基于PLC重铺机组远程监控系统的设计和实现

韩令斗+赵亮+张栗+仲崇权

摘 要：为了实现重铺机組数据的实时采集、处理、可视化与上传，开发了重铺机组远程监控系统。系统以PLC为控制核心，由ZigBee模块、GPRS模块、GPS模块和DView组态软件组成，提出了该系统的总体设计方案。ZigBee模块主要用于PLC间的无线通信，传输所有PLC采集的数据。GPS模块用来采集经纬度数据，为实时监控重铺机组的位置提供支持。GPRS模块用以将重铺机组的数据、经纬度信息上传至互联网远程上位机，实现重铺机组的远程监测。结果表明，系统可实时准确地远程传输采集的数据，DView组态软件根据采集结果显示网络监控画面，可有效监控重铺机组的工作。

关键词：PLC；GPRS；GPS；DView组态软件

中图分类号：TP277.2 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

重铺机组用于公路的大面积连续翻修作业，具有就地加热、翻松（铣刨）、复拌、摊铺、整平功能，可一次成型新路面，旧路沥青混合料100%就地再生利用，具有节约资源、减少环境污染、作业时不封闭交通、经济和社会效益非常显著等特点[1]。但若想保证重铺机组的参数精确并提高生产效率，对其进行在线监控是必要的，以便及时掌握重铺机组的运行状态和各种参数的变化[2]。

本文采用ZigBee无线通信技术。随着通信技术快速发展，短距离无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点。以无线局域网（WLAN）、蓝牙（Blue-Tooth）技术、WiFi以及ZigBee技术等为代表的各种热点技术相继出现[3-6]。作为一种新兴的短距离无线通信技术，ZigBee具有低功耗、低成本、使用便捷等显著的技术优势，广泛应用于工业控制、家庭自动化、智能农业和远程控制等领域，具有广阔的应用前景[7]。此外，本文采用GPRS技术进行远程数据传输。GPRS网络具有网络覆盖率高，永久在线等优势，已经广泛应用于各个行业，而且这必将成为工业控制及远程监控等领域的发展趋势[7]。

1 总体方案设计

重铺机组远程监控系统总体方案设计如图1所示，系统所需的组件如表1所列。施工对象为由五辆重型铺路车组成的机组，分别为1#加热机、2#加热机、3#加热机、铣刨机和复拌机。每辆重型车上都安装有触摸屏。4个CIO100模块分别安装在三台加热器和一台复拌机上，将一个从MAC310模块安装在铣刨机上，通过串口连接分别取读五台机器的数据。同时每台机器上安装一个ZigBee模块，分别与4台CIO110和MAC310的串口相连。由于三台加热机移动特性明显，所以主ZigBee放在位置相对固定的铣刨机上，便于搭建机组近距离局域网。同时铣刨机上还安装GPRS和GPS模块，分别与另一块主MAC310模块的串口相连。因此4台CIO100上的数据通过ZigBee模块发送给从MAC310模块，从MAC310模块通过串口把数据发送给主MAC310模块，主MAC310把五台机器的数据和GPS记录的机组位置信息通过GPRS设备发送至云服务器，最后通过DView界面显示。

2 系统结构

2.1 主控设计

主控由铣刨机、MAC310模块、GPS模块、GPRS模块、ZigBee模块组成，其结构如图2所示。由于系统需要4个串口进行数据传输，而每个MAC310主控器有3个串口，故需要两个MAC310模块。

2.1.1 MAC310主控器

MAC310是大连理工计算机控制工程有限公司自主研发的冗余主控器的一个型号，该型号冗余主控器具备2路以太网、3路RS 485接口、4路DO（晶体管），其中2路高速脉冲最大可达300 kHz，5路IO中断具备以太网、串口、设备等多种冗余架构，内部资源丰富，适用于复杂冗余系统的主控。MAC310控制器获取的终端变量以及存放地址见表2所列。

2.1.2 GPS模块

本系统使用DF-1007GPS模块可以获取当前位置的经纬度坐标，并通过串口实时上报给控制器。该模块配置时DUT工作模式选择“AT模式”，GPS模式选择“串口上报模式”，上报周期为“5秒”。此外，控制器通过串口自由通讯指令（SC_AFC）发送报文给设备后，才能收到相应的响应报文，但由于该GPS模块具有定期串口上报功能，所以不需要组拼发送报文。收到正确的报文信息是“$GPRMC，225530.000，A，3637.26040，N，11700.56340，E，0.000，97.17，220512，，，D*57”。转换公式及示例见表3所列。

2.1.3 GPRS远程数据传输

将GPRS DTU模块通过RS 485串口与电脑串口相连，RS 485串口正极接模块A端子，RS 485串口负极接模块B端子。GPRS的配置界面如图3所示。模块配置的波特率与控制器所连串口一致，服务器端口配置为11000；注册包格式（心跳包格式）为16进制的数据，且应与DViel的“TCP主动连接DTU” 的模块ID保持一致[8]。

2.2 终端设计

终端由铺路车（加热机或复拌机）、ZigBee模块、CIO110模块组成，其结构如图4所示。

2.2.1 CIO110控制器

CIO110控制器是大连理工计算机控制工程有限公司自主研发的一种可编程控制器。CIO110控制器具有4 K的数据存储空间和38 K的程序存储空间及11路普通输入点数和8路普通输出点数。支持IO扩展功能，体积小巧，结构紧凑，安装方便，通过统一编程控制完成各种自动化控制，单独使用时可用于单机及小型自动控制中，满足中等点数、功能简单、成本超低的低端市场需求。CIO110控制器获取的终端变量以及存放地址见表4和表5所列。

2.2.2 ZigBee模块

利用ZigBee无线技术使得信息获取更快捷，同时也避免了布线的困扰[9]。ZigBee模块配置为一主多从，即一个网络只能有一个主节点（Coordinator），多个从节点（Router）。另外要配置唯一的PAN ID（网络ID）和频道。而且配置的波特率要与所连的PLC控制器一致，并选择透明传输方式。经实际测试，本系统使用的ZigBee DTK模块具有最大650 m的可视传输距离，在空旷的室外环境完全满足对距离的要求。

2.3 云端设计

2.3.1 服務器配置

系统使用Windows Server 2008或Windows Server 2012，而后者用户交互较友好。配置I2S服务器，需要进行身份验证并允许32位程序（64位服务器）。

本项目使用腾讯云服务器，配置信息（可升级）为单核、2 G内存、50 G云系统盘、10 G云数据盘与Windows Server 2012。

2.3.2 服务器软件的安装

该系统需要服务器安装的软件有DView和Microsoft SQL Server 2012。

2.3.3 DView HMI界面

该系统使用DView组态软件的DView HMI界面。DView软件由DView（DView编辑器）、DXP（DCCE Exchange Platform，大工计控数据交互平台）、HMI（Human Machine Interface，人机界面组态软件）、DBMonitor（历史数据库服务）、OPC（OPC服务器）、CamServer（视频服务器）等部分组成，是具有设备管理、实时数据管理、视频管理及数据库管理等功能的监控管理系统开发平台。

DView工程的操作过程如下：

（1）设备拓扑图拖拽“TCP主动连接DTU”和“DTU从模块EPA协议”。

（2）设备变量的命名规则要做到统一与直观。

（3）登录操作。不同用户有各自相应的权限。

（4）地图定位信息。DView的地图控件使用国内知名地图软件——百度地图API（JavaScript版）开发制作。由于百度地图将GPS经纬度坐标做了加密处理，故由GPS模块采集的经纬度数据需要经过转化后才能应用到百度地图上，这里采用百度地图公开的GPS转换函数。

（5）数据监视界面。将位变量和字变量分别绑定到开关（或指示灯）和文本标签（或仪表盘等）上。根据技术协议，尽量贴合甲方触摸屏显示效果。

（6）数据库数据的处理。设备的历史数据通过DView的历史数据服务器直接存储到数据库中。但由于网络的不稳定或者干扰，可能会使设备下线。所以数据库中存储的数据于设备下线时是无用的，应当剔除。本项目使用SQL Server数据库的触发器功能，删除无效数据，尽量保持数据的正确性。

3 结果与分析

现场及安装情况和系统的网络监控画面分别如图5和图6所示。经测试，该系统能够对重铺机组的参数进行精确监控，同时能够准确快速的定位重铺机组的位置，且实时性较好。

4 结 语

本文通过对重铺机组远程监控的具体实践，叙述了重铺机组远程监控系统的设计和实现过程。该监控系统自投入以来，运行稳定，检测数据准确，提高了生产效率，对重铺机组的安全高效运行起到了重要的作用。另外，该系统还可应用于工业控制、家庭自动化、智能农业等领域，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]刘瀚隆.沥青路面就地热再生复拌机测控系统设计[D].南京：南京理工大学，2015.

[2]张国栋，祁瑞敏.基于PLC矿井主通风机远程监控系统设计[J].煤矿机械，2016，37（8）：165-166.

[3] S.-Y. Yeong， W. Al-Salihy，T.-C.Wan.Indoor WLAN Monitoring and Planning Using Empirical and TheoreticalPropagation Models[C].in 2010 Second International Conference on Network Applications Protocols and Services （NETAPPS），2010：165-169.

[4] M.Singh ，N.Jain.Performance and Evaluation of Smartphone based Wireless Blood Pressure Monitoring System using Bluetooth[J].IEEE Sensors Journal，2016（99）：1-7.

[5]贾阳静，邹念育，雷冬鸣，等.基于Android和WIFI通信的智能家居系统设计[J].大连工业大学学报，2016，35（1）：67-71.

[6]张猛，房俊龙，韩雨.基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计[J].农业工程学报，2013，29（S1）：171-176.

[7]张亚琳.基于ZigBee中继器矿山井下人员定位算法[J].物联网技术，2016，6（8）：18-19.

[8]向细波.基于嵌入式Linux和GPRS的无线远程监控系统研究与应用[D].上海：同济大学，2007.

[9]邓小蕾，李民赞，武佳，等.集成GPRS、GPS、ZigBee的土壤水分移动监测系统[J].农业工程学报，2012，28（9）：130-135.

[10]张寅.基于GPRS的远程无线监控系统[D].秦皇岛：燕山大学，2006.