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隨著(zhù)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與節能減排的需求，天然氣的使用已成為未來(lái)能源的一個(gè)主要方向。天然氣壓縮機作為天然氣應用的主要設備，其應用也隨之急劇增長(cháng)。由于天然氣壓縮機種類(lèi)繁多、結構與功能復雜，其故障排查與維修也復雜。目前，主要采用人工定期檢修、現場(chǎng)檢測的方法對CNG 壓縮機進(jìn)行事后故障排查；由于其分布廣泛、數量眾多，采用事后人工現場(chǎng)排查故障的方式，費時(shí)費力，維護成本高；且事后排查故障存在較大的滯后，給用戶(hù)帶來(lái)不便，造成一定的經(jīng)濟損失。實(shí)時(shí)監控天然氣壓縮機的運行狀態(tài)、工況參數，及時(shí)進(jìn)行修正，可以避免造成不必要的損失；根據壓縮機的運行記錄，提前預估其故障，也降低維護成本；記錄歷史運行數據與報警信息，方便分析故障、可提高設備故障診斷與維修的效率。因此，研究天然氣壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監控系統具有重大意義。近年，無(wú)線(xiàn)傳感、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應用已成為熱點(diǎn)，本文通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)方式把分布廣泛的壓縮機連接到互聯(lián)網(wǎng)上，研究并實(shí)現了天然氣壓縮機的物聯(lián)網(wǎng)監控系統，為天然氣壓縮機的在線(xiàn)檢測、安全運行、智能故障診斷提供了可靠的技術(shù)保證。 1 系統網(wǎng)絡(luò )架構 CNG 壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監控系統網(wǎng)絡(luò )構架如圖1 所示。系統由設備監控網(wǎng)、VPN局域網(wǎng)、移動(dòng)Net、INTERNET四大網(wǎng)絡(luò )組成。 多臺CNG 壓縮機組成設備監控網(wǎng)，各設備監控網(wǎng)通過(guò)其主監控器對網(wǎng)內的壓縮機進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，把各壓縮機的實(shí)時(shí)運行工況、狀態(tài)參數等數據信息進(jìn)行管理和控制�，F場(chǎng)的設備監控主機以無(wú)線(xiàn)方式連接到移動(dòng)NET 中，并通過(guò)移動(dòng)NET 的物理鏈路鏈接到NETINTERNET上。對于現場(chǎng)中分布的單臺壓縮機則可不經(jīng)過(guò)設備監控網(wǎng)直接經(jīng)移動(dòng)NET 連接INTERNET。建立鏈接后，每一個(gè)設備監控網(wǎng)（或壓縮機設備）在NETINTERNET上具有惟一的IP地址。遠程的監控計算機根據該IP 地址，通過(guò)VPN 局域網(wǎng)與INTERNET 進(jìn)行數據交換，實(shí)現遠程壓縮機的數據訪(fǎng)問(wèn)和控制。 圖1 CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)系統網(wǎng)絡(luò )構成 CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監控系統從數據與信息處理角度劃分，可分為設備監控層、數據傳輸層、存儲分析層、展示與管理層4個(gè)層級。每個(gè)層級采用對應的不同系統，組成一個(gè)完整的綜合性的網(wǎng)絡(luò )。如圖2所示，各現場(chǎng)壓縮機通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)（485總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)等），連接成設備監控網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò )為設備監控層，負責壓縮機實(shí)時(shí)工況及運行狀態(tài)的監控。壓縮機的監控主機實(shí)時(shí)采集網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中的數據，并把采集到的數據發(fā)送到GPRS模塊上。數據傳輸層由GPRS模塊、發(fā)射基站、GPRS骨干網(wǎng)、INTERNET、VPN局域網(wǎng)構成，它們之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數據的傳送。在網(wǎng)絡(luò )建立連接時(shí)，可以通過(guò)遠程監控計算機主動(dòng)連接設備監控網(wǎng)的GPRS模塊，也可以通過(guò)GPRS 模塊主動(dòng)尋找監控主機的服務(wù)器。由于GPRS模塊通常是由路由自動(dòng)分配IP地址，而監控主機的服務(wù)器通常具有固定IP地址，所以本文采用GPRS主動(dòng)尋找監控計算機服務(wù)器的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )連接。GPRS模塊上電后，首先尋找其附近的發(fā)射基站，通過(guò)它注冊到GPRS骨干網(wǎng)上，然后通過(guò)INTERNET，連接到其設置的IP地址對應的VNP局域網(wǎng)的服務(wù)器上。該遠程監控端的服務(wù)器接收到現場(chǎng)壓縮機的實(shí)時(shí)數據后，運行數據庫管理軟件，對該數據進(jìn)行存儲，并運行專(zhuān)家系統對數據進(jìn)行分析和管理，局域網(wǎng)內的監控計算機運行人機界面程序，對服務(wù)器的數據庫進(jìn)行顯示、查詢(xún)、修改，并根據專(zhuān)家系統及個(gè)人分析的結果發(fā)出控制命令，對遠程壓縮機進(jìn)行控制。 2 設備監控層聯(lián)網(wǎng) 系統硬件由CNG 壓縮機、控制器、現場(chǎng)總線(xiàn)、監控主機、GPRS模塊、發(fā)射基站、網(wǎng)絡(luò )鏈路、服務(wù)器、監控計算機組成。由于網(wǎng)絡(luò )物理鏈路已存在，用戶(hù)只需建立壓縮機的設備監控網(wǎng)和監控計算機的局域網(wǎng)，并把它們連接到INTERNET上。在配置好相應的參數后，任一連接在INTERNET上的計算機都可以都可作為監控計算機，對遠程的任意一臺壓縮機進(jìn)行數據交換，組成了的壓縮機物聯(lián)網(wǎng)�？梢�(jiàn)，設備監控網(wǎng)的建立、設備監控層的聯(lián)網(wǎng)、遠程監控程序編寫(xiě)這三個(gè)環(huán)節為壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監控系統的關(guān)鍵。對設備監控網(wǎng)的建立方面有較多的研究與應用，故對此不做詳述。以下主要詳述設備監控網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)以及遠程監控程序的編寫(xiě)。 圖2 CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)的數據傳輸 如圖3 所示，各個(gè)壓縮機PLC 實(shí)時(shí)采集現場(chǎng)數據：電源的電流電壓、閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、進(jìn)出氣口與儲罐的氣體壓力、進(jìn)排氣溫度、報警信息、操作按鈕、潤滑狀態(tài)、排污情況等；監控主機把各壓縮機PLC采集的數據進(jìn)行接收、整理和存儲。然后把該數據傳輸給GPRS 模塊、GPRS 模塊采用TCP/IP 或UDP 協(xié)議經(jīng)INTERNET 發(fā)送到遠程的服務(wù)器中。 圖3 現場(chǎng)設備監控網(wǎng)的數據收發(fā) 在監控主機內運行的程序由聯(lián)網(wǎng)通信、數據收發(fā)和監控管理三個(gè)子程序組成。聯(lián)網(wǎng)通信子程序負責向GPRS發(fā)送聯(lián)網(wǎng)請求，與遠程主機握手、實(shí)現設備監控網(wǎng)的INTERNET掛接。數據收發(fā)子程序，負責接收下位機的監控數據，存儲并發(fā)送到GPRS模塊端；當GPRS端傳來(lái)遠程控制指令時(shí)，該收發(fā)子程序接收該指令并向下位機發(fā)送指令信號，對CNG 壓縮機進(jìn)行控制。監控管理字程序，主要負責對下位機進(jìn)行管理，對實(shí)時(shí)數據分析、處理。GPRS模塊內運行三個(gè)子程序：通信子程序、通信協(xié)議子程序和無(wú)線(xiàn)收發(fā)字程序。通信子程序負責與監控主機進(jìn)行數據交換；通信協(xié)議子程序負責把來(lái)自監控主機的數據打包成TCP/IP 或UDP 協(xié)議格式，或把來(lái)自網(wǎng)絡(luò )的數據包轉換成現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議格式，以實(shí)現數據通信；無(wú)線(xiàn)收發(fā)子程序負責控制無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，把數據信號以電磁波的方式發(fā)送出去，并把接受到的電磁波轉換成數據信號，進(jìn)行儲存。 3 監控界面設計 CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監控系統的實(shí)現關(guān)鍵在于壓縮機的設備監控網(wǎng)的建立和聯(lián)網(wǎng)、遠程監控界面的開(kāi)發(fā)。CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)的遠程監控程序，由壓縮機工藝圖、壓縮機狀態(tài)監控、壓縮機地圖監控、實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)、報警閥值設置、歷史趨勢曲線(xiàn)等程序模塊組成。 圖4 壓縮機物聯(lián)網(wǎng)遠程監控人機界面組成 壓縮機工藝圖主要描述壓縮機的工作原理及流程；壓縮機狀態(tài)監控主要負責壓縮機的運行狀態(tài)、運行參數的實(shí)時(shí)監控；壓縮機地圖監控主要實(shí)現壓縮機GPS位置定標功能；參數報表主要實(shí)現系統關(guān)鍵參數的記錄、存儲、報表自動(dòng)生成功能，可供用戶(hù)查詢(xún)，打��；報警閥值設置部分主要負責系統報警參數設置、連鎖啟/閉功能設置；實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示系統壓力、溫度等狀態(tài)曲線(xiàn)；歷史趨勢曲線(xiàn)實(shí)現系統過(guò)去較長(cháng)一段時(shí)間內的狀態(tài)曲線(xiàn)數據記錄；報警記錄查詢(xún)部分實(shí)時(shí)記錄、存儲報警信號，方便故障排查。 為降低研發(fā)成本，減少系統開(kāi)發(fā)周期，監控程序各部分功能采用組態(tài)軟件Kingview 6.53進(jìn)行開(kāi)發(fā)。所開(kāi)發(fā)的壓縮機系統工藝的監控界面及地圖監控界面分別如圖5和圖6所示。 壓縮機監控界面，通過(guò)Kingview軟件以畫(huà)圖及組態(tài)方式實(shí)現，其工藝參數通過(guò)在軟件的數據詞典中建立變量，然后連接變量到設備地址上實(shí)現。 監控界面開(kāi)發(fā)完成后，根據壓縮機控制器的實(shí)際情況，配置建立相應的變量字典，在監控界面中進(jìn)行相應的動(dòng)畫(huà)鏈接配置，編寫(xiě)相應的運行腳本程序，然后通過(guò)Kingview的Web發(fā)布功能，實(shí)現整個(gè)遠程監控端程序的開(kāi)發(fā)。采用組態(tài)軟件Kingview 設計監控系統大大縮短系統監控界面的開(kāi)發(fā)周期，降低系統實(shí)現的研發(fā)成本，同時(shí)也確保系統運行的可靠性。 圖5 CNG壓縮機工藝監控界面 圖6 壓縮機地圖監控界面 4 系統配置與應用 在監控界面開(kāi)發(fā)完畢，GPRS模塊安裝完畢后，須進(jìn)行GPRS模塊配置、服務(wù)器配置、監控軟件驅動(dòng)配置工作。 （1）配置GPRS模塊 GPRS模塊選用DTU，其配置是否正確是決定系統連接是否成功的關(guān)鍵。在DTU 的配置參數中，主要配置的參數有四個(gè)：模塊的ID號為一個(gè)小于32位的數，通常取其GSM 卡的號碼作為其ID 號；配置其要連接的公網(wǎng)IP地址；配置其通信協(xié)議，可選用的通信協(xié)議有TCP/IP、UDP以及TCP+UDP三種模式，通信協(xié)議要和遠程服務(wù)器端設置一致；配置通信端口，通信端口可配置為0~65 535，但注意該端口在遠程服務(wù)器中不能被占用。 （2）配置服務(wù)器 首先，把遠程服務(wù)器連接到INTERNET 上，查詢(xún)其IP地址是否與GPRS模塊端的IP地址一致。接著(zhù)，運用TCP/IP端口配置工具，在服務(wù)器上開(kāi)放一個(gè)端口作為與設備監控網(wǎng)GPRS 通信的專(zhuān)用端口。如監控計算機為局域網(wǎng)內監控計算機，需進(jìn)行端口映射操作，把服務(wù)器上用來(lái)與GPRS 通信的專(zhuān)用端口映射到裝有監控軟件的計算機上。 （3）監控軟件驅動(dòng)配置 在服務(wù)器中安裝Kingview 6.53中，根據壓縮機控制器（PLC）選取相應的驅動(dòng)程序，采用GPRS虛擬串口進(jìn)行驅動(dòng)配置，接著(zhù)進(jìn)行程序的Web發(fā)布，并運行監控軟件。在INTERNET 上的監控計算機通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)該服務(wù)器，實(shí)現壓縮機狀態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)監控。 由于Kingview 6.53組態(tài)軟件具有豐富的圖形庫、設備驅動(dòng)、通信接口等，監控界面程序的開(kāi)發(fā)只需進(jìn)行界面繪制、組態(tài)配置和少量的腳本代碼編寫(xiě)工作，用戶(hù)無(wú)需開(kāi)發(fā)通信驅動(dòng)，縮短了系統開(kāi)發(fā)周期，提高了系統的可靠性。安裝一個(gè)Kingview 6.53軟件最多可以同時(shí)加載128臺DTU，也就是最多可以同時(shí)把128個(gè)現場(chǎng)監控網(wǎng)或壓縮機連接到互聯(lián)網(wǎng)上形成一個(gè)小型的壓縮機物聯(lián)網(wǎng)。當壓縮機臺數多于128臺，可以采取增加服務(wù)器或采用虛擬服務(wù)器方式擴展。本文所設計壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監控系統已成功應用到中集集團旗下安瑞科公司生產(chǎn)的天然氣壓縮機的物聯(lián)網(wǎng)監控上，應用表明，系統運行穩定可靠。 5 結語(yǔ) 本文研究了天然氣壓縮機物聯(lián)網(wǎng)遠程監控系統的網(wǎng)絡(luò )架構，分析了監控系統的網(wǎng)絡(luò )層次與數據傳輸流程。在此基礎上，采用組態(tài)軟件Kingview 6.53設計壓縮機物聯(lián)網(wǎng)遠程監控系統監控界面程序，采用DTU 實(shí)現了CNG壓縮機的物聯(lián)網(wǎng)與遠程監控。實(shí)際應用表明該系統具有成本低、容易實(shí)現、運行可靠的特點(diǎn)。 |
