王秀芳 李博健 譚仁雪

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)

基于多通信技術(shù)融合的管道遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王秀芳 李博健 譚仁雪

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)

利用LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案出發(fā)，將客戶端有線傳輸與無(wú)線傳輸結(jié)合，利用多種通信傳輸協(xié)議，完成數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。給出了服務(wù)器端的部分?jǐn)?shù)據(jù)接收程序與監(jiān)測(cè)界面。通過(guò)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用，證實(shí)該遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道泄漏的監(jiān)測(cè)與報(bào)警。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 管道泄漏監(jiān)測(cè) LabVIEW 傳輸方式 通信方式

管道運(yùn)輸在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)中發(fā)揮著重要作用，尤其在石油化工、油氣儲(chǔ)運(yùn)及城市供水、供熱、供氣等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已成為油氣水運(yùn)輸?shù)氖走x方式。但由于管道運(yùn)行時(shí)間增加、設(shè)備老化、地理?xiàng)l件變化及人為等原因，管道泄漏事故不可避免[1,2]。對(duì)于城市供熱、供氣管道，一旦出現(xiàn)泄漏，不僅會(huì)造成直接經(jīng)濟(jì)損失和用戶室內(nèi)溫度下降，嚴(yán)重的情況下甚至造成人員傷亡。因此，對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、保障管道的正常運(yùn)行具有重要意義。目前，大多數(shù)管道監(jiān)測(cè)多以人工巡線的方式進(jìn)行，人力物力投資大，效率低。因此，研制一套具有一定處理能力的管道數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將具有一定的市場(chǎng)前景。

計(jì)算機(jī)技術(shù)為測(cè)量控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析的發(fā)展提供了保障，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)中的虛擬儀器技術(shù)，以它特有的靈活性極大地促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步[3]。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，在要求完成工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)的同時(shí)，又要保障生產(chǎn)的安全性和命令傳達(dá)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)要求完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與處理。為此，筆者借助LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以燃?xì)夤艿拦犴?xiàng)目為背景，采集每個(gè)供熱站點(diǎn)(鍋爐房)處管道的運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以保障管線的正常運(yùn)行，同時(shí)討論了數(shù)據(jù)的傳輸與通信方式。

相較于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器技術(shù)具有高性能、高擴(kuò)展性及低開(kāi)發(fā)耗時(shí)等特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，只需在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中安裝數(shù)據(jù)采集板卡，利用相關(guān)軟件生成操作面板，并通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析與處理，即可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能目標(biāo)[4]。

基于C/S模式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由客戶端和服務(wù)器(監(jiān)控中心)兩部分組成，其中，一個(gè)服務(wù)器可以按需求配置多個(gè)客戶端。圖1為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能分析圖。圖2為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體連接示意圖。

圖1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能分析

2 客戶端

客戶端的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了防止服務(wù)器與客戶端的網(wǎng)絡(luò)連接中斷問(wèn)題，將采集的原始數(shù)據(jù)存放在客戶端中以供服務(wù)器訪問(wèn)調(diào)用。

圖2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的連接示意圖

2.1有線傳輸與無(wú)線傳輸?shù)娜诤?/p>

有線傳輸是指借助實(shí)際物理連線將服務(wù)器與客戶端進(jìn)行連接，通常選擇R45J網(wǎng)絡(luò)連接線對(duì)二者進(jìn)行物理連接。使用有線傳輸能夠保證數(shù)據(jù)通信的安全性，保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的完整性。但是，有些工業(yè)環(huán)境較復(fù)雜，且距離遠(yuǎn)，采用網(wǎng)線連接不僅布線復(fù)雜，而且隨著距離的加長(zhǎng)，其維護(hù)難度也在加大。因此當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不滿足建立實(shí)際物理連接時(shí)，即距離較遠(yuǎn)或環(huán)境不允許布線時(shí)，則需要選擇無(wú)線傳輸方式。無(wú)線傳輸具有施工難度低、擴(kuò)展性強(qiáng)、移動(dòng)性能好及維護(hù)簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)。由于實(shí)際工業(yè)環(huán)境可能發(fā)生變化，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)為兩種傳輸方式預(yù)留接口。

利用無(wú)線傳輸方式可實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸單元(Data Transfer Unit,DTU)。

無(wú)線網(wǎng)橋以無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的橋接，從而建立不同網(wǎng)絡(luò)間的物理通信橋梁。無(wú)線網(wǎng)橋具有較高的傳播速度，例如，LG-N580無(wú)線網(wǎng)橋采用Atheros9344芯片，CPU主頻533MHz，信道寬度5.1～5.8GHz，具有500MW的輸出功率和-89dBm的靈敏度。除此之外，無(wú)線網(wǎng)橋配置極為簡(jiǎn)單，在一定距離內(nèi)，可通過(guò)增加網(wǎng)橋進(jìn)行中繼的方式增加通信范圍。針對(duì)范圍有限的實(shí)際環(huán)境，采用無(wú)線網(wǎng)橋能夠方便地完成服務(wù)器與客戶端的物理連接，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)送。采用無(wú)線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集發(fā)送的程序與有線傳輸方式相同。

DTU是一種無(wú)線終端設(shè)備，可將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)，也能反向?qū)P數(shù)據(jù)重新解析成串口數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向性，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與傳輸，其應(yīng)用廣泛有效。DTU的硬件部分由CPU控制模塊、電源模塊和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信模塊組成[5]。DTU作為數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸設(shè)備具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如組網(wǎng)快速靈活、能夠保障系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、安全保密性能好；同時(shí)，DTU通過(guò)數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，能夠保證在線時(shí)間持久，降低用戶使用成本；最重要的是DTU可支持虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)(APN/VPDN)、公網(wǎng)IP地址訪問(wèn)和具有較大靈活性的數(shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)域名服務(wù)。

DTU作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備需要APN技術(shù)和動(dòng)態(tài)域名技術(shù)的支持。

APN技術(shù)是一種網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，由流量卡上網(wǎng)時(shí)必須配置的一個(gè)參數(shù)，決定該卡通過(guò)哪種接入方式來(lái)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)[6]。在實(shí)際使用過(guò)程中，數(shù)據(jù)流量卡IP并不是固定的，而為了固定IP，將DTU使用的流量卡和客戶端的IP設(shè)置在一個(gè)IP段，故選用專線APN。專線APN根據(jù)企業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的特殊需求，采用多種安全措施，通過(guò)專線APN，保證每張使用的數(shù)據(jù)卡都在同一個(gè)IP池，相互之間能夠Ping通，并通過(guò)運(yùn)營(yíng)商的操作，接入固定專網(wǎng)，用于實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸。

如果APN技術(shù)是為DTU和客戶端實(shí)現(xiàn)固定接入方式，那么動(dòng)態(tài)域名技術(shù)則是通過(guò)域名自動(dòng)尋找客戶端IP，完成DTU數(shù)據(jù)到客戶端的發(fā)送，且這種方式不需要專用網(wǎng)絡(luò)。但需要注意的是，在進(jìn)行域名訪問(wèn)時(shí)，被解析的域名必須要有公網(wǎng)IP。由于TCP/IP協(xié)議規(guī)定，為保障通信的安全性，被訪問(wèn)的站點(diǎn)需要具有公網(wǎng)IP，才能保障通信的建立和數(shù)據(jù)的流通。

將無(wú)線與有線傳輸技術(shù)融合，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需求，根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的傳輸方式，能夠增加系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性。

2.2通信協(xié)議的融合

數(shù)據(jù)發(fā)送是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最主要的環(huán)節(jié)，當(dāng)完成傳輸方式的融合之后，通信協(xié)議的選擇也就隨之確定。LabVIEW中通常采用的通信方式有UDP協(xié)議、TCP協(xié)議、串口通信及DataSocket通信等。

UDP通信是一種無(wú)連接通信，采用廣播的方式來(lái)發(fā)布數(shù)據(jù)，特別適用于一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。其速度比較快，但是數(shù)據(jù)傳輸不可靠。因此，在要求較快的響應(yīng)速度和允許部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失的情況下，可以選擇UDP。

作為傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議，TCP協(xié)議可以提供可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。TCP采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和客戶端的方式進(jìn)行通信。服務(wù)器應(yīng)用程序負(fù)責(zé)向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)或從客戶端讀取數(shù)據(jù)，客戶端應(yīng)用程序同樣可以從服務(wù)器應(yīng)用程序中獲取數(shù)據(jù)或向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求。

串口通信是指串口按bit發(fā)送和接收字節(jié)，串口通信前必須設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位及流控制等參數(shù)，串口通信簡(jiǎn)單快捷，但發(fā)送速率有限。

DataSocket技術(shù)通過(guò)簡(jiǎn)單的用戶接口協(xié)議(dstp協(xié)議)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上不同計(jì)算機(jī)之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換[7,8]。通信之前，必須先啟動(dòng)DataSocket服務(wù)器，保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸共享。本系統(tǒng)中利用DataSocket可完成對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸，但考慮到系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)量和控件的問(wèn)題，為了降低系統(tǒng)復(fù)雜度，只在客戶端間進(jìn)行少量數(shù)據(jù)共享。

綜上所述，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)傳輸方式選擇不同的通信方式。UDP的響應(yīng)速度快于TCP，但是TCP的數(shù)據(jù)傳輸更加可靠，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可選擇TCP為主要通信方式，UDP作為輔助通信。當(dāng)傳輸條件不滿足TCP和UDP通信時(shí)，則需要借助串口通信。

2.3數(shù)據(jù)采集與發(fā)送

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集端采用數(shù)據(jù)采集板卡PCI-6014，并利用LabVIEW環(huán)境自帶的NI-MAX軟件對(duì)安裝的PCI-6014板卡進(jìn)行自檢與校準(zhǔn)，保障數(shù)據(jù)采集板卡的正常運(yùn)行。LabVIEW為用戶提供了最簡(jiǎn)潔的編程方式和DAQ助手。通過(guò)將DAQ助手加載至程序框圖中，自動(dòng)識(shí)別所使用的數(shù)據(jù)采集卡并彈出相應(yīng)的配置界面，當(dāng)完成相應(yīng)的操作后，LabVIEW會(huì)自動(dòng)生成數(shù)據(jù)采集程序。部分發(fā)送程序如圖3所示。

3 服務(wù)器

服務(wù)器相較于客戶端，其功能相對(duì)復(fù)雜，主要用于信號(hào)的接收、處理和存儲(chǔ)。對(duì)于信號(hào)的接收，應(yīng)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)發(fā)送方式，編寫不同的接收程序。無(wú)線和有線數(shù)據(jù)接收程序如圖4所示。

圖3 部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送程序

圖4 數(shù)據(jù)接收程序

服務(wù)器可根據(jù)實(shí)際需求完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀取、波形顯示、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)共享等功能，并根據(jù)客戶端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而提示管道運(yùn)行狀態(tài)(是否存在泄漏風(fēng)險(xiǎn))，若存在危險(xiǎn)，則發(fā)出報(bào)警預(yù)示，為檢修做準(zhǔn)備。

基于聲波的管道泄漏點(diǎn)定位原理如圖5所示[9,10]。管道發(fā)生泄漏時(shí)將產(chǎn)生次聲波，并向管道兩端傳播。安裝在管道兩端的次聲波傳感器檢測(cè)到該次聲波，并及時(shí)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，然后判斷是否為管道泄漏信號(hào)。當(dāng)判斷為管道泄漏信號(hào)后，根據(jù)管道兩端接收到的泄漏信號(hào)時(shí)間差和聲波信號(hào)的傳遞速度精確定位泄漏點(diǎn)。

圖5 基于聲波的管道泄漏點(diǎn)定位原理

管道泄漏點(diǎn)定位的計(jì)算式為：

式中L——兩傳感器之間的距離，m；

v——聲波傳播速度，m/s；

X——泄漏點(diǎn)距參考傳感器A的距離，m；

Δt——GPS時(shí)間差，s。

整個(gè)服務(wù)器端的監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 服務(wù)器端的監(jiān)控界面

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境提供的函數(shù)控件(TCP函數(shù)和串口函數(shù))實(shí)現(xiàn)了有線傳輸和無(wú)線傳輸，然后根據(jù)不同的傳輸方式選擇不同的通信方式。該系統(tǒng)利用DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，并通過(guò)LabVIEW中提供的信號(hào)分析工具對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分析處理。整個(gè)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示波形和相應(yīng)處理，并且充分考慮到實(shí)際環(huán)境，給出不同條件下的方案選擇。系統(tǒng)采用的虛擬儀器技術(shù)使它具有靈活性和可移植性，為實(shí)際工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)采集提供了快捷手段。

[1] 宋艾玲,梁光川,王文耀.世界油氣管道現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2006,25(10):1～6.

[2] 丁建林.我國(guó)油氣管道技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2003,22(9):22～25.

[3] 李立,王寧芳,張錚.NI-LAB實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器系統(tǒng)的研制[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2001,(6):28～29.

[4] 高琴,陳樹(shù)君,王續(xù)明,等.多功能虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2010,43(4):217～219.

[5] 趙忠彪.DTU與DSC之間通信協(xié)議研究[J].許昌學(xué)院學(xué)報(bào),2014,33(2):82～85.

[6] 楊光,張子凡,王瑞慧,等.基于GPRS的APN網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),2006,18 (2):8～10.

[7] 陳玲,孫冬梅,朱靳.基于LabVIEW的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(6):777～780.

[8] 賈照麗,張俊,張少紅.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與分析[J].通信技術(shù),2012,45(8):62～64.

[9] 闞玲玲,梁洪衛(wèi),高丙坤,等.基于次聲波的天然氣管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,38(6):653～655.

[10] 龔斌,包日東,金志浩,等.壓力管道泄漏點(diǎn)的新型聲發(fā)射定位研究[J].化工機(jī)械,2005,32(5):291～293.

(Continued on Page 637)

RemoteDataAcquisitionandMonitoringSystemBasedonIntegrationofMulti-communicationTechnology

WANG Xiu-fang, LI Bo-jian, TAN Ren-xue

(SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetrolumUniversity,Daqing163318,China)

Basing on LabVIEW development environment, a remote data acquisition and monitoring system

TQ547.8+1

B

1000-3932(2016)06-0610-05

2015-12-14(修改稿)基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳教育科學(xué)研究項(xiàng)目(12541063)；黑龍江省博士后基金項(xiàng)目(LBH-Q13036)