基于GPRS的攪拌站動態數據遠程監控系統

　　摘要：提出了一種基于GPRS的攪拌站動態數據監控系統，以實現實時監控攪拌站生產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。系統利用控制反轉、三層架構、Socket通訊以及Windows服務技術進行開發。具體功能包含攪拌站PLC數據的獲取和發送、服務器接收、網站監控客戶端的開發，并且使用了低耦合的配置模式搭建系統的核心架構。通過此系統，攪拌站上級管理部門可以清楚監控到每個攪拌站的實時監測數據，并能對數據進行深入分析，驗證其配料組成的合理性。

　　關鍵詞：控制系統，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年創刊，是中國最早的電子類期刊之一，也是目前國內最具權威性、發行量最大的電子技術月刊。

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

　　1 項目背景

　　攪拌站是土建工程的基本生產設備,由攪拌主機、物料稱量系統、物料輸送系統、物料貯存系統、控制系統五大系統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。混凝土或瀝青攪拌站自投入使用以來，在我國建筑建材業一直發揮著重要作用，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過程中的各個環節實現精確連續控制已非難事，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管理便利，然而，為了對整個路段的瀝青質量全程監控，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、監控。

　　通常，攪拌站大多設置在新建高速公路附近，在偏遠地區施工時，基本沒有寬帶網信號，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。通用分組無線業務(General Packet Radio Service，GPRS)是一種以全球手機系統(GSM)為基礎的數據傳輸技術。GPRS與在頻道上連續傳輸方式(如GSM)不同，其信息交互以分包(packet)、共享信道的形式來傳輸，需要的時候才有數據包產生。用戶可以隨時進行數據傳輸，而不是每次都需要撥號上網。

　　可以通過GPRS的信號，將攪拌站生產數據以確定的周期，定期發送到主管部門。如此，在當前批次的混凝土或瀝青澆注之前，就已經獲知了當前批次的混凝土或瀝青的生產流水號，及其攪拌投料配合比等真實數據;此外，通過定期獲取的數據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準確追蹤。混凝土攪拌站數據實時采集試驗的開發成功，確保了攪拌站生產投料數據的真實性和可追蹤性，搭建起了商品混凝土的質量監管平臺。利用現代的管理理念和先進的管理手段，將質量管理、質量監督的管理程序實現了前移，是實現建設工程質量監控的一次新的嘗試。

　　2 系統架構

　　基于攪拌站的動態數據監控系統，其核心技術內容是當前技術背景下的物聯網概念，利用現代傳感技術、結合現代網絡通信技術，對攪拌站各批次混凝土或瀝青的配比重量、溫度等參數實現全天候實時監控，實時掌握質量變化情況，為攪拌站的高效工作和規范產出提供依據。系統由三部分構成：數據獲取和GPRS發送，服務器端數據接收和通信，網站客戶端實時監控，具體架構如圖1所示。

　　系統整體采用.Net[2]，編程語言采用C#，其中數據采集和發送模塊采用了Windows服務程序，服務端采用Socket網絡通信技術，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[4]。

　　可以通過PLC獲取攪拌站本地生產過程中的各項必要數據，經由為攪拌站本地PC開發的發送程序獲取這些數據，最終通過網絡發送至上位機。上位機通過數據接收程序獲取數據后，存入服務器端數據庫;此后，便可通過訪問網站[5]來閱讀、分析相關數據，從而達到監控目的。

　　動態數據遠程監控本套系統的特點，大致有以下特點主要可歸納為以下幾點。

　　(1)充分利用了互聯網的便捷性，實現遠程數據的即時傳輸。

　　(2)采用服務類型編寫數據發送程序，既增強了程序的穩定性，又減小了系 統的負荷。

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

　　(4)網站開發采用了控制反轉技術，有效地減小了系統的耦合度，增強了系統的可擴展性。

　　(5)使用B/S(Browser/Server)結構開發監控網站，比之客戶端結構具有更好的移動性，僅需一臺聯網的計算機或移動終端即可進行監控操作。

　　(6)系統具有實時監控，查看警報數據，骨架密實判定，項目信息的管理，報警規則制定，級配參數配置等功能，可以滿足公路局對攪拌站生產數據監控的需要。

　　3 模塊設計

　　3.1 攪拌站數據獲取及發送模塊

　　使用windows服務作為本模塊的數據發送程序類型。根據攪拌站本地PLC獲得的數據，通過安裝在PC中的服務程序(數據發送模塊)經由DTU傳輸設備，通過移動網絡將數據發送出去。

　　首先，攪拌站首先通過傳感器獲取原始數據，原始數據經再由PLC(可編程邏輯控制器)采樣、加工后，傳送至組態軟件[6]，實現對混凝土生產過程中的各個環節實現精確連續的控制。生產時，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，系統通過物料秤采集的重量值實現自動投放配料，物料秤向骨料斗放料時同樣根據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，系統采用在線計算沖量的方法，根據實際情況實時調節沖量大小，進一步保證了配料量的精確。根據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，每一盤的數據都會存放至數據庫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，分時段對數據進行讀取，并對數據施以相關的協議化處理后按字節發送(由于數據發送只支持按字節發送)。為了確保接收數據的準確性，將一組數據按相關協議處理，在接收端以協議化逆過程處理接收數據的方式。

　　完成數據協議化處理后，將進入數據發送進程。協議化后得到的string數據類型被轉換成byte類型，經由COM串口發送。發送過程中，為了避免意外斷電產生數據丟失，采用了雙向通信的方式;即程序發送完一包數據后，系統并不是立即進入記錄時間節點功能，而是等待接收方送出的確認接收信號，若在確定時間內未收到接收方的確認接收信號，程序將自動重發操作;反之，程序運行在正常進程。

　　3.2 數據接收模塊設計

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

　　在進入數據接收功能處理進程中，由于接收到的是byte類型數據，首先須將該數據初步還原成以ASCII編碼方式的字符類型，其次判斷接收到的數據是否符合協議(協議由程序員自行定義)，如果符合，則將數據全盤接收，若不符，則過濾掉該次接收的數據。若接收數據符合協議，則該接收到的數據應該是一個大小為1 024bytes的數據包，需要依據約定算法對數據包進行解析，最后存入數據庫。此處用到的算法是攪拌站數據獲取模塊中，數據發送功能所試用的算法的反序列化，能夠完整還原原始數據。

　　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，為程序及數據管理提供便利。在程序運行過程中，可能會發生一些異常現象，由于這些異常現象用戶無法查看，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生的異常性質、發生時間、發生異常的具體模塊、以及詳細說明。

　　3.3 網絡客戶端模塊

　　通過無線發送的實時生產數據，被服務器獲取后存入數據庫，網絡客戶端可遠程訪問、查閱數據，并實時監管。數據模塊中包括了實時監控、配合比參數設置、施工溫度規范以及查看警報數據等，這些數據都關聯到攪拌站動態質量監控的關鍵功能。

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

　　此外，系統還提供了骨架密實判定模塊，配合比參數設置模塊、以及施工溫度規范模塊，這些模塊需要進行專業設置，用以對生產數據進行實時分析，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，實現了由效率低的事后檢測轉化為高效率的實時監控，對提高瀝青路面質量，提高管理效率，節約建設資金，保證監測數據的真實及可靠性，為提高路面質量管理提供了有效服務。

　　本文設計和實現了一種基于攪拌站的動態數據遠程監控系統，其開發主要包括后臺數據庫的建立、監控數據的呈現方式、后臺數據的管理以及頁面的Web設計。系統實現了基于攪拌站的動態數據監控系統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的核心架構，并使用圖形化處理數據。目前已有多家攪拌站公司在實際生產中應用了本論文建立的動態數據監控系統，大大改善攪拌站的工作效率，生產質量也得到極大的保證。

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