基于GSM的水电厂闸门PLC远程监控系统

基于GSM的水电厂闸门PLC远程监控系统摘要：利用GSM网络的SMS（ShortMessageService）通讯模块，构建了水电厂闸门远程监控系统的现地控制层与中控层之间的无线数据通讯系统，并采用Wavecom公司生产的SMS通讯模块WMOi3实现了SMS装置与PLC以及工作站之间的数据通讯，为闸门PLC远程监控系统提供了一种新的通讯方式。关键词：GSM；SMS；PLC；监控系统systemofhydropowerplantgatesbasedonGSMWANGWeihong1，LIYang2(1.InstituteofMechanicalEngineering,TianjingUniversity,Tianjing300072,China;2.DepartmentofElectricalEngineering,XianUniversityofTechnology,Xian710048,China)Abstract：SMS(ShortMessageService)GSMcommunicationmodulewasusedtobuildthewirelesscommunicationsystemofhydropowerplantgatesremotemonitoringsystem.Inthecommunicationsystem,thedataexchangebetweenthePLC,workstationsandSMSmoduleisresearchedbyWMOi3manufacturedbyWavecomcompany.Keywords：GSM；SMS；PLC；monitoringsystem1引言分层分布式控制技术已广泛应用于水电厂设备的监视和控制系统，作为水电厂的重要设备，水利枢纽各种的闸门控制已普遍采用基于PLC的分层分布式计算机监控系统［1］。分层分布式闸门监控系统通常采用以太网或现场总线网作为中央控制层设备与现场控制层设备的网络联结方式，采用屏蔽电缆或光纤作为系统的有线通讯介质，但当水利枢纽距离中控室较远，或者闸门分布较为分散时，基于上述两种通讯方式的闸门分布式远程监控系统将会耗费很多的通讯网络建设和维护费用。本文开发了一种基于GSM网络的无线通讯网络，来实现水电厂闸门远程控制通讯系统，实现了现地控制层设备与中央控制层（以下简称中控层）设备以及操作人员终端之间的无线网络连接，为水电厂闸门PLC的远程监控提供了一种新的技术手段。2系统结构如图1所示，某水电厂闸门分布式控制系统由现地控制层和中控层组成。其中，现地控制层以PLC为逻辑控制核心设备，中控层与现地控制层之间采用光纤以太网，完成闸门监视和控制数据的通讯。本文在光纤以太网的基础上组建了基于GSM网络的无线通讯网络，即在现地控制层增加了可与数台PLC进行通讯的基于GSM网络的SMS通讯装置，在中控层增加了一台用于短消息收发及处理的短消息工作站以及相应的SMS通讯装置。SMS通讯装置、短消息工作站以及支持GSM网络短消息服务的手机（移动电话），通过移动运营商的GSM网络组成了该水电厂闸门控制系统的无线数据通讯链路，完成中控层、现地控制层以及运行、检修人员之间闸门监视与控制数据的通讯。3系统特点图1所示的基于SMS服务的GSM网络为水电厂闸门控制系统提供了无线通讯手段，实现了闸门的无线远程监视与控制。3.1闸门的无线监视闸门监视信息由现地控制层的PLC负责采集，PLC中的短消息编码程序将需发送的闸门实时信息进行信息编码，然后通过RS232通讯接口，将该信息编码传送给SMS通讯装置，SMS通讯装置以GSM网络支持的SMS服务向接收方的SMS装置发送信息编码，接受方SMS装置将接收到的信息编码传送给短消息工作站或手机进行译码，译码后将闸门实时信息传送给操作员工作站或在手机上显示，中控层和运行人员就可得到闸门状态的实时信息。本闸门远程监控系统的监视信息的发送分为自报式和应答式两种工作方式。自报工作方式是指现地控制层自主地发送闸门监视信息，PLC既可以通过时间触发软件，定时地向中控层或运行/检修人员手机发送闸门监视信息，又可以通过状变触发软件，在PLC所监视的闸门信息发生状态变化时自动发送闸门监视信息。应答工作方式是指现地控制层在接收到中控层或运行/检修人员发送的请求发送闸门监视信息命令后，自动响应该请求命令，向中控层或运行/检修人员发送所需的闸门监视信息。中控层闸门监控软件通过以太网将请求命令发送给短消息工作站，在短消息工作站软件中对该命令进行信息编码，再通过短消息工作站的RS232通讯接口将该编码传送给SMS通讯装置，SMS通讯装置通过GSM网络向现地控制层SMS通讯装置发送该命令。对于运行/检修人员，可以在任何GSM网络覆盖区域，通过手机直接向现地控制层SMS通讯装置发送中文语言符号请求命令，如“1号泄洪洞闸门开度”等。3.2闸门的无线控制在中央控制层可以通过操作员工作站的闸门监控软件向短消息工作站发送闸门控制命令，经短消息工作站进行信息编码后，再通过SMS装置向相应的现地控制层SMS装置发送控制命令短消息编码，现地控制层的SMS装置接收到信息编码后将其传送给PLC，该控制命令信息编码经PLC译码软件译码后，PLC将自动调用相应的闸门控制程序完成相应的控制操作。运行/检修人员也可以通过手机，编写相应的闸门控制命令中文短消息，通过手机直接向相应的闸门现地控制层发送控制命令，从而完成相应控制操作。同时，在中央控制层的SMS装置也必须接受到手机发送的控制命令短消息，并经过短消息工作站的译码后，向操作员工作站内的闸门监控程序传送该操作命令，以完成该闸门的操作记录。4SMS通讯原理SMS服务是GSM网络提供的一种基本业务。每条SMS服务短消息可传送160个7位数据或140个8位数据。SMS通讯装置是一种可进行话音、短消息、数据及传真传送的双频通讯设备(EGSM900/1800MHz或EGSM900/1900MHz)。本文采用Wavecom公司生产的GSM通讯模块WMOi3，该模块提供了标准RS232接口，通过电平转换器可与PLC、PC进行数据通讯［2］。WMOi3支持GSMAT指令集，本文通过在PLC和短消息工作站中编制相应的SMS软件来完成闸门的远程监视和控制数据的通讯。即利用短消息编码软件对闸门的远程监视和控制命令进行编码，通过短消息通讯软件发送和接收GSM短信息编码，再通过译码软件将短消息编码转换成PLC或操作员工作站中的闸门监控软件可以识别的监控命令，从而实现闸门的远程监视和控制操作。5SMS编码发送和接收SMS短信息有两种方式：基于AT命令的TextMode（文本模式）和基于AT命令的PDU(protocoldescriptionunit)Mode模式。Text模式只能发送ASCII码信息，若要发送中文必须采用PDU模式的16位编码方式，因此本文利用AT指令集，采用PDU编码来发送和接收SMS短信息。在PDU模式下短信息经过编码后转换成UNICODE码被传送。因短消息的发送形式（由终端发起或以终端为目的）不同，PDU具有两种不同的格式，由终端发起时的PDU格式见表1，以终端为目的时PDU的格式见表2为［3］。其中SMSC为短消息服务中心地址，OA/DA为源/目的地址，PID为协议识别，DCS为数据编码，UDL为用户数据长度，VP为数据有效时间，MR为指明发出信息，SCTS为短消息到达业务中心的时间。PDU结构中的数据必须以16进制格式发送且必须为大写。用户数据UD即有效载荷有8位方式和7位方式两种，选用何种方式由DCS设置决定。WMOi3采用AT指令完成短消息的发送（AT+CMGF）、接收（AT+CMGR）、查询（AT+CPMS）和删除（AT+CMGD）等操［3］。以运行人员通过中控层操作员工作站或用手机对1号泄洪洞闸门进行开启至全开操作为例，假设1号泄洪洞闸门现地控制单元的SMS装置GSM号码为“139XXXXX999”，则运行人员向1号泄洪洞闸门现地控制层发送的信息正文为“1号泄洪洞闸门开启至全开”，中控层短消息工作站或运行人员手机发出的命令短消息PDU编码见表3。即发送的SMS的PDU编码为：0011000B916831X9XXXX99F900080118UD其中，前面两个00为固定格式，11为TYPE，00为MR，0B916831X5XXXX99F9为DA，00为PID，08为DCS，01为VP，18表示中文信息编码长度。UD的内容就是中文指令内容的UNICODE码，其详细内容为：003153F76CC46D2A6D1E95F895E85F00542F81F351685F00DA编码中0B91为固定格式，91表明TON/NPI遵守International/E.164标准，指在号码前需加“+”号。6831X9XXXX99F9：表示短消息接受端服务（SMSC）号码编码，编码方式为：每二位取反，奇数位补F［4，5］。18：表示短消息长度共24个字节。003153F76CC46D2A6D1E95F895E85F00542F81F351685F00表示待发送中文字符的UNICODE码。其中，字符原码与其UNICODE码对应关系如下：0031-153F7-号6CC4-泄6D2A-洪6D1E-洞95F8-闸95E8-门5F00-开542F-启81F3-至5168-全5F00-开6结束语基于GSM网络SMS服务的无线通讯技术，为水电厂闸门远程监控系统提供了一种新的通讯组网方式。在枢纽闸门距离中控室较远，或者闸门分布较为分散的情况下，基于GSM的无线通讯组网方式将会降低分布式闸门控制系统的通讯网络设备费用，并且将为水电厂闸门带来全新的无线巡视和遥控方式。参考文献［1］戴上安.水利枢纽泄洪闸门控制［J］.计算机与数字工程.2001,29(1):1-6［2］wmoi3specificaciones［EB/OL］．［3］wmoi3UserGuide［EB/OL］．［4］GSM07.05Version5.9.1,ETSI［DB/OL］.［5］GSM07.07Version5.6.1,ETSI［DB/OL］.