毛 崢

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

隨著遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)的飛速發(fā)展，可通過對一個地區(qū)范圍內(nèi)的工業(yè)鍋爐進(jìn)行集中監(jiān)測，為工作人員提供可靠的現(xiàn)場信息。鍋爐是一種應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，其工作環(huán)境較為惡劣，易使內(nèi)部設(shè)備出現(xiàn)不同程度的老化問題，若工作人員的操作出現(xiàn)錯誤，可直接影響安全生產(chǎn)，如何維持工業(yè)鍋爐安全且高效的運(yùn)行，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。為此本研究設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)測工業(yè)鍋爐的運(yùn)行情況，有利于工作人員根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對鍋爐進(jìn)行調(diào)整。

1 基于GPRS的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)鍋爐實(shí)際上是一種體型較為龐大的特種設(shè)備，若工業(yè)鍋爐在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障問題，可造成十分嚴(yán)重的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。本研究為保證工業(yè)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)出工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過該方式可實(shí)時監(jiān)測工業(yè)鍋爐各項(xiàng)指標(biāo)的變化情況。在工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，需要嚴(yán)格遵循先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等原則，使工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可在無人監(jiān)管的情況下維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較高的兼容性，可同時支持新設(shè)備與原有設(shè)備的一同運(yùn)行，但部分傳感器需要進(jìn)行必要的改裝。對工業(yè)鍋爐內(nèi)部傳感器進(jìn)行改裝時，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)是否能兼容傳感器的安裝以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘纫蛩亍？刹捎貌⒙?lián)的方式將數(shù)據(jù)采集模塊直接與二次儀表信號端之間建立連接，該方式可使工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，但是該方式可使系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)信號出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象。由此表明，該接線方式不可取。為此本研究對傳感器進(jìn)行改裝時，采用信號分配的方法完成傳感器的改裝。利用一入兩出隔離器將工業(yè)鍋爐現(xiàn)場的信號劃分為兩路，其中一路預(yù)留給現(xiàn)場二次儀表，另一路連接至數(shù)據(jù)采集器，通過RS-485串行通信線即可將數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至GPRS模塊，由該模塊采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑瑢⑾到y(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心，基于GPRS的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]。

圖1 基于GPRS的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 基于GPRS的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無線通信技術(shù)

該技術(shù)指的是人們可在無物理連接條件的基礎(chǔ)下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能，將通信距離作為主要依據(jù)實(shí)現(xiàn)無信通信技術(shù)的劃分，可將其劃分為短、中、長距離無線通信。其中短距離無線通信指的是傳輸距離在百米之內(nèi)，當(dāng)前短距離無線通信技術(shù)的類型主要包括藍(lán)牙、Wi-Fi以及IrDA。本研究主要以Wi-Fi為例進(jìn)行分析，Wi-Fi為較為流行的無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可適用于手機(jī)及無線網(wǎng)卡接收器，其通信速度可達(dá)到11兆字節(jié)。由于該技術(shù)受通信距離的影響，且安全性無法得到保障，不適用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。微波通信技術(shù)具有傳輸速度快、通信質(zhì)量高等優(yōu)勢，可適用于各種專用的網(wǎng)絡(luò)。但是該技術(shù)易受障礙物的干擾，無法維持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合多項(xiàng)技術(shù)的使用情況，最終選用GPRS作為該系統(tǒng)的通信媒介。

2.2 GPRS無線通信技術(shù)

通用分組無線服務(wù)技術(shù)(general packet radio service，簡稱GPRS)與其他通信技術(shù)存在較大差異，該技術(shù)主要以封包的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在該技術(shù)的支持下，用戶僅需按照流量傳輸?shù)拇笮∵M(jìn)行計(jì)量，通過該方式完成自身需要承擔(dān)的費(fèi)用的計(jì)算。GPRS無線通信技術(shù)的傳輸速度范圍為56～114 kbps，可適用于遠(yuǎn)程抄表、供熱系統(tǒng)監(jiān)控等工程的實(shí)際應(yīng)用。將該技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與系統(tǒng)之間建立通訊聯(lián)系，可提升遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳輸速度及可靠性，有利于最大限度地降低成本消耗[3]。

3 基于GPRS的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的安全性及可靠性取決于硬件設(shè)備的性能，硬件設(shè)備內(nèi)元器件的選型非常關(guān)鍵，若元器件存在一定缺陷，可使工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的故障現(xiàn)象，為此本研究對系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行簡要介紹。

3.1 數(shù)據(jù)采集器選型

數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐運(yùn)行工況實(shí)時監(jiān)測的方法為：通過對工業(yè)鍋爐現(xiàn)場的模擬量信號進(jìn)行采集，利用標(biāo)準(zhǔn)RS-485串口通信線建立系統(tǒng)與GPRS模塊之間的連接，在無線傳輸技術(shù)的支持下，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時上傳，由監(jiān)測中心負(fù)責(zé)對GPRS模塊上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。最后工作人員可根據(jù)采集數(shù)據(jù)對工業(yè)鍋爐內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行判斷[4]。

本研究對數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行型號選擇時，嚴(yán)格遵循工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并綜合考慮各方面因素，最終選擇DAM3059數(shù)據(jù)采集器作為該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。DAM3059數(shù)據(jù)采集器可完成多通道模擬量的采集，其內(nèi)部包含8路模擬量信號輸入，通信接口為RS-485，可支持電壓和電流信號的輸入。為保證工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性，應(yīng)選用精度較高的元器件作為系統(tǒng)的核心元件。向系統(tǒng)各個部分均添加完善的保護(hù)措施，有利于提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。DAM3059數(shù)據(jù)采集器具有體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢，便于操作者對DAM3059數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行現(xiàn)場安裝。該采集器可適用于現(xiàn)場信號的實(shí)時采集和監(jiān)測中心的實(shí)時通信，滿足工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[5]。

3.2 GPRS無線模塊選型

通常情況下，工業(yè)鍋爐內(nèi)部設(shè)備的分布處于分散的狀態(tài)，在該分布狀態(tài)下采用有線通信的方式進(jìn)行各設(shè)備的聯(lián)系，可使工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出現(xiàn)較大的局限性。為此本研究設(shè)計(jì)出GPRS無線模塊，該模塊可向系統(tǒng)提供無線IP連接，在無線IP的基礎(chǔ)上即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。GPRS無線模塊具有建設(shè)周期短、操作簡單和易維護(hù)等優(yōu)勢。

結(jié)合工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能要求，本研究選用CM3160EP GPRS DTU作為該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信模塊，其中DTU指的是數(shù)據(jù)傳輸單元(data transfer unit)。CM3160EP設(shè)備屬于一種工業(yè)級的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，采用ARM9工業(yè)級嵌入式處理器及智能三級保護(hù)，可利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，同時可向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)提供RS-485、TTL、USB等接口，支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與客戶端之間建立連接。該設(shè)備具有雙數(shù)據(jù)中心備份功能，可容納多個數(shù)據(jù)中心同時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。CM3160EP GPRS DTU數(shù)據(jù)通信模塊性能描述如表1所示[6]。

表1 CM3160EP GPRS DTU數(shù)據(jù)通信模塊性能描述

4 基于GPRS的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程傳輸設(shè)計(jì)

4.1 TCP/IP協(xié)議

TCP/IP協(xié)議屬于一種標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，其內(nèi)部包含一定規(guī)則和格式，有利于在該協(xié)議的基礎(chǔ)上創(chuàng)建軟件框架。工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部收發(fā)數(shù)據(jù)設(shè)備通常置于固定的地點(diǎn)，該方式易使無線信道遭受外界因素的干擾。本研究主要采用IP Over PPP實(shí)現(xiàn)監(jiān)測中心與采集終端之間的無線傳輸，其中PPP點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議適用于GPRS設(shè)備鏈路層的串行線路上，該協(xié)議具有自動糾正錯誤數(shù)據(jù)的功能，可容納多種數(shù)據(jù)傳輸方式。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，應(yīng)嚴(yán)格遵循TCP/IP協(xié)議，并采用分組的方式完成數(shù)據(jù)傳輸。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳?zhǔn)性及有序性，向數(shù)據(jù)內(nèi)加入序號、信息源及通道數(shù)編碼，在數(shù)據(jù)上加入IP報(bào)頭，以此構(gòu)成一個完整的數(shù)據(jù)包[7]。

通常情況下專用網(wǎng)址無法透過公共網(wǎng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作，專業(yè)網(wǎng)址為建立與公共網(wǎng)絡(luò)之間的連接，可利用轉(zhuǎn)化(NAT)節(jié)點(diǎn)將專用網(wǎng)址轉(zhuǎn)換為公共網(wǎng)址。IP協(xié)議在工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無線設(shè)備中的應(yīng)用與有線網(wǎng)絡(luò)一致。在GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上即可構(gòu)建GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過TCP/IP協(xié)議棧的參數(shù)配置完成信息包的傳輸，由GPRS設(shè)備向系統(tǒng)內(nèi)發(fā)送PDP上下文激活，通過GGSN為PDP分配專屬IP地址，建立與外網(wǎng)之間的連接，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

4.2 接口技術(shù)的選用

虛擬串口RS-485可通過與TCP/IP協(xié)議建立連接，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。Socket類似于一種接口技術(shù)，可將其稱為套接字。在系統(tǒng)應(yīng)用程序遇到多程序進(jìn)程的情況下，可通過Socket與串口的服務(wù)器之間建立通信。Socket為TCP/IP協(xié)議的基本操作單元，可為客戶端及數(shù)據(jù)中心提供編程模式。該技術(shù)應(yīng)用于PC機(jī)時，無需受制于操作系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)Socket的編程。Socket應(yīng)用于服務(wù)端時，其工作流程為：首先完成Socket對象、端口號等信號的創(chuàng)建，點(diǎn)擊監(jiān)聽按鈕完成數(shù)據(jù)的監(jiān)聽，利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取客戶端上傳的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理完畢后，即可結(jié)束操作。

4.3 遠(yuǎn)程傳輸?shù)牧鞒?/h3>

DTU模塊內(nèi)部包含封裝好的動態(tài)鏈接庫(dll文件)，動態(tài)鏈接庫由Socket重要類的操作接口句柄、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)移程序等多個程序代碼共同組成。因此，在使用dll文件時，應(yīng)保證數(shù)據(jù)包的全透明狀態(tài)。本研究對軟件程序進(jìn)行開發(fā)時，將數(shù)據(jù)采集模塊作為主要研究對象，向數(shù)據(jù)采集模塊配對的軟件實(shí)時提供gprs.net.dll等形式的文件，其內(nèi)部含有g(shù)prs.net以及ZYB組件。通過對ZYB組件進(jìn)行展開操作，即可得到多種操作類，利用操作類完成監(jiān)測平臺中心的編寫，工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作流程圖

將DTU服務(wù)器的設(shè)置方式作為依據(jù)，結(jié)合PPP協(xié)議使數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)幀形式，在形成的數(shù)據(jù)幀上添加校驗(yàn)碼以及報(bào)頭，以此構(gòu)成封裝數(shù)據(jù)包。采用全雙工的通信方式，利用DTU的外置天線將心跳包上傳至移動基站。最后建立服務(wù)端與Socket之間的通信聯(lián)系，二者通信聯(lián)系建立完畢后，即可接收系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)包[8]。通過對數(shù)據(jù)的入庫程序進(jìn)行編寫，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的傳輸，數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)為：地址碼、功能碼、寄存器、數(shù)據(jù)區(qū)以及CRC16校驗(yàn)碼，其中地址碼、功能碼、寄存器皆為8位，數(shù)據(jù)區(qū)為N×8位，CRC16校驗(yàn)碼為16位。

5 基于GPRS的工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測中心設(shè)計(jì)

5.1 工業(yè)鍋爐安全運(yùn)行控制

本研究為保證工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定

運(yùn)行，設(shè)計(jì)出監(jiān)測中心控制臺，該控制臺為工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機(jī)程序。監(jiān)測中心控制臺的功能包括兩部分：其一，通過RS-485串口與無線通信網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系，實(shí)時接收由下位機(jī)上傳的溫度、壓力值以及水位狀態(tài)等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完畢后，將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，采用LED顯示屏即可顯示給用戶觀測。其二，該控制臺可對數(shù)據(jù)采集通道進(jìn)行設(shè)置，有利于維持工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 網(wǎng)絡(luò)客戶端的遠(yuǎn)程監(jiān)控

客戶端可通過局域網(wǎng)對上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時訪問，該部分的訪問界面與監(jiān)測中心控制臺的界面存在一定相似性。在實(shí)際運(yùn)行過程中，工作人員可利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)接收服務(wù)器的訪問，有利于工作人員實(shí)時掌握工業(yè)鍋爐的運(yùn)行工況。GPRS向系統(tǒng)發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)時，首先利用遠(yuǎn)程服務(wù)器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多點(diǎn)處理，并利用系統(tǒng)客戶端的GIS功能，有效提升工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的多點(diǎn)監(jiān)測能力。該系統(tǒng)可同時對10個或者10個以上的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

6 結(jié) 語

本研究為保證工業(yè)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)出工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過該方式可實(shí)時監(jiān)測工業(yè)鍋爐各項(xiàng)指標(biāo)的變化情況。工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可在無人監(jiān)管的情況下維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)具有成本低、傳輸數(shù)據(jù)距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，可進(jìn)一步處理工業(yè)鍋爐內(nèi)部數(shù)據(jù)。通過對工業(yè)鍋爐遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析可知，該系統(tǒng)可有效預(yù)防事故的發(fā)生，具有較高的實(shí)用價值。