基于GPRS的废气治理设备远程控制系统的开发与应用

冯业钧，周任文，汤剑飞，冯伟杰，潘康华，周仁立，冯肇霖

（1.广州广一大气治理工程有限公司，广东 广州 510000； 2.广东省环境保护中小型静电除尘与分离技术工程研究开发中心，广东 广州 510000）

0 引 言

世界正面临百年不遇的经济转型，第四次工业革命也悄然到来，我国的工业化程度也越来越高。高工业化意味着在实际的工业生产过程中需要引入智能化技术，对一些分散、远距离和数量众多的作业点进行监控，特别是作为配套的废气治理设备。由于废气治理设备的工况环境比较恶劣，没有人长期值守，通常需要建立监控中心。监控中心不仅是对作业点的工作状态和参数进行监视，还会向远程的设备发送指令，以实现远程控制。传统的方法有两种：一是采用有线控制系统，二是采用无线专网控制系统。但是，两种系统均需要专用通信设备，建设投资大、维护费用高，缺点明显，难以全面应用。随着全球移动通信技术的不断发展，利用移动通信技术实现远程控制已成为一种必然的趋势。

1 系统总体设计

废气治理设备远程控制系统借助于公共移动通信网络，通过GPRS网络进行数据传输，实现了废气治理设备的无线远程网络控制与管理。系统构成如图1所示，主要由智能控制器、GPRS通信模块、通信网络和远程终端组成[1]。

2 系统硬件设计

智能控制器通过以TMS320F28335为核心的电路采集现场数据向设备发送指令，由开关量输入电路、开关量输出电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路和电源模块等构成。

开关量输入电路通过光耦合器PC814实现转换输入，见图2。PC814将红外发光二极管和发光三极管组合在一起。发光二极管为输入回路，将电能转换成光能；发光三极管为输出回路，将光能转换成电能。当输入范围为DC18～24 V时为高电平，此时光耦导通，电阻R45和发光二极管共同构成输入回路。当输入低于DC18 V时为低电平，此时光耦工作电流低于4 mA，不导通，电阻R43构成输入回路。光耦合器以光为媒介传输电信号，输入、输出之间互相隔离。因为输入端和输出端完全实现电气隔离，无触点，所以抗干扰能力强，工作稳定，使用寿命长，传输效率高。

开关量输出电路采用DC12 V的继电器作为无源接点输出，见图3。DSP输出高电平信号时，NPN管Q导通，继电器即得电产生动作，触点闭合，接通负载的通电回路。继电器SRD-12VDC-SL-C的最大触点额定电压下的最大额定电流能达到10 A，没有极性，可以是指示灯，也可以是线圈，应用比较广泛。

图1 系统总体设计图

图2 开关量输入电路

图3 开关量输出电路

模拟量输入电路采集的信号通过高共模电压差分放大器INA117进行信号放大后输入到四路运算放大器LM2902的输入端，再经过LM2902的运算输入到TMS320F28335中。同时，INA117也替代隔离变压器的作用，消除纹波、噪声和静电电流的影响。

模拟量输出电路输出的信号经过单电源双运算放大器放大后，输入到V/I变换电路AD694后转换成标准电信号输出，可控制变频器、电力调整器等，通用性好。模拟量输入电路和输出电路，分别如图4和图5所示。

图4 模拟量输入电路

图5 模拟量输出电路

GPRS通信模块是实现远程控制的重要组成部分。经过对比，选用SIM300C作为通信模块。该模块采用小体积、低功耗的设计，易于开发。支持的电压范围为3.4～4.5 V，典型工作电压为4.2 V，实时在线平均电流≤10 mA/12 V。工作频段为四频850/900/1 800/ 1 900 MHz和三频GSM/GPRS900/1 800/1900 MHz，符合GPRS（class10）标准，满足GSM（2/2+）标准-Class 4 （2 W @850/900 MHz）-Class 1（1W@1 800/1 900 MHz）。SIM300C内嵌强大的TCP/IP协议栈，集成了GSM基带处理器和标准的射频电路，配置使用通用的AT控制命令，只要进行简单的配置就可用于数据传输和交互。GPRS通信建立在遍布全球的GSM基础上，冲破了距离和地形的限制，利用GPRS数据业务通过互联网进行通信。GPRS的数据传输高速稳定，与网络始终保持联系。采用GPRS技术后，无线监控系统的实时性 高，准确性强，按数据流量计费，性价比高。GPRS通信模块通过TCP/IP协议将数据传输到云服务器上。

3 系统软件设计

云服务器ECS（Elastic Compute Service）是一种资源利用率高、安全稳定、处理能力可弹性伸缩的计算单元，每个集群节点被部署在互联网的骨干数据中心，虚拟化的平台可提供计算、存储、在线备份、管理以及带宽等互联网基础设施服务。它能够把应用程序分割成许多很小的工作单元，提供了对数据读写的高吞吐率。云服务器的优势不仅在于它的高效，而且它的设计根本就是存储和计算的高可扩展性，冗余式的共享存储和智能备份又保证了分布式数据处理的高可靠性。

远程终端包括PC和智能手机，利用平台软件完成数据采集和写入，查看设备的参数和状态，远程实现对设备的控制。具体地，实现的功能主要有以下4个方面[2]。

（1）实时显示与控制功能。当设备联网后将从“离线设备列表”进入“在线设备列表”，并显示GPRS信号的强弱。信号过弱，监控将不稳定或出现延迟。如图6所示，当远程有DI信号输入时，对应开关量如“乳化泵开指示”“风机开指示”指示灯由红色变成绿色，说明设备正在开机；当远程有AI信号输入时，对应的模拟量如“一次电流”“二次电压”将实时显示现场实时的数据，供远程监控；当远程需要对设备进行启停控制时，操作终端上的“自动启停”键，设备将自动启停。

（2）报警功能。当废气治理设备工作出现异常时，设备向终端发出报警信息，报警信息将及时在终端显示出来，“故障报警”“高压报警”指示灯由绿色变成红色，并不停闪烁，见图6（左）所示。同时，如要对设备进行紧急停机，操作终端上的“故障停机”键即可。

（3）数据管理。云平台将接收到现场实时状态信息、报警信息以及运行记录等信息，并保存在服务器上。终端软件能按要求对历史数据进行统计，以曲线形式展现。例如，查询5月4日3点04分的变压器运行参数，可把时间轴拉至此时刻，可显示此时刻的一次电流为45.71 A，一次电压为180.7 V，二次电流为267.7 mA，二次电压为39.71 kV，如图7所示。

图7 终端实时应用图2

（4）事件记录。如图7左图所示，事件记录将以曲线形式绘制在窗口上面，选择某个特定时间，在窗口会显示这个特定时间的时间记录和状态。如果选择5月3日20点58分，将查询到乳化泵和风机正常运行，高压故障。通过事件记录可以查看设备运转状态和相关趋势，及时掌握设备工况。

4 结 论

GPRS在废气治理设备远程控制系统中的成功应用不仅实现了废气治理设备的监测和控制，而且为实现废气治理设备的远程故障诊断以及对废气治理设备群进行合理的调度和管理打下了良好基础。GPRS通信在废气治理设备和远程终端之间的应用大大减少了工作人员劳动强度，不但实现废气治理设备的无人监控，还实时采集数据并及时传递，为系统决策提供准确的依据。随着互联网络时代的到来，GPRS技术在远程监控系统中将会有更大的应用空间和发展前景。