遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

環(huán)保數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)是環(huán)境保護(hù)中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測是人工采集數(shù)據(jù)，監(jiān)管效果差。針對這一問題設(shè)計了一種無線遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，下位機(jī)采用西門子S7-200 PLC(可編程控制器)采集、存儲現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過GPRS(通用分組無線服務(wù))DTU(數(shù)據(jù)傳輸單元)主動向數(shù)據(jù)中心發(fā)送采集到的實時數(shù)據(jù)，并能夠在指定的時間段內(nèi)接收上位機(jī)指令，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢;上位機(jī)利用VB 6.0的Winsock控件接收多臺數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理。該系統(tǒng)已經(jīng)在佛山市南海區(qū)運行，有效地提高了環(huán)境監(jiān)管的效率。

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測，大多是環(huán)保局工作人員到污染源現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，手工記錄工廠的污染治理情況。由于要監(jiān)測的廠家眾多，且廠家地理位置分散，工廠偷排現(xiàn)象十分普遍，即使花費了大量的人力和物力也無法完整地采集到污染源的相關(guān)數(shù)據(jù)?？梢姡瑐鹘y(tǒng)的人工環(huán)境監(jiān)測手段已無法滿足環(huán)境監(jiān)測的需要，針對這些問題，設(shè)計一個遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)要求：①實時監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備和治污設(shè)備的運行狀態(tài);②能夠存儲一周內(nèi)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢和補(bǔ)足;③以動畫形式實時顯示設(shè)備狀態(tài)，以曲線形式進(jìn)行對比分析，為污染源監(jiān)管提供客觀科學(xué)依據(jù)，提高環(huán)保執(zhí)法現(xiàn)代化水平。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程傳送、上位機(jī)可靠接收數(shù)據(jù)是一個成功的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)采用西門子PLC(programmable logic controllerr，可編程控制器)采集生產(chǎn)設(shè)備和治污設(shè)備的開關(guān)量信息;使用工業(yè)級GPRS(general packet radio service，通用分組無線服務(wù))DTU(data terminal unit，數(shù)據(jù)傳輸單元)傳送數(shù)據(jù);利用2個基于TCP/IP(transmission control protocol/internet protocol，傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議)協(xié)議的應(yīng)用程序之間相互通信的套接字(Socket)技術(shù)接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，并以動畫、曲線等形式顯示。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由3部分組成：西門子S7—200CPU 224XP CN采集實時數(shù)據(jù)部分、GPRS DTU數(shù)據(jù)傳輸部分、環(huán)保局?jǐn)?shù)據(jù)中心部分。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 PLC實時數(shù)據(jù)采集

PLC實時讀取輸入寄存器IW0的值，將時鐘信息和設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)打包后，通過串行口RS 485每隔30S將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS DTU通信模塊，然后再傳送到中心服務(wù)器，供實時的動畫和曲線等顯示使用，PLC每隔5 min存儲一條記錄到歷史數(shù)據(jù)表中，歷史數(shù)據(jù)表可在指定的時間段內(nèi)接受數(shù)據(jù)中心服務(wù)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)杏詢/數(shù)據(jù)補(bǔ)足等命令，完成相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)查詢功能和某天的數(shù)據(jù)補(bǔ)足功能。

1.2 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸

GPRS是在現(xiàn)有GSM(global system for mobilecommunication，泛歐式數(shù)位行動電話系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上疊加了一個新的網(wǎng)絡(luò)形成的邏輯實體而發(fā)展出來的新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。GPRS的理論帶寬可達(dá)171.2 kbit.S-1，實際使用帶寬大約在10～70kbit.S-1，底層支持TCP/IP協(xié)議，使得GPRS能夠與Internet實現(xiàn)無縫連接，GPRS無線網(wǎng)絡(luò)具有接入速度快、永遠(yuǎn)在線、覆蓋面廣、運營成本低廉、組網(wǎng)靈活、系統(tǒng)擴(kuò)容方便等特點。

GPRS DTU是GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)終端，GPRSDTU提供了RS232/RS485接口，可以跟PLC等串口設(shè)備連接起來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在GPRS DTU模塊上配置了串口設(shè)備的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、數(shù)據(jù)中心的IP地址、端口等信息后，就可以透明地將PLC發(fā)往串口的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到Internet網(wǎng)絡(luò)，然后再通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。

1.3數(shù)據(jù)中心服務(wù)器

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器接收并保存數(shù)據(jù)到SQL(structured query language，結(jié)構(gòu)化查詢語言)數(shù)據(jù)庫中，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作，最終將數(shù)據(jù)以動畫、曲線等形式顯示，為科學(xué)執(zhí)法提供數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)的接收采用VB 6.0的Winsock控件來實現(xiàn)，是本系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，要求數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的IP地址與GPRS DTU中的IP地址一致。系統(tǒng)運行時，啟動Socket監(jiān)聽，與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端建立通信連接之后，就可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)接收。

2 PLC的程序設(shè)計

2.1 PLC通信方式

選擇合適的通信方式，是實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。西門子S7—200系列CPU224XP_CN的通信方式有4種。

2.1.1點對點(point to point interface，PPI)方式

用于和西門子編程軟件或西門子的人機(jī)接口產(chǎn)品通信，是一種主從應(yīng)答式通信模式。這種通信方式需要專用的PPI電纜。

2.1.2多點接口協(xié)議(multipoint interface，MPI)方式

用于在西門子的產(chǎn)品之間建立小型的通信網(wǎng)絡(luò)，允許多主通信和主從式通信。

2.1.3 DP(decentralized periphery，分散外設(shè))方式

用于實現(xiàn)與分布式I/O(遠(yuǎn)程I/O)的高速通訊?？梢允褂貌煌瑥S家的PROFIBUS(process field bus，過程現(xiàn)場總線)設(shè)備，但是需要專門的接口卡。

2.1.4 自由端口通信方式

這種通信方式允許用戶根據(jù)自己的實際情況定義通信協(xié)議，在多種智能設(shè)備之間進(jìn)行通信。

PLC通過串口將數(shù)據(jù)上傳至GPRS DTU，再由GPRS DTU通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。自由端口通信協(xié)議可以通過程序靈活控制PLC串口的通信方式，通過程序控制，在大部分時間內(nèi)使PLC作為主機(jī)，主動上傳實時數(shù)據(jù)，在指定的時間段內(nèi)又可使PLC為從機(jī)，接受上位機(jī)的查詢命令，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢，這樣可以最大限度地降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)流量，降低運營成本。

2.2 PLC程序

PLC程序的流程如圖2所示，采用模塊化編程。主要程序為串口初始化子程序，實時數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，歷史數(shù)據(jù)存儲子程序，歷史數(shù)據(jù)查詢中斷程序。

2.2.1 串口初始化子程序

S7-200系列CPU224XP_CN提供了2個標(biāo)準(zhǔn)的RS485端口Port0和Port1，選用Port0進(jìn)行自由端口通信。串口初始化主要是設(shè)置一些標(biāo)志寄存器的值，讓其按照指定的方式通信，比如，通過改變特殊標(biāo)志位寄存器SMB30的值，就可以改變通信的波特率、奇偶校驗位、停止位等信息。這些設(shè)定必須與GPRS DTU的相關(guān)參數(shù)值相一致。串口初始化子程序只在每次PLC重啟時運行一次。

圖2 PLC程序流程圖

2.2.2實時數(shù)據(jù)發(fā)送子程序

S7-200系列PLC有專用的發(fā)送指令XMT，其格式為XMT_TABLE_PORT。接收指令為RCV，其格式為RCV_TABLE_PORT，其中PORT為通信端口，本系統(tǒng)設(shè)為端口0，TABLE為發(fā)送(接收)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其第1個字節(jié)為發(fā)送字符的個數(shù)，最大為255字節(jié)。

在本系統(tǒng)中，監(jiān)測的設(shè)備都是比較大型的設(shè)備，不會頻繁啟停，也就是說監(jiān)控對象的狀態(tài)不會頻繁地發(fā)生變化，每隔30 s發(fā)送一次實時數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心，已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)的實時性要求。

2.2.3歷史數(shù)據(jù)存儲子程序

系統(tǒng)將采集到的生產(chǎn)設(shè)備和治污設(shè)備的開關(guān)量信息(2字節(jié))，隔5 min存儲一次到歷史數(shù)據(jù)表中?？紤]到要進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)補(bǔ)足查詢，每8 h(192字節(jié))數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)存儲單元，再加上數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾等信息，一個數(shù)據(jù)區(qū)200個字節(jié)。歷史數(shù)據(jù)保存7 d需要4 200字節(jié)，在PLC內(nèi)存中就可以存儲最近7 d內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)。PLC程序使用時鐘信息確定每個數(shù)據(jù)具體的存儲位置。

2.2.4歷史數(shù)據(jù)查詢子程序

PLC利用時鐘信號控制自由端口通信，讓PLC在每天指定的時間段內(nèi)，允許數(shù)據(jù)中心服務(wù)器對下位機(jī)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)足時，就將缺失數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)(200字節(jié))全部發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，確保數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)的完整。

查詢結(jié)束后，自動返回到PLC主動發(fā)送實時數(shù)據(jù)模式。

3 上位機(jī)程序設(shè)計

3.1 Winsock控件原理

對數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的接收是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。Socket流式套接字是一種針對TCP的面向連接的套接字。直接采用Socket技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端通信比較復(fù)雜。因此，采用集成了Socket技術(shù)的Winsock控件。

Winsock控件是微軟Windows提供的網(wǎng)絡(luò)編程接口，提供了基于TCP/IP協(xié)議的接口實現(xiàn)方法。它把與網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)的Windows Sockets API(application programming interface，應(yīng)用程序接口)函數(shù)封裝成為一個整體。將網(wǎng)絡(luò)編程要用的函數(shù)作為控件的屬性和方法。通過對控件相關(guān)屬性的設(shè)置和方法的調(diào)用就可以實現(xiàn)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信功能。該控件為用戶提供了訪問TCP和UDP(user datagramprotocol，用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)網(wǎng)絡(luò)的極其方便的途徑，并且適用于Microsoft Access，Visual Basic，VisualC++和Visual FoxPro等多種可視化編程環(huán)境。

本系統(tǒng)有多臺數(shù)據(jù)終端，要為每臺數(shù)據(jù)終端建立一個線程，負(fù)責(zé)實時高效的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。Visual Basic 6.0的Winsock控件數(shù)組可以很方便地實現(xiàn)這一功能，因此采用Visual Basic 6.0開發(fā)上位機(jī)程序。

圖3表示單臺數(shù)據(jù)終端與服務(wù)器數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的過程。當(dāng)有多臺數(shù)據(jù)終端時，數(shù)據(jù)終端與服務(wù)器建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的過程相同，只需要增加新的Winsock控件實例，這里使用控件數(shù)組。具體方法是：在窗體中加入Winsock控件，命名為Listener，將它的Index屬性設(shè)置為0。作為Winsock控件數(shù)組的第一個元素。然后在窗體的Load事件中聲明一個模塊級的變量Count，把Count設(shè)置為0，數(shù)組中的第一個控件的Local port屬性設(shè)置為1011 (與GPRS DTU一致)，接著調(diào)用控件的Listen方法。然后在連接請求時，代碼將檢測Index是否為0，如果為0，監(jiān)聽控件將增加Count的值，并使用該號碼來創(chuàng)建新的控件實例，然后使用新的控件實例接受新的連接請求。這樣就可以完成多臺終端與服務(wù)器數(shù)據(jù)中心通信程序的設(shè)計。

圖3單臺數(shù)據(jù)終端與服務(wù)器通信工作流程

3.2數(shù)據(jù)中心服務(wù)器接收數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器接收PLC實時數(shù)據(jù)的界面如圖4所示。可以看出，接收的實時數(shù)據(jù)有12個字節(jié)，以16進(jìn)制顯示。在實時數(shù)據(jù)框中，00 04表示機(jī)器碼，09 12 02 09 33 02 00 04，表示09年12月02日09點33分02秒，00系統(tǒng)保留位，04表示星期三，8D CF表示設(shè)備的開關(guān)信息。在歷史數(shù)據(jù)框中，可以看到每隔30 s接收到的PLC的實時數(shù)據(jù)，1表示設(shè)備開，0表示設(shè)備關(guān)。在下位機(jī)補(bǔ)足數(shù)據(jù)框中，是數(shù)據(jù)中心服務(wù)器檢測到數(shù)據(jù)庫中某個時間段的數(shù)據(jù)有缺失時，進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)足查詢，得到的一段歷史數(shù)據(jù)。

圖4上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)畫面

圖5實時狀態(tài)圖

服務(wù)器將收到的數(shù)據(jù)存儲到SQL數(shù)據(jù)庫中，然后在服務(wù)器的人機(jī)界面中，將數(shù)據(jù)以動畫、曲線等形式顯示出來，生動地展示污染源生產(chǎn)設(shè)備和治污設(shè)施的開關(guān)情況，為科學(xué)監(jiān)管廠家的治污情況提供了數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語

本文利用S7—200 PLC自由端口通信、GPRSDTU透明的數(shù)據(jù)傳輸、VB6.0的Winsock控件，成功實現(xiàn)了遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。

本系統(tǒng)已經(jīng)成功地在佛山市南海區(qū)環(huán)保局運行。數(shù)據(jù)采集終端可以在環(huán)境惡劣的廠區(qū)穩(wěn)定可靠運行;數(shù)據(jù)中心平臺可以以動畫的形式實時觀測到廠區(qū)生產(chǎn)設(shè)備和治理設(shè)備的運行狀態(tài)。圖5顯示了某家工廠的設(shè)備運行情況，指示燈為綠色表示設(shè)備在運行狀態(tài)，否則為紅色。此外，還能將生產(chǎn)設(shè)備和治理設(shè)備的歷史運行情況以曲線形式進(jìn)行對比，分析治理設(shè)備是否和生產(chǎn)設(shè)備同步運行。

本遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有永遠(yuǎn)在線，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠運行、界面友好等特點。不僅可以應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測方面，在其他需要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測的領(lǐng)域也有一定的參考借鑒價值。