基于OPC和GPRS的空压机远程通信状态监控系统设计

姜玉叶,丁保华,赵志科,张晓光

(中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116)



基于OPC和GPRS的空压机远程通信状态监控系统设计

姜玉叶,丁保华,赵志科,张晓光

(中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116)

为实现煤矿空压机远程监测和集中控制，基于LabVIEW开发平台，通过OPC技术使下位机PLC S7-300与实时工作站建立联系，实现现场数据采集、处理、显示和设备监控，再通过GPRS DTU无线通信模块将数据实时传输到总站服务器进行监测界面还原，实现远程在线监控和故障诊断。结果表明：该系统实现了以数据传输代替人员移动，改变了技术人员现场服务的工作形态，程序界面直观地显示了空压机系统运行状态，对于提升企业的设备管理及监控取得了较好的效果。

OPC；GPRS；空压机；远程通信；状态监控；LabVIEW；PLC

0 引言

空压机是煤矿重要设备之一，主要作为风钻、喷浆机、井下操作设备等风动设备的动力源，一旦发生故障，将严重影响煤矿安全生产[1]，有必要对空压机进行在线监测和集中控制。目前，煤矿应用的空压机监控系统大部分仍停留在集控室监测和简单的故障报警阶段，导致高层管理人员和设备供应商不能实时了解空压机现场运行情况及故障趋势分析判断，且现场维护费用高。因此，本文以某煤矿企业实际空压机组集控系统为例，上位机基于LabVIEW平台，下位机基于PLC控制器，采用OPC技术和GPRS通信技术，实现具有远程监测和集中控制，集监控和管理一体化的空压机监控系统，使高层管理人员和设备供应商可以随时登录总站服务器检查各现场情况，在系统出现故障时及时得到通知。

1 OPC和GPRS技术

1.1 OPC技术

OPC(Object Linking and Embedding(OLE)for Process Control)基于微软的 OLE2(现在的 Active X)、COM (部件对象模型)和 DCOM (分布式部件对象模型)技术[2]，是一种连接硬件装置与过程控制客户应用程序之间的标准化的接口协议。本文采用TCP/IP Ethernet OPC Server 驱动的NI OPC Sever，为用户提供一个OPC Server接口，将TCP/IP 以太网设备连接到OPC Client应用程序中，OPC连接示意图如图1所示。

图1 用于LabVIEW和PLC通信的OPC连接示意图

在OPC的系统中，服务器(Server)和客户(Client)之间通过DCOM接口进行通信，NI OPC服务器中单独且一致的界面，能够与各种设备进行通信，并与LabVIEW组合而成的单一平台，可对新型和现有的工业系统进行高性能测量和控制，通过LabVIEW DSC模块(数据记录与监控模块)中的OPC客户端进行连接以确保与PLC通讯，且DSC模块与OPC Server 的通讯编程简单，其编程和读写速度不受OPC标签点数限制[3]。在实际应用中，作为下位机数据采集控制主站的PLC可以发挥硬件的全部效能，作为上位机的LabVIEW可通过OPC与NI OPC服务器的相应驱动程序无缝连接，从根本上解决了采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问题。

1.2 GPRS技术

GPRS 是通用无线分组业务的简称，是在 GSM 协议构架的基础上，增加支持分组交换的协议而实现的基于分组的无线通信服务，借用了移动的接入网和传输网，提供端到端的、广域的无线 IP 连接[4]。只要 GSM 网络覆盖的地方都可以使用这种网络，给用户提供了功能强大、方便灵活的数据透传解决方案。

在GPRS数据传输系统中，GPRS DTU模块采用了先进的GPRS无线通信技术、嵌入式ARM单片机技术和TCP/IP网络通信技术，内置工业级GPRS无线模块，提供标准的RS232/RS485数据接口，可方便连接串口仪表、工控机等设备，只需要一张SIM 卡，即可将工控机通过串口发送的数据透明传输到公网固定IP 或者域名的服务器数据中心上，并可以接受服务器的反馈命令。具有网络覆盖率高、传输特性好、实时性好等优点，特别适合中心对多点、点多分散、不方便布线等场合，为现有监控系统提供一种便捷的无线远程数据传输方式。

2 远程监控系统的总体结构

以某煤矿企业实际空压机组集控系统为例，现场有空气压缩机6台，其3台为螺杆式空压机，单台已内置PLC，其中PLC型号为MAM-KY02S，支持MODBUS RTU协议；3台为喷油螺杆式压缩机，单台已内置PLC，其PLC型号是CPU226。现场存在空压机只能实现单体运行功能，循环水泵系统都是人工手动操作，三者间的配合程度不高，空压机系统无法联合运行，操作效率得不到提高等问题。

为了实现空压机的集中近远程监控，对该系统优化改造，实现系统总体的融合，使系统具有远程监测、集中控制及远程服务器数据故障报警、监控和管理一体化功能。鉴于煤矿工作环境恶劣和系统功能的升级扩展及综合自动化的需要，采用抗干扰能力强、稳定性好的模块化通用S7-300作为下位机PLC主站，通过485方式通讯来控制循环水系统，并连接所有的空压机单体控制器，实时监测所有的运行工况参数，包括设备状态、排气温度、进气温度、排气压力、轴承温度、冷却水温、进水压力、排水压力、进水温度、排水温度、补水压力、水泵状态、水泵电流、水池温度、水池水位、风扇状态、风包温度、风包压力等。空压机远程状态监控系统结构如图2所示。

系统上位机采用信息处理能力强的LabVIEW开发平台，辅以Access数据库作为信息管理工具，采用OPC技术，连接PLC主站，实现螺杆式空压机、喷油螺杆空压机、循环水泵系统的联合运行和状态监测，进行数据采集、设备控制、设备运行状况以动画模拟方式显示，实时参数以数值和实时曲线方式显示，历史数据和报警信息以报表形式记录等功能，通过GPRS DTU模块将实时数据透明传输GPRS服务器数据中心，这样系统不仅可以在工业现场监控室对整个空压机系统实时监控[5]，而且可以远程通过一台可以上网的电脑或者一部可以上网的手机与GPRS服务器数据中心通讯，获取现场空压机系统的运行情况，在故障发生时可以短信通知，使管理员或者设备供应商可以管理一个总局或者是整个出厂产品的运行状况，大大提高了空压机系统的工作效率和安全系数。

图2 基于OPC和GPRS的空压机远程状态监控系统结构图

3 通信配置及软件设计

3.1 通信配置

为了保证煤矿企业远近程正常的实时数据通信，该系统需要对以下4方面进行配置。其中，包括DCOM配置、OPC配置、PLC设置、GPRS配置。

3.1.1 DCOM配置

在LabVIEW的基础上安装LabVIEW DSC模块并注册成功，使用之前需在OPC服务器和客户端上进行DCOM配置。以现场使用的WINDOWS XP系统重建OPC通信为例，配置包括WINDOWS防火墙配置和DCOM配置，主要包括在WINDOWS防火墙管理界面上配置允许客户端程序访问权限和添加OPC通讯TCP 135端口。DCOM配置中注意以下2个方面的问题：用户通过“访问权限”对话框对使用DCOM的应用程序(比如OPC Server程序)的“访问权限”进行配置；对在“启动和激活权限”中定义的每个用户，其本地和远程访问权限可以进行分别配置，默认情况下，WINDOWS XP SP2不允许经由网络的OPC通信。为了使基于DCOM的OPC应用程序可以通过网络工作，用户应该被给予OPC Server和OPC Client的远程激活和访问权限。

3.1.2 OPC配置

为了实现基于OPC的PLC主站与上位机LabVIEW程序的无缝数据通信，采用基于TCP/IP Ethernet OPC Server 驱动的OPC Sever，配置方便，与LabVIEW组合而成的单一平台可对工业系统进行高性能的测量和控制。它能够为用户提供一个OPC Server接口，将TCP/IP 以太网设备连接到OPC Client应用程序中，在主站PLC S7-300添加以太网通讯模块CP343-1，通过Industrial Ethernet工业以太网实现通信，但之前需要对PLC和上位机进行配置。

在上位机安装NI_OPC_Servers和LabVIEW DSC之后，打开“NI_OPC_Servers”软件，新建一个.opf文件，设置Channel的名称，选择设备驱动“Siemens TCP/IP Ethernet”，并设置相应通讯参数，然后新建设备，选择设备ID“Device ID”(所要连接的PLC设备的IP地址)，并设置与S7-300相应的一些通信参数，包括Link Type(连接类型)、Rack(实际机架的位置)、CPU Slot(连接PLC的CPU所在槽位)等，创建Tag标签来设置需要读取的PLC寄存器，即将PLC上真正的寄存器与一个变量联系在了一起。

3.1.3 PLC设置

若要建立S7-300 PLC和TCP/IP以太网驱动的连接，用户需要对PLC的CPU和以太网模块进行设置，使用STEP7编程软件对S7-300系统进行软件组态，在打开的Hardware硬件组态界面中进行相应组态，在机架“Rack”中插入需要的模块，为确保TCP/IP以太网驱动和PLC的正常通信，至少需要插入一个以太网通信模块(CP343-1)，配置以太网通信模块时，在“IP address”以及“Subnet mask”中分别设置通信模块的IP地址和子网掩码，并新建一个工业以太网络，这里设置的通信模块的IP地址等参数应该和在“NI_OPC_Servers”中新建设备的ID等参数一致；配置CPU的期望的PG/OP以及PC(S7 Communication)连接，配置完成之后，将组态编译之后将程序下载到CPU，则PLC方面设置完成。

3.1.4 GPRS配置

首先需要通过配置软件对GPRS DTU模块配置软件进行配置，把DTU的通讯参数配置为服务器IP地址或者域名和端口，并进行COM串口设置，使用TCM编码数据，选择传输方式为TCP/UDP协议传输等。在搭建服务器时，如果服务器直接连接在公网上，可以获得公网IP；如果是通过路由器上网，而路由器上的地址是没有通过NAT转换的公网IP，那么需要进行路由器的端口映射。

配置完成后，GPRS DTU可以和服务器数据中心建立链接，发送的第一个数据包即为登陆包，登陆包中含有终端编号，服务器软件可以依据中断编号来判断是哪个DTU登陆。DTU登陆后，在正常的连接发送数据过程中，每隔一段时间会发送一个心跳包，心跳包中含有终端编号，服务器软件可以依据中断编号来判断DTU是否在线。登陆帧、心跳帧和数据帧的前10个字节的含义见表1所示。

表1 帧格式及其含义

3.2 LabVIEW软件系统设计

空压机远程状态监控系统同时监测螺杆式空压机、喷油螺杆式空压机、循环水系统、高压柜等系统多种参数工况信息，采用模块化编程思想，整个监控软件可分为数据采集预处理模块、设备运行状态及参数可视化监测模块、故障诊断模块、数据库管理模块、GPRS网络通信模块等5部分组成。软件程序模块图如图3所示。

图3 LabVIEW软件程序模块图

3.2.1 数据采集预处理模块

数据采集预处理模块主要完成对被控设备现场数据的采集和数据预处理功能，即软件主要完成对温度信号、压力信号等变量的采集，以及变量的转换、标定，报警值的设定，数据滤波，编程中间量和简单的计算等功能。数据的采集基于OPC数据共享技术，需要在LabVIEW中创建程序控制PLC寄存器。创建流程如图4所示。

图4 LabVIEW中创建程序控制PLC寄存器流程图

3.2.2 设备运行状态及参数可视化监测模块

设备运行状态及参数可视化监测模块以模拟动画的形式显示空压机系统中各个设备的运行参数和运行状态。动画方式显示的主要信息有：空压机的温度、压力、电流信息，空压机的动画运行状态、开关的状态、运行时间和运行过程出现的异常报警等。

3.2.3 故障诊断模块

故障诊断模块把空气压缩机在工业运行过程中的实时数据储存于数据库，结合采用合理的专家系统进行数据挖掘完成对往复式空气压缩机运行设备的故障诊断，保障系统设备的安全使用。

3.2.4 数据库管理模块

鉴于使用方便、易于获取以及存取速度快等原因，本系统选择LabSQL作为Access数据库连接工具，实时保存所有重要的监测数据和故障信息及进行事件记录，为事故追忆、优化分析以及报表的处理提供依据。

3.2.5 GPRS网络通信模块

GPRS网络通信模块将监测系统实时的各种数据、参数、运行信息以及故障状态等通过LabVIEW函数选板中仪器I/O的串口子模板中的VISA功能模块串口发送数据到GPRS模块。VISA是虚拟仪器软件结构体系的简称，VISA驻留于计算机系统中，是计算机与仪器之间的软件连接层，用以实现对仪器的控制，其内部结构是一个先进的、面向对象的结构，这一结构使得VISA和在它之前的I/O控制软件相比，在接口无关性、可扩展性和功能上都有很大提高[6]，LabVIEW部分通信设计程序如图5所示。

3.2.6 软件系统主界面

系统界面采用多屏幕切换，清晰直观，包括压风机系统监测、低压柜系统、高压柜系统、设备管理与维护、参数设置、实时曲线、事件记录、报警记录、退出系统等，实现了对压风机集控系统的运行控制和参数监测。其中设备运行状况以动画模拟和指示灯方式显示，实时参数以数值和实时曲线方式显示，历史数据和报警信息以报表形式记录，并可通过打印机进行打印。主界面如图6所示。

图5 LabVIEW部分通信设计程序

图6 基于LabVIEW的空压机远程状态监测与集控系统主界面

4 结束语

该系统在LabVIEW平台下，基于OPC技术和GPRS技术，利用广泛的GPRS网络资源，连接现场空压机PLC和各类传感器，并采用VISA功能模块进行远程通信，实现了的空压机状态监测，程序界面友好直观，保障了远近程实时获取现场空压机工况，同时能够充分发挥领域专家的专业优势，通过远程数据分析及时预测和判断空压机故障，节省了大量人力物力，对于提高煤矿空压机安全性和管理的高效性有一定的意义。

[1] 刘小丽，张晓光.基于LabVIEW的压风机组状态监测及故障诊断系统设计.煤矿机械，2011，32(5):248-250.

[2] 赵涛.基于OPC和PLC的煤矿主扇风机在线监控系统的研究和设计:[学位论文].太原：太原理工大学，2010.

[3] 毕见卫.基于OPC和LabVIEW的数据采集系统在工业测控中的应用研究:[学位论文].成都：西华大学，2008.

[4] 成春旺.监控系统中基于GPRS的无线数据传输系统的研究与实现:[学位论文].北京：北京邮电大学，2006.

[5] 熊伟丽，汤斌斌，陈敏芳，等.基于LabVIEW和WEB技术的水处理远程在线监控系统.自动化仪表，2012，33(8):41-44.

[6] 刘小丽，张晓光.基于LabVIEW的S7-300PLC与PC机的串口通讯.仪表技术与传感器，2011(5):100-102.

Design of Remote Communication Condition Monitoring System for Air Compressors Based on OPC and GPRS

JIANG Yu-ye,DING Bao-hua,ZHAO Zhi-ke,ZHANG Xiao-guang

(College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221116,China)

To achieve remote monitoring and centralized control of air compressor in coal mine,based on the LabVIEW development platform,this paper established the real-time connection between PLC S7-300 and through monitor workstation OPC technology,and achieved field data acquisition,processing,displaying and equipment monitoring;Through GPRS DTU wireless communication module,it transmitted real-time data to terminal server;Terminal server restored the monitoring interface and realized the remote on-line monitoring and fault diagnosis. The results show that the system realizes the data transmission in instead of technicians moving,and changes the work patterns of service;the monitoring interface shows the working condition of the air compressors system intuitively. This system has a good effect on improving enterprise equipment management and monitoring.

OPC;GPRS;air compressors;remote communication;condition monitoring;LabVIEW;PLC

2014-03-27 修改稿日期：2014-10-11

TP277

A

1002-1841(2015)03-0107-04

姜玉叶(1989— )，硕士研究生，主要研究领域为远程监控及故障诊断。E-mail:jiangyuye20082009@126.com 丁保华(1963—)，副教授，硕士，主要研究领域为精密检测技术、虚拟仪器，机电系统控制。E-mail:dbh_e632 @126.com