毛 峥
(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)
随着远程监测技术的飞速发展，可通过对一个地区范围内的工业锅炉进行集中监测，为工作人员提供可靠的现场信息。锅炉是一种应用于工业领域的能源转换设备，其工作环境较为恶劣，易使内部设备出现不同程度的老化问题，若工作人员的操作出现错误，可直接影响安全生产，如何维持工业锅炉安全且高效的运行，成为人们关注的焦点之一。为此本研究设计出远程数据采集系统，该系统可实时监测工业锅炉的运行情况，有利于工作人员根据监测数据对锅炉进行调整。
工业锅炉实际上是一种体型较为庞大的特种设备，若工业锅炉在运行过程中出现故障问题，可造成十分严重的人员伤亡及财产损失。本研究为保证工业锅炉的稳定运行，设计出工业锅炉远程数据采集系统，通过该方式可实时监测工业锅炉各项指标的变化情况。在工业锅炉远程数据采集系统设计的过程中，需要严格遵循先进性、经济性、实用性等原则，使工业锅炉远程数据采集系统可在无人监管的情况下维持正常运转[1]。
工业锅炉远程数据采集系统具有较高的兼容性，可同时支持新设备与原有设备的一同运行，但部分传感器需要进行必要的改装。对工业锅炉内部传感器进行改装时，应充分考虑系统是否能兼容传感器的安装以及数据传输的可靠性等因素。可采用并联的方式将数据采集模块直接与二次仪表信号端之间建立连接，该方式可使工业锅炉远程数据采集系统直接完成现场数据的实时采集，但是该方式可使系统内数据信号出现衰减的现象。由此表明，该接线方式不可取。为此本研究对传感器进行改装时，采用信号分配的方法完成传感器的改装。利用一入两出隔离器将工业锅炉现场的信号划分为两路，其中一路预留给现场二次仪表，另一路连接至数据采集器，通过RS-485串行通信线即可将数据实时上传至GPRS模块，由该模块采用无线数据传输的方式，将系统采集的数据传输至监测中心，基于GPRS的工业锅炉远程数据采集系统结构框图如图1所示[2]。
图1 基于GPRS的工业锅炉远程数据采集系统结构框图
2.1 无线通信技术
该技术指的是人们可在无物理连接条件的基础下实现数据通信功能，将通信距离作为主要依据实现无信通信技术的划分，可将其划分为短、中、长距离无线通信。其中短距离无线通信指的是传输距离在百米之内，当前短距离无线通信技术的类型主要包括蓝牙、Wi-Fi以及IrDA。本研究主要以Wi-Fi为例进行分析，Wi-Fi为较为流行的无线联网技术，可适用于手机及无线网卡接收器，其通信速度可达到11兆字节。由于该技术受通信距离的影响，且安全性无法得到保障，不适用于远程数据采集系统。微波通信技术具有传输速度快、通信质量高等优势，可适用于各种专用的网络。但是该技术易受障碍物的干扰，无法维持远程数据采集系统的稳定运行。结合多项技术的使用情况，最终选用GPRS作为该系统的通信媒介。
2.2 GPRS无线通信技术
通用分组无线服务技术(general packet radio service，简称GPRS)与其他通信技术存在较大差异，该技术主要以封包的形式实现数据的传输，在该技术的支持下，用户仅需按照流量传输的大小进行计量，通过该方式完成自身需要承担的费用的计算。GPRS无线通信技术的传输速度范围为56～114 kbps，可适用于远程抄表、供热系统监控等工程的实际应用。将该技术应用于远程数据采集系统，结合互联网等技术与系统之间建立通讯联系，可提升远程数据采集系统的传输速度及可靠性，有利于最大限度地降低成本消耗[3]。
工业锅炉远程数据采集系统的安全性及可靠性取决于硬件设备的性能，硬件设备内元器件的选型非常关键，若元器件存在一定缺陷，可使工业锅炉远程数据采集系统出现不同程度的故障现象，为此本研究对系统的硬件设备进行简要介绍。
3.1 数据采集器选型
数据采集器实现工业锅炉运行工况实时监测的方法为：通过对工业锅炉现场的模拟量信号进行采集，利用标准RS-485串口通信线建立系统与GPRS模块之间的连接，在无线传输技术的支持下，即可实现数据的实时上传，由监测中心负责对GPRS模块上传的数据进行接收。最后工作人员可根据采集数据对工业锅炉内部设备的运行情况进行判断[4]。
本研究对数据采集器进行型号选择时，严格遵循工业锅炉远程数据采集系统的设计要求，并综合考虑各方面因素，最终选择DAM3059数据采集器作为该系统的数据采集模块。DAM3059数据采集器可完成多通道模拟量的采集，其内部包含8路模拟量信号输入，通信接口为RS-485，可支持电压和电流信号的输入。为保证工业锅炉远程数据采集系统对数据采集的精准性，应选用精度较高的元器件作为系统的核心元件。向系统各个部分均添加完善的保护措施，有利于提升系统的稳定性及安全性。DAM3059数据采集器具有体积小、质量轻等优势，便于操作者对DAM3059数据采集器进行现场安装。该采集器可适用于现场信号的实时采集和监测中心的实时通信，满足工业锅炉远程数据采集系统的设计要求[5]。
3.2 GPRS无线模块选型
通常情况下，工业锅炉内部设备的分布处于分散的状态，在该分布状态下采用有线通信的方式进行各设备的联系，可使工业锅炉远程数据采集系统出现较大的局限性。为此本研究设计出GPRS无线模块，该模块可向系统提供无线IP连接，在无线IP的基础上即可实现数据的无线传输。GPRS无线模块具有建设周期短、操作简单和易维护等优势。
结合工业锅炉远程数据采集系统的功能要求，本研究选用CM3160EP GPRS DTU作为该系统的数据通信模块，其中DTU指的是数据传输单元(data transfer unit)。CM3160EP设备属于一种工业级的无线数据传输设备，采用ARM9工业级嵌入式处理器及智能三级保护，可利用GPRS网络实现数据的远程传输，同时可向远程数据采集系统内提供RS-485、TTL、USB等接口，支持远程数据采集系统与客户端之间建立连接。该设备具有双数据中心备份功能，可容纳多个数据中心同时实现数据的接收。CM3160EP GPRS DTU数据通信模块性能描述如表1所示[6]。
表1 CM3160EP GPRS DTU数据通信模块性能描述
4.1 TCP/IP协议
TCP/IP协议属于一种标准化联网协议，其内部包含一定规则和格式，有利于在该协议的基础上创建软件框架。工业锅炉远程数据采集系统内部收发数据设备通常置于固定的地点，该方式易使无线信道遭受外界因素的干扰。本研究主要采用IP Over PPP实现监测中心与采集终端之间的无线传输，其中PPP点对点协议适用于GPRS设备链路层的串行线路上，该协议具有自动纠正错误数据的功能，可容纳多种数据传输方式。在数据传输过程中，应严格遵循TCP/IP协议，并采用分组的方式完成数据传输。为保证数据传输的精准性及有序性，向数据内加入序号、信息源及通道数编码，在数据上加入IP报头，以此构成一个完整的数据包[7]。
通常情况下专用网址无法透过公共网实现相关操作，专业网址为建立与公共网络之间的连接，可利用转化(NAT)节点将专用网址转换为公共网址。IP协议在工业锅炉远程数据采集系统无线设备中的应用与有线网络一致。在GSM网络的基础上即可构建GPRS网络，通过TCP/IP协议栈的参数配置完成信息包的传输，由GPRS设备向系统内发送PDP上下文激活，通过GGSN为PDP分配专属IP地址，建立与外网之间的连接，即可实现系统的数据通信。
4.2 接口技术的选用
虚拟串口RS-485可通过与TCP/IP协议建立连接，以此实现数据的实时传输。Socket类似于一种接口技术，可将其称为套接字。在系统应用程序遇到多程序进程的情况下，可通过Socket与串口的服务器之间建立通信。Socket为TCP/IP协议的基本操作单元，可为客户端及数据中心提供编程模式。该技术应用于PC机时，无需受制于操作系统，即可实现Socket的编程。Socket应用于服务端时，其工作流程为：首先完成Socket对象、端口号等信号的创建，点击监听按钮完成数据的监听，利用远程数据采集系统获取客户端上传的数据，数据处理完毕后，即可结束操作。
4.3 远程传输的流程
DTU模块内部包含封装好的动态链接库(dll文件)，动态链接库由Socket重要类的操作接口句柄、数据包转移程序等多个程序代码共同组成。因此，在使用dll文件时，应保证数据包的全透明状态。本研究对软件程序进行开发时，将数据采集模块作为主要研究对象，向数据采集模块配对的软件实时提供gprs.net.dll等形式的文件，其内部含有gprs.net以及ZYB组件。通过对ZYB组件进行展开操作，即可得到多种操作类，利用操作类完成监测平台中心的编写，工业锅炉远程数据采集系统的工作流程如图2所示。
图2 工业锅炉远程数据采集系统的工作流程图
将DTU服务器的设置方式作为依据，结合PPP协议使数据形成数据帧形式，在形成的数据帧上添加校验码以及报头，以此构成封装数据包。采用全双工的通信方式，利用DTU的外置天线将心跳包上传至移动基站。最后建立服务端与Socket之间的通信联系，二者通信联系建立完毕后，即可接收系统上传的数据包[8]。通过对数据的入库程序进行编写，即可实现数据信号的传输，数据帧的结构为：地址码、功能码、寄存器、数据区以及CRC16校验码，其中地址码、功能码、寄存器皆为8位，数据区为N×8位，CRC16校验码为16位。
5.1 工业锅炉安全运行控制
本研究为保证工业锅炉远程数据采集系统的稳定
运行，设计出监测中心控制台，该控制台为工业锅炉远程数据采集系统的上位机程序。监测中心控制台的功能包括两部分：其一，通过RS-485串口与无线通信网络建立联系，实时接收由下位机上传的温度、压力值以及水位状态等数据，数据采集完毕后，将数据保存至数据库，采用LED显示屏即可显示给用户观测。其二，该控制台可对数据采集通道进行设置，有利于维持工业锅炉远程数据采集系统的稳定运行。
5.2 网络客户端的远程监控
客户端可通过局域网对上位机的数据进行实时访问，该部分的访问界面与监测中心控制台的界面存在一定相似性。在实际运行过程中，工作人员可利用网络实现GPRS数据接收服务器的访问，有利于工作人员实时掌握工业锅炉的运行工况。GPRS向系统发送监测数据时，首先利用远程服务器对监测数据进行多点处理，并利用系统客户端的GIS功能，有效提升工业锅炉远程数据采集系统的多点监测能力。该系统可同时对10个或者10个以上的设备数据进行处理。
本研究为保证工业锅炉的稳定运行，设计出工业锅炉远程数据采集系统，通过该方式可实时监测工业锅炉各项指标的变化情况。工业锅炉远程数据采集系统可在无人监管的情况下维持正常运转，该系统具有成本低、传输数据距离远等优势，可进一步处理工业锅炉内部数据。通过对工业锅炉远程数据采集系统的运行结果进行分析可知，该系统可有效预防事故的发生，具有较高的实用价值。
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