遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用2021-03-17f關(guān)鍵字：在線監(jiān)測(cè)上位機(jī)無線效勞環(huán)保數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是環(huán)境保護(hù)中的重要環(huán)節(jié),傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)是人工采集數(shù)據(jù),監(jiān)管效果差.針對(duì)這一問題設(shè)計(jì)了一種無線遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),下位機(jī)采用西門子S7-200PLC可編程限制器采集、存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),通過GPRS通用分組無線效勞DTU數(shù)據(jù)傳本單元主動(dòng)向數(shù)據(jù)中央發(fā)送采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并能夠在指定的時(shí)間段內(nèi)接收上位機(jī)指令,進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢;上位機(jī)利用VB6.0的Winsock控件接收多臺(tái)數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析處理.該系統(tǒng)已經(jīng)在佛山市南海區(qū)運(yùn)行,有效地提升了環(huán)境監(jiān)管的效率.傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè),大多是環(huán)保局工作人員到污

2、染源現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(fèi)了大量的人力和物力也無法完整地采集到污染源的相關(guān)數(shù)據(jù).可見,傳統(tǒng)的人工環(huán)境監(jiān)測(cè)手段已無法滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要,針對(duì)這些問題,設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)要求：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)設(shè)備和治污設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)：能夠存儲(chǔ)一周內(nèi)的數(shù)據(jù),進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢和補(bǔ)足；以動(dòng)畫形式實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài),以曲線形式進(jìn)行比照分析,為污染源監(jiān)管提供客觀科學(xué)依據(jù),提升環(huán)保執(zhí)法現(xiàn)代化水平.現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程傳送、上位機(jī)可靠接收數(shù)據(jù)是一個(gè)成功的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵所在.本系統(tǒng)采用西門子PLCprogrammablel

3、ogiccontrollerr,可編程限制器采集生產(chǎn)設(shè)備和治污設(shè)備的開關(guān)量信息；使用工業(yè)級(jí)GPRSgeneralpacketradioservice,通用分組無線效勞DTUdataterminalunit,數(shù)據(jù)傳本單元傳送數(shù)據(jù)；利用2個(gè)基于TCP/IPtransmissioncontrolprotocol/internetprotocol,傳輸限制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議協(xié)議的應(yīng)用程序之間相互通信的套接字Socket技術(shù)接收數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)中央效勞器將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中,并以動(dòng)畫、曲線等形式顯示.1系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)主要由3局部組成：西門子S7-200CPU224XPCN采集實(shí)時(shí)數(shù)

4、據(jù)局部、GPRSDTU數(shù)據(jù)傳輸局部、環(huán)保局?jǐn)?shù)據(jù)中央局部.DTU§7-200ck器4磯87的cpc整例1cMDTU42IF"I隙1佻pQmHcfe41f.耳$:12Klfe-ArJ上L小四出擠1一-LIT1明也用區(qū)1行*也備2一,常濘紅f&lillr-l產(chǎn)設(shè)法11-J圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)1.1 PLC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集PLC實(shí)時(shí)讀取輸入存放器IW0的值,將時(shí)鐘信息和設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)打包后,通過串行口RS485每隔30S將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRSDTU通信模塊,然后再傳送到中央效勞器,供實(shí)時(shí)的動(dòng)畫和曲線等顯示使用,PLC每隔5min存儲(chǔ)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(shí)間段

5、內(nèi)接受數(shù)據(jù)中央效勞器發(fā)送來的數(shù)據(jù)杏詢/數(shù)據(jù)補(bǔ)足等命令,完成相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)查詢功能和某天的數(shù)據(jù)補(bǔ)足功能.1.2 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸GPRS是在現(xiàn)有GSMglobalsystemformobilecommunication,泛歐式數(shù)位行動(dòng) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的根底上疊加了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)形成的邏輯實(shí)體而開展出來的新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù).GPRS的理論帶寬可達(dá)171.2kbit.S-1,實(shí)際使用帶寬大約在1070kbit.S-1,底層支持TCP/IP協(xié)議,使得GPRS能夠與Internet實(shí)現(xiàn)無縫連接,GPRS無線網(wǎng)絡(luò)具有接入速度快、永遠(yuǎn)在線、覆蓋面廣、運(yùn)營(yíng)本錢低廉、組網(wǎng)靈活、系統(tǒng)擴(kuò)容方便等特點(diǎn).GPRSDTU是

6、GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)終端,GPRSDTU提供了RS232/RS485接口,可以跟PLC等串口設(shè)備連接起來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,在GPRSDTU模塊上配置了串口設(shè)備的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)中央的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(wǎng)絡(luò)傳送到Internet網(wǎng)絡(luò),然后再通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中央效勞器.數(shù)據(jù)中央效勞器接收并保存數(shù)據(jù)到SQLstructuredquerylanguage,結(jié)構(gòu)化查詢語言數(shù)據(jù)庫中,然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作,最終將數(shù)據(jù)以動(dòng)畫、曲線等形式顯示,為科學(xué)執(zhí)法提供數(shù)據(jù)支持,數(shù)據(jù)的接收采用VB6.0的Winsock控件來實(shí)現(xiàn),是本系統(tǒng)的關(guān)鍵之一.在

7、數(shù)據(jù)傳輸過程中,要求數(shù)據(jù)中央效勞器的IP地址與GPRSDTU中的IP地址一致.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),啟動(dòng)Socket監(jiān)聽,與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端建立通信連接之后,就可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)接收.2PLC的程序設(shè)計(jì)2.1 PLC通信方式選擇適宜的通信方式,是實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵.西門子S7200系歹UCPU224XP_CN的通信方式有4種.2.1.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)pointtopointinterface,PPI方式用于和西門子編程軟件或西門子的人機(jī)接口產(chǎn)品通信,是一種主從應(yīng)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(diǎn)接口協(xié)議multipointinterface,MPI方式用于在西門子的產(chǎn)品之間建

8、立小型的通信網(wǎng)絡(luò),允許多主通信和主從式通信.2.1.3 DPdecentralizedperiphery,分散外設(shè)方式用于實(shí)現(xiàn)與分布式I/O遠(yuǎn)程I/O的高速通訊.可以使用不同廠家的PROFIBUSprocessfieldbus,過程現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)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(shí)際情況定義通信協(xié)議,在多種智能設(shè)備之間進(jìn)行通信.PLC通過串口將數(shù)據(jù)上傳至GPRSDTU,再由GPRSDTU通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中央效勞器.自由端口通信協(xié)議可以通過程序靈活限制PLC串口的通信方式,通過程序控制,在大局部時(shí)間內(nèi)使PLC作為主機(jī),主動(dòng)上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),在

9、指定的時(shí)間段內(nèi)又可使PLC為從機(jī),接受上位機(jī)的查詢命令,進(jìn)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(yùn)營(yíng)本錢.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?yàn)榇诔跏蓟映绦?實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送子程序,歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序,歷史數(shù)據(jù)查詢中斷程序.S7-200系列CPU224XP_CN提供了2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS485端口Port0和Portl,選用Port0進(jìn)行自由端口通信.串口初始化主要是設(shè)置一些標(biāo)志存放器的值,讓其根據(jù)指定的方式通信,比如,通過改變特殊標(biāo)志位存放器SMB30的值,就可以改變通信的波特率、奇偶校驗(yàn)位、停止位等信息.這些設(shè)定必須與GPRSDTU的相關(guān)參數(shù)

10、值相一致.串口初始化子程序只在每次PLC重啟時(shí)運(yùn)行一次.圖2PLC程序流程圖2.2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送子程序S7-200系歹UPLC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(shè)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(gè)字節(jié)為發(fā)送字符的個(gè)數(shù),最大為255字節(jié).在本系統(tǒng)中,監(jiān)測(cè)的設(shè)備都是比擬大型的設(shè)備,不會(huì)頻繁啟停,也就是說監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)不會(huì)頻繁地發(fā)生變化,每隔30s發(fā)送一次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中央,已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求.2.2.2 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序系統(tǒng)將采集到的生產(chǎn)設(shè)備和治污

11、設(shè)備的開關(guān)量信息2字節(jié),隔5min存儲(chǔ)一次到歷史數(shù)據(jù)表中.考慮到要進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)補(bǔ)足查詢,每8h192字節(jié)數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元,再加上數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾等信息,一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)200個(gè)字節(jié).歷史數(shù)據(jù)保存7d需要4200字節(jié),在PLC內(nèi)存中就可以存儲(chǔ)最近7d內(nèi)的歷史數(shù)據(jù).PLC程序使用時(shí)鐘信息確定每個(gè)數(shù)據(jù)具體的存儲(chǔ)位置.2.2.3 歷史數(shù)據(jù)查詢子程序PLC利用時(shí)鐘信號(hào)限制自由端口通信,讓PLC在每天指定的時(shí)間段內(nèi),允許數(shù)據(jù)中央效勞器對(duì)下位機(jī)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢.當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)足時(shí),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)中央效勞器,保證數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)的完整.查詢結(jié)束后,自動(dòng)返回到PLC主動(dòng)發(fā)送實(shí)

12、時(shí)數(shù)據(jù)模式.3上位機(jī)程序設(shè)計(jì)3.1 Winsock控件原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的接收是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵.Socket流式套接字是一種針對(duì)TCP的面向連接的套接字.直接采用Socket技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中央效勞器和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端通信比擬復(fù)雜.因此,采用集成了Socket技術(shù)的Winsock控件.Winsock控件是微軟Windows提供的網(wǎng)絡(luò)編程接口,提供了基于TCP/IP協(xié)議的接口實(shí)現(xiàn)方法.它把與網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)的WindowsSocketsAPIapplicationprogramminginterface,應(yīng)用程序接口函數(shù)封裝成為一個(gè)整體.將網(wǎng)絡(luò)編程要用的函數(shù)作為控件的屬性和方法.通過對(duì)控件相關(guān)屬性的設(shè)置和

13、方法的調(diào)用就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信功能.該控件為用戶提供了訪問TCP和UDPuserdatagramprotocol,用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的極其方便的途徑,并且適用于MicrosoftAccess,VisualBasic,VisualC+和VisualFoxPro等多種可視化編程環(huán)境.本系統(tǒng)有多臺(tái)數(shù)據(jù)終端,要為每臺(tái)數(shù)據(jù)終端建立一個(gè)線程,負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)高效的接收和發(fā)送數(shù)據(jù).VisualBasic6.0的Winsock控件數(shù)組可以很方便地實(shí)現(xiàn)這一功能,因此采用VisualBasic6.0開發(fā)上位機(jī)程序.圖3表示單臺(tái)數(shù)據(jù)終端與效勞器數(shù)據(jù)中央進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的過程.當(dāng)有多臺(tái)數(shù)據(jù)終端時(shí),數(shù)據(jù)終端與效勞器建立連接進(jìn)行

14、數(shù)據(jù)交互的過程相同,只需要增加新的Winsock控件實(shí)例,這里使用控件數(shù)組.具體方法是：在窗體中參加Winsock控件,命名為L(zhǎng)istener,將它的Index屬性設(shè)置為0.作為Winsock控件數(shù)組的第一個(gè)元素.然后在窗體的Load事件中聲明一個(gè)模塊級(jí)白變量Count,把Count設(shè)置為0,數(shù)組中的第一個(gè)控件的Localport屬性設(shè)置為1011與GPRSDTU一致,接著調(diào)用控件的Listen方法.然后在連接請(qǐng)求時(shí),代碼將檢測(cè)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(hào)來創(chuàng)立新的控件實(shí)例,然后使用新的控件實(shí)例接受新的連接請(qǐng)求.這樣就可以完成多臺(tái)終端與效勞器數(shù)據(jù)中央通

15、信程序的設(shè)計(jì).騫戶均福也I.苞隹匕第口2三>Scjid.：曲1春格揍HScckert)小聽你諦的再磋圖3單臺(tái)數(shù)據(jù)終端與效勞器通信工作流程3.2 數(shù)據(jù)中央效勞器接收數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中央效勞器接收PLC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的界面如圖4所示.可以看出,接收的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有12個(gè)字節(jié),以16進(jìn)制顯示.在實(shí)日數(shù)據(jù)框中,0004表示機(jī)器碼,0912021933020004,表示09年12月02日09點(diǎn)33分02秒,00系統(tǒng)保存位,04表示星期三,8DCF表示設(shè)備的開關(guān)信息.在歷史數(shù)據(jù)框中,可以看到每隔30s接收到的PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),1表示設(shè)備開,0表示設(shè)備關(guān).在下位機(jī)補(bǔ)足數(shù)據(jù)框中,是數(shù)據(jù)中央效勞器檢測(cè)到數(shù)據(jù)庫中某個(gè)時(shí)間段的

16、數(shù)據(jù)有缺失時(shí),進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)足查詢,得到的一段歷史數(shù)據(jù).實(shí)時(shí)曾送：paoTOei£D£OV3302a>CMflDCF:1ir-a?tnooa?/1/c/n/o/1/1Wi71/1/o/o/l/i/*/m000012*02070102/1/C/0/0/1/1/O/1H/1/0/0H/I/1/19MXM/2021HrOZ801*/1/lXWI/"l/lJ0tj(J4/5DD9*L3-Q2070202/1/0/0W1/I;0/1/1/3/Q/0/1H/l/li看-qecrociz/1/o/o/o/1/i/o/J/1zi/0/0/1/Mi/tW04/2CMW-12-02or0302/1/O/O/O/1/I/OZ1/1/1/Wt/I/I/tKOM/eoot-u-ozorw：w/i/o/o/o/i/iwi/i/i/owi/i/i/i理JH*|一圖4上位機(jī)接收的數(shù)據(jù)畫面圖5實(shí)時(shí)狀態(tài)圖效勞器將收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SQL數(shù)據(jù)庫中,然后在效勞器的人機(jī)界面中,將數(shù)據(jù)以動(dòng)畫、曲線等形式顯示出來,生動(dòng)地展示污染源生產(chǎn)設(shè)備和治污設(shè)施的開關(guān)情況,為