基于GPRS的廢氣治理設備遠程控制系統的開發(fā)與應用

馮業(yè)鈞，周任文，湯劍飛，馮偉杰，潘康華，周仁立，馮肇霖

（1.廣州廣一大氣治理工程有限公司，廣東 廣州 510000； 2.廣東省環(huán)境保護中小型靜電除塵與分離技術工程研究開發(fā)中心，廣東 廣州 510000）

0 引 言

世界正面臨百年不遇的經濟轉型，第四次工業(yè)革命也悄然到來，我國的工業(yè)化程度也越來越高。高工業(yè)化意味著在實際的工業(yè)生產過程中需要引入智能化技術，對一些分散、遠距離和數量眾多的作業(yè)點進行監(jiān)控，特別是作為配套的廢氣治理設備。由于廢氣治理設備的工況環(huán)境比較惡劣，沒有人長期值守，通常需要建立監(jiān)控中心。監(jiān)控中心不僅是對作業(yè)點的工作狀態(tài)和參數進行監(jiān)視，還會向遠程的設備發(fā)送指令，以實現遠程控制。傳統的方法有兩種：一是采用有線控制系統，二是采用無線專網控制系統。但是，兩種系統均需要專用通信設備，建設投資大、維護費用高，缺點明顯，難以全面應用。隨著全球移動通信技術的不斷發(fā)展，利用移動通信技術實現遠程控制已成為一種必然的趨勢。

1 系統總體設計

廢氣治理設備遠程控制系統借助于公共移動通信網絡，通過GPRS網絡進行數據傳輸，實現了廢氣治理設備的無線遠程網絡控制與管理。系統構成如圖1所示，主要由智能控制器、GPRS通信模塊、通信網絡和遠程終端組成[1]。

2 系統硬件設計

智能控制器通過以TMS320F28335為核心的電路采集現場數據向設備發(fā)送指令，由開關量輸入電路、開關量輸出電路、模擬量輸入電路、模擬量輸出電路和電源模塊等構成。

開關量輸入電路通過光耦合器PC814實現轉換輸入，見圖2。PC814將紅外發(fā)光二極管和發(fā)光三極管組合在一起。發(fā)光二極管為輸入回路，將電能轉換成光能；發(fā)光三極管為輸出回路，將光能轉換成電能。當輸入范圍為DC18～24 V時為高電平，此時光耦導通，電阻R45和發(fā)光二極管共同構成輸入回路。當輸入低于DC18 V時為低電平，此時光耦工作電流低于4 mA，不導通，電阻R43構成輸入回路。光耦合器以光為媒介傳輸電信號，輸入、輸出之間互相隔離。因為輸入端和輸出端完全實現電氣隔離，無觸點，所以抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，使用壽命長，傳輸效率高。

開關量輸出電路采用DC12 V的繼電器作為無源接點輸出，見圖3。DSP輸出高電平信號時，NPN管Q導通，繼電器即得電產生動作，觸點閉合，接通負載的通電回路。繼電器SRD-12VDC-SL-C的最大觸點額定電壓下的最大額定電流能達到10 A，沒有極性，可以是指示燈，也可以是線圈，應用比較廣泛。

圖1 系統總體設計圖

圖2 開關量輸入電路

圖3 開關量輸出電路

模擬量輸入電路采集的信號通過高共模電壓差分放大器INA117進行信號放大后輸入到四路運算放大器LM2902的輸入端，再經過LM2902的運算輸入到TMS320F28335中。同時，INA117也替代隔離變壓器的作用，消除紋波、噪聲和靜電電流的影響。

模擬量輸出電路輸出的信號經過單電源雙運算放大器放大后，輸入到V/I變換電路AD694后轉換成標準電信號輸出，可控制變頻器、電力調整器等，通用性好。模擬量輸入電路和輸出電路，分別如圖4和圖5所示。

圖4 模擬量輸入電路

圖5 模擬量輸出電路

GPRS通信模塊是實現遠程控制的重要組成部分。經過對比，選用SIM300C作為通信模塊。該模塊采用小體積、低功耗的設計，易于開發(fā)。支持的電壓范圍為3.4～4.5 V，典型工作電壓為4.2 V，實時在線平均電流≤10 mA/12 V。工作頻段為四頻850/900/1 800/ 1 900 MHz和三頻GSM/GPRS900/1 800/1900 MHz，符合GPRS（class10）標準，滿足GSM（2/2+）標準-Class 4 （2 W @850/900 MHz）-Class 1（1W@1 800/1 900 MHz）。SIM300C內嵌強大的TCP/IP協議棧，集成了GSM基帶處理器和標準的射頻電路，配置使用通用的AT控制命令，只要進行簡單的配置就可用于數據傳輸和交互。GPRS通信建立在遍布全球的GSM基礎上，沖破了距離和地形的限制，利用GPRS數據業(yè)務通過互聯網進行通信。GPRS的數據傳輸高速穩(wěn)定，與網絡始終保持聯系。采用GPRS技術后，無線監(jiān)控系統的實時性 高，準確性強，按數據流量計費，性價比高。GPRS通信模塊通過TCP/IP協議將數據傳輸到云服務器上。

3 系統軟件設計

云服務器ECS（Elastic Compute Service）是一種資源利用率高、安全穩(wěn)定、處理能力可彈性伸縮的計算單元，每個集群節(jié)點被部署在互聯網的骨干數據中心，虛擬化的平臺可提供計算、存儲、在線備份、管理以及帶寬等互聯網基礎設施服務。它能夠把應用程序分割成許多很小的工作單元，提供了對數據讀寫的高吞吐率。云服務器的優(yōu)勢不僅在于它的高效，而且它的設計根本就是存儲和計算的高可擴展性，冗余式的共享存儲和智能備份又保證了分布式數據處理的高可靠性。

遠程終端包括PC和智能手機，利用平臺軟件完成數據采集和寫入，查看設備的參數和狀態(tài)，遠程實現對設備的控制。具體地，實現的功能主要有以下4個方面[2]。

（1）實時顯示與控制功能。當設備聯網后將從“離線設備列表”進入“在線設備列表”，并顯示GPRS信號的強弱。信號過弱，監(jiān)控將不穩(wěn)定或出現延遲。如圖6所示，當遠程有DI信號輸入時，對應開關量如“乳化泵開指示”“風機開指示”指示燈由紅色變成綠色，說明設備正在開機；當遠程有AI信號輸入時，對應的模擬量如“一次電流”“二次電壓”將實時顯示現場實時的數據，供遠程監(jiān)控；當遠程需要對設備進行啟停控制時，操作終端上的“自動啟停”鍵，設備將自動啟停。

（2）報警功能。當廢氣治理設備工作出現異常時，設備向終端發(fā)出報警信息，報警信息將及時在終端顯示出來，“故障報警”“高壓報警”指示燈由綠色變成紅色，并不停閃爍，見圖6（左）所示。同時，如要對設備進行緊急停機，操作終端上的“故障停機”鍵即可。

（3）數據管理。云平臺將接收到現場實時狀態(tài)信息、報警信息以及運行記錄等信息，并保存在服務器上。終端軟件能按要求對歷史數據進行統計，以曲線形式展現。例如，查詢5月4日3點04分的變壓器運行參數，可把時間軸拉至此時刻，可顯示此時刻的一次電流為45.71 A，一次電壓為180.7 V，二次電流為267.7 mA，二次電壓為39.71 kV，如圖7所示。

圖7 終端實時應用圖2

（4）事件記錄。如圖7左圖所示，事件記錄將以曲線形式繪制在窗口上面，選擇某個特定時間，在窗口會顯示這個特定時間的時間記錄和狀態(tài)。如果選擇5月3日20點58分，將查詢到乳化泵和風機正常運行，高壓故障。通過事件記錄可以查看設備運轉狀態(tài)和相關趨勢，及時掌握設備工況。

4 結 論

GPRS在廢氣治理設備遠程控制系統中的成功應用不僅實現了廢氣治理設備的監(jiān)測和控制，而且為實現廢氣治理設備的遠程故障診斷以及對廢氣治理設備群進行合理的調度和管理打下了良好基礎。GPRS通信在廢氣治理設備和遠程終端之間的應用大大減少了工作人員勞動強度，不但實現廢氣治理設備的無人監(jiān)控，還實時采集數據并及時傳遞，為系統決策提供準確的依據。隨著互聯網絡時代的到來，GPRS技術在遠程監(jiān)控系統中將會有更大的應用空間和發(fā)展前景。