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，不能實現(xiàn)遠距離實時監(jiān)控，在當(dāng)今天然氣用量大大提升的背景下，開發(fā)可靠、實用的天然氣遠程自動化監(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以及WinCC作為上位機設(shè)計一套用于天然氣調(diào)壓站的遠程監(jiān)測設(shè)備。

1 天然氣遠程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

　　系統(tǒng)由現(xiàn)場電氣設(shè)備、STM32下位機和GPRS數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊、WinCC上位機監(jiān)控軟件系統(tǒng)構(gòu)成。天然氣遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體構(gòu)架設(shè)計如圖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，由其處理其中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過下位機的串行接口，通過GPRS模塊與監(jiān)控中心上位機的監(jiān)控軟件進行通信，將下位機數(shù)據(jù)傳送給上位機監(jiān)控系統(tǒng)使用。上位監(jiān)控系統(tǒng)由一臺工控機、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]、上位機和下位機之間的MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)通信以及WinCC組態(tài)監(jiān)控軟件為核心，實現(xiàn)人機交互功能，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示與存儲、報警提示等。

　　監(jiān)控系統(tǒng)共4個模塊：數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊、下位機數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控中心與下位機實現(xiàn)MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)通信、WinCC監(jiān)控界面。

2 數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊設(shè)計

　　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，可以在全國范圍實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。GPRS理論帶寬可達171.2 Kb/s，實際應(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)遠程傳輸構(gòu)架如圖2所示。

　　2.2 GPRS DTU通信設(shè)計

　　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通信實現(xiàn)

　　GPRS DTU數(shù)據(jù)傳輸通過configure virtual serial port driver可實現(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，實現(xiàn)虛擬串口和PC端WinCC遠程監(jiān)控程序界面之間的數(shù)據(jù)信息交換。分布在各個地點的下位機數(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物理232串口到上位機虛擬串口的數(shù)據(jù)透明傳輸路徑，使得上位機能夠?qū)崟r的和下位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線遠程信息的交換，從而達到遠距離的監(jiān)控目的。數(shù)據(jù)遠程傳輸軟件構(gòu)架示意圖如圖3所示。

　　通信模式設(shè)計：監(jiān)控中心計算機作為調(diào)控中心，采用一個固定IP地址，分布在不同地點的GPRS DTU主動連接調(diào)度中心，實現(xiàn)中控機管理多個GPRS DTU。

3 數(shù)據(jù)信息采集實現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)采集硬件構(gòu)架如圖4所示。分布在各個地點的現(xiàn)場電氣設(shè)備數(shù)據(jù)由核心控制器STM32F103RC芯片控制的下位機采集[4]，其與底層的流量計計算儀進行通信，與變送器及探測器進行模擬量采集。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、可燃氣體探測器、流量計、切斷閥、加臭控制器。

　　主控芯片：STM32F103RC芯片是ST公司推出的增強型微控制器，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。

　　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。電路采用運放LMV321IDBV，其輸出電流可達40 mA。選用R101=R103=100 kΩ，且精度為千分之一，C101=C102=0.001 μＦ，就可實現(xiàn)隔離不放大的效果。隔離電路如圖6所示。

　　備用電池模塊：為了防止外部電源意外中斷，設(shè)計了備用電池模塊，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，負責(zé)對它充電。采用AO3401芯片作為電路切換模塊，它實質(zhì)上是一個P-MOSFET管。外部供電正常時AO3401芯片處于截斷狀態(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。

4 下位機的MODBUS通信設(shè)計

　　下位機采集到數(shù)據(jù)信息，經(jīng)RS232物理串口，利用GPRS模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到主控中心主機串口，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的透明傳輸。在下位機RS232串口與監(jiān)控中心主機虛擬串口之間采用MODBUS通訊協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)控中心主機與下位機的通信。

　　MODBUS是一種開放、標(biāo)準(zhǔn)、免費的通訊協(xié)議[5]，其支持RS232、RS485等多種電氣接口，因其簡單緊湊的特點，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，多個從機，主機請求，對應(yīng)的一個從機作出應(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]。

　　分布在各個地點的下位機作為從機，監(jiān)控中心作為主機，利用MODBUS實現(xiàn)監(jiān)控中心接收不同地點的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。從機響應(yīng)主機功能碼0x03（讀保持寄存器)請求，發(fā)送數(shù)據(jù)給主機[7]。

　　從機處理功能碼0x03機制如圖8所示。

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、歸檔以及報表的功能模板。

　　在WinCC組態(tài)軟件中，把下位機傳來的數(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)場實際情況設(shè)計出人機交互監(jiān)控界面，進入系統(tǒng)后可對監(jiān)控的天然氣參數(shù)進行上下限值設(shè)置，系統(tǒng)根據(jù)此上下限值開啟報警，系統(tǒng)在開始運行時便設(shè)置缺省報警上下限值，系統(tǒng)功能見圖9。

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)計實現(xiàn)一種新型的天然氣遠程監(jiān)控系統(tǒng)，完全滿足天然氣遠程數(shù)據(jù)自動監(jiān)控性能要求以及偏遠山區(qū)的天然氣調(diào)壓站數(shù)據(jù)信息自動采集指標(biāo)要求。

參考文獻

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