基于GPRS通信的港口機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)

徐健，張?jiān)Ｂ叮S萍萍，周艷紅（三一港機(jī)上海研究院，上海 200120）

近年來(lái)，我國(guó)港口裝卸設(shè)備取得了飛躍式的進(jìn)展，港口機(jī)械正朝著大型化、高效化、智能化的方向發(fā)展，提高港口作業(yè)效率有賴(lài)于設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)及維修時(shí)間的縮短。部分大型港口機(jī)械已配置設(shè)備管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了港口企業(yè)對(duì)于設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而對(duì)于碼頭設(shè)備制造商而言，希望能夠更多地了解設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行信息，并通過(guò)對(duì)這些信息的分析，提出設(shè)備的改進(jìn)建議，并向用戶提出前瞻性的維修及保養(yǎng)建議，以期達(dá)到提升產(chǎn)品質(zhì)量及更好地為客戶服務(wù)的目的。

要對(duì)這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控需要處理巨大的信息量。以往的遠(yuǎn)程RCMS（遠(yuǎn)程起重機(jī)管理系統(tǒng)）多通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通過(guò)服務(wù)器連接入Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，基于日前GPRS網(wǎng)絡(luò)的可靠性日益完善及應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，本文介紹了一種使用GPRS終端設(shè)備，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)直接將實(shí)時(shí)的設(shè)備過(guò)程數(shù)據(jù)傳至WEB服務(wù)器，用戶可在IE瀏覽器上進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控及設(shè)備數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程RCMS的功能。

1 系統(tǒng)原理及組成

1.1 通訊基礎(chǔ)

本系統(tǒng)涉及了兩種主流通信總線的協(xié)議的轉(zhuǎn)換， Profibus-DP總線和Can2.0B總線，其中PROFIBUS主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信。CAN控制器局域網(wǎng)，在汽車(chē)電子控制裝置之間交換信息形成汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò)。由于其卓越的性能、極高的可靠性和低廉的價(jià)格現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制等眾多領(lǐng)域。

CAN協(xié)議是建立在OSI 7層開(kāi)放互連參考模型基礎(chǔ)之上的。但CAN協(xié)議只定義了模型的最下面兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，僅保證了節(jié)點(diǎn)間無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。CAN的應(yīng)用層協(xié)議必須由CAN用戶自行定義，或采用一些國(guó)際組織制訂的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。CAN協(xié)議支持兩種幀格式，它們的主要區(qū)別在標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度，具有11位標(biāo)識(shí)符的幀稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)識(shí)符的稱(chēng)為擴(kuò)展幀。本系統(tǒng)采用Can2.0B擴(kuò)展幀進(jìn)行通信。

1.2 系統(tǒng)原理

PLC作為港口機(jī)械設(shè)備總控制器，將設(shè)備信息實(shí)時(shí)傳至DP總線網(wǎng)絡(luò)下的GPRS終端SYMT上，由SYMT周期性發(fā)送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)解析器，進(jìn)而進(jìn)入用戶數(shù)據(jù)庫(kù)及在網(wǎng)站上顯現(xiàn)出來(lái)。用戶可以登錄網(wǎng)站通過(guò)設(shè)備編號(hào)查詢(xún)?cè)O(shè)備的詳細(xì)信息，包括實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)、歷史工況數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)故障報(bào)警、歷史故障記錄，并制作故障診斷知識(shí)庫(kù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 CAN2.0B數(shù)據(jù)幀

1.3 系統(tǒng)組成

1.3.1 PLC配置及程序說(shuō)明

本系統(tǒng)控制器為西門(mén)子PLC:S7-317-2DP，通信總線使用Profibus-DP，GPRS遠(yuǎn)程終端為公司自有產(chǎn)品SYMT2.0B終端(內(nèi)置GPRS模塊)，GPRS終端通信方式Can2.0B，通過(guò)profibus轉(zhuǎn)Can模塊進(jìn)行總線橋接，使GPRS模塊作為DP總線下的一個(gè)DP從站，橋接模塊選用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)橋模塊，遠(yuǎn)程維護(hù)中心網(wǎng)站由公司IT部門(mén)自主開(kāi)發(fā)。具體參數(shù)如下：

DP總線通信波特率： 1.5M/s；

GPRS通信頻段：EGSM900/GSM1800/GSM1900 MHz；

最大發(fā)射功率：2W(EGSM)/1W(GSM)；

CANbus通信波特率：250K/s。

本系統(tǒng)的PLC配置如圖2所示。

1.3.2 網(wǎng)橋配置及說(shuō)明

網(wǎng)橋模塊協(xié)議使用CAN2.0B協(xié)議的擴(kuò)展幀，控制字由PLC程序控制，根據(jù)數(shù)據(jù)的類(lèi)型分為：周期采樣數(shù)據(jù)，緊急數(shù)據(jù)，命令數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀詳解見(jiàn)表1。

控制程序中，PLC作為系統(tǒng)控制器將實(shí)時(shí)設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)以數(shù)據(jù)包的形式周期的發(fā)送到網(wǎng)橋模塊以至GPRS模塊, GPRS模塊利用現(xiàn)有的GSM/GPRS移動(dòng)通訊網(wǎng)作為通信傳輸?shù)拿浇閬?lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備工況信息的傳遞，將工況數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，遠(yuǎn)程服務(wù)接受系統(tǒng)主要由安裝在監(jiān)控中心的中央監(jiān)控系統(tǒng)組成，也可分為通訊層、核心層和應(yīng)用層。GPRS模塊為控制中心實(shí)時(shí)提供每一臺(tái)設(shè)備的最新工況數(shù)據(jù)、運(yùn)行的狀況和報(bào)警信息，控制中心自動(dòng)記錄這些信息以便事后分析。

圖3 遠(yuǎn)程服務(wù)結(jié)構(gòu)圖

1.3.3 GPRS數(shù)據(jù)接收端說(shuō)明及配置

中央監(jiān)控系統(tǒng)將收到的數(shù)據(jù)及其它數(shù)據(jù)還原后，根據(jù)服務(wù)器之前建立的每單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，更新當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)信息，用戶可利用自己的權(quán)限上網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備信息的收發(fā)、查詢(xún)等工作，直觀地掌握設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息。遠(yuǎn)程服務(wù)配置如圖3所示。

1.3.4 港口機(jī)械設(shè)備的通信數(shù)據(jù)服務(wù)

港口起重機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，定期向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送工況數(shù)據(jù)，如當(dāng)前載重、當(dāng)前風(fēng)速、起升機(jī)構(gòu)主要參數(shù)、小車(chē)機(jī)構(gòu)主要參數(shù)、俯仰機(jī)構(gòu)主要參數(shù)，并及時(shí)上傳新增的報(bào)警數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)登記報(bào)警記錄，以備后續(xù)數(shù)據(jù)處理及分析。

實(shí)時(shí)報(bào)警手機(jī)訂閱功能，設(shè)備在運(yùn)行中，如發(fā)生比較重要的故障及報(bào)警，本系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)送短信息，信息內(nèi)容包括故障內(nèi)容及發(fā)生故障時(shí)刻的即時(shí)參數(shù)，方便服務(wù)人員及碼頭管理人員進(jìn)行及時(shí)處理。提高設(shè)備的應(yīng)用水平及智能化水平。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站中可由用戶利用權(quán)限登錄遠(yuǎn)程維護(hù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控的內(nèi)容有：（1）主機(jī)檔案；（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控；（3）安裝調(diào)試；（4）故障診斷；（4）知識(shí)庫(kù)管理。

（1）主機(jī)檔案

可由配置對(duì)話框添加及修改產(chǎn)品配置信息，包括設(shè)備整機(jī)基本信息、主機(jī)配置信息、起升變頻器型號(hào)、起升電機(jī)型號(hào)、小車(chē)變頻器型號(hào)、小車(chē)電機(jī)型號(hào)、俯仰變頻器型號(hào)、俯仰電機(jī)型號(hào)、大車(chē)變頻器型號(hào)、大車(chē)電機(jī)型號(hào)及吊具型號(hào)。電子產(chǎn)品配置信息包括SYMT編號(hào)，SYMT序列號(hào)，硬件版本，軟件版本?？刂破餍吞?hào)，控制器序列號(hào)，軟件版本。

控制器型號(hào)及序列號(hào)由裝機(jī)時(shí)填寫(xiě)質(zhì)量信息：當(dāng)前質(zhì)保段，整機(jī)工作小時(shí)數(shù)，起升工作小時(shí)數(shù)，小車(chē)工作小時(shí)數(shù)，大車(chē)工作小時(shí)數(shù)等。有主機(jī)檔案，可為設(shè)備的保養(yǎng)、維修以及設(shè)備的性能做全面的把握，有利于提升設(shè)備的利用，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)也為廠家未來(lái)的設(shè)計(jì)提供有效的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控

包括監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)工況信息、單機(jī)故障監(jiān)控、信元周期的設(shè)置，其中實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)包含設(shè)備的重要工況參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、實(shí)時(shí)故障監(jiān)控，用戶在設(shè)備應(yīng)用時(shí)可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行，及歷史故障的發(fā)生機(jī)處理情況。其中包括起升、小車(chē)、大車(chē)、俯仰各大機(jī)構(gòu)的詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)，更好地提高設(shè)備維護(hù)水平。

（3）故障診斷

用戶在遇到設(shè)備故障時(shí)，可通過(guò)故障診斷功能，輸入設(shè)備的故障情況，搜索后便可得到故障診斷的內(nèi)容。在出廠前，廠家根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，填寫(xiě)好初始診斷內(nèi)容。之后用戶也可以自行添加故障診斷方案。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出，在設(shè)備上使用本系統(tǒng)可以達(dá)到以下效果:

（1）完善的業(yè)務(wù)管理流程

實(shí)現(xiàn)從登記—>測(cè)試—>入庫(kù)—>銷(xiāo)售—>停用的一體化管理流程，提升員工的工作效率，節(jié)約人力成本。

（2）高效的售后服務(wù)管理

保養(yǎng)提醒：可網(wǎng)站實(shí)時(shí)保養(yǎng)提醒，并可根據(jù)客戶需要，進(jìn)行保養(yǎng)短信自動(dòng)提醒，從而提高服務(wù)質(zhì)量。

短信配置：可智能短信發(fā)送，具備群發(fā)功能，提高售后服務(wù)的管理效率。

（3）精準(zhǔn)的設(shè)備遠(yuǎn)程工況監(jiān)控

實(shí)時(shí)工況、電氣部件工作狀態(tài)、起重作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控，使公司人員及客戶能遠(yuǎn)程掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況。實(shí)時(shí)故障、報(bào)警提示，歷史工況、起重狀況、故障、報(bào)警等數(shù)據(jù)永久保存，實(shí)現(xiàn)設(shè)備至銷(xiāo)售日起，所有運(yùn)行情況都有記錄。并有故障原因分析及故障檢修指南，提高售后服務(wù)人員的故障檢修及排除效率，加強(qiáng)客戶的滿意度。

（4）完善的設(shè)備作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)

能記錄設(shè)備一天/一月的上電時(shí)間、作業(yè)時(shí)間、作業(yè)時(shí)段，并對(duì)作業(yè)量統(tǒng)計(jì)等數(shù)量了如使車(chē)主只要鼠標(biāo)一動(dòng)，設(shè)備的工作情況便可全部掌握。

4 總結(jié)及展望

本文介紹了在港機(jī)設(shè)備中使用西門(mén)子S7-300PLC作為控制器的港口機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?；贕PRS通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控，其實(shí)時(shí)性可以滿足用戶對(duì)于港口設(shè)備的工況監(jiān)控。本系統(tǒng)有利于港口設(shè)備自動(dòng)化管理，為今后港口設(shè)備的管理打下了基礎(chǔ)。

當(dāng)今自動(dòng)化碼頭、無(wú)人碼頭等概念已逐漸深入人心，攝像監(jiān)控技術(shù)以及OPC服務(wù)器也日趨成熟。GPRS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸，穩(wěn)定性可基本保證，可實(shí)現(xiàn)基于GPRS數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)模擬及RCMS數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程備份，但因其實(shí)時(shí)性問(wèn)題，應(yīng)用于遠(yuǎn)程操控還需時(shí)日。選用GPRS作為碼頭遠(yuǎn)程管理與監(jiān)控應(yīng)用的一種選擇，對(duì)研究虛擬港口平臺(tái)與港口機(jī)械監(jiān)控、港口管理、布局調(diào)度等系統(tǒng)集成技術(shù)，有著一定的借鑒意義。

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