基于物聯網的應急燃油發電機監控系統*

哈爾濱工業大學蕪湖機器人產業技術研究院 林宇豐 劉豐福

為解決對應急燃油發電機難以集中管理以及運行狀態的監視和周期性維護耗費人力和時間的問題，結合物聯網技術，研發了監視、控制、管理一體化的監控系統。首先，介紹了監控系統所具備的基本功能和系統設計時所遵循的原則。然后，在研究監控系統整體結構的基礎上，提出了基于OPC UA 通訊協議實現的應急燃油發電機與監控系統的連接方法，進一步闡述了監控系統基于ASP.NET Core 的技術架構和邏輯結構。最后，給出了監控系統的數據監測與遠程控制的實現方法。

電力能源是在當今社會中最主要的能源。為了避免電力中斷而影響人們的生活和企業生產，在重要的區域如醫院、學校、政府部門等都配有應急備用電源，以減少電力中斷所導致的人員傷亡和重大經濟損失。應急發電機以燃油發電機為主，其具有燃油效率高、燃料容易獲取、不受地域限制或氣候環境影響的優勢[1]。應急燃油發電機可以獨立運行，并且可以長時間進行供電，最大限度地避免了電力中斷所帶來的影響，因此得到了廣泛的應用。

應急發電機具有工作時間不確定性，存在地理位置分散以及難以集中管理的問題。一方面，由于應急發電機的工作特性，其工作時間無法預測且往往都是突發性的?，F階段，應急燃油發電機的維保工作主要是通過人工的方式進行定期啟動測試和周期性的保養[2-4]；另一方面，應急發電機的分布不集中，甚至有的在偏僻的山區，因此進行維保工作時將會耗費大量的人力和物力。

作為當下的熱門趨勢之一，物聯網技術已被廣泛應用于各個領域?，F有的監測或監控系統雖然能夠實現數據監測，但還沒有具備實時監控的功能或受到通訊限制不能進行異地遠程監控[5-8]。本文將基于物聯網技術開發應急燃油發電機的監控系統，將應急燃油發電機進行集中管理，并實現實時監測與遠程控制等功能。

1 監控系統的基本功能

應急燃油發電機監控系統通過為企業部門和技術人員提供應急發電機數據作為參考，利用遠程控制功能完成啟動、停機等操作，能夠有效地減少技術人員到達現場的次數，以提高企業的經濟效益。另外，配合維保管理、故障管理等功能，使得對應急發電機的維護工作能夠得到更精確合理的安排，以進一步提高應急燃油發電機的工作可靠性。

作為監測、控制、管理一體化的監控系統，其具備了四大功能模塊：即設備檔案管理、設備監控管理、設備維保管理以及用戶角色管理。每個功能模塊下的具體功能如圖1 所示。

圖1 監控系統的功能結構圖Fig.1 Function structural diagram of monitoring system

（1）設備檔案管理。應急燃油發電機監控系統的設備檔案管理是整個系統重要的組成部分之一。系統的絕大部分功能都離不開發電機設備，所以需要建立一個良好的設備模型。設備信息記錄著各個發電機的基本信息，并允許上傳設備照片，以便于技術人員能夠在現場快速辨別相關發電機。設備變量是指應急發電機中所有可被監測的參數，通過設置各個變量的節點地址能夠讓數據采集服務準確獲取該變量的數據，使采集過程更為流暢。

（2）設備監控管理。設備監控管理模塊是應急燃油發電機監控系統的核心功能之一，其包括實時數據監測、歷史數據查詢以及遠程控制。數據監測和查詢能夠讓技術人員掌握停機發電機的實時狀態，為不在現場的技術人員對發電機進行故障排查或分析提供數據參考。遠程控制實現了發電機的啟動和停機等基本操作，減少技術人員到現場為應急發電機進行定期啟動測試的次數，能夠節約企業的人力成本與時間成本。

（3）設備維保管理。應急燃油發電機的維護與保養是保證其在遇到電力中斷時可以正常運行的重要因素之一。監控系統中具有設備的維保管理，其記錄著發電機的維保情況、維保單位、費用等信息，能夠輔助技術人員安排維保工作。故障維修管理能夠讓技術人員在發現問題后及時上報，然后由管理人員根據情況安排維修工作。此外，在維保管理模塊中還能夠按照指定時間段對維保費用進行統計，以便于日后的財務規劃。

（4）用戶角色管理。應急燃油發電機監控系統的用戶角色管理是保證系統安全性的重要功能，可以避免外來人員進入到監控系統。用戶管理記錄了所有能登錄監控系統的技術人員或管理人員。對不同的用戶還可以分配不同的角色，而每個角色對應著不同的權限，用戶交互界面也會隨著用戶角色的不同而有所變化。

2 監控系統的設計原則

應急燃油發電機監控系統開發的目的是為了解決應急發電機維護和監測耗費大量人力財力和時間的問題。一個完好的監控系統不僅僅在功能上解決問題，還需要考慮該系統的未來發展趨勢。因此，應急燃油發電機監控系統在設計開發時，將依據以下幾點原則：

（1）實時性。應急燃油發電機監控系統需要實時數據才能準確地展示發電機的當前運行狀態，所以要確保從應急發電機中所采集的數據能夠及時傳輸到數據庫中。另外，對應急燃油發電機的遠程控制要保證低延遲的信號傳遞，使應急發電機能夠快速接收控制請求并進行響應，避免技術人員進行重復控制等誤操作。

（2）可靠性?？煽啃允侵冈趹比加桶l電機監控系統在長時間運行或進行大量的信息處理時，依然能夠正常穩定地運行。監控系統須具備24h 不間斷運行的能力，即使出現系統崩潰或宕機的情況，監控系統能夠在短時間內快速恢復正常。為保證監控系統與應急發電機之間的通訊流暢，應急發電機有多種聯網方式以及斷網自動重連功能，以確保應急發電機始終處于在線狀態。

（3）可維護性。應急燃油發電機的監控系統在設計時需要考慮到系統在實際投入應用后，可能會因為企業業務的調整而需要對部分功能進行調整或二次開發。為方便后期系統維護人員對系統進行更改，對基本的系統設置提供用戶交互界面，減少通過后臺進行代碼修改。同時，為提高程序代碼的易讀性，對所有應用程序中的函數都添加注釋。

（4）安全性。應急燃油發電機監控系統的安全性可以分為兩個方面：首先是系統的應用安全，其包括通過權限授權用戶使用系統的功能及資源，避免外來人員或無關人員進入系統；其次是數據安全，即使用專用的通訊協議進行數據傳輸，并對數據庫中關鍵和敏感的數據進行加密，保證數據的完整性和保密性，加大直接獲取有效信息的難度。

（5）靈活性。應急燃油發電機監控系統在設計開發時要選擇具有兼容性的操作系統和數據庫等，使系統能夠快速轉移到其他硬件或服務器上，避免相關技術迭代后導致系統不能正常使用。監控系統還具備未來可擴展的特點，能夠快速部署新的功能或集成其他子系統，并根據需求隨時增加或刪減應用模塊。

3 監控系統的整體設計

3.1 總體框架設計

應急燃油發電機監控系統的總體框架設計如圖2 所示，主要由應急發電機、云端服務器以及客戶端用戶三個部分組成。云端服務器包含了各種邏輯業務和功能服務，承擔了整個監控系統的絕大部分事務，其中包括處理應急燃油發電機PLC 的數據、處理各種來自客戶端的請求和操作、呈現用戶界面以及向應急發電機發出控制請求等。

圖2 監控系統的總體框架Fig.2 Overall framework of monitoring system

應急燃油發電機可以根據自身現有的PLC 通訊接口，利用現場總線技術或通過4G 移動通訊網絡和局域網進行聯網。云端服務器中的數據服務模塊將獲取應急發電機的數據，按照數據庫的存儲要求進行處理，并保存至數據庫中?？蛻舳擞脩魟t利用互聯網與云端服務器連接，在瀏覽器上通過Web 服務進行操作和控制。

應急燃油發電機監控系統是以物聯網技術為基礎，為實現該監控系統，應急發電機不僅需要能夠進行聯網，還需要能夠形成OPC UA 服務器，通過OPC UA協議接入到云端服務器中。隨著工業智能化的推廣和普及，新一代的工業設備已經具備了上述條件，可以直接作為OPC UA 服務器使用，但極少應用在應急燃油發電機中。這導致了有許多正在投入使用的應急燃油發電機，難以直接啟用OPC UA 服務器，甚至所使用的PLC 可能還缺少了OPC UA 的接口。

為了解決應急發電機無法直接組網以及對不同品牌的PLC 需要不同協議的問題，需要一個能夠接入以太網并且支持各種PLC 協議的數據采集網關設備。對此，應急燃油發電機監控系統將采用工業級邊緣計算智能網關。如圖3 所示，利用智能網關作為應急燃油發電機與云端服務器之間的橋梁，專門負責處理PLC 的協議解析和轉換，形成OPC UA 的接口，不僅能夠解決上述問題，還可以直接作為OPC UA 服務器使用。

圖3 智能網關在監控系統中的應用Fig.3 Application of smart gateway in monitoring system

應急燃油發電機的PLC 通過其具有的通訊接口，如串口RS-232、RS-485 或以太網RJ-45 等，與智能網關進行有線通訊，每個應急燃油發電機都可以單獨配一個智能網關。在后期應用與發展，即便換了新的應急燃油發電機或PLC 的協議出現變更，只需要單獨重新設置網關即可，不需要對云端服務器進行重大調整，提高了監控系統的靈活性。

智能網關可以通過4G 移動通訊網絡以及有線的局域網進行聯網。當其中一個網絡服務中斷時，網關能夠自動切換到另一個方式進行聯網，通過兩種不同的聯網方式提高智能網關的工作可靠性，盡可能保證云端服務器能夠隨時通過網關與應急燃油發電機進行連接。

3.2 技術架構與邏輯結構

為了方便用戶在無需安裝任何特別的應用軟件的情況下使用監控系統，應急燃油發電機監控系統采用B/S 架構，即瀏覽器/服務器結構。瀏覽器是指Web 瀏覽器，作為監控系統的前端，其主要負責顯示用戶界面并向服務器發送請求，擁有極少的事務邏輯。監控系統的應用程序以及數據庫系統都將部署到服務器上，由服務器負責實現絕大部分的事務邏輯。

應急燃油發電機監控系統將使用基于微軟的.NET 平臺中的ASP.NET Core 網站開發技術。ASP.NET Core是.NET 的新型高性能的開源框架，它是ASP.NET 的重新設計，簡化了網頁應用的編程過程和開發工具。ASP.NET Core 不僅允許應用在Windows 上進行開發運行，而且還能夠在macOS 和Linux 跨平臺上使用。ASP.NET Core 能夠用于開發網絡應用服務和物聯網應用，并將應用部署到云端服務器上運行，非常適合應用在該監控系統上。

監控系統的應用程序將通過語句集成查詢（LINQ）的語言級查詢語法來完成數據庫的查詢操作。LINQ 具有很高的表達力度，其代碼精簡，能夠在程序的邏輯意圖和代碼之間找到合理平衡，實現高效的編程過程。LINQ不僅簡化了數據訪問的方法，而且還可以實現在查詢數據過程中插入邏輯操作，使數據查詢能夠靈活地根據具體功能需求隨時調整。

應急燃油發電機監控系統的應用程序采用模型-視圖-控制器（MVC）的結構模式。MVC 體系結構模式將應用程序分成三個主要部分，即模型、視圖和控制器。將系統應用程序按照MVC 結構進行劃分有便于編碼的過程和對單一功能進行調試測試。如圖4 所示，將程序的顯示模塊、功能模塊和屬性模塊分離后，每個部分都有各自的功能，降低了代碼之間的耦合性，進而提高了程序的可維護性和可擴展性。

圖4 監控系統的邏輯結構Fig.4 Logical structure of monitoring system

應急燃油發電機監控系統的業務功能在MVC 結構模式下的調用邏輯為：客戶端用戶通過前端的視圖進行操作時或通過URL 網址進行訪問時，會向應用程序發送一個請求?？刂破鹘邮盏皆撜埱蠛?，會按照程序的流程進行處理，選擇相應的模型和視圖進行響應，并將結果展示給客戶端用戶。

4 監控系統的核心功能實現

4.1 數據采集服務

應急燃油發電機監控系統是以應急發電機的變量數據為基礎。為了確保數據采集過程能夠獨立運行且不會受到其他模塊影響，本文設計了一個能夠部署在云端服務器的數據采集服務，其程序流程圖如圖5 所示。該服務將由應用主程序調用，并按照系統設置的時間間隔觸發，從而實現實時的數據采集。

圖5 數據采集服務的程序流程圖Fig.5 Program flow chart of data acquisition service

首先，數據采集服務會與監控系統的數據庫進行連接，從數據庫中獲取用戶事先為應急發電機設置的OPC UA 服務器的通信地址以及各個變量的節點地址。接下來，根據應急發電機的通信地址，數據采集服務會在基于TCP 協議嘗試尋找對應的OPC UA 服務器并建立通信通道。當連接成功后，數據采集服務會按照變量節點地址在OPC UA 服務器里讀取對應節點的具體數據值。在獲取變量數據后，數據采集服務會將數據按照數據庫要求進行最后的處理，最終將數據存入數據庫。

當OPC UA 服務器出現網絡中斷時，會導致數據采集服務無法建立連接。此時會提示連接失敗，而OPC UA 服務器會將未能成功傳輸的數據臨時保存在自身的存儲器中，待網絡恢復后，主動補發數據至云端服務器。

4.2 數據查詢與監測

應急燃油發電機的數據傳遞是以云端數據庫為中間節點分成兩個獨立運行的部分，如圖6 所示。數據采集服務會實時地進行數據采集并將數據寫入數據庫中，而MVC 部件只有在收到用戶請求后才會進行數據調用和展示的工作。應急燃油發電機的數據將通過CanvasJS 圖表庫生成的曲線圖進行展示，能夠以直觀的方式表達變量變化的趨勢。

圖6 數據傳遞過程Fig.6 Process of data transfer

當用戶進行歷史數據查詢時，MVC 部件會根據瀏覽器用戶要查詢的時間段調用相應的數據，以靜態的網頁將這些數據進行展示。當用戶使用實時數據監測功能時，如果需要通過刷新整個頁面的方式觸發MVC 部件，會給用戶造成不好的使用體驗，所以需要利用JavaScript制作動態頁面。通過JavaScript 可以對數據監測頁面中的曲線圖進行更新，實現在不重新加載整個頁面的情況下獲取最新的實時數據，使得用戶獲得更好的瀏覽體驗。

4.3 遠程控制

遠程控制功能是MVC 部件中唯一能與OPC UA 服務器建立連接的功能。遠程控制的程序流程如圖7 所示。在設備檔案管理模塊中為應急燃油發電機設置變量時，用戶需要選擇應急發電機的變量是否允許寫入，而這信息將在遠程控制功能中有所體現。對于可寫入或控制的變量，應用程序會在遠程控制頁面生成相應的操作按鈕，每個按鈕都對應著一個可控的變量。用戶則可以通過操作按鈕實現對應急發電機的遠程操作，如啟動、停機等。

圖7 遠程控制的程序流程圖Fig.7 Program flow chart of remote control

當用戶點擊操作按鈕時，應用程序會獲取當前應急燃油發電機的OPC UA 地址，并與對應的OPC UA 服務器建立連接。成功連接后，將用戶的操作寫入到相應的應急發電機變量中。例如，用戶點擊“啟動”按鈕后，會把OPC UA 服務器中的啟動變量的具體值從原來的“false”改寫成“true”，然后由應急發電機的PLC 部件執行該動作，啟動應急發電機。

5 結論

本文提出了基于物聯網技術的應急燃油發電機監控系統。該監控系統利用智能網關實現了與應急發電機建立基于OPC UA 通訊協議的連接通道，實現了數據采集與監測和遠程控制核心功能，能夠減少對應急燃油發電機的現場啟動測試與定期維護所耗費的人力物力，進而提高企業的經濟效益。