基于TCP/IP 協(xié)議的擦窗機遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設計

董泊纖， 龍麒譚， 王偉龍

（長安大學，陜西 西安 710064）

0 引言

擦窗機作為高空作業(yè)機器， 對其安全性能有著極高的要求[1]。 當設備出現問題時，技術人員需及時趕到現場，不僅不便于故障的及時處理， 甚至可能產生更加嚴重的后果。 因此，如何有效監(jiān)測擦窗機狀態(tài)成為維持擦窗機工作穩(wěn)定、 安全運行的關鍵問題。 設計一種遠程的監(jiān)診系統(tǒng)，實現對設備的動態(tài)監(jiān)測，不僅便于非專業(yè)人士直觀了解擦窗機目前狀態(tài)， 而且便于專業(yè)人士遠程進行設備操作指導，從而排除安全隱患，節(jié)省了大量的人力物力，且相較于人工排查而言，也更為準確可靠，極大地節(jié)省了成本，提高了工作效率。

1 總體設計思路

系統(tǒng)采用B/S 模式架構進行人機交互，可以減輕服務器負擔，節(jié)省用戶內存，方便進行系統(tǒng)維護。擦窗機的PLC數據通過遠程通信模塊傳輸至云端服務器， 將數據解析后存儲至數據庫中以便系統(tǒng)調用， 實現PLC 與本系統(tǒng)的數據交互。 創(chuàng)建數據表以儲存用戶名、賬號密碼、設備地址、設備類型等信息，在服務器中部署WEB 項目調用數據庫，使用WEB 開發(fā)語言進行系統(tǒng)設計，完成擦窗機設備遠程監(jiān)測網站的開發(fā)。

2 數據采集方案

數據的遠程采集是通過通信模塊與云端服務器完成網絡通信實現的，是整個遠程監(jiān)測系統(tǒng)的核心。 系統(tǒng)的數據采集流程為：1） 利用TCP/IP 協(xié)議建立客戶端與服務器之間的連接；2） 使用MODBUS 協(xié)議獲取并解析PLC 數據，并將解析后的數據存入在服務器創(chuàng)建的數據庫內。

2.1 數據傳輸

擦窗機PLC 中數據可以通過RS-485 串口與遠程通信模塊連接， 通過WIFI、GPRS、4G 網絡將數據遠程傳輸至云端服務器，本文選用濟南有人物聯(lián)網公司的GPRS 模塊USR-GPRS232-730 進行數據傳輸，模塊與服務器之間采用TCP/IP 協(xié)議， 服務端與客戶端通過建立套接字進行通信[2]，圖1 為SOCKET 通信流程。 這里通信模塊用作客戶端，服務器用作服務端，通過對模塊進行配置，添加服務器IP 地址與接收端口， 便可將數據傳送至云服務器的指定端口。 服務器通信代碼如下：

tcp_server_socket=socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_STREAM)

tcp_server_socket.bind(("127.0.0.1",15000))

tcp_server_socket.listen(128)

new_client_socket,client_Addr = tcp_server_socket.accept()

recv_data = new_client_socket.recv(1024)

new_client_socket.send

(b"x02x01x00x00x00x18x3Cx33")

recv_data1 = new_client_socket.recv(1024)

new_client_socket.close()

tcp_server_socket.close()

圖1 SOCKET 通信流程

2.2 數據解析

在進行數據解析時采用Modbus 通信協(xié)議，PLC 作為Modbus 從站，服務器作為Modbus 主站。 服務器循環(huán)向通信模塊利用MODBUS 指令發(fā)送獲取數據請求， 通訊模塊接收到指令后， 將PLC 離散輸入寄存器與線圈寄存器的數據發(fā)送至遠程服務器[3]，將獲取到的數據通過MODBUS協(xié)議解析后儲存至數據庫， 系統(tǒng)可通過AJAX 技術及HTTP 協(xié)議發(fā)送JSON 格式的數據， 將獲取到的PLC 數據在網站中顯示。 圖2 為MODBUS RTU 指令的格式。

圖2 MODBUS RTU 指令格式

3 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)客戶端是用戶對設備進行遠程監(jiān)測的直觀頁面，頁面排版應簡潔直觀且具有專業(yè)性，以方便不同類型的用戶的使用。 客戶端主要的兩個功能為：1）為用戶提供一個友好的人機交互界面；2）與服務器進行網絡通信，完成數據收發(fā)[2]。

3.1 設備狀態(tài)監(jiān)測

頁面可以展示設備的信息及目前在線/離線、故障/正常等狀態(tài)，實現對設備當前動作、限位開關狀態(tài)的直觀監(jiān)測，并可查看與該動作相關的點位信息。 當設備出現故障時，點擊故障排除可以顯示該故障的解決辦法。 為了清楚觀察主機及吊籃中的狀況， 分別在主機與吊籃中安裝攝像頭，將圖像接入網頁中，可實現設備的遠程實景圖像監(jiān)測，可以控制攝像頭旋轉，方便查看設備內部細節(jié)。 并且針對不同型號的設備，調節(jié)頁面的顯示內容與布置[4]。

3.2 設備故障分析

與一些大型工程機械的電氣系統(tǒng)類似， 擦窗機電氣系統(tǒng)線路眾多，控制較復雜[5]。 其可能的故障形式有：自檢故障，設備無輸入，設備無輸出，限位開關故障，接觸器故障，工作電機或液壓電機故障等。 設備出現故障的原因可能是：1）動作旋鈕，限位開關，接觸器或電機損壞。 2）觸點至PLC 之間接線斷開。3）未滿足設備動作的必要條件。將設備可能出現的故障編入程序中， 通過PLC 數據點組合判斷，在網站中顯示設備當前出現的故障及解決辦法。

4 系統(tǒng)測試

打開擦窗機模擬電控箱，將設備調至正常工作狀態(tài)。操作吊籃上升動作改變PLC I/O 口的數據值，GPRS 通信模塊將變化后的數據發(fā)送至指定服務端， 在服務端發(fā)送MODBUS 指令，如’02 01 00 00 00 18 3C 33’，該指令為從MODBUS 地址00001 開始， 讀取36 個線圈寄存器的數據， 立刻能接收到回復數據’02 01 03 07 00 00 8D BC’，其中’07 00 00’為36 個線圈寄存器的數據，共3 個字節(jié)，將數據通過MODBUS 協(xié)議規(guī)則解析后存入數據庫內，在網頁中調取數據庫， 便可將擦窗機狀態(tài)實時顯示在網頁中，90 個數據點的采集時間為2s，數據采集間隔為10s，如使用配置更高的服務器，還可進一步提升采集效率。 圖3為系統(tǒng)進行數據采集的工作流程圖。

圖3 數據采集流程圖

5 結論

本文針對目前擦窗機在管理監(jiān)測中存在的問題，根據擦窗機的特點，設計了基于擦窗機設備的遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。 通過測試顯示，系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定，采集數據的速度快、頻率高，滿足對設備的監(jiān)測要求，最終實現了對擦窗機設備的遠程監(jiān)測， 便于對設備故障的及時處理，縮短了故障時設備的停機時間，提升了經濟效益，為同類大型工程機械設備的遠程監(jiān)測系統(tǒng)提供了設計思路。