基于PLC重铺机组远程监控系统的设计和实现

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。

2.1.1 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 服务器配置

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 MicrosoftSQL Server 2012。

2.3.3 DViewHMI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。