张保森
（中国化工集团昊华宇航化工有限责任公司，河南焦作454000）
摘要：为满足工业远程网络监控的快速发展需求，设计一种基于网际组态软件WebAccess的远程异构式网络监控系统。首先以分布式控制为指导思想，确定自下而上的分层控制方案，以RS 485和ProfiBus现场总线连接底层设备，以MCGS和WinCC构成中间控制层，最后以WebAccess完成远程控制。采用中间件技术实现不同组态软件之间的数据交互。系统综合调试结果显示，该系统集成方案合理，实现了双向远程数据信息的交互，系统整体满足设计要求，设计思路有较强的新颖性和实用性。
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关键词 ：WebAccess；PLC；远程监控；分布式控制；组态软件
中图分类号：TN911.7?34；TP391.4 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）15?0149?04
收稿日期：2015?03?04
0 引言
计算机网络技术的快速发展给控制系统领域带来了一系列变革，其与控制技术的融合诞生了网络控制系统。目前网络控制系统主要包括PLC网络、分散控制网络、现场总线网络以及工业以太网等。基于Internet的网络技术正在被广泛应用，同时伴随现场总线技术，信息交互中间件技术，组态软件技术，Web远程操作等技术的彼此交叉影响，为将传统控制系统推向更加智能化、多元化、集散化创造了条件。通用工业组态软件的集成度和兼容性越来越高，大大节省了工业控制系统的周期。作为一种专业编程和组态软件平台，组态软件支持多种通信协议，并兼容众多工业产品，为用户实现多设备互联提供了有力支持。借助组态软件可快速开发出具有图形，图标，趋势曲线，实时数据库，报警信号，报表存储等功能的可视化控制界面，并可通过Web 浏览器方便地实现远程监控，相关编程人员不需要掌握复杂的编程语言，只需要以类似“搭积木”的方式针对待设计系统进行系统拼接，并完成简单的接口参数设置即可。伴随越来越多主流厂商的加入和主动开发其自身协议接口，相信组态软件在未来将被不断赋予新的内容。
在远程控制系统设计策略方面，当今最大的发展趋势即依托Ethernet技术的扩展，通过Internet可以使系统与世界上的任何地方实现连接。远程网络监控的具体定义可以描述为：利用计算机监控技术并通过网络对设备进行远端监视，并可以根据监视情况发送控制和维护命令。课件，在Internet占据互联网世界的背景下，搭建基于Internet的工业远程监控网络是工业技术发展的趋势。而作为网际组态软件的WebAccess[1?2]正是以IE 浏览器内核开发的HMI/SCADA监控软件，可以在IE浏览器界面上快速实现人机交互界面设计和资料传送采集监测，能够为远程监控提供完善的设计方案和安全保证。基于此，本文提出一种基于网际组态软件WebAccess的远程异构式网络监控系统设计方案，进行实际运行调试，验证了所提方案的可行性和有效性。
1 整体系统设计
系统整体设计对象是面向PLC底层控制的基于计算机网络技术的远程综合控制系统，上位机程序利用WebAccess 开发，采用三菱FX2N 型号的PLC 作为底层控制网络[3]，并以多关节机械手为对象的物流管控系统设计作为应用对象，验证整体系统的可行性，而在物流管控系统，选用的是西门子S7?200型号的PLC[4?5]。整体工作包含三大部分内容：
（1） 搭建基于三菱FX2N PLC 的网络综合控制系统；
（2）以物流管控系统为具体应用对象，组建基于西门子S7?200 PLC和现场总线技术的多关节机械手及码垛自动物流系统；
（3）实现异构系统集成以及中间件信息交互，完成整体远程监控系统满足基于Internet的远程测控。
整体系统设计结构如图1所示。
其中，底层现场控制由基于三菱FX2N PLC构成综合网络控制系统和基于西门子S7?200 PLC和现场总线技术的多关节机械手及码垛自动物流系统组成；中间监控层由基于MCGS和WinCC的组态软件编程实现[6?9]；最上层将两个异构系统进行集成实现远程监控层设计，具有分散控制，集中管控，分层独立设计和远程监控等功能。下面将采取由下至上的顺序依次论述各层具体的设计方案。
2 现场底层控制系统设计
2.1 基于三菱FX2N PLC综合控制网络
采用三菱FX2N PLC 完成下位多台独立PLC 分别控制不同的现场设备构成各个从站，通过RS 485 网络通信，构成1∶N 网络系统，最终将各从站统一交由一台上位机进行监控，并定义为通信网络主站。整体网络采用专用协议和计算机进行连接，一个主站最多可搭载16 个独立PLC控制系统。各从站PLC之间的连接是通过FX2N?485?BD模块自带接口实现，构成下位机RS 485网络，各站独立数据延伸通信距离不超过50 m，若不使用FX2N?485?BD模块，则最大延伸距离可扩展为500 m，所以如果现场设备要求的通信距离大于50 m 时，可通过RS 485 通信网络对通信距离进行延伸扩展，从最大程度上发挥PLC的现场工作优势[10]。
具体底层网络结构如图2 所示，由虚（虚拟控制对象）实（真实控制对象）相结合的现场对象控制层、RS 485网络通信层和上位主站监控层构成。
（1）现场虚实结合被控对象控制层：采用MCGS组态软件开发虚拟控制对象，以动画形式直观地仿真出程序的执行情况，同时设计了PLC、变频器实际控制系统；
（2）RS 485通信网络层：利用三菱FX2N PLC自带的RS 485 接口，按照RS 485 通信协议，搭建以主站PC机为主控单元的1∶N 型集散化网络控制系统；
（3）上位监控管理层：仍采用MCGS组态软件开发上位PC 机的监控系统，直观方便地对下位从站各PLC管控设备进行监控。上位PC 机既可以作为1∶N 网络中的主站监控机，又可作为对整个网络的上位监控机，同时承担对PLC 各从站的实时编程、参数设置等调试工作。
2.2 多关节机械手物流仓储管控系统
以现代物流仓储为实际应用对象，设计面向自动化立体仓储的实验装置平台，构建物流信息实时管理与监控系统，整体设计方案如图3所示。
如图3所示，监控层内部采用WinCC和数据库相配合的DDE 通信管理模式，监控层和控制层之间的三个西门子S7?200 PLC构成PROFIBUS?DP控制网络，分别控制堆垛机、机械手和辊道输送机三个具体的设备对象，最终通过EM277扩展模块连接到PROFIBUS?DP现场总线上。整体物流仓储管理系统以配置有WinCCHMI/SCADA的PC机作为上位机，通过插在主机箱内的CP5611网卡与下层S7?200 PLC通过EM277 DP模块进行连接和通信。
实际测试中总结出所提物流仓储系统具有六大主要特点：具备自动识别金属，物品颜色，条码信息和物品功能自动整理摆放等功能的现代进货管理、识别和规划仓储系统；物流输送交流传动、气动系统准确控制；立体式仓库货物自动记录存储和提取；取物多自由度灵巧机械手精确控制；基于WinCC 组态软件的可视化计算机控制系统；基于现场总线协议的高可靠性局域网络通信保障。
3 上层综合监控与通信网络设计
针对中间控制层和远程监控层两个不同级别的控制网络系统，为了保障网络化协调发展，达到网络资源最优配置，实现易操作的远程监控，结合用户对于系统集成、分布式控制、集中管理、独立分层设计等具体要求，提出基于MCGS，WinCC，WebAccess，OPC 中间件技术，以太网技术以及互联网接入技术的综合远程网络构建方案。
3.1 基于WebAccess网际组态软件远程监控方案
在当前众多组态技术各自占据一部分市场的大背景下，通过综合分析和比较三种解决方案，最终选取性能最优的WebAccess网际组态软件作为本系统的首选软件。为了更好地验证选择方案的最优性，现以三种解决方案为例，进行分析评述。
（1）MCGS网络版组网方案
MCGS组态软件自身具有WWW 网络版的功能，通过此网络版设计的控制系统具有Internet远程浏览的功能，能够通过搭载于任何一台接入互联网的IE 浏览器进行远程浏览与操作控制，它是一种基于浏览器/服务器（B/S）的通信模式。开发者在MCGS网络版中对HTTP等参数进行设置，启动运行工程。远端用户只需打开IE浏览器，在地址栏输入运行工程用户的IP，就能实现直接访问此计算机，进一步可浏览到工程中设定好的组态画面，以此完成基于MCGS网络版的远程组网，在安全性方面，开发者可以通过给用户设定不同的访问权限或设置登陆密码的方式维护系统的安全。该方案是一种最基础、简单、快速远程组网方案。
（2）WinCC服务器方案
WinCC 的客户机/服务器结构（C/S）是一种较广泛应用的服务器型网络结构。所谓服务器型，就是通过功能较普通PC更为强大的服务器作为控制主站，其高性能优势在高速运算能力、长时间不间断可靠运行、外部大数据吞吐能力等方面得到很好的展现。采用WinCC服务器方式建立网络结构，可以保证物流系统的整体一致性。
（3）WebAccess综合开发方案
WebAccess是集成功能强大的网际监控软件，可以将被监控的底层三菱系统主站PC机作为Server，并设置另一台PC 机作为Client，整体采用OPC 中间件技术、DDE决策技术等通信模式进行综合组网。
本文设计方案即选用WebAccess综合开发方案，其网络系统结构如图4所示。
与采用WinCC方案不同，WebAccess网际组态软件能够实现客户端不需要额外安装任何第三方软件，直接在计算机自带操作系统上即可使用，客户只需打开IE 5.0及以上版本的IE 浏览器即可，可操作性大为提高。同时系统所选用的方案，把SCADA Node 和Project Node一同组态到一台PC 机上，实现了基于WebAccess网络构架的单机控制系统，此时，使用操作系统自带IE浏览器，远程Client通过设置权限，连入以太网或互联网，对系统进行实时远程编程和监控。WebAccess 单机系统PC 机作为服务器，以HTTP，FTP，HTML 等协议方式通过MCGS 和现场PLC 连接设备中收集的数据经以太网保存传送到SCADA Node中，客户可随时经以太网将存储信息传给远程的客户机。WebAccess 网际组态软件支持冗余构架，能够为它设计冗余网络，实现快速组态，保证并增强了系统的可靠性。
3.2 物流仓储远程监控设计方案
所提物流管理系统采用西门子S7?200 PLC作为主要硬件控制单元，软件设计单元则采用OPC 中间件通信模式，利用中间件技术，将监控物流系统的一台PC机作为WinCC OPC Server，另一台PC 机作为WebAccess OPC Client，构建如图5所示的现代远程物流管理系统。
如图5所示，所提设计方案采用WebAccess网络构架中的单机系统，远程用户可以通过以太网或互联网，使用PC 系统自带的IE 浏览器进行远程编程和参数设置。通过带WinCC的上位机将PLC底层设备中的信息经以太网保存，或者传送到WebAccess单机系统中，最终同样采用如前文所述的将WebAccess作为服务器，以HTTP，FTP，HTML 等协议方式将信息经以太网传给远程客户机。为了使系统更加完善，同样考虑将网络系统设计成冗余网络以增强系统的可靠性。
4 系统功能调试
在完成不同网络层的独立设计后，对整体系统进行组装和调试。与其余方案对比，所选方案采用研华公司开发的WebAccess网际组态软件，其系统构架网络层次分明有着很好的优越性，便于控制与管理，其强有力的网络通信功能提供了巨大支持，在获取WebAccess授权后，几乎不需要其他多余的硬件设施即可完成网络系统的构建，同时研华公司对WebAccess的授权只需要一次性购买，其后就永远没有点数限制，可享受无限点待遇。冗余系统设计是WebAccess的最大亮点，不仅使用方便，且具有高可靠性。图6是采用WebAccess监控软件方案构建远程综合监控网络的整体结构示意图。
从图6中可以看出，所设计网络的三层控制系统结构分明，从最底层设备的控制层到现场总线层中间监控层以及WebAccess工程节点和局域网PC机局域网监控层和最上层的互联网监控层，各层控制网络之间任务分工明确，在保障基本功能实现的同时，利用冗余网络技术和防火墙技术等提升了系统的整体稳定性能和安全可靠性能。从具体测试结果来看，局域网监控层和互联网监控层，同样归属为远程监控层，但是在设计时，两个控制网络既相互独立，又具有分布式控制特点，并最终通过WebAccess 软件对整体网络系统进行集中管理和远程监控。此设计策略在保证了下位设备机系统独立性的同时，又可以进行统一监控且不用担心破坏系统各自的完整性。综上所述，实际调试结果验证，采用WebAccess远程监控方案设计的PLC综合远程网络监控系统具有良好的监控特性，满足了系统的整体设计要求。
5 结语
本文针对工业现场实时远程控制的需求，设计了一套基于网际组态软件WebAccess的远程异构式网络监控系统。具体工作和实现策略包括：基于三菱FX2NPLC 构成综合网络底层现场控制系统，基于西门子S7?200 PLC 和现场总线技术的多关节机械手及码垛现代自动物流仓储管理系统，基于MCGS和WinCC的组态软件编程实现的中间监控层，将两个异构系统集成实现最上层远程监控层。系统整体具有分布式控制，集中管控，分层独立设计，冗余网络，防火墙维护和远程监控等特点，达到了设计预期要求。
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参考文献
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[10] 胡欣涛.PLC 系统在水平绕线机上的应用[J].现代电子技术，2013，36（24）：168?170.
作者简介：张保森（1967—），男，河南温县人，高级工程师，硕士。长期从事热电厂机组的管理与运行及脱硫除尘工作。