加工设备与应用
CHINA SYNTHETIC RESIN AND PLASTICS
合 成 树 脂 及 塑 料 ， 2023， 40（2）： 56
塑料薄膜作为塑料制品的一种，具有耐化学药品腐蚀、生产成本低、质量轻等特点［1］。生产塑料薄膜离不开塑料挤出机，因此保证塑料挤出机的稳定、安全运行极其重要。传统制造业中，塑料挤出机设备操作与信息记录都需要手工操作，随着企业设备不断增加，传统操作方法暴露出生产效率低等问题［2］。若塑料挤出机出现故障，而维修人员不在现场，将无法实时维护设备，影响生产效率，因此开发塑料挤出机远程监控系统迫在眉睫。本工作从实际生产出发，对塑料挤出机生产过程实施监控，监测挤出机电流、转速、挤出量、网前压力、机筒温度、电晕辊电流、电晕辊转速等。首先，采用树莓派单片机为基础的数
DOI：10.19825/j.issn.1002-1396.2023.02.13
据采集模块，将采集到的数据上传至阿里云服务器，然后，结合嵌入式开发与Spring Cloud微服务框架技术，共同开发塑料挤出机远程监控系统。为了能实时掌握设备的运行情况，设计自动报警与设备保养功能；当设备出现故障时，能及时提醒监管人员进行维修；根据监控系统，可以更快定位故障，减少设备维修时间，保障企业高效进行塑料制品生产。
基于PLC的塑料挤出机远程监控系统设计
李光明1，杨攀攀1，薛 鑫2，袁 凯2
（1. 陕西科技大学 电子信息与人工智能学院，陕西 西安 710021；2. 西安怀智电子科技有限公司，陕西 西安 710068）
摘要：为了保证塑料挤出机稳定运行，提高企业生产效率，对生产设备进行远程监控，设计开发了基于可编程逻辑控制器（PLC）的塑料挤出机远程监控系统。该系统由数据采集模块与生产监控平台两部分构成。其中，数
据采集模块主要以树莓派单片机为基础，从PLC中读取数据再发送到云服务器，生产监控平台可以远程对塑料挤出
机的挤出量、电流、转速与机筒温度进行监控，记录设备保养信息，提供设备报警等功能。该塑料挤出机远程监控
系统操作简单，实用性强，确保了挤出机的安全、稳定、高效运行。
关键词：塑料挤出机 树莓派单片机 远程监控系统
中图分类号：TQ 325；TP 274+.2文献标志码：  B 文章编号：1002-1396（2023）02-0056-04
Remote monitoring system design for extruder based on PLC
Li Guangming1，Yang Panpan1，Xue Xin2，Yuan Kai2
（1. School of Electronic Information and Artificial Intelligence，Shaanxi University of Science & Technology，Xi’an 710021，China；
2. Xi’an Huaizhi Electronic Technology Co.，Ltd.，Xi’an 710068，China）
Abstract：Remote monitoring system for plastic extruder based on programmable logic controller（PLC）was designed and developed to monitor the production equipment remotely so as to ensure the stable operation of the extruder and improve the efficiency of the plant. The system is composed of data collection module and operation monitoring platform. The former module，based on raspberry Pi one-chip computer，reads data from PLC and sends them to cloud server； the latter platform supervises the extrusion amount，current，speed and temperature of barrel of extruder，records the information of equipment maintenance and provides alarm for equipment. The monitoring system is easy to use in practice，ensuring the safe，stable and efficient operation of extruder.
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Keywords：plastic extruder； raspberry Pi one-chip computer； remote monitoring system
收稿日期：2022-09-27；修回日期：2022-12-26。
作者简介：李光明，男，1963年生，硕士，教授，1995年毕
业于西安交通大学工业自动化专业，现从事企业信息化
与大数据分析方面的教学和科研工作。E-mail：ligm1631@
163。
第 2 期
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1 塑料挤出机工艺流程与系统总体结构设计1.1 塑料挤出机工艺流程
塑料挤出机主要由料斗、推力轴承、传动系统、料斗支座、加热装置、料筒、旋转螺杆组成［3］。在料斗中添加原料（如氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙
烯、聚丙烯等）［4］
，通过驱动电机与减速箱将原料
在螺杆的推动下在机筒中前进，并在加热条件下，将颗粒状原料转变为熔融态，再通过一定形状的口模，经过冷却后得到塑料制品。1.2 系统总体结构设计
目前，运用大数据技术与通信技术开发塑料挤出机远程监控系统成为主流。塑料挤出机远程监控系统
主要分为两部分：第一部分是硬件载体的数据采集模块，主要使用的是树莓派单片机，数据通过TCP/IP网络协议从可编程逻辑控制器（PLC）读取［5］，再通过单片机以消息队列遥测传输协议（MQTT）进行数据上传；第二部分是将数据传输到云端服务器，并在远程监控系统中显示，监控系统总体结构设计见图1。
数据，该软件包支持多种语言调用，并支持树莓派单片机等嵌入式平台；而且，Python-Snap 7软件包支持普通电脑通过编程的方式与西门子S 7系列PLC进行通信，对西门子的驱动器有着较好的支持，具备良好的稳定性，因此，使用Python语言作为数据采集模块底层语言，开发塑料挤出机监控系统数据采集模块。MQTT传输协议可以解决物联网应用中低带宽、网络不稳定的生产环境问题，使用MQTT传输协议，有助于用户通过网络传输层安全协议加密消息与授权协议（OAuth 2.0）进行身份验证［7］。在启动数据采集模块前需
要对西门子PLC中CPU、访问权限、IP地址等信息进行设置，数据采集网关流程见图2。
图1 监控系统总体结构
Fig.1 Overall structure of monitoring system 注：
RNDIS为远程网络驱动程序接口规范。
图2 数据采集网关流程Fig.2
Gateway flow of data acquisition
2 塑料挤出机远程监控系统设计2.1 数据采集模块
数据采集主要通过树莓派4B+型单片机与通讯模块SIM 7600X组成数据采集模块。其中，树莓派4B+型单片机搭载四枚1.5 GHz的ARM型处理器和博通公司生产的BCM 271型内核处理器［6］；通讯模块SIM 7600X的型号为4G HAT，可通过安装RNDIS程序使通讯模块连接网络，可以保证塑料挤出机数据采集模块在偏远位置与信号较弱的情况下联网，并能保证数据传输的准确、实时与稳定。
通过Python-Snap 7软件进行实时采集数据，并通过MQTT协议实现数据发送的功能。Python-Snap 7是基于S 7通信协议的开源软件包，可通过Python-Snap 7软件包读取西门子S 7系列PLC中的
经过实验测试，树莓派单片机对PLC中的塑料挤出机信息仅需3.62 ms便可完成一条数据采集与上传，上传速率为4 Mbit/s，下载速率为16 Mbit/s。为了防止数据采集与上传出现故障等问题，在树莓派单片机中设置看门狗，当采集系统崩溃后进行自动重启，提高采集塑料挤出机数据的可靠性。
数据采集模块需要定期维护与软件更新，为了对系统进行远程操作，需要进行远程访问控制。通常使用的控制电脑与厂房所在位置的网络不会是同一网段，因此，需要使用技术将两个不同内网进行连接，实现通信。技术是从外网访问局域网中联网的设备，本质上
李光明等. 基于PLC的塑料挤出机远程监控系统设计
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是让内网中的数据被外网获取，可以使用ZeroTier 工具，将内网中的设备与远程监控系统连接在一起［8］。ZeroTier基于P 2P技术连接，提供中继服务器，可获取更高网络速率支持，并且具有搭建过程简单、网络连接稳定的优点。首先，注册ZeroTier网络账号，申请网络ID，然后，在网络采集网关中安装客户端，加入虚拟的网络ID，生成IP地址，便可以实现不同网段、不同地点的设备通信。2.2 系统平台设计
为了能对多台塑料挤出机设备进行监控，采用前后端分离技术对塑料挤出机远程监控系统进行架构设计，将多台塑料挤出机设备数据接入监控系统后端，在前端页面展示监控数据，这样不仅便于维护系统，也能提高系统的开发效率。塑料挤出机远程监控系统，前端页面采用Web技术搭载Vue.js框架，后端采用Spring Cloud框架技术对系统进行微服务平台搭建［9］。采用高内聚、低耦合的设计方式，构建塑料挤出机远程监控系统［10］，系统总体架构设计见图3。
在开发塑料挤出机前端系统中更方便。Apache Echarts数据可视化库提供了丰富的可视化折线图、柱状图、散点图等关系图，在使用中可以直观地看到监控设备的使用情况；Apache Echarts数据可视化库可以进行交互式数据探索，无需转换数据格式便可以直接使用，在移动端、客户端的浏览器中，可以方便地展示个性化数据。
后端主要功能是向系统前端提供数据支持与系统管理。后端采用Spring Cloud框架技术构建分布式系统服务，可以方便快捷地在塑料挤出机监控系统中查看对应的塑料挤出机设备信息与保养信息。基于Spring Cloud框架技术开发的监控系统，使用Netflix Eureka服务发现框架组件技术为系统提供注册与发现服务，保证同一区域内集的注册信息相对均衡，在注册服务或发现服务发生故障时，Netflix Eureka组件将发生故障的服务器忽略，自动进行下一个服务器的匹配；使用授权协议OAuth 2.0组件技术为Web应用提供颁布令牌的方式进行授权［13］，保障系统安全；使用Spring Cloud Gateway路由管理组件进行简单的API路由管理；使用日志组件Apache Log 4j对文件进行配置，方便对日志文件进
行记录；使用Flyway数据库版本管理工具，同步数据库中的文件与管理等操
作；使用时序数据库TimescaleDB与关系型数据库PostgreSQL减少空间占用，提供可靠的数据存储，并能保证分布式系统的并行操作，提高系统性能。2.3 功能模块设计
为了方便远程使用与监管塑料挤出机，系统主要功能模块有用户管理、数据展示、设备报警与设备保养等。
用户管理模块：使用人员通过账号密码登录系统界面，主要功能有账号、密码的重置，以及系统平台的操作权限。
数据展示模块：采集到的数据存储在时序数据库中，前端页面调用时序数据库中的数据，对塑料挤出机的电流、转速、挤出量、网前压力、机筒温度，塑料薄膜生产中电晕辊及电晕冷辊电流、转速等进行展示［14］。
设备报警模块：从企业的实际生产需求出发，在系统首页设置塑料挤出机一体化模型，当设备出现问题时，模型对应位置会变为红，设备报警监控页面会将出问题的设备信息进行简略展示，监管人员可以自行查看详细设备信息。设备报警模块主要逻辑是监控PLC中读取的数据，与厂商
图3 系统总体架构设计
Fig.3 Design of overall system architecture
用户访问层：
移动设备
电脑
设备接口
页面展示
应用程序接口
授权协议
网关组件
基础服务
设备管理用户管理系统管理服务治理服务发现负载均衡日志管理通信服务
存储服务
消息队列
时序数据库
前端：
后端：
塑料挤出机远程监控系统总体架构分为三层，分别是用户访问层、前端、后端。
用户访问层的主要功能是用户通过移动设备或者电脑登录监控系统，对塑料挤出机进行监控。
前端主要功能是根据设备接口提取数据，向用户展示数据页面。其中，前端Web页面采用Vue.js渐进式框架与百度开发的Apache Echarts数据可视化库，进行联合开发。与Angular框架相比，Vue.js渐进式框架占用的体积更小，而且Vue.js框架的核心库更关注视图层，具有容易操作、方便与其他第三方库联合的优点，虽然Vue.js框架是参考其他框架，如AngularJS与Ractive.js框架的应用程序接口（API），但也有许多独特的API功能［11-12］，
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提供的安全阈值进行对比，当数据超出正常范围后报警，消除故障后，在报警页面点击复位操作，便可以对设备继续监控。
设备保养模块：设备的长期使用，难以避免会使设备产生磨损，因此，定期的保养必不可少。设备保养模块由配件名称、保养方式、保养周期等组成。对设备保养之后通过设备编号进行记录，当需要查看时，搜索设备编号便可以快速检索保养过的配件与保养方式。定期保养不仅可以延长设备使用寿命，还可以为企业稳定生产提供保障。
3 系统部署与测试
为了满足塑料挤出机远程监控系统的安全平稳运行，经过多次测试，运行的服务器最低配置为：CPU 4核，内存8 GB，硬盘128 GB，网络上传与下载速率不低于1 Mbit/s。运行环境：Java运行环境是JDK1.8，数据库是PostgreSQL 12与TimescaleDB
1.7.4，消息中间件是RabbitMQ 3.8，页面应用服务器是Tomcat 9。系统中涉及的框架有：微服务架构Spring Cloud，版本是Hoxton.SR1；数据库结构版本控制及转移工具Flyway 6.5.5；MQTT客户端及服务器端的实现使用Spring-Integration-mqtt，版本是5.3.
2.RELEASE。
系统完成开发部署后，合作公司对塑料挤出机的数据采集、数据上传、数据展示、设备报警、设备保养等功能进行测试。结果表明：数据采集、数据显示稳定无异常，设备保养与设备报警等功能正常，能够保障塑料挤出机安全运行。
4 结论
a）开发的基于PLC的塑料挤出机远程监控系统，以西门子S7系列PLC为基础，结合嵌入式开发与Spring Cloud微服务架构设计，对塑料挤出机进行实时监控，帮助企业远程管理机械设备。
b）数据采集模块可在偏远厂房使用，并克服管理设备与机械设备处在不同网段进行通信，推进了塑料挤出机企业与厂商进一步现代化、智能化发展。
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