基于多通信技术融合的管道远程数据采集监测系统

王秀芳 李博健 谭仁雪

(东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江 大庆 163318)

基于多通信技术融合的管道远程数据采集监测系统

王秀芳 李博健 谭仁雪

(东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江 大庆 163318)

利用LabVIEW开发环境设计了一个远程数据采集监测系统。从系统的整体设计方案出发，将客户端有线传输与无线传输结合，利用多种通信传输协议，完成数据的采集与发送。给出了服务器端的部分数据接收程序与监测界面。通过在实际项目中的应用，证实该远程数据采集监测系统可实现对管道泄漏的监测与报警。

远程数据采集监测系统 管道泄漏监测 LabVIEW 传输方式 通信方式

管道运输在国民经济和国防工业中发挥着重要作用，尤其在石油化工、油气储运及城市供水、供热、供气等领域得到了广泛应用，已成为油气水运输的首选方式。但由于管道运行时间增加、设备老化、地理条件变化及人为等原因，管道泄漏事故不可避免[1,2]。对于城市供热、供气管道，一旦出现泄漏，不仅会造成直接经济损失和用户室内温度下降，严重的情况下甚至造成人员伤亡。因此，对管道进行实时监测、保障管道的正常运行具有重要意义。目前，大多数管道监测多以人工巡线的方式进行，人力物力投资大，效率低。因此，研制一套具有一定处理能力的管道数据采集监测系统将具有一定的市场前景。

计算机技术为测量控制技术、数据采集和数据分析的发展提供了保障，尤其是计算机技术中的虚拟仪器技术，以它特有的灵活性极大地促进了工业的发展与进步[3]。实际工业生产过程中，在要求完成工业生产任务的同时，又要保障生产的安全性和命令传达的实时性，同时要求完成数据的实时显示与处理。为此，笔者借助LabVIEW开发平台，以燃气管道供热项目为背景，采集每个供热站点(锅炉房)处管道的运行状态，开发远程数据采集监测系统，以保障管线的正常运行，同时讨论了数据的传输与通信方式。

相较于传统仪器，虚拟仪器技术具有高性能、高扩展性及低开发耗时等特点。实际应用过程中，只需在计算机系统中安装数据采集板卡，利用相关软件生成操作面板，并通过编程实现信号的分析与处理，即可实现预期的功能目标[4]。

基于C/S模式的数据采集系统由客户端和服务器(监控中心)两部分组成，其中，一个服务器可以按需求配置多个客户端。图1为远程数据采集系统的功能分析图。图2为远程数据采集系统的整体连接示意图。

图1 远程数据采集系统的功能分析

2 客户端

客户端的主要功能是实现数据的采集和发送，不需要对数据进行处理。为了防止服务器与客户端的网络连接中断问题，将采集的原始数据存放在客户端中以供服务器访问调用。

图2 远程数据采集系统的连接示意图

2.1有线传输与无线传输的融合

有线传输是指借助实际物理连线将服务器与客户端进行连接，通常选择R45J网络连接线对二者进行物理连接。使用有线传输能够保证数据通信的安全性，保证数据采集系统的完整性。但是，有些工业环境较复杂，且距离远，采用网线连接不仅布线复杂，而且随着距离的加长，其维护难度也在加大。因此当现场环境不满足建立实际物理连接时，即距离较远或环境不允许布线时，则需要选择无线传输方式。无线传输具有施工难度低、扩展性强、移动性能好及维护简易等优点。由于实际工业环境可能发生变化，数据采集系统应为两种传输方式预留接口。

利用无线传输方式可实现无线网桥技术与数据传输单元(Data Transfer Unit,DTU)。

无线网桥以无线传输方式实现两个或多个无线网络之间的桥接，从而建立不同网络间的物理通信桥梁。无线网桥具有较高的传播速度，例如，LG-N580无线网桥采用Atheros9344芯片，CPU主频533MHz，信道宽度5.1～5.8GHz，具有500MW的输出功率和-89dBm的灵敏度。除此之外，无线网桥配置极为简单，在一定距离内，可通过增加网桥进行中继的方式增加通信范围。针对范围有限的实际环境，采用无线网桥能够方便地完成服务器与客户端的物理连接，并实现数据的实时发送。采用无线网桥实现数据采集发送的程序与有线传输方式相同。

DTU是一种无线终端设备，可将串口数据转换为IP数据，也能反向将IP数据重新解析成串口数据，保障数据传输的双向性，并通过无线网络完成数据的发送与传输，其应用广泛有效。DTU的硬件部分由CPU控制模块、电源模块和用于数据传输的无线通信模块组成[5]。DTU作为数据发送传输设备具有诸多优点，如组网快速灵活、能够保障系统的可扩展性、网络覆盖范围广、安全保密性能好；同时，DTU通过数据流量计费，能够保证在线时间持久，降低用户使用成本；最重要的是DTU可支持虚拟数据专用网(APN/VPDN)、公网IP地址访问和具有较大灵活性的数据中心动态域名服务。

DTU作为数据转发设备需要APN技术和动态域名技术的支持。

APN技术是一种网络接入技术，由流量卡上网时必须配置的一个参数，决定该卡通过哪种接入方式来访问网络[6]。在实际使用过程中，数据流量卡IP并不是固定的，而为了固定IP，将DTU使用的流量卡和客户端的IP设置在一个IP段，故选用专线APN。专线APN根据企业对网络安全的特殊需求，采用多种安全措施，通过专线APN，保证每张使用的数据卡都在同一个IP池，相互之间能够Ping通，并通过运营商的操作，接入固定专网，用于实际数据传输。

如果APN技术是为DTU和客户端实现固定接入方式，那么动态域名技术则是通过域名自动寻找客户端IP，完成DTU数据到客户端的发送，且这种方式不需要专用网络。但需要注意的是，在进行域名访问时，被解析的域名必须要有公网IP。由于TCP/IP协议规定，为保障通信的安全性，被访问的站点需要具有公网IP，才能保障通信的建立和数据的流通。

将无线与有线传输技术融合，充分考虑现场环境的需求，根据实际需求选择不同的传输方式，能够增加系统的灵活性和实用性。

2.2通信协议的融合

数据发送是整个数据采集系统中最主要的环节，当完成传输方式的融合之后，通信协议的选择也就随之确定。LabVIEW中通常采用的通信方式有UDP协议、TCP协议、串口通信及DataSocket通信等。

UDP通信是一种无连接通信，采用广播的方式来发布数据，特别适用于一点对多点的通信。其速度比较快，但是数据传输不可靠。因此，在要求较快的响应速度和允许部分数据丢失的情况下，可以选择UDP。

作为传输数据的协议，TCP协议可以提供可靠的网络连接。TCP采用网络服务器和客户端的方式进行通信。服务器应用程序负责向客户端发送数据或从客户端读取数据，客户端应用程序同样可以从服务器应用程序中获取数据或向服务器发送请求。

串口通信是指串口按bit发送和接收字节，串口通信前必须设置波特率、数据位、停止位、奇偶校验位及流控制等参数，串口通信简单快捷，但发送速率有限。

DataSocket技术通过简单的用户接口协议(dstp协议)，能够实现网络上不同计算机之间的动态数据交换[7,8]。通信之前，必须先启动DataSocket服务器，保障数据的实时传输共享。本系统中利用DataSocket可完成对远程数据的传输，但考虑到系统整体数据量和控件的问题，为了降低系统复杂度，只在客户端间进行少量数据共享。

综上所述，系统应根据传输方式选择不同的通信方式。UDP的响应速度快于TCP，但是TCP的数据传输更加可靠，远程数据采集系统可选择TCP为主要通信方式，UDP作为辅助通信。当传输条件不满足TCP和UDP通信时，则需要借助串口通信。

2.3数据采集与发送

系统数据采集端采用数据采集板卡PCI-6014，并利用LabVIEW环境自带的NI-MAX软件对安装的PCI-6014板卡进行自检与校准，保障数据采集板卡的正常运行。LabVIEW为用户提供了最简洁的编程方式和DAQ助手。通过将DAQ助手加载至程序框图中，自动识别所使用的数据采集卡并弹出相应的配置界面，当完成相应的操作后，LabVIEW会自动生成数据采集程序。部分发送程序如图3所示。

3 服务器

服务器相较于客户端，其功能相对复杂，主要用于信号的接收、处理和存储。对于信号的接收，应根据不同的数据发送方式，编写不同的接收程序。无线和有线数据接收程序如图4所示。

图3 部分数据发送程序

图4 数据接收程序

服务器可根据实际需求完成参数设置、数据存储读取、波形显示、数据处理及数据共享等功能，并根据客户端采集的数据进行分析，从而提示管道运行状态(是否存在泄漏风险)，若存在危险，则发出报警预示，为检修做准备。

基于声波的管道泄漏点定位原理如图5所示[9,10]。管道发生泄漏时将产生次声波，并向管道两端传播。安装在管道两端的次声波传感器检测到该次声波，并及时对该信号进行处理，然后判断是否为管道泄漏信号。当判断为管道泄漏信号后，根据管道两端接收到的泄漏信号时间差和声波信号的传递速度精确定位泄漏点。

图5 基于声波的管道泄漏点定位原理

管道泄漏点定位的计算式为：

式中L——两传感器之间的距离，m；

v——声波传播速度，m/s；

X——泄漏点距参考传感器A的距离，m；

Δt——GPS时间差，s。

整个服务器端的监控界面如图6所示。

图6 服务器端的监控界面

4 结束语

笔者提出的远程数据采集监测系统，通过LabVIEW开发环境提供的函数控件(TCP函数和串口函数)实现了有线传输和无线传输，然后根据不同的传输方式选择不同的通信方式。该系统利用DataSocket技术实现了数据共享，并通过LabVIEW中提供的信号分析工具对接收信号进行分析处理。整个数据采集监测系统能够实现数据的连续采集、远程传输、数据存储、实时显示波形和相应处理，并且充分考虑到实际环境，给出不同条件下的方案选择。系统采用的虚拟仪器技术使它具有灵活性和可移植性，为实际工程应用中的数据采集提供了快捷手段。

[1] 宋艾玲,梁光川,王文耀.世界油气管道现状与发展趋势[J].油气储运,2006,25(10):1～6.

[2] 丁建林.我国油气管道技术和发展趋势[J].油气储运,2003,22(9):22～25.

[3] 李立,王宁芳,张铮.NI-LAB实验室虚拟仪器系统的研制[J].自动化与仪器仪表,2001,(6):28～29.

[4] 高琴,陈树君,王续明,等.多功能虚拟示波器的设计与实现[J].通信技术,2010,43(4):217～219.

[5] 赵忠彪.DTU与DSC之间通信协议研究[J].许昌学院学报,2014,33(2):82～85.

[6] 杨光,张子凡,王瑞慧,等.基于GPRS的APN网络通讯技术在环境监控系统中的应用[J].环境监测管理与技术,2006,18 (2):8～10.

[7] 陈玲,孙冬梅,朱靳.基于LabVIEW的风电场数据采集与处理系统[J].化工自动化及仪表,2012,39(6):777～780.

[8] 贾照丽,张俊,张少红.基于LabVIEW的远程网络数据采集与分析[J].通信技术,2012,45(8):62～64.

[9] 阚玲玲,梁洪卫,高丙坤,等.基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计[J].化工自动化及仪表,2011,38(6):653～655.

[10] 龚斌,包日东,金志浩,等.压力管道泄漏点的新型声发射定位研究[J].化工机械,2005,32(5):291～293.

(Continued on Page 637)

RemoteDataAcquisitionandMonitoringSystemBasedonIntegrationofMulti-communicationTechnology

WANG Xiu-fang, LI Bo-jian, TAN Ren-xue

(SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetrolumUniversity,Daqing163318,China)

Basing on LabVIEW development environment, a remote data acquisition and monitoring system

TQ547.8+1

B

1000-3932(2016)06-0610-05

2015-12-14(修改稿)基金项目：黑龙江省教育厅教育科学研究项目(12541063)；黑龙江省博士后基金项目(LBH-Q13036)