基于GPRS的天然气调压站远程监控系统设计

徐鑫凯，孟祥印，郝梦捷，孙扬智，唐　磊

（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都610031）

基于GPRS的天然气调压站远程监控系统设计

徐鑫凯，孟祥印，郝梦捷，孙扬智，唐磊

（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都610031）

针对天然气调压站间距远、分散度高，以及传统的有线监控系统不能完全胜任调压站的监控工作的问题，以GPRS技术设计数据远程传输模块，结合STM32、WinCC以及MODBUS协议设计一套天然气远程监控系统，实现天然气的无线远程监控，满足大范围、远距离的监控需求。

GPRS；数据传输；MODBUS；WinCC；STM32

0　引言

天然气传输覆盖范围非常广，在天然气的传输中，给天然气提供输送压力和控制流量的天然气调压站分布在各个地区。传统的天然气调压站监控系统采用的是手动控制，不能够实现数据监测的自动化、远程化、集中化操作。特别是数据的传输一直以来采用现场走线，不能实现远距离实时监控，在当今天然气用量大大提升的背景下，开发可靠、实用的天然气远程自动化监测系统能大大提高天然气的生产管理效率。根据现况笔者采用GPRS远程数据通信模块为核心，以STM32F103RC微控制器为信号采集板作为下位机以及 WinCC作为上位机设计一套用于天然气调压站的远程监测设备。

1　天然气远程监控系统构架

系统由现场电气设备、STM32下位机和GPRS数据远程传输模块、WinCC上位机监控软件系统构成。天然气远程监控系统整体构架设计如图1所示。系统的工作流程：现场电气设备通过RS485通信接口或者模拟量通信接口连接到下位机，由其处理其中的数据，经过处理的数据通过下位机的串行接口，通过GPRS模块与监控中心上位机的监控软件进行通信，将下位机数据传送给上位机监控系统使用。上位监控系统由一台工控机、显示器以及软件系统组成。软件系统以GPRS无线数据信息传输[1]、上位机和下位机之间的MODBUS协议数据通信以及WinCC组态监控软件为核心，实现人机交互功能，并实现数据处理、数据显示与存储、报警提示等。

监控系统共4个模块：数据远程传输模块、下位机数据采集、监控中心与下位机实现MODBUS协议数据通信、WinCC监控界面。

图1　天然气远程监控系统整体构架图

2　数据远程传输模块设计

2.1GPRS技术介绍

GPRS全称 General Packet Radio Service，它是 GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务[2]。其信号覆盖面积非常广，同时具有良好的可靠性，可以在全国范围实现数据交换。GPRS理论带宽可达171.2 Kb/s，实际应用带宽大约在 40～100 Kb/s，在此信道上提供 TCP/IP连接；目前的实际应用带宽大约在 100 Kb/s左右(双向对称传输)，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。数据远程传输构架如图2所示。

图2　数据远程传输构架图

2.2GPRS DTU通信设计

GPRS模块硬件采用宏电 7710GPRS DTU，其无线数据传输采用多个软件构成一个完整的通信平台。软件包括：KEPserver、configure virtual serial port driver、超级终端、无线数据中心。

KEPserver提供 OPC服务[3]，在其他软件和控制设备之间搭起一座桥梁，使得用户软件可以直接访问控制设备的数据;configure virtual serial port driver在电脑上建立一一对应的虚拟串口，收发数据信息；超级终端软件设置GPRS DTU参数，设定GPRS DTU的IP地址、波特率、SIM卡号、DSC通讯端口，设置为中控室的转发软件启动的监控端口；无线数据中心是连接PC和互联网的中转软件，通过设置无线数据中心的参数收发对应数据信息。

2.3GPRS通信实现

GPRS DTU数据传输通过 configure virtual serial port driver可实现一对或多对虚拟串口作为接受数据和发送数据的通信接口，采用KEPserver作为中转处理，实现虚拟串口和 PC端WinCC远程监控程序界面之间的数据信息交换。分布在各个地点的下位机数据信息利用宏电7710 DTU由蜂窝网连接入互联网，发送到对应 IP的主机串口；无线数据信息中心程序实现PC端两个虚拟串口之间数据信息的转发。通过各个软件的准确设定以及前后恰当衔接建立一个下位机物理232串口到上位机虚拟串口的数据透明传输路径，使得上位机能够实时的和下位机实现数据无线远程信息的交换，从而达到远距离的监控目的。数据远程传输软件构架示意图如图3所示。通信模式设计：监控中心计算机作为调控中心，采用一个固定IP地址，分布在不同地点的GPRS DTU主动连接调度中心，实现中控机管理多个GPRS DTU。

图3　数据远程传输软件构架示意图

3　数据信息采集实现

数据采集硬件构架如图4所示。分布在各个地点的现场电气设备数据由核心控制器STM32F103RC芯片控制的下位机采集[4]，其与底层的流量计计算仪进行通信，与变送器及探测器进行模拟量采集。被采集现场电气设备主要包括压力变送器、温度变送器、可燃气体探测器、流量计、切断阀、加臭控制器。

图4　数据采集硬件构架图

主控芯片：STM32F103RC芯片是ST公司推出的增强型微控制器，其内核采用ARM公司的高性能Cortex－M3，拥有512 KB的 Flash存储器，集成复位电路、精确的 RC振荡器以及低压检测，72 MHz全速工作时仅仅 36 mW的超低功耗，具备多个 USART接口，性能完全满足天然气调压站现场数据信号采集要求。

光耦隔离模块：采用 PS208－1芯片实现对工业现场数信号的隔离，通过下拉电阻R302把隔离处理之后的数字信号传输给处理器输入引脚。光耦隔离电路如图5所示。

隔离模块：工业现场由于环境恶劣，在采集信号时，同时要做到隔离，本次方案采用Agilent公司的HCNR201芯片和辅助外围电路实现采集0～20 mA模拟信号，同时做到线性光耦隔离。线性光耦HCNR201为电流驱动型器件，其 LED的工作电流为1～40 mA，运放器的选取必须保证其输出电流有足够的驱动能力驱动LED二极管。电路采用运放LMV321IDBV，其输出电流可达40 mA。选用 R101=R103=100 kΩ，且精度为千分之一，C101= C102=0.001 μF，就可实现隔离不放大的效果。隔离电路如图6所示。

图5　光耦隔离电路

图6　模拟量采集隔离电路

备用电池模块：为了防止外部电源意外中断，设计了备用电池模块，在外部电路正常工作时，电池不供电；当外部电源中断，电池立即给系统供电，保证系统正常共作。电池采用的是可充电AAA锂电池，由TP4057作为其电源芯片，负责对它充电。采用AO3401芯片作为电路切换模块，它实质上是一个P-MOSFET管。外部供电正常时AO3401芯片处于截断状态；当外部电源意外中断时，电路中的AO3401芯片马上导通，Y1端连通电池，给系统供电。备用电源及自动切换电路如图7所示。

图7　备用电源及自动切换电路

4　下位机的MODBUS通信设计

下位机采集到数据信息，经 RS232物理串口，利用GPRS模块把数据发送到主控中心主机串口，实现串口数据的透明传输。在下位机RS232串口与监控中心主机虚拟串口之间采用MODBUS通讯协议实现监控中心主机与下位机的通信。

MODBUS是一种开放、标准、免费的通讯协议[5]，其支持RS232、RS485等多种电气接口，因其简单紧凑的特点，被广泛的应用于各个工业现场数据通信领域。

MODBUS协议采用主从模式，一个主机，多个从机，主机请求，对应的一个从机作出应答。一个MODBUS系统中，电气接口作为物理线路，将高低电平信息传递出去；MODBUS协议则定义了这些高低电平的意义，称为功能码。MODBUS有常用4个功能码：0x01(读线圈)、0x02 (读离散量输入)、0x03(读保持寄存器)、0x04(读输入寄存器)。MODBUS采用功能码指挥一个RTU改变它的寄存器的某个值，控制或者读取一个 I/O端口，以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据[6]。

分布在各个地点的下位机作为从机，监控中心作为主机，利用MODBUS实现监控中心接收不同地点的现场数据。从机响应主机功能码0x03（读保持寄存器)请求，发送数据给主机[7]。

从机处理功能码0x03机制如图8所示。

图8　从机响应功能码0x03机制

5　WinCC监控界面

西门子SIMATIC WinCC是一款功能性、开发性和稳定性优秀的工程组态软件[8]。WinCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。

在WinCC组态软件中，把下位机传来的数据保存在WinCC自定义的变量中，利用WinCC便捷的界面开发功能，在界面中显示出对应的变量值，并且基于现场实际情况设计出人机交互监控界面，进入系统后可对监控的天然气参数进行上下限值设置，系统根据此上下限值开启报警，系统在开始运行时便设置缺省报警上下限值，系统功能见图9。

图9　WinCC人机交互界面功能图

6　结束语

本文采用 GPRS技术、STM32微控制器、MODBUS协议、WinCC组态软件，设计实现一种新型的天然气远程监控系统，完全满足天然气远程数据自动监控性能要求以及偏远山区的天然气调压站数据信息自动采集指标要求。

[1]陈文荣.基于GPRS的仪表数据采集与监控系统[J].浙江大学学报，2005(2)：18-20.

[2]覃晓，李熹.基于ARM和GPRS的远程监控供水系统设计[J].广西民族大学学报，2010，16(11)：51-55.

[3]刘敏.KEPServer在PLC和VB.NET通讯中的应用[J].大众科技，2012，14(155)：42－45.

[4]纪文志，陈忠，唐加山.基 CAN总线智能节点的设计与实现[J].微型机与应用，2012，31(3)：44-46.

[5]胡兴刚.基于 Modbus协议的电磁流量计在水库涵管流量测量中的应用[J].测控技术，2014，33(9)：101-104.

[6]唐磊，周伦，唐波.WinCC与自定义设备通信的研究与实现[J].仪表技术与传感器，2014(5)：32-34.

[7]万美，闫宝瑞.基于MODBUS协议和WinCC6.2的电力参数采集系统设计[J].石化电气，2011，30(11)：80－82.

[8]田民强，刘振兴，游辉胜.基于WinCC和 VB的排水站监控系统[J].工业控制计算机，2009，22(5)：31－32.

Design of gas remote monitoring system based on GPRS

Xu Xinkai，Meng Xiangyin，Hao Mengjie，Sun Yangzhi，Tang Lei
(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Gas regulator stations are distance away and high dispersion，and traditional monitoring systems can not fully competent to monitor the work of the regulator stations.So this paper uses remote data transmission module by GPRS technology，STM32，WinCC and MODBUS to design a gas remote monitoring system.The system can completely meet the large-scale and long-distance monitoring needs.

GPRS；data transmission；MODBUS；WinCC；STM32

TH865

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.002

2015-06-30)

徐鑫凯（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：过程控制。

孟祥印（1979-），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：机电设备监测与控制。

郝梦捷（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向：过程控制。

中文引用格式：徐鑫凯，孟祥印，郝梦捷，等.基于 GPRS的天然气调压站远程监控系统设计[J].电子技术应用，2015，41 (10)：13-16.

英文引用格式：Xu Xinkai，Meng Xiangyin，Hao Mengjie，et al.Design of gas remote monitoring system based on GPRS[J]. Application of Electronic Technique，2015，41(10)：13-16.