基于GPRS和PLC的企业电网监控系统设计.pdf

总第 1 9 l期 2 0 1 1年 第 1 1 期 河北冶金 H EBEl M ETALLU 1 LG Y To t a 1 1 9l 2 0 1 1， Nu mb e r 1 1 基于 G P R S和 P L C的企 业 电网监控 系统设计 郭威 娜 ， 孟 锦 ， 杨 晓 旺 1 ． 河北联合大学 ， 河北 唐 山 0 6 3 0 0 9 ； 2 ． 河北邯郸美通 自动化公 司 ， 河北 邯郸 0 5 6 0 0 0 摘要 针对钢铁企业 电网监控 系统 的现 状 ， 设计 了基 于 G P R S和 P L C的企业 电网监控 系统 ， 该 系统成本 低 、 覆盖面广 ， 可满 足电网系统实时的数据监控要求 ， 提高了工作效率。 关键 词 G P R S ； P L C； 企业 ； 电网 ； 监控 系统 ； 设计 中图分 类号 T M7 2 7 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 5 0 0 8 2 0 1 1 1 1 0 0 5 3 0 3 DES I GN OF M ONI ToRI NG S YS TEM F 0R BUS I NESS ELECTRI C POW ER NETW ORK BAS ED ON GPRS AND PLC Gu o W e i n a ，M e ng J i n ，Ya n g Xi a o wa n g 1 ． He b e i Un i o n Un i v e r s i t y，T a n g s h a n，He b e i ，0 6 3 0 0 9； 2 ． He b e i Ha n d a n Me i t o n g Au t o ma t i o n C o mp a n y， Ha n d a n，He b e i ，0 5 6 0 0 0 Abs t r a c t To t h e s i t ua t i o n of i r o n a nd s t e e l b us i ne s s，a mo n i t o r i n g s ys t e m f o r e l e c t r i c po we r n e t wo r k ba s e d o n GPRS a nd PLC i s de s i g n e d．I t h a s of l o w c os t a n d wi d e c o ve r i n g r e g i o n a n d c a n me e t de ma n d of bu s i n e s s fo r r e a lt i m e m on i t o r i n g． Ke y W o r ds GPRS；PLC；e n t e r pr i s e；e l e c t r i c po we r ne t wor k；mo n i t o r i n g s ys t e m ；d e s i g n 1 引 言 随 着我 国一 些 钢 铁企 业 生 产 规 模 的不 断 扩 大 ， 对企业电网的可靠性和电力设备的测控提 出了越来 越高的要求 ， 许 多企业变 电站 已不能很好地适应 当 前生 产 的需要 。电 网数 据 多 以光缆 、 载波 、 无 线 电等 作为通信媒介进行传输 ， 目前 ， 这些传输方式已经不 适于钢铁企业 。作为通用工业控制计算机 的可编程 序控制器 P L C正成为工业 控制领域的主流控制设 备 ， 由 P L C构成的采集终端更能够保证 电力 系统 的 稳定性 。为此 ， 本 文设 计 了基 于 G P RS和 P L C 的变 电站监控系统 ， 为保证钢铁企业 电力系统 的安全稳 定运 行 提供 了一 种新方 法 。 2 对 R T U监 控 的要 求及 方案设 计 2 ． 1 对 R T U 监控 的要求 远动 终端 R T U R e mo t e T e r mi n a l U n i t 监 控 的 主要技术参数是 采集模拟量， 如电压信号 、 电流信 号、 温度信 号等遥测量 ； 数字量 ， 如开关变位信号等 遥信量。根据现场情况或调度要求进行开关遥控及 收稿 日期 2 0 1 l 一0 81 3 作者简介 郭威娜 1 9 5 1一 ， 女， 正高级工 程师 ， 1 9 7 6年 7月河北 矿 冶学院 自动化专业毕业 ， 现在河北联合大学科协工作 ， Em a i l k e x i e h e u u ． e d u ． c r l 变压器分接头位置有载调节 ， 并采用远程或就地切 换方式保留原站 的就地操作 功能 ， 满足变 电站改造 中电力调度 自动控制系统不同的上位监控与数据采 集要求及其数据采集 ， 其处理和控制功能可分别满 足远动终端的主要技术条件要求。 遥测精度 0 ． 2 5 ％ 模 拟量 输入 4～ 2 0 mA 事件顺序记录分辨率 ≤2 ms 遥信输人 无源接点方式 遥 控输 出 继 电器接 点 ， D C 2 2 0 V 5 A 平均故障间隔时间 ≥1 0 0 0 0 h 2 ． 2 设计方 案 根据上述要求 ， 设计一个二级监控系统 ， 系统结 构 如 图 1所示 。 在每个变 电站各安装 1台下位机 由数据采集 设备和无线数据终端组成 ， 上位机用 1台工控机进 行集 中管理控制 ， 分布在各 监控点 的上位机负责监 视 R T U的状态 ， 监控系统由以下几部分组成。 1 数据 采集设备 。通过电流互感器 、 电压互 感器 自动采集配电变压器低压侧的电压 、 电流、 频率 等数据 ， 经处理器运算后得到功率因数、 谐波和电能 等电量参数 ， P L C按设定 的通信规约将相应的数据 5 3 总第 1 9 1 期 送 给无线 数据 终端 G P R S DT U。 竺 卜 基 站 图 1 二 级 监 控 系统 结 构 框 图 F i g 1 Bl o c k d i a g r a m o f t wol e v e l mo n i t o r i n g s y s t e m 2 无 线数 据终端 单元 G P R S D T U。 可以 与 P L C等串口设备连接起来进行数据交互 ， 并且 内嵌 T C P ／ I P协议 ， 为不 具 备 T C P ／ I P协议 处 理 的终 端设 备提供了 G P R S通信能力 ， 具有 R S 2 3 2 ／ R S 4 8 5通信 接口， 可以控制和协调多台终端数据采集设备与上 位机 通信 。 3 上位 机服务器。 上位机服 务器具有 VP N 接人 功 能 ， 响应 远端 下位 机 的 VP N 连接请 求 。服 务 器通 过光 纤专 线 、 防火墙 和路 由器 ， 实时 连接 到互 联 网 ， 并且 申请 固定 I P地 址 。通 过 I P地 址 ， 经 无线 数 据终 端 与服务 器实 时进 行数据 传输 。运 行在 服 务器 上的采集软件 ， 负责收集下位机传送 的现场设备 的 运行 数 据 ， 也 可主 动进行 远端 数据 呼 叫 ， 询 问下 位机 的实时数据 ， 并进行相应 的配置。收集的数据经分 析 后 ， 输 出到相应 的数据 库 或文件 内 ， 供 数 据分 析管 理 软件 使用 。 4 基 站 。基 站 的重 要 功 能是 保持 频 率 和 时 间 标准 ， 完成时间和频率的协同， 提供系统需要 的频率 基准 、 精确 定时 、 同步 基准 和系统 时钟 。 3 下 位机 硬件 设计 3 ． 1 P L C的选型及通信方式 P L C是 以微处 理 器 为核 心 的工业 用 计 算机 ， 通 常有 整体式 和模 块式 两种 。模块 式 P L C结构 如图 2 所示 ． 5 4 图 2 模 块式 P L C结构示意图 F i g 2 S k e t c h o f mo d u l e PLC c o n fi g u r a t i o n 合适的通信方式是实现高效数据传输 的关键 是 P L C程序 的核 心 根 据 系统要 求 ， 选 择 的 两 子 s 7 4 0 0系列 P L C完 全能 满足需 要 ， 并 f Ⅲ 1 ‘ 易于扩 腱 、 价 格适 中 、 性 能稳定 。 系统要求 P L C作为主机主动 传实时数据 ， 在 指定的时间段内又作为从机 ， 接受 上位机的查谢 命 令 ， 进行 历史 数据 的查 询。西 门子 s 74 0 0系列 P L C的通信方式有点对点 P P I 式 、 多点接 L I 协} 义 MP I 式 、 D P式 、 自由端 口通信 式 ， 前 三种方 式 通信 固定 ， 并且通信距离有 限， 不能满足系统远程要求 因此 ， 本文采用 自由端 口通信方式 ， 自己定制通信协 议 ， 达到程序灵活地控制 P L C的通信方式。根据现 场要 求 ， 由 P L C采集数 据后 ， 选择 经过部 颁 C D T 循 环式远动规约 传输给 G P R S D T U模块 ， 然后通过 无线网络进行数据 传 ， 采集端通信结构原 如图 3所示 观场仪表 图 3 采集端通信结构原理 F i g 3 S c h e ma t i c d i a g r a m o f c o mmu n i c a t i o n s t r u c t u r e a t d a t a c o l l e c t i n g s i d e 3 ． 2 G P R S网络及 G P R S通讯服务器配置 G P R S G e n e r a l P a c k e t R a d i o S e r v i c e通 用 尢 线 分组 业务 网络在 G S M 网络 基 础上 ， 新 增 S G S N 卡 G GS N两 个 节 点 形 成 的 移 动 分 组 数 据 网 络 。GS N 具有 移动路 由管理 功 能 ， 可 以连 接各 种 类 的 数据 网络 ， 完成移 动 平 台 和各 种 数 据 网络 之 问的 数据 传 送 和格式 转换 G P R S D T U 设 备正确 配置通 服 务 器 I P、 网关 、 通 讯端 口后 ， 采集 终 端 的 实时 生 产 数据 经移 动 G P R S网络 的路 由管 理 转 换 至 I n t e r n e t 公 共 网络 ， 再被 通讯 服务器 接 收 ， 从 而实现 了企业 f 』 、 J t l／ i 测 点的数据上传。 目前 ， 各类 组态监 控 软 件均 对 G P R S DT U 没备 提供 了支持 。在 通讯 服 务 器 上 安装 调 试 监 控 系统 ， 新建 P L C、 D T U设备 ， 完成 G P R S通讯采集 置 ， 即 可与采集终端进行通讯。具体的配置方法如 卜 1 网络 配置 。通 汛 服务 器 进行 网络设 氍 n 丁 实现远程 D T U 指定的公 网 I P、 端 [ 1 映射至小地通 讯 服 务 器 。例 如 ， 公 司 外 网 I P 2 1 0 ． 1 5 6 ． 7 8 ． 6 5 ， 端 河北冶金 2 0 1 1年第 1 1期 口 3 0 2 6， 这些经过网络设置后 即可在本地服务器进 行关 联 映射 。 2 新建 P L C设备。根据终端选用的 P L C设 备型号 ， 选择合适的驱动程序 ， 必须选 择 C D T通讯 协议与上位系统交互。 3 G P R S通讯服务器配置完毕 ， 启用远程采集 终端后 ， 生产数据可实时上传。 4 下 位机 软件 设计 下位机的主要任务是完成采集信号并对所采集 数 据进行 处 理 和判 决 ， 还 要 与 G P R S无 线 模 块 进 行 通信以实现报警数据 的传输 ， 下位机软件工作流程 如 图 4所 示 。 厂 初始化 启动G P R S 模块 有无异样 GP RS 打包数据 辇 否 发 送 数 据 I 一 厂 图 4下位 机软件工作流程 F i g 4 Fl o w o f s o f t wa r e o f s e c o n dl e v e l c o mp u t e r 上 接 第 5 2页 2 ． 4视频模块 在无人值守系统里， 视频通过摄像 头直接传到 大屏幕上 ， 司磅员通过大屏幕控制汽车称重。而在 轮巡系统中， 将图像直接嵌入程序中， 当某一个汽车 衡过重时 ， 主机会在加 载完 汽车衡信息后调出相应 的视频图像 ， 使司磅员更加直观地监控过磅过程 ， 节 约了成本 ， 提高了效率 。 3 结 语 5 上 位机 的硬件 软件 组成 程序开始先 进行初 始化 ， 然后 启动 G P R S， 使 其处于待机状态 ， 然后将采集 的数 据进行处理 ， 并 根 据 事 先 的 约 定 判 决 R T U 的情 况 。如 果 有 异 常 ， 将报警数据发送 给 G P R S模块 ， 由 T C P ／ I P协议 栈 打包传到 GP R S网络 ， GP RS网络则通过路 由器与 I n t e r n e t 相连 ， 最后将数 据包发送到数 据 中心服 务 器 。G P R S模 块 有 UDP和 T C P两 种 通 信 模 式 ， 本 文选择 T C P方式 ， 这种方式具有传输稳定 、 数据不 易 丢 失 的优 点 。 本监控系统采用华研科技公司生产的工控机为 上位机 ， 用 Wi n c c 工控组态软件实现人机交互 ， 生成 的人机交互界 面主要 由信息管理 、 G P R S通信和数 据库管理 3个模块组成 ， 具有菜单操作 、 屏幕显示和 声光报警、 由电子地图显示报警位置、 防止系统被恶 意删改或误操作等功能 ， 对变电站 内系统运行状况 可以实时地进行监控和远程控制。 6 结 语 本 文设计 了适用 于钢 铁企业基于 G P RS网络 和 P L C实现 R T U监控 系统的方案 ， 成本 低 、 覆 盖 范 围广 ， 可满足系统 的实 时性要求 ； 监控 中心可以 对 监 控 范 围 内 的 所 有 分 散 点 集 中管 理 ， 提 高 了 工 作效率 ， 实现了真正意义上 的无人值守 ， 具 有广阔 的应 用 前景 。 参 考文献 [ 1 ] 金香 ， 等 基于 G P R S变 电站 R T U监控系统设 计[ J ] ． 沈阳师范大 学学报自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 2 8 2 1 9 8～ 2 0 0 ． [ 2 ] 李敏 ， 黄运生 ， 陈学 基于 GP R S的无线 电力监控 系统的设计 与 实现[ J ] ． 通信与信息处理 ， 2 0 1 0 ， 2 9 4 4 8～ 4 9 ， [ 3 ] 杨晓旺． C D MA在配 电网数据 传输 系统 中的应用 [ J ] ． 供用 电， 2 0 0 6 ， 2 3 4 1 92 2 ． [ 4] 陈立定， 冯景辉基于 P L C和 G P RS的远程环 境监 测 系统 设计 f J 1 ． 总线与 网络 ， 2 0 1 0 ， 2 6 3 2 62 8 ． 唐钢汽车衡轮巡称重系统在原有计量系统的基 础上 ， 充分利用现有资源 ， 吸取先进经验 ， 实现 了计 量 业 务 数据 的规 范化 、 标 准 化 、 电子 化 和集 成 化 ； 颠 覆 了传统的计量方式 ， 是唐钢计量 水平的一次质 的 飞跃。自该系统投入使用以来 ， 过衡效率明显提高 ， 计量异议也 明显减少 ， 取得 了很好 的经济效益 和社 会 效 益 。 5 5