基于GPRS的廢氣治理設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

馮業(yè)鈞，周任文，湯劍飛，馮偉杰，潘康華，周仁立，馮肇霖

（1.廣州廣一大氣治理工程有限公司，廣東 廣州 510000； 2.廣東省環(huán)境保護(hù)中小型靜電除塵與分離技術(shù)工程研究開發(fā)中心，廣東 廣州 510000）

0 引 言

世界正面臨百年不遇的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，第四次工業(yè)革命也悄然到來，我國(guó)的工業(yè)化程度也越來越高。高工業(yè)化意味著在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程中需要引入智能化技術(shù)，對(duì)一些分散、遠(yuǎn)距離和數(shù)量眾多的作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，特別是作為配套的廢氣治理設(shè)備。由于廢氣治理設(shè)備的工況環(huán)境比較惡劣，沒有人長(zhǎng)期值守，通常需要建立監(jiān)控中心。監(jiān)控中心不僅是對(duì)作業(yè)點(diǎn)的工作狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，還會(huì)向遠(yuǎn)程的設(shè)備發(fā)送指令，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。傳統(tǒng)的方法有兩種：一是采用有線控制系統(tǒng)，二是采用無線專網(wǎng)控制系統(tǒng)。但是，兩種系統(tǒng)均需要專用通信設(shè)備，建設(shè)投資大、維護(hù)費(fèi)用高，缺點(diǎn)明顯，難以全面應(yīng)用。隨著全球移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，利用移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制已成為一種必然的趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

廢氣治理設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)借助于公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了廢氣治理設(shè)備的無線遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制與管理。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，主要由智能控制器、GPRS通信模塊、通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程終端組成[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能控制器通過以TMS320F28335為核心的電路采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)向設(shè)備發(fā)送指令，由開關(guān)量輸入電路、開關(guān)量輸出電路、模擬量輸入電路、模擬量輸出電路和電源模塊等構(gòu)成。

開關(guān)量輸入電路通過光耦合器PC814實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換輸入，見圖2。PC814將紅外發(fā)光二極管和發(fā)光三極管組合在一起。發(fā)光二極管為輸入回路，將電能轉(zhuǎn)換成光能；發(fā)光三極管為輸出回路，將光能轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)輸入范圍為DC18～24 V時(shí)為高電平，此時(shí)光耦導(dǎo)通，電阻R45和發(fā)光二極管共同構(gòu)成輸入回路。當(dāng)輸入低于DC18 V時(shí)為低電平，此時(shí)光耦工作電流低于4 mA，不導(dǎo)通，電阻R43構(gòu)成輸入回路。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)，輸入、輸出之間互相隔離。因?yàn)檩斎攵撕洼敵龆送耆珜?shí)現(xiàn)電氣隔離，無觸點(diǎn)，所以抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。

開關(guān)量輸出電路采用DC12 V的繼電器作為無源接點(diǎn)輸出，見圖3。DSP輸出高電平信號(hào)時(shí)，NPN管Q導(dǎo)通，繼電器即得電產(chǎn)生動(dòng)作，觸點(diǎn)閉合，接通負(fù)載的通電回路。繼電器SRD-12VDC-SL-C的最大觸點(diǎn)額定電壓下的最大額定電流能達(dá)到10 A，沒有極性，可以是指示燈，也可以是線圈，應(yīng)用比較廣泛。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

圖2 開關(guān)量輸入電路

圖3 開關(guān)量輸出電路

模擬量輸入電路采集的信號(hào)通過高共模電壓差分放大器INA117進(jìn)行信號(hào)放大后輸入到四路運(yùn)算放大器LM2902的輸入端，再經(jīng)過LM2902的運(yùn)算輸入到TMS320F28335中。同時(shí)，INA117也替代隔離變壓器的作用，消除紋波、噪聲和靜電電流的影響。

模擬量輸出電路輸出的信號(hào)經(jīng)過單電源雙運(yùn)算放大器放大后，輸入到V/I變換電路AD694后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出，可控制變頻器、電力調(diào)整器等，通用性好。模擬量輸入電路和輸出電路，分別如圖4和圖5所示。

圖4 模擬量輸入電路

圖5 模擬量輸出電路

GPRS通信模塊是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的重要組成部分。經(jīng)過對(duì)比，選用SIM300C作為通信模塊。該模塊采用小體積、低功耗的設(shè)計(jì)，易于開發(fā)。支持的電壓范圍為3.4～4.5 V，典型工作電壓為4.2 V，實(shí)時(shí)在線平均電流≤10 mA/12 V。工作頻段為四頻850/900/1 800/ 1 900 MHz和三頻GSM/GPRS900/1 800/1900 MHz，符合GPRS（class10）標(biāo)準(zhǔn)，滿足GSM（2/2+）標(biāo)準(zhǔn)-Class 4 （2 W @850/900 MHz）-Class 1（1W@1 800/1 900 MHz）。SIM300C內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議棧，集成了GSM基帶處理器和標(biāo)準(zhǔn)的射頻電路，配置使用通用的AT控制命令，只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置就可用于數(shù)據(jù)傳輸和交互。GPRS通信建立在遍布全球的GSM基礎(chǔ)上，沖破了距離和地形的限制，利用GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信。GPRS的數(shù)據(jù)傳輸高速穩(wěn)定，與網(wǎng)絡(luò)始終保持聯(lián)系。采用GPRS技術(shù)后，無線監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 高，準(zhǔn)確性強(qiáng)，按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，性價(jià)比高。GPRS通信模塊通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器上。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

云服務(wù)器ECS（Elastic Compute Service）是一種資源利用率高、安全穩(wěn)定、處理能力可彈性伸縮的計(jì)算單元，每個(gè)集群節(jié)點(diǎn)被部署在互聯(lián)網(wǎng)的骨干數(shù)據(jù)中心，虛擬化的平臺(tái)可提供計(jì)算、存儲(chǔ)、在線備份、管理以及帶寬等互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。它能夠把應(yīng)用程序分割成許多很小的工作單元，提供了對(duì)數(shù)據(jù)讀寫的高吞吐率。云服務(wù)器的優(yōu)勢(shì)不僅在于它的高效，而且它的設(shè)計(jì)根本就是存儲(chǔ)和計(jì)算的高可擴(kuò)展性，冗余式的共享存儲(chǔ)和智能備份又保證了分布式數(shù)據(jù)處理的高可靠性。

遠(yuǎn)程終端包括PC和智能手機(jī)，利用平臺(tái)軟件完成數(shù)據(jù)采集和寫入，查看設(shè)備的參數(shù)和狀態(tài)，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。具體地，實(shí)現(xiàn)的功能主要有以下4個(gè)方面[2]。

（1）實(shí)時(shí)顯示與控制功能。當(dāng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后將從“離線設(shè)備列表”進(jìn)入“在線設(shè)備列表”，并顯示GPRS信號(hào)的強(qiáng)弱。信號(hào)過弱，監(jiān)控將不穩(wěn)定或出現(xiàn)延遲。如圖6所示，當(dāng)遠(yuǎn)程有DI信號(hào)輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)開關(guān)量如“乳化泵開指示”“風(fēng)機(jī)開指示”指示燈由紅色變成綠色，說明設(shè)備正在開機(jī)；當(dāng)遠(yuǎn)程有AI信號(hào)輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)的模擬量如“一次電流”“二次電壓”將實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，供遠(yuǎn)程監(jiān)控；當(dāng)遠(yuǎn)程需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟停控制時(shí)，操作終端上的“自動(dòng)啟停”鍵，設(shè)備將自動(dòng)啟停。

（2）報(bào)警功能。當(dāng)廢氣治理設(shè)備工作出現(xiàn)異常時(shí)，設(shè)備向終端發(fā)出報(bào)警信息，報(bào)警信息將及時(shí)在終端顯示出來，“故障報(bào)警”“高壓報(bào)警”指示燈由綠色變成紅色，并不停閃爍，見圖6（左）所示。同時(shí)，如要對(duì)設(shè)備進(jìn)行緊急停機(jī)，操作終端上的“故障停機(jī)”鍵即可。

（3）數(shù)據(jù)管理。云平臺(tái)將接收到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、報(bào)警信息以及運(yùn)行記錄等信息，并保存在服務(wù)器上。終端軟件能按要求對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以曲線形式展現(xiàn)。例如，查詢5月4日3點(diǎn)04分的變壓器運(yùn)行參數(shù)，可把時(shí)間軸拉至此時(shí)刻，可顯示此時(shí)刻的一次電流為45.71 A，一次電壓為180.7 V，二次電流為267.7 mA，二次電壓為39.71 kV，如圖7所示。

圖7 終端實(shí)時(shí)應(yīng)用圖2

（4）事件記錄。如圖7左圖所示，事件記錄將以曲線形式繪制在窗口上面，選擇某個(gè)特定時(shí)間，在窗口會(huì)顯示這個(gè)特定時(shí)間的時(shí)間記錄和狀態(tài)。如果選擇5月3日20點(diǎn)58分，將查詢到乳化泵和風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，高壓故障。通過事件記錄可以查看設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和相關(guān)趨勢(shì)，及時(shí)掌握設(shè)備工況。

4 結(jié) 論

GPRS在廢氣治理設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了廢氣治理設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制，而且為實(shí)現(xiàn)廢氣治理設(shè)備的遠(yuǎn)程故障診斷以及對(duì)廢氣治理設(shè)備群進(jìn)行合理的調(diào)度和管理打下了良好基礎(chǔ)。GPRS通信在廢氣治理設(shè)備和遠(yuǎn)程終端之間的應(yīng)用大大減少了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，不但實(shí)現(xiàn)廢氣治理設(shè)備的無人監(jiān)控，還實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并及時(shí)傳遞，為系統(tǒng)決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，GPRS技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中將會(huì)有更大的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。