基于GPRS技術(shù)電除塵器高頻電源智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張冬練，成佳慧，陳 斐，陳 祥，武善磊，劉磊磊

(南京國(guó)電環(huán)保科技有限公司，江蘇 南京 210061)

0 引言

近年來(lái)，通過(guò)“上大壓小”、技術(shù)進(jìn)步和加強(qiáng)管理等措施，全國(guó)平均供電煤耗較“十一五”初期降了10%。但另一方面，部分機(jī)組仍存在技術(shù)粗放、管理不善、能耗偏高、污染嚴(yán)重等問(wèn)題。隨著新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)的頒布實(shí)施，對(duì)除塵器的除塵效率提出更高要求。高頻電源作為電除塵器主要設(shè)備，如何在滿足除塵效率前提下，通過(guò)調(diào)整高頻電源設(shè)置參數(shù)降低能耗是目前擺在電廠運(yùn)行人員面前的主要難題。針對(duì)這種情況，開(kāi)發(fā)了一套基于GPRS 技術(shù)的電除塵器高頻電源智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了由于火電廠分布范圍廣闊且比較分散、地處偏遠(yuǎn)、交通不便，無(wú)法及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況的難題，有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，診斷運(yùn)行故障，解決電除塵器粉塵排放濃度高、耗電功率高等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

電除塵器高頻電源智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能是將高頻電源設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)CAN 總線采集到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器一方面提供兩個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口，采用Modbus TCP/IP 協(xié)議供電除塵器SCADA 系統(tǒng)，或者電廠SIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問(wèn);另一方面，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器內(nèi)置的GPRS 通訊模塊，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)方監(jiān)控和診斷功能。因此，主要工作有就地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和遠(yuǎn)方高頻電源智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器兩大部分開(kāi)發(fā)。電除塵器高頻電源智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 電除塵器高頻電源智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

從圖1可以看出，該系統(tǒng)可以分成三個(gè)部分:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷服務(wù)器，其中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸這部分功能在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。

(1)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)。將位于電除塵器頂部的高頻電源設(shè)備通過(guò)CAN 總線的通訊方式進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)器，這部分的通訊采用自定義協(xié)議，需開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與終端設(shè)備的通信程序?qū)崿F(xiàn)相互通訊。網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)器將采集的高頻電源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP/IP 協(xié)議，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的方式供電除塵器SCADA 系統(tǒng)、火電廠SIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)，并實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)冗余。

(2)GPRS 數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器內(nèi)嵌GPRS 模塊與遠(yuǎn)方進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本設(shè)計(jì)采用的是雙向通信，采用C/S 架構(gòu)，遠(yuǎn)程服務(wù)器端和GPRS 建立連接后，根據(jù)服務(wù)器的請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)GPRS 模塊遠(yuǎn)傳，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷。

(3)遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷服務(wù)器。一方面與分布全國(guó)各地的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器建立GPRS 通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。另一方面，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，提供人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)工程師在線監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷。

2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器開(kāi)發(fā)

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由以下幾個(gè)部分組成:核心部件微處理器、存儲(chǔ)器單元、以太網(wǎng)通訊單元、GPRS 模塊、CAN 總線單元、數(shù)字量模擬量采集單元以及JTAG 接口、USB、LED 顯示等。

2.2 GPRS 模式設(shè)計(jì)

GPRS 是一種基于GSM 系統(tǒng)的面向用戶提供移動(dòng)分組的IP 或者X.25 連接的無(wú)線分組交換技術(shù)［2］。本系統(tǒng)采用SIEMENS 公司GSM/GPRS 引擎MC52i 無(wú)線模塊，具有尺寸小、功耗低，永久在線連接、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)快等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 嵌入式系統(tǒng)的選擇

目前嵌入式操作系統(tǒng)主要有實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS－Ⅱ、Linux 嵌入式操作系統(tǒng)、VxWorks 嵌入式操作系統(tǒng)等。Linux 系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，再加上良好的可移植性，目前已經(jīng)成功地在數(shù)百種硬件平臺(tái)上運(yùn)行［3－4］，基于上述優(yōu)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)選用Linux。

3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器程序開(kāi)發(fā)

3.1 事務(wù)調(diào)度處理

本網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用模塊化編程方法，事務(wù)調(diào)度處理負(fù)責(zé)整個(gè)應(yīng)用程序不同線程的調(diào)度工作，保證事務(wù)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。按照功能指標(biāo)進(jìn)行劃分，我們建立了CAN 總線通訊處理、IO 數(shù)據(jù)處理、以太網(wǎng)通訊處理和GPRS 通訊處理4 個(gè)線程，這4 個(gè)線程的控制由事務(wù)處理模塊進(jìn)行調(diào)度。

3.2 CAN 總線通訊處理

在本設(shè)計(jì)中，四個(gè)CAN 總線都被當(dāng)作是一個(gè)字符設(shè)備，訪問(wèn)具體的端口編程與讀/寫文件的操作類似［5］，只需打開(kāi)相應(yīng)的設(shè)備文件即可操作。

3.3 I/O 數(shù)據(jù)處理

主要是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器擴(kuò)展量采集部分，包括AI、DI、DO 口的數(shù)據(jù)處理。

3.4 以太網(wǎng)通訊處理

為了滿足電廠需求，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通訊選用Modbus TCP/IP 通訊協(xié)議。Modbus TCP/IP 中Modbus應(yīng)用協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸使用的是傳輸控制協(xié)議(TCP)。參數(shù)和數(shù)據(jù)傳送方法是在TCP 報(bào)文的用戶數(shù)據(jù)容器中嵌入已經(jīng)封裝的數(shù)據(jù)包。另外在Modbus TCP/IP 中地址和校驗(yàn)也由底層的TCP 協(xié)議來(lái)完成。由于傳輸層以上采用C/S 結(jié)構(gòu)，遵循Modbus 協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸前需要在客戶端和服務(wù)器之間建立一個(gè)TCP/IP 連接。服務(wù)器使用端口502 作為Modbus TCP/IP 連接的端口。

3.5 GPRS 通訊處理

在GPRS 接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)際通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)處理非常復(fù)雜，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)類似，設(shè)計(jì)需要進(jìn)行分層考慮。針對(duì)本系統(tǒng)實(shí)際情況，借鑒PC 機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的OSI 七層標(biāo)準(zhǔn)，但是系統(tǒng)只需完成下圖中的四層協(xié)議即可實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中沒(méi)有任何意義，根據(jù)系統(tǒng)需要，簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)

GPRS 數(shù)據(jù)傳輸具體的實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過(guò)以下兩個(gè)步驟:首先需要獲取IP 地址，在使用中發(fā)現(xiàn)，IP 地址是不固定的，每次重新建立連接時(shí)，GPRS 模塊都會(huì)重新經(jīng)過(guò)PPP 協(xié)議獲得新的IP 地址，重新接入到Internet 網(wǎng)絡(luò)中;數(shù)據(jù)傳輸之前都需要經(jīng)過(guò)雙層協(xié)議封裝，TCP/IP 和PPP 協(xié)議都會(huì)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行封裝打包，處理過(guò)后的數(shù)據(jù)再由RS232 串口發(fā)送給GPRS 模塊［6－9］。

4 遠(yuǎn)程服務(wù)器開(kāi)發(fā)及應(yīng)用實(shí)例

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過(guò)GPRS 模塊，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入Internet 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，公司監(jiān)控診斷服務(wù)器將分布于全國(guó)各個(gè)地方電廠的高頻電源運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。專家系統(tǒng)根據(jù)高頻電源設(shè)備參數(shù)，電除塵器運(yùn)行參數(shù)，給電廠運(yùn)行人員提供技術(shù)指導(dǎo)。故障診斷模塊根據(jù)設(shè)備故障的機(jī)理，在線為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行診斷，并實(shí)現(xiàn)故障預(yù)報(bào)功能，消除故障隱患。

服務(wù)器端采用OPC(OLE for Process Control，用于過(guò)程控制的OLE)通訊。OPC 服務(wù)器是一個(gè)程序，它提供給不同制造商的應(yīng)用程序一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口，是在處理過(guò)程數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序、各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和用于訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)的接口之間的中間層［10］。OPC 服務(wù)器端事件處理流程見(jiàn)圖3。

圖3 OPC 服務(wù)器端事件處理流程

由于現(xiàn)場(chǎng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議Modbus，遠(yuǎn)程通過(guò)OPC 服務(wù)器進(jìn)行底層數(shù)據(jù)采集，通過(guò)在SCADA 組態(tài)配置不同的驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)采用的是MBE 驅(qū)動(dòng)，遠(yuǎn)程采用OPC 驅(qū)動(dòng)，通過(guò)不同的數(shù)據(jù)庫(kù)地址實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸顯示，避免二次開(kāi)發(fā)，減輕工作量。

輔機(jī)控制系統(tǒng)類型各異，接口數(shù)量眾多，因此采用OPC 和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠輔助車間集中監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)，必須選擇一個(gè)可靠、開(kāi)放的、具有二次開(kāi)發(fā)能力的控制系統(tǒng)平臺(tái)，用于開(kāi)發(fā)與各種控制系統(tǒng)接口程序也是關(guān)鍵之一。該系統(tǒng)已在華能南京電廠應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

基于GPRS 技術(shù)高頻電源智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，提供Modbus 以太網(wǎng)通訊方式，解決了電廠不同監(jiān)控軟件通訊接入問(wèn)題，利用GPRS 通訊，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)傳至遠(yuǎn)方服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了就地設(shè)備在遠(yuǎn)方監(jiān)控和診斷的功能，給電廠提供運(yùn)行技術(shù)支持和設(shè)備故障的及時(shí)排除得到充分的應(yīng)用。后續(xù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器運(yùn)行的可靠性、GPRS 通訊的穩(wěn)定性和遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷服務(wù)器的高頻電源數(shù)據(jù)挖掘是研究的重點(diǎn)。

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