基于VNC工業控制監控系統的設計研究

吳浪武, 吳靜進, 吳馨芳, 張 燕

(南昌大學科學技術學院，江西 南昌 332020)

0 引言

近年來，遠程控制是一種以網絡信息推送為基礎的服務提供方式, 主要應用于異地之間展示遠端用戶的信息。 遠程同步控制利用網絡打破了地域與硬件的限制，擁有非常大的市場占有率。利用這些將裝有安卓系統的手機或平板電腦對目標物體進行監控，既保證了監控過程的連續性與方便性，又具有低成本和普遍性的特點，代表著未來監控平臺的發展方向。特別是當前工業控制環境下的自動過程控制。機械手作為工業自動化系統中典型的機械傳動機構，主要包含電氣、氣動、機械、 PLC 和觸摸屏等元件。在很多工控現場，拉線不方便或拉線成本很高，就需要用到無線方式，現在無線遠程通訊已經大量運用到工控項目中。目前在工業控制中主流的無線通訊的方式有數傳電臺、GPRS、3G/4G等模式。因為數傳電臺無線通訊有著后期不需要運營其他費用的特點，所以特別適合近距離無線通訊。本次研究以昆侖通態公司系列的觸摸屏作為VNC服務器端，安卓移動設備作為VNC客戶端，以西門子S7-200SMART系列的PLC控制機械手為實例，針對TPCHi-TVRC觸摸屏的VNC開發方式進行具體設計。

1 機械手的簡介

機械手工作結構如圖1所示，即氣爪松開與夾緊，機械手臂伸縮包括伸出與縮回， 機械手臂升降包括上升與下降。其工作過程大體可以描述為：初始狀態，機械手位于原點的位置并處于氣爪松開、機械手臂處于上升的狀態；按下啟動按鈕，機械手臂伸出并下降到 A點，由氣爪抓取工件；抓穩工件后，機械手臂上升并縮回，機械手臂完成轉出、伸出、下降等動作到達B點，然后手爪松開工件，機械手臂同時上升并縮回，轉回到原點的位置，完成一個周期的動作。

2 利用PLC、觸摸屏控制機械手的設計

根據機械手的工作原理的過程，確定I/O點數，其需要10個輸入，8個輸出。故本設計選用西門子S7-200SMART CR40plc ,具有輸入24個，輸出16個，總計40個點數，完全滿足工作過程所需要的點數。同時在MCGS觸摸屏上設置必要的控制和工作顯示狀態，并關聯相對應的程序中I/O地址，便于后期工作過程的調試工作。為保證機械手運行的高效性和可靠性，在設計過程中通常應考慮其控制系統應至少具備以下幾種控制方式:

1 自動操作方式

(1)單步運行，機械手每次運行時只完成一個動作,便于系統的調試工作，每次運行過程中只受一個啟動按鈕控制并進行狀態切換。

(2)連續運行，當啟動按鈕時，機械手能夠連續完成多個連續的動作，實現工件搬運，直到完成所有的動作為止。

(3)用戶權限的設置，可以有效地禁止非專業或工作人員對機械手的操作，最大限度地降低誤操作率。

2手動操作方式

實現對機械手的每一步運動是用按鈕單獨進行控制。要求：

(1)當選擇上行或下行運動時,分別由上升或下降按鈕控制。

(2)當選擇左行或右行運動時,分別由左移或右移按鈕控制。

(3)當選擇夾緊或放松運動時,分別由夾緊或放松按鈕控制。

3回原點方式

由于運動控制大多數都是增量伺服設備，所以當產生故障或者其他原因使機械手并不在最初設定的原點位置，則必須讓機械手回到手臂位于左限位處-上限位處-手爪釋放時，設備才能正常工作。

所以根據以上對機械手動作的控制要求，設計了如圖 2所示的控制功能。

進行PLC選型的時候應遵循設計的步驟，首先確定輸入、輸出地址功能進行分配，以開關量地址為基準進行地址的分配。它是對機械手在工作過程中順序的一個梳理，同時針對觸摸屏中的相對組成的功能一并設置，也是在程序中設定的重要的一個組成環節。

輸入/輸出變量地址分配表：

啟動單步單周期手動自動回原點I0.0I0.5I0.6I1.0I0.7I1.1連續下限位上限位右限位左限位下限位I1.2I0.1I0.2I0.3I0.4I0.1下降上升加緊放松左移右移Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5停止急停復位I1.3I1.4I1.5

PLC和MCGS設備連接的設置

設備的連接是將監控系統中所用到的設備在這里通過設置建立通訊，包括有添加設備、設置設備屬性、調試設備3部分。首先， 將“通用串口父設備”和“西門子S7-200SMART PPI”設備添加到設備窗口下，再分別設置“通用串口父設備”和“西門子 S7-200SMART PPI”設備的基本屬性，最后將MCGS變量與PLC通道進行連接。

同時在編寫程序過程中，需要充分考慮機械手的動作要求，去分析整個控制過程的邏輯關系。同時在選擇元件時也需要注意干擾的影響，避免因為干擾的因素造成機械手產生一些誤動作。待觸摸屏設計模型和 PLC設計 程序導入系統以后， 即可進行機械手運動作的調試。在搬運程序執行的過程中，輸入信號和機械手動作都會通過指示燈顯示出來，能直觀看出搬運動作的過程，并且可以根據指示燈點亮的邏輯關系，驗證 PLC 程序設計的準確性。

經程序的調試，本次設計符合其動作要求。部分程序及控制過程調試圖3、圖4所示。

3 VNC技術現狀

VNC基本組成分為兩部分：一部分是客戶端的應用程序(vncviewer)，另一部分是服務器端應用程序(vncserver)。本文采用本地應用程序，用于遠程接入運行vncserver的計算機并顯示其環境狀態。

對遠程調試解決方案的需求可以分為以下三個方面：

(1)最基礎的要求是遠程維護：這需要實現從工程師電腦到客戶端的PLC或其它設備之間的遠程連接，并且能夠進行變量監控、日志讀取等維護操作。這種模式下對網絡的穩定性和帶寬的環境要求相對較低。

(2)更為普遍的需求是遠程調試：可以通過建立的遠程連接進行程序修改，程序下載，在線調試等原本只能在本地進行的操作。如果設備有HMI還需要能夠遠程訪問HMI并可以操作。由于下載程序需要穩定的網絡連接，這就對網絡的穩定性有了更高的要求。

(3)為了更好的掌握現場信息，還需要通過遠程連接視頻和音頻，直接了解現場的實時信息，這就對連接的帶寬提出了較高的要求。

針對遠程服務需求，可以采用Teamviewer軟件+ PC的解決方案。對遠程PC機的要求是具有兩個網絡連接，例如Wi-Fi連接現場互聯網，本地網卡連接PLC。本文主要介紹這種遠程服務的方案。

此次在觸摸屏TPCHi-TVRC上電后進入“系統參數設置”界面，服務端與客戶端通過 TCP/IP 協議進行信息交換，顯示界面和遠程操作處理采用 VNC 服務協議進行處理。同時進入“TPC系統設置”的界面，對Wi-Fi配置相應的屬性，比如SSIS名稱、服務地址以及鏈接密碼。如圖5、圖6所示。

經過調試，設備能夠成功連接觸摸屏的地址，并對其進行控制。如圖7、圖8所示。

遠程調試的實現就基于Teamviewer的VPN連接，VPN連接建立后，可以看到遠程PC機的IP地址， 對于同一臺遠程PC，這個IP地址會一直保持不變，所以目標客戶的IP地址可以確定下來。和傳統的監控比較，解決了控制全部串口通信速度慢、通信距離受限、需要PLC有多個串口的特征。同時對在自動無線無人值守設備的數據采集和監控控制中，不僅能達到設備運行的穩定性，同時也能最大限度降低用戶運行費用，更重要的是PLC在運行狀態下，PC端可通過通訊進行遠程模擬運行。以實時查看其設備狀態。

4 結論

本文介紹了觸摸屏和機械手系統的基本構架，通過VNC技術無線控制觸摸屏、PLC實現遠程控制功能，結果顯示可實現遠程PLC的固件更新、程序上傳下載、程序監控，以及HMI的遠程模擬運行，通過一系列的遠程操作，大大節約了設備的運行成本。同時遠程控制系統在工業控制應用過程中有著非常大的潛力，也可以根據控制過程中的工步不同，監控其工作狀態。另外，隨著無線網絡在現代化工業技術中的應用，遠程控制系統一定會發揮更大的作用，有著更豐富、更直觀的應用，值得我們工控人進一步關注和深入研究。