基于GPRS的天然氣壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

摘 "要： 為確保天然氣（CNG）壓縮機的可靠運行，降低設(shè)備維護成本，采用GPRS傳輸技術(shù)，把壓縮機監(jiān)控設(shè)備以無線方式鏈接到INTERNET上，構(gòu)建了CNG壓縮機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。提出一種采用組態(tài)軟件設(shè)計的人機交換界面，采用DTU實現(xiàn)GPRS聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的方法，實現(xiàn)了CNG壓縮機的遠程監(jiān)控。該方法具有成本低、容易實現(xiàn)、運行可靠的特點，具有良好的實際應(yīng)用價值，可為其他裝備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研究和設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞： 監(jiān)控系統(tǒng); 物聯(lián)網(wǎng); 天然氣壓縮機; GPRS; CNG

中圖分類號： TN98?34; TP277 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0092?04

GPRS?based IoT monitoring system of natural gas compressor

PU Han?jun1， XIE Xiao?peng1， ZHOU Shou?qin2， FU Xiong?xin2

（1. South China University of Technology， Guangzhou 510640， China; 2. China International Marine Containers （Group） Ltd， Shenzhen 518067， China）

Abstract： In order to ensure the reliable operation of natural gas compressors and reduce the cost of equipment maintenance， the GPRS transmission technology is adopted to connect the monitoring equipments of the compressors to the Internet wirelessly. The monitoring system of natural gas compressors is constructed on Internet of Things. A new method that uses configuration software to design the man?machine exchange interface and uses DTU to achieve the IoT construction connecting with GPRS is proposed， by which the remote monitoring of "natural gas compressors are realized. This method has the advantages of low cost， easy implementation， reliable operation and high practical value. It can provide a reference for research and design of the monitoring systems for other equipments’ IoT Systems.

Keywords： monitoring system; Internet of Things; natural gas compressor; GPRS; CNG

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與節(jié)能減排的需求，天然氣的使用已成為未來能源的一個主要方向。天然氣壓縮機作為天然氣應(yīng)用的主要設(shè)備，其應(yīng)用也隨之急劇增長。由于天然氣壓縮機種類繁多、結(jié)構(gòu)與功能復雜，其故障排查與維修也復雜。目前，主要采用人工定期檢修、現(xiàn)場檢測的方法對CNG壓縮機進行事后故障排查[1];由于其分布廣泛、數(shù)量眾多，采用事后人工現(xiàn)場排查故障的方式，費時費力，維護成本高;且事后排查故障存在較大的滯后，給用戶帶來不便，造成一定的經(jīng)濟損失。實時監(jiān)控天然氣壓縮機的運行狀態(tài)、工況參數(shù)，及時進行修正，可以避免造成不必要的損失;根據(jù)壓縮機的運行記錄，提前預估其故障，也降低維護成本;記錄歷史運行數(shù)據(jù)與報警信息，方便分析故障、可提高設(shè)備故障診斷與維修的效率。因此，研究天然氣壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有重大意義。近年，無線傳感[2?3]、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4?6]的發(fā)展和應(yīng)用已成為熱點，本文通過GPRS無線方式把分布廣泛的壓縮機連接到互聯(lián)網(wǎng)上，研究并實現(xiàn)了天然氣壓縮機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，為天然氣壓縮機的在線檢測、安全運行、智能故障診斷提供了可靠的技術(shù)保證。

1 "系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。系統(tǒng)由設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)、VPN局域網(wǎng)、移動Net、INTERNET四大網(wǎng)絡(luò)組成。

多臺CNG壓縮機組成設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)，各設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)通過其主監(jiān)控器對網(wǎng)內(nèi)的壓縮機進行實時監(jiān)控，把各壓縮機的實時運行工況、狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)信息進行管理和控制?，F(xiàn)場的設(shè)備監(jiān)控主機以無線方式連接到移動NET中，并通過移動NET的物理鏈路鏈接到NETINTERNET上。對于現(xiàn)場中分布的單臺壓縮機則可不經(jīng)過設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)直接經(jīng)移動NET連接INTERNET。建立鏈接后，每一個設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)（或壓縮機設(shè)備）在NETINTERNET上具有惟一的IP地址。遠程的監(jiān)控計算機根據(jù)該IP地址，通過VPN局域網(wǎng)與INTERNET進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)遠程壓縮機的數(shù)據(jù)訪問和控制。

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圖1 CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)從數(shù)據(jù)與信息處理角度劃分，可分為設(shè)備監(jiān)控層、數(shù)據(jù)傳輸層、存儲分析層、展示與管理層4個層級。每個層級采用對應(yīng)的不同系統(tǒng)，組成一個完整的綜合性的網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，各現(xiàn)場壓縮機通過現(xiàn)場總線（485總線、CAN總線等），連接成設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)為設(shè)備監(jiān)控層，負責壓縮機實時工況及運行狀態(tài)的監(jiān)控。壓縮機的監(jiān)控主機實時采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊上。數(shù)據(jù)傳輸層由GPRS模塊、發(fā)射基站、GPRS骨干網(wǎng)、INTERNET、VPN局域網(wǎng)構(gòu)成，它們之間采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳送。在網(wǎng)絡(luò)建立連接時，可以通過遠程監(jiān)控計算機主動連接設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的GPRS模塊，也可以通過GPRS模塊主動尋找監(jiān)控主機的服務(wù)器。由于 GPRS模塊通常是由路由自動分配IP地址，而監(jiān)控主機的服務(wù)器通常具有固定IP地址，所以本文采用GPRS主動尋找監(jiān)控計算機服務(wù)器的方式進行網(wǎng)絡(luò)連接。GPRS模塊上電后，首先尋找其附近的發(fā)射基站，通過它注冊到GPRS骨干網(wǎng)上，然后通過INTERNET，連接到其設(shè)置的IP地址對應(yīng)的VNP局域網(wǎng)的服務(wù)器上。該遠程監(jiān)控端的服務(wù)器接收到現(xiàn)場壓縮機的實時數(shù)據(jù)后，運行數(shù)據(jù)庫管理軟件，對該數(shù)據(jù)進行存儲，并運行專家系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析和管理，局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控計算機運行人機界面程序，對服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫進行顯示、查詢、修改，并根據(jù)專家系統(tǒng)及個人分析的結(jié)果發(fā)出控制命令，對遠程壓縮機進行控制。

2 "設(shè)備監(jiān)控層聯(lián)網(wǎng)

系統(tǒng)硬件由CNG壓縮機、控制器、現(xiàn)場總線、監(jiān)控主機、GPRS模塊、發(fā)射基站、網(wǎng)絡(luò)鏈路、服務(wù)器、監(jiān)控計算機組成。由于網(wǎng)絡(luò)物理鏈路已存在，用戶只需建立壓縮機的設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)和監(jiān)控計算機的局域網(wǎng)，并把它們連接到INTERNET上。在配置好相應(yīng)的參數(shù)后，任一連接在INTERNET上的計算機都可以都可作為監(jiān)控計算機，對遠程的任意一臺壓縮機進行數(shù)據(jù)交換，組成了的壓縮機物聯(lián)網(wǎng)?？梢?，設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的建立、設(shè)備監(jiān)控層的聯(lián)網(wǎng)、遠程監(jiān)控程序編寫這三個環(huán)節(jié)為壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。對設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的建立方面有較多的研究與應(yīng)用，故對此不做詳述。以下主要詳述設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)以及遠程監(jiān)控程序的編寫。

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圖2 CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸

如圖3所示，各個壓縮機PLC實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)：電源的電流電壓、閥門的開關(guān)狀態(tài)、進出氣口與儲罐的氣體壓力、進排氣溫度、報警信息、操作按鈕、潤滑狀態(tài)、排污情況等;監(jiān)控主機把各壓縮機PLC采集的數(shù)據(jù)進行接收、整理和存儲。然后把該數(shù)據(jù)傳輸給GPRS模塊、GPRS模塊采用TCP/IP或UDP協(xié)議經(jīng)INTERNET發(fā)送到遠程的服務(wù)器中。

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圖3 現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的數(shù)據(jù)收發(fā)

在監(jiān)控主機內(nèi)運行的程序由聯(lián)網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)收發(fā)和監(jiān)控管理三個子程序組成。聯(lián)網(wǎng)通信子程序負責向GPRS發(fā)送聯(lián)網(wǎng)請求，與遠程主機握手、實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的INTERNET掛接。數(shù)據(jù)收發(fā)子程序，負責接收下位機的監(jiān)控數(shù)據(jù)，存儲并發(fā)送到GPRS模塊端;當GPRS端傳來遠程控制指令時，該收發(fā)子程序接收該指令并向下位機發(fā)送指令信號，對CNG壓縮機進行控制。監(jiān)控管理字程序，主要負責對下位機進行管理，對實時數(shù)據(jù)分析、處理。GPRS模塊內(nèi)運行三個子程序：通信子程序、通信協(xié)議子程序和無線收發(fā)字程序。通信子程序負責與監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)交換;通信協(xié)議子程序負責把來自監(jiān)控主機的數(shù)據(jù)打包成TCP/IP或UDP協(xié)議格式，或把來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場總線協(xié)議格式，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信;無線收發(fā)子程序負責控制無線收發(fā)芯片，把數(shù)據(jù)信號以電磁波的方式發(fā)送出去，并把接受到的電磁波轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號，進行儲存。

3 "監(jiān)控界面設(shè)計

CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)關(guān)鍵在于壓縮機的設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的建立和聯(lián)網(wǎng)、遠程監(jiān)控界面的開發(fā)。CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)的遠程監(jiān)控程序，由壓縮機工藝圖、壓縮機狀態(tài)監(jiān)控、壓縮機地圖監(jiān)控、實時趨勢曲線、報警閥值設(shè)置、歷史趨勢曲線等程序模塊組成。

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圖4 壓縮機物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控人機界面組成

壓縮機工藝圖主要描述壓縮機的工作原理及流程;壓縮機狀態(tài)監(jiān)控主要負責壓縮機的運行狀態(tài)、運行參數(shù)的實時監(jiān)控;壓縮機地圖監(jiān)控主要實現(xiàn)壓縮機GPS位置定標功能;參數(shù)報表主要實現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的記錄、存儲、報表自動生成功能，可供用戶查詢，打印;報警閥值設(shè)置部分主要負責系統(tǒng)報警參數(shù)設(shè)置、連鎖啟/閉功能設(shè)置;實時趨勢曲線實時顯示系統(tǒng)壓力、溫度等狀態(tài)曲線;歷史趨勢曲線實現(xiàn)系統(tǒng)過去較長一段時間內(nèi)的狀態(tài)曲線數(shù)據(jù)記錄;報警記錄查詢部分實時記錄、存儲報警信號，方便故障排查。

為降低研發(fā)成本，減少系統(tǒng)開發(fā)周期，監(jiān)控程序各部分功能采用組態(tài)軟件Kingview 6.53進行開發(fā)[7?8]。所開發(fā)的壓縮機系統(tǒng)工藝的監(jiān)控界面及地圖監(jiān)控界面分別如圖5和圖6所示。

壓縮機監(jiān)控界面，通過Kingview軟件以畫圖及組態(tài)方式實現(xiàn)，其工藝參數(shù)通過在軟件的數(shù)據(jù)詞典中建立變量，然后連接變量到設(shè)備地址上實現(xiàn)。

監(jiān)控界面開發(fā)完成后，根據(jù)壓縮機控制器的實際情況，配置建立相應(yīng)的變量字典，在監(jiān)控界面中進行相應(yīng)的動畫鏈接配置，編寫相應(yīng)的運行腳本程序，然后通過Kingview的Web發(fā)布功能，實現(xiàn)整個遠程監(jiān)控端程序的開發(fā)。采用組態(tài)軟件Kingview設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)大大縮短系統(tǒng)監(jiān)控界面的開發(fā)周期，降低系統(tǒng)實現(xiàn)的研發(fā)成本，同時也確保系統(tǒng)運行的可靠性。

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圖5 CNG壓縮機工藝監(jiān)控界面

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圖6 壓縮機地圖監(jiān)控界面

4 "系統(tǒng)配置與應(yīng)用

在監(jiān)控界面開發(fā)完畢，GPRS模塊安裝完畢后，須進行GPRS模塊配置、服務(wù)器配置、監(jiān)控軟件驅(qū)動配置工作。

（1） 配置GPRS模塊

GPRS模塊選用DTU，其配置是否正確是決定系統(tǒng)連接是否成功的關(guān)鍵。在DTU的配置參數(shù)中，主要配置的參數(shù)有四個：模塊的ID號為一個小于32位的數(shù)，通常取其GSM卡的號碼作為其ID號;配置其要連接的公網(wǎng)IP地址;配置其通信協(xié)議，可選用的通信協(xié)議有TCP/IP、UDP以及TCP+UDP三種模式，通信協(xié)議要和遠程服務(wù)器端設(shè)置一致;配置通信端口，通信端口可配置為0～65 535，但注意該端口在遠程服務(wù)器中不能被占用。

（2） 配置服務(wù)器

首先，把遠程服務(wù)器連接到INTERNET上，查詢其IP地址是否與GPRS模塊端的IP地址一致。接著，運用TCP/IP端口配置工具，在服務(wù)器上開放一個端口作為與設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)GPRS通信的專用端口。如監(jiān)控計算機為局域網(wǎng)內(nèi)監(jiān)控計算機，需進行端口映射操作，把服務(wù)器上用來與GPRS通信的專用端口映射到裝有監(jiān)控軟件的計算機上。

（3） 監(jiān)控軟件驅(qū)動配置

在服務(wù)器中安裝Kingview 6.53中，根據(jù)壓縮機控制器（PLC）選取相應(yīng)的驅(qū)動程序，采用GPRS虛擬串口進行驅(qū)動配置，接著進行程序的Web發(fā)布，并運行監(jiān)控軟件。在INTERNET上的監(jiān)控計算機通過瀏覽器訪問該服務(wù)器，實現(xiàn)壓縮機狀態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

由于Kingview 6.53組態(tài)軟件具有豐富的圖形庫、設(shè)備驅(qū)動、通信接口等，監(jiān)控界面程序的開發(fā)只需進行界面繪制、組態(tài)配置和少量的腳本代碼編寫工作，用戶無需開發(fā)通信驅(qū)動，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的可靠性。安裝一個Kingview 6.53軟件最多可以同時加載128臺DTU，也就是最多可以同時把128個現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)或壓縮機連接到互聯(lián)網(wǎng)上形成一個小型的壓縮機物聯(lián)網(wǎng)。當壓縮機臺數(shù)多于128臺，可以采取增加服務(wù)器或采用虛擬服務(wù)器方式擴展。本文所設(shè)計壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用到中集集團旗下安瑞科公司生產(chǎn)的天然氣壓縮機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控上，應(yīng)用表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

5 "結(jié) "語

本文研究了天然氣壓縮機物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析了監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次與數(shù)據(jù)傳輸流程。在此基礎(chǔ)上，采用組態(tài)軟件Kingview 6.53設(shè)計壓縮機物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面程序，采用DTU實現(xiàn)了CNG壓縮機的物聯(lián)網(wǎng)與遠程監(jiān)控。實際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有成本低、容易實現(xiàn)、運行可靠的特點。

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