GPRS網(wǎng)絡的PLC分布式控制系統(tǒng)分析 - 全文

引 言

　　自20世紀90年代以來，數(shù)字化技術取得突飛猛進的發(fā)展。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC），它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種采用微型計算機技術的工業(yè)控制裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機（Personal Computer）的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱PLC,plc自1966年美國數(shù)據(jù)設備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程序控制器質量優(yōu)良，功能強大。

　　目前最新應用趨勢是將PLC控制系統(tǒng)與現(xiàn)有GPRS無線通信網(wǎng)絡技術集成，通過GPRS網(wǎng)絡通信技術，可以實現(xiàn)全國，甚至全球范圍內的數(shù)據(jù)超遠程可靠傳輸，進而達到數(shù)據(jù)遠程分析處理，遠程控制的目的。

　　PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%（+15%）范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去

　　GPRS+PLC方案優(yōu)點

　　通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service）的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps

　　中國移動GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業(yè)務平臺上構建分布式PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)PLC的無線數(shù)據(jù)傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡，縮短建設周期，降低建設成本的優(yōu)點，而且設備安裝方便、維護簡單。經過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS系統(tǒng)作為分布式PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺。

　　GPRS經常被描述成“2.5G”，也就是說這項技術位于第二代（2G）和第三代（3G）移動通訊技術之間。它通過利用GSM網(wǎng)絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當可觀。而且，因為不再需要現(xiàn)行無線應用所需要的中介轉換器，所以連接及傳輸都會更方便容易。如此，使用者既可聯(lián)機上網(wǎng)，參加視訊會議等互動傳播，而且在同一個視訊網(wǎng)絡上（VRN）的使用者，甚至可以無需通過撥號上網(wǎng)，而持續(xù)與網(wǎng)絡連接。GPRS分組交換的通信方式在分組交換的通信方式中，數(shù)據(jù)被分成一定長度的包（分組），每個包的前面有一個分組頭（其中的地址標志指明該分組發(fā)往何處）。

　　GPRS無線通信系統(tǒng)具備如下特點：

　　1、可靠性高：

　　與SMS短信息方式相比，GPRS? DTU采用面向連接的TCP協(xié)議通信，避免了數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。中心可以與多個監(jiān)測點同時進行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。GPRS網(wǎng)絡本身具備完善的頻分復用機制，并具備極強的抗干擾性能，完全避免了傳統(tǒng)數(shù)傳電臺的多機頻段“碰撞”現(xiàn)象。

　　2、實時性強：

　　GPRS具有實時在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，因此GPRS監(jiān)測數(shù)據(jù)中心可以多個監(jiān)測點之間快速，實時地進行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在30Kbps左右，完全能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10Kbps）的需求。

　　3、監(jiān)控范圍廣：

　　GPRS網(wǎng)絡已經實現(xiàn)全國范圍內覆蓋，并且擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。對于分布在全市/全省范圍內，或全國范圍的PLC控制系統(tǒng)，采用GPRS網(wǎng)絡是其理想的選擇。

　　4、系統(tǒng)建設成本低：

　　由于采用GPRS公網(wǎng)平臺，無需建設網(wǎng)絡，只需安裝設備就即可，建設成本低；也免去了網(wǎng)絡維護費用。

　　5、系統(tǒng)運營成本低：

　　采用GPRS公網(wǎng)通信，全國范圍內均按統(tǒng)一費率計費，省去昂貴的漫游費用，GPRS網(wǎng)絡可按數(shù)據(jù)實際通信流量計費，（1分-3分/1K字節(jié)），也可以按包月不限流量收費，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信。

　　6、系統(tǒng)的傳輸容量，擴容性能好：

　　監(jiān)控中心要和每一個PLC控制現(xiàn)場實現(xiàn)實時連接。系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要；由于系統(tǒng)采用成熟的TCP/IP通信架構，具備良好的擴展性能，一個監(jiān)測中心可輕松支持上千個現(xiàn)場PLC數(shù)據(jù)通信。

　　7、GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環(huán)境：

　　雖然與遠在千里的數(shù)據(jù)中心進行雙向通信，GPRS數(shù)傳設備在工作時卻只需與附近的移動基站通信即可，其整體功耗與一臺普通GSM手機相當，平均功耗僅為200毫瓦左右，比傳統(tǒng)數(shù)傳電臺小得多。因此GPRS傳輸方式非常適合在野外使用太陽能供電或蓄電池供電的場合下使用。

　　系統(tǒng)構成

　　1、現(xiàn)場控制/采集點：

　　輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

　　現(xiàn)場監(jiān)控點由PLC實現(xiàn)自動控制，并采集相關信息，通過RS232或RS485接口與GPRS DTU終端相連，PLC采集到的設備信息通過GPRS? DTU終端對數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡。

　2、監(jiān)控中心：

　　a）公網(wǎng)接入方案

　　服務器采用公網(wǎng)方式接入Internet，如ADSL撥號/電信專線寬帶上網(wǎng)等，申請公網(wǎng)固定IP地址；可以實現(xiàn)中小容量的系統(tǒng)應用。

　　b）專網(wǎng)接入方案

　　服務器采用省移動通信公司提供的DDN專線，申請配置固定IP地址，與GPRS網(wǎng)絡相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當現(xiàn)場PLC數(shù)量增加，中心不用擴容即可滿足需求，可實現(xiàn)大容量系統(tǒng)應用。

　　監(jiān)控中心RADIUS服務器接受到GPRS網(wǎng)絡傳來的數(shù)據(jù)后先進行AAA認證，后傳送到監(jiān)控中心計算機主機，通過系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進行還原顯示，并進行數(shù)據(jù)處理，這樣進一步增強了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信安全性能。

　　3、GPRS/GSM移動數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡：

　　PLC采集的數(shù)據(jù)經GPRS/GSM網(wǎng)絡空中接口功能模塊同時對數(shù)據(jù)進行解碼處理，轉換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡進行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心IP地址

　　系統(tǒng)方案

　　各現(xiàn)場控制點使用成都眾山科技有限公司的ZSD3120 GPRS DTU透明數(shù)據(jù)傳輸終端，并與現(xiàn)場控制點信息進行關聯(lián)，以便識別和維護處理。監(jiān)控中心運行監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實時采集現(xiàn)場控制點的相關數(shù)據(jù)。

　　產品特性

　　系統(tǒng)采用ZSD3120 GPRS? DTU無線透明數(shù)據(jù)傳輸終端。產品基于中國移動的GPRS網(wǎng)絡，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點，提供標準RS232/RS485接口，可直接與PC、單片機系統(tǒng)、RTU測控終端、PLC、GPS接收機、數(shù)據(jù)集中器等連接，具有遠程診斷、測試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調度或控制中心與眾多遠端站點之間的數(shù)據(jù)采集和控制。

　　1、內置TCP/IP協(xié)議棧，針對GPRS網(wǎng)絡優(yōu)化

　　2、提供GPRS無線數(shù)據(jù)雙向傳輸功能

　　3、提供RS232/RS485/RS422接口

　　4、符合ETSI GSM Phase 2+標準

　　5、支持自動心跳，保持永久在線

　　6、透明數(shù)據(jù)傳輸：為用戶的數(shù)據(jù)設備提供雙向100K大容量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，支持大數(shù)據(jù)包傳輸

　　7、自動撥號連接：DTU上電自動撥號上網(wǎng)、連接網(wǎng)絡，支持用戶端發(fā)起命令連接或遠程喚醒連接

　　8、提供短信通道，內置Unicode國際編碼轉換表

　　9、支持遠程短信/電話喚醒

　　10、實時監(jiān)測網(wǎng)絡連接情況，掉線自動重撥功能

　　11、支持中心為固定IP或動態(tài)域名

　　12、心跳報告時間間隔用戶可設定

　　13、支持點對點、點對多點、多點對多點對等 數(shù)據(jù)傳輸

　　14、支持APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)業(yè)務

　　15、安裝靈活、使用方便、可靠

　　16、支持多數(shù)據(jù)中心，自動切換

　　17、適應低溫和高溫工作環(huán)境

　　18、EMC抗干擾設計，適合電磁惡劣環(huán)境應用

　　19、復合式看門狗技術，永不當機

　　20、整機低功耗技術，在線待機電流<20mA

　　安全措施

　　由于遠程控制的特殊性，系統(tǒng)需要極高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來自系統(tǒng)內外的有意和無意的破環(huán)，網(wǎng)絡安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24小時不間斷運行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運行。

　　監(jiān)控中心可通過公網(wǎng)接入，或者到移動專網(wǎng)接入，采用公網(wǎng)接入方式成本比較低，企業(yè)不用租用專線，而使用數(shù)據(jù)專線接入時，GPRS數(shù)據(jù)傳輸設備要經過Radius服務器的認證，

　　整個數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡服務質量。

　　1、APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)模式：企業(yè)內部網(wǎng)絡中配置APN服務器，移動終端使用APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)，由于采用數(shù)據(jù)專網(wǎng)，服務器與公網(wǎng)Internet隔離，可以有效避免非法入侵。

　　2、用SIM卡的唯一性，對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網(wǎng)絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統(tǒng)的范圍，只有屬于指定行業(yè)的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與監(jiān)控中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網(wǎng)絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。

　　3、可以為每個GPRS數(shù)據(jù)傳設備單獨配置 DTU ID號和密碼，通過監(jiān)控中心在其登陸時進行應用層認證，其他沒有中心分配的DTU

　　ID號和密碼的GPRS的設備將無法登錄進入系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性進一步增強。

　　4、數(shù)據(jù)加密：可對整個數(shù)據(jù)傳送過程進行加密保護。

　　5、網(wǎng)絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網(wǎng)絡鑒權和安全防范功能，保障系統(tǒng)安全。

　　結 論

　　監(jiān)控中心采用有線方式，租用靜態(tài)IP目前費用約800～1500元/月。采集點采用GPRS無線方式，流量費用目前有包月制和按數(shù)據(jù)量兩種收費方式，按流量計算0.01元-0.03元/KB，而包月制20元/月有1024KB流量，估計日后其費用會逐步降低。

　　對于用戶來說，由于通信費用較低，享受到了實惠。另外，由于接入設備可以移動，當控制點搬遷時設備可隨之遷移并可繼續(xù)使用，可以保護用戶原有投資。

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