姜玉葉,丁保華,趙志科,張曉光

(中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇徐州 221116)

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基于OPC和GPRS的空壓機遠程通信狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計

姜玉葉,丁保華,趙志科,張曉光

(中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇徐州 221116)

為實現(xiàn)煤礦空壓機遠程監(jiān)測和集中控制，基于LabVIEW開發(fā)平臺，通過OPC技術使下位機PLC S7-300與實時工作站建立聯(lián)系，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和設備監(jiān)控，再通過GPRS DTU無線通信模塊將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)娇傉痉掌鬟M行監(jiān)測界面還原，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)控和故障診斷。結果表明：該系統(tǒng)實現(xiàn)了以數(shù)據(jù)傳輸代替人員移動，改變了技術人員現(xiàn)場服務的工作形態(tài)，程序界面直觀地顯示了空壓機系統(tǒng)運行狀態(tài)，對于提升企業(yè)的設備管理及監(jiān)控取得了較好的效果。

OPC；GPRS；空壓機；遠程通信；狀態(tài)監(jiān)控；LabVIEW；PLC

0 引言

空壓機是煤礦重要設備之一，主要作為風鉆、噴漿機、井下操作設備等風動設備的動力源，一旦發(fā)生故障，將嚴重影響煤礦安全生產(chǎn)[1]，有必要對空壓機進行在線監(jiān)測和集中控制。目前，煤礦應用的空壓機監(jiān)控系統(tǒng)大部分仍停留在集控室監(jiān)測和簡單的故障報警階段，導致高層管理人員和設備供應商不能實時了解空壓機現(xiàn)場運行情況及故障趨勢分析判斷，且現(xiàn)場維護費用高。因此，本文以某煤礦企業(yè)實際空壓機組集控系統(tǒng)為例，上位機基于LabVIEW平臺，下位機基于PLC控制器，采用OPC技術和GPRS通信技術，實現(xiàn)具有遠程監(jiān)測和集中控制，集監(jiān)控和管理一體化的空壓機監(jiān)控系統(tǒng)，使高層管理人員和設備供應商可以隨時登錄總站服務器檢查各現(xiàn)場情況，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時得到通知。

1 OPC和GPRS技術

1.1 OPC技術

OPC(Object Linking and Embedding(OLE)for Process Control)基于微軟的 OLE2(現(xiàn)在的 Active X)、COM (部件對象模型)和 DCOM (分布式部件對象模型)技術[2]，是一種連接硬件裝置與過程控制客戶應用程序之間的標準化的接口協(xié)議。本文采用TCP/IP Ethernet OPC Server 驅(qū)動的NI OPC Sever，為用戶提供一個OPC Server接口，將TCP/IP 以太網(wǎng)設備連接到OPC Client應用程序中，OPC連接示意圖如圖1所示。

圖1 用于LabVIEW和PLC通信的OPC連接示意圖

在OPC的系統(tǒng)中，服務器(Server)和客戶(Client)之間通過DCOM接口進行通信，NI OPC服務器中單獨且一致的界面，能夠與各種設備進行通信，并與LabVIEW組合而成的單一平臺，可對新型和現(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)進行高性能測量和控制，通過LabVIEW DSC模塊(數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊)中的OPC客戶端進行連接以確保與PLC通訊，且DSC模塊與OPC Server 的通訊編程簡單，其編程和讀寫速度不受OPC標簽點數(shù)限制[3]。在實際應用中，作為下位機數(shù)據(jù)采集控制主站的PLC可以發(fā)揮硬件的全部效能，作為上位機的LabVIEW可通過OPC與NI OPC服務器的相應驅(qū)動程序無縫連接，從根本上解決了采用專用格式驅(qū)動程序總是滯后于硬件更新的問題。

1.2 GPRS技術

GPRS 是通用無線分組業(yè)務的簡稱，是在 GSM 協(xié)議構架的基礎上，增加支持分組交換的協(xié)議而實現(xiàn)的基于分組的無線通信服務，借用了移動的接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)，提供端到端的、廣域的無線 IP 連接[4]。只要 GSM 網(wǎng)絡覆蓋的地方都可以使用這種網(wǎng)絡，給用戶提供了功能強大、方便靈活的數(shù)據(jù)透傳解決方案。

在GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，GPRS DTU模塊采用了先進的GPRS無線通信技術、嵌入式ARM單片機技術和TCP/IP網(wǎng)絡通信技術，內(nèi)置工業(yè)級GPRS無線模塊，提供標準的RS232/RS485數(shù)據(jù)接口，可方便連接串口儀表、工控機等設備，只需要一張SIM 卡，即可將工控機通過串口發(fā)送的數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)焦W(wǎng)固定IP 或者域名的服務器數(shù)據(jù)中心上，并可以接受服務器的反饋命令。具有網(wǎng)絡覆蓋率高、傳輸特性好、實時性好等優(yōu)點，特別適合中心對多點、點多分散、不方便布線等場合，為現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)提供一種便捷的無線遠程數(shù)據(jù)傳輸方式。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構

以某煤礦企業(yè)實際空壓機組集控系統(tǒng)為例，現(xiàn)場有空氣壓縮機6臺，其3臺為螺桿式空壓機，單臺已內(nèi)置PLC，其中PLC型號為MAM-KY02S，支持MODBUS RTU協(xié)議；3臺為噴油螺桿式壓縮機，單臺已內(nèi)置PLC，其PLC型號是CPU226。現(xiàn)場存在空壓機只能實現(xiàn)單體運行功能，循環(huán)水泵系統(tǒng)都是人工手動操作，三者間的配合程度不高，空壓機系統(tǒng)無法聯(lián)合運行，操作效率得不到提高等問題。

為了實現(xiàn)空壓機的集中近遠程監(jiān)控，對該系統(tǒng)優(yōu)化改造，實現(xiàn)系統(tǒng)總體的融合，使系統(tǒng)具有遠程監(jiān)測、集中控制及遠程服務器數(shù)據(jù)故障報警、監(jiān)控和管理一體化功能。鑒于煤礦工作環(huán)境惡劣和系統(tǒng)功能的升級擴展及綜合自動化的需要，采用抗干擾能力強、穩(wěn)定性好的模塊化通用S7-300作為下位機PLC主站，通過485方式通訊來控制循環(huán)水系統(tǒng)，并連接所有的空壓機單體控制器，實時監(jiān)測所有的運行工況參數(shù)，包括設備狀態(tài)、排氣溫度、進氣溫度、排氣壓力、軸承溫度、冷卻水溫、進水壓力、排水壓力、進水溫度、排水溫度、補水壓力、水泵狀態(tài)、水泵電流、水池溫度、水池水位、風扇狀態(tài)、風包溫度、風包壓力等?？諌簷C遠程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖2所示。

系統(tǒng)上位機采用信息處理能力強的LabVIEW開發(fā)平臺，輔以Access數(shù)據(jù)庫作為信息管理工具，采用OPC技術，連接PLC主站，實現(xiàn)螺桿式空壓機、噴油螺桿空壓機、循環(huán)水泵系統(tǒng)的聯(lián)合運行和狀態(tài)監(jiān)測，進行數(shù)據(jù)采集、設備控制、設備運行狀況以動畫模擬方式顯示，實時參數(shù)以數(shù)值和實時曲線方式顯示，歷史數(shù)據(jù)和報警信息以報表形式記錄等功能，通過GPRS DTU模塊將實時數(shù)據(jù)透明傳輸GPRS服務器數(shù)據(jù)中心，這樣系統(tǒng)不僅可以在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控室對整個空壓機系統(tǒng)實時監(jiān)控[5]，而且可以遠程通過一臺可以上網(wǎng)的電腦或者一部可以上網(wǎng)的手機與GPRS服務器數(shù)據(jù)中心通訊，獲取現(xiàn)場空壓機系統(tǒng)的運行情況，在故障發(fā)生時可以短信通知，使管理員或者設備供應商可以管理一個總局或者是整個出廠產(chǎn)品的運行狀況，大大提高了空壓機系統(tǒng)的工作效率和安全系數(shù)。

圖2 基于OPC和GPRS的空壓機遠程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

3 通信配置及軟件設計

3.1 通信配置

為了保證煤礦企業(yè)遠近程正常的實時數(shù)據(jù)通信，該系統(tǒng)需要對以下4方面進行配置。其中，包括DCOM配置、OPC配置、PLC設置、GPRS配置。

3.1.1 DCOM配置

在LabVIEW的基礎上安裝LabVIEW DSC模塊并注冊成功，使用之前需在OPC服務器和客戶端上進行DCOM配置。以現(xiàn)場使用的WINDOWS XP系統(tǒng)重建OPC通信為例，配置包括WINDOWS防火墻配置和DCOM配置，主要包括在WINDOWS防火墻管理界面上配置允許客戶端程序訪問權限和添加OPC通訊TCP 135端口。DCOM配置中注意以下2個方面的問題：用戶通過“訪問權限”對話框?qū)κ褂肈COM的應用程序(比如OPC Server程序)的“訪問權限”進行配置；對在“啟動和激活權限”中定義的每個用戶，其本地和遠程訪問權限可以進行分別配置，默認情況下，WINDOWS XP SP2不允許經(jīng)由網(wǎng)絡的OPC通信。為了使基于DCOM的OPC應用程序可以通過網(wǎng)絡工作，用戶應該被給予OPC Server和OPC Client的遠程激活和訪問權限。

3.1.2 OPC配置

為了實現(xiàn)基于OPC的PLC主站與上位機LabVIEW程序的無縫數(shù)據(jù)通信，采用基于TCP/IP Ethernet OPC Server 驅(qū)動的OPC Sever，配置方便，與LabVIEW組合而成的單一平臺可對工業(yè)系統(tǒng)進行高性能的測量和控制。它能夠為用戶提供一個OPC Server接口，將TCP/IP 以太網(wǎng)設備連接到OPC Client應用程序中，在主站PLC S7-300添加以太網(wǎng)通訊模塊CP343-1，通過Industrial Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通信，但之前需要對PLC和上位機進行配置。

在上位機安裝NI_OPC_Servers和LabVIEW DSC之后，打開“NI_OPC_Servers”軟件，新建一個.opf文件，設置Channel的名稱，選擇設備驅(qū)動“Siemens TCP/IP Ethernet”，并設置相應通訊參數(shù)，然后新建設備，選擇設備ID“Device ID”(所要連接的PLC設備的IP地址)，并設置與S7-300相應的一些通信參數(shù)，包括Link Type(連接類型)、Rack(實際機架的位置)、CPU Slot(連接PLC的CPU所在槽位)等，創(chuàng)建Tag標簽來設置需要讀取的PLC寄存器，即將PLC上真正的寄存器與一個變量聯(lián)系在了一起。

3.1.3 PLC設置

若要建立S7-300 PLC和TCP/IP以太網(wǎng)驅(qū)動的連接，用戶需要對PLC的CPU和以太網(wǎng)模塊進行設置，使用STEP7編程軟件對S7-300系統(tǒng)進行軟件組態(tài)，在打開的Hardware硬件組態(tài)界面中進行相應組態(tài)，在機架“Rack”中插入需要的模塊，為確保TCP/IP以太網(wǎng)驅(qū)動和PLC的正常通信，至少需要插入一個以太網(wǎng)通信模塊(CP343-1)，配置以太網(wǎng)通信模塊時，在“IP address”以及“Subnet mask”中分別設置通信模塊的IP地址和子網(wǎng)掩碼，并新建一個工業(yè)以太網(wǎng)絡，這里設置的通信模塊的IP地址等參數(shù)應該和在“NI_OPC_Servers”中新建設備的ID等參數(shù)一致；配置CPU的期望的PG/OP以及PC(S7 Communication)連接，配置完成之后，將組態(tài)編譯之后將程序下載到CPU，則PLC方面設置完成。

3.1.4 GPRS配置

首先需要通過配置軟件對GPRS DTU模塊配置軟件進行配置，把DTU的通訊參數(shù)配置為服務器IP地址或者域名和端口，并進行COM串口設置，使用TCM編碼數(shù)據(jù)，選擇傳輸方式為TCP/UDP協(xié)議傳輸?shù)?。在搭建服務器時，如果服務器直接連接在公網(wǎng)上，可以獲得公網(wǎng)IP；如果是通過路由器上網(wǎng)，而路由器上的地址是沒有通過NAT轉(zhuǎn)換的公網(wǎng)IP，那么需要進行路由器的端口映射。

配置完成后，GPRS DTU可以和服務器數(shù)據(jù)中心建立鏈接，發(fā)送的第一個數(shù)據(jù)包即為登陸包，登陸包中含有終端編號，服務器軟件可以依據(jù)中斷編號來判斷是哪個DTU登陸。DTU登陸后，在正常的連接發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，每隔一段時間會發(fā)送一個心跳包，心跳包中含有終端編號，服務器軟件可以依據(jù)中斷編號來判斷DTU是否在線。登陸幀、心跳幀和數(shù)據(jù)幀的前10個字節(jié)的含義見表1所示。

表1 幀格式及其含義

3.2 LabVIEW軟件系統(tǒng)設計

空壓機遠程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)同時監(jiān)測螺桿式空壓機、噴油螺桿式空壓機、循環(huán)水系統(tǒng)、高壓柜等系統(tǒng)多種參數(shù)工況信息，采用模塊化編程思想，整個監(jiān)控軟件可分為數(shù)據(jù)采集預處理模塊、設備運行狀態(tài)及參數(shù)可視化監(jiān)測模塊、故障診斷模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、GPRS網(wǎng)絡通信模塊等5部分組成。軟件程序模塊圖如圖3所示。

圖3 LabVIEW軟件程序模塊圖

3.2.1 數(shù)據(jù)采集預處理模塊

數(shù)據(jù)采集預處理模塊主要完成對被控設備現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)預處理功能，即軟件主要完成對溫度信號、壓力信號等變量的采集，以及變量的轉(zhuǎn)換、標定，報警值的設定，數(shù)據(jù)濾波，編程中間量和簡單的計算等功能。數(shù)據(jù)的采集基于OPC數(shù)據(jù)共享技術，需要在LabVIEW中創(chuàng)建程序控制PLC寄存器。創(chuàng)建流程如圖4所示。

圖4 LabVIEW中創(chuàng)建程序控制PLC寄存器流程圖

3.2.2 設備運行狀態(tài)及參數(shù)可視化監(jiān)測模塊

設備運行狀態(tài)及參數(shù)可視化監(jiān)測模塊以模擬動畫的形式顯示空壓機系統(tǒng)中各個設備的運行參數(shù)和運行狀態(tài)。動畫方式顯示的主要信息有：空壓機的溫度、壓力、電流信息，空壓機的動畫運行狀態(tài)、開關的狀態(tài)、運行時間和運行過程出現(xiàn)的異常報警等。

3.2.3 故障診斷模塊

故障診斷模塊把空氣壓縮機在工業(yè)運行過程中的實時數(shù)據(jù)儲存于數(shù)據(jù)庫，結合采用合理的專家系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)挖掘完成對往復式空氣壓縮機運行設備的故障診斷，保障系統(tǒng)設備的安全使用。

3.2.4 數(shù)據(jù)庫管理模塊

鑒于使用方便、易于獲取以及存取速度快等原因，本系統(tǒng)選擇LabSQL作為Access數(shù)據(jù)庫連接工具，實時保存所有重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)和故障信息及進行事件記錄，為事故追憶、優(yōu)化分析以及報表的處理提供依據(jù)。

3.2.5 GPRS網(wǎng)絡通信模塊

GPRS網(wǎng)絡通信模塊將監(jiān)測系統(tǒng)實時的各種數(shù)據(jù)、參數(shù)、運行信息以及故障狀態(tài)等通過LabVIEW函數(shù)選板中儀器I/O的串口子模板中的VISA功能模塊串口發(fā)送數(shù)據(jù)到GPRS模塊。VISA是虛擬儀器軟件結構體系的簡稱，VISA駐留于計算機系統(tǒng)中，是計算機與儀器之間的軟件連接層，用以實現(xiàn)對儀器的控制，其內(nèi)部結構是一個先進的、面向?qū)ο蟮慕Y構，這一結構使得VISA和在它之前的I/O控制軟件相比，在接口無關性、可擴展性和功能上都有很大提高[6]，LabVIEW部分通信設計程序如圖5所示。

3.2.6 軟件系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)界面采用多屏幕切換，清晰直觀，包括壓風機系統(tǒng)監(jiān)測、低壓柜系統(tǒng)、高壓柜系統(tǒng)、設備管理與維護、參數(shù)設置、實時曲線、事件記錄、報警記錄、退出系統(tǒng)等，實現(xiàn)了對壓風機集控系統(tǒng)的運行控制和參數(shù)監(jiān)測。其中設備運行狀況以動畫模擬和指示燈方式顯示，實時參數(shù)以數(shù)值和實時曲線方式顯示，歷史數(shù)據(jù)和報警信息以報表形式記錄，并可通過打印機進行打印。主界面如圖6所示。

圖5 LabVIEW部分通信設計程序

圖6 基于LabVIEW的空壓機遠程狀態(tài)監(jiān)測與集控系統(tǒng)主界面

4 結束語

該系統(tǒng)在LabVIEW平臺下，基于OPC技術和GPRS技術，利用廣泛的GPRS網(wǎng)絡資源，連接現(xiàn)場空壓機PLC和各類傳感器，并采用VISA功能模塊進行遠程通信，實現(xiàn)了的空壓機狀態(tài)監(jiān)測，程序界面友好直觀，保障了遠近程實時獲取現(xiàn)場空壓機工況，同時能夠充分發(fā)揮領域?qū)＜业膶I(yè)優(yōu)勢，通過遠程數(shù)據(jù)分析及時預測和判斷空壓機故障，節(jié)省了大量人力物力，對于提高煤礦空壓機安全性和管理的高效性有一定的意義。

[1] 劉小麗，張曉光.基于LabVIEW的壓風機組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)設計.煤礦機械，2011，32(5):248-250.

[2] 趙濤.基于OPC和PLC的煤礦主扇風機在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究和設計:[學位論文].太原：太原理工大學，2010.

[3] 畢見衛(wèi).基于OPC和LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工業(yè)測控中的應用研究:[學位論文].成都：西華大學，2008.

[4] 成春旺.監(jiān)控系統(tǒng)中基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究與實現(xiàn):[學位論文].北京：北京郵電大學，2006.

[5] 熊偉麗，湯斌斌，陳敏芳，等.基于LabVIEW和WEB技術的水處理遠程在線監(jiān)控系統(tǒng).自動化儀表，2012，33(8):41-44.

[6] 劉小麗，張曉光.基于LabVIEW的S7-300PLC與PC機的串口通訊.儀表技術與傳感器，2011(5):100-102.

Design of Remote Communication Condition Monitoring System for Air Compressors Based on OPC and GPRS

JIANG Yu-ye,DING Bao-hua,ZHAO Zhi-ke,ZHANG Xiao-guang

(College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221116,China)

To achieve remote monitoring and centralized control of air compressor in coal mine,based on the LabVIEW development platform,this paper established the real-time connection between PLC S7-300 and through monitor workstation OPC technology,and achieved field data acquisition,processing,displaying and equipment monitoring;Through GPRS DTU wireless communication module,it transmitted real-time data to terminal server;Terminal server restored the monitoring interface and realized the remote on-line monitoring and fault diagnosis. The results show that the system realizes the data transmission in instead of technicians moving,and changes the work patterns of service;the monitoring interface shows the working condition of the air compressors system intuitively. This system has a good effect on improving enterprise equipment management and monitoring.

OPC;GPRS;air compressors;remote communication;condition monitoring;LabVIEW;PLC

2014-03-27 修改稿日期：2014-10-11

TP277

A

1002-1841(2015)03-0107-04

姜玉葉(1989— )，碩士研究生，主要研究領域為遠程監(jiān)控及故障診斷。E-mail:jiangyuye20082009@126.com 丁保華(1963—)，副教授，碩士，主要研究領域為精密檢測技術、虛擬儀器，機電系統(tǒng)控制。E-mail:dbh_e632 @126.com