控制系统数据上云技术实现路径

何锡武

(武汉城市职业学院，湖北 武汉 430064)

1 背景

工业企业的技术转型升级，控制系统的网络化、数字化、平台化成为技术发展的必然趋势。工业企业数据平台化，必须是实现设备的通信。而企业生产工艺的复杂性，决定了企业设备的多样性，生产设备不可能是同一品牌或系列。不同设备的物理接口、各种协议各异，一般情况下数据不能直接互联互通。目前，工业数据采集主要有以下3种途径。一是利用通用工业网关，连接工业现场控制器，通过以太网或串口读取控制器内部变量进行数据采集。这种方式需要购买厂商的工业网关并与厂商的平台进行绑定。优点是使用方便，并且售后服务比较有保障。二是利用数据传输单元DTU(DataTerminal Unit)进行透明传输，通过Socket方式将现场数据上云，远程访问远程测控。这种方式不需要购买硬件网关，能利用企业现有设备，减少了硬件成本开销。缺点是需要自建数据存储空间，通信服务需长期付费且价格也取决于基础通信厂商。三是利用现有工业SCADA系统数据转发到云端。这样工业数据的采集可以不依赖于具体硬件网关，减少使用成本。但用户本身已经具备数据集中采集条件，数据上云作用大打折扣，且需要用户进行网络和现场总线技术再开发，IP地址需要固定等，难以广泛应用。

2 系统远程测控方案

2.1 有线网络化远程操控

人工气候室的现场控制硬件主要由PLC和触摸屏构成。系统有线数据网络化的实现步骤是：现场控制盘触摸屏的软件组态中，除正常的操控界面外，专门添加ModBus TCP转发设备构建。在转发设备构件中添加所需要的数据通道，链接相应变量实现数据转发(如图1)。在上位机上安装MCGS网络版软件。其硬件组态需安装标准添加ModBus TCP构建，接收从控制端转发来的数据并组态相应控制界面。由于网络版组态软件自带网页发布功能，这样在任何联网地点，远程电脑或移动端只要访问上位机的IP地址，即可得到与上位机相同的操作界面(首次访问会提示安装插件)。在此界面可读取数据和远程操控。该方案全部由组态软件通过有线网络实现，远程访问不需要专门软件或APP开发，简单实用。缺点是上位机需要固定IP地址，对企业内网的系统使用有其局限性。

2.2 无线途径实现数据网络化和远程操控

无线数据上云是通过无线网关，将PLC数据上传到企业的数据云平台。用户在任何地方通过移动端访问该企业的数据平台实现远程操控。本系统采用河北蓝蜂信息科技有限公司的GM10-DTU物联网网关。GM10-DTU是用于EMCP物联网云平台连接下位设备所用的GPRS网关，利用GPRS网络实现Modbus数据自动采集和传输，配置参数灵活，运行安全稳定，适合于恶劣的工业现场。用户通过简单配置就可以完成设备到EMCP物联云平台的可靠数据通信。数据通信中GM10-DTU作为MODBUS主站，能用于各种具备串口和MODBUS协议的PLC、IO模块、智能仪表等现场设备的远程联网。设备具有RS232和RS485双串口，还额外提供4路DI，可实现4路报警数字量输入，方便系统实现紧急安全连锁，具有短信报警提示。上电即可进入数据传输状态，实现用户现场设备与平台公司私有EMCP物联网平台的数据链接。

系统配置过程如下：

(1)硬件准备：按GM10-DTU网关的使用要求连接电源和高频天线，插入移动通信所用的SIM卡。通过9针串口头连接网关和PLC控制器的RS485的通信端口。按西门子200PLC系统手册介绍485通讯接口信号线，将PLC串口的第3和8引脚分别连接GM10模块的“485A”端子和“485B”端子，硬件连接完成。

图1 现场端添加数据转发设备和转发数据通道

(2)创建Modbus从站：在该数据通信过程中，PLC是作为Modbus从站来响应平台发出的读书请求。所以，需要将PLC设置为Modbus协议从站。从站建立需要提前安装Modbus协议库指令(如图2)。西门子Modbus从站协议库包括MBUS_INIT 指令和MBUS_SLAVE两条指令。其中MBUS_INIT指令用于启用、初始化或禁止Modbus从站通讯，在使用 MBUS_SLAVE指令之前，只需在系统初次循环中一次调研MBUS_INIT执行即可。MBUS_SLAV指令用于回应Modbus主设备发出的请求。指令完成后其输出信号“Done”位会数据置1，程序中可以作为数据传输完成，继续执行下一条指令的条件。

图2 PLC的Modbus从站指令

程序中我们将Modbus保持寄存器区从VB1000开始(HoldStart=VB1000)，并且保持寄存器为100个字(MaxHold=100)，因保持寄存器以字(两个字节)为单位，实际上这个通信缓冲区占用了VB1000～VB1200共200个字节。另外，还需要为Modbus通信功能块分配库存储区。库存储区的分配要避免与程序中其它应用所占用的区域相冲突。编译无误后下载到PLC中。打开程序监控，正常情况下可以看到MBUS_INIT指令和MBUS_SLAVE指令的“Error”引脚输出是否为0，即表示正常，如为其它数值即为故障，需要调整。

(3)通信过程：在远程计算机上采用购买模块时公司分配的管理员账号登录平台，按照平台手册说明完成网关模块的绑定和参数设置，添加从站设备(具体为西门子S7200 PLC)，设置从站地址和读取数据长度等参数。登录EMCP平台( www.lfemcp.com)，点击前述建立的从站设备名称进入设备，即可以看到现场200PLC定时采集的实时数据。通过“读写数据”按钮，可以即时对200PLC进行数据读取和输出操作，实现远程控制。在手机安装《云联物通》手机APP，进入列表中的“西门子 S7-200PLC”设备，在菜单中点击“读写数据”，可进行移动端的远程读取和操控。

2 系统应用

人工气候室是通过现代控制技术实现局部环境控制，实现特殊的环境要求，是现代生物和农业研究的重要设备。它对温度、湿度和光照强度的控制要求很高。首先，要像普通恒温、恒湿实验室一样，能将室内温湿度精确地控制在设定值附近，对温度控制精度要求达到±1 ℃。其次，要求温度、湿度和光照强度能按设定的变化规律自动改变，最短变化时间为1 h，以1 d或若干天为周期循环地变化。本案例被控对象包括调节光源、空调、加热器、空气加湿器、土壤浇灌和空气换风系统等，其中光源控制如附表1。其它负载配置情况略。系统按照加权编码的开关量控制方式，简单实现多级调，控制效果逼近PID调节水平。并分别通过远程桌面和移动端APP实施远程操控，极大地方便了农业研究这种实验室比较远，分布区域广的应用场合。

表1 人工气候室光源配置

3 结语

本文根据实际使用需求，通过有线网络和无线两种技术途径，实现了设备的远距离监视操控，使设备的使用更加方便。特别是通过HMI组态软件IP转发的方式使数据上云不需增加新的成本，方便应用推广。无线上云途径可以让使用操作不受地域限制，特别适应于农业研究这些范围广的应用场景。系统在华中农业大学人工气候室得到长时间应用验证，其温度控制进度在0.5 ℃。生物光照时段的任意设置及光照色谱的调节，为生物光反应研究提供了有效的技术手段。控制参数设置还能按预先设定的曲线设置，避免频繁改变设置的麻烦。特别是数据上云和远程操控的实现，非常适用于农业试验这种地域广、周期长的特殊场合，得到了学校师生试用者的高度肯定。