基于移动终端的液位测量系统的设计与实现

席天翔，刘毅敏

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，武汉 430081）

随着移动互联网技术的深入发展和工业以太网技术的逐渐成熟，移动互联网技术有逐渐向工业控制领域渗透的趋势，这将改善工业控制系统相对封闭的缺点。基于成熟的TCP/IP的移动互联网通信技术逐渐通过工业以太网与许多自动化控制类的软件及设备相连接，实现了相互间的通信，使通过移动终端设备来操控PLC并读取PLC设备的数据成为现实[1]。根据该方案设计的液位测量系统已经在某厂投入使用，该系统可以更加方便地获取测量数据，实时性较强，提高了测量系统的性能，并大大节约了人力资源成本。

1 系统工作原理

移动终端的客户端程序，通过公用无线网络或者WiFi热点的方式连接到Internet网络，并通过TCP/IP协议交互访问数据服务器程序，然后数据服务器程序将TCP/IP请求转化为OPC（OLE for process control）请求，通过OPC服务器访问并控制挂载在以太网的PLC设备完成测量动作，PLC设备再将测量数据逆向回传给移动终端，通过数据交互的方式完成测量任务。以此实现通过移动终端读写PLC进行测量的目的[2]。测量系统结构示意图如图1所示。

图1 测量系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of the measurement system

1.1 移动终端接入移动互联网的方式

在公用移动互联网络中，移动终端可以接入到2G/3G/4G和无线网络。在2G网络中，利用通用分组无线服务技术GPRS（general packet radio service）接入Internet网络。在3G网络中，网关移动交换中心 GMSC（gateway mobile switching center）为用户提供分组路由、隧道和跟踪移动终端的位置等功能。UMTS（universal mobile telecommunications system）提供3G网络内部与外部网络的路由和封装，分配IP地址，实现与Internet网络的互通。在4G网络中，终端设备可以通过4G基站，更加快速地与Internet网络互联。在无线局域网中，嵌入式终端利用WiFi热点接入Internet，从而访问数据服务器[3]。这4种方式均可以通过撰写套接字客户机程序来实现。

1.2 Internet与以太网的连接

数据服务器采用双网卡方式或者采用网络地址转换 NAT（network address translation）的方式实现与以太网的连接[4]。

双网卡就是一台数据服务器安装2块网卡，其中的一个网卡接入外部Internet网络，另一个网卡接入内部以太网。实现以太网内部的设备通过此台服务器与外部Internet网络的联系。双网卡的方式如图2所示，需要配置服务器为双网卡模式。

图2 双网卡模式Fig.2 Dual network card mode

NAT方式需要在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件。装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。这样，所有使用本地地址的主机在和外界通信时，都要在NAT路由器上将其本地地址转换成全球IP地址，才能和因特网连接。另外，这种通过使用少量的公有IP地址代表较多的私有IP地址的方式，将有助于减缓可用的IP地址空间的枯竭。

NAT方式如图3所示，需要在企业网与外部网络连接的路由器或者NAT服务器上配置NAT信息，使得内部的PLC可以与外网服务器通信。

图3 NAT方式Fig.3 NAT mode

2 系统的软件设计

本系统开发的技术核心是服务器端的程序开发，服务器端的程序实现了移动终端与PLC之间的桥联。它既要实现TCP/IP协议与移动终端通信，又要实现OPC接口标准与测量现场的PLC通信。它将移动终端发出的指令转换为PLC指令执行测量任务，并把测量结果回传到移动终端。

2.1 服务器与PLC的通信

本系统数据服务器通过以太网与各级PLC的通信采用通过OPC组件的方式来实现[5]。

测量液位的传感器全部挂载在以太网上，与液位测量相关的PLC也挂载在以太网上[6]。因此，服务器端可以通过OPC接口实现与PLC的通信，并通过操控PLC进行液位测量。OPC，即用于过程控制的OLE标准，它为服务器端程序和现场过程控制应用建立桥梁。本系统采用C#编程语言调用opcdaauto.dll文件编写通信程序，实现基于OPC接口的通信。服务器通过OPC接口采用异步读写的方式（AsyncRead与AsyncWrite方法）与各级PLC进行通信。

2.2 移动终端与服务器通信

本系统数据服务器与移动终端间的通信采用基于TCP/IP协议的网络通信方式，移动终端设备通过2G/3G/4G或者无线WiFi网络与本服务器间的通信均可以通过TCP/IP协议来实现。该厂区85%以上的员工使用安卓系统的移动终端，因此，采用开发安卓App的方式实现与服务器的通信。安卓App的界面采用可扩展标记语言XML布局，开发基于Android 2.3版本，因为Android 2.3平台比较稳定，而且基于安卓旧版本开发的App可以在新版本系统上稳定运行，提高App的跨平台性。

其中，基于TCP/IP协议的通信通过撰写套接字Socket程序来实现[7]，Socket采用3次握手的方式建立一个连接并实现数据交互。移动终端与服务器间的通信示意图如图4所示。

图4中，服务器端先开启端口侦听有无客户机接入，然后客户机向服务器发起连接请求，服务器端收到连接请求后准许客户机接入，客户机收到“准许接入”信息后接入服务器，随后双方开始进行数据通信。

3 系统的实现

本系统服务器采用Windows Server 2008版的操作系统，安装双网卡来实现Internet网络与工业以太网之间的切换，安装配置了与OPC相关的组件并引用了与OPC相对应的DLL文件，搭建起服务器与企业内部网络中的PLC设备的连接。PLC采用西门子的S7-400系列。液位传感器采用静压投入式液位变送器MH1160。移动终端采用装有Android 2.3版本及其以上版本的操作系统的设备。

图4 移动终端与服务器间的通信Fig.4 Communication between mobile terminals and server

数据服务器与PLC之间的连接通过OPC异步读写的方式实现。数据服务器与PLC的连接示意图如图5所示。

图5 服务器与PLC之间的连接Fig.5 Connection between the server and the PLC

通过上述方式实现的服务器与PLC的数据交互稳定可靠，响应时延在130 ms以内，数据误差在0.1%以内，满足工业测量的要求。

移动终端设备可以通过2G/3G/4G或者无线WiFi网络接入本服务器，实现移动终端与本服务器的连接。移动终端与服务器的连接示意图如图6所示。

图6 移动终端与服务器的连接Fig.6 Connection between mobile terminal and server

实践证明，基于上述方式建立的移动终端与服务器间的通信，安全稳定，数据丢包率在0.03%以下，误码率不到0.07%，数据传输速率达到1.1 MB/s，完全满足测量系统对准确率和实时性的要求。

按照上述方式搭建的系统即可实现移动终端与以太网内部PLC的联系，达到通过手持移动终端来操控PLC进行液位测量的目的。全线液压系统精轧区的现场测量结果如图7所示。

图7 移动终端显示的测量结果Fig.7 Results of the measurement of the mobile terminal

图7显示的是“实时模式”下对全线液压系统精轧区的1到9号子液压系统的液位测量数据结果。其中，列头“液位1”表示上次液位测量结果（一般指上月测量结果，由服务器端数据库取得），“液位2”表示当前液位测量结果，“时间”表示当前测量时间，“HFI”是油脂消耗速率的主要参数指标，计算公式如下：

实际应用证明，该系统可以快速获取系统当前液位数据，客观反映油量消耗情况。节约生产单位的人力资源及生产成本。

4 结语

按照此方案设计的系统已经在某厂上线使用，使用效果良好，与传统测量系统相比，较大地降低了系统测量的难度，提高了测量的实时性，达到了通过手持移动终端控制PLC并将PLC的测量数据传回给移动终端的目的。随着移动互联网的深入普及，物联网与云系统的快速发展，在不久的将来，该系统可以将测量取回的数据存入“云”，实现与其他设备或系统的数据共享，便于系统的深入扩展，具有较好的应用前景。

[1]徐亮.基于Android的远程控制系统[J].计算机工程，2013，39（11）：280-284.

[2]高强，张亮，李月风.基于OPC技术的虚拟DCS监测系统设计[J].自动化与仪表，2009，24（12）：30-32．

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[4]KURODA J，NAKAYAMA Y.STUN-based connection sequence through symmetric NATs for TCP connection[C]//Proceedings of the 13th Asia-Pacific Network Operations and Management Symposium.ManagingClouds，SmartNetworksand Services，New Jersey，United States，IEEE Computer Society，2011：1-4.

[5]蒋近，段斌.基于OPC技术的监控主站实时数据传输[J].电力自动化设备，2008，28（9）：97-100.

[6]阳宪惠.工业数据通信与控制网络[M].北京：清华大学出版社，2003：37-69.

[7]刘利强，吴永英，王勇智.IPv6下Socket网络编程的研究与实现[J].计算机技术与发展，2006，16（6）：201-203.