基于GPRS的天然氣調(diào)壓站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐鑫凱，孟祥印，郝夢(mèng)捷，孫揚(yáng)智，唐　磊

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610031）

基于GPRS的天然氣調(diào)壓站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐鑫凱，孟祥印，郝夢(mèng)捷，孫揚(yáng)智，唐磊

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610031）

針對(duì)天然氣調(diào)壓站間距遠(yuǎn)、分散度高，以及傳統(tǒng)的有線監(jiān)控系統(tǒng)不能完全勝任調(diào)壓站的監(jiān)控工作的問(wèn)題，以GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊，結(jié)合STM32、WinCC以及MODBUS協(xié)議設(shè)計(jì)一套天然氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天然氣的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控，滿足大范圍、遠(yuǎn)距離的監(jiān)控需求。

GPRS；數(shù)據(jù)傳輸；MODBUS；WinCC；STM32

0　引言

天然氣傳輸覆蓋范圍非常廣，在天然氣的傳輸中，給天然氣提供輸送壓力和控制流量的天然氣調(diào)壓站分布在各個(gè)地區(qū)。傳統(tǒng)的天然氣調(diào)壓站監(jiān)控系統(tǒng)采用的是手動(dòng)控制，不能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化、集中化操作。特別是數(shù)據(jù)的傳輸一直以來(lái)采用現(xiàn)場(chǎng)走線，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控，在當(dāng)今天然氣用量大大提升的背景下，開(kāi)發(fā)可靠、實(shí)用的天然氣遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能大大提高天然氣的生產(chǎn)管理效率。根據(jù)現(xiàn)況筆者采用GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信模塊為核心，以STM32F103RC微控制器為信號(hào)采集板作為下位機(jī)以及 WinCC作為上位機(jī)設(shè)計(jì)一套用于天然氣調(diào)壓站的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備。

1　天然氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備、STM32下位機(jī)和GPRS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊、WinCC上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)構(gòu)成。天然氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)的工作流程：現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備通過(guò)RS485通信接口或者模擬量通信接口連接到下位機(jī)，由其處理其中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)下位機(jī)的串行接口，通過(guò)GPRS模塊與監(jiān)控中心上位機(jī)的監(jiān)控軟件進(jìn)行通信，將下位機(jī)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)使用。上位監(jiān)控系統(tǒng)由一臺(tái)工控機(jī)、顯示器以及軟件系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)以GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)信息傳輸[1]、上位機(jī)和下位機(jī)之間的MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)通信以及WinCC組態(tài)監(jiān)控軟件為核心，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、報(bào)警提示等。

監(jiān)控系統(tǒng)共4個(gè)模塊：數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊、下位機(jī)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控中心與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)通信、WinCC監(jiān)控界面。

圖1　天然氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體構(gòu)架圖

2　數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊設(shè)計(jì)

2.1GPRS技術(shù)介紹

GPRS全稱 General Packet Radio Service，它是 GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[2]。其信號(hào)覆蓋面積非常廣，同時(shí)具有良好的可靠性，可以在全國(guó)范圍實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。GPRS理論帶寬可達(dá)171.2 Kb/s，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在 40～100 Kb/s，在此信道上提供 TCP/IP連接；目前的實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在 100 Kb/s左右(雙向?qū)ΨQ傳輸)，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸構(gòu)架如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸構(gòu)架圖

2.2GPRS DTU通信設(shè)計(jì)

GPRS模塊硬件采用宏電 7710GPRS DTU，其無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸采用多個(gè)軟件構(gòu)成一個(gè)完整的通信平臺(tái)。軟件包括：KEPserver、configure virtual serial port driver、超級(jí)終端、無(wú)線數(shù)據(jù)中心。

KEPserver提供 OPC服務(wù)[3]，在其他軟件和控制設(shè)備之間搭起一座橋梁，使得用戶軟件可以直接訪問(wèn)控制設(shè)備的數(shù)據(jù);configure virtual serial port driver在電腦上建立一一對(duì)應(yīng)的虛擬串口，收發(fā)數(shù)據(jù)信息；超級(jí)終端軟件設(shè)置GPRS DTU參數(shù)，設(shè)定GPRS DTU的IP地址、波特率、SIM卡號(hào)、DSC通訊端口，設(shè)置為中控室的轉(zhuǎn)發(fā)軟件啟動(dòng)的監(jiān)控端口；無(wú)線數(shù)據(jù)中心是連接PC和互聯(lián)網(wǎng)的中轉(zhuǎn)軟件，通過(guò)設(shè)置無(wú)線數(shù)據(jù)中心的參數(shù)收發(fā)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信息。

2.3GPRS通信實(shí)現(xiàn)

GPRS DTU數(shù)據(jù)傳輸通過(guò) configure virtual serial port driver可實(shí)現(xiàn)一對(duì)或多對(duì)虛擬串口作為接受數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信接口，采用KEPserver作為中轉(zhuǎn)處理，實(shí)現(xiàn)虛擬串口和 PC端WinCC遠(yuǎn)程監(jiān)控程序界面之間的數(shù)據(jù)信息交換。分布在各個(gè)地點(diǎn)的下位機(jī)數(shù)據(jù)信息利用宏電7710 DTU由蜂窩網(wǎng)連接入互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送到對(duì)應(yīng) IP的主機(jī)串口；無(wú)線數(shù)據(jù)信息中心程序?qū)崿F(xiàn)PC端兩個(gè)虛擬串口之間數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)各個(gè)軟件的準(zhǔn)確設(shè)定以及前后恰當(dāng)銜接建立一個(gè)下位機(jī)物理232串口到上位機(jī)虛擬串口的數(shù)據(jù)透明傳輸路徑，使得上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)的和下位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線遠(yuǎn)程信息的交換，從而達(dá)到遠(yuǎn)距離的監(jiān)控目的。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸軟件構(gòu)架示意圖如圖3所示。通信模式設(shè)計(jì)：監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)作為調(diào)控中心，采用一個(gè)固定IP地址，分布在不同地點(diǎn)的GPRS DTU主動(dòng)連接調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)中控機(jī)管理多個(gè)GPRS DTU。

圖3　數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸軟件構(gòu)架示意圖

3　數(shù)據(jù)信息采集實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集硬件構(gòu)架如圖4所示。分布在各個(gè)地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備數(shù)據(jù)由核心控制器STM32F103RC芯片控制的下位機(jī)采集[4]，其與底層的流量計(jì)計(jì)算儀進(jìn)行通信，與變送器及探測(cè)器進(jìn)行模擬量采集。被采集現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備主要包括壓力變送器、溫度變送器、可燃?xì)怏w探測(cè)器、流量計(jì)、切斷閥、加臭控制器。

圖4　數(shù)據(jù)采集硬件構(gòu)架圖

主控芯片：STM32F103RC芯片是ST公司推出的增強(qiáng)型微控制器，其內(nèi)核采用ARM公司的高性能Cortex－M3，擁有512 KB的 Flash存儲(chǔ)器，集成復(fù)位電路、精確的 RC振蕩器以及低壓檢測(cè)，72 MHz全速工作時(shí)僅僅 36 mW的超低功耗，具備多個(gè) USART接口，性能完全滿足天然氣調(diào)壓站現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)采集要求。

光耦隔離模塊：采用 PS208－1芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)信號(hào)的隔離，通過(guò)下拉電阻R302把隔離處理之后的數(shù)字信號(hào)傳輸給處理器輸入引腳。光耦隔離電路如圖5所示。

隔離模塊：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)由于環(huán)境惡劣，在采集信號(hào)時(shí)，同時(shí)要做到隔離，本次方案采用Agilent公司的HCNR201芯片和輔助外圍電路實(shí)現(xiàn)采集0～20 mA模擬信號(hào)，同時(shí)做到線性光耦隔離。線性光耦HCNR201為電流驅(qū)動(dòng)型器件，其 LED的工作電流為1～40 mA，運(yùn)放器的選取必須保證其輸出電流有足夠的驅(qū)動(dòng)能力驅(qū)動(dòng)LED二極管。電路采用運(yùn)放LMV321IDBV，其輸出電流可達(dá)40 mA。選用 R101=R103=100 kΩ，且精度為千分之一，C101= C102=0.001 μF，就可實(shí)現(xiàn)隔離不放大的效果。隔離電路如圖6所示。

圖5　光耦隔離電路

圖6　模擬量采集隔離電路

備用電池模塊：為了防止外部電源意外中斷，設(shè)計(jì)了備用電池模塊，在外部電路正常工作時(shí)，電池不供電；當(dāng)外部電源中斷，電池立即給系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)正常共作。電池采用的是可充電AAA鋰電池，由TP4057作為其電源芯片，負(fù)責(zé)對(duì)它充電。采用AO3401芯片作為電路切換模塊，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)P-MOSFET管。外部供電正常時(shí)AO3401芯片處于截?cái)酄顟B(tài)；當(dāng)外部電源意外中斷時(shí)，電路中的AO3401芯片馬上導(dǎo)通，Y1端連通電池，給系統(tǒng)供電。備用電源及自動(dòng)切換電路如圖7所示。

圖7　備用電源及自動(dòng)切換電路

4　下位機(jī)的MODBUS通信設(shè)計(jì)

下位機(jī)采集到數(shù)據(jù)信息，經(jīng) RS232物理串口，利用GPRS模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到主控中心主機(jī)串口，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的透明傳輸。在下位機(jī)RS232串口與監(jiān)控中心主機(jī)虛擬串口之間采用MODBUS通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心主機(jī)與下位機(jī)的通信。

MODBUS是一種開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)、免費(fèi)的通訊協(xié)議[5]，其支持RS232、RS485等多種電氣接口，因其簡(jiǎn)單緊湊的特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域。

MODBUS協(xié)議采用主從模式，一個(gè)主機(jī)，多個(gè)從機(jī)，主機(jī)請(qǐng)求，對(duì)應(yīng)的一個(gè)從機(jī)作出應(yīng)答。一個(gè)MODBUS系統(tǒng)中，電氣接口作為物理線路，將高低電平信息傳遞出去；MODBUS協(xié)議則定義了這些高低電平的意義，稱為功能碼。MODBUS有常用4個(gè)功能碼：0x01(讀線圈)、0x02 (讀離散量輸入)、0x03(讀保持寄存器)、0x04(讀輸入寄存器)。MODBUS采用功能碼指揮一個(gè)RTU改變它的寄存器的某個(gè)值，控制或者讀取一個(gè) I/O端口，以及指揮設(shè)備回送一個(gè)或者多個(gè)其寄存器中的數(shù)據(jù)[6]。

分布在各個(gè)地點(diǎn)的下位機(jī)作為從機(jī)，監(jiān)控中心作為主機(jī)，利用MODBUS實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心接收不同地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。從機(jī)響應(yīng)主機(jī)功能碼0x03（讀保持寄存器)請(qǐng)求，發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)[7]。

從機(jī)處理功能碼0x03機(jī)制如圖8所示。

圖8　從機(jī)響應(yīng)功能碼0x03機(jī)制

5　WinCC監(jiān)控界面

西門子SIMATIC WinCC是一款功能性、開(kāi)發(fā)性和穩(wěn)定性優(yōu)秀的工程組態(tài)軟件[8]。WinCC是在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板。

在WinCC組態(tài)軟件中，把下位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)保存在WinCC自定義的變量中，利用WinCC便捷的界面開(kāi)發(fā)功能，在界面中顯示出對(duì)應(yīng)的變量值，并且基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出人機(jī)交互監(jiān)控界面，進(jìn)入系統(tǒng)后可對(duì)監(jiān)控的天然氣參數(shù)進(jìn)行上下限值設(shè)置，系統(tǒng)根據(jù)此上下限值開(kāi)啟報(bào)警，系統(tǒng)在開(kāi)始運(yùn)行時(shí)便設(shè)置缺省報(bào)警上下限值，系統(tǒng)功能見(jiàn)圖9。

圖9　WinCC人機(jī)交互界面功能圖

6　結(jié)束語(yǔ)

本文采用 GPRS技術(shù)、STM32微控制器、MODBUS協(xié)議、WinCC組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種新型的天然氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，完全滿足天然氣遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)控性能要求以及偏遠(yuǎn)山區(qū)的天然氣調(diào)壓站數(shù)據(jù)信息自動(dòng)采集指標(biāo)要求。

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[2]覃曉，李熹.基于ARM和GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣西民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，16(11)：51-55.

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[4]紀(jì)文志，陳忠，唐加山.基 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31(3)：44-46.

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[8]田民強(qiáng)，劉振興，游輝勝.基于WinCC和 VB的排水站監(jiān)控系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22(5)：31－32.

Design of gas remote monitoring system based on GPRS

Xu Xinkai，Meng Xiangyin，Hao Mengjie，Sun Yangzhi，Tang Lei
(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Gas regulator stations are distance away and high dispersion，and traditional monitoring systems can not fully competent to monitor the work of the regulator stations.So this paper uses remote data transmission module by GPRS technology，STM32，WinCC and MODBUS to design a gas remote monitoring system.The system can completely meet the large-scale and long-distance monitoring needs.

GPRS；data transmission；MODBUS；WinCC；STM32

TH865

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.002

2015-06-30)

徐鑫凱（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：過(guò)程控制。

孟祥?。?979-），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制。

郝夢(mèng)捷（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：過(guò)程控制。

中文引用格式：徐鑫凱，孟祥印，郝夢(mèng)捷，等.基于 GPRS的天然氣調(diào)壓站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41 (10)：13-16.

英文引用格式：Xu Xinkai，Meng Xiangyin，Hao Mengjie，et al.Design of gas remote monitoring system based on GPRS[J]. Application of Electronic Technique，2015，41(10)：13-16.