基于GPRS和PLC的人工造浪智能监控系统的研究

发布时间：2018-07-15

气动造浪系统主要包括由电机和鼓风机组成的空气供给系统、气体输送管路、造波风罩、布置在管路上配气阀和对应的控制系统等。工作耐，通过电机转动带动鼓风机正常工作，从而产生高压气体，气体通过配气阀控制造波风罩气流的周期性变化实现造浪。某公司在全国各地建设了多套气动造浪系统，由于这些气动造浪系统分布范围广、数量多、分布零散、距离远、地域复杂，给该公司在气动造浪系统的维护管理造成了很大的困难。为解决这一问题，需要有一种新的高效远程数据监控系统来解决远程数据监测和设备控制问题。由于无线GPRS网络具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据实时
传输中有不可比拟的优势，特别适合于远程监控系统这样的频发小数据量的实时传输系统。此外在保证数据传输及时、准确的前提下，能将系统运行维护费用降低到最低，所以当前对远程监控采用GPRS技术受到了广泛关注。巨控科技开发的GRM200G PLC通信模块使用GPRS网络作为远程通信手段，一个模块即可实现的电脑远程监控、短信报警、远程维护等。客户只需具备能上网的电脑，对GRM200进行简单配置，PLC无需编写任何程序，即可轻松完成PLC的远程无线监控。作者结合GRM200G PLC通信模块开发了基于GPRS和PLC的人工造浪智能监控系统方案。
1 气动造浪监控系统结构
1.1 系统构成
该系统通过GPRS网络实现了计算机与远程PLC的通信。整个系统由监控中心、以GRM200G PLC通信模块为核心的GPRS数据传输网络和以西门子PLC为控制核心的终端设备等几个部分组成。监控中心由客户端和数据库服务器组成。客户端的软件采用Del-phi7软件开发，而不采用支持OPC接口的组态软件，这样可以提高监控中心对数据的处理能力。
监控中心主要功能是完成与远程终端控制器PLC连接及控制，对远程终端控制器PLC发送来的数据进行显示、存储、打印。远程的控制器PLC主要用来采集现场各种数据，并向监控中心传送相关信息；同时响应监控中心发来的控制指令，实现对设备的远程控制。GPRS数据传输网络起一个桥梁的作用，主要是完成监控中心与远程PLC信息的交互。系统的总体结构见图l。

图1 系统的总体结构图

1.2 系统工作原理
运用Delph17开发的监控中心监控系统作为上位机的控制平台，通过固定地址接入Intemet，然后通过GPRS网络与GRM200G PLC通信模块连接，并通过RS485最终实现与现场控制器PLC通信。监控中心监控系统通过GPRS网络向各个现场控制系统PLC发送动作指令，使现场控制系统PLC完成各种配置和数据采集工作，同时将采集的数据储存在监控中心的数据库SQL Server 2000服务器中，并对现场控制系统PLC发送上来的数据进行分析和处理。工作人员通过监控中心监控系统能直观和实时地监视各个现场控制器PLC，并可以有针对性地对各个现场控制器PLC进行及时拄制和报警。还可以通过系统对数据进行深化加工，提取所需的信息，例如根据监控中心监控系统统计出故障出现时间，这些信息可以帮助操作员找到故障点等。
在系统运行之前在GRM200G PLC通信模块插入SIM卡。人工造浪智能监控系统开机后，对系统设置完成后，首先对系统进行初始化，然后由终端设备与现场控制器PLC进行数据通信，获得人工造浪智能系统终端设备的运行状态参数；现场控制器PLC对获得的这些数据进行处理，然后通过RS485把处理结果以协议数据帧的格式通过GRM200G PLC通信模块发送到GPRS网络中，并将信息通过GPRS网络送入到互联网；远程监控中心通过地址接入的互联网把终端采集的数据处理结果透明地传送到远程监控中心的数据库服务器中。当主机监控中心服务器接收到GRM200G PLC通信模块发送过来的地址，GRM200G PLC通信模块和监控中心的网络就已连接通，监控中心的查询命令或控制命令也就可以通过互联网和GPRS网发送到GRM200G PLC通信模块中，再由GRM200G PLC通信模块通过RS485传送到现场控制器PLC，最后通过现场控制器PLC控制系统终端设备，对终端设备进行操作，从而通过GPRS网络实现对人工造浪智能系统的无线远程监控。
2 气动造浪监控系统功能设计
2.1 监控中心监控系统的功能设计
1)网络通信功能。系统在运行时，能够通过GPRS网络实现与现场控制器PLC通信。
2)远程遥控功能。系统通过系统网络通信功能向现场控制器PLC发送控制指令，并让现场控制器PLC按指定的方案运行。
3)状态显示功能。监控中心软件通过远程GPRS网络采集的数据，在软件界面上显示各终端设备的状况和类型。
4)数据查询和报表处理功能。系统能将现场控制器PLC的信息通过无线信道发送回监控中心，监控中心主机对这些数据进行分析、处理后，可以通过查询功能查询所需的数据。并将采集参数的数据信息形成报表，便于分析研究，可打印报表，为决策提供准确的依据。
5）PLC程序上传和下载功能。该功能通过GPRS网络把储存在现场控制器PLC的程序上传到监控中心监控系统里，并能够把修改后的PLC程序下载到现场控制器PLC，实现对现场控制器PLC进行远程维护和管理。
2.2现场控制器PLC终端功能设计
1)实时数据采集功能。现场控制器PLC通过压力传感器等其他传感器获得气动造浪监控系统的实时数据；并能通过GPRS网络上传到监控中心。
2)自动报警功能。如到现场出现异常或紧急情况时，现场控制器PLC会立即向中心发送告警信息，并对现场进行保护性处理。
3)网络通信功能。现场控制器PLC终端功能通过GRM200G PLC通信模块接入因特网，采用GPRS无线网络方式，并连接到监控中心，以实现监控中心与远程现场控制器PLC终端进行数据及监控中心命令数据的双向传输。
3 气动造浪监控系统实现
3.1 监控中心
监控中心负责接收远程监控终端PLC传回的实时信息，并对数据信息进行分析储存以及处理，同时将监控中心的指令信息发送给终端PLC控制端。远程监控终端PLC的信息通过GPRS网络经由网关传到Intemet，然后找到监控中心的主机。监控中心是无线环境监控系统的中枢，是整个系统可靠高效运行的关键点。
    监控中心的软件设计要充分考虑系统功能的完整性和扩展性，同时系统应有良好的可靠性和兼容性。监控中心的软件系统主要由监控中心监控系统（客户端）和数据库服务器两部分组成。监控中心的软件采用模块化设计，为进一步提高系统对PLC的监控和管理能力，监控中心监控系统采用Delph17+ SQLServer 2000开发。Delphi7用来开发系统的界面，SQLServer 2000用来储存监控数据。Delphi7作为一种优秀的编程工具，具有功能强大、简便易用和代码执行速度快等优点。该开发工具不仅可视化快速，而且具有强大的数据库支持、与Windows编程紧密结合、强大而成熟的组件技术、简单易学等特点圈。SQLServer 2000是优秀的数据库，具有使用方便、可伸缩性好、与相关软件集成程度高等优点，可跨越从运行Microsoft Windows 98膝上型电脑到运行MicrosoftWindows 2000的大型多处理器的服务器等多种平台使用
3.1.1 监控中心系统与OPC服务器连接
    监控中心作为系统的监控端，为了与GPRS网络通信，需要在监控中心的PC机上安装GRM OPCServer。在监控中心上安装好GRM OPC Server后，监控中心通过GRM OPC Server与GRM200G建立通信连接，连接成功后便可读写PLC寄存器。在此系统中关键是如何将所开发的监控中心监控软件通过GRM OPC Server与GRM200G通信模块建立通信连接。即只有监控中心监控软件与GRM OPC Server连接通信成功，才能保证系统正常运行。
    用Delph17所开发的监控系统与OPC Server连接主要有两种方式：一种是编程连接，另一种是控件连接。其中编程连接需要开发者对OPC的应用有一定的了解和编程经验，花费时间较多。为使系统简单实用，在该系统中采用了控件连接的方式。IOComp公司针对Delphi开发了具有连接OPC Server功能的控件，该控件对开发者来说简单实用，在应用过程中，只需要知道OPC Server的名称，在OPC Scout中定义Item的位置，就可以实现对Item的读写。在开发过程中，首先将IOComp For Delphi的控件安装到开发机上，然后在用Delph17开发的此系统中调用实现Item读写的IEdit控件。将该控件拉放到相应的界面上，然后双击该控件在界面上会出现该控件的属性页，其中属性的第二项OPC就是对OPC参数设备的界面。单击打开OPC设置界面，然后点击新增按键，选择Edit属性中的参数值。在OPC Server中设置此系统采用的OPC Server服务器名称：GrmOpcServer.GRMOPC；在Computer中设置此系统采用的服务器位置：Local；在Item中设置当前控件所要连接的OPCServer的Item，在此系统中将参数设置为S7；更改Update Rate文本框中的值设定读写Item时间。这些参数设置好后，监控中心的软件就可以与GPRS的网络通信。监控中心系统可以通过GRM OPC Server与GRM200G建立通信连接。
3.1.2采用多线程技术保证信息即时交流
    监控中心监控系统作为气动造浪监控系统的上位机系统，其主要功能是显示气动造浪终端系统（PLC)的实时状态、采集和处理气动造浪终端系统（PLC)的数据、对气动造浪终端系统（PLC）的运行设备发送控制指令等。为保证这些任务具有实时性，并使系统支持多任务和并行处理多任务，在开发监控中心监控系统时采用了多线程技术。根据监控中心监控系统运行需求，该监控系统需要如下几个线程：系统主线程、数据采集线程、数据处理线程、控制运行线程、系统协调线程等。这些线程保证了系统的正常运行和系统的实时性，提高了系统运行可靠性。
    1)系统主线程。系统主线程是系统从开始运行到系统结束运行的线程，该线程主要是监控系统显示、处理气动造浪终端系统（pLC）的数据和对监控系统进行交互操作。在正常情况下，该系统主要是显示气动造浪终端系统（PLC）的实时状态，并对采集的数据进行查询和发送控制指令等。该线程是否正常运行，直接关系到监控系统是否能够正常运行。
    2)数据采集线程。该线程主要是把采集的气动造浪终端系统（PLC）数据通过GPRS网络发送数据。该线程在监控系统开机后通过系统协调线程启动数据采集线程。正常情况下，数据采集线程自系统启动后会一直处于运行状态。如果监控系统需要发送运行控制指令时，系统会通过系统协调线程先把该线程挂起，然后运行控制运行线程，直到运行控制指令发送完毕，系统会退出控制运行线程，然后在系统协调线程调度下重新启动数据采集线程。
   3)控制运行线程。控制运行线程是发送运行控制指令的线程，主要是系统通过GPRS网络根据需要对气动造浪终端系统（pLC）的设备发出控制指令，气动造浪终端系统（PLC）接受到控制指令后则对相应的设备进行控制，比如关机、停机等。该线程由于只是需要控制设备时才启动，所以监控系统在正常运行时，控制运行线程处于终止状态。只有当需要发送控制指令时，通过系统协调线程先终止数据采集线程的运行，终止后系统启动控制运行线程。该线程启动后，系统则会通过控制运行线程向GPRS网络发送相关的控制指令。发送完控制指令后，监控系统通过系统协调线程终止运行控制运行线程，终止后监控系统通过系统协调线程重新运行数据采集线程回到数据采集状态。
    4)数据处理线程。数据处理线程是系统单独建立的一个线程，主要任务是负责处理通过GPRS网络传回的数据，并根据数据的状态对系统进行相应的处理，处理完毕后根据需要将数据保存在SQL Server2000数据库中。该线程自数据采集线程运行后开始运行，如果在运行过程中，数据采集线程终止了运行，系统也会终止数据处理线程运行。
    5)系统协调线程。监控中心监控系统与气动造浪终端系统 PLC）通信过程中，整个系统是通过GPRS网络进行通信。为保证整个系统在运行中各线程能够正常运行，在某一时刻内执行相应的线程，这就需要系统协调线程来协调线程的运行。该线程自系统主线程运行后，便一直在运行。该线程主要协调数据呆集线程和控制运行线程的运行，保证这两个线程不同时运行。
3.2    GPRS网络通信组建
    人工造浪智能监控系统运行时，需要监控中心监控系统通过GRM OPC Server与GRM200G建立通信连接。在进行通信连接之前，必须对GRM200G和GRMOPC Server进行正确配置，这些设置完成后，系统就完成了GPRS通信网络的组建。
    系统组建之前，需要对GRM200G进行配置。首先运行巨控公司提供的GRM200开发系统GRM De-veloper，然后在开发系统中建立工程。在新建工程的界面里，输入新建工程名和选择使用的GRM200设备型号。建立了工程后，系统会出现新建的工程界面。在工程界面中，首先选择端口Coml，并对端口进行设置。点击端口Coml的“编辑端口”，系统会出现通信端口编辑器界面，然后在此界面上选择相应的PLC协议。人工造浪智能监控系统由于选用了西门子S7 -400的PLC，所以选用西门子S7-400 MPI协议。然后对通信端口参数进行设置，通信端口参数包含通信公共参数和端口特定参数。对通信公共参数主要设置超时时间 (ms)、失败重试次数（次）、通信延时（ms））、尝试恢复时间间隔（）。根据需要将逮些参数分别设置为1 000、3、5、60。对端口参数主要设置数据位数、停止位、波特率、奇偶校验位，在人工造浪智能监控系统中这些参数分别被设置为8、l、9 600、偶。然后在工程界面中，首先选择端口Coml，再选择“新建设备”，系统出现通信设备编辑器界面，在此界面中，输入设备名称，并在从机地址输入栏上输入与PLC配置一致的从机地址。然后在开发系统中根据需要新建PLC寄存器变量，在人工造浪智能监控系统中寄存器变量包括温度、空气压力、噪声、变频器频率等，在新建过程中要指定设备名、寄存器类型、地址等。最后在系统中需要配置网络。点击“工程选项”按钮，则会出现工程选项的界面，在此界面中，选择“网络选项”，然后在出现的界面中设置服务器端口。最后把创建的工程下载到GRM200中即完成对GRM200G的配置。
    人工造浪智能监控系统还需要对GRM OPC Serv-er进行配置，以便与监控中心系统通信。运行巨控公司提供的GrmOpcMgr．exe，进入GrmOpc管理器界面，然后添加GRM设备。点击“添加GRM设备”按键后系统便会进入GRM设备编辑器界面。在此界面中主要设置了服务器地址：GrmOpcServer．GRMOPC；端口为0；GRM200G设备序号和GRM设备访问密码；变量刷新间隔两次读变量间隔），根据网速和实际需求设置为15。设置完成后，刷新GRM设备。刷新GRM设备未出现错误提示后，点击“保存设置到OPCServer”即完成对GRM OPC Server的配置。
4结论
    为实现人工造浪智能监控系统中数据远距离传输，提出一种基于GRM200G GPRS网络通信技术和计算机控制技术的监控系统，给出构建结合GRM200G GPRS无线通信网络的方法，详细分析了系统的监控中心系统与GPRS通信的方法和基于GRM200G GPRS无线通信网络构建过程。该方案无需搭建中心服务器，只需简单配置即可实现GPRS远程监控。由于基于GRM200G GPRS通信技术的远程监控系统具有一个模块即可实现PLC的电脑远程监控、短信报警、远程维护等特点，所以将会有更广泛的应用前景。

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