基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的PLC實(shí)時(shí)遙控系統(tǒng)的研究

可編程控制器簡(jiǎn)稱PLC，已越來(lái)越廣泛用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展GPRS以其永久在線、通信速度快、支持Internet數(shù)據(jù)分組業(yè)務(wù)、通信費(fèi)用低（0.01分/k，也可包月或包年）等特點(diǎn)，被廣泛用于各種網(wǎng)絡(luò)無(wú)線遙控系統(tǒng)中。本文充分利用GPRS技術(shù)無(wú)線通信的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合PLC在工業(yè)控制 上抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，給出了一個(gè)對(duì)海上的燈塔進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案，并進(jìn)行了實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

基金項(xiàng)目：交通部伽利略計(jì)劃專項(xiàng)基金（編號(hào)：200436422510）；交通部科技教育司資助

1.1 系統(tǒng)工作原理

PLC遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)遙控系統(tǒng)在物理分布上由GPRS終端設(shè)備和中心服務(wù)軟件組成，系統(tǒng)通過(guò)配置可以對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)監(jiān)控，也可以通過(guò)中心服務(wù)軟件僅對(duì)單個(gè)終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試和通信數(shù)據(jù)的應(yīng)答和轉(zhuǎn)發(fā)。

GPRS終端設(shè)備將采集的各種信息數(shù)據(jù)按照設(shè)定的協(xié)議發(fā)送到系統(tǒng)中心服務(wù)軟件或用戶監(jiān)控手機(jī)上，系統(tǒng)中心服務(wù)軟件判斷收到的數(shù)據(jù)是監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)還是調(diào)試轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，按照不同的要求將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并根據(jù)設(shè)定的要求進(jìn)行接收確認(rèn)。同時(shí)，系統(tǒng)中心服務(wù)軟件也可以按照操作人員的要求配置參數(shù)，有選擇的查詢必要的終端設(shè)備信息。

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)中心服務(wù)軟件可以對(duì)PLC已知的應(yīng)答軟件進(jìn)行自動(dòng)在線保持，僅將關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)紾PRS終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求，同時(shí)GPRS終端設(shè)備對(duì)已經(jīng)請(qǐng)求到的設(shè)備指令發(fā)送到系統(tǒng)中心服務(wù)軟件，系統(tǒng)中心服務(wù)軟件再通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)試軟件。其中，關(guān)鍵數(shù)據(jù)指令的交互周期和等待周期可以由系統(tǒng)軟件配置。這既可以有效地節(jié)省數(shù)據(jù)通信的流量，又可以保證調(diào)試軟件的穩(wěn)定性。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

PLC實(shí)時(shí)遙控系統(tǒng)由系統(tǒng)用戶監(jiān)控中心、通信網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 PLC實(shí)時(shí)遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

GPRS 終端設(shè)備通過(guò)通信接口與現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備連接，它負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備的各種信息數(shù)據(jù)，并通過(guò)IP鏈路方式或GSM短信方式發(fā)送至系統(tǒng)監(jiān)控中心或控制手機(jī)。另外，將控制手機(jī)或系統(tǒng)中心服務(wù)軟件發(fā)送過(guò)來(lái)的各種有效的控制指令和PLC遠(yuǎn)程調(diào)試關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備。其組成包括GPRS通信模塊、MCU處理模塊及其他附屬部件。

系統(tǒng)中心服務(wù)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其將來(lái)自GPRS終端設(shè)備的各種指令信息、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給終端狀態(tài)監(jiān)控軟件，接收來(lái)自終端狀態(tài)軟件的查詢指令并發(fā)送給遠(yuǎn)程的GPRS終端設(shè)備。同時(shí)，系統(tǒng)中心服務(wù)軟件還可以按照預(yù)設(shè)的指令格式自動(dòng)應(yīng)答PLC遠(yuǎn)程調(diào)試軟件的指令信息，也可以將PLC遠(yuǎn)程調(diào)試軟件的關(guān)鍵請(qǐng)求指令按照預(yù)設(shè)的格式和頻率發(fā)送給遠(yuǎn)程GPRS終端設(shè)備并將返回來(lái)的指令實(shí)時(shí)發(fā)送給PLC調(diào)試軟件。

通信網(wǎng)絡(luò)是GPRS網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的融合，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控手機(jī)和系統(tǒng)服務(wù)中心軟件與GPRS終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換工作。

2 GPRS終端設(shè)備設(shè)計(jì)

GPRS終端設(shè)備是與監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)交互的接口，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行部分，完成將PLC工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)上傳和接收來(lái)自監(jiān)控中心的各種命令的執(zhí)行工作。

2.1 系統(tǒng)終端硬件設(shè)計(jì)

GPRS終端硬件模塊主要包括電源變換模塊、GPRS通信模塊、MCU微處理器模塊、PLC控制模塊和現(xiàn)場(chǎng)顯示控制觸摸屏。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)組成

GPRS數(shù)據(jù)通信模塊將從監(jiān)控中心接收的數(shù)據(jù)送給MCU微處理器，MCU微處理器根據(jù)數(shù)據(jù)的類型進(jìn)行相應(yīng)的處理，對(duì)于需要轉(zhuǎn)發(fā)給PLC的數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制模塊。同時(shí)，MCU微處理器將從PLC控制模塊中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理并由GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。觸摸屏實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)。由于GPRS終端設(shè)備不同的模塊所需要的電源參數(shù)不同，因此，需要利用電源變換模塊將輸入電源變換為不同的電壓輸入給相應(yīng)的處理模塊以滿足其正常的工作。

2.2系統(tǒng)終端軟件設(shè)計(jì)

在GPRS終端設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)中，主要是基于MCU微處理器的數(shù)據(jù)處理部分軟件設(shè)計(jì)。

MCU微處理器主要完成接收來(lái)自監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)，并及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給PLC控制模塊，同時(shí)，將從PLC控制模塊中返回的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。由于GPRS模塊內(nèi)部沒(méi)有TCP/IP協(xié)議 和PPP協(xié)議，所以，GPRS終端設(shè)備在軟件設(shè)計(jì)中嵌入了TCP/IP協(xié)議和PPP協(xié)議。在MCU處理器與PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采用的是HOSTLINK通信協(xié)議 ， MCU處理器作為主控制器， PLC作為從控制器。

MCU微處理器的軟件結(jié)構(gòu)模塊如圖3所示。

圖3 MCU微處理器軟件流程圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 應(yīng)用配置簡(jiǎn)單方便

系統(tǒng)中心服務(wù)軟件可以對(duì)每一種需要處理的語(yǔ)句只通過(guò)定義相應(yīng)的參數(shù)（包括起始頭，結(jié)束尾，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間）等都可以進(jìn)行配置。同時(shí)對(duì)本地發(fā)送給該軟件的語(yǔ)句也可以通過(guò)配置自適應(yīng)進(jìn)行應(yīng)答。在GPRS終端設(shè)備上，用戶同樣可以控制對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)，通信方式的自適應(yīng)檢測(cè)、切換和短信號(hào)碼管理等功能。使用起來(lái)方便簡(jiǎn)單，一套系統(tǒng)完成多種系統(tǒng)的應(yīng)用工作。

3.2 系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的PLC實(shí)時(shí)遙控系統(tǒng)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)具有極強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以僅通過(guò)參數(shù)的配置就可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)工作。

同時(shí)，本系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)中還采用了軟件設(shè)計(jì)中三層軟件設(shè)計(jì)模式，其靈活的組件式配置和管理對(duì)未來(lái)系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能的擴(kuò)展和升級(jí)提供了方便，系統(tǒng)開發(fā)人員可以通過(guò)更換組件或擴(kuò)展組件功能的方式得以實(shí)現(xiàn)，而對(duì)其他部分則沒(méi)有任何的影響，有利于系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用。

3.3 系統(tǒng)安全可靠

在中心軟件和終端設(shè)備上都進(jìn)行操作權(quán)限、身份的鑒權(quán)和識(shí)別；對(duì)短信收發(fā)列表也采用了權(quán)限設(shè)置，同時(shí)，對(duì)每一個(gè)號(hào)碼都可以設(shè)置密碼。在系統(tǒng)中心服務(wù)軟件和GPRS終端設(shè)備之間系統(tǒng)封裝了認(rèn)證和通信指令協(xié)議，但對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是透明的鏈路傳輸，這可以有效的保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/P>

3.4 短數(shù)據(jù)包通信

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通信包為500字節(jié)，當(dāng)監(jiān)控中心遠(yuǎn)程調(diào)試軟件與PLC之間數(shù)據(jù)交換大于500字節(jié)時(shí)，需要分包發(fā)送。這樣雖然增加了監(jiān)控中心與GPRS終端設(shè)備之間的信息交換次數(shù)，但保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。使用普通的MCU微處理器就可以運(yùn)行一個(gè)精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議棧，節(jié)省了大量的系統(tǒng)資源。

3.5 自適應(yīng)切換GPRS通信和GSM通信方式

GPRS終端設(shè)備可以通過(guò)短信或電話喚醒轉(zhuǎn)入基于IP連接的工作模式，也可以在設(shè)定時(shí)間內(nèi)無(wú)法連接到中心服務(wù)軟件時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)入短信工作狀態(tài)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

當(dāng)GPRS終端設(shè)備與監(jiān)控中心的系統(tǒng)中心服務(wù)軟件連接后，就可以利用遠(yuǎn)程調(diào)試軟件和終端狀態(tài)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)查看和調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)果了，十分方便，簡(jiǎn)單易行。圖4顯示了現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備與遠(yuǎn)程調(diào)試軟件之間通過(guò)GPRS終端設(shè)備和系統(tǒng)中心服務(wù)軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)流。

圖4 系統(tǒng)中心服務(wù)軟件顯示的現(xiàn)場(chǎng)PLC設(shè)備與遠(yuǎn)程調(diào)試軟件之間的交換數(shù)據(jù)

5結(jié)論

本文詳細(xì)討論了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的PLC遠(yuǎn)程調(diào)試技術(shù)應(yīng)用于海上燈塔遙控系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案，并給出了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性關(guān)鍵問(wèn)題的解決方法，通過(guò)應(yīng)用GPRS無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PLC遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)試。給工作人員對(duì)觀察燈塔設(shè)備運(yùn)行的工作狀態(tài)帶來(lái)了極大的方便，也十分有利于對(duì)燈塔設(shè)備的異地控制和維護(hù)。同時(shí)，本文對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸以及其它無(wú)人值守的系統(tǒng)均有一定的實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

創(chuàng)新觀點(diǎn)

（1）本文提出了在監(jiān)控中心和終端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用一種協(xié)議可控的透明傳輸?shù)乃枷?，提高了系統(tǒng)工作的效率和可靠性。

（2）移動(dòng)終端中的通信模塊內(nèi)部嵌入了自己開發(fā)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，提高了通信可靠性、降低了TCP/IP連接時(shí)間。

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