席天翔，劉毅敏

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有逐漸向工業(yè)控制領(lǐng)域滲透的趨勢(shì)，這將改善工業(yè)控制系統(tǒng)相對(duì)封閉的缺點(diǎn)?；诔墒斓腡CP/IP的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)逐漸通過工業(yè)以太網(wǎng)與許多自動(dòng)化控制類的軟件及設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)了相互間的通信，使通過移動(dòng)終端設(shè)備來操控PLC并讀取PLC設(shè)備的數(shù)據(jù)成為現(xiàn)實(shí)[1]。根據(jù)該方案設(shè)計(jì)的液位測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)在某廠投入使用，該系統(tǒng)可以更加方便地獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，提高了測(cè)量系統(tǒng)的性能，并大大節(jié)約了人力資源成本。

1 系統(tǒng)工作原理

移動(dòng)終端的客戶端程序，通過公用無線網(wǎng)絡(luò)或者WiFi熱點(diǎn)的方式連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，并通過TCP/IP協(xié)議交互訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器程序，然后數(shù)據(jù)服務(wù)器程序?qū)CP/IP請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為OPC（OLE for process control）請(qǐng)求，通過OPC服務(wù)器訪問并控制掛載在以太網(wǎng)的PLC設(shè)備完成測(cè)量動(dòng)作，PLC設(shè)備再將測(cè)量數(shù)據(jù)逆向回傳給移動(dòng)終端，通過數(shù)據(jù)交互的方式完成測(cè)量任務(wù)。以此實(shí)現(xiàn)通過移動(dòng)終端讀寫PLC進(jìn)行測(cè)量的目的[2]。測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the measurement system

1.1 移動(dòng)終端接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的方式

在公用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)終端可以接入到2G/3G/4G和無線網(wǎng)絡(luò)。在2G網(wǎng)絡(luò)中，利用通用分組無線服務(wù)技術(shù)GPRS（general packet radio service）接入Internet網(wǎng)絡(luò)。在3G網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心 GMSC（gateway mobile switching center）為用戶提供分組路由、隧道和跟蹤移動(dòng)終端的位置等功能。UMTS（universal mobile telecommunications system）提供3G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部與外部網(wǎng)絡(luò)的路由和封裝，分配IP地址，實(shí)現(xiàn)與Internet網(wǎng)絡(luò)的互通。在4G網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備可以通過4G基站，更加快速地與Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。在無線局域網(wǎng)中，嵌入式終端利用WiFi熱點(diǎn)接入Internet，從而訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器[3]。這4種方式均可以通過撰寫套接字客戶機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)。

1.2 Internet與以太網(wǎng)的連接

數(shù)據(jù)服務(wù)器采用雙網(wǎng)卡方式或者采用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換 NAT（network address translation）的方式實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的連接[4]。

雙網(wǎng)卡就是一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器安裝2塊網(wǎng)卡，其中的一個(gè)網(wǎng)卡接入外部Internet網(wǎng)絡(luò)，另一個(gè)網(wǎng)卡接入內(nèi)部以太網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)內(nèi)部的設(shè)備通過此臺(tái)服務(wù)器與外部Internet網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系。雙網(wǎng)卡的方式如圖2所示，需要配置服務(wù)器為雙網(wǎng)卡模式。

圖2 雙網(wǎng)卡模式Fig.2 Dual network card mode

NAT方式需要在專用網(wǎng)連接到因特網(wǎng)的路由器上安裝NAT軟件。裝有NAT軟件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一個(gè)有效的外部全球IP地址。這樣，所有使用本地地址的主機(jī)在和外界通信時(shí)，都要在NAT路由器上將其本地地址轉(zhuǎn)換成全球IP地址，才能和因特網(wǎng)連接。另外，這種通過使用少量的公有IP地址代表較多的私有IP地址的方式，將有助于減緩可用的IP地址空間的枯竭。

NAT方式如圖3所示，需要在企業(yè)網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)連接的路由器或者NAT服務(wù)器上配置NAT信息，使得內(nèi)部的PLC可以與外網(wǎng)服務(wù)器通信。

圖3 NAT方式Fig.3 NAT mode

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)核心是服務(wù)器端的程序開發(fā)，服務(wù)器端的程序?qū)崿F(xiàn)了移動(dòng)終端與PLC之間的橋聯(lián)。它既要實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與移動(dòng)終端通信，又要實(shí)現(xiàn)OPC接口標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的PLC通信。它將移動(dòng)終端發(fā)出的指令轉(zhuǎn)換為PLC指令執(zhí)行測(cè)量任務(wù)，并把測(cè)量結(jié)果回傳到移動(dòng)終端。

2.1 服務(wù)器與PLC的通信

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器通過以太網(wǎng)與各級(jí)PLC的通信采用通過OPC組件的方式來實(shí)現(xiàn)[5]。

測(cè)量液位的傳感器全部掛載在以太網(wǎng)上，與液位測(cè)量相關(guān)的PLC也掛載在以太網(wǎng)上[6]。因此，服務(wù)器端可以通過OPC接口實(shí)現(xiàn)與PLC的通信，并通過操控PLC進(jìn)行液位測(cè)量。OPC，即用于過程控制的OLE標(biāo)準(zhǔn)，它為服務(wù)器端程序和現(xiàn)場(chǎng)過程控制應(yīng)用建立橋梁。本系統(tǒng)采用C#編程語言調(diào)用opcdaauto.dll文件編寫通信程序，實(shí)現(xiàn)基于OPC接口的通信。服務(wù)器通過OPC接口采用異步讀寫的方式（AsyncRead與AsyncWrite方法）與各級(jí)PLC進(jìn)行通信。

2.2 移動(dòng)終端與服務(wù)器通信

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器與移動(dòng)終端間的通信采用基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信方式，移動(dòng)終端設(shè)備通過2G/3G/4G或者無線WiFi網(wǎng)絡(luò)與本服務(wù)器間的通信均可以通過TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。該廠區(qū)85%以上的員工使用安卓系統(tǒng)的移動(dòng)終端，因此，采用開發(fā)安卓App的方式實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的通信。安卓App的界面采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML布局，開發(fā)基于Android 2.3版本，因?yàn)锳ndroid 2.3平臺(tái)比較穩(wěn)定，而且基于安卓舊版本開發(fā)的App可以在新版本系統(tǒng)上穩(wěn)定運(yùn)行，提高App的跨平臺(tái)性。

其中，基于TCP/IP協(xié)議的通信通過撰寫套接字Socket程序來實(shí)現(xiàn)[7]，Socket采用3次握手的方式建立一個(gè)連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。移動(dòng)終端與服務(wù)器間的通信示意圖如圖4所示。

圖4中，服務(wù)器端先開啟端口偵聽有無客戶機(jī)接入，然后客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求，服務(wù)器端收到連接請(qǐng)求后準(zhǔn)許客戶機(jī)接入，客戶機(jī)收到“準(zhǔn)許接入”信息后接入服務(wù)器，隨后雙方開始進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)服務(wù)器采用Windows Server 2008版的操作系統(tǒng)，安裝雙網(wǎng)卡來實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太網(wǎng)之間的切換，安裝配置了與OPC相關(guān)的組件并引用了與OPC相對(duì)應(yīng)的DLL文件，搭建起服務(wù)器與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的PLC設(shè)備的連接。PLC采用西門子的S7-400系列。液位傳感器采用靜壓投入式液位變送器MH1160。移動(dòng)終端采用裝有Android 2.3版本及其以上版本的操作系統(tǒng)的設(shè)備。

圖4 移動(dòng)終端與服務(wù)器間的通信Fig.4 Communication between mobile terminals and server

數(shù)據(jù)服務(wù)器與PLC之間的連接通過OPC異步讀寫的方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)服務(wù)器與PLC的連接示意圖如圖5所示。

圖5 服務(wù)器與PLC之間的連接Fig.5 Connection between the server and the PLC

通過上述方式實(shí)現(xiàn)的服務(wù)器與PLC的數(shù)據(jù)交互穩(wěn)定可靠，響應(yīng)時(shí)延在130 ms以內(nèi)，數(shù)據(jù)誤差在0.1%以內(nèi)，滿足工業(yè)測(cè)量的要求。

移動(dòng)終端設(shè)備可以通過2G/3G/4G或者無線WiFi網(wǎng)絡(luò)接入本服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與本服務(wù)器的連接。移動(dòng)終端與服務(wù)器的連接示意圖如圖6所示。

圖6 移動(dòng)終端與服務(wù)器的連接Fig.6 Connection between mobile terminal and server

實(shí)踐證明，基于上述方式建立的移動(dòng)終端與服務(wù)器間的通信，安全穩(wěn)定，數(shù)據(jù)丟包率在0.03%以下，誤碼率不到0.07%，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到1.1 MB/s，完全滿足測(cè)量系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性的要求。

按照上述方式搭建的系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與以太網(wǎng)內(nèi)部PLC的聯(lián)系，達(dá)到通過手持移動(dòng)終端來操控PLC進(jìn)行液位測(cè)量的目的。全線液壓系統(tǒng)精軋區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7 移動(dòng)終端顯示的測(cè)量結(jié)果Fig.7 Results of the measurement of the mobile terminal

圖7顯示的是“實(shí)時(shí)模式”下對(duì)全線液壓系統(tǒng)精軋區(qū)的1到9號(hào)子液壓系統(tǒng)的液位測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果。其中，列頭“液位1”表示上次液位測(cè)量結(jié)果（一般指上月測(cè)量結(jié)果，由服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫取得），“液位2”表示當(dāng)前液位測(cè)量結(jié)果，“時(shí)間”表示當(dāng)前測(cè)量時(shí)間，“HFI”是油脂消耗速率的主要參數(shù)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)可以快速獲取系統(tǒng)當(dāng)前液位數(shù)據(jù)，客觀反映油量消耗情況。節(jié)約生產(chǎn)單位的人力資源及生產(chǎn)成本。

4 結(jié)語

按照此方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已經(jīng)在某廠上線使用，使用效果良好，與傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)相比，較大地降低了系統(tǒng)測(cè)量的難度，提高了測(cè)量的實(shí)時(shí)性，達(dá)到了通過手持移動(dòng)終端控制PLC并將PLC的測(cè)量數(shù)據(jù)傳回給移動(dòng)終端的目的。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的深入普及，物聯(lián)網(wǎng)與云系統(tǒng)的快速發(fā)展，在不久的將來，該系統(tǒng)可以將測(cè)量取回的數(shù)據(jù)存入“云”，實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，便于系統(tǒng)的深入擴(kuò)展，具有較好的應(yīng)用前景。

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