基于GPRS的工業鍋爐遠程數據采集系統設計

毛 崢

(河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000)

隨著遠程監測技術的飛速發展，可通過對一個地區范圍內的工業鍋爐進行集中監測，為工作人員提供可靠的現場信息。鍋爐是一種應用于工業領域的能源轉換設備，其工作環境較為惡劣，易使內部設備出現不同程度的老化問題，若工作人員的操作出現錯誤，可直接影響安全生產，如何維持工業鍋爐安全且高效的運行，成為人們關注的焦點之一。為此本研究設計出遠程數據采集系統，該系統可實時監測工業鍋爐的運行情況，有利于工作人員根據監測數據對鍋爐進行調整。

1 基于GPRS的工業鍋爐遠程數據采集系統架構設計

工業鍋爐實際上是一種體型較為龐大的特種設備，若工業鍋爐在運行過程中出現故障問題，可造成十分嚴重的人員傷亡及財產損失。本研究為保證工業鍋爐的穩定運行，設計出工業鍋爐遠程數據采集系統，通過該方式可實時監測工業鍋爐各項指標的變化情況。在工業鍋爐遠程數據采集系統設計的過程中，需要嚴格遵循先進性、經濟性、實用性等原則，使工業鍋爐遠程數據采集系統可在無人監管的情況下維持正常運轉[1]。

工業鍋爐遠程數據采集系統具有較高的兼容性，可同時支持新設備與原有設備的一同運行，但部分傳感器需要進行必要的改裝。對工業鍋爐內部傳感器進行改裝時，應充分考慮系統是否能兼容傳感器的安裝以及數據傳輸的可靠性等因素。可采用并聯的方式將數據采集模塊直接與二次儀表信號端之間建立連接，該方式可使工業鍋爐遠程數據采集系統直接完成現場數據的實時采集，但是該方式可使系統內數據信號出現衰減的現象。由此表明，該接線方式不可取。為此本研究對傳感器進行改裝時，采用信號分配的方法完成傳感器的改裝。利用一入兩出隔離器將工業鍋爐現場的信號劃分為兩路，其中一路預留給現場二次儀表，另一路連接至數據采集器，通過RS-485串行通信線即可將數據實時上傳至GPRS模塊，由該模塊采用無線數據傳輸的方式，將系統采集的數據傳輸至監測中心，基于GPRS的工業鍋爐遠程數據采集系統結構框圖如圖1所示[2]。

圖1 基于GPRS的工業鍋爐遠程數據采集系統結構框圖

2 基于GPRS的工業鍋爐遠程數據采集系統關鍵技術

2.1 無線通信技術

該技術指的是人們可在無物理連接條件的基礎下實現數據通信功能，將通信距離作為主要依據實現無信通信技術的劃分，可將其劃分為短、中、長距離無線通信。其中短距離無線通信指的是傳輸距離在百米之內，當前短距離無線通信技術的類型主要包括藍牙、Wi-Fi以及IrDA。本研究主要以Wi-Fi為例進行分析，Wi-Fi為較為流行的無線聯網技術，可適用于手機及無線網卡接收器，其通信速度可達到11兆字節。由于該技術受通信距離的影響，且安全性無法得到保障，不適用于遠程數據采集系統。微波通信技術具有傳輸速度快、通信質量高等優勢，可適用于各種專用的網絡。但是該技術易受障礙物的干擾，無法維持遠程數據采集系統的穩定運行。結合多項技術的使用情況，最終選用GPRS作為該系統的通信媒介。

2.2 GPRS無線通信技術

通用分組無線服務技術(general packet radio service，簡稱GPRS)與其他通信技術存在較大差異，該技術主要以封包的形式實現數據的傳輸，在該技術的支持下，用戶僅需按照流量傳輸的大小進行計量，通過該方式完成自身需要承擔的費用的計算。GPRS無線通信技術的傳輸速度范圍為56～114 kbps，可適用于遠程抄表、供熱系統監控等工程的實際應用。將該技術應用于遠程數據采集系統，結合互聯網等技術與系統之間建立通訊聯系，可提升遠程數據采集系統的傳輸速度及可靠性，有利于最大限度地降低成本消耗[3]。

3 基于GPRS的工業鍋爐遠程數據采集系統硬件設計

工業鍋爐遠程數據采集系統的安全性及可靠性取決于硬件設備的性能，硬件設備內元器件的選型非常關鍵，若元器件存在一定缺陷，可使工業鍋爐遠程數據采集系統出現不同程度的故障現象，為此本研究對系統的硬件設備進行簡要介紹。

3.1 數據采集器選型

數據采集器實現工業鍋爐運行工況實時監測的方法為：通過對工業鍋爐現場的模擬量信號進行采集，利用標準RS-485串口通信線建立系統與GPRS模塊之間的連接，在無線傳輸技術的支持下，即可實現數據的實時上傳，由監測中心負責對GPRS模塊上傳的數據進行接收。最后工作人員可根據采集數據對工業鍋爐內部設備的運行情況進行判斷[4]。

本研究對數據采集器進行型號選擇時，嚴格遵循工業鍋爐遠程數據采集系統的設計要求，并綜合考慮各方面因素，最終選擇DAM3059數據采集器作為該系統的數據采集模塊。DAM3059數據采集器可完成多通道模擬量的采集，其內部包含8路模擬量信號輸入，通信接口為RS-485，可支持電壓和電流信號的輸入。為保證工業鍋爐遠程數據采集系統對數據采集的精準性，應選用精度較高的元器件作為系統的核心元件。向系統各個部分均添加完善的保護措施，有利于提升系統的穩定性及安全性。DAM3059數據采集器具有體積小、質量輕等優勢，便于操作者對DAM3059數據采集器進行現場安裝。該采集器可適用于現場信號的實時采集和監測中心的實時通信，滿足工業鍋爐遠程數據采集系統的設計要求[5]。

3.2 GPRS無線模塊選型

通常情況下，工業鍋爐內部設備的分布處于分散的狀態，在該分布狀態下采用有線通信的方式進行各設備的聯系，可使工業鍋爐遠程數據采集系統出現較大的局限性。為此本研究設計出GPRS無線模塊，該模塊可向系統提供無線IP連接，在無線IP的基礎上即可實現數據的無線傳輸。GPRS無線模塊具有建設周期短、操作簡單和易維護等優勢。

結合工業鍋爐遠程數據采集系統的功能要求，本研究選用CM3160EP GPRS DTU作為該系統的數據通信模塊，其中DTU指的是數據傳輸單元(data transfer unit)。CM3160EP設備屬于一種工業級的無線數據傳輸設備，采用ARM9工業級嵌入式處理器及智能三級保護，可利用GPRS網絡實現數據的遠程傳輸，同時可向遠程數據采集系統內提供RS-485、TTL、USB等接口，支持遠程數據采集系統與客戶端之間建立連接。該設備具有雙數據中心備份功能，可容納多個數據中心同時實現數據的接收。CM3160EP GPRS DTU數據通信模塊性能描述如表1所示[6]。

表1 CM3160EP GPRS DTU數據通信模塊性能描述

4 基于GPRS的工業鍋爐遠程數據采集系統遠程傳輸設計

4.1 TCP/IP協議

TCP/IP協議屬于一種標準化聯網協議，其內部包含一定規則和格式，有利于在該協議的基礎上創建軟件框架。工業鍋爐遠程數據采集系統內部收發數據設備通常置于固定的地點，該方式易使無線信道遭受外界因素的干擾。本研究主要采用IP Over PPP實現監測中心與采集終端之間的無線傳輸，其中PPP點對點協議適用于GPRS設備鏈路層的串行線路上，該協議具有自動糾正錯誤數據的功能，可容納多種數據傳輸方式。在數據傳輸過程中，應嚴格遵循TCP/IP協議，并采用分組的方式完成數據傳輸。為保證數據傳輸的精準性及有序性，向數據內加入序號、信息源及通道數編碼，在數據上加入IP報頭，以此構成一個完整的數據包[7]。

通常情況下專用網址無法透過公共網實現相關操作，專業網址為建立與公共網絡之間的連接，可利用轉化(NAT)節點將專用網址轉換為公共網址。IP協議在工業鍋爐遠程數據采集系統無線設備中的應用與有線網絡一致。在GSM網絡的基礎上即可構建GPRS網絡，通過TCP/IP協議棧的參數配置完成信息包的傳輸，由GPRS設備向系統內發送PDP上下文激活，通過GGSN為PDP分配專屬IP地址，建立與外網之間的連接，即可實現系統的數據通信。

4.2 接口技術的選用

虛擬串口RS-485可通過與TCP/IP協議建立連接，以此實現數據的實時傳輸。Socket類似于一種接口技術，可將其稱為套接字。在系統應用程序遇到多程序進程的情況下，可通過Socket與串口的服務器之間建立通信。Socket為TCP/IP協議的基本操作單元，可為客戶端及數據中心提供編程模式。該技術應用于PC機時，無需受制于操作系統，即可實現Socket的編程。Socket應用于服務端時，其工作流程為：首先完成Socket對象、端口號等信號的創建，點擊監聽按鈕完成數據的監聽，利用遠程數據采集系統獲取客戶端上傳的數據，數據處理完畢后，即可結束操作。

4.3 遠程傳輸的流程

DTU模塊內部包含封裝好的動態鏈接庫(dll文件)，動態鏈接庫由Socket重要類的操作接口句柄、數據包轉移程序等多個程序代碼共同組成。因此，在使用dll文件時，應保證數據包的全透明狀態。本研究對軟件程序進行開發時，將數據采集模塊作為主要研究對象，向數據采集模塊配對的軟件實時提供gprs.net.dll等形式的文件，其內部含有gprs.net以及ZYB組件。通過對ZYB組件進行展開操作，即可得到多種操作類，利用操作類完成監測平臺中心的編寫，工業鍋爐遠程數據采集系統的工作流程如圖2所示。

圖2 工業鍋爐遠程數據采集系統的工作流程圖

將DTU服務器的設置方式作為依據，結合PPP協議使數據形成數據幀形式，在形成的數據幀上添加校驗碼以及報頭，以此構成封裝數據包。采用全雙工的通信方式，利用DTU的外置天線將心跳包上傳至移動基站。最后建立服務端與Socket之間的通信聯系，二者通信聯系建立完畢后，即可接收系統上傳的數據包[8]。通過對數據的入庫程序進行編寫，即可實現數據信號的傳輸，數據幀的結構為：地址碼、功能碼、寄存器、數據區以及CRC16校驗碼，其中地址碼、功能碼、寄存器皆為8位，數據區為N×8位，CRC16校驗碼為16位。

5 基于GPRS的工業鍋爐遠程數據采集系統檢測中心設計

5.1 工業鍋爐安全運行控制

本研究為保證工業鍋爐遠程數據采集系統的穩定

運行，設計出監測中心控制臺，該控制臺為工業鍋爐遠程數據采集系統的上位機程序。監測中心控制臺的功能包括兩部分：其一，通過RS-485串口與無線通信網絡建立聯系，實時接收由下位機上傳的溫度、壓力值以及水位狀態等數據，數據采集完畢后，將數據保存至數據庫，采用LED顯示屏即可顯示給用戶觀測。其二，該控制臺可對數據采集通道進行設置，有利于維持工業鍋爐遠程數據采集系統的穩定運行。

5.2 網絡客戶端的遠程監控

客戶端可通過局域網對上位機的數據進行實時訪問，該部分的訪問界面與監測中心控制臺的界面存在一定相似性。在實際運行過程中，工作人員可利用網絡實現GPRS數據接收服務器的訪問，有利于工作人員實時掌握工業鍋爐的運行工況。GPRS向系統發送監測數據時，首先利用遠程服務器對監測數據進行多點處理，并利用系統客戶端的GIS功能，有效提升工業鍋爐遠程數據采集系統的多點監測能力。該系統可同時對10個或者10個以上的設備數據進行處理。

6 結 語

本研究為保證工業鍋爐的穩定運行，設計出工業鍋爐遠程數據采集系統，通過該方式可實時監測工業鍋爐各項指標的變化情況。工業鍋爐遠程數據采集系統可在無人監管的情況下維持正常運轉，該系統具有成本低、傳輸數據距離遠等優勢，可進一步處理工業鍋爐內部數據。通過對工業鍋爐遠程數據采集系統的運行結果進行分析可知，該系統可有效預防事故的發生，具有較高的實用價值。