《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于GPRS的天然氣調(diào)壓站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
徐鑫凱,孟祥印,,郝夢捷,,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)
摘要: 針對天然氣調(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)天然氣的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控,,滿足大范圍,、遠(yuǎn)距離的監(jiān)控需求。
中圖分類號: TH865
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.002

中文引用格式: 徐鑫凱,,孟祥印,,郝夢捷,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.
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
Abstract: 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.
Key words : GPRS,;data transmission,;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)采用的是手動控制,,不能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測的自動化、遠(yuǎn)程化,、集中化操作,。特別是數(shù)據(jù)的傳輸一直以來采用現(xiàn)場走線,不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時監(jiān)控,,在當(dāng)今天然氣用量大大提升的背景下,,開發(fā)可靠、實(shí)用的天然氣遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(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)測設(shè)備,。

1 天然氣遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

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  系統(tǒng)由現(xiàn)場電氣設(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)場電氣設(shè)備通過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)過處理的數(shù)據(jù)通過下位機(jī)的串行接口,通過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)由一臺工控機(jī)、顯示器以及軟件系統(tǒng)組成,。軟件系統(tǒng)以GPRS無線數(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、報(bào)警提示等,。

  監(jiān)控系統(tǒng)共4個模塊: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,。

2 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊設(shè)計(jì)

  2.1 GPRS技術(shù)介紹

  GPRS全稱General Packet Radio Service,它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[2],。其信號覆蓋面積非常廣,,同時具有良好的可靠性,可以在全國范圍實(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)傳輸等應(yīng)用,。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸構(gòu)架如圖2所示,。

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  2.2 GPRS DTU通信設(shè)計(jì)

  GPRS模塊硬件采用宏電7710GPRS DTU,其無線數(shù)據(jù)傳輸采用多個軟件構(gòu)成一個完整的通信平臺,。軟件包括:KEPserver,、configure virtual serial port driver、超級終端,、無線數(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控制設(shè)備的數(shù)據(jù); configure virtual serial port driver在電腦上建立一一對應(yīng)的虛擬串口,,收發(fā)數(shù)據(jù)信息,;超級終端軟件設(shè)置GPRS DTU參數(shù),設(shè)定GPRS DTU的IP地址,、波特率,、SIM卡號、DSC通訊端口,,設(shè)置為中控室的轉(zhuǎn)發(fā)軟件啟動的監(jiān)控端口,;無線數(shù)據(jù)中心是連接PC和互聯(lián)網(wǎng)的中轉(zhuǎn)軟件,通過設(shè)置無線數(shù)據(jù)中心的參數(shù)收發(fā)對應(yīng)數(shù)據(jù)信息,。

  2.3 GPRS通信實(shí)現(xiàn)

  GPRS DTU數(shù)據(jù)傳輸通過configure virtual serial port driver可實(shí)現(xiàn)一對或多對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)送到對應(yīng)IP的主機(jī)串口;無線數(shù)據(jù)信息中心程序?qū)崿F(xiàn)PC端兩個虛擬串口之間數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā),。通過各個軟件的準(zhǔn)確設(shè)定以及前后恰當(dāng)銜接建立一個下位機(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的和下位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線遠(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。

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  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,,采用一個固定IP地址,,分布在不同地點(diǎn)的GPRS DTU主動連接調(diào)度中心,實(shí)現(xiàn)中控機(jī)管理多個GPRS DTU,。

3 數(shù)據(jù)信息采集實(shí)現(xiàn)


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  數(shù)據(jù)采集硬件構(gòu)架如圖4所示,。分布在各個地點(diǎn)的現(xiàn)場電氣設(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,,與變送器及探測器進(jìn)行模擬量采集,。被采集現(xiàn)場電氣設(shè)備主要包括壓力變送器、溫度變送器,、可燃?xì)怏w探測器,、流量計(jì)、切斷閥,、加臭控制器,。

  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存儲器,,集成復(fù)位電路,、精確的RC振蕩器以及低壓檢測,72 MHz全速工作時僅僅36 mW的超低功耗,,具備多個 USART 接口,,性能完全滿足天然氣調(diào)壓站現(xiàn)場數(shù)據(jù)信號采集要求。

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

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  隔離模塊:工業(yè)現(xiàn)場由于環(huán)境惡劣,,在采集信號時,,同時要做到隔離,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,,同時做到線性光耦隔離,。線性光耦HCNR201為電流驅(qū)動型器件,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)動能力驅(qū)動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。

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  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,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P-MOSFET管。外部供電正常時AO3401芯片處于截?cái)酄顟B(tài),;當(dāng)外部電源意外中斷時,,電路中的AO3401芯片馬上導(dǎo)通,Y1端連通電池,給系統(tǒng)供電,。備用電源及自動切換電路如圖7所示,。

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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,因其簡單緊湊的特點(diǎn),,被廣泛的應(yīng)用于各個工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域,。

  MODBUS協(xié)議采用主從模式,一個主機(jī),,多個從機(jī),,主機(jī)請求,對應(yīng)的一個從機(jī)作出應(yīng)答,。一個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RTU改變它的寄存器的某個值,控制或者讀取一個I/O端口,,以及指揮設(shè)備回送一個或者多個其寄存器中的數(shù)據(jù)[6],。

  分布在各個地點(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)場數(shù)據(jù),。從機(jī)響應(yīng)主機(jī)功能碼0x03(讀保持寄存器)請求,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,。

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5 WinCC監(jiān)控界面

  西門子SIMATIC WinCC是一款功能性、開發(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)和過程自動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便捷的界面開發(fā)功能,,在界面中顯示出對應(yīng)的變量值,,并且基于現(xiàn)場實(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)此上下限值開啟報(bào)警,,系統(tǒng)在開始運(yùn)行時便設(shè)置缺省報(bào)警上下限值,系統(tǒng)功能見圖9,。

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6 結(jié)束語

  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)信息自動采集指標(biāo)要求,。

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