利用公有云對無人值守臺站進行數(shù)據(jù)傳輸和遠程監(jiān)控的研究

程 可，郭悅立，王 寧

（黑龍江地震局，黑龍江 哈爾濱 150090）

Abstract:At present, the unattended seismic stations in Heilongjiang Province have all implemented the separation of internal and external networks for security reasons. In this case, the data transmission and remote monitoring functions in many self-developed application equipment cannot be realized. In order to solve this problem, this paper takes the indoor temperature heating remote cloud temperature control system developed by Heilongjiang Seismological Station this year as an example to discuss how to use programmable controller and industrial intelligent gateway to transmit data and instructions wirelessly using public cloud and remote monitoring through personal computer and mobile phone as intelligent terminals.

Keywords:DVP10SX; DOPL07BV; WG58

由于國家“十三五”項目的推進，隨著我省地震無人值守臺站的不斷增加，其對各個站點的數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化的要求也有了新的需求，并且各項標準也不斷提高。出于對網絡安全的考慮，現(xiàn)在的無人值守站點全部實行內外網分離，除了國家規(guī)定的專屬地震設備可使用專用網段進行數(shù)據(jù)傳輸和操作，其余自行開發(fā)的設備一律不許接入。以前黑龍江地震臺為了在冬季避免由于溫度過低，設備觀測受影響，專為此開發(fā)了一套溫度控制系統(tǒng)，現(xiàn)在已經不再適應新的要求，所以我們在目前功能不變的基礎上要重新進行升級改造。具體升級思路：使用鉑電阻作為溫度傳感器連接專用模塊輸出4～20 mA 電流，使其能利用可編程控制器（PLC）進行采集?，F(xiàn)場操作面板使用7 寸觸摸屏，和外界通訊采用物通博聯(lián)公司出品的工業(yè)智能網關無線通訊模塊與云端建立聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)傳輸。使用公有云的意義在于，隨著第四次工業(yè)浪潮的到來，通過利用物聯(lián)網、數(shù)據(jù)邊緣計算、兩化間融合、云計算、海量數(shù)據(jù)分析等技術構建的工業(yè)互聯(lián)網應用，來實現(xiàn)數(shù)字化產業(yè)升級已經成為了必然的趨勢。

PLC 與無線智能網關采用RS485 通訊，網關通過移動信號接入云端服務器然后進入互聯(lián)網來實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作。現(xiàn)場采集的溫度值和設定溫度值都可以進行本地操作和利用遠程電腦以及手機操作。系統(tǒng)主要功能：當室內溫度低于最小設定值時啟動加熱，溫度達到最大設定值時停止加熱，總之讓室內溫度保持在設定范圍之內，從而避免由于溫度過低影響地震設備工作?，F(xiàn)場觸摸屏操作以及遠程PC 和手機對溫度的設定、顯示監(jiān)控、設備強制輸出功能采用組態(tài)方式顯示，簡潔、美觀、大方。

本溫控系統(tǒng)的主要特點：

（1）提供友善的本地和遠程界面，對溫度值實時監(jiān)測。

（2）對室內溫度值可隨時設定控制。

（3）顯示組件效果比以往更精致。

（4）畫面的儀表等組件顯示更順暢。

（5）具備有人闖入時的報警功能。

（6）利用云平臺接入技術操作簡單，可對設備進行遠程管理。

1 溫度控制系統(tǒng)的總體設計以及器件具體組成說明

整個控制系統(tǒng)核心分為兩部分：數(shù)據(jù)采集和處理單元使用臺達DVP 可編程控制器，數(shù)據(jù)傳輸通訊單元采用工業(yè)智能網關。根據(jù)實際應用情況可編程控制器PLC具體型號：DVP-SX，此機種為混合型主機，共有10 點通道，整個機型除包括4 點數(shù)字輸入與2 點數(shù)字輸出之外，還具有2 路通道的模擬量輸入（電壓/電流）及2 路的模擬量輸出（電壓/電流），同時均具有雙極性電壓/電流輸出能力。同時，內部建立兩位數(shù)的7 段數(shù)碼管顯示模塊，可以直接對應控制器內部特殊寄存器顯示通訊站號或客戶自己定義的訊息代碼，當PLC 在執(zhí)行程序過程中有錯誤產生時LED 數(shù)碼管會交替閃爍Er 信息與數(shù)字01（表示文法檢查錯誤）、02（表示程序遺失）。臺達PLC 型號DVPSX10R 為一種最新設計的電子裝置，主要將4 路外部的輸入裝置比如按鍵、感應器開關等通斷狀態(tài)和2 路模擬量讀取后，依據(jù)這些輸入信號的實時狀態(tài)或模擬數(shù)值的大小并根據(jù)內部預先下載到程序儲存器所編寫的程序，然后以內部微處理器執(zhí)行各種邏輯運算，以產生相對應的輸出執(zhí)行信號到輸出繼電器（Relay）的開關帶動接觸器吸合使加熱板加熱，來控制室內溫度程序的操作達到調溫的目的。并且藉由其周邊的個人計算機裝置輕松地編輯或修改程序以及監(jiān)控裝置狀態(tài)，可以進行現(xiàn)場程序的實時維護與調整，并且用來編程的語言普遍使用PLC程序設計的語言，即簡單明了的梯形圖程序設計語言。

控制器的IO 輸入輸出分配如下：AD 部分使用I0+作為溫度傳感器的模擬信號輸入，輸入為電流輸入，范圍為4～20 mA，信號來自和鉑電阻連接的溫控模塊，模擬通道的COM 端接24 V 的負極構成控制回路。數(shù)字量輸入部分X0 端為人體紅外開關信號輸入，X1、X2 作為遠程/本地選擇開關輸入信號，輸出端Y0、Y1 連接2 個繼電器線圈用來控制加熱板的交流接觸器和有人闖入報警燈。PLC 與工業(yè)智能網關RS485 總線連接，網關供電為24 V，采用4G 流量卡產生無線信號接入云端和物聯(lián)網。觸摸屏采用臺達產品型號為DOP-100，供電也為24 V，和PLC 用RS232 串口線相連。

2 現(xiàn)場的觸摸屏界面操作與具體功能

現(xiàn)場控制采用7 寸屏人機交互界面，開發(fā)軟件為DOPSoft，使用戶在界面操作上十分便利并且提供良好的操作環(huán)境，觸摸屏總體規(guī)劃為4 個界面，其中包括1 個主界面和3 個輔助界面。主界面畫面背景是臺站動態(tài)圖，每隔一秒進行切換，用來動態(tài)顯示臺站說明。畫面具有標題欄、日期欄、系統(tǒng)時間顯示欄以及背景的對比度調整控件，可實時顯示時間日期和對畫面進行調節(jié)。主界面包括3 個綠色的3D 按鈕，按鈕上標有文字說明，它們的功能：能夠分別進入溫度顯示界面、溫度設定界面和設備控制界面，這3 個界面是主界面的子界面，分別用來通過點擊按鈕進入子界面，在子界面中有返回按鈕，點擊后又可切換回主界面。

溫度顯示界面用來顯示臺站的實時溫度，在窗口中能實現(xiàn)有以下幾種顯示方式：數(shù)字窗口顯示、3D 儀表顯示、柱狀圖顯示、餅狀圖顯示，另外畫面還提供溫度歷史數(shù)據(jù)列表。窗口顯示可顯示目前溫度的數(shù)字值，數(shù)值隨著溫度的變化而變化。儀表顯示3D 控件背景為黃色，刻度范圍：-50℃～50℃，每隔10℃進行標注，儀表指針隨時指向現(xiàn)場溫度所在的位置。柱狀圖帶有刻度，背景為白色前景為藍色也可顯示溫度值，同時此界面還具有歷史數(shù)據(jù)查閱顯示功能列表，隨著時間的變化而隨時顯示此時刻的值，界面底部有返回主界面按鈕，點擊可回到主界面。

溫度設定界面主要功能是用來設定保持室內溫度的區(qū)間范圍，可分別對所要滿足室內加熱要求的溫度最大值、最小值、報警值進行設定。使加熱板在室內的溫度低于所設定的溫度最小值時電控柜內的交流接觸器吸合啟動加熱，當實際溫度等于或大于所設定的溫度最大值時交流接觸器斷開停止加熱，溫度達到報警溫度必須切斷加熱系統(tǒng)（報警設定值應大于最大設定值）。設定值窗口顯示設定值，窗口旁的增減按鈕用來修改設定值，設定界面也是通過返回按鈕返回主界面。

設備控制界面分為兩部分，其中左邊部分用來顯示遠程模式下的設備運行狀態(tài)，以便臺站工作人員隨時了解加熱系統(tǒng)的運行狀態(tài)，在頁面上可以對以下運行動態(tài)進行狀態(tài)監(jiān)視：人體紅外開關通斷運行狀態(tài)、加熱板啟動停止加熱狀態(tài)、本地/遠程運行狀態(tài)、報警指示燈運行狀態(tài)。在右邊部分是2 個開關按鈕用于在本地運行時手動強制加熱板和報警燈的啟動/停止，界面具有返回主界面按鈕。

3 如何利用公有云對現(xiàn)場溫控設備進行監(jiān)控以及遠程操作

3.1 公有云平臺概述

分布式設備數(shù)據(jù)云平臺包含3 個部分：針對分布式設備所采集的數(shù)據(jù)進行處理、專為現(xiàn)場設備采集數(shù)據(jù)應用服務的云端服務平臺和為數(shù)據(jù)透傳所設立的云服務平臺。它們的功能主要是對分布在各地的型號不同、通訊協(xié)議復雜的應用設備進行協(xié)議解析、海量數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應用開發(fā)及實現(xiàn)。

（1）分散各地的分布式設備數(shù)據(jù)處理中心的功能：對數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)處理及存儲提供支持，并且為各種物聯(lián)網服務提供中間件，為用戶管理設備和開發(fā)專用的應用系統(tǒng)提供平臺。對于數(shù)據(jù)加密和證書分發(fā)，數(shù)據(jù)采集設備接入，多類型數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析，以及數(shù)據(jù)的二次應用提供有力支持。

（2）設備數(shù)據(jù)應用服務的云端服務平臺：根據(jù)設備廠家的要求，采用網絡云平臺的方式為用戶建設一套標準的應用平臺，其功能為對設備、網關、變量、報警、運維、地理信息等管理、生命周期管理和數(shù)據(jù)分析，是一個專門的管理和業(yè)務運營平臺。

（3）數(shù)據(jù)服務透傳云平臺：臺站溫控系統(tǒng)使用物通博聯(lián)公司出品的智能網關是根據(jù)設備遠程運營和維護的要求，為用戶建立與現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)透傳的通道，從而方便地對現(xiàn)場設備進行遠程編程、監(jiān)控以及上下載程序。

產品具體形態(tài)包括：物聯(lián)網的中間件、為設備提供的云平臺、手機微信小程序和設備維護快線等平臺，具有免編程、免安裝軟件的特點，可快速實現(xiàn)現(xiàn)場設備與溫控系統(tǒng)的連接和通信，無論何時何地只要通過電腦瀏覽器、手機APP 和應用軟件實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、運維、管理等工作。

3.2 云平臺的功能設置

云平臺的設置主要包括兩部分：用戶權限設置和管理目錄的添加設置。用戶權限設置：先進行系統(tǒng)管理設置然后設置賬戶管理，最后對站點設備分配。設備管理目錄的添加設置的流程順序：（1）設備管理設置。（2）高級管理設置。（3）客戶管理設置。（4）地區(qū)管理設置。（5）站點管理設置。（6）網關管理設置。（7）機型管理設置。

通過瀏覽器訪問進入云端界面，通過輸入廠家提供的初始用戶名、密碼登錄云平臺，在主頁的右側功能欄點擊功能鍵進行設置。在功能欄中主要對配置管理、系統(tǒng)管理配置，點擊“我的設備”功能按鈕查看結果。在系統(tǒng)管理下的賬戶管理中創(chuàng)建用戶，用戶根據(jù)權限的不同分為機構管理員、設備管理員、設備維護人員、設備監(jiān)視員、測試用戶。賬戶設置之后再到功能欄中的配置管理下的網關管理添加網關功能，將無線網關的唯一序列號錄入進去。下一步繼續(xù)在功能欄中的機型管理中配置機型名稱、機型協(xié)議、機型接口、CPU 類型等，機型定義之后要對需要監(jiān)控的設備變量進行定義。最后在配置管理下的設備管理中點擊部署按鈕完成基本設置，同時數(shù)據(jù)就可傳上來了。

3.3 云平臺組態(tài)功能的設計

設備組態(tài)功能是目前對工業(yè)現(xiàn)場設備監(jiān)控操作的功能應用，數(shù)據(jù)云平臺通過設置，也可以使用畫面組態(tài)的方式來演示現(xiàn)場運行情況及遠程控制，在組態(tài)畫面集成了動態(tài)的實時數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)曲線的顯示、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的讀寫、歷史數(shù)據(jù)的查詢、故障報警和設備控制等功能，可以使用戶操作更方便、快捷。

遠程云組態(tài)設計分為電腦瀏覽器版和手機版，具體操作為通過功能欄中設備管理下的“機型管理”項目中的組態(tài)定義來完成。具體組態(tài)畫面和本地觸摸屏畫面類似，分為主畫面和子畫面，畫面之間通過按鈕切換，畫面中的控件經行數(shù)據(jù)綁定與變量建立聯(lián)系來滿足遠程操作。

4 結束語

利用公有云平臺對無人值守地震臺室內溫度系統(tǒng)設計完成后，在黑龍江省五大連池地震臺進行了實際檢測，完全滿足在設定溫度區(qū)間內加熱板的正常工作，在網關中流量卡流量正常情況下，遠程電腦終端和手機小程序中數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制都達到預期效果。