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遠程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用

  環(huán)保數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)是環(huán)境保護中的重要環(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。針對這一問題設計了一種無線遠程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng),下位機采用西門子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)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接收上位機指令,進行歷史數(shù)據(jù)查詢;上位機利用VB 6.0的Winsock控件接收多臺數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù),并進行分析處理。該系統(tǒng)已經在佛山市南海區(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數(shù)據(jù)。可見,傳統(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,設計一個遠程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)要求:①實時監(jiān)測生產設備和治污設備的運行狀態(tài);②能夠存儲一周內的數(shù)據(jù),進行歷史數(shù)據(jù)的查詢和補足;③以動畫形式實時顯示設備狀態(tài),以曲線形式進行對比分析,為污染源監(jiān)管提供客觀科學依據(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、遠程傳送、上位機可靠接收數(shù)據(jù)是一個成功的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵所在。本系統(tǒng)采用西門子PLC(programmable logic controllerr,可編程控制器)采集生產設備和治污設備的開關量信息;使用工業(yè)級GPRS(general packet radio service,通用分組無線服務)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/網際協(xié)議)協(xié)議的應用程序之間相互通信的套接字(Socket)技術接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心服務器將接收到的數(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

  系統(tǒng)的總體結構如圖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)保局數(shù)據(jù)中心部分。

  圖1系統(tǒng)總體結構

  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接受數(shù)據(jù)中心服務器發(fā)送來的數(shù)據(jù)杏詢/數(shù)據(jù)補足等命令,完成相應的歷史數(shù)據(jù)查詢功能和某天的數(shù)據(jù)補足功能。

  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))網絡的基礎上疊加了一個新的網絡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。GPRS的理論帶寬可達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無線網絡具有接入速度快、永遠在線、覆蓋面廣、運營成本低廉、組網靈活、系統(tǒng)擴容方便等特點。

  GPRS DTU是GPRS網絡的數(shù)據(jù)終端,GPRSDTU提供了RS232/RS485接口,可以跟PLC等串口設備連接起來進行數(shù)據(jù)交互,在GPRS DTU模塊上配置了串口設備的波特率、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網絡傳送到Internet網絡,然后再通過局域網將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心服務器。

  1.3數(shù)據(jù)中心服務器

  數(shù)據(jù)中心服務器接收并保存數(shù)據(jù)到SQL(structured query language,結構化查詢語言)數(shù)據(jù)庫中,然后對數(shù)據(jù)進行相應的操作,最終將數(shù)據(jù)以動畫、曲線等形式顯示,為科學執(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)的關鍵之一。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,要求數(shù)據(jù)中心服務器的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,與遠程數(shù)據(jù)采集終端建立通信連接之后,就可以進行正常的數(shù)據(jù)接收。

  2 PLC的程序設計

  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接口產品通信,是一種主從應答式通信模式。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

  用于在西門子的產品之間建立小型的通信網絡,允許多主通信和主從式通信。

  2.1.3 DP(decentralized periphery,分散外設)方式

  用于實現(xiàn)與分布式I/O(遠程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,在多種智能設備之間進行通信。

  PLC通過串口將數(shù)據(jù)上傳至GPRS DTU,再由GPRS DTU通過無線網絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務器。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,在大部分時間內使PLC作為主機,主動上傳實時數(shù)據(jù),在指定的時間段內又可使PLC為從機,接受上位機的查詢命令,進行歷史數(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個標準的RS485端口Port0和Port1,選用Port0進行自由端口通信。串口初始化主要是設置一些標志寄存器的值,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。這些設定必須與GPRS DTU的相關參數(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)測的設備都是比較大型的設備,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,已經可以滿足系統(tǒng)的實時性要求。

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  2.2.3歷史數(shù)據(jù)存儲子程序

  系統(tǒng)將采集到的生產設備和治污設備的開關量信息(2字節(jié)),隔5 min存儲一次到歷史數(shù)據(jù)表中??紤]到要進行歷史數(shù)據(jù)補足查詢,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內存中就可以存儲最近7 d內的歷史數(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,允許數(shù)據(jù)中心服務器對下位機進行歷史數(shù)據(jù)查詢。當進行數(shù)據(jù)補足時,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)中心服務器,確保數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)的完整。

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

  3上位機程序設計

  3.1 Winsock控件原理

  對數(shù)據(jù)進行可靠的接收是整個系統(tǒng)的關鍵。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技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心服務器和遠程數(shù)據(jù)終端通信比較復雜。因此,采用集成了Socket技術的Winsock控件。

  Winsock控件是微軟Windows提供的網絡編程接口,提供了基于TCP/IP協(xié)議的接口實現(xiàn)方法。它把與網絡通信相關的Windows Sockets API(application programming interface,應用程序接口)函數(shù)封裝成為一個整體。將網絡編程要用的函數(shù)作為控件的屬性和方法。通過對控件相關屬性的設置和方法的調用就可以實現(xiàn)穩(wěn)定的網絡通信功能。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)網絡的極其方便的途徑,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,負責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)上位機程序。

  圖3表示單臺數(shù)據(jù)終端與服務器數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)交互的過程。當有多臺數(shù)據(jù)終端時,數(shù)據(jù)終端與服務器建立連接進行數(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設置為0,數(shù)組中的第一個控件的Local port屬性設置為1011 (與GPRS DTU一致),接著調用控件的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器數(shù)據(jù)中心通信程序的設計。

  圖3單臺數(shù)據(jù)終端與服務器通信工作流程

  3.2數(shù)據(jù)中心服務器接收數(shù)據(jù)

  數(shù)據(jù)中心服務器接收PLC實時數(shù)據(jù)的界面如圖4所示??梢钥闯觯邮盏膶崟r數(shù)據(jù)有12個字節(jié),以16進制顯示。在實時數(shù)據(jù)框中,00 04表示機器碼,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表示設備的開關信息。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表示設備開,0表示設備關。在下位機補足數(shù)據(jù)框中,是數(shù)據(jù)中心服務器檢測到數(shù)據(jù)庫中某個時間段的數(shù)據(jù)有缺失時,進行數(shù)據(jù)補足查詢,得到的一段歷史數(shù)據(jù)。

  圖4上位機接收的數(shù)據(jù)畫面

  圖5實時狀態(tài)圖

  服務器將收到的數(shù)據(jù)存儲到SQL數(shù)據(jù)庫中,然后在服務器的人機界面中,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設備和治污設施的開關情況,為科學監(jiān)管廠家的治污情況提供了數(shù)據(jù)支持。

  4結語

  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)了遠程環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計。

  本系統(tǒng)已經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)生產設備和治理設備的運行狀態(tài)。圖5顯示了某家工廠的設備運行情況,指示燈為綠色表示設備在運行狀態(tài),否則為紅色。此外,還能將生產設備和治理設備的歷史運行情況以曲線形式進行對比,分析治理設備是否和生產設備同步運行。

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