簡(jiǎn)述GPRS網(wǎng)絡(luò)的PLC分布式控制系統(tǒng)

引 言

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，數(shù)字化技術(shù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并且日益滲透到各個(gè)領(lǐng)域，智能家居在21世紀(jì)將成為現(xiàn)代社會(huì)和家庭的新時(shí)尚。作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的PLC，30多年來(lái)不論是在功能上還是在應(yīng)用領(lǐng)域方面，都有著從邏輯控制到數(shù)字控制、單體控制到運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制到集散控制的飛躍，今天的可編程序控制器PLC正成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界各地發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。

而隨著PLC應(yīng)用的迅猛發(fā)展，各種高級(jí)控制策略不得不面對(duì)不同的對(duì)象在大跨距分散地點(diǎn)下的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)大范圍分布式應(yīng)用中各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸處理及遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程維護(hù)等就是很現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，這其中的前提之一就是各種數(shù)據(jù)包的遠(yuǎn)程傳輸.

以前，有的PLC應(yīng)用系統(tǒng)中采用了無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)通信來(lái)達(dá)到遠(yuǎn)程控制PLC的目的，但是這種方案仍然存在一些缺陷，主要就是其分布范圍仍然較為有限，而且隨著通信距離的增加，其可靠性受到很大影響。

目前最新應(yīng)用趨勢(shì)是將PLC控制系統(tǒng)與現(xiàn)有GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)全國(guó)，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。

GPRS+PLC方案優(yōu)點(diǎn)

中國(guó)移動(dòng)GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無(wú)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(wú)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(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)比較分析，我們選擇中國(guó)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無(wú)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)中心可以多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間快速，實(shí)時(shí)地進(jìn)行雙向通信，很好地滿(mǎn)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(mǎn)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(guó)范圍內(nèi)覆蓋，并且擴(kuò)容無(wú)限制，接入地點(diǎn)無(wú)限制，能滿(mǎn)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(guó)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(wú)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(yíng)成本低：

采用GPRS公網(wǎng)通信，全國(guó)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連接。系統(tǒng)要求能滿(mǎn)足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而GPRS技術(shù)能很好地滿(mǎn)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(cè)中心可輕松支持上千個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(yáng)能供電或蓄電池供電的場(chǎng)合下使用。

系統(tǒng)構(gòu)成

1、現(xiàn)場(chǎng)控制/采集點(diǎn)：

現(xiàn)場(chǎng)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(guò)RS232或RS485接口與GPRS DTU終端相連，PLC采集到的設(shè)備信息通過(guò)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(wú)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(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)線，申請(qǐng)配置固定IP地址，與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連。由于DDN專(zhuān)線可提供較高的帶寬，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)PLC數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿(mǎn)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(lái)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(guò)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。

3、GPRS/GSM移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：

PLC采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過(guò)中國(guó)移動(dòng)的GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心IP地址

系統(tǒng)方案

各現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)使用成都眾山科技有限公司的ZSD3120 GPRS DTU透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過(guò)移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連。各現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)的GPRS DTU使用移動(dòng)通信公司的GPRS普通數(shù)據(jù)卡或APN專(zhuān)用數(shù)據(jù)卡，同時(shí)監(jiān)控中心對(duì)各點(diǎn)GPRS終端編號(hào)進(jìn)行登記， 并與現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便識(shí)別和維護(hù)處理。監(jiān)控中心運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

產(chǎn)品特性

系統(tǒng)采用ZSD3120 GPRS DTU無(wú)線透明數(shù)據(jù)傳輸終端。產(chǎn)品基于中國(guó)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/RS485接口，可直接與PC、單片機(jī)系統(tǒng)、RTU測(cè)控終端、PLC、GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)集中器等連接，具有遠(yuǎn)程診斷、測(cè)試、監(jiān)管功能，滿(mǎn)足各行業(yè)調(diào)度或控制中心與眾多遠(yuǎn)端站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)采集和控制。

1、內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，針對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
2、提供GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)雙向傳輸功能
3、提供RS232/RS485/RS422接口
4、符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)
5、支持自動(dòng)心跳，保持永久在線
6、透明數(shù)據(jù)傳輸：為用戶(hù)的數(shù)據(jù)設(shè)備提供雙向100K大容量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，支持大數(shù)據(jù)包傳輸
7、自動(dòng)撥號(hào)連接：DTU上電自動(dòng)撥號(hào)上網(wǎng)、連接網(wǎng)絡(luò)，支持用戶(hù)端發(fā)起命令連接或遠(yuǎn)程喚醒連接
8、提供短信通道，內(nèi)置Unicode國(guó)際編碼轉(zhuǎn)換表
9、支持遠(yuǎn)程短信/電話喚醒
10、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接情況，掉線自動(dòng)重?fù)芄δ?BR> 11、支持中心為固定IP或動(dòng)態(tài)域名
12、心跳報(bào)告時(shí)間間隔用戶(hù)可設(shè)定
13、支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)對(duì)等 數(shù)據(jù)傳輸
14、支持APN數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)業(yè)務(wù)
15、安裝靈活、使用方便、可靠
16、支持多數(shù)據(jù)中心，自動(dòng)切換
17、適應(yīng)低溫和高溫工作環(huán)境
18、EMC抗干擾設(shè)計(jì)，適合電磁惡劣環(huán)境應(yīng)用
19、復(fù)合式看門(mén)狗技術(shù)，永不當(dāng)機(jī)
20、整機(jī)低功耗技術(shù)，在線待機(jī)電流20mA
安全措施

由于遠(yuǎn)程控制的特殊性，系統(tǒng)需要極高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無(wú)意的破環(huán)，網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施包括信道加密、信源加密、登錄防護(hù)、訪問(wèn)防護(hù)、接入防護(hù)、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24小時(shí)不間斷運(yùn)行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運(yùn)行。

監(jiān)控中心可通過(guò)公網(wǎng)接入，或者到移動(dòng)專(zhuān)網(wǎng)接入，采用公網(wǎng)接入方式成本比較低，企業(yè)不用租用專(zhuān)線，而使用數(shù)據(jù)專(zhuān)線接入時(shí)，GPRS數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備要經(jīng)過(guò)Radius服務(wù)器的認(rèn)證，
整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程得到了加密保護(hù)，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

1、APN數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)模式：企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中配置APN服務(wù)器，移動(dòng)終端使用APN數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)，由于采用數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)，服務(wù)器與公網(wǎng)Internet隔離，可以有效避免非法入侵。

2、用SIM卡的唯一性，對(duì)用戶(hù)SIM卡手機(jī)號(hào)碼進(jìn)行鑒別授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)對(duì)SIM卡號(hào)和APN進(jìn)行綁定，劃定用戶(hù)可接入某系統(tǒng)的范圍，只有屬于指定行業(yè)的SIM卡手機(jī)號(hào)才能訪問(wèn)專(zhuān)用APN，移動(dòng)終端與監(jiān)控中心采用中國(guó)移動(dòng)分配的專(zhuān)門(mén)的APN進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入，普通手機(jī)的SIM卡號(hào)無(wú)法呼叫專(zhuān)門(mén)的APN。

3、可以為每個(gè)GPRS數(shù)據(jù)傳設(shè)備單獨(dú)配置 DTU ID號(hào)和密碼，通過(guò)監(jiān)控中心在其登陸時(shí)進(jìn)行應(yīng)用層認(rèn)證，其他沒(méi)有中心分配的DTU
ID號(hào)和密碼的GPRS的設(shè)備將無(wú)法登錄進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性進(jìn)一步增強(qiáng)。

4、數(shù)據(jù)加密：可對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程進(jìn)行加密保護(hù)。
5、網(wǎng)絡(luò)接入安全鑒定機(jī)制：采用防火墻軟件，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)和安全防范功能，保障系統(tǒng)安全。

結(jié) 論

監(jiān)控中心采用有線方式，租用靜態(tài)IP目前費(fèi)用約800～1500元/月。采集點(diǎn)采用GPRS無(wú)線方式，流量費(fèi)用目前有包月制和按數(shù)據(jù)量?jī)煞N收費(fèi)方式，按流量計(jì)算0.01元-0.03元/KB，而包月制20元/月有1024KB流量，估計(jì)日后其費(fèi)用會(huì)逐步降低。

對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，由于通信費(fèi)用較低，享受到了實(shí)惠。另外，由于接入設(shè)備可以移動(dòng)，當(dāng)控制點(diǎn)搬遷時(shí)設(shè)備可隨之遷移并可繼續(xù)使用，可以保護(hù)用戶(hù)原有投資。