基于以太網和GPRS冗余通信的燃氣場站測控系統設計*

陶 濤， 孟祥印, 張楓沛， 宋 波

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引 言

在傳統燃氣場站測控系統中，現場設備實時監測與控制是最重要的環節[1,2]。傳統燃氣場站測控系統的現場數據和遠程上位機的數據傳輸依靠單一的以太網網絡，以太網一旦故障時，上位機將無法和現場進行數據交換，更無法保證整個場站現場的安全穩定運行。本文提出了一種基于以太網和通用分組無線業務(general packet radio service,GPRS)冗余通信的燃氣場站測控系統設計，旨在保證系統的數據不間斷傳輸，提高整個系統的可靠性和穩定性。

1 系統總體設計

系統由現場電氣設備、下位機和上位機組成，如圖1所示。下位機控制系統以STM32為核心，負責采集現場設備數據，包括壓力、溫度、流量、泄漏情況以及加臭參數。上位機由一臺裝有WINCC組態軟件編寫的監控軟件的計算機機構成，負責對燃氣場站的遠程監測與控制。系統工作時，下位機通過RS—485通信接口或者模擬量接口與現場電氣設備連接，通過其集成的液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)液晶屏與上位機IP地址綁定，下位機采集的現場數據整合后自行判斷當前以太網和GPRS無線網絡通斷狀態，根據決策結果選擇相應的通信方式將整合數據發送至上位機。上位機則根據所記錄的最近一次的上傳數據的通信方式將控制指令發送至下位機。

圖1 系統總體設計

2 硬件電路設計

2.1 硬件組成

整個硬件系統由6部分構成，即處理器部分、電源部分、網絡部分、LCD部分、數據采集部分和控制輸出部分，硬件架構如圖2所示。其中數據采集部分主要包括模擬量輸入電路(4～20 mA)、數字輸入電路和RS—485電路。控制輸出部分包括模擬量輸出電路、數字輸出電路和RS—485電路。

圖2 硬件構架

處理器模塊采用STM32F407[3～5]。在電路板設計中搭配使用LM817光耦隔離芯片，保證系統采集數據時不受外界的干擾。系統供電為寬電壓供電(7～40 V)，搭配使用LM2576S—5和ASM17—3.3芯片將電壓轉換為5 V和3.3 V，直接為通信電路和系統芯片供電。

2.2 通信電路

STM32F4系列內部集成了網絡介質訪問控制(medium access control,MAC)控制器，外加一個PHY芯片即可實現網絡功能[6]。系統選擇LAN8720A作為STM32F4的PHY芯片，芯片采用RMII接口與STM32F4通信，占用I/O較少，且支持auto mdix(可自動識別交叉、直插網線)功能[7]。同時集成設計一個RJ45頭，共同組成10/100Mbps自適應網卡。

GPRS無線通信主控芯片采用安信可GSM/GPRS A6芯片。芯片支持GSM/GPRS4個頻段，包括850，900，1 800，1 900 MHz；同時芯片只要激活GPRS數據后，將不存在掉線問題，芯片集成2個串口，可直接與STM32串口通信。

2.3 模擬量輸入電路

現場壓力變送計、溫度變送計和泄漏探測儀輸出信號均為4～20 mA電流信號，STM32 ADC只能接收0～3.3 V電壓信號，故模擬量輸入電路需要將現場儀器電流信號轉換為電壓信號。系統采用線性光耦芯片HCNR201能夠有效避免現場的各種噪聲干擾引入控制系統，同時滿足工作區域電流轉換為電壓的線性度要求。如圖3所示，模擬量輸出電壓與電流關系為

(1)

式中K=1；R1為可調電阻值，Ω；R5,R3為固定電阻值，Ω。

圖3 模擬量輸入電路

3 系統軟件設計

系統軟件設計基于Keil uvision 5集成環境開發，采用面向硬件開發的C語言編程開發。下位機以μC/OSⅡ實時操作系統為基礎[8]，結合emWin圖形庫進行用戶設置界面開發。以太網采用小型開源的TCP/IP協議棧LWIP[9]。

系統工作流程如圖4所示，待系統以太網和GPRS部分初始化完成后，進入循環檢測是否有數據采集完成待上傳，是,則系統進入網絡判斷決策函數：首先檢測PHY芯片是否正常連接，即以太網是否存在物理連接，若檢測到PHY處于斷開狀態，則系統選擇GPRS進行數據上傳；若PHY芯片連接正常，則進行TCP/IP連接狀態，若檢測未能成功與上位機綁定，則系統選擇GPRS進行數據上傳；反之，若檢測成功則啟動以太網進行數據上傳。

當系統選擇GPRS進行通信時，若檢測GPRS正常則啟動GPRS數據傳輸，等待數據傳輸完成后將以太網部分重置并進入下一個數據上傳等待循環；若檢測GPRS掉線則將以太網和GPRS進行重置，并再次嘗試數據發送，直到數據發送正常后進入下一次數據上傳等待。

4 WINCC監控界面

在WINCC組態軟件[10～13]中，其自定義變量用于存儲下位機上傳的數據，并通過WINCC軟件開發功能在設計的監控界面上顯示出與其對應的變量值。在監控軟件中，用戶通過登陸界面進入主界面，其中主界面包括七個子版塊，即工藝畫面、趨勢圖、網絡拓撲圖、歷史數據、報表查詢、事件記錄及用戶管理。在工藝畫面中可以實時監控各個儀表參數，也可設置出口壓力和加臭參數等。

圖4 下位機工作流程

5 實驗與結果

在實驗室測試該系統，以太網正常通信時，采用人為破壞方式，GPRS均能在100 ms內介入傳輸過程。同時當系統檢測到以太網滿足通信條件時，系統能自動恢復以太網并傳輸數據。

將該系統引入到某市燃氣公司的燃氣門站，并在該公司的中控大樓監控中心處工控機安裝監控軟件，如圖5所示。表1為該燃氣門站8︰00～18︰00間，每隔2 h一次現場民用燃氣數據，其中11︰00～16︰00采取人為中斷以太網，數據均能穩定以GPRS傳輸至中控室，且在17︰00后，恢復以太網，數據則恢復以太網上傳方式。

圖5 調試現場

時間進口壓力/kPa出口壓力/kPa流量/(Nm3/h)溫度/℃8︰001500402.0172918.210︰001550411.265418.212︰001650423.2189018.214︰001780411.265418.316︰001840404.0149318.218︰001570395.1212018.2

6 結 論

設計了一種以太網和GPRS冗余通信系統，該系統集成μC/OSⅡ以及emWin，具有操作簡單，實時性高和維護簡單特點。經現場測試，該冗余通信測控系統能夠快速在以太網和GPRS無線網絡2種通信方式切換，并且在網絡出現故障后能自行重置網絡和網絡重連，該系統能夠穩定、快速、準確完成數據傳輸，提高了天然氣場站測控的可靠性和穩定性，具有一定的推廣價值。