基于物聯(lián)網(wǎng)及WebGIS技術(shù)的特種設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究

李路華 劉超

【摘要】? ? 近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)及信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用越來越多，并成為設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要支撐。本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)及WebGIS技術(shù)的特種設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究方法，在了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求基礎(chǔ)上，選用 4G 網(wǎng)絡(luò)作為設(shè)備監(jiān)測(cè)過程中數(shù)據(jù)傳輸通道，選用百度地圖API 作為WEBGIS的客戶端開發(fā)工具。在網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備中，擁有高性能處理器及功能豐富的USR-G781 DTU 作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集裝置與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程連接。利用 Modbus RTU 通信協(xié)議完成現(xiàn)場(chǎng) PLC 與從站之間的通信以及 TCP/IP協(xié)議完成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，選用基于ASP.NET MVC三層架構(gòu)、JQuery EasyUI前端技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)，利用 sqlserver 2008數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)、管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】? ? WEBGIS? ? 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)? ? 遠(yuǎn)程監(jiān)控? ? 數(shù)據(jù)傳輸

一、背景

重要承壓類特種設(shè)備，如壓力容器和鍋爐，在制造、電力、生產(chǎn)等行業(yè)應(yīng)用比較廣泛，對(duì)國家的民生及經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著不可替代的重要作用。特種設(shè)備作為在生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，如何將承壓類設(shè)備儀表中數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)及通訊技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)炔僮?，從而高效可靠的監(jiān)測(cè)著設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免安全事故和降低生產(chǎn)成本，是本課題的研究目的[1]。

二、監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2.1遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由采集控制終端、無線通訊系統(tǒng)、后臺(tái)監(jiān)控中心管理平臺(tái)、WEBGIS（地理信息系統(tǒng)）等部分構(gòu)成。采集傳感器安裝在特種設(shè)備如鍋爐和壓力容器上，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備中溫度、壓力和液面等信息，并記錄收集數(shù)據(jù)。后臺(tái)監(jiān)控中心與采集控制終端通過4G DTU設(shè)備以4G無線通訊的方式實(shí)現(xiàn)雙向通信。

后臺(tái)監(jiān)控中心管理平臺(tái)統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，使用asp.net開發(fā)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到管理平臺(tái)，平臺(tái)進(jìn)行儲(chǔ)存、解析和管理，并通過可視化地理信息界面將信息呈現(xiàn)給監(jiān)控人員。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可以得出，現(xiàn)場(chǎng)控制層主要有傳感器（溫度、壓力等）、PLC 控制站和 數(shù)據(jù)傳輸單元DTU。首先 PLC 負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力等檢測(cè)傳感器等模擬量進(jìn)行采集，通過ModBus 協(xié)議4G DTU 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行通信，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過無線的方式傳送回后臺(tái)中心，此時(shí)后臺(tái)監(jiān)控中心通過Internet 網(wǎng)，接收現(xiàn)場(chǎng)傳過來的數(shù)據(jù)。通過協(xié)議的配置將數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）與監(jiān)控中心進(jìn)行通信搭建，監(jiān)控平臺(tái)通過4G無線網(wǎng)絡(luò)將從現(xiàn)場(chǎng)傳輸過來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和保存，通過之前預(yù)設(shè)的警戒值進(jìn)行比較來判斷現(xiàn)場(chǎng)特種設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況是否正常穩(wěn)定。4G 無線通信憑借通信質(zhì)量高、通信速度快、覆蓋面積廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于有線部署難度較大的監(jiān)控領(lǐng)域[2]。

三、監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

承壓類特種設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由硬件、軟件、通信三部分組成。硬件主要是現(xiàn)場(chǎng)采集控制設(shè)備主要由傳感器、控制器及4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。它們是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它們是否能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)直接影響到系統(tǒng)整體功能的順利實(shí)現(xiàn)。

軟件部分的主要任務(wù)是接收現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫、在WEBGIS上顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及通信的建立。本節(jié)主要從傳感器、PLC控制器以及4G無線數(shù)據(jù)傳輸終端的選型這幾方面展開，具體闡述系統(tǒng)方案的硬件設(shè)計(jì)。

3.1傳感器選擇

壓力傳感器采用普量 PT500-500系列， 該系列壓力變送器為進(jìn)口感壓芯片，先進(jìn)的貼片工藝，全封焊結(jié)構(gòu)、抗沖擊、耐疲勞、可靠性高， 介質(zhì)溫度可達(dá)500度。

PT100溫度傳感器是用鉑電阻PT100元件封裝的溫度傳感器，根據(jù)使用環(huán)境的溫度范圍、安裝方式不同用不同材料封裝成可以直接用在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫的傳感器。

3.2 PLC 的選型

本論文設(shè)計(jì)中在對(duì)壓力容器現(xiàn)場(chǎng)控制器的選型上，以先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理為前提，保證對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制以及系統(tǒng)長期穩(wěn)定高效地運(yùn)行最終決定選用德國西門子公司生產(chǎn)的CPU-1200系列 PLC 作為控制器，選用 CPU-1214 作為主控制器。

S7-1200 可編程邏輯控制器 （PLC， Programmable Logic Controller） 提供了控制各種設(shè)備以滿足您自動(dòng)化需要的靈活性和強(qiáng)大功能。 S7-1200 設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集，這些特點(diǎn)的組合使它成為控制各種應(yīng)用的完美解決方案。[3]。

3.3物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備選型

系統(tǒng)通訊方案設(shè)計(jì)采用了4G網(wǎng)絡(luò)，且要滿足通信模塊能夠與西門子 S7-1200 進(jìn)行通訊，結(jié)合4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮f(xié)議、以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可擴(kuò)展性，并保證成本可控，本文擬選用 USR-G781 DTU 作為 物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。其硬件部分主要由 CPU 控制模塊和 4G 無線通信模塊以及電源模塊構(gòu)成。

四、監(jiān)控系統(tǒng)的通訊設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)起到橋梁作用的就是通信部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和組態(tài)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。本章所研究的基于 4G 無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸過程，利用 Modbus RTU 和 TCP/IP 協(xié)議完成了相關(guān)技術(shù)和程序設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸這兩大部分的通信問題。

4.1“監(jiān)控中心與USR-G781 DTU的通信設(shè)計(jì)”

USR-G781 DTU 與監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行通信時(shí)，必須在DTU 中設(shè)置服務(wù)器地址或是域名，這樣才能將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的發(fā)送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)二者無線數(shù)據(jù)交互[4][5]。相反，控制指令將從監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出，借助4G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至DTU，指令被接收后進(jìn)行加工封裝處理，最終發(fā)送至PLC控制器，由執(zhí)行器完成任務(wù)。

4.2服務(wù)器 WinSock通信軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心基于 4G 網(wǎng)絡(luò)采用 TCP 協(xié)議以 socket 的方式收發(fā) IP 數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控終端的信息交互。所以數(shù)據(jù)通信模塊的軟件設(shè)計(jì)采用 Winsock 控件實(shí)現(xiàn)socket 的連接。本系統(tǒng)主要采用面向連接的 socket 方式。

以客戶端/服務(wù)器模式建立 TCP/IP 通信基于兩點(diǎn)：一是非對(duì)等作用，二是異步通信。使用TCP 協(xié)議的 socket通信程序包括服務(wù)程序和客戶程序[6]，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊模塊，具體實(shí)現(xiàn)：通過獲取本地IP 和端口號(hào)啟動(dòng)監(jiān)聽機(jī)制，當(dāng)有監(jiān)控終端發(fā)來的請(qǐng)求時(shí)，通過 socket 建立 TCP連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，并可以發(fā)送控制命令。

當(dāng)有一方斷開連接，則軟件釋放所有緩存及 Winsock 控件，結(jié)束通信。

五、監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

5.1 Web頁面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的Web端開發(fā)使用ASP.NET+MVC+EF的架構(gòu)，結(jié)合百度地圖JavaScript API來進(jìn)行開發(fā)。前端選擇使用的JavaScript框架為 jQuery EasyUI，EasyUI能夠快速開發(fā)出功能豐富并且美觀的UI界面，減少開發(fā)周期。Web系統(tǒng)平臺(tái)主要包括地理信息系統(tǒng)（GIS）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等功能。

對(duì)于數(shù)據(jù)的顯示，搭建了WEBGIS的顯示方式，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行JSON格式化，通過百度地圖API顯示在百度地圖上;另外當(dāng)超出設(shè)定的警戒值時(shí)將會(huì)彈出報(bào)警窗口。

六、總結(jié)

文章綜合運(yùn)用4G無線通信技術(shù)、地理信息技術(shù)，軟件工程技術(shù)等技術(shù)，提出了遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的整體構(gòu)建方案;建立了借助云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，完成現(xiàn)場(chǎng)傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程電腦端接收數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了通訊方案的可行性，通過使用百度地圖API及ASP.NET編程技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)展示在地圖上，實(shí)現(xiàn)了基于地理信息的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示功能。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]徐真. 基于GPRS及GIS技術(shù)的重要承壓類特種設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].山東大學(xué)，2008

[2]崔心惠.基于4G網(wǎng)絡(luò)的污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用 [D]. 安徽工業(yè)大學(xué)， 2018

[3]王浩. PL在化工廢水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 山東工業(yè)技術(shù)，2017（24）：118.

[4]吳云峰， 周龍軍. 基于 GPRS 技術(shù) PLC 遠(yuǎn)程通信應(yīng)用于城市熱網(wǎng)監(jiān)控[J]. 區(qū)域供熱，2004（4）：17-20.

[5]王建華， 李璞. GPRS 通信在油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 石油鉆探技術(shù)， 2004，32（2）：67-70.

[6]梁玉. 基于C#的數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué)，2014.