基于移動終端的液位測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

席天翔，劉毅敏

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081）

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術的深入發(fā)展和工業(yè)以太網(wǎng)技術的逐漸成熟，移動互聯(lián)網(wǎng)技術有逐漸向工業(yè)控制領域滲透的趨勢，這將改善工業(yè)控制系統(tǒng)相對封閉的缺點?；诔墒斓腡CP/IP的移動互聯(lián)網(wǎng)通信技術逐漸通過工業(yè)以太網(wǎng)與許多自動化控制類的軟件及設備相連接，實現(xiàn)了相互間的通信，使通過移動終端設備來操控PLC并讀取PLC設備的數(shù)據(jù)成為現(xiàn)實[1]。根據(jù)該方案設計的液位測量系統(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量數(shù)據(jù)，實時性較強，提高了測量系統(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

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

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

1.1 移動終端接入移動互聯(lián)網(wǎng)的方式

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

1.2 Internet與以太網(wǎng)的連接

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

雙網(wǎng)卡就是一臺數(shù)據(jù)服務器安裝2塊網(wǎng)卡，其中的一個網(wǎng)卡接入外部Internet網(wǎng)絡，另一個網(wǎng)卡接入內(nèi)部以太網(wǎng)。實現(xiàn)以太網(wǎng)內(nèi)部的設備通過此臺服務器與外部Internet網(wǎng)絡的聯(lián)系。雙網(wǎng)卡的方式如圖2所示，需要配置服務器為雙網(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，它至少有一個有效的外部全球IP地址。這樣，所有使用本地地址的主機在和外界通信時，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)絡連接的路由器或者NAT服務器上配置NAT信息，使得內(nèi)部的PLC可以與外網(wǎng)服務器通信。

圖3 NAT方式Fig.3 NAT mode

2 系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)開發(fā)的技術核心是服務器端的程序開發(fā)，服務器端的程序?qū)崿F(xiàn)了移動終端與PLC之間的橋聯(lián)。它既要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與移動終端通信，又要實現(xiàn)OPC接口標準與測量現(xiàn)場的PLC通信。它將移動終端發(fā)出的指令轉(zhuǎn)換為PLC指令執(zhí)行測量任務，并把測量結(jié)果回傳到移動終端。

2.1 服務器與PLC的通信

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

測量液位的傳感器全部掛載在以太網(wǎng)上，與液位測量相關的PLC也掛載在以太網(wǎng)上[6]。因此，服務器端可以通過OPC接口實現(xiàn)與PLC的通信，并通過操控PLC進行液位測量。OPC，即用于過程控制的OLE標準，它為服務器端程序和現(xiàn)場過程控制應用建立橋梁。本系統(tǒng)采用C#編程語言調(diào)用opcdaauto.dll文件編寫通信程序，實現(xiàn)基于OPC接口的通信。服務器通過OPC接口采用異步讀寫的方式（AsyncRead與AsyncWrite方法）與各級PLC進行通信。

2.2 移動終端與服務器通信

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務器與移動終端間的通信采用基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信方式，移動終端設備通過2G/3G/4G或者無線WiFi網(wǎng)絡與本服務器間的通信均可以通過TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)。該廠區(qū)85%以上的員工使用安卓系統(tǒng)的移動終端，因此，采用開發(fā)安卓App的方式實現(xiàn)與服務器的通信。安卓App的界面采用可擴展標記語言XML布局，開發(fā)基于Android 2.3版本，因為Android 2.3平臺比較穩(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)定運行，提高App的跨平臺性。

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

圖4中，服務器端先開啟端口偵聽有無客戶機接入，然后客戶機向服務器發(fā)起連接請求，服務器端收到連接請求后準許客戶機接入，客戶機收到“準許接入”信息后接入服務器，隨后雙方開始進行數(shù)據(jù)通信。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)服務器采用Windows Server 2008版的操作系統(tǒng)，安裝雙網(wǎng)卡來實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡與工業(yè)以太網(wǎng)之間的切換，安裝配置了與OPC相關的組件并引用了與OPC相對應的DLL文件，搭建起服務器與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡中的PLC設備的連接。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)的設備。

圖4 移動終端與服務器間的通信Fig.4 Communication between mobile terminals and server

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

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

通過上述方式實現(xiàn)的服務器與PLC的數(shù)據(jù)交互穩(wěn)定可靠，響應時延在130 ms以內(nèi)，數(shù)據(jù)誤差在0.1%以內(nèi)，滿足工業(yè)測量的要求。

移動終端設備可以通過2G/3G/4G或者無線WiFi網(wǎng)絡接入本服務器，實現(xiàn)移動終端與本服務器的連接。移動終端與服務器的連接示意圖如圖6所示。

圖6 移動終端與服務器的連接Fig.6 Connection between mobile terminal and server

實踐證明，基于上述方式建立的移動終端與服務器間的通信，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)傳輸速率達到1.1 MB/s，完全滿足測量系統(tǒng)對準確率和實時性的要求。

按照上述方式搭建的系統(tǒng)即可實現(xiàn)移動終端與以太網(wǎng)內(nèi)部PLC的聯(lián)系，達到通過手持移動終端來操控PLC進行液位測量的目的。全線液壓系統(tǒng)精軋區(qū)的現(xiàn)場測量結(jié)果如圖7所示。

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

圖7顯示的是“實時模式”下對全線液壓系統(tǒng)精軋區(qū)的1到9號子液壓系統(tǒng)的液位測量數(shù)據(jù)結(jié)果。其中，列頭“液位1”表示上次液位測量結(jié)果（一般指上月測量結(jié)果，由服務器端數(shù)據(jù)庫取得），“液位2”表示當前液位測量結(jié)果，“時間”表示當前測量時間，“HFI”是油脂消耗速率的主要參數(shù)指標，計算公式如下：

實際應用證明，該系統(tǒng)可以快速獲取系統(tǒng)當前液位數(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

按照此方案設計的系統(tǒng)已經(jīng)在某廠上線使用，使用效果良好，與傳統(tǒng)測量系統(tǒng)相比，較大地降低了系統(tǒng)測量的難度，提高了測量的實時性，達到了通過手持移動終端控制PLC并將PLC的測量數(shù)據(jù)傳回給移動終端的目的。隨著移動互聯(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)可以將測量取回的數(shù)據(jù)存入“云”，實現(xiàn)與其他設備或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，便于系統(tǒng)的深入擴展，具有較好的應用前景。

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