基于GPRS網絡的PLC實時遙控系統的研究

可編程控制器簡稱PLC，已越來越廣泛用于工業(yè)控制的各個領域。同時，近年來，隨著網絡技術的不斷發(fā)展GPRS以其永久在線、通信速度快、支持Internet數據分組業(yè)務、通信費用低（0.01分/k，也可包月或包年）等特點，被廣泛用于各種網絡無線遙控系統中。本文充分利用GPRS技術無線通信的優(yōu)點，并結合PLC在工業(yè)控制 上抗干擾性強的優(yōu)勢，給出了一個對海上的燈塔進行實時遙控系統的具體實現方案，并進行了實際系統的設計。

1 系統結構組成

基金項目：交通部伽利略計劃專項基金（編號：200436422510）；交通部科技教育司資助

1.1 系統工作原理

PLC遠程實時遙控系統在物理分布上由GPRS終端設備和中心服務軟件組成，系統通過配置可以對多個設備進行狀態(tài)和數據監(jiān)控，也可以通過中心服務軟件僅對單個終端設備進行遠程調試和通信數據的應答和轉發(fā)。

GPRS終端設備將采集的各種信息數據按照設定的協議發(fā)送到系統中心服務軟件或用戶監(jiān)控手機上，系統中心服務軟件判斷收到的數據是監(jiān)控數據還是調試轉發(fā)數據，按照不同的要求將數據進行相應的處理，并根據設定的要求進行接收確認。同時，系統中心服務軟件也可以按照操作人員的要求配置參數，有選擇的查詢必要的終端設備信息。

當系統進行遠程調試應用時，系統中心服務軟件可以對PLC已知的應答軟件進行自動在線保持，僅將關鍵數據進行遠程傳輸到GPRS終端設備進行數據請求，同時GPRS終端設備對已經請求到的設備指令發(fā)送到系統中心服務軟件，系統中心服務軟件再通過串口轉發(fā)給系統遠程調試軟件。其中，關鍵數據指令的交互周期和等待周期可以由系統軟件配置。這既可以有效地節(jié)省數據通信的流量，又可以保證調試軟件的穩(wěn)定性。

1.2 系統結構組成

PLC實時遙控系統由系統用戶監(jiān)控中心、通信網絡和終端設備組成，其系統結構拓撲圖如圖1所示。

圖1 PLC實時遙控系統結構圖

GPRS 終端設備通過通信接口與現場PLC設備連接，它負責采集現場PLC設備的各種信息數據，并通過IP鏈路方式或GSM短信方式發(fā)送至系統監(jiān)控中心或控制手機。另外，將控制手機或系統中心服務軟件發(fā)送過來的各種有效的控制指令和PLC遠程調試關鍵數據發(fā)送給現場PLC設備。其組成包括GPRS通信模塊、MCU處理模塊及其他附屬部件。

系統中心服務軟件是整個系統的核心，其將來自GPRS終端設備的各種指令信息、數據轉發(fā)給終端狀態(tài)監(jiān)控軟件，接收來自終端狀態(tài)軟件的查詢指令并發(fā)送給遠程的GPRS終端設備。同時，系統中心服務軟件還可以按照預設的指令格式自動應答PLC遠程調試軟件的指令信息，也可以將PLC遠程調試軟件的關鍵請求指令按照預設的格式和頻率發(fā)送給遠程GPRS終端設備并將返回來的指令實時發(fā)送給PLC調試軟件。

通信網絡是GPRS網絡和傳統IP網絡的融合，主要負責監(jiān)控手機和系統服務中心軟件與GPRS終端設備之間的數據交換工作。

2 GPRS終端設備設計

GPRS終端設備是與監(jiān)控中心服務器進行業(yè)務、數據交互的接口，是系統數據采集和指令執(zhí)行部分，完成將PLC工作狀態(tài)的實時上傳和接收來自監(jiān)控中心的各種命令的執(zhí)行工作。

2.1 系統終端硬件設計

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控制模塊和現場顯示控制觸摸屏。硬件結構圖如圖2所示。

圖2 終端設備硬件結構組成

GPRS數據通信模塊將從監(jiān)控中心接收的數據送給MCU微處理器，MCU微處理器根據數據的類型進行相應的處理，對于需要轉發(fā)給PLC的數據傳輸給PLC控制模塊。同時，MCU微處理器將從PLC控制模塊中得到的數據進行相應的處理并由GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。觸摸屏實時監(jiān)視系統和設備的運行狀態(tài)，并可以進行現場設定設備運行的參數。由于GPRS終端設備不同的模塊所需要的電源參數不同，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的處理模塊以滿足其正常的工作。

2.2系統終端軟件設計

在GPRS終端設備的軟件設計中，主要是基于MCU微處理器的數據處理部分軟件設計。

MCU微處理器主要完成接收來自監(jiān)控中心的數據，并及時轉發(fā)給PLC控制模塊，同時，將從PLC控制模塊中返回的數據通過GPRS通信模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。由于GPRS模塊內部沒有TCP/IP協議 和PPP協議，所以，GPRS終端設備在軟件設計中嵌入了TCP/IP協議和PPP協議。在MCU處理器與PLC之間進行數據傳輸時，采用的是HOSTLINK通信協議 ， MCU處理器作為主控制器， PLC作為從控制器。

MCU微處理器的軟件結構模塊如圖3所示。

圖3 MCU微處理器軟件流程圖

3 系統設計特點

3.1 應用配置簡單方便

系統中心服務軟件可以對每一種需要處理的語句只通過定義相應的參數（包括起始頭，結束尾，轉發(fā)時間）等都可以進行配置。同時對本地發(fā)送給該軟件的語句也可以通過配置自適應進行應答。在GPRS終端設備上，用戶同樣可以控制對設備的訪問，通信方式的自適應檢測、切換和短信號碼管理等功能。使用起來方便簡單，一套系統完成多種系統的應用工作。

3.2 系統具有良好的擴展性。

基于GPRS網絡的PLC實時遙控系統對用戶來說具有極強的擴展性，可以僅通過參數的配置就可以實現多種應用系統的開發(fā)工作。

同時，本系統在軟件設計中還采用了軟件設計中三層軟件設計模式，其靈活的組件式配置和管理對未來系統業(yè)務功能的擴展和升級提供了方便，系統開發(fā)人員可以通過更換組件或擴展組件功能的方式得以實現，而對其他部分則沒有任何的影響，有利于系統擴展應用。

3.3 系統安全可靠

在中心軟件和終端設備上都進行操作權限、身份的鑒權和識別；對短信收發(fā)列表也采用了權限設置，同時，對每一個號碼都可以設置密碼。在系統中心服務軟件和GPRS終端設備之間系統封裝了認證和通信指令協議，但對于用戶來說是透明的鏈路傳輸，這可以有效的保障數據傳輸的可靠性。

3.4 短數據包通信

本系統中設計的數據通信包為500字節(jié)，當監(jiān)控中心遠程調試軟件與PLC之間數據交換大于500字節(jié)時，需要分包發(fā)送。這樣雖然增加了監(jiān)控中心與GPRS終端設備之間的信息交換次數，但保證了數據通信的可靠性。使用普通的MCU微處理器就可以運行一個精簡的TCP/IP協議棧，節(jié)省了大量的系統資源。

3.5 自適應切換GPRS通信和GSM通信方式

GPRS終端設備可以通過短信或電話喚醒轉入基于IP連接的工作模式，也可以在設定時間內無法連接到中心服務軟件時自動轉入短信工作狀態(tài)。

4 系統運行結果

當GPRS終端設備與監(jiān)控中心的系統中心服務軟件連接后，就可以利用遠程調試軟件和終端狀態(tài)監(jiān)控軟件實時查看和調試現場PLC設備的運行狀態(tài)和結果了，十分方便，簡單易行。圖4顯示了現場PLC設備與遠程調試軟件之間通過GPRS終端設備和系統中心服務軟件之間進行數據交換的數據流。

圖4 系統中心服務軟件顯示的現場PLC設備與遠程調試軟件之間的交換數據

5結論

本文詳細討論了基于GPRS網絡技術的PLC遠程調試技術應用于海上燈塔遙控系統硬件和軟件的設計方案，并給出了數據傳輸實時性和可靠性關鍵問題的解決方法，通過應用GPRS無線通信技術，實現了PLC遠程實時監(jiān)控和調試。給工作人員對觀察燈塔設備運行的工作狀態(tài)帶來了極大的方便，也十分有利于對燈塔設備的異地控制和維護。同時，本文對遠程數據傳輸以及其它無人值守的系統均有一定的實用價值和指導意義。

創(chuàng)新觀點

（1）本文提出了在監(jiān)控中心和終端系統之間的數據傳輸采用一種協議可控的透明傳輸的思想，提高了系統工作的效率和可靠性。

（2）移動終端中的通信模塊內部嵌入了自己開發(fā)的TCP/IP網絡通信協議，提高了通信可靠性、降低了TCP/IP連接時間。

參考文獻:

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