基于物聯網及WebGIS技術的特種設備監控系統的研究

李路華 劉超

【摘要】? ? 近年來，隨著互聯網及信息化技術的不斷發展，物聯網技術與計算機信息技術相結合的應用越來越多，并成為設備遠程監測技術的重要支撐。本文提出了基于物聯網及WebGIS技術的特種設備遠程監控系統的研究方法，在了解現場實際需求基礎上，選用 4G 網絡作為設備監測過程中數據傳輸通道，選用百度地圖API 作為WEBGIS的客戶端開發工具。在網絡傳輸設備中，擁有高性能處理器及功能豐富的USR-G781 DTU 作為網絡設備的收發器，實現數據采集裝置與監控中心的遠程連接。利用 Modbus RTU 通信協議完成現場 PLC 與從站之間的通信以及 TCP/IP協議完成數據的網絡傳輸，選用基于ASP.NET MVC三層架構、JQuery EasyUI前端技術開發系統，利用 sqlserver 2008數據庫存儲、管理監測數據。

【關鍵詞】? ? WEBGIS? ? 物聯網技術? ? 遠程監控? ? 數據傳輸

一、背景

重要承壓類特種設備，如壓力容器和鍋爐，在制造、電力、生產等行業應用比較廣泛，對國家的民生及經濟發展發揮著不可替代的重要作用。特種設備作為在生產中的重要環節，如何將承壓類設備儀表中數據通過計算機及通訊技術，進行數據采集、處理、傳輸等操作，從而高效可靠的監測著設備的現場運行狀態，保障其安全穩定運行，避免安全事故和降低生產成本，是本課題的研究目的[1]。

二、監控系統的總體結構

2.1遠程監控系統的總體框架設計

本系統由采集控制終端、無線通訊系統、后臺監控中心管理平臺、WEBGIS（地理信息系統）等部分構成。采集傳感器安裝在特種設備如鍋爐和壓力容器上，實時監控設備中溫度、壓力和液面等信息，并記錄收集數據。后臺監控中心與采集控制終端通過4G DTU設備以4G無線通訊的方式實現雙向通信。

后臺監控中心管理平臺統采用B/S架構，使用asp.net開發，將采集到的數據實時發送到管理平臺，平臺進行儲存、解析和管理，并通過可視化地理信息界面將信息呈現給監控人員。

從系統結構圖中可以得出，現場控制層主要有傳感器（溫度、壓力等）、PLC 控制站和 數據傳輸單元DTU。首先 PLC 負責對現場溫度、壓力等檢測傳感器等模擬量進行采集，通過ModBus 協議4G DTU 網絡設備進行通信，然后將采集到的數據通過無線的方式傳送回后臺中心，此時后臺監控中心通過Internet 網，接收現場傳過來的數據。通過協議的配置將數據傳輸單元（DTU）與監控中心進行通信搭建，監控平臺通過4G無線網絡將從現場傳輸過來的實時數據進行分析、處理和保存，通過之前預設的警戒值進行比較來判斷現場特種設備運轉情況是否正常穩定。4G 無線通信憑借通信質量高、通信速度快、覆蓋面積廣等優點，廣泛應用于有線部署難度較大的監控領域[2]。

三、監控系統的硬件設計

承壓類特種設備遠程監控系統主要由硬件、軟件、通信三部分組成。硬件主要是現場采集控制設備主要由傳感器、控制器及4G網絡設備組成。它們是遠程監控系統的基礎，它們是否能夠正常運轉直接影響到系統整體功能的順利實現。

軟件部分的主要任務是接收現場數據并存入數據庫、在WEBGIS上顯示實時數據以及通信的建立。本節主要從傳感器、PLC控制器以及4G無線數據傳輸終端的選型這幾方面展開，具體闡述系統方案的硬件設計。

3.1傳感器選擇

壓力傳感器采用普量 PT500-500系列， 該系列壓力變送器為進口感壓芯片，先進的貼片工藝，全封焊結構、抗沖擊、耐疲勞、可靠性高， 介質溫度可達500度。

PT100溫度傳感器是用鉑電阻PT100元件封裝的溫度傳感器，根據使用環境的溫度范圍、安裝方式不同用不同材料封裝成可以直接用在現場測溫的傳感器。

3.2 PLC 的選型

本論文設計中在對壓力容器現場控制器的選型上，以先進、可靠、經濟、合理為前提，保證對控制對象進行實時控制以及系統長期穩定高效地運行最終決定選用德國西門子公司生產的CPU-1200系列 PLC 作為控制器，選用 CPU-1214 作為主控制器。

S7-1200 可編程邏輯控制器 （PLC， Programmable Logic Controller） 提供了控制各種設備以滿足您自動化需要的靈活性和強大功能。 S7-1200 設計緊湊、組態靈活且具有功能強大的指令集，這些特點的組合使它成為控制各種應用的完美解決方案。[3]。

3.3物聯網終端設備選型

系統通訊方案設計采用了4G網絡，且要滿足通信模塊能夠與西門子 S7-1200 進行通訊，結合4G網絡傳輸的協議、以及物聯網設備的可擴展性，并保證成本可控，本文擬選用 USR-G781 DTU 作為 物聯網終端設備。其硬件部分主要由 CPU 控制模塊和 4G 無線通信模塊以及電源模塊構成。

四、監控系統的通訊設計

遠程監控系統起到橋梁作用的就是通信部分，實現現場數據采集設備和組態系統之間的數據交換。本章所研究的基于 4G 無線通信技術的數據傳輸過程，利用 Modbus RTU 和 TCP/IP 協議完成了相關技術和程序設計，并實現了現場數據傳輸和網絡數據傳輸這兩大部分的通信問題。

4.1“監控中心與USR-G781 DTU的通信設計”

USR-G781 DTU 與監控中心服務器進行通信時，必須在DTU 中設置服務器地址或是域名，這樣才能將數據準確的發送至監控中心，實現二者無線數據交互[4][5]。相反，控制指令將從監控平臺發出，借助4G無線網絡發送至DTU，指令被接收后進行加工封裝處理，最終發送至PLC控制器，由執行器完成任務。

4.2服務器 WinSock通信軟件設計

監控中心基于 4G 網絡采用 TCP 協議以 socket 的方式收發 IP 數據包，實現與監控終端的信息交互。所以數據通信模塊的軟件設計采用 Winsock 控件實現socket 的連接。本系統主要采用面向連接的 socket 方式。

以客戶端/服務器模式建立 TCP/IP 通信基于兩點：一是非對等作用，二是異步通信。使用TCP 協議的 socket通信程序包括服務程序和客戶程序[6]，本系統數據通訊模塊，具體實現：通過獲取本地IP 和端口號啟動監聽機制，當有監控終端發來的請求時，通過 socket 建立 TCP連接，從而實現對數據的進一步處理，并可以發送控制命令。

當有一方斷開連接，則軟件釋放所有緩存及 Winsock 控件，結束通信。

五、監控系統的軟件設計

5.1 Web頁面設計

系統的Web端開發使用ASP.NET+MVC+EF的架構，結合百度地圖JavaScript API來進行開發。前端選擇使用的JavaScript框架為 jQuery EasyUI，EasyUI能夠快速開發出功能豐富并且美觀的UI界面，減少開發周期。Web系統平臺主要包括地理信息系統（GIS）、實時數據等功能。

對于數據的顯示，搭建了WEBGIS的顯示方式，將采集到的數據進行JSON格式化，通過百度地圖API顯示在百度地圖上;另外當超出設定的警戒值時將會彈出報警窗口。

六、總結

文章綜合運用4G無線通信技術、地理信息技術，軟件工程技術等技術，提出了遠程設備監控系統的整體構建方案;建立了借助云平臺的數據傳輸平臺實驗，完成現場傳感器發送數據及遠程電腦端接收數據的傳輸實驗，驗證了通訊方案的可行性，通過使用百度地圖API及ASP.NET編程技術將采集到的數據展示在地圖上，實現了基于地理信息的動態數據顯示功能。

參? 考? 文? 獻

[1]徐真. 基于GPRS及GIS技術的重要承壓類特種設備遠程監控系統的設計與實現[D].山東大學，2008

[2]崔心惠.基于4G網絡的污水處理遠程監控系統研究與應用 [D]. 安徽工業大學， 2018

[3]王浩. PL在化工廢水處理廠自動控制系統中的應用研究[J]. 山東工業技術，2017（24）：118.

[4]吳云峰， 周龍軍. 基于 GPRS 技術 PLC 遠程通信應用于城市熱網監控[J]. 區域供熱，2004（4）：17-20.

[5]王建華， 李璞. GPRS 通信在油井遠程監控系統中的應用[J]. 石油鉆探技術， 2004，32（2）：67-70.

[6]梁玉. 基于C#的數據采集上位機軟件設計[D].西安電子科技大學，2014.