基于GPRS的攪拌站動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

　　摘要：提出了一種基于GPRS的攪拌站動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)嚢枵旧a(chǎn)混凝土過(guò)程中的質(zhì)量控制、達(dá)到間接控制工程施工質(zhì)量的目的。系統(tǒng)利用控制反轉(zhuǎn)、三層架構(gòu)、Socket通訊以及Windows服務(wù)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。具體功能包含攪拌站PLC數(shù)據(jù)的獲取和發(fā)送、服務(wù)器接收、網(wǎng)站監(jiān)控客戶端的開(kāi)發(fā)，并且使用了低耦合的配置模式搭建系統(tǒng)的核心架構(gòu)。通過(guò)此系統(tǒng)，攪拌站上級(jí)管理部門可以清楚監(jiān)控到每個(gè)攪拌站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，驗(yàn)證其配料組成的合理性。

　　關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)，攪拌站，GPRS，Windows服務(wù)，級(jí)配。

　　本文源自《電子技術(shù)》2019, 48(01): 54-56.《電子技術(shù)》是由上海市科學(xué)協(xié)會(huì)主管，上海市電子學(xué)會(huì)和上海市通信學(xué)會(huì)主辦的技術(shù)性月刊，1963年創(chuàng)刊，是中國(guó)最早的電子類期刊之一，也是目前國(guó)內(nèi)最具權(quán)威性、發(fā)行量最大的電子技術(shù)月刊。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及,信息系統(tǒng)和管理系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于路面施工過(guò)程,生產(chǎn)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)化管理已勢(shì)在必行。隨著高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，質(zhì)量隱患頻有發(fā)生。因此，有必要對(duì)瀝青路面施工過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。混凝土攪拌站是土建工程的基本生產(chǎn)設(shè)備。在混凝土的生產(chǎn)中，配料的稱量精度、配料的施工配比、原材料的含水率與供水量等直接影響混凝土的質(zhì)量。為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控?cái)嚢枵镜纳a(chǎn)配料情況，保證公路建造的高質(zhì)量，本文講述了一種基于GPRS的攪拌站動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌站生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到間接控制公路施工質(zhì)量的目的。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，上級(jí)管理部門可以遠(yuǎn)程監(jiān)控公路質(zhì)量一致性，提前發(fā)現(xiàn)工程質(zhì)量隱患，防止不合格工程的出現(xiàn)。

　　1 項(xiàng)目背景

　　攪拌站是土建工程的基本生產(chǎn)設(shè)備,由攪拌主機(jī)、物料稱量系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、物料貯存系統(tǒng)、控制系統(tǒng)五大系統(tǒng)及其他附屬設(shè)施組成的建筑材料制造設(shè)備，主要功能是以水泥為膠結(jié)材料，將砂石、石灰、煤渣等原料進(jìn)行混合攪拌，最后制作成混凝土，作為墻體材料投入建設(shè)生產(chǎn)。混凝土或?yàn)r青攪拌站自投入使用以來(lái)，在我國(guó)建筑建材業(yè)一直發(fā)揮著重要作用，當(dāng)然這也是混凝土或?yàn)r青攪拌站本身所具備的優(yōu)越的特性所決定。

　　采用自動(dòng)控制、檢測(cè)技術(shù)，對(duì)混凝土或?yàn)r青生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)精確連續(xù)控制已非難事，可以很方便地采集瀝青的配方，了解級(jí)配的各種信息。由于目前各攪拌站單位使用攪拌站自動(dòng)化控制的主要目的在于生產(chǎn)管理便利，然而，為了對(duì)整個(gè)路段的瀝青質(zhì)量全程監(jiān)控，上級(jí)主管部門有必要對(duì)各攪拌站單位進(jìn)行不間斷的信息采集、監(jiān)控。

　　通常，攪拌站大多設(shè)置在新建高速公路附近，在偏遠(yuǎn)地區(qū)施工時(shí)，基本沒(méi)有寬帶網(wǎng)信號(hào)，信息交互只能通過(guò)移動(dòng)信號(hào)覆蓋，GPRS[1]是野外信息交互的唯一方式。通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)是一種以全球手機(jī)系統(tǒng)(GSM)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。GPRS與在頻道上連續(xù)傳輸方式(如GSM)不同，其信息交互以分包(packet)、共享信道的形式來(lái)傳輸，需要的時(shí)候才有數(shù)據(jù)包產(chǎn)生。用戶可以隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不是每次都需要撥號(hào)上網(wǎng)。

　　可以通過(guò)GPRS的信號(hào)，將攪拌站生產(chǎn)數(shù)據(jù)以確定的周期，定期發(fā)送到主管部門。如此，在當(dāng)前批次的混凝土或?yàn)r青澆注之前，就已經(jīng)獲知了當(dāng)前批次的混凝土或?yàn)r青的生產(chǎn)流水號(hào)，及其攪拌投料配合比等真實(shí)數(shù)據(jù);此外，通過(guò)定期獲取的數(shù)據(jù)對(duì)已澆注路段的商品混凝土或?yàn)r青的施工及質(zhì)量效果實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確追蹤。混凝土攪拌站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)成功，確保了攪拌站生產(chǎn)投料數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可追蹤性，搭建起了商品混凝土的質(zhì)量監(jiān)管平臺(tái)。利用現(xiàn)代的管理理念和先進(jìn)的管理手段，將質(zhì)量管理、質(zhì)量監(jiān)督的管理程序?qū)崿F(xiàn)了前移，是實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)控的一次新的嘗試。

　　2 系統(tǒng)架構(gòu)

　　基于攪拌站的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，其核心技術(shù)內(nèi)容是當(dāng)前技術(shù)背景下的物聯(lián)網(wǎng)概念，利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，對(duì)攪拌站各批次混凝土或?yàn)r青的配比重量、溫度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握質(zhì)量變化情況，為攪拌站的高效工作和規(guī)范產(chǎn)出提供依據(jù)。系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)獲取和GPRS發(fā)送，服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收和通信，網(wǎng)站客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體架構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)整體采用.Net[2]，編程語(yǔ)言采用C#，其中數(shù)據(jù)采集和發(fā)送模塊采用了Windows服務(wù)程序，服務(wù)端采用Socket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，客戶端采用ASP.NET技術(shù)[3]。為了更好地維護(hù)，軟件架構(gòu)采用IOC(控制反轉(zhuǎn)技術(shù))和三層架構(gòu)系統(tǒng)[4]。

　　可以通過(guò)PLC獲取攪拌站本地生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)必要數(shù)據(jù)，經(jīng)由為攪拌站本地PC開(kāi)發(fā)的發(fā)送程序獲取這些數(shù)據(jù)，最終通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)接收程序獲取數(shù)據(jù)后，存入服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù);此后，便可通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)站[5]來(lái)閱讀、分析相關(guān)數(shù)據(jù)，從而達(dá)到監(jiān)控目的。

　　動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控本套系統(tǒng)的特點(diǎn)，大致有以下特點(diǎn)主要可歸納為以下幾點(diǎn)。

　　(1)充分利用了互聯(lián)網(wǎng)的便捷性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸。

　　(2)采用服務(wù)類型編寫數(shù)據(jù)發(fā)送程序，既增強(qiáng)了程序的穩(wěn)定性，又減小了系 統(tǒng)的負(fù)荷。

　　(3)使用Socket通信技術(shù)(TCP/IP)傳送數(shù)據(jù)，有效地保證了數(shù)據(jù)傳送的可靠性。

　　(4)網(wǎng)站開(kāi)發(fā)采用了控制反轉(zhuǎn)技術(shù)，有效地減小了系統(tǒng)的耦合度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

　　(5)使用B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)監(jiān)控網(wǎng)站，比之客戶端結(jié)構(gòu)具有更好的移動(dòng)性，僅需一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端即可進(jìn)行監(jiān)控操作。

　　(6)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控，查看警報(bào)數(shù)據(jù)，骨架密實(shí)判定，項(xiàng)目信息的管理，報(bào)警規(guī)則制定，級(jí)配參數(shù)配置等功能，可以滿足公路局對(duì)攪拌站生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控的需要。

　　3 模塊設(shè)計(jì)

　　3.1 攪拌站數(shù)據(jù)獲取及發(fā)送模塊

　　使用windows服務(wù)作為本模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送程序類型。根據(jù)攪拌站本地PLC獲得的數(shù)據(jù)，通過(guò)安裝在PC中的服務(wù)程序(數(shù)據(jù)發(fā)送模塊)經(jīng)由DTU傳輸設(shè)備，通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　首先，攪拌站首先通過(guò)傳感器獲取原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)再由PLC(可編程邏輯控制器)采樣、加工后，傳送至組態(tài)軟件[6]，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)精確連續(xù)的控制。生產(chǎn)時(shí)，物料倉(cāng)按照配方中設(shè)定的配料值自動(dòng)將物料投放到物料秤上，系統(tǒng)通過(guò)物料秤采集的重量值實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投放配料，物料秤向骨料斗放料時(shí)同樣根據(jù)傳送帶電子秤采集到的重量值自動(dòng)停止放料，兩次放料保證配料量的精確。同時(shí)，系統(tǒng)采用在線計(jì)算沖量的方法，根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)沖量大小，進(jìn)一步保證了配料量的精確。根據(jù)實(shí)際值和設(shè)定值計(jì)算出的多余物料將會(huì)留在物料秤上，參與到下一盤配料，每一盤的數(shù)據(jù)都會(huì)存放至數(shù)據(jù)庫(kù)Microsoft SQL Server中。

　　服務(wù)程序跟隨計(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)而啟動(dòng)。程序開(kāi)啟后，結(jié)合其中的計(jì)時(shí)功能，分時(shí)段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并對(duì)數(shù)據(jù)施以相關(guān)的協(xié)議化處理后按字節(jié)發(fā)送(由于數(shù)據(jù)發(fā)送只支持按字節(jié)發(fā)送)。為了確保接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將一組數(shù)據(jù)按相關(guān)協(xié)議處理，在接收端以協(xié)議化逆過(guò)程處理接收數(shù)據(jù)的方式。

　　完成數(shù)據(jù)協(xié)議化處理后，將進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程。協(xié)議化后得到的string數(shù)據(jù)類型被轉(zhuǎn)換成byte類型，經(jīng)由COM串口發(fā)送。發(fā)送過(guò)程中，為了避免意外斷電產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失，采用了雙向通信的方式;即程序發(fā)送完一包數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)并不是立即進(jìn)入記錄時(shí)間節(jié)點(diǎn)功能，而是等待接收方送出的確認(rèn)接收信號(hào)，若在確定時(shí)間內(nèi)未收到接收方的確認(rèn)接收信號(hào)，程序?qū)⒆詣?dòng)重發(fā)操作;反之，程序運(yùn)行在正常進(jìn)程。

　　3.2 數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)

　　首先，對(duì)程序進(jìn)行配置，配置完成以后，啟動(dòng)監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng);與此同時(shí)與遠(yuǎn)程DTU保持一個(gè)Socket連接。在監(jiān)聽(tīng)過(guò)程中，如果接收到由遠(yuǎn)程發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，監(jiān)聽(tīng)程序會(huì)觸發(fā)事件處理過(guò)程而轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)接收功能。

　　在進(jìn)入數(shù)據(jù)接收功能處理進(jìn)程中，由于接收到的是byte類型數(shù)據(jù)，首先須將該數(shù)據(jù)初步還原成以ASCII編碼方式的字符類型，其次判斷接收到的數(shù)據(jù)是否符合協(xié)議(協(xié)議由程序員自行定義)，如果符合，則將數(shù)據(jù)全盤接收，若不符，則過(guò)濾掉該次接收的數(shù)據(jù)。若接收數(shù)據(jù)符合協(xié)議，則該接收到的數(shù)據(jù)應(yīng)該是一個(gè)大小為1 024bytes的數(shù)據(jù)包，需要依據(jù)約定算法對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，最后存入數(shù)據(jù)庫(kù)。此處用到的算法是攪拌站數(shù)據(jù)獲取模塊中，數(shù)據(jù)發(fā)送功能所試用的算法的反序列化，能夠完整還原原始數(shù)據(jù)。

　　由于程序是自動(dòng)運(yùn)行在服務(wù)器上的，通常不可能安排24h人員值班，所以引入了日志功能，為程序及數(shù)據(jù)管理提供便利。在程序運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生一些異常現(xiàn)象，由于這些異常現(xiàn)象用戶無(wú)法查看，通過(guò)查閱日志，用戶得以以文本格式查看運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的異常性質(zhì)、發(fā)生時(shí)間、發(fā)生異常的具體模塊、以及詳細(xì)說(shuō)明。

　　3.3 網(wǎng)絡(luò)客戶端模塊

　　通過(guò)無(wú)線發(fā)送的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，被服務(wù)器獲取后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，網(wǎng)絡(luò)客戶端可遠(yuǎn)程訪問(wèn)、查閱數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)管。數(shù)據(jù)模塊中包括了實(shí)時(shí)監(jiān)控、配合比參數(shù)設(shè)置、施工溫度規(guī)范以及查看警報(bào)數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)都關(guān)聯(lián)到攪拌站動(dòng)態(tài)質(zhì)量監(jiān)控的關(guān)鍵功能。

　　從攪拌站獲取原始數(shù)據(jù)后，依據(jù)配合比參數(shù)，計(jì)算并得到級(jí)配數(shù)據(jù),其后可以進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。如圖2所示，該圖顯示所表現(xiàn)的是級(jí)配曲線[7]，可明顯看出攪拌站的配方情況。

　　此外，系統(tǒng)還提供了骨架密實(shí)判定模塊，配合比參數(shù)設(shè)置模塊、以及施工溫度規(guī)范模塊，這些模塊需要進(jìn)行專業(yè)設(shè)置，用以對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對(duì)異常情況實(shí)行報(bào)警[8]，并以短信方式通知項(xiàng)目監(jiān)理工程師和相關(guān)人員，為及時(shí)采取相應(yīng)措施提供了便利;實(shí)現(xiàn)了諸如瀝青質(zhì)量、級(jí)配、瀝青溫度、混合料溫度、油石比、混合料溫度等參量的嚴(yán)格控制，實(shí)現(xiàn)了由效率低的事后檢測(cè)轉(zhuǎn)化為高效率的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)提高瀝青路面質(zhì)量，提高管理效率，節(jié)約建設(shè)資金，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)及可靠性，為提高路面質(zhì)量管理提供了有效服務(wù)。

　　本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于攪拌站的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其開(kāi)發(fā)主要包括后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式、后臺(tái)數(shù)據(jù)的管理以及頁(yè)面的Web設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于攪拌站的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所應(yīng)具有的基本功能模塊，并且使用了低耦合的配置模式搭建系統(tǒng)的核心架構(gòu)，并使用圖形化處理數(shù)據(jù)。目前已有多家攪拌站公司在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用了本論文建立的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，大大改善攪拌站的工作效率，生產(chǎn)質(zhì)量也得到極大的保證。

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