采用組態(tài)軟件與現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)CNG壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與節(jié)能減排的需求，天然氣的使用已成為未來能源的一個(gè)主要方向。天然氣壓縮機(jī)作為天然氣應(yīng)用的主要設(shè)備，其應(yīng)用也隨之急劇增長。由于天然氣壓縮機(jī)種類繁多、結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜，其故障排查與維修也復(fù)雜。目前，主要采用人工定期檢修、現(xiàn)場檢測的方法對CNG壓縮機(jī)進(jìn)行事后故障排查;由于其分布廣泛、數(shù)量眾多，采用事后人工現(xiàn)場排查故障的方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，維護(hù)成本高;且事后排查故障存在較大的滯后，給用戶帶來不便，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)時(shí)監(jiān)控天然氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、工況參數(shù)，及時(shí)進(jìn)行修正，可以避免造成不必要的損失;根據(jù)壓縮機(jī)的運(yùn)行記錄，提前預(yù)估其故障，也降低維護(hù)成本;記錄歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)與報(bào)警信息，方便分析故障、可提高設(shè)備故障診斷與維修的效率。因此，研究天然氣壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有重大意義。近年，無線傳感、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用已成為熱點(diǎn)，本文通過GPRS無線方式把分布廣泛的壓縮機(jī)連接到互聯(lián)網(wǎng)上，研究并實(shí)現(xiàn)了天然氣壓縮機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，為天然氣壓縮機(jī)的在線檢測、安全運(yùn)行、智能故障診斷提供了可靠的技術(shù)保證。

1、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

CNG壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。系統(tǒng)由設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)、VPN局域網(wǎng)、移動(dòng)Net、INTERNET四大網(wǎng)絡(luò)組成。

多臺(tái)CNG壓縮機(jī)組成設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)，各設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)通過其主監(jiān)控器對網(wǎng)內(nèi)的壓縮機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，把各壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況、狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理和控制。現(xiàn)場的設(shè)備監(jiān)控主機(jī)以無線方式連接到移動(dòng)NET中，并通過移動(dòng)NET的物理鏈路鏈接到NETINTERNET上。對于現(xiàn)場中分布的單臺(tái)壓縮機(jī)則可不經(jīng)過設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)直接經(jīng)移動(dòng)NET連接INTERNET.建立鏈接后，每一個(gè)設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)（或壓縮機(jī)設(shè)備）在NETINTERNET上具有惟一的IP地址。遠(yuǎn)程的監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)該IP地址，通過VPN局域網(wǎng)與INTERNET進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程壓縮機(jī)的數(shù)據(jù)訪問和控制。

圖1 CNG壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

CNG壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)從數(shù)據(jù)與信息處理角度劃分，可分為設(shè)備監(jiān)控層、數(shù)據(jù)傳輸層、存儲(chǔ)分析層、展示與管理層4個(gè)層級(jí)。每個(gè)層級(jí)采用對應(yīng)的不同系統(tǒng)，組成一個(gè)完整的綜合性的網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，各現(xiàn)場壓縮機(jī)通過現(xiàn)場總線（485總線、CAN總線等），連接成設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)為設(shè)備監(jiān)控層，負(fù)責(zé)壓縮機(jī)實(shí)時(shí)工況及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。壓縮機(jī)的監(jiān)控主機(jī)實(shí)時(shí)采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊上。數(shù)據(jù)傳輸層由GPRS模塊、發(fā)射基站、GPRS骨干網(wǎng)、INTERNET、VPN局域網(wǎng)構(gòu)成，它們之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。在網(wǎng)絡(luò)建立連接時(shí)，可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)主動(dòng)連接設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的GPRS模塊，也可以通過GPRS模塊主動(dòng)尋找監(jiān)控主機(jī)的服務(wù)器。由于GPRS模塊通常是由路由自動(dòng)分配IP地址，而監(jiān)控主機(jī)的服務(wù)器通常具有固定IP地址，所以本文采用GPRS主動(dòng)尋找監(jiān)控計(jì)算機(jī)服務(wù)器的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。GPRS模塊上電后，首先尋找其附近的發(fā)射基站，通過它注冊到GPRS骨干網(wǎng)上，然后通過INTERNET，連接到其設(shè)置的IP地址對應(yīng)的VNP局域網(wǎng)的服務(wù)器上。該遠(yuǎn)程監(jiān)控端的服務(wù)器接收到現(xiàn)場壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，運(yùn)行數(shù)據(jù)庫管理軟件，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并運(yùn)行專家系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理，局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行人機(jī)界面程序，對服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行顯示、查詢、修改，并根據(jù)專家系統(tǒng)及個(gè)人分析的結(jié)果發(fā)出控制命令，對遠(yuǎn)程壓縮機(jī)進(jìn)行控制。

2、設(shè)備監(jiān)控層聯(lián)網(wǎng)

系統(tǒng)硬件由CNG壓縮機(jī)、控制器、現(xiàn)場總線、監(jiān)控主機(jī)、GPRS模塊、發(fā)射基站、網(wǎng)絡(luò)鏈路、服務(wù)器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。由于網(wǎng)絡(luò)物理鏈路已存在，用戶只需建立壓縮機(jī)的設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)的局域網(wǎng)，并把它們連接到INTERNET上。在配置好相應(yīng)的參數(shù)后，任一連接在INTERNET上的計(jì)算機(jī)都可以都可作為監(jiān)控計(jì)算機(jī)，對遠(yuǎn)程的任意一臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，組成了的壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)?？梢?，設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的建立、設(shè)備監(jiān)控層的聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控程序編寫這三個(gè)環(huán)節(jié)為壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。對設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的建立方面有較多的研究與應(yīng)用，故對此不做詳述。以下主要詳述設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控程序的編寫。

圖2 CNG壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸

如圖3所示，各個(gè)壓縮機(jī)PLC實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)：電源的電流電壓、閥門的開關(guān)狀態(tài)、進(jìn)出氣口與儲(chǔ)罐的氣體壓力、進(jìn)排氣溫度、報(bào)警信息、操作按鈕、潤滑狀態(tài)、排污情況等;監(jiān)控主機(jī)把各壓縮機(jī)PLC采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、整理和存儲(chǔ)。然后把該數(shù)據(jù)傳輸給GPRS模塊、GPRS模塊采用TCP/IP或UDP協(xié)議經(jīng)INTERNET發(fā)送到遠(yuǎn)程的服務(wù)器中。

圖3現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的數(shù)據(jù)收發(fā)

在監(jiān)控主機(jī)內(nèi)運(yùn)行的程序由聯(lián)網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)收發(fā)和監(jiān)控管理三個(gè)子程序組成。聯(lián)網(wǎng)通信子程序負(fù)責(zé)向GPRS發(fā)送聯(lián)網(wǎng)請求，與遠(yuǎn)程主機(jī)握手、實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的INTERNET掛接。數(shù)據(jù)收發(fā)子程序，負(fù)責(zé)接收下位機(jī)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，存儲(chǔ)并發(fā)送到GPRS模塊端;當(dāng)GPRS端傳來遠(yuǎn)程控制指令時(shí)，該收發(fā)子程序接收該指令并向下位機(jī)發(fā)送指令信號(hào)，對CNG壓縮機(jī)進(jìn)行控制。監(jiān)控管理字程序，主要負(fù)責(zé)對下位機(jī)進(jìn)行管理，對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、處理。GPRS模塊內(nèi)運(yùn)行三個(gè)子程序：通信子程序、通信協(xié)議子程序和無線收發(fā)字程序。通信子程序負(fù)責(zé)與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;通信協(xié)議子程序負(fù)責(zé)把來自監(jiān)控主機(jī)的數(shù)據(jù)打包成TCP/IP或UDP協(xié)議格式，或把來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場總線協(xié)議格式，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信;無線收發(fā)子程序負(fù)責(zé)控制無線收發(fā)芯片，把數(shù)據(jù)信號(hào)以電磁波的方式發(fā)送出去，并把接受到的電磁波轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)，進(jìn)行儲(chǔ)存。

面程序，對服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行顯示、查詢、修改，并根據(jù)專家系統(tǒng)及個(gè)人分析的結(jié)果發(fā)出控制命令，對遠(yuǎn)程壓縮機(jī)進(jìn)行控制。

3、監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

CNG壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于壓縮機(jī)的設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的建立和聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控界面的開發(fā)。CNG壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控程序，由壓縮機(jī)工藝圖、壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、壓縮機(jī)地圖監(jiān)控、實(shí)時(shí)趨勢曲線、報(bào)警閥值設(shè)置、歷史趨勢曲線等程序模塊組成。

圖4壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控人機(jī)界面組成

壓縮機(jī)工藝圖主要描述壓縮機(jī)的工作原理及流程;壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)控主要負(fù)責(zé)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控;壓縮機(jī)地圖監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)GPS位置定標(biāo)功能;參數(shù)報(bào)表主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的記錄、存儲(chǔ)、報(bào)表自動(dòng)生成功能，可供用戶查詢，打印;報(bào)警閥值設(shè)置部分主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)報(bào)警參數(shù)設(shè)置、連鎖啟/閉功能設(shè)置;實(shí)時(shí)趨勢曲線實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)壓力、溫度等狀態(tài)曲線;歷史趨勢曲線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過去較長一段時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)曲線數(shù)據(jù)記錄;報(bào)警記錄查詢部分實(shí)時(shí)記錄、存儲(chǔ)報(bào)警信號(hào)，方便故障排查。

為降低研發(fā)成本，減少系統(tǒng)開發(fā)周期，監(jiān)控程序各部分功能采用組態(tài)軟件Kingview 6.53進(jìn)行開發(fā)。所開發(fā)的壓縮機(jī)系統(tǒng)工藝的監(jiān)控界面及地圖監(jiān)控界面分別如圖5和圖6所示。

壓縮機(jī)監(jiān)控界面，通過Kingview軟件以畫圖及組態(tài)方式實(shí)現(xiàn)，其工藝參數(shù)通過在軟件的數(shù)據(jù)詞典中建立變量，然后連接變量到設(shè)備地址上實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)控界面開發(fā)完成后，根據(jù)壓縮機(jī)控制器的實(shí)際情況，配置建立相應(yīng)的變量字典，在監(jiān)控界面中進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)畫鏈接配置，編寫相應(yīng)的運(yùn)行腳本程序，然后通過Kingview的Web發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控端程序的開發(fā)。采用組態(tài)軟件Kingview設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)大大縮短系統(tǒng)監(jiān)控界面的開發(fā)周期，降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的研發(fā)成本，同時(shí)也確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

圖5 CNG壓縮機(jī)工藝監(jiān)控界面

圖6壓縮機(jī)地圖監(jiān)控界面

4、系統(tǒng)配置與應(yīng)用

在監(jiān)控界面開發(fā)完畢，GPRS模塊安裝完畢后，須進(jìn)行GPRS模塊配置、服務(wù)器配置、監(jiān)控軟件驅(qū)動(dòng)配置工作。

（1）配置GPRS模塊

GPRS模塊選用DTU，其配置是否正確是決定系統(tǒng)連接是否成功的關(guān)鍵。在DTU的配置參數(shù)中，主要配置的參數(shù)有四個(gè)：模塊的ID號(hào)為一個(gè)小于32位的數(shù)，通常取其GSM卡的號(hào)碼作為其ID號(hào);配置其要連接的公網(wǎng)IP地址;配置其通信協(xié)議，可選用的通信協(xié)議有TCP/IP、UDP以及TCP+UDP三種模式，通信協(xié)議要和遠(yuǎn)程服務(wù)器端設(shè)置一致;配置通信端口，通信端口可配置為0~65 535，但注意該端口在遠(yuǎn)程服務(wù)器中不能被占用。

（2）配置服務(wù)器

首先，把遠(yuǎn)程服務(wù)器連接到INTERNET上，查詢其IP地址是否與GPRS模塊端的IP地址一致。接著，運(yùn)用TCP/IP端口配置工具，在服務(wù)器上開放一個(gè)端口作為與設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)GPRS通信的專用端口。如監(jiān)控計(jì)算機(jī)為局域網(wǎng)內(nèi)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，需進(jìn)行端口映射操作，把服務(wù)器上用來與GPRS通信的專用端口映射到裝有監(jiān)控軟件的計(jì)算機(jī)上。

（3）監(jiān)控軟件驅(qū)動(dòng)配置

在服務(wù)器中安裝Kingview 6.53中，根據(jù)壓縮機(jī)控制器（PLC）選取相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，采用GPRS虛擬串口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)配置，接著進(jìn)行程序的Web發(fā)布，并運(yùn)行監(jiān)控軟件。在INTERNET上的監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過瀏覽器訪問該服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)狀態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

由于Kingview 6.53組態(tài)軟件具有豐富的圖形庫、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、通信接口等，監(jiān)控界面程序的開發(fā)只需進(jìn)行界面繪制、組態(tài)配置和少量的腳本代碼編寫工作，用戶無需開發(fā)通信驅(qū)動(dòng)，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的可靠性。安裝一個(gè)Kingview 6.53軟件最多可以同時(shí)加載128臺(tái)DTU，也就是最多可以同時(shí)把128個(gè)現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)或壓縮機(jī)連接到互聯(lián)網(wǎng)上形成一個(gè)小型的壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)多于128臺(tái)，可以采取增加服務(wù)器或采用虛擬服務(wù)器方式擴(kuò)展。本文所設(shè)計(jì)壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用到中集集團(tuán)旗下安瑞科公司生產(chǎn)的天然氣壓縮機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控上，應(yīng)用表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5、結(jié)語

本文研究了天然氣壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析了監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次與數(shù)據(jù)傳輸流程。在此基礎(chǔ)上，采用組態(tài)軟件Kingview 6.53設(shè)計(jì)壓縮機(jī)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面程序，采用DTU實(shí)現(xiàn)了CNG壓縮機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有成本低、容易實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。