基于GPRS的攪拌站動態(tài)數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)

　　摘要：提出了一種基于GPRS的攪拌站動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)實時監(jiān)控攪拌站生產(chǎn)混凝土過程中的質量控制、達到間接控制工程施工質量的目的。系統(tǒng)利用控制反轉、三層架構、Socket通訊以及Windows服務技術進行開發(fā)。具體功能包含攪拌站PLC數(shù)據(jù)的獲取和發(fā)送、服務器接收、網(wǎng)站監(jiān)控客戶端的開發(fā)，并且使用了低耦合的配置模式搭建系統(tǒng)的核心架構。通過此系統(tǒng)，攪拌站上級管理部門可以清楚監(jiān)控到每個攪拌站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并能對數(shù)據(jù)進行深入分析，驗證其配料組成的合理性。

　　關鍵詞：控制系統(tǒng)，攪拌站，GPRS，Windows服務，級配。

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

　　隨著計算機技術的普及,信息系統(tǒng)和管理系統(tǒng)已廣泛應用于路面施工過程,生產(chǎn)質量的動態(tài)化管理已勢在必行。隨著高速公路建設的快速發(fā)展，質量隱患頻有發(fā)生。因此，有必要對瀝青路面施工過程進行遠程監(jiān)控。混凝土攪拌站是土建工程的基本生產(chǎn)設備。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量。為了能夠實時監(jiān)控攪拌站的生產(chǎn)配料情況，保證公路建造的高質量，本文講述了一種基于GPRS的攪拌站動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對攪拌站生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控，達到間接控制公路施工質量的目的。通過這個系統(tǒng)，上級管理部門可以遠程監(jiān)控公路質量一致性，提前發(fā)現(xiàn)工程質量隱患，防止不合格工程的出現(xiàn)。

　　1 項目背景

　　攪拌站是土建工程的基本生產(chǎn)設備,由攪拌主機、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)及其他附屬設施組成的建筑材料制造設備，主要功能是以水泥為膠結材料，將砂石、石灰、煤渣等原料進行混合攪拌，最后制作成混凝土，作為墻體材料投入建設生產(chǎn)。混凝土或瀝青攪拌站自投入使用以來，在我國建筑建材業(yè)一直發(fā)揮著重要作用，當然這也是混凝土或瀝青攪拌站本身所具備的優(yōu)越的特性所決定。

　　采用自動控制、檢測技術，對混凝土或瀝青生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)實現(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，了解級配的各種信息。由于目前各攪拌站單位使用攪拌站自動化控制的主要目的在于生產(chǎn)管理便利，然而，為了對整個路段的瀝青質量全程監(jiān)控，上級主管部門有必要對各攪拌站單位進行不間斷的信息采集、監(jiān)控。

　　通常，攪拌站大多設置在新建高速公路附近，在偏遠地區(qū)施工時，基本沒有寬帶網(wǎng)信號，信息交互只能通過移動信號覆蓋，GPRS[1]是野外信息交互的唯一方式。通用分組無線業(yè)務(General Packet Radio Service，GPRS)是一種以全球手機系統(tǒng)(GSM)為基礎的數(shù)據(jù)傳輸技術。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)、共享信道的形式來傳輸，需要的時候才有數(shù)據(jù)包產(chǎn)生。用戶可以隨時進行數(shù)據(jù)傳輸，而不是每次都需要撥號上網(wǎng)。

　　可以通過GPRS的信號，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，在當前批次的混凝土或瀝青澆注之前，就已經(jīng)獲知了當前批次的混凝土或瀝青的生產(chǎn)流水號，及其攪拌投料配合比等真實數(shù)據(jù);此外，通過定期獲取的數(shù)據(jù)對已澆注路段的商品混凝土或瀝青的施工及質量效果實現(xiàn)準確追蹤。混凝土攪拌站數(shù)據(jù)實時采集試驗的開發(fā)成功，確保了攪拌站生產(chǎn)投料數(shù)據(jù)的真實性和可追蹤性，搭建起了商品混凝土的質量監(jiān)管平臺。利用現(xiàn)代的管理理念和先進的管理手段，將質量管理、質量監(jiān)督的管理程序實現(xiàn)了前移，是實現(xiàn)建設工程質量監(jiān)控的一次新的嘗試。

　　2 系統(tǒng)架構

　　基于攪拌站的動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，其核心技術內(nèi)容是當前技術背景下的物聯(lián)網(wǎng)概念，利用現(xiàn)代傳感技術、結合現(xiàn)代網(wǎng)絡通信技術，對攪拌站各批次混凝土或瀝青的配比重量、溫度等參數(shù)實現(xiàn)全天候實時監(jiān)控，實時掌握質量變化情況，為攪拌站的高效工作和規(guī)范產(chǎn)出提供依據(jù)。系統(tǒng)由三部分構成：數(shù)據(jù)獲取和GPRS發(fā)送，服務器端數(shù)據(jù)接收和通信，網(wǎng)站客戶端實時監(jiān)控，具體架構如圖1所示。

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

　　可以通過PLC獲取攪拌站本地生產(chǎn)過程中的各項必要數(shù)據(jù)，經(jīng)由為攪拌站本地PC開發(fā)的發(fā)送程序獲取這些數(shù)據(jù)，最終通過網(wǎng)絡發(fā)送至上位機。上位機通過數(shù)據(jù)接收程序獲取數(shù)據(jù)后，存入服務器端數(shù)據(jù)庫;此后，便可通過訪問網(wǎng)站[5]來閱讀、分析相關數(shù)據(jù)，從而達到監(jiān)控目的。

　　動態(tài)數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控本套系統(tǒng)的特點，大致有以下特點主要可歸納為以下幾點。

　　(1)充分利用了互聯(lián)網(wǎng)的便捷性，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的即時傳輸。

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

　　(3)使用Socket通信技術(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)站開發(fā)采用了控制反轉技術，有效地減小了系統(tǒng)的耦合度，增強了系統(tǒng)的可擴展性。

　　(5)使用B/S(Browser/Server)結構開發(fā)監(jiān)控網(wǎng)站，比之客戶端結構具有更好的移動性，僅需一臺聯(lián)網(wǎng)的計算機或移動終端即可進行監(jiān)控操作。

　　(6)系統(tǒng)具有實時監(jiān)控，查看警報數(shù)據(jù)，骨架密實判定，項目信息的管理，報警規(guī)則制定，級配參數(shù)配置等功能，可以滿足公路局對攪拌站生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控的需要。

　　3 模塊設計

　　3.1 攪拌站數(shù)據(jù)獲取及發(fā)送模塊

　　使用windows服務作為本模塊的數(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)，通過安裝在PC中的服務程序(數(shù)據(jù)發(fā)送模塊)經(jīng)由DTU傳輸設備，通過移動網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　首先，攪拌站首先通過傳感器獲取原始數(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]，實現(xiàn)對混凝土生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)精確連續(xù)的控制。生產(chǎn)時，物料倉按照配方中設定的配料值自動將物料投放到物料秤上，系統(tǒng)通過物料秤采集的重量值實現(xiàn)自動投放配料，物料秤向骨料斗放料時同樣根據(jù)傳送帶電子秤采集到的重量值自動停止放料，兩次放料保證配料量的精確。同時，系統(tǒng)采用在線計算沖量的方法，根據(jù)實際情況實時調節(jié)沖量大小，進一步保證了配料量的精確。根據(jù)實際值和設定值計算出的多余物料將會留在物料秤上，參與到下一盤配料，每一盤的數(shù)據(jù)都會存放至數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL Server中。

　　服務程序跟隨計算機開機而啟動。程序開啟后，結合其中的計時功能，分時段對數(shù)據(jù)進行讀取，并對數(shù)據(jù)施以相關的協(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)的準確性，將一組數(shù)據(jù)按相關協(xié)議處理，在接收端以協(xié)議化逆過程處理接收數(shù)據(jù)的方式。

　　完成數(shù)據(jù)協(xié)議化處理后，將進入數(shù)據(jù)發(fā)送進程。協(xié)議化后得到的string數(shù)據(jù)類型被轉換成byte類型，經(jīng)由COM串口發(fā)送。發(fā)送過程中，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)并不是立即進入記錄時間節(jié)點功能，而是等待接收方送出的確認接收信號，若在確定時間內(nèi)未收到接收方的確認接收信號，程序將自動重發(fā)操作;反之，程序運行在正常進程。

　　3.2 數(shù)據(jù)接收模塊設計

　　首先，對程序進行配置，配置完成以后，啟動監(jiān)聽系統(tǒng);與此同時與遠程DTU保持一個Socket連接。在監(jiān)聽過程中，如果接收到由遠程發(fā)送來的數(shù)據(jù)，監(jiān)聽程序會觸發(fā)事件處理過程而轉入數(shù)據(jù)接收功能。

　　在進入數(shù)據(jù)接收功能處理進程中，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)應該是一個大小為1 024bytes的數(shù)據(jù)包，需要依據(jù)約定算法對數(shù)據(jù)包進行解析，最后存入數(shù)據(jù)庫。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)。

　　由于程序是自動運行在服務器上的，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。在程序運行過程中，可能會發(fā)生一些異常現(xiàn)象，由于這些異常現(xiàn)象用戶無法查看，通過查閱日志，用戶得以以文本格式查看運行過程中可能發(fā)生的異常性質、發(fā)生時間、發(fā)生異常的具體模塊、以及詳細說明。

　　3.3 網(wǎng)絡客戶端模塊

　　通過無線發(fā)送的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，被服務器獲取后存入數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡客戶端可遠程訪問、查閱數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)管。數(shù)據(jù)模塊中包括了實時監(jiān)控、配合比參數(shù)設置、施工溫度規(guī)范以及查看警報數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)都關聯(lián)到攪拌站動態(tài)質量監(jiān)控的關鍵功能。

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

　　此外，系統(tǒng)還提供了骨架密實判定模塊，配合比參數(shù)設置模塊、以及施工溫度規(guī)范模塊，這些模塊需要進行專業(yè)設置，用以對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行實時分析，對異常情況實行報警[8]，并以短信方式通知項目監(jiān)理工程師和相關人員，為及時采取相應措施提供了便利;實現(xiàn)了諸如瀝青質量、級配、瀝青溫度、混合料溫度、油石比、混合料溫度等參量的嚴格控制，實現(xiàn)了由效率低的事后檢測轉化為高效率的實時監(jiān)控，對提高瀝青路面質量，提高管理效率，節(jié)約建設資金，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實及可靠性，為提高路面質量管理提供了有效服務。

　　本文設計和實現(xiàn)了一種基于攪拌站的動態(tài)數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其開發(fā)主要包括后臺數(shù)據(jù)庫的建立、監(jiān)控數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式、后臺數(shù)據(jù)的管理以及頁面的Web設計。系統(tǒng)實現(xiàn)了基于攪拌站的動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所應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，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際生產(chǎn)中應用了本論文建立的動態(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)質量也得到極大的保證。

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