工业自动化仪表与自动化控制技术

文/崔慧锐

B/S架构不但可满足当今工业生产的需求，随着云计算技术的快速发展，还能够进一步提高工业生产故障诊断的效率、精确程度。通过应用B/S架构以及云计算技术，工业生产企业无需购入大量的硬件设备，只需要将软硬件开发交予云计算服务商，企业不仅能够在云平台上直观了解到工业生产情况，同时还可对自动化仪表进行控制、调整。

1 工业自动化仪表与自动化控制技术应用情况

我国正处于工业发展的关键阶段，伴随着网络技术、信息技术的高速发展，工业生产的自动化控制技术、自动监测技术也有了长足的进步，从工业监测的发展来看，自动化控制仪表、自动化控制技术在工业生产体系中的作用越发重要。雷达物位计、核子秤、电磁流量计、电动阀、电流检测计、温度传感器等等自动化仪表在工业生产中的作用也越发重要，因为许多企业在追求更低成本、更高效率的自动化仪表控制方式，所以现场总线技术、现场监控技术、基于zigbee、蓝牙等技术的现场局域网络等均得到了应用，但是这些技术在前期的投入均比较高，且技术应用安全性会直接受到现场生产影响。而基于互联网技术的“云计算”在“工业生产控制”中的应用开始逐步崭露头角，且取得了阶段性的发展成果。

2 技术方案

以“云计算技术、B/S架构”为基础的工业仪表监测控制系统是基于“云计算凭条”的工业监测平台，企业通过网络接入平台实现对生产现场的控制，实现对分散、危险场所环境情况的一般监测以及对自动化工业仪表数据的实时读取。该系统不同于以一般的工业生产监测系统以及工业生产控制系统，它主要有云检测平台和监测模块两个大的部分构成，用户通过计算机终端上的浏览器访问云计算平台便能够实现有效的监测、控制。案例中所用的工业仪表为“核子秤”，“核子秤”在我国的工业生产体系中已经经历了几代更新，在许多的工业企业中都得到了广泛应用，并且有相当一部分企业中“核子秤”的使用存在“新旧共存”的现象，且老版本的仪表缺少网络接口，所以不支持网络访问，新版本的仪表则配置了STM32控制器，在硬件上也增加了网络接口。

图1：核子秤工作示意图

整体架构分为控制监控模块、云计算平台模块。在控制监控模块部分，主要实现数据操作、权限管理、数据获取、数据储存等功能，控制通过PLC等控制技术实现，数据的传输、数据的获取则通过网络技术实现。在云计算平台部分，Web前端不但能够直接满足客户需求，而且实现了对数据库数据内容的筛选、封装，同时能将获得的数据内容以“曲线、图表”的方式发送至监测客户端，这是实现系统服务的关键要素，在该部分，TCP服务器有着至关重要的作用，且TCP服务器一直处于运作状态，若是有自动化仪表通过Internet上传数据，那么TCP服务器就会直接解析数据并将数据写入到数据库中。

选择B/S架构作为主要架构，B/S架构的全称为Browser／Serve，B/S通过浏览器便能够提供服务，相较于C/S架构，B/S架构的开发成本更低，且能够根据企业内自动化仪表的调整进行定期的革新，且所有数据均保存在服务器端，即便是企业发生断电或者设备故障，数据也能够在服务器端安全存储。

3 监测控制端

3.1 硬件配置

3.1.1 自动化仪表

“核子秤”是工业生产中的主要自动化控制仪表之一，目前“核子秤”本身的高稳定性、高精准性较为突出，所以在许多工业生产企业中得到了广泛应用。如图1所示，“核子秤”技术原理是通过“γ”射线的吸收作用，对输送机传送散装物料实现非接触式的测量，“核子秤”的使用不会影响工业传输带的传输效率，且安装无需对原有的物料传输带进行改进，在水泥生产、化工生产、电力生产、矿物生产等企业中均得到应用。在物料传送的过程中，“核子秤”的称重传感器可将物料的实际重量住转换为电信号，在经过滤波电路处理之后，实现ADC采样，就可转化为电子设备可识别的数字信号。

3.1.2 数据发送模块

“核子秤”本身具有本地监测的自动化功能，多台“核子秤”还能够通过现场总线（RS485）实现数据的整合，RS485本身是工业生产中应用较为成熟的工业现场总线，利用通讯接口箱便能够实现和计算机等设备的相互连接。本文所提出的自动化控制技术，就是在“核子秤”、现场总线（RS485）应用的基础上进行再次升级，将原本上传到计算机的数据，改为利用移动网络模块进行传输，数据最终传输至云服务器。传输过程为“核子秤分析数据→核子秤传输数据→移动网络模块接收→数据传送至Internet→数据传输至云计算平台”。

这里所举例的移动数据传输模块为MF210，MF210本 身 支 持UMTS850（900）/1900/2100、GSM/GPRS/EDGE 850/900/1800/ 1900多频段HSUPA，能够在移动环境下支持WCDMA、GSM/GPRS、EDGE（EGPRS）和HSUPA高速数据接入服务，因MF210本身支持Electromagnetic compatibility (EMC) requir ements for Mobile terminals and ancillary equ ipment，所以MF210具有较为突出的实用性、可拓展性。系统接口为UART，即通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，该传输器能够实现串行通信、并行通信之间的高效率切换，然后由核子秤本身的STM32处理器来实现对指令AT的发送。

3.2 软件设计

想要自动化仪表实现正常的信息传输，必须要设置好通讯的统一格式，根据“核子秤”本身传输的信息数据类型，所有数据格式为1位起始位，8位数据位，再加上1位停止位。在通信的过程中，由PC发出一个命令字节，发送命令的格式为（命令字节按位置取反+命令字符+0x00）+WJHIZ，在核子秤监测到工业生产数据后，通过现场总线RS485串口综合数据，然后通过MF210发送数据。

3.3 云平台配置

3.3.1 访问权限管理

为保证工业生产的安全性、可控性，系统需要设置权限管理，权限管理采用“权限、角色关联”方法，通过赋予不同工作人员角色来给予其相应的权限，如管理人员、用户、技术人员。在人员通过Web程序访问后，首先连接的是数据库，然后调用相关的数据库信息，判断权限相关的SESSION变量，判断是否存在相关数据，以及角色信息的正确性，同时采用SESSION变量对访问次数进行控制。

3.3.2 自动化仪表控制

根据工业生产中自动化仪表的更新迭代情况，增加自动化仪表设备注册功能，工作人员可根据设备的编号、种类，将设备提交到数据库中，同时生成一张有所有设备的数据表。自动化仪表的控制整合PID控制算法，目前PID控制算法是国内工业生产中应用最为广泛的控制算法，PID控制算法能够解决绝大多数控制回路反应滞后问题，同时也能够在减小动态偏差的基础上，保证自动化控制的有效性。根据核子秤的分布情况，可将现场的核子秤分为多个区域，从而实现各个控制区域的整合，最终形成一个完善的PLC控制系统。

4 结束语

上文对以“云计算”为基础技术的工业自动化仪表控制技术进行了详尽论述，从软件、硬件、系统架构等方面进行了详尽分析，Web本身具有较高的实用性、快捷性，且工业生产自动化仪表的控制需求相对单一，所以Web应用程序既可满足工业生产自动化仪表的控制需求、监控需求。Web技术整合B/S结构，同时基于云计算平台的支持，相较于利用DCS和现场总线技术控制企业内的自动化仪表，其成本更低、稳定性、安全性更高，同时还能够根据实际情况调整自动化仪表的监控数量，同时利用数据库技术记录设备异常报警、用户管理等。建议可采用MySQL+PHP来构建后端系统，同时让移动智能设备通过安装APP以实现相同的控制功能。