基于GPRS通信的港口機械遠程監控管理系統

徐健，張裕露，黃萍萍，周艷紅（三一港機上海研究院，上海 200120）

近年來，我國港口裝卸設備取得了飛躍式的進展，港口機械正朝著大型化、高效化、智能化的方向發展，提高港口作業效率有賴于設備的高效運轉及維修時間的縮短。部分大型港口機械已配置設備管理系統，實現了港口企業對于設備的實時監控，而對于碼頭設備制造商而言，希望能夠更多地了解設備狀態及運行信息，并通過對這些信息的分析，提出設備的改進建議，并向用戶提出前瞻性的維修及保養建議，以期達到提升產品質量及更好地為客戶服務的目的。

要對這些設備實現遠程監控需要處理巨大的信息量。以往的遠程RCMS（遠程起重機管理系統）多通過工業以太網通過服務器連接入Internet進行遠程監控，基于日前GPRS網絡的可靠性日益完善及應用的越來越廣泛，本文介紹了一種使用GPRS終端設備，通過GPRS網絡直接將實時的設備過程數據傳至WEB服務器，用戶可在IE瀏覽器上進行實時數據監控及設備數據處理實現遠程RCMS的功能。

1 系統原理及組成

1.1 通訊基礎

本系統涉及了兩種主流通信總線的協議的轉換， 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，主要應用于自動化系統中單元級和現場級通信。CAN控制器局域網，在汽車電子控制裝置之間交換信息形成汽車電子控制網絡。由于其卓越的性能、極高的可靠性和低廉的價格現已廣泛應用于工業現場控制等眾多領域。

CAN協議是建立在OSI 7層開放互連參考模型基礎之上的。但CAN協議只定義了模型的最下面兩層:數據鏈路層和物理層，僅保證了節點間無差錯的數據傳輸。CAN的應用層協議必須由CAN用戶自行定義，或采用一些國際組織制訂的標準協議。CAN協議支持兩種幀格式，它們的主要區別在標識符的長度，具有11位標識符的幀稱之為標準幀，而含有29位標識符的稱為擴展幀。本系統采用Can2.0B擴展幀進行通信。

1.2 系統原理

PLC作為港口機械設備總控制器，將設備信息實時傳至DP總線網絡下的GPRS終端SYMT上，由SYMT周期性發送給遠程數據解析器，進而進入用戶數據庫及在網站上顯現出來。用戶可以登錄網站通過設備編號查詢設備的詳細信息，包括實時工況數據、歷史工況數據、實時故障報警、歷史故障記錄，并制作故障診斷知識庫。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

表1 CAN2.0B數據幀

1.3 系統組成

1.3.1 PLC配置及程序說明

本系統控制器為西門子PLC:S7-317-2DP，通信總線使用Profibus-DP，GPRS遠程終端為公司自有產品SYMT2.0B終端(內置GPRS模塊)，GPRS終端通信方式Can2.0B，通過profibus轉Can模塊進行總線橋接，使GPRS模塊作為DP總線下的一個DP從站，橋接模塊選用標準網橋模塊，遠程維護中心網站由公司IT部門自主開發。具體參數如下：

DP總線通信波特率： 1.5M/s；

GPRS通信頻段：EGSM900/GSM1800/GSM1900 MHz；

最大發射功率：2W(EGSM)/1W(GSM)；

CANbus通信波特率：250K/s。

本系統的PLC配置如圖2所示。

1.3.2 網橋配置及說明

網橋模塊協議使用CAN2.0B協議的擴展幀，控制字由PLC程序控制，根據數據的類型分為：周期采樣數據，緊急數據，命令數據。數據幀詳解見表1。

控制程序中，PLC作為系統控制器將實時設備運行的參數以數據包的形式周期的發送到網橋模塊以至GPRS模塊, GPRS模塊利用現有的GSM/GPRS移動通訊網作為通信傳輸的媒介來實現設備工況信息的傳遞，將工況數據實時發送至遠程服務器，遠程服務接受系統主要由安裝在監控中心的中央監控系統組成，也可分為通訊層、核心層和應用層。GPRS模塊為控制中心實時提供每一臺設備的最新工況數據、運行的狀況和報警信息，控制中心自動記錄這些信息以便事后分析。

圖3 遠程服務結構圖

1.3.3 GPRS數據接收端說明及配置

中央監控系統將收到的數據及其它數據還原后，根據服務器之前建立的每單個數據庫，更新當前設備的狀態信息，用戶可利用自己的權限上網進行設備信息的收發、查詢等工作，直觀地掌握設備的動態信息。遠程服務配置如圖3所示。

1.3.4 港口機械設備的通信數據服務

港口起重機設備在運行過程中，定期向遠程控制中心發送工況數據，如當前載重、當前風速、起升機構主要參數、小車機構主要參數、俯仰機構主要參數，并及時上傳新增的報警數據，在遠程服務平臺登記報警記錄，以備后續數據處理及分析。

實時報警手機訂閱功能，設備在運行中，如發生比較重要的故障及報警，本系統可及時發送短信息，信息內容包括故障內容及發生故障時刻的即時參數，方便服務人員及碼頭管理人員進行及時處理。提高設備的應用水平及智能化水平。

2 系統實現

在遠程監控網站中可由用戶利用權限登錄遠程維護平臺，實時對設備進行監控，監控的內容有：（1）主機檔案；（2）實時監控；（3）安裝調試；（4）故障診斷；（4）知識庫管理。

（1）主機檔案

可由配置對話框添加及修改產品配置信息，包括設備整機基本信息、主機配置信息、起升變頻器型號、起升電機型號、小車變頻器型號、小車電機型號、俯仰變頻器型號、俯仰電機型號、大車變頻器型號、大車電機型號及吊具型號。電子產品配置信息包括SYMT編號，SYMT序列號，硬件版本，軟件版本。控制器型號，控制器序列號，軟件版本。

控制器型號及序列號由裝機時填寫質量信息：當前質保段，整機工作小時數，起升工作小時數，小車工作小時數，大車工作小時數等。有主機檔案，可為設備的保養、維修以及設備的性能做全面的把握，有利于提升設備的利用，數據統計也為廠家未來的設計提供有效的運行數據。

（2）實時監控

包括監控設備實時工況信息、單機故障監控、信元周期的設置，其中實時工況數據包含設備的重要工況參數、運行狀態參數、實時故障監控，用戶在設備應用時可實時遠程監控設備的運行，及歷史故障的發生機處理情況。其中包括起升、小車、大車、俯仰各大機構的詳細運行參數，更好地提高設備維護水平。

（3）故障診斷

用戶在遇到設備故障時，可通過故障診斷功能，輸入設備的故障情況，搜索后便可得到故障診斷的內容。在出廠前，廠家根據歷史經驗，填寫好初始診斷內容。之后用戶也可以自行添加故障診斷方案。

3 系統實驗成果

通過實驗可以得出，在設備上使用本系統可以達到以下效果:

（1）完善的業務管理流程

實現從登記—>測試—>入庫—>銷售—>停用的一體化管理流程，提升員工的工作效率，節約人力成本。

（2）高效的售后服務管理

保養提醒：可網站實時保養提醒，并可根據客戶需要，進行保養短信自動提醒，從而提高服務質量。

短信配置：可智能短信發送，具備群發功能，提高售后服務的管理效率。

（3）精準的設備遠程工況監控

實時工況、電氣部件工作狀態、起重作業狀態監控，使公司人員及客戶能遠程掌握設備的運行狀況。實時故障、報警提示，歷史工況、起重狀況、故障、報警等數據永久保存，實現設備至銷售日起，所有運行情況都有記錄。并有故障原因分析及故障檢修指南，提高售后服務人員的故障檢修及排除效率，加強客戶的滿意度。

（4）完善的設備作業情況統計

能記錄設備一天/一月的上電時間、作業時間、作業時段，并對作業量統計等數量了如使車主只要鼠標一動，設備的工作情況便可全部掌握。

4 總結及展望

本文介紹了在港機設備中使用西門子S7-300PLC作為控制器的港口機械設備遠程監控系統的組成以及系統實現。基于GPRS通信的遠程監控，其實時性可以滿足用戶對于港口設備的工況監控。本系統有利于港口設備自動化管理，為今后港口設備的管理打下了基礎。

當今自動化碼頭、無人碼頭等概念已逐漸深入人心，攝像監控技術以及OPC服務器也日趨成熟。GPRS網絡應用于數據傳輸，穩定性可基本保證，可實現基于GPRS數據的以太網模擬及RCMS數據的遠程備份，但因其實時性問題，應用于遠程操控還需時日。選用GPRS作為碼頭遠程管理與監控應用的一種選擇，對研究虛擬港口平臺與港口機械監控、港口管理、布局調度等系統集成技術，有著一定的借鑒意義。

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