基于4G通信實現氣象站柴油發電機組遠程硬件控制系統

鄧 圣，張初江，陳利芳，余焰文，黃丹萍

(撫州市氣象局，撫州 344000)

0 引言

隨著氣象、水利和工廠等領域技術的迅猛發展，對相關設備、儀器的自動化運行和不間斷供電需求也不斷提高，為了保障效率和運行穩定，對設備持續供電以支撐運行也逐漸常態化[1]。

當前，柴油發電機作為最經濟實用的常規備用電源在各個行業中得到普遍應用。在各項技術取得突破性進展前，柴油發電機將占據主導地位。但是傳統的柴油發電機維護維修完全依靠人工定期現場巡檢[2]，對發電機運行狀態的監控也主要依賴人工現場查看。隨著人工成本的不斷提高，以及需要管理的柴油發電機數量逐漸增多，人力和物力的大量投入成為了亟需解決的問題。此外國家高度重視和推動智能化觀測的發展，柴油發電機組遠程硬件控制技術符合國家要求[3]。曹春泉[4]、李紅雷[5]、陳安[6]、魏建林[7]、許峰[8]、曾春祥[9]等針對柴油機遠程控制的應用及相應的平臺進行了深入研究；閆佩豪[10]、黃東升[11]等分別對柴油發動機的過程控制策略及排氣噪聲的控制等進行了研究。文章將在以上研究的基礎上，進行基于4G通信的柴油發電機組遠程硬件控制系統的研發，旨在減少人工操作，進一步提高運行維護效率。

1 研究內容

為了有效實現柴油機組遠程硬件的控制，文章研發了一款基于4G通信的柴油發電機組遠程硬件控制系統，該系統主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由柴油發電機組遠程智能控制裝置構成；軟件部分由用戶計算機的上位機軟件或移動客戶端軟件來實現其功能。該系統包括遠程通信硬件、遠程監控和遠程智能控制3方面研發。

1.1 遠程通信硬件研發

通過遠程通信硬件開發，使通信設備和柴油發電機通信端口匹配，從而實現發電機組運行狀況參數的遠程監測；用戶可通過遠程設備發送命令操作發電機組，實現遠程維護和保障。此外，技術人員還可以第一時間訪問云服務器，獲取4G無線遠程智能控制裝置記錄的數據并進行遠程分析診斷，減少了維修維護時間，節省了人員經費，提高了工作效率和質量。

1.2 遠程監控研發

遠程監控主要是利用無線數據傳輸技術遠程監控柴油發電機組的運行情況。通過無線傳輸技術實現移動客戶端與柴油發電機組的通信連接，并通過移動客戶端實現遠程監控。移動客戶端一般可實現遠程啟動運行和停止運行功能，且能夠實時自動監測柴油發電機組的油壓、水溫、轉速、負載狀態、電池電壓、三相線電壓和三相相電壓等參數，當出現設備異常或者數據異常時，可實時推送報警數據。

1.3 遠程智能控制研發

遠程智能控制硬件可實現對柴油發電機組的按鍵操作，從而遠程監控發電機組的運行情況。當發電機組出現異常時，利用遠程智能控制硬件，基于TCP/IP通信協議，發送相應控制命令對柴油發電機組進行遠程控制。

2 柴油發電機組遠程硬件控制裝置設計

柴油發電機組遠程硬件控制裝置設計主要包括發電機控制硬件、4G無線遠程智能控制裝置和遠程故障診斷3方面設計。

2.1 發電機控制硬件的設計

1)基于發電機專用的云控制器(定制)QX10為核心電控技術系統，利用云服務器和用戶信息終端組成一個完整的云發電機組；

2)以定制的4G無線遠程智能控制裝置為技術核心系統，發電機組控制器、云服務器和用戶信息終端組成一套完整的云發電機組。

2.2 4G無線遠程智能控制裝置設計

圖1為基于4G柴油發電機組遠程智能控制裝置結構圖，其主要通過基站將控制數據發送至Internet網，并將Internet網數據轉發至發電機控制器。在此過程中，使用4G無線遠程智能控制裝置DTU無線數據模塊，通過Internet網4G無線傳輸技術和云數據中心連接遠端計算機或移動客戶端，解決了RS-232通信串口設備只能短距離連接計算機的問題，此方法適合在偏遠地區及需要開展無人值守的領域應用。

圖1 柴油發電機組遠程智能控制裝置

該裝置DTU無線數據模塊基于ARM平臺和MCU中央處理器嵌入式操作系統，提供標準的RS-232，RS-485，CAN總線通信串口，可以與發電機控制器快速連接，通過4G無線網絡技術將與無線遠程智能控制裝置DTU無線數據模塊相連的設備數據通過Internet傳輸到主機和移動客戶端，實現實時數據遠程傳輸功能。此外還可以通過用戶計算機或移動客戶端的軟件遠程監控發電機組運行實時數據和自動監測柴油發電機組的油壓、水溫、轉速、電池電壓、三相線電壓和三相相電壓等重要參數，從而及時全面地掌握發電機組的健康狀況。

2.3 遠程故障診斷設計

遠程故障診斷主要是通過軟件(用戶計算機的上位機軟件和移動客戶端軟件)來實現，當發電機組出現無法及時排除的故障時，技術人員可以通過軟件第一時間訪問云服務器，獲取4G無線遠程智能控制裝置記錄的數據并進行遠程分析診斷，達到在最短時間內判斷出故障問題的目的，減少維修維護時間和節省人員經費，提高了工作效率和質量。

3 業務中的實際應用效果

目前該系統已投入到撫州地區進行業務運行測試，通過移動客戶端和電腦對柴油發電機組啟動高達80多次，成功率100%，并有效地實時自動監測柴油發電機組的油壓、水溫、轉速、負載狀態、電池電壓、三相線電壓和三相相電壓等參數，參數指標均正常，為全省乃至全國氣象站柴油發電機組遠程控制提供了借鑒。

以撫州市新一代天氣雷達站柴油發電機組遠程控制為例，測試時間為2021-08-29T15：01，測試運行時長為6 h 31 min，通過其移動客戶端軟件查詢歷史數據。當柴油發電機組自動發電時，手機會接收到短信通知，隨后通過移動客戶端查看柴油發電機組各項要素參數，如油壓、三相相電壓、水溫、轉速、電池電壓、發電頻率等各項參數指標都顯示正常。當運行6 h 31 min后，柴油發電機組自動關閉，手機也收到相關短信。可以看出該設備運行正常，各項參數指標均在正常范圍內。

以撫州市機場觀測站柴油發電機組遠程硬件控制為例，測試時間為2021-09-14T07：27，測試運行時長為10 h 40 min，通過其移動客戶端軟件查詢歷史數據。當柴油發電機組自動發電時，手機收到短信通知，隨后通過移動客戶端查看柴油發電機組各項要素參數，當運行10 h 40 min后，柴油發電機自動關閉，手機也收到相關短信。可以看出該設備運行正常，各項參數指標均在正常范圍內。

4 結束語

文章基于當前的4G無線網絡通信信息技術，利用發電機組硬件控制器和4G無線遠程智能控制裝置(DTU)，通過電腦端和移動客戶端構建遠程設備和發電機組的實時通信連接，實現對發電機組實時運行狀態的持續同步遠程監控和控制。該系統可在監控到運行異常時，第一時間通過電腦端和移動客戶端發出操作指令對柴油發電機組進行遠程操作，提高了柴油發電機組的運維效率。