基于多通信技術融合的管道遠程數據采集監測系統

王秀芳 李博健 譚仁雪

(東北石油大學電氣信息工程學院,黑龍江 大慶 163318)

基于多通信技術融合的管道遠程數據采集監測系統

王秀芳 李博健 譚仁雪

(東北石油大學電氣信息工程學院,黑龍江 大慶 163318)

利用LabVIEW開發環境設計了一個遠程數據采集監測系統。從系統的整體設計方案出發，將客戶端有線傳輸與無線傳輸結合，利用多種通信傳輸協議，完成數據的采集與發送。給出了服務器端的部分數據接收程序與監測界面。通過在實際項目中的應用，證實該遠程數據采集監測系統可實現對管道泄漏的監測與報警。

遠程數據采集監測系統 管道泄漏監測 LabVIEW 傳輸方式 通信方式

管道運輸在國民經濟和國防工業中發揮著重要作用，尤其在石油化工、油氣儲運及城市供水、供熱、供氣等領域得到了廣泛應用，已成為油氣水運輸的首選方式。但由于管道運行時間增加、設備老化、地理條件變化及人為等原因，管道泄漏事故不可避免[1,2]。對于城市供熱、供氣管道，一旦出現泄漏，不僅會造成直接經濟損失和用戶室內溫度下降，嚴重的情況下甚至造成人員傷亡。因此，對管道進行實時監測、保障管道的正常運行具有重要意義。目前，大多數管道監測多以人工巡線的方式進行，人力物力投資大，效率低。因此，研制一套具有一定處理能力的管道數據采集監測系統將具有一定的市場前景。

計算機技術為測量控制技術、數據采集和數據分析的發展提供了保障，尤其是計算機技術中的虛擬儀器技術，以它特有的靈活性極大地促進了工業的發展與進步[3]。實際工業生產過程中，在要求完成工業生產任務的同時，又要保障生產的安全性和命令傳達的實時性，同時要求完成數據的實時顯示與處理。為此，筆者借助LabVIEW開發平臺，以燃氣管道供熱項目為背景，采集每個供熱站點(鍋爐房)處管道的運行狀態，開發遠程數據采集監測系統，以保障管線的正常運行，同時討論了數據的傳輸與通信方式。

相較于傳統儀器，虛擬儀器技術具有高性能、高擴展性及低開發耗時等特點。實際應用過程中，只需在計算機系統中安裝數據采集板卡，利用相關軟件生成操作面板，并通過編程實現信號的分析與處理，即可實現預期的功能目標[4]。

基于C/S模式的數據采集系統由客戶端和服務器(監控中心)兩部分組成，其中，一個服務器可以按需求配置多個客戶端。圖1為遠程數據采集系統的功能分析圖。圖2為遠程數據采集系統的整體連接示意圖。

圖1 遠程數據采集系統的功能分析

2 客戶端

客戶端的主要功能是實現數據的采集和發送，不需要對數據進行處理。為了防止服務器與客戶端的網絡連接中斷問題，將采集的原始數據存放在客戶端中以供服務器訪問調用。

圖2 遠程數據采集系統的連接示意圖

2.1有線傳輸與無線傳輸的融合

有線傳輸是指借助實際物理連線將服務器與客戶端進行連接，通常選擇R45J網絡連接線對二者進行物理連接。使用有線傳輸能夠保證數據通信的安全性，保證數據采集系統的完整性。但是，有些工業環境較復雜，且距離遠，采用網線連接不僅布線復雜，而且隨著距離的加長，其維護難度也在加大。因此當現場環境不滿足建立實際物理連接時，即距離較遠或環境不允許布線時，則需要選擇無線傳輸方式。無線傳輸具有施工難度低、擴展性強、移動性能好及維護簡易等優點。由于實際工業環境可能發生變化，數據采集系統應為兩種傳輸方式預留接口。

利用無線傳輸方式可實現無線網橋技術與數據傳輸單元(Data Transfer Unit,DTU)。

無線網橋以無線傳輸方式實現兩個或多個無線網絡之間的橋接，從而建立不同網絡間的物理通信橋梁。無線網橋具有較高的傳播速度，例如，LG-N580無線網橋采用Atheros9344芯片，CPU主頻533MHz，信道寬度5.1～5.8GHz，具有500MW的輸出功率和-89dBm的靈敏度。除此之外，無線網橋配置極為簡單，在一定距離內，可通過增加網橋進行中繼的方式增加通信范圍。針對范圍有限的實際環境，采用無線網橋能夠方便地完成服務器與客戶端的物理連接，并實現數據的實時發送。采用無線網橋實現數據采集發送的程序與有線傳輸方式相同。

DTU是一種無線終端設備，可將串口數據轉換為IP數據，也能反向將IP數據重新解析成串口數據，保障數據傳輸的雙向性，并通過無線網絡完成數據的發送與傳輸，其應用廣泛有效。DTU的硬件部分由CPU控制模塊、電源模塊和用于數據傳輸的無線通信模塊組成[5]。DTU作為數據發送傳輸設備具有諸多優點，如組網快速靈活、能夠保障系統的可擴展性、網絡覆蓋范圍廣、安全保密性能好；同時，DTU通過數據流量計費，能夠保證在線時間持久，降低用戶使用成本；最重要的是DTU可支持虛擬數據專用網(APN/VPDN)、公網IP地址訪問和具有較大靈活性的數據中心動態域名服務。

DTU作為數據轉發設備需要APN技術和動態域名技術的支持。

APN技術是一種網絡接入技術，由流量卡上網時必須配置的一個參數，決定該卡通過哪種接入方式來訪問網絡[6]。在實際使用過程中，數據流量卡IP并不是固定的，而為了固定IP，將DTU使用的流量卡和客戶端的IP設置在一個IP段，故選用專線APN。專線APN根據企業對網絡安全的特殊需求，采用多種安全措施，通過專線APN，保證每張使用的數據卡都在同一個IP池，相互之間能夠Ping通，并通過運營商的操作，接入固定專網，用于實際數據傳輸。

如果APN技術是為DTU和客戶端實現固定接入方式，那么動態域名技術則是通過域名自動尋找客戶端IP，完成DTU數據到客戶端的發送，且這種方式不需要專用網絡。但需要注意的是，在進行域名訪問時，被解析的域名必須要有公網IP。由于TCP/IP協議規定，為保障通信的安全性，被訪問的站點需要具有公網IP，才能保障通信的建立和數據的流通。

將無線與有線傳輸技術融合，充分考慮現場環境的需求，根據實際需求選擇不同的傳輸方式，能夠增加系統的靈活性和實用性。

2.2通信協議的融合

數據發送是整個數據采集系統中最主要的環節，當完成傳輸方式的融合之后，通信協議的選擇也就隨之確定。LabVIEW中通常采用的通信方式有UDP協議、TCP協議、串口通信及DataSocket通信等。

UDP通信是一種無連接通信，采用廣播的方式來發布數據，特別適用于一點對多點的通信。其速度比較快，但是數據傳輸不可靠。因此，在要求較快的響應速度和允許部分數據丟失的情況下，可以選擇UDP。

作為傳輸數據的協議，TCP協議可以提供可靠的網絡連接。TCP采用網絡服務器和客戶端的方式進行通信。服務器應用程序負責向客戶端發送數據或從客戶端讀取數據，客戶端應用程序同樣可以從服務器應用程序中獲取數據或向服務器發送請求。

串口通信是指串口按bit發送和接收字節，串口通信前必須設置波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位及流控制等參數，串口通信簡單快捷，但發送速率有限。

DataSocket技術通過簡單的用戶接口協議(dstp協議)，能夠實現網絡上不同計算機之間的動態數據交換[7,8]。通信之前，必須先啟動DataSocket服務器，保障數據的實時傳輸共享。本系統中利用DataSocket可完成對遠程數據的傳輸，但考慮到系統整體數據量和控件的問題，為了降低系統復雜度，只在客戶端間進行少量數據共享。

綜上所述，系統應根據傳輸方式選擇不同的通信方式。UDP的響應速度快于TCP，但是TCP的數據傳輸更加可靠，遠程數據采集系統可選擇TCP為主要通信方式，UDP作為輔助通信。當傳輸條件不滿足TCP和UDP通信時，則需要借助串口通信。

2.3數據采集與發送

系統數據采集端采用數據采集板卡PCI-6014，并利用LabVIEW環境自帶的NI-MAX軟件對安裝的PCI-6014板卡進行自檢與校準，保障數據采集板卡的正常運行。LabVIEW為用戶提供了最簡潔的編程方式和DAQ助手。通過將DAQ助手加載至程序框圖中，自動識別所使用的數據采集卡并彈出相應的配置界面，當完成相應的操作后，LabVIEW會自動生成數據采集程序。部分發送程序如圖3所示。

3 服務器

服務器相較于客戶端，其功能相對復雜，主要用于信號的接收、處理和存儲。對于信號的接收，應根據不同的數據發送方式，編寫不同的接收程序。無線和有線數據接收程序如圖4所示。

圖3 部分數據發送程序

圖4 數據接收程序

服務器可根據實際需求完成參數設置、數據存儲讀取、波形顯示、數據處理及數據共享等功能，并根據客戶端采集的數據進行分析，從而提示管道運行狀態(是否存在泄漏風險)，若存在危險，則發出報警預示，為檢修做準備。

基于聲波的管道泄漏點定位原理如圖5所示[9,10]。管道發生泄漏時將產生次聲波，并向管道兩端傳播。安裝在管道兩端的次聲波傳感器檢測到該次聲波，并及時對該信號進行處理，然后判斷是否為管道泄漏信號。當判斷為管道泄漏信號后，根據管道兩端接收到的泄漏信號時間差和聲波信號的傳遞速度精確定位泄漏點。

圖5 基于聲波的管道泄漏點定位原理

管道泄漏點定位的計算式為：

式中L——兩傳感器之間的距離，m；

v——聲波傳播速度，m/s；

X——泄漏點距參考傳感器A的距離，m；

Δt——GPS時間差，s。

整個服務器端的監控界面如圖6所示。

圖6 服務器端的監控界面

4 結束語

筆者提出的遠程數據采集監測系統，通過LabVIEW開發環境提供的函數控件(TCP函數和串口函數)實現了有線傳輸和無線傳輸，然后根據不同的傳輸方式選擇不同的通信方式。該系統利用DataSocket技術實現了數據共享，并通過LabVIEW中提供的信號分析工具對接收信號進行分析處理。整個數據采集監測系統能夠實現數據的連續采集、遠程傳輸、數據存儲、實時顯示波形和相應處理，并且充分考慮到實際環境，給出不同條件下的方案選擇。系統采用的虛擬儀器技術使它具有靈活性和可移植性，為實際工程應用中的數據采集提供了快捷手段。

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RemoteDataAcquisitionandMonitoringSystemBasedonIntegrationofMulti-communicationTechnology

WANG Xiu-fang, LI Bo-jian, TAN Ren-xue

(SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetrolumUniversity,Daqing163318,China)

Basing on LabVIEW development environment, a remote data acquisition and monitoring system

TQ547.8+1

B

1000-3932(2016)06-0610-05

2015-12-14(修改稿)基金項目：黑龍江省教育廳教育科學研究項目(12541063)；黑龍江省博士后基金項目(LBH-Q13036)