基于GPRS网络的PLC实时遥控系统的研究

可编程控制器简称PLC，已越来越广泛用于工业控制的各个领域。同时，近年来，随着网络技术的不断发展GPRS以其永久在线、通信速度快、支持Internet数据分组业务、通信费用低（0.01分/k，也可包月或包年）等特点，被广泛用于各种网络无线遥控系统中。本文充分利用GPRS技术无线通信的优点，并结合PLC在工业控制 上抗干扰性强的优势，给出了一个对海上的灯塔进行实时遥控系统的具体实现方案，并进行了实际系统的设计。

1 系统结构组成

基金项目：交通部伽利略计划专项基金（编号：200436422510）；交通部科技教育司资助

1.1 系统工作原理

PLC远程实时遥控系统在物理分布上由GPRS终端设备和中心服务软件组成，系统通过配置可以对多个设备进行状态和数据监控，也可以通过中心服务软件仅对单个终端设备进行远程调试和通信数据的应答和转发。

GPRS终端设备将采集的各种信息数据按照设定的协议发送到系统中心服务软件或用户监控手机上，系统中心服务软件判断收到的数据是监控数据还是调试转发数据，按照不同的要求将数据进行相应的处理，并根据设定的要求进行接收确认。同时，系统中心服务软件也可以按照操作人员的要求配置参数，有选择的查询必要的终端设备信息。

当系统进行远程调试应用时，系统中心服务软件可以对PLC已知的应答软件进行自动在线保持，仅将关键数据进行远程传输到GPRS终端设备进行数据请求，同时GPRS终端设备对已经请求到的设备指令发送到系统中心服务软件，系统中心服务软件再通过串口转发给系统远程调试软件。其中，关键数据指令的交互周期和等待周期可以由系统软件配置。这既可以有效地节省数据通信的流量，又可以保证调试软件的稳定性。

1.2 系统结构组成

PLC实时遥控系统由系统用户监控中心、通信网络和终端设备组成，其系统结构拓扑图如图1所示。

图1 PLC实时遥控系统结构图

GPRS 终端设备通过通信接口与现场PLC设备连接，它负责采集现场PLC设备的各种信息数据，并通过IP链路方式或GSM短信方式发送至系统监控中心或控制手机。另外，将控制手机或系统中心服务软件发送过来的各种有效的控制指令和PLC远程调试关键数据发送给现场PLC设备。其组成包括GPRS通信模块、MCU处理模块及其他附属部件。

系统中心服务软件是整个系统的核心，其将来自GPRS终端设备的各种指令信息、数据转发给终端状态监控软件，接收来自终端状态软件的查询指令并发送给远程的GPRS终端设备。同时，系统中心服务软件还可以按照预设的指令格式自动应答PLC远程调试软件的指令信息，也可以将PLC远程调试软件的关键请求指令按照预设的格式和频率发送给远程GPRS终端设备并将返回来的指令实时发送给PLC调试软件。

通信网络是GPRS网络和传统IP网络的融合，主要负责监控手机和系统服务中心软件与GPRS终端设备之间的数据交换工作。

2 GPRS终端设备设计

GPRS终端设备是与监控中心服务器进行业务、数据交互的接口，是系统数据采集和指令执行部分，完成将PLC工作状态的实时上传和接收来自监控中心的各种命令的执行工作。

2.1 系统终端硬件设计

GPRS终端硬件模块主要包括电源变换模块、GPRS通信模块、MCU微处理器模块、PLC控制模块和现场显示控制触摸屏。硬件结构图如图2所示。

图2 终端设备硬件结构组成

GPRS数据通信模块将从监控中心接收的数据送给MCU微处理器，MCU微处理器根据数据的类型进行相应的处理，对于需要转发给PLC的数据传输给PLC控制模块。同时，MCU微处理器将从PLC控制模块中得到的数据进行相应的处理并由GPRS模块发送给监控中心。触摸屏实时监视系统和设备的运行状态，并可以进行现场设定设备运行的参数。由于GPRS终端设备不同的模块所需要的电源参数不同，因此，需要利用电源变换模块将输入电源变换为不同的电压输入给相应的处理模块以满足其正常的工作。

2.2系统终端软件设计

在GPRS终端设备的软件设计中，主要是基于MCU微处理器的数据处理部分软件设计。

MCU微处理器主要完成接收来自监控中心的数据，并及时转发给PLC控制模块，同时，将从PLC控制模块中返回的数据通过GPRS通信模块发送给监控中心。由于GPRS模块内部没有TCP/IP协议 和PPP协议，所以，GPRS终端设备在软件设计中嵌入了TCP/IP协议和PPP协议。在MCU处理器与PLC之间进行数据传输时，采用的是HOSTLINK通信协议 ， MCU处理器作为主控制器， PLC作为从控制器。

MCU微处理器的软件结构模块如图3所示。

图3 MCU微处理器软件流程图

3 系统设计特点

3.1 应用配置简单方便

系统中心服务软件可以对每一种需要处理的语句只通过定义相应的参数（包括起始头，结束尾，转发时间）等都可以进行配置。同时对本地发送给该软件的语句也可以通过配置自适应进行应答。在GPRS终端设备上，用户同样可以控制对设备的访问，通信方式的自适应检测、切换和短信号码管理等功能。使用起来方便简单，一套系统完成多种系统的应用工作。

3.2 系统具有良好的扩展性。

基于GPRS网络的PLC实时遥控系统对用户来说具有极强的扩展性，可以仅通过参数的配置就可以实现多种应用系统的开发工作。

同时，本系统在软件设计中还采用了软件设计中三层软件设计模式，其灵活的组件式配置和管理对未来系统业务功能的扩展和升级提供了方便，系统开发人员可以通过更换组件或扩展组件功能的方式得以实现，而对其他部分则没有任何的影响，有利于系统扩展应用。

3.3 系统安全可靠

在中心软件和终端设备上都进行操作权限、身份的鉴权和识别；对短信收发列表也采用了权限设置，同时，对每一个号码都可以设置密码。在系统中心服务软件和GPRS终端设备之间系统封装了认证和通信指令协议，但对于用户来说是透明的链路传输，这可以有效的保障数据传输的可靠性。

3.4 短数据包通信

本系统中设计的数据通信包为500字节，当监控中心远程调试软件与PLC之间数据交换大于500字节时，需要分包发送。这样虽然增加了监控中心与GPRS终端设备之间的信息交换次数，但保证了数据通信的可靠性。使用普通的MCU微处理器就可以运行一个精简的TCP/IP协议栈，节省了大量的系统资源。

3.5 自适应切换GPRS通信和GSM通信方式

GPRS终端设备可以通过短信或电话唤醒转入基于IP连接的工作模式，也可以在设定时间内无法连接到中心服务软件时自动转入短信工作状态。

4 系统运行结果

当GPRS终端设备与监控中心的系统中心服务软件连接后，就可以利用远程调试软件和终端状态监控软件实时查看和调试现场PLC设备的运行状态和结果了，十分方便，简单易行。图4显示了现场PLC设备与远程调试软件之间通过GPRS终端设备和系统中心服务软件之间进行数据交换的数据流。

图4 系统中心服务软件显示的现场PLC设备与远程调试软件之间的交换数据

5结论

本文详细讨论了基于GPRS网络技术的PLC远程调试技术应用于海上灯塔遥控系统硬件和软件的设计方案，并给出了数据传输实时性和可靠性关键问题的解决方法，通过应用GPRS无线通信技术，实现了PLC远程实时监控和调试。给工作人员对观察灯塔设备运行的工作状态带来了极大的方便，也十分有利于对灯塔设备的异地控制和维护。同时，本文对远程数据传输以及其它无人值守的系统均有一定的实用价值和指导意义。

创新观点

（1）本文提出了在监控中心和终端系统之间的数据传输采用一种协议可控的透明传输的思想，提高了系统工作的效率和可靠性。

（2）移动终端中的通信模块内部嵌入了自己开发的TCP/IP网络通信协议，提高了通信可靠性、降低了TCP/IP连接时间。

参考文献:

1 Omron ．CPM2A_2H PLC Programming Manual．2003

2 Maria G. Ioannides．Design and Implementation of PLC-Based Monitoring Control System for Induction Motor．IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL.19, NO.3, 2004

3 王文磊，徐汀荣．PLC和PC基于工业以太网通信研究与实现[J]．微计算机信息，2006，13：43-45。

4 竹下隆史．TCP/IP综合基础篇．北京：科学出版社，2003

5 丁展．Visual c++网络通信编程实用案例精选．北京：人民邮电出版社，2004