通過GPRS無線方式實現(xiàn)天然氣壓縮機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

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主要方向。天然氣壓縮機作為天然氣應(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壓縮機進行事后故障排查；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，費時費力，維護成本高；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)濟損失。實時監(jiān)控天然氣壓縮機的運行狀態(tài)、工況參數(shù)，及時進行修正，可以避免造成不必要的損失；根據(jù)壓縮機的運行記錄，提前預(yù)估其故障，也降低維護成本；記錄歷史運行數(shù)據(jù)與報警信息，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，本文通過GPRS無線方式把分布廣泛的壓縮機連接到互聯(lián)網(wǎng)上，研究并實現(xiàn)了天然氣壓縮機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，為天然氣壓縮機的在線檢測、安全運行、智能故障診斷提供了可靠的技術(shù)保證。

CNG壓縮機物聯(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Net、INTERNET四大網(wǎng)絡(luò)組成。

多臺CNG壓縮機組成設(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)的壓縮機進行實時監(jiān)控，把各壓縮機的實時運行工況、狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)信息進行管理和控制?，F(xiàn)場的設(shè)備監(jiān)控主機以無線方式連接到移動NET中，并通過移動NET的物理鏈路鏈接到NETINTERNET上。對于現(xiàn)場中分布的單臺壓縮機則可不經(jīng)過設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)直接經(jīng)移動NET連接INTERNET.建立鏈接后，每一個設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)（或壓縮機設(shè)備）在NETINTERNET上具有惟一的IP地址。遠程的監(jiān)控計算機根據(jù)該IP地址，通過VPN局域網(wǎng)與INTERNET進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)遠程壓縮機的數(shù)據(jù)訪問和控制。

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

CNG壓縮機物聯(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、存儲分析層、展示與管理層4個層級。每個層級采用對應(yīng)的不同系統(tǒng)，組成一個完整的綜合性的網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，各現(xiàn)場壓縮機通過現(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，負責(zé)壓縮機實時工況及運行狀態(tài)的監(jiān)控。壓縮機的監(jiān)控主機實時采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的數(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)議進行數(shù)據(jù)的傳送。在網(wǎng)絡(luò)建立連接時，可以通過遠程監(jiān)控計算機主動連接設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的GPRS模塊，也可以通過GPRS模塊主動尋找監(jiān)控主機的服務(wù)器。由于GPRS模塊通常是由路由自動分配IP地址，而監(jiān)控主機的服務(wù)器通常具有固定IP地址，所以本文采用GPRS主動尋找監(jiān)控計算機服務(wù)器的方式進行網(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。該遠程監(jiān)控端的服務(wù)器接收到現(xiàn)場壓縮機的實時數(shù)據(jù)后，運行數(shù)據(jù)庫管理軟件，對該數(shù)據(jù)進行存儲，并運行專家系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析和管理，局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控計算機運行人機界面程序，對服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫進行顯示、查詢、修改，并根據(jù)專家系統(tǒng)及個人分析的結(jié)果發(fā)出控制命令，對遠程壓縮機進行控制。

系統(tǒng)硬件由CNG壓縮機、控制器、現(xiàn)場總線、監(jiān)控主機、GPRS模塊、發(fā)射基站、網(wǎng)絡(luò)鏈路、服務(wù)器、監(jiān)控計算機組成。由于網(wǎng)絡(luò)物理鏈路已存在，用戶只需建立壓縮機的設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)和監(jiān)控計算機的局域網(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上的計算機都可以都可作為監(jiān)控計算機，對遠程的任意一臺壓縮機進行數(shù)據(jù)交換，組成了的壓縮機物聯(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)、遠程監(jiān)控程序編寫這三個環(huán)節(jié)為壓縮機物聯(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)以及遠程監(jiān)控程序的編寫。

圖2 CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸

如圖3所示，各個壓縮機PLC實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)：電源的電流電壓、閥門的開關(guān)狀態(tài)、進出氣口與儲罐的氣體壓力、進排氣溫度、報警信息、操作按鈕、潤滑狀態(tài)、排污情況等；監(jiān)控主機把各壓縮機PLC采集的數(shù)據(jù)進行接收、整理和存儲。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)控主機內(nèi)運行的程序由聯(lián)網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)收發(fā)和監(jiān)控管理三個子程序組成。聯(lián)網(wǎng)通信子程序負責(zé)向GPRS發(fā)送聯(lián)網(wǎng)請求，與遠程主機握手、實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)的INTERNET掛接。數(shù)據(jù)收發(fā)子程序，負責(zé)接收下位機的監(jiān)控數(shù)據(jù)，存儲并發(fā)送到GPRS模塊端；當GPRS端傳來遠程控制指令時，該收發(fā)子程序接收該指令并向下位機發(fā)送指令信號，對CNG壓縮機進行控制。監(jiān)控管理字程序，主要負責(zé)對下位機進行管理，對實時數(shù)據(jù)分析、處理。GPRS模塊內(nèi)運行三個子程序：通信子程序、通信協(xié)議子程序和無線收發(fā)字程序。通信子程序負責(zé)與監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)交換；通信協(xié)議子程序負責(zé)把來自監(jiān)控主機的數(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，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；無線收發(fā)子程序負責(zé)控制無線收發(fā)芯片，把數(shù)據(jù)信號以電磁波的方式發(fā)送出去，并把接受到的電磁波轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號，進行儲存。