基于GPRS的天然氣壓縮機物聯網監控系統

摘 "要： 為確保天然氣（CNG）壓縮機的可靠運行，降低設備維護成本，采用GPRS傳輸技術，把壓縮機監控設備以無線方式鏈接到INTERNET上，構建了CNG壓縮機的物聯網監控系統。提出一種采用組態軟件設計的人機交換界面，采用DTU實現GPRS聯網的物聯網構建的方法，實現了CNG壓縮機的遠程監控。該方法具有成本低、容易實現、運行可靠的特點，具有良好的實際應用價值，可為其他裝備物聯網系統的研究和設計提供參考。

關鍵詞： 監控系統; 物聯網; 天然氣壓縮機; GPRS; CNG

中圖分類號： TN98?34; TP277 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0092?04

GPRS?based IoT monitoring system of natural gas compressor

PU Han?jun1， XIE Xiao?peng1， ZHOU Shou?qin2， FU Xiong?xin2

（1. South China University of Technology， Guangzhou 510640， China; 2. China International Marine Containers （Group） Ltd， Shenzhen 518067， China）

Abstract： In order to ensure the reliable operation of natural gas compressors and reduce the cost of equipment maintenance， the GPRS transmission technology is adopted to connect the monitoring equipments of the compressors to the Internet wirelessly. The monitoring system of natural gas compressors is constructed on Internet of Things. A new method that uses configuration software to design the man?machine exchange interface and uses DTU to achieve the IoT construction connecting with GPRS is proposed， by which the remote monitoring of "natural gas compressors are realized. This method has the advantages of low cost， easy implementation， reliable operation and high practical value. It can provide a reference for research and design of the monitoring systems for other equipments’ IoT Systems.

Keywords： monitoring system; Internet of Things; natural gas compressor; GPRS; CNG

隨著新能源產業的發展與節能減排的需求，天然氣的使用已成為未來能源的一個主要方向。天然氣壓縮機作為天然氣應用的主要設備，其應用也隨之急劇增長。由于天然氣壓縮機種類繁多、結構與功能復雜，其故障排查與維修也復雜。目前，主要采用人工定期檢修、現場檢測的方法對CNG壓縮機進行事后故障排查[1];由于其分布廣泛、數量眾多，采用事后人工現場排查故障的方式，費時費力，維護成本高;且事后排查故障存在較大的滯后，給用戶帶來不便，造成一定的經濟損失。實時監控天然氣壓縮機的運行狀態、工況參數，及時進行修正，可以避免造成不必要的損失;根據壓縮機的運行記錄，提前預估其故障，也降低維護成本;記錄歷史運行數據與報警信息，方便分析故障、可提高設備故障診斷與維修的效率。因此，研究天然氣壓縮機物聯網監控系統具有重大意義。近年，無線傳感[2?3]、物聯網技術[4?6]的發展和應用已成為熱點，本文通過GPRS無線方式把分布廣泛的壓縮機連接到互聯網上，研究并實現了天然氣壓縮機的物聯網監控系統，為天然氣壓縮機的在線檢測、安全運行、智能故障診斷提供了可靠的技術保證。

1 "系統網絡架構

CNG壓縮機物聯網監控系統網絡構架如圖1所示。系統由設備監控網、VPN局域網、移動Net、INTERNET四大網絡組成。

多臺CNG壓縮機組成設備監控網，各設備監控網通過其主監控器對網內的壓縮機進行實時監控，把各壓縮機的實時運行工況、狀態參數等數據信息進行管理和控制。現場的設備監控主機以無線方式連接到移動NET中，并通過移動NET的物理鏈路鏈接到NETINTERNET上。對于現場中分布的單臺壓縮機則可不經過設備監控網直接經移動NET連接INTERNET。建立鏈接后，每一個設備監控網（或壓縮機設備）在NETINTERNET上具有惟一的IP地址。遠程的監控計算機根據該IP地址，通過VPN局域網與INTERNET進行數據交換，實現遠程壓縮機的數據訪問和控制。

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圖1 CNG壓縮機物聯網系統網絡構成

CNG壓縮機物聯網監控系統從數據與信息處理角度劃分，可分為設備監控層、數據傳輸層、存儲分析層、展示與管理層4個層級。每個層級采用對應的不同系統，組成一個完整的綜合性的網絡。如圖2所示，各現場壓縮機通過現場總線（485總線、CAN總線等），連接成設備監控網，該網絡為設備監控層，負責壓縮機實時工況及運行狀態的監控。壓縮機的監控主機實時采集網絡節點中的數據，并把采集到的數據發送到GPRS模塊上。數據傳輸層由GPRS模塊、發射基站、GPRS骨干網、INTERNET、VPN局域網構成，它們之間采用TCP/IP協議進行數據的傳送。在網絡建立連接時，可以通過遠程監控計算機主動連接設備監控網的GPRS模塊，也可以通過GPRS模塊主動尋找監控主機的服務器。由于 GPRS模塊通常是由路由自動分配IP地址，而監控主機的服務器通常具有固定IP地址，所以本文采用GPRS主動尋找監控計算機服務器的方式進行網絡連接。GPRS模塊上電后，首先尋找其附近的發射基站，通過它注冊到GPRS骨干網上，然后通過INTERNET，連接到其設置的IP地址對應的VNP局域網的服務器上。該遠程監控端的服務器接收到現場壓縮機的實時數據后，運行數據庫管理軟件，對該數據進行存儲，并運行專家系統對數據進行分析和管理，局域網內的監控計算機運行人機界面程序，對服務器的數據庫進行顯示、查詢、修改，并根據專家系統及個人分析的結果發出控制命令，對遠程壓縮機進行控制。

2 "設備監控層聯網

系統硬件由CNG壓縮機、控制器、現場總線、監控主機、GPRS模塊、發射基站、網絡鏈路、服務器、監控計算機組成。由于網絡物理鏈路已存在，用戶只需建立壓縮機的設備監控網和監控計算機的局域網，并把它們連接到INTERNET上。在配置好相應的參數后，任一連接在INTERNET上的計算機都可以都可作為監控計算機，對遠程的任意一臺壓縮機進行數據交換，組成了的壓縮機物聯網?？梢?，設備監控網的建立、設備監控層的聯網、遠程監控程序編寫這三個環節為壓縮機物聯網監控系統的關鍵。對設備監控網的建立方面有較多的研究與應用，故對此不做詳述。以下主要詳述設備監控網的聯網以及遠程監控程序的編寫。

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圖2 CNG壓縮機物聯網節點的數據傳輸

如圖3所示，各個壓縮機PLC實時采集現場數據：電源的電流電壓、閥門的開關狀態、進出氣口與儲罐的氣體壓力、進排氣溫度、報警信息、操作按鈕、潤滑狀態、排污情況等;監控主機把各壓縮機PLC采集的數據進行接收、整理和存儲。然后把該數據傳輸給GPRS模塊、GPRS模塊采用TCP/IP或UDP協議經INTERNET發送到遠程的服務器中。

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圖3 現場設備監控網的數據收發

在監控主機內運行的程序由聯網通信、數據收發和監控管理三個子程序組成。聯網通信子程序負責向GPRS發送聯網請求，與遠程主機握手、實現設備監控網的INTERNET掛接。數據收發子程序，負責接收下位機的監控數據，存儲并發送到GPRS模塊端;當GPRS端傳來遠程控制指令時，該收發子程序接收該指令并向下位機發送指令信號，對CNG壓縮機進行控制。監控管理字程序，主要負責對下位機進行管理，對實時數據分析、處理。GPRS模塊內運行三個子程序：通信子程序、通信協議子程序和無線收發字程序。通信子程序負責與監控主機進行數據交換;通信協議子程序負責把來自監控主機的數據打包成TCP/IP或UDP協議格式，或把來自網絡的數據包轉換成現場總線協議格式，以實現數據通信;無線收發子程序負責控制無線收發芯片，把數據信號以電磁波的方式發送出去，并把接受到的電磁波轉換成數據信號，進行儲存。

3 "監控界面設計

CNG壓縮機物聯網監控系統的實現關鍵在于壓縮機的設備監控網的建立和聯網、遠程監控界面的開發。CNG壓縮機物聯網的遠程監控程序，由壓縮機工藝圖、壓縮機狀態監控、壓縮機地圖監控、實時趨勢曲線、報警閥值設置、歷史趨勢曲線等程序模塊組成。

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圖4 壓縮機物聯網遠程監控人機界面組成

壓縮機工藝圖主要描述壓縮機的工作原理及流程;壓縮機狀態監控主要負責壓縮機的運行狀態、運行參數的實時監控;壓縮機地圖監控主要實現壓縮機GPS位置定標功能;參數報表主要實現系統關鍵參數的記錄、存儲、報表自動生成功能，可供用戶查詢，打印;報警閥值設置部分主要負責系統報警參數設置、連鎖啟/閉功能設置;實時趨勢曲線實時顯示系統壓力、溫度等狀態曲線;歷史趨勢曲線實現系統過去較長一段時間內的狀態曲線數據記錄;報警記錄查詢部分實時記錄、存儲報警信號，方便故障排查。

為降低研發成本，減少系統開發周期，監控程序各部分功能采用組態軟件Kingview 6.53進行開發[7?8]。所開發的壓縮機系統工藝的監控界面及地圖監控界面分別如圖5和圖6所示。

壓縮機監控界面，通過Kingview軟件以畫圖及組態方式實現，其工藝參數通過在軟件的數據詞典中建立變量，然后連接變量到設備地址上實現。

監控界面開發完成后，根據壓縮機控制器的實際情況，配置建立相應的變量字典，在監控界面中進行相應的動畫鏈接配置，編寫相應的運行腳本程序，然后通過Kingview的Web發布功能，實現整個遠程監控端程序的開發。采用組態軟件Kingview設計監控系統大大縮短系統監控界面的開發周期，降低系統實現的研發成本，同時也確保系統運行的可靠性。

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圖5 CNG壓縮機工藝監控界面

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圖6 壓縮機地圖監控界面

4 "系統配置與應用

在監控界面開發完畢，GPRS模塊安裝完畢后，須進行GPRS模塊配置、服務器配置、監控軟件驅動配置工作。

（1） 配置GPRS模塊

GPRS模塊選用DTU，其配置是否正確是決定系統連接是否成功的關鍵。在DTU的配置參數中，主要配置的參數有四個：模塊的ID號為一個小于32位的數，通常取其GSM卡的號碼作為其ID號;配置其要連接的公網IP地址;配置其通信協議，可選用的通信協議有TCP/IP、UDP以及TCP+UDP三種模式，通信協議要和遠程服務器端設置一致;配置通信端口，通信端口可配置為0～65 535，但注意該端口在遠程服務器中不能被占用。

（2） 配置服務器

首先，把遠程服務器連接到INTERNET上，查詢其IP地址是否與GPRS模塊端的IP地址一致。接著，運用TCP/IP端口配置工具，在服務器上開放一個端口作為與設備監控網GPRS通信的專用端口。如監控計算機為局域網內監控計算機，需進行端口映射操作，把服務器上用來與GPRS通信的專用端口映射到裝有監控軟件的計算機上。

（3） 監控軟件驅動配置

在服務器中安裝Kingview 6.53中，根據壓縮機控制器（PLC）選取相應的驅動程序，采用GPRS虛擬串口進行驅動配置，接著進行程序的Web發布，并運行監控軟件。在INTERNET上的監控計算機通過瀏覽器訪問該服務器，實現壓縮機狀態的物聯網監控。

由于Kingview 6.53組態軟件具有豐富的圖形庫、設備驅動、通信接口等，監控界面程序的開發只需進行界面繪制、組態配置和少量的腳本代碼編寫工作，用戶無需開發通信驅動，縮短了系統開發周期，提高了系統的可靠性。安裝一個Kingview 6.53軟件最多可以同時加載128臺DTU，也就是最多可以同時把128個現場監控網或壓縮機連接到互聯網上形成一個小型的壓縮機物聯網。當壓縮機臺數多于128臺，可以采取增加服務器或采用虛擬服務器方式擴展。本文所設計壓縮機物聯網監控系統已成功應用到中集集團旗下安瑞科公司生產的天然氣壓縮機的物聯網監控上，應用表明，系統運行穩定可靠。

5 "結 "語

本文研究了天然氣壓縮機物聯網遠程監控系統的網絡架構，分析了監控系統的網絡層次與數據傳輸流程。在此基礎上，采用組態軟件Kingview 6.53設計壓縮機物聯網遠程監控系統監控界面程序，采用DTU實現了CNG壓縮機的物聯網與遠程監控。實際應用表明該系統具有成本低、容易實現、運行可靠的特點。

參考文獻

[1] 陶建，張慶春，蔡萬春，等.淺析天然氣壓縮機的維護與保養[J].中國石油和化工標準與質量，2014（1）：117?118.

[2] 魏佳杰，郭曉金，李建寰.無線傳感網發展綜述[J].信息技術，2009（6）：175?178.

[3] 唐志輝，龍允聰，李洪超.基于無線傳輸的電能質量監測系統[J].現代電子技術，2013，36（15）：23?26.

[4] 喬親旺.物聯網應用層關鍵技術研究[J].電信科學，2011（z1）：59?62.

[5] 曾松偉，章云，邱偉強.基于物聯網的智能家居控制系統設計[J].現代電子技術，2011，34（9）：168?171.

[6] 陳磊，黃在朝.基于物聯網的輸電線路狀態監測技術在智能電網中的應用研究[J].現代電子技術，2012，35（21）：7?9.

[7] 敬偉，王鵬，兀偉.基于組態王的實時監控系統的數據處理[J].計算機工程與科學，2009，31（8）：128?129.

[8] 汪玉鳳，王鑫.基于組態王網絡OPC的數據監控系統[J].儀表技術與傳感器，2010（8）：52?53.