GPRS網(wǎng)絡(luò)的PLC分布式控制系統(tǒng)分析

引 言

　　自20世紀(jì)90年代以來，數(shù)字化技術(shù)取得突飛猛進(jìn)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(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)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(gè)人計(jì)算機(jī)（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(shè)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(zhì)量優(yōu)良，功能強(qiáng)大。

　　目前最新應(yīng)用趨勢是將PLC控制系統(tǒng)與現(xiàn)有GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)全國，甚至全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)超遠(yuǎn)程可靠傳輸，進(jìn)而達(dá)到數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程分析處理，遠(yuǎn)程控制的目的。

　　PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)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(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%（+15%）范圍內(nèi)，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(diǎn)

　　通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。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(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)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(dòng)GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動(dòng)通信公司的GPRS業(yè)務(wù)平臺(tái)上構(gòu)建分布式PLC控制系統(tǒng)，實(shí)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(luò)，縮短建設(shè)周期，降低建設(shè)成本的優(yōu)點(diǎn)，而且設(shè)備安裝方便、維護(hù)簡單。經(jīng)過比較分析，我們選擇中國移動(dòng)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(tái)。

　　GPRS經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說這項(xiàng)技術(shù)位于第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通訊技術(shù)之間。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。而且，因?yàn)椴辉傩枰F(xiàn)行無線應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器，所以連接及傳輸都會(huì)更方便容易。如此，使用者既可聯(lián)機(jī)上網(wǎng)，參加視訊會(huì)議等互動(dòng)傳播，而且在同一個(gè)視訊網(wǎng)絡(luò)上（VRN）的使用者，甚至可以無需通過撥號(hào)上網(wǎng)，而持續(xù)與網(wǎng)絡(luò)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(gè)包的前面有一個(gè)分組頭（其中的地址標(biāo)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(diǎn)：

　　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(gè)監(jiān)測點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。GPRS網(wǎng)絡(luò)本身具備完善的頻分復(fù)用機(jī)制，并具備極強(qiáng)的抗干擾性能，完全避免了傳統(tǒng)數(shù)傳電臺(tái)的多機(jī)頻段“碰撞”現(xiàn)象。

　　2、實(shí)時(shí)性強(qiáng)：

　　GPRS具有實(shí)時(shí)在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小，并支持多點(diǎn)同時(shí)傳輸，因此GPRS監(jiān)測數(shù)據(jù)中心可以多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)之間快速，實(shí)時(shí)地進(jìn)行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。目前GPRS實(shí)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(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，并且擴(kuò)容無限制，接入地點(diǎn)無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。對(duì)于分布在全市/全省范圍內(nèi)，或全國范圍的PLC控制系統(tǒng)，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)是其理想的選擇。

　　4、系統(tǒng)建設(shè)成本低：

　　由于采用GPRS公網(wǎng)平臺(tái)，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只需安裝設(shè)備就即可，建設(shè)成本低；也免去了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用。

　　5、系統(tǒng)運(yùn)營成本低：

　　采用GPRS公網(wǎng)通信，全國范圍內(nèi)均按統(tǒng)一費(fèi)率計(jì)費(fèi)，省去昂貴的漫游費(fèi)用，GPRS網(wǎng)絡(luò)可按數(shù)據(jù)實(shí)際通信流量計(jì)費(fèi)，（1分-3分/1K字節(jié)），也可以按包月不限流量收費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信。

　　6、系統(tǒng)的傳輸容量，擴(kuò)容性能好：

　　監(jiān)控中心要和每一個(gè)PLC控制現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shù)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(gòu)，具備良好的擴(kuò)展性能，一個(gè)監(jiān)測中心可輕松支持上千個(gè)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(yuǎn)在千里的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行雙向通信，GPRS數(shù)傳設(shè)備在工作時(shí)卻只需與附近的移動(dòng)基站通信即可，其整體功耗與一臺(tái)普通GSM手機(jī)相當(dāng)，平均功耗僅為200毫瓦左右，比傳統(tǒng)數(shù)傳電臺(tái)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(gòu)成

　　1、現(xiàn)場控制/采集點(diǎn)：

　　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(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)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(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)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(diǎn)由PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并采集相關(guān)信息，通過RS232或RS485接口與GPRS DTU終端相連，PLC采集到的設(shè)備信息通過GPRS  DTU終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)。

　2、監(jiān)控中心：

　　a）公網(wǎng)接入方案

　　服務(wù)器采用公網(wǎng)方式接入Internet，如ADSL撥號(hào)/電信專線寬帶上網(wǎng)等，申請(qǐng)公網(wǎng)固定IP地址；可以實(shí)現(xiàn)中小容量的系統(tǒng)應(yīng)用。

　　b）專網(wǎng)接入方案

　　服務(wù)器采用省移動(dòng)通信公司提供的DDN專線，申請(qǐng)配置固定IP地址，與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當(dāng)現(xiàn)場PLC數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求，可實(shí)現(xiàn)大容量系統(tǒng)應(yīng)用。

　　監(jiān)控中心RADIUS服務(wù)器接受到GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)后先進(jìn)行AAA認(rèn)證，后傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)主機(jī)，通過系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信安全性能。