基于GPRS的天然氣調壓站遠程監控系統設計

徐鑫凱，孟祥印，郝夢捷，孫揚智，唐　磊

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都610031）

基于GPRS的天然氣調壓站遠程監控系統設計

徐鑫凱，孟祥印，郝夢捷，孫揚智，唐磊

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都610031）

針對天然氣調壓站間距遠、分散度高，以及傳統的有線監控系統不能完全勝任調壓站的監控工作的問題，以GPRS技術設計數據遠程傳輸模塊，結合STM32、WinCC以及MODBUS協議設計一套天然氣遠程監控系統，實現天然氣的無線遠程監控，滿足大范圍、遠距離的監控需求。

GPRS；數據傳輸；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壓站分布在各個地區。傳統的天然氣調壓站監控系統采用的是手動控制，不能夠實現數據監測的自動化、遠程化、集中化操作。特別是數據的傳輸一直以來采用現場走線，不能實現遠距離實時監控，在當今天然氣用量大大提升的背景下，開發可靠、實用的天然氣遠程自動化監測系統能大大提高天然氣的生產管理效率。根據現況筆者采用GPRS遠程數據通信模塊為核心，以STM32F103RC微控制器為信號采集板作為下位機以及 WinCC作為上位機設計一套用于天然氣調壓站的遠程監測設備。

1　天然氣遠程監控系統構架

系統由現場電氣設備、STM32下位機和GPRS數據遠程傳輸模塊、WinCC上位機監控軟件系統構成。天然氣遠程監控系統整體構架設計如圖1所示。系統的工作流程：現場電氣設備通過RS485通信接口或者模擬量通信接口連接到下位機，由其處理其中的數據，經過處理的數據通過下位機的串行接口，通過GPRS模塊與監控中心上位機的監控軟件進行通信，將下位機數據傳送給上位機監控系統使用。上位監控系統由一臺工控機、顯示器以及軟件系統組成。軟件系統以GPRS無線數據信息傳輸[1]、上位機和下位機之間的MODBUS協議數據通信以及WinCC組態監控軟件為核心，實現人機交互功能，并實現數據處理、數據顯示與存儲、報警提示等。

監控系統共4個模塊：數據遠程傳輸模塊、下位機數據采集、監控中心與下位機實現MODBUS協議數據通信、WinCC監控界面。

圖1　天然氣遠程監控系統整體構架圖

2　數據遠程傳輸模塊設計

2.1GPRS技術介紹

GPRS全稱 General Packet Radio Service，它是 GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務[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數據交換。GPRS理論帶寬可達171.2 Kb/s，實際應用帶寬大約在 40～100 Kb/s，在此信道上提供 TCP/IP連接；目前的實際應用帶寬大約在 100 Kb/s左右(雙向對稱傳輸)，可以用于INTERNET連接、數據傳輸等應用。數據遠程傳輸構架如圖2所示。

圖2　數據遠程傳輸構架圖

2.2GPRS DTU通信設計

GPRS模塊硬件采用宏電 7710GPRS DTU，其無線數據傳輸采用多個軟件構成一個完整的通信平臺。軟件包括：KEPserver、configure virtual serial port driver、超級終端、無線數據中心。

KEPserver提供 OPC服務[3]，在其他軟件和控制設備之間搭起一座橋梁，使得用戶軟件可以直接訪問控制設備的數據;configure virtual serial port driver在電腦上建立一一對應的虛擬串口，收發數據信息；超級終端軟件設置GPRS DTU參數，設定GPRS DTU的IP地址、波特率、SIM卡號、DSC通訊端口，設置為中控室的轉發軟件啟動的監控端口；無線數據中心是連接PC和互聯網的中轉軟件，通過設置無線數據中心的參數收發對應數據信息。

2.3GPRS通信實現

GPRS DTU數據傳輸通過 configure virtual serial port driver可實現一對或多對虛擬串口作為接受數據和發送數據的通信接口，采用KEPserver作為中轉處理，實現虛擬串口和 PC端WinCC遠程監控程序界面之間的數據信息交換。分布在各個地點的下位機數據信息利用宏電7710 DTU由蜂窩網連接入互聯網，發送到對應 IP的主機串口；無線數據信息中心程序實現PC端兩個虛擬串口之間數據信息的轉發。通過各個軟件的準確設定以及前后恰當銜接建立一個下位機物理232串口到上位機虛擬串口的數據透明傳輸路徑，使得上位機能夠實時的和下位機實現數據無線遠程信息的交換，從而達到遠距離的監控目的。數據遠程傳輸軟件構架示意圖如圖3所示。通信模式設計：監控中心計算機作為調控中心，采用一個固定IP地址，分布在不同地點的GPRS DTU主動連接調度中心，實現中控機管理多個GPRS DTU。

圖3　數據遠程傳輸軟件構架示意圖

3　數據信息采集實現

數據采集硬件構架如圖4所示。分布在各個地點的現場電氣設備數據由核心控制器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。被采集現場電氣設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。

圖4　數據采集硬件構架圖

主控芯片：STM32F103RC芯片是ST公司推出的增強型微控制器，其內核采用ARM公司的高性能Cortex－M3，擁有512 KB的 Flash存儲器，集成復位電路、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壓站現場數據信號采集要求。

光耦隔離模塊：采用 PS208－1芯片實現對工業現場數信號的隔離，通過下拉電阻R302把隔離處理之后的數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：工業現場由于環境惡劣，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動能力驅動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，就可實現隔離不放大的效果。隔離電路如圖6所示。

圖5　光耦隔離電路

圖6　模擬量采集隔離電路

備用電池模塊：為了防止外部電源意外中斷，設計了備用電池模塊，在外部電路正常工作時，電池不供電；當外部電源中斷，電池立即給系統供電，保證系統正常共作。電池采用的是可充電AAA鋰電池，由TP4057作為其電源芯片，負責對它充電。采用AO3401芯片作為電路切換模塊，它實質上是一個P-MOSFET管。外部供電正常時AO3401芯片處于截斷狀態；當外部電源意外中斷時，電路中的AO3401芯片馬上導通，Y1端連通電池，給系統供電。備用電源及自動切換電路如圖7所示。

圖7　備用電源及自動切換電路

4　下位機的MODBUS通信設計

下位機采集到數據信息，經 RS232物理串口，利用GPRS模塊把數據發送到主控中心主機串口，實現串口數據的透明傳輸。在下位機RS232串口與監控中心主機虛擬串口之間采用MODBUS通訊協議實現監控中心主機與下位機的通信。

MODBUS是一種開放、標準、免費的通訊協議[5]，其支持RS232、RS485等多種電氣接口，因其簡單緊湊的特點，被廣泛的應用于各個工業現場數據通信領域。

MODBUS協議采用主從模式，一個主機，多個從機，主機請求，對應的一個從機作出應答。一個MODBUS系統中，電氣接口作為物理線路，將高低電平信息傳遞出去；MODBUS協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，以及指揮設備回送一個或者多個其寄存器中的數據[6]。

分布在各個地點的下位機作為從機，監控中心作為主機，利用MODBUS實現監控中心接收不同地點的現場數據。從機響應主機功能碼0x03（讀保持寄存器)請求，發送數據給主機[7]。

從機處理功能碼0x03機制如圖8所示。

圖8　從機響應功能碼0x03機制

5　WinCC監控界面

西門子SIMATIC WinCC是一款功能性、開發性和穩定性優秀的工程組態軟件[8]。WinCC是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業技術中性系統。它提供了適用于工業的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板。

在WinCC組態軟件中，把下位機傳來的數據保存在WinCC自定義的變量中，利用WinCC便捷的界面開發功能，在界面中顯示出對應的變量值，并且基于現場實際情況設計出人機交互監控界面，進入系統后可對監控的天然氣參數進行上下限值設置，系統根據此上下限值開啟報警，系統在開始運行時便設置缺省報警上下限值，系統功能見圖9。

圖9　WinCC人機交互界面功能圖

6　結束語

本文采用 GPRS技術、STM32微控制器、MODBUS協議、WinCC組態軟件，設計實現一種新型的天然氣遠程監控系統，完全滿足天然氣遠程數據自動監控性能要求以及偏遠山區的天然氣調壓站數據信息自動采集指標要求。

[1]陳文榮.基于GPRS的儀表數據采集與監控系統[J].浙江大學學報，2005(2)：18-20.

[2]覃曉，李熹.基于ARM和GPRS的遠程監控供水系統設計[J].廣西民族大學學報，2010，16(11)：51-55.

[3]劉敏.KEPServer在PLC和VB.NET通訊中的應用[J].大眾科技，2012，14(155)：42－45.

[4]紀文志，陳忠，唐加山.基 CAN總線智能節點的設計與實現[J].微型機與應用，2012，31(3)：44-46.

[5]胡興剛.基于 Modbus協議的電磁流量計在水庫涵管流量測量中的應用[J].測控技術，2014，33(9)：101-104.

[6]唐磊，周倫，唐波.WinCC與自定義設備通信的研究與實現[J].儀表技術與傳感器，2014(5)：32-34.

[7]萬美，閆寶瑞.基于MODBUS協議和WinCC6.2的電力參數采集系統設計[J].石化電氣，2011，30(11)：80－82.

[8]田民強，劉振興，游輝勝.基于WinCC和 VB的排水站監控系統[J].工業控制計算機，2009，22(5)：31－32.

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)

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.

GPRS；data transmission；MODBUS；WinCC；STM32

TH865

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.002

2015-06-30)

徐鑫凱（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：過程控制。

孟祥?。?979-），男，博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向：機電設備監測與控制。

郝夢捷（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：過程控制。

中文引用格式：徐鑫凱，孟祥印，郝夢捷，等.基于 GPRS的天然氣調壓站遠程監控系統設計[J].電子技術應用，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.