面向工业现场的机电一体化远程监控系统开发研究

现代工业生产对设备的连续性与安全性提出更高要求，传统本地监控已难以应对设备多样、环境复杂等挑战。远程监控技术通过整合传感、控制与通信，实现了系统的智能化升级。机电一体化技术在此过程中发挥核心作用，为工业现场提供了远程、高效、可视化的监控解决方案。

一、工业现场远程监控的需求分析与系统设计

（一）工业现场监控的特点与挑战

工业现场设备类型多样、工作模式复杂，普遍存在高负载运行、环境干扰严重、人工响应滞后等问题。诸如电机、气动元件、液压设备、加热系统等多子系统协同运行，一旦某一环节故障，极易引发连锁反应。运行环境常伴随高温、高湿、粉尘或强电磁干扰，对传感与通信设备的选型与稳定性构成严峻挑战。同时，人工巡检存在滞后性、成本高、覆盖范围有限的问题，难以及时发现潜在故障或运行偏差。因此，建设具备数据实时采集、远程控制、通信稳定、操作可视化等能力的远程监控系统，是工业现场智能化升级的核心路径。

（二）系统功能需求

该系统需实现多参数实时采集，包括温度（-40-150° C）、压力（0-10MPa）、电压（0-10V）、电流（ 0-20mA ）、振动频率等关键运行指标；支持远程下发启停、调速、模式切换等控制指令；具备多级报警功能，通过短信、APP、声光等方式提示现场与远程人员；实现数据的本地与云端历史记录，并能以图表、趋势曲线等形式可视化展示；系统还需兼容 PC 端 Web 访问与手机 APP 操作，支持多用户权限分级、并发访问及设备快速接入与扩展[1]。

（三）系统总体架构设计

系统采用“设备层—传输层—平台层”的三层架构。设备层由传感器、执行器与控制器组成，主要采用西门子 S7-1200 系列 PLC 配合热电偶、霍尔电流传感器、压力变送器等完成物理量采集与逻辑控制；传输层基于 Modbus RTU（RS485）、Modbus TCP（以太网）与 4G 通信模组混合布网，确保数据链路的稳定性与容错能力；平台层部署于工业PC 或云服务器，后台采用 SpringBoot 或 Flask 开发 REST 接口，前端使用 Vue.js 与 ECharts 构建交互界面，同时集成 MQTT 服务器实现高频率数据推送，支持多端远程访问与控制。

（四）系统关键模块划分

系统划分为五大模块：数据采集模块通过高精度传感器与 PLC 模拟量输入模块实现多参数同步采样；控制模块依据梯形图逻辑控制执行器动作并具备软急停、互锁等安全控制机制；通信模块通过串口服务器与协议转换模块实现 RTU 与 MQTT 协议互通；可视化模块在前端实现参数实时显示、状态监测与远程交互；权限与报警模块则通过 Token 鉴权与策略配置，实现按角色分配功能访问范围，并根据设置的报警阈值自动触发本地与远程告警。

二、核心技术实现与系统开发

（一）数据采集与传感技术

系统采用模块化采集方式，将温度、压力、电流、电压、振动等信号接入 PLC 模拟量模块（如 SM1231 AI）与数字量模块（SM1221DI），以 0.1s 采样间隔连续采集。温度传感器采用 PT100，配置四线制接入实现抗干扰与精确测量；压力采用 0–5V 输出型压力变送器，经PLC ADC 采样；电机电流监测通过霍尔传感器与互感器完成，分辨率0.05A；振动监测利用 ADXL335 三轴加速度计接入边缘设备进行频谱处理，实现设备异常前兆分析。所有采样数据经缓冲后按 MQTT 格式打包上传平台。

（二）控制与执行层设计

主控制器使用西门子S7-1200 PLC，编程软件为STEP 7。控制流程包括正常启停控制、故障联动保护与定时任务逻辑。对于分布式点位，辅以 STM32F407 单片机实现 I/O 扩展，通过 RS485 与主控通信。HMI界面使用威纶通 MT8071iE 触摸屏，采用 Modbus TCP 与 PLC 通信，支持本地数据展示与参数设置。执行单元包括接触器、电磁阀、变频器等，PLC 控制输出采用继电器或晶体管型模块，确保响应迅速、寿命长，并集成软起停与急停逻辑提升系统安全性[2]。

（三）通信与网络技术

现场层通信主要使用 RS485 总线，支持多站 Modbus RTU 通信，平台层通过 MQTT 协议上传数据。通信设备选用 USR-TCP232 模块与SIM7600 4G DTU，支持双链路备份。为增强数据可靠性，系统内置缓存队列与自动重传机制，断线时数据缓存至Flash，网络恢复后自动补发，确保数据完整。平台通信启用 TLS 加密通道，结合数据签名与 Token 机制防止中间人攻击，网络延迟测试中平均小于 200ms ，满足实时性要求。

（四）上位机软件与监控平台开发

平台采用B/S 结构，后端使用Spring Boot 实现设备数据接口与用户管理模块，前端采用 Vue 与Element UI 构建可视化界面。实时数据通过WebSocket 进行推送，每秒刷新频率可达 10 次；历史数据采用 InfluxDB时间序列数据库进行管理，支持按时间粒度查询与曲线生成。报警系统通过策略引擎匹配参数阈值，触发推送至APP 端，APP 采用Flutter 开发，具备多平台兼容性、远程操作与本地缓存功能。平台还预留视频接口，可对接海康工业摄像头实现状态视频联动。

（五）系统安全性设计

系统从多层面进行安全加固[3]。用户身份验证采用 OAuth2.0 协议，访问需带 JWT 令牌；数据传输层启用 TLS 加密保障通信安全；对敏感操作如远程控制指令设置多因子确认机制与日志记录；平台部署防火墙与 Fail2ban 策略限制暴力破解尝试；同时建立系统操作日志与数据审计机制，记录用户操作行为与访问轨迹，以便问题回溯与安全审计。整体安全策略确保系统在公网部署条件下仍具备较强抗攻击与防篡改能力。

三、系统测试与应用实例分析

（一）实验环境与测试方法

系统测试在某制造车间进行，环境中包含2 台CNC 机床、3 台风机、1 套液压单元和多组传感器。采集周期设为 1 秒，测试周期 72 小时不间断运行，数据通过 Wireshark 监控通信延迟，并通过平台实时观察数据刷新频率与控制指令响应。模拟多种工况如断电、异常温升、通信中断等，全面测试系统抗干扰能力与稳定性。

（二）系统稳定性与性能评估

测试结果表明，系统在 72 小时内无宕机，PLC 循环扫描时间控制在 40ms 以内，平台数据刷新延迟稳定在 200ms 左右。通信过程中最大丢包率为 0.2% ，平均数据完整率达 99.9% 。远程控制指令响应延迟小于1 秒，报警推送至 APP 时间平均在 3 秒内。系统通过集成加速度传感器与频域分析算法实现了关键设备轴承异常的预警检测，提前 72 小时发现振动异常趋势。

（三）工业现场应用案例分析

在实际应用中，系统已部署于加工车间实现对主轴电机、电控柜与冷却系统的远程监控，支持远程启停与功耗监控；在锅炉房环境中，系统通过多点温度采集与燃气压力监控实现自动联动排气、异常停机功能；在农业机械系统中，用于泵站、阀控及土壤湿度数据采集，远程调控灌溉参数与监测泵机运行状态，降低人工维护频次，提高系统响应速度与效率。

（四）系统优势与存在问题

系统具有结构清晰、功能完整、易部署与远程扩展等优势，特别适用于中小型工业现场、区域型自动化系统的升级需求。通过标准化通信与模块化结构，能快速适配多种现场应用环境。然而，在电磁干扰强烈的场合，部分无线模块通信稳定性仍有待提高；另外，系统中部分高精度传感器与工业网关成本偏高，在大规模部署中需考虑优化方案与国产替代策略，以降低整体建设成本。

总结：本研究开发的机电一体化远程监控系统针对工业现场的多样化需求，结合PLC 控制与嵌入式通信技术，实现了设备运行状态的实时采集与远程管理。系统具备良好的稳定性与扩展性，在实际应用中有效提升了生产效率与智能化水平。未来可在边缘计算与故障预测等方向进一步优化，增强系统智能化与自主决策能力。

参考文献

[1] 曹腾达 . 基于 Web 的设备远程在线监控系统设计 [D]. 南京理工大学 ,2020.001475.

[2] 刘会方. 基于物联网技术的工业生产监控平台研究与设计[J].信息与电脑 ( 理论版 ),2023,35(04):107-109.

[3] 杨振宇 , 钟勇锐 , 罗锦涛 , 等 . 基于工业互联网的 PLC 远程监控系统的设计 [J]. 机电工程技术 ,2023,52(05):167-171.