串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張慶紅,林永君，王興武，張照彥

(1.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北保定071003； 2.保定華仿科技有限公司，河北保定071051)

串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張慶紅1,林永君1，王興武2，張照彥2

(1.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北保定071003； 2.保定華仿科技有限公司，河北保定071051)

針對(duì)傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)采用的就地監(jiān)控方式存在的使用地點(diǎn)的局限性，監(jiān)管不便等問(wèn)題，筆者提出了一種基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。以Freescale公司的處理器MC9S12X128MAA為控制單元，結(jié)合華為EM770W M2M無(wú)線傳輸模塊開(kāi)發(fā)的無(wú)線數(shù)據(jù)終端為硬件平臺(tái)，配合在Windows系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)的服務(wù)器、客戶端軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控。所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)利用無(wú)線數(shù)據(jù)終端通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)將作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備參數(shù)信息及時(shí)傳輸至服務(wù)器端，在服務(wù)器端進(jìn)行存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)。用戶通過(guò)在監(jiān)控客戶端的操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。除遠(yuǎn)程監(jiān)控功能外，系統(tǒng)還具備遠(yuǎn)程升級(jí)功能。闡述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并詳述了下位機(jī)軟、硬件的實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)。實(shí)際試驗(yàn)表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)界面友好，達(dá)到預(yù)期的效果。

遠(yuǎn)程監(jiān)控；EM770W；遠(yuǎn)程升級(jí)；服務(wù)器

0 引言

近年來(lái)，串級(jí)調(diào)速作為轉(zhuǎn)子側(cè)一種高效、節(jié)能的調(diào)速方法，在高壓大容量電機(jī)上的應(yīng)用日趨廣泛[1，2]。掌握串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于安全生產(chǎn)而言至關(guān)重要。然而，目前對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的監(jiān)視和控制依然采用就地監(jiān)控的方式。就地監(jiān)控方式需要技術(shù)人員親臨串級(jí)調(diào)速裝置作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)來(lái)查看設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[3]。這不僅降低了工作效率，而且不符合現(xiàn)代人們對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)更加自動(dòng)化、監(jiān)控管理更加人性化的期求。

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開(kāi)啟和發(fā)展，應(yīng)用于工業(yè)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展[4～6]。目前，市場(chǎng)上遠(yuǎn)程無(wú)線工業(yè)監(jiān)控方案層出不窮，并已應(yīng)用到各行各業(yè)[7，8]，但是由于通訊協(xié)議、監(jiān)控參數(shù)、實(shí)時(shí)性要求的不同，寬泛的遠(yuǎn)程工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)并不能與所有載體兼容，很難精準(zhǔn)地應(yīng)用于串級(jí)調(diào)速裝置。因此設(shè)計(jì)一種專門(mén)用于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)尤為必要。

針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)以嵌入式技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為技術(shù)支撐。采用可拆卸3G數(shù)據(jù)終端對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)信息進(jìn)行提取，在兼顧傳輸速度和傳輸費(fèi)用的情況下，用WCDMA網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[9]。既滿足了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芤?，又?jié)約了數(shù)據(jù)傳輸成本。在對(duì)比C/S和B/S的通訊模式特點(diǎn)后，客戶端與服務(wù)器通訊采用C/S結(jié)構(gòu)，使客戶端的設(shè)計(jì)更加靈活[10]。監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控的基礎(chǔ)上，增加遠(yuǎn)程固件升級(jí)的功能，使系統(tǒng)功能更加完善。該監(jiān)控系統(tǒng)可讓用戶在無(wú)須親臨現(xiàn)場(chǎng)的情況下通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制；串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)廠家也可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)時(shí)掌握工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行情況，對(duì)設(shè)備的故障診斷、固件程序的升級(jí)為用戶提供遠(yuǎn)程協(xié)助。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)從功能上可分為三部分組成：3G數(shù)據(jù)終端、服務(wù)器、監(jiān)控客戶端。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3G數(shù)據(jù)終端主要負(fù)責(zé)從串級(jí)調(diào)速裝置中提取設(shè)備運(yùn)行參數(shù)信息并將數(shù)據(jù)通過(guò)WCDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸至運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上的服務(wù)器端。服務(wù)器端負(fù)責(zé)對(duì)接收的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、分析、存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并為監(jiān)控客戶端提供遠(yuǎn)程訪問(wèn)數(shù)據(jù)功能。客戶端主要功能是為用戶提供登陸服務(wù)器、開(kāi)啟監(jiān)控、遠(yuǎn)程升級(jí)等操作，并且將參數(shù)信息以數(shù)字或圖形的方式呈現(xiàn)在用戶面前。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

3G數(shù)據(jù)終端獨(dú)立于串級(jí)調(diào)速裝置之外，通過(guò)RS232接口與串級(jí)調(diào)速裝置相連。3G數(shù)據(jù)終端上電后自動(dòng)與服務(wù)器進(jìn)行連接，連接成功后，3G數(shù)據(jù)終端處于在線狀態(tài)。啟動(dòng)串級(jí)調(diào)速裝置，串級(jí)調(diào)速裝置主控制器根據(jù)用戶選擇來(lái)判定先從BootLoader區(qū)執(zhí)行升級(jí)程序，還是從應(yīng)用程序區(qū)執(zhí)行用戶程序。默認(rèn)首先從應(yīng)用程序區(qū)執(zhí)行用戶程序。當(dāng)執(zhí)行用戶程序時(shí)，串級(jí)調(diào)速裝置根據(jù)預(yù)先定好的協(xié)議將參數(shù)信息發(fā)送至3G數(shù)據(jù)終端，經(jīng)由WCDMA/3G網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器上，并分類存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)執(zhí)行升級(jí)程序時(shí)，串級(jí)調(diào)速裝置主控制器首先將應(yīng)用程序區(qū)原來(lái)程序頁(yè)擦除，然后按頁(yè)將客戶端發(fā)送來(lái)的更新程序?qū)懭霊?yīng)用程序區(qū)，更新完畢后自動(dòng)執(zhí)行新的應(yīng)用程序。用戶在客戶端登陸服務(wù)器后，處于用戶在線狀態(tài)。用戶在客戶端列表框內(nèi)可查看同時(shí)在線的其他用戶和數(shù)據(jù)終端。選擇指定數(shù)據(jù)終端，可對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程升級(jí)。同時(shí)，客戶端提供本地監(jiān)控與本地升級(jí)的功能。此時(shí)，無(wú)需連接3G數(shù)據(jù)終端，將串級(jí)調(diào)速裝置通過(guò)串口與PC直接相連。通訊協(xié)議和監(jiān)控畫(huà)面與遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)相同。

2 3G數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)

3G數(shù)據(jù)終端作為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，具有信息的分析、處理、串口傳輸、無(wú)線傳輸?shù)裙δ?。?shù)據(jù)終端通過(guò)RS232接口與串級(jí)調(diào)速裝置相連，經(jīng)由3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器通訊，是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與服務(wù)器的橋梁。

2.1 數(shù)據(jù)終端硬件設(shè)計(jì)

3G數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)硬件平臺(tái)由處理器模塊、3G模塊、電源模塊及一些外圍電路組成。主處理器提供兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UART接口，分別與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和3G模塊相連。主處理器主要負(fù)責(zé)3G模塊的驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)分析、處理。3G模塊主要功能是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，主處理器通過(guò)AT命令實(shí)現(xiàn)對(duì)3G模塊的初始化配置，撥號(hào)聯(lián)網(wǎng)、收發(fā)數(shù)據(jù)等相關(guān)操作。數(shù)據(jù)終端總體框圖如圖2所示。

圖2 硬件總體框圖

數(shù)據(jù)終端采用飛思卡爾的十六位單片機(jī)MC9S12X128MAA作為主處理器。該芯片工作電壓為3.135～5.5 V，集成了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口。在本設(shè)計(jì)中，處理器工作電壓為5V，晶振頻率為16 MHz。為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、快速的運(yùn)行，通過(guò)對(duì)鎖相環(huán)的設(shè)置，將處理器總線頻率增加到80 MHz。3G模塊采用華為公司EM770 W M2M模塊，該模塊支持內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧、標(biāo)準(zhǔn)的AT指令及華為擴(kuò)展AT指令集。該3G模塊集成2路UART通信接口。其中UART1支持帶流控功能的全串口模式，UART1支持?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)，用戶可以通過(guò)UART1接口發(fā)送AT指令完成撥號(hào)上網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)操作。UART2不支持?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)和AT命令[11]。系統(tǒng)使用EM770W M2M模塊的UART1與主處理器相連。該3G模塊I/O端口輸入電壓極限值為2.6 V，為了實(shí)現(xiàn)與主處理器I/O端口電平兼容，通過(guò)雙向電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245實(shí)現(xiàn)。該3G模塊電源電壓范圍為3.0～3.6 V，本系統(tǒng)中采用德州儀器(TI)生產(chǎn)的LM2596降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片為3G模塊提供3.3 V穩(wěn)定電壓。

2.2 數(shù)據(jù)終端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)終端的軟件開(kāi)發(fā)是在Windows操作系統(tǒng)下，使用C語(yǔ)言在codeWarrior開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成。數(shù)據(jù)終端工作過(guò)程分為初始態(tài)、登錄服務(wù)器、功能選擇判斷、遠(yuǎn)程升級(jí)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通信5個(gè)狀態(tài)，模型如圖3所示。具體分述如下：

圖3 數(shù)據(jù)終端狀態(tài)機(jī)模型

(1)初始態(tài)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，完成串口初始化、鎖相環(huán)設(shè)置，I/O端口初始化等操作后，處于初始態(tài)。

(2)登錄服務(wù)器。對(duì)3G模塊進(jìn)行波特率、接入點(diǎn)的配置，然后與指定的IP地址、端口號(hào)的服務(wù)器建立UDP鏈接，與服務(wù)器交換登錄數(shù)據(jù)包后即登錄服務(wù)器成功。

(3)功能選擇判斷。根據(jù)用戶選擇，判斷下一時(shí)刻進(jìn)入哪種工作狀態(tài)。當(dāng)?shù)卿浄?wù)器后，5 s時(shí)間內(nèi)，條件(SCI1Receive[0]==‘>’)滿足，則進(jìn)入遠(yuǎn)程升級(jí)狀態(tài)，否則進(jìn)入遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)。

(4)遠(yuǎn)程升級(jí)。數(shù)據(jù)終端按頁(yè)接收客戶端發(fā)送的更新程序，并按頁(yè)轉(zhuǎn)發(fā)給串級(jí)調(diào)速裝置，經(jīng)串級(jí)調(diào)速裝置主控器的Boot區(qū)引導(dǎo)程序?qū)⒏鲁绦虬错?yè)寫(xiě)入單片機(jī)應(yīng)用區(qū)Flash中。遠(yuǎn)程升級(jí)完成后，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主控制器開(kāi)始執(zhí)行應(yīng)用程序區(qū)新的程序，3G數(shù)據(jù)終端進(jìn)入監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通信狀態(tài)。

(5)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通信。進(jìn)入數(shù)據(jù)通信狀態(tài)后，終端以一定的時(shí)間間隔將串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)按照約定好的協(xié)議發(fā)送至服務(wù)器端，經(jīng)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控客戶端。同時(shí)終端不斷響應(yīng)客戶端監(jiān)控指令。系統(tǒng)復(fù)位后，3G數(shù)據(jù)終端進(jìn)入初始態(tài)。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件使用C++語(yǔ)言，在Windows操作系統(tǒng)下，使用Microsoft Visual C++ 6.0開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)完成。上位機(jī)軟件主要包括服務(wù)器軟件與客戶端軟件兩部分。

3.1 服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1.1 服務(wù)器端總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用覆蓋范圍較廣的WCDMA網(wǎng)絡(luò)，由于IPv4資源的匱乏，聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商為每個(gè)SIM卡分配的IP地址都是私有IP，企業(yè)或家庭電腦接入因特網(wǎng)所用的IP地址也多是內(nèi)網(wǎng)IP，因此3G數(shù)據(jù)終端與客戶端的IP地址互不可見(jiàn)，無(wú)法直接通信，因此需要一臺(tái)有公網(wǎng)IP的服務(wù)器中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。所以服務(wù)器軟件必須運(yùn)行在一臺(tái)具有公網(wǎng)IP的計(jì)算機(jī)上。

服務(wù)器的設(shè)計(jì)是基于對(duì)話框的模式。由于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與用戶的交互主要在客戶端完成，所以服務(wù)器端只設(shè)計(jì)了一個(gè)主功能界面。服務(wù)器端主界面提供登陸服務(wù)器、退出服務(wù)器操作、顯示在線用戶列表及監(jiān)控信息。服務(wù)器端接收來(lái)自3G數(shù)據(jù)終端的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、上限值等各項(xiàng)參數(shù)信息，響應(yīng)客戶端監(jiān)控請(qǐng)求將接收到的參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，同時(shí)將這些參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，為客戶端提供訪問(wèn)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)。

為了使監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)有效、規(guī)律地存儲(chǔ)、查詢，在服務(wù)器端引入數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)以MySQL Server 5.6數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)的入庫(kù)、檢索，支持客戶端遠(yuǎn)程查詢、應(yīng)用。通過(guò)分析傳輸數(shù)據(jù)的類型，可將遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分為兩類：狀態(tài)參數(shù)和設(shè)置參數(shù)。因此在MySQL平臺(tái)下創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)g3_monitor，并根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)類型創(chuàng)建設(shè)置參數(shù)表settingparameter 和狀態(tài)參數(shù)表statusparameter。

3.1.2 服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)

服務(wù)器端作為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的通信樞紐，其主要功能有界面初始化、數(shù)據(jù)接收及處理、檢查用戶在線、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫(kù)操作。為了提高數(shù)據(jù)處理效率，降低程序復(fù)雜度，分模塊對(duì)這些功能進(jìn)行設(shè)計(jì)[12]。服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)

圖5 數(shù)據(jù)接收及處理模塊流程圖

初始化模塊負(fù)責(zé)完成服務(wù)器界面的初始化以及通信套接字的初始配置。數(shù)據(jù)接收及處理模塊是服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)核心，負(fù)責(zé)接收和處理來(lái)自終端和客戶端的數(shù)據(jù)包，其軟件流程圖如圖5所示。當(dāng)客戶端和終端的心跳包或通信數(shù)據(jù)包到來(lái)時(shí)，更新其連接標(biāo)志位，檢查用戶在線模塊通過(guò)判斷終端和客戶端連接標(biāo)志確定終端和客戶端是否在線[13]。EM770W模塊對(duì)于收發(fā)的數(shù)據(jù)有嚴(yán)格要求，接收數(shù)據(jù)范圍為0x01～0x7F，發(fā)送數(shù)據(jù)范圍為除0x08外的0x01～0x7F，0x08在發(fā)送數(shù)據(jù)中有著特殊意義，表示退格。本系統(tǒng)的服務(wù)器運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)下，由服務(wù)器向3G終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在0x0A之前添加0x0D,所以0x0A無(wú)法直接發(fā)送。服務(wù)器端與3G終端實(shí)際通信數(shù)據(jù)范圍為0x00～0xFF，而且上位機(jī)與下位機(jī)編譯環(huán)境不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體對(duì)齊方式不同。因此需對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)義以及格式轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)終端發(fā)送的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析、處理，然后寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

客戶端是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，它提供了可視化的監(jiān)視界面和實(shí)時(shí)高效的操作平臺(tái)。在權(quán)衡B/S與C/S架構(gòu)模式優(yōu)缺點(diǎn)的情況下，監(jiān)控客戶端采用C/S架構(gòu)模式。根據(jù)功能不同，將監(jiān)控客戶端化分為系統(tǒng)操作、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、接觸器設(shè)置、上限值設(shè)置、保護(hù)值設(shè)置、調(diào)速關(guān)聯(lián)參數(shù)、啟動(dòng)關(guān)聯(lián)參數(shù)、操作項(xiàng)、過(guò)程曲線顯示十大功能模塊。

另外事件記錄和控制命令模塊作為系統(tǒng)必要的操作和顯示部分，在每個(gè)功能模塊的界面中都能顯示。事件記錄顯示系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行狀態(tài)的改變。啟動(dòng)、停止、調(diào)速等命令按鈕用來(lái)對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)下達(dá)控制命令?？蛻舳说拈_(kāi)發(fā)是基于對(duì)話框的模式，每一個(gè)功能模塊都與之對(duì)應(yīng)交互界面和類。在主對(duì)話框中，采用工具欄、狀態(tài)欄、位置固定的子區(qū)域與用戶交互。點(diǎn)擊工具欄按鈕，在主對(duì)話框的子區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的功能模塊的界面。遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端界面如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端界面

為了提高程序執(zhí)行效率，監(jiān)控客戶端的程序開(kāi)發(fā)在分模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上采用了多線程技術(shù)。線程調(diào)度由線程調(diào)度器完成。為了實(shí)現(xiàn)線程間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，防止多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)同一資源時(shí)出現(xiàn)不可預(yù)知的后果，采用Windows環(huán)境提供的同步措施—事件(Event)來(lái)解決以上問(wèn)題?？蛻舳顺绦虺骶€程外，還包括保持客戶端在線線程、發(fā)送更新程序線程、數(shù)據(jù)接收線程、串口收發(fā)線程。監(jiān)控客戶端軟件流程圖如圖8所示。

圖7 客戶端軟件流程圖

保持客戶端在線線程以一定時(shí)間間隔向服務(wù)器端發(fā)送“心跳”包，通知對(duì)方客戶端的當(dāng)前狀態(tài)。發(fā)送程序線程主要負(fù)責(zé)將更新程序按頁(yè)發(fā)送至服務(wù)器端。當(dāng)用戶打開(kāi)程序文件時(shí)，將更新程序讀取至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。此時(shí)遠(yuǎn)程升級(jí)按鈕為可操作狀態(tài)，點(diǎn)擊遠(yuǎn)程升級(jí)按鈕，激活發(fā)送線程。發(fā)送線程將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的升級(jí)程序按頁(yè)發(fā)送至服務(wù)器端，經(jīng)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至終端，收到終端應(yīng)答后，發(fā)送下一頁(yè)程序，依此循環(huán)，直至程序頁(yè)完全發(fā)送(FLAG==TRUE)，然后發(fā)送完成標(biāo)志。數(shù)據(jù)接收線程主要功能是接收來(lái)自服務(wù)器端的數(shù)據(jù)包，并對(duì)其分析、處理，例如將監(jiān)控信息通過(guò)窗口間消息機(jī)制發(fā)送至指定窗口進(jìn)行顯示。就地監(jiān)控與升級(jí)需通過(guò)串口與串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行通訊，打開(kāi)串口后即創(chuàng)建串口收發(fā)線程，串口收發(fā)線程主要負(fù)責(zé)客戶端PC與串級(jí)調(diào)速裝置間的數(shù)據(jù)往來(lái)。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本系統(tǒng)已在保定華仿科技有限公司的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，并對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行詳細(xì)記錄與分析。為防止因采樣頻率過(guò)大而增加流量費(fèi)用和消耗系統(tǒng)資源，而且又要避免重要信息遺漏，將數(shù)據(jù)采樣周期定為60 s。系統(tǒng)測(cè)試總次數(shù)為200次。系統(tǒng)測(cè)試記錄如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試

WCDMA/3G網(wǎng)絡(luò)理論上上行、下行速率可達(dá)到5.76 Mbps、7.2 Mbps，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測(cè)得其平均速率為0.78 Mbps。由于采集的監(jiān)控參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)封裝以及轉(zhuǎn)義后大小約為4.312 Kbyte，網(wǎng)絡(luò)寬帶有較大富余，能保證監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)較快傳輸。在系統(tǒng)測(cè)試中，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間小于1 s，小于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的2 s，滿足實(shí)時(shí)性要求。測(cè)試中沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)包的丟失及出錯(cuò)以及傳輸中斷情況，滿足系統(tǒng)的可靠性及準(zhǔn)確性要求。終端登陸服務(wù)器用時(shí)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量有關(guān)，測(cè)試中接入服務(wù)器時(shí)間小于3 s，滿足系統(tǒng)要求。3G數(shù)據(jù)終端出現(xiàn)2次掉線，經(jīng)分析，這是由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量不穩(wěn)定所致。由于在3G數(shù)據(jù)終端軟件設(shè)計(jì)中，增加了掉線重連功能，所以3G數(shù)據(jù)終端在掉線后能及時(shí)再次登陸服務(wù)器，避免影響下一次數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，實(shí)時(shí)性、可靠性、準(zhǔn)確性、丟包率等各項(xiàng)指標(biāo)都滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

另外，系統(tǒng)抗干擾能力是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)作業(yè)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，作業(yè)環(huán)境中的電磁信號(hào)干擾影響著采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量也是影響采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的一項(xiàng)重要因素?？赏ㄟ^(guò)優(yōu)化硬件及軟件設(shè)計(jì)來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。由于硬件設(shè)備由廠家生產(chǎn)，不可隨意更改，本系統(tǒng)主要通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的措施來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。采用的措施：一是在數(shù)據(jù)包中增加數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)校驗(yàn)位為所有數(shù)據(jù)位異或；二是3G數(shù)據(jù)采集終端將從串級(jí)調(diào)速裝置提取的參數(shù)信息存入臨時(shí)緩存區(qū)，待接收到客戶端正確接收數(shù)據(jù)包的應(yīng)答后，清空臨時(shí)緩沖區(qū)，以為下次存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備；否則重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，超時(shí)仍未收到客戶端正確接收數(shù)據(jù)包的應(yīng)答，視為包丟失。系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)包的丟失及錯(cuò)誤情況，驗(yàn)證了系統(tǒng)具有一定抗干擾能力，能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集及可靠傳輸。

5 結(jié)論

本文從3G數(shù)據(jù)終端硬件結(jié)構(gòu)、軟件狀態(tài)機(jī)模型，服務(wù)器及監(jiān)控客戶端的實(shí)現(xiàn)等方面闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方法。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)解決了串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)傳統(tǒng)的就地監(jiān)控方式對(duì)惡劣環(huán)境中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)管不便的問(wèn)題，確保操作人員及管理人員無(wú)須親臨工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，能及時(shí)掌握串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，有效的提高了工作效率并且節(jié)約了物力、人力。并且還可以根據(jù)實(shí)際需求，調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸方式(由無(wú)線傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)榇趥鬏?，提高了系統(tǒng)的適用性。通過(guò)在保定華仿科技有限公司的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)上實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)成本低，操作簡(jiǎn)便，監(jiān)控畫(huà)面友好，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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Design and Implementation of Remote Monitoring System of Cascade Control System

Zhang Qinghong1,Lin Yongjun1, Wang Xingwu2,Zhang Zhaoyan2

(1.School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China；2.Baoding Huafang Science and Technology Co., Ltd.,Baoding 071051,China)

Aiming at issues such as the limitation of operating spot and supervision inconvenience of traditional local monitoring methods used by cascade control system,this paper proposes a solution of remote monitoring system of cascade control system based on mobile network. A hardware platform based on wireless data terminal realized the remote wireless monitoring of cascade control system through the cooperation with the server and client software developed in the Windows system.The wireless data terminal was developed based on MC9S12X128MAA MCU of Freescale company which was combined with wireless transmitting module EM770W M2M of HUAWEI company.The remote monitoring system was designed to transmit through 3G networks and Internet, the information of the wireless data network terminals jobsite equipment parameters to the server which can store and forward them.Users could achieve real-time on-site monitoring and control of the equipments by monitoring the operations of the clients. In addition to the remote monitoring functions, the system also included a remote upgrading capabilities. The overall scheme of the system was presented. And the implementation of software and hardware of lower computers, the software of host computer were introduced in detail. Practical experiment shows that the system could work stably with a friendly HMI, and meet the desired effects.

remote monitoring；EM770W；remote upgrading；server

2015-05-14。

張慶紅(1989-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)在工業(yè)過(guò)程中的應(yīng)用，E-mail：1044528248@qq.com。

TP393

B

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.009