基于GPRS通信的港口机械远程监控管理系统

徐健，张裕露，黄萍萍，周艳红（三一港机上海研究院，上海 200120）

近年来，我国港口装卸设备取得了飞跃式的进展，港口机械正朝着大型化、高效化、智能化的方向发展，提高港口作业效率有赖于设备的高效运转及维修时间的缩短。部分大型港口机械已配置设备管理系统，实现了港口企业对于设备的实时监控，而对于码头设备制造商而言，希望能够更多地了解设备状态及运行信息，并通过对这些信息的分析，提出设备的改进建议，并向用户提出前瞻性的维修及保养建议，以期达到提升产品质量及更好地为客户服务的目的。

要对这些设备实现远程监控需要处理巨大的信息量。以往的远程RCMS（远程起重机管理系统）多通过工业以太网通过服务器连接入Internet进行远程监控，基于日前GPRS网络的可靠性日益完善及应用的越来越广泛，本文介绍了一种使用GPRS终端设备，通过GPRS网络直接将实时的设备过程数据传至WEB服务器，用户可在IE浏览器上进行实时数据监控及设备数据处理实现远程RCMS的功能。

1 系统原理及组成

1.1 通讯基础

本系统涉及了两种主流通信总线的协议的转换， Profibus-DP总线和Can2.0B总线，其中PROFIBUS主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。CAN控制器局域网，在汽车电子控制装置之间交换信息形成汽车电子控制网络。由于其卓越的性能、极高的可靠性和低廉的价格现已广泛应用于工业现场控制等众多领域。

CAN协议是建立在OSI 7层开放互连参考模型基础之上的。但CAN协议只定义了模型的最下面两层:数据链路层和物理层，仅保证了节点间无差错的数据传输。CAN的应用层协议必须由CAN用户自行定义，或采用一些国际组织制订的标准协议。CAN协议支持两种帧格式，它们的主要区别在标识符的长度，具有11位标识符的帧称之为标准帧，而含有29位标识符的称为扩展帧。本系统采用Can2.0B扩展帧进行通信。

1.2 系统原理

PLC作为港口机械设备总控制器，将设备信息实时传至DP总线网络下的GPRS终端SYMT上，由SYMT周期性发送给远程数据解析器，进而进入用户数据库及在网站上显现出来。用户可以登录网站通过设备编号查询设备的详细信息，包括实时工况数据、历史工况数据、实时故障报警、历史故障记录，并制作故障诊断知识库。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

表1 CAN2.0B数据帧

1.3 系统组成

1.3.1 PLC配置及程序说明

本系统控制器为西门子PLC:S7-317-2DP，通信总线使用Profibus-DP，GPRS远程终端为公司自有产品SYMT2.0B终端(内置GPRS模块)，GPRS终端通信方式Can2.0B，通过profibus转Can模块进行总线桥接，使GPRS模块作为DP总线下的一个DP从站，桥接模块选用标准网桥模块，远程维护中心网站由公司IT部门自主开发。具体参数如下：

DP总线通信波特率： 1.5M/s；

GPRS通信频段：EGSM900/GSM1800/GSM1900 MHz；

最大发射功率：2W(EGSM)/1W(GSM)；

CANbus通信波特率：250K/s。

本系统的PLC配置如图2所示。

1.3.2 网桥配置及说明

网桥模块协议使用CAN2.0B协议的扩展帧，控制字由PLC程序控制，根据数据的类型分为：周期采样数据，紧急数据，命令数据。数据帧详解见表1。

控制程序中，PLC作为系统控制器将实时设备运行的参数以数据包的形式周期的发送到网桥模块以至GPRS模块, GPRS模块利用现有的GSM/GPRS移动通讯网作为通信传输的媒介来实现设备工况信息的传递，将工况数据实时发送至远程服务器，远程服务接受系统主要由安装在监控中心的中央监控系统组成，也可分为通讯层、核心层和应用层。GPRS模块为控制中心实时提供每一台设备的最新工况数据、运行的状况和报警信息，控制中心自动记录这些信息以便事后分析。

图3 远程服务结构图

1.3.3 GPRS数据接收端说明及配置

中央监控系统将收到的数据及其它数据还原后，根据服务器之前建立的每单个数据库，更新当前设备的状态信息，用户可利用自己的权限上网进行设备信息的收发、查询等工作，直观地掌握设备的动态信息。远程服务配置如图3所示。

1.3.4 港口机械设备的通信数据服务

港口起重机设备在运行过程中，定期向远程控制中心发送工况数据，如当前载重、当前风速、起升机构主要参数、小车机构主要参数、俯仰机构主要参数，并及时上传新增的报警数据，在远程服务平台登记报警记录，以备后续数据处理及分析。

实时报警手机订阅功能，设备在运行中，如发生比较重要的故障及报警，本系统可及时发送短信息，信息内容包括故障内容及发生故障时刻的即时参数，方便服务人员及码头管理人员进行及时处理。提高设备的应用水平及智能化水平。

2 系统实现

在远程监控网站中可由用户利用权限登录远程维护平台，实时对设备进行监控，监控的内容有：（1）主机档案；（2）实时监控；（3）安装调试；（4）故障诊断；（4）知识库管理。

（1）主机档案

可由配置对话框添加及修改产品配置信息，包括设备整机基本信息、主机配置信息、起升变频器型号、起升电机型号、小车变频器型号、小车电机型号、俯仰变频器型号、俯仰电机型号、大车变频器型号、大车电机型号及吊具型号。电子产品配置信息包括SYMT编号，SYMT序列号，硬件版本，软件版本。控制器型号，控制器序列号，软件版本。

控制器型号及序列号由装机时填写质量信息：当前质保段，整机工作小时数，起升工作小时数，小车工作小时数，大车工作小时数等。有主机档案，可为设备的保养、维修以及设备的性能做全面的把握，有利于提升设备的利用，数据统计也为厂家未来的设计提供有效的运行数据。

（2）实时监控

包括监控设备实时工况信息、单机故障监控、信元周期的设置，其中实时工况数据包含设备的重要工况参数、运行状态参数、实时故障监控，用户在设备应用时可实时远程监控设备的运行，及历史故障的发生机处理情况。其中包括起升、小车、大车、俯仰各大机构的详细运行参数，更好地提高设备维护水平。

（3）故障诊断

用户在遇到设备故障时，可通过故障诊断功能，输入设备的故障情况，搜索后便可得到故障诊断的内容。在出厂前，厂家根据历史经验，填写好初始诊断内容。之后用户也可以自行添加故障诊断方案。

3 系统实验成果

通过实验可以得出，在设备上使用本系统可以达到以下效果:

（1）完善的业务管理流程

实现从登记—>测试—>入库—>销售—>停用的一体化管理流程，提升员工的工作效率，节约人力成本。

（2）高效的售后服务管理

保养提醒：可网站实时保养提醒，并可根据客户需要，进行保养短信自动提醒，从而提高服务质量。

短信配置：可智能短信发送，具备群发功能，提高售后服务的管理效率。

（3）精准的设备远程工况监控

实时工况、电气部件工作状态、起重作业状态监控，使公司人员及客户能远程掌握设备的运行状况。实时故障、报警提示，历史工况、起重状况、故障、报警等数据永久保存，实现设备至销售日起，所有运行情况都有记录。并有故障原因分析及故障检修指南，提高售后服务人员的故障检修及排除效率，加强客户的满意度。

（4）完善的设备作业情况统计

能记录设备一天/一月的上电时间、作业时间、作业时段，并对作业量统计等数量了如使车主只要鼠标一动，设备的工作情况便可全部掌握。

4 总结及展望

本文介绍了在港机设备中使用西门子S7-300PLC作为控制器的港口机械设备远程监控系统的组成以及系统实现。基于GPRS通信的远程监控，其实时性可以满足用户对于港口设备的工况监控。本系统有利于港口设备自动化管理，为今后港口设备的管理打下了基础。

当今自动化码头、无人码头等概念已逐渐深入人心，摄像监控技术以及OPC服务器也日趋成熟。GPRS网络应用于数据传输，稳定性可基本保证，可实现基于GPRS数据的以太网模拟及RCMS数据的远程备份，但因其实时性问题，应用于远程操控还需时日。选用GPRS作为码头远程管理与监控应用的一种选择，对研究虚拟港口平台与港口机械监控、港口管理、布局调度等系统集成技术，有着一定的借鉴意义。

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