表3 数据点发布周期命令帧格式

2 远程监控系统设计

面对以PLC为控制中心的造纸设备工作系统，在现有PLC基础上进行软件和硬件系统的设计和开发，整体结构包括三个系统：数据传输系统、数据监控报警系统与电机控制系统。通过PLC软件的数据采集与传输，用DP接口将数据以Profibus-DP的形式发送至协议转换模块，转换为电气设备通用协议Modbus协议，再传至网关进一步转换成能被云平台软件接收的MQTT协议数据，云平台进行分析管理，工作人员即可通过APP移动客户端访问云平台并发送控制命令，命令以相同方式下传至PLC，完成相应操作，实现对纸机设备的实时监控和故障报警。整体系统结构框图如图2所示。

3 系统软硬件设计

3.1硬件设计

网关作为系统中造纸设备与云平台通信的核心部件，硬件设计原理如图3所示，按功能其电路可分为核心处理器模块、以太网收发器模块、串口驱动模块、调试模块、外部存储器模块、电源模块以及状态指示模块等辅助模块。

核心处理器采用ARM Cortex-M4内核的STM32-F407系列高性能处理器，工作频率最高可达168MHz，具有1MB的Flash闪存和192KB的SRAM，F407内部具有以太网内核MAC，外扩LAN8720A以太网收发器，串口驱动根据外接电气设备端口不同可分为1路RS232接口、1路RS485接口与1路以太网接口。其中以太网接口电路是通过以太网内核处理器16引脚与25引脚外接控制，以太网收发器使其在应用层支持MQTT协议数据的收发，串口驱动使其在数据链路层支持Modbus协议数据的收发。电源模块负责电源供给，状态指示模块增加LED灯来指示通信设备工作状态，如程序运行状态、RS485和RS232通信状态、以太网通信状态和电源状态。

3.2软件模块设计

3.2.1网关软件结构设计

根据系统数据传输通信协议的转换要求，网关的软件结构设计如图4所示，主要包括驱动层、平台层、系统层、框架层和应用层。

平台层包含硬件平台和操作系统平台的具体实现。驱动层包括与其他设备相连的外设接口2个串口和1个以太网接口，外部存储器驱动和以太网收发器驱动等。系统层包括标准网络协议、操作系统、数据格式标准等，LWIP网络协议栈是网络通信的基础，用于底层资源有限的嵌入式设备，FreeRTOS 操作系统是对整个系统的任务调度和管理控制，结合驱动层的硬件资源和操作系统功能为上层提供标准的API接口，Json库是文件数据格式的统一规范。框架层包括云通信服务、时间同步服务、网络配置服务等，与系统层结合作为嵌入式网络中间件，为接入互联网和云平台提供根本条件，并为应用层提供跨平台服务。应用层为网关功能的实现，主要包括数据接收处理与发送的应用程序。

图2 整体系统结构框图

图3 智能网关硬件设计原理图

图4 网关软件结构设计图

3.2.2云平台软件框架设计

云平台作为所有数据传输与交互的中心站，其软件整体框架如图5所示，主要包括应用业务区、数据存储区、通信网关区与JMS线程分析区。应用业务区包括API接口和数据业务逻辑处理，实现用户和网关设备端通过HTTP协议接入云平台并访问，云平台对其发送的数据消息进行管理，操作相应数据库内容。数据存储区实现对用户、网关设备及监控的历史数据信息进行存储。通信网关区实现云平台与网关设备、用户之间的实时通信，通过MQTT服务器进行消息转发，提供订阅主题号模式的即时通信服务，三者进行数据交互，完成对造纸设备的实时监控和数据的实时获取。JMS线程分析区实现系统工作中两个线程之间的可靠、异步、松耦合的数据传递。

图5 云平台软件整体框架图

图6 通信过程分析图

3.2.3整体软件工作流程设计

网关设备、用户与云平台之间通信工作的实现过程如图6所示，具体内容为：

(1)网关首次上电后，首先通过HTTP与云端应用业务区中的API接口进行设备身份验证并创建设备信息，通过验证后获取MQTT服务器信息，设备即接入云平台服务器并完成绑定。

(2)用户通过HTTP创建设备下的从机和数据点信息，下次进入时即通过之前创建设备时获取的设备ID使其以HTTP形式从云平台的数据库中得到之前需要上传的数据点名称，通过MQTT以设备主题号订阅设备发布的消息，实现数据点信息的上传。

(3)当设备在线后，接收到所采集的数据后，通过MQTT协议将数据上传到通信网关区的MQTT服务器，如果有用户订阅相应设备的主题，则云通过通信网关区的MQTT客户端发布给用户，用户可以看到设备发布的消息内容，即数据信息。

(4)在用户进行订阅或取消订阅的相关操作时，会用到云服务器的JMS中间件。如用户需要将订阅上传的数据存储，则用户通过API接口以HTTP形式先发送给数据库，改变数据库状态，再通过JMS客户端发送开启历史数据服务指令给JMS服务器，并到订阅消息主题记录中查询MQTT客户端是否订阅该设备，首次创建数据点时需要订阅，并将该主题添加到数据库列表中，这时设备向上传输的数据在MQTT服务器处发布，根据MQTT客户端的操作将接收到的数据消息解析修改后存储到数据库中。

4 系统测试与运行结果

为验证远程造纸设备监控工作系统的可靠性与功能实用性，以高频摇振器为例，对其5个工作参数进行数据监控测试。选用CPU- 315型号的PLC，内部数据块首地址设为DB30.DBD0，以此类推，用于存储摇振器的数据变量，手机APP软件内设变量地址与PLC寄存器地址一致。网关内设串口的通信波特率根据PLC实际工作参数可调，最大为115200，现设为9600与PLC相适应，即通过串口传输数据时通信速率在9600bps，通过网口传输时实测大约在8Mbps。下传写入数据点控制命令时，因两种传输速率都不及PLC与现场上位机Siemens S7内部通信协议速率12Mbps，即控制设备时仍以现场操控为主，优先级默认选现场上位机优先。监测数据点的发布上传周期用户在APP端设定，模拟量初设监测周期为3s更新一次，开关量为状态发生改变立即推送。

图7 APP数据显示图8 数据模式设置图9 用户权限设置

在网络正常情况下，远程控制设备在毫秒级反应时间里，云平台的MQTT服务器内部接收到用户端控制消息后向下发给设备执行命令，其来回延迟大约在100～300 ms，可以满足对工业现场设备控制的实时性需求。监测的数据如图7所示，高频摇振器油温范围设定为5～50 ℃，相位角为30°，润滑压力范围为0.1～10 MPa，轨道压力范围为1～50 MPa，振频设定为300次/min。经实际测试可知，显示的数据均在设定值正常范围内。该系统监测数据准确可靠，具有远程对造纸设备监控的功能。

考虑到用户是否同意将相关数据共享(涉及产量和工艺数据)，从安全角度将用户APP端监控的数据点设计为动态的，对于一些只需要监测的数据设置为只读模式，需要远程控制的数据设置为读写模式，如图8所示，完全由用户决定，可以自行添加或删除数据点。

此外，在客户端监控上设有权限设置功能，如图9所示，用户具有多种身份角色可选，例如管理员、工程师、操作工和访客，其权限大小按身份不同而不同，管理员具有最大权限，可以监控所有设备的数据，访客具有最小权限，仅可以看到部分开放的监测数据。这样用户的一些内部重要数据可以得到保密，仅被内部人员监控，在安全性得到保障的前提下实现了设备的远程管理。

5 结 语

目前针对造纸工业中PLC控制类型及其通信传输的特点，本课题设计了一套高效、可靠的远程造纸设备监控系统。该系统将PLC现场采集的工业数据发布到云端服务器上，技术人员可不受地域影响，在互联网覆盖范围内，利用移动终端可远程实时监控数据和设备的运行状况。经测试，该系统具有实时性、可靠性和稳定性等优点，对企业的设备管理与维护产生了积极作用，具有广泛的应用前景。