隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與節(jié)能減排的需求，天然氣的使用已成為未來能源的一個主要方向。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。由于天然氣壓縮機種類繁多、結(jié)構(gòu)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(xiàn)場檢測的方法對CNG壓縮機進行事后故障排查;由于其分布廣泛、數(shù)量眾多，采用事后人工現(xiàn)場排查故障的方式，費時費力，維護成本高;且事后排查故障存在較大的滯后，給用戶帶來不便，造成一定的經(jīng)濟損失。實時監(jiān)控天然氣壓縮機的運行狀態(tài)、工況參數(shù)，及時進行修正，可以避免造成不必要的損失;根據(jù)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(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)具有重大意義。近年，無線傳感、物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和應用已成為熱點，本文通過GPRS無線方式把分布廣泛的壓縮機連接到互聯(lián)網(wǎng)上，研究并實現(xiàn)了天然氣壓縮機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，為天然氣壓縮機的在線檢測、安全運行、智能故障診斷提供了可靠的技術保證。

1、系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)

CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)架如圖1所示。系統(tǒng)由設備監(jiān)控網(wǎng)、VPN局域網(wǎng)、移動Net、INTERNET四大網(wǎng)絡組成。

多臺CNG壓縮機組成設備監(jiān)控網(wǎng)，各設備監(jiān)控網(wǎng)通過其主監(jiān)控器對網(wǎng)內(nèi)的壓縮機進行實時監(jiān)控，把各壓縮機的實時運行工況、狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)信息進行管理和控制。現(xiàn)場的設備監(jiān)控主機以無線方式連接到移動NET中，并通過移動NET的物理鏈路鏈接到NETINTERNET上。對于現(xiàn)場中分布的單臺壓縮機則可不經(jīng)過設備監(jiān)控網(wǎng)直接經(jīng)移動NET連接INTERNET.建立鏈接后，每一個設備監(jiān)控網(wǎng)（或壓縮機設備）在NETINTERNET上具有惟一的IP地址。遠程的監(jiān)控計算機根據(jù)該IP地址，通過VPN局域網(wǎng)與INTERNET進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)遠程壓縮機的數(shù)據(jù)訪問和控制。

圖1 CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)成

CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)從數(shù)據(jù)與信息處理角度劃分，可分為設備監(jiān)控層、數(shù)據(jù)傳輸層、存儲分析層、展示與管理層4個層級。每個層級采用對應的不同系統(tǒng)，組成一個完整的綜合性的網(wǎng)絡。如圖2所示，各現(xiàn)場壓縮機通過現(xiàn)場總線（485總線、CAN總線等），連接成設備監(jiān)控網(wǎng)，該網(wǎng)絡為設備監(jiān)控層，負責壓縮機實時工況及運行狀態(tài)的監(jiān)控。壓縮機的監(jiān)控主機實時采集網(wǎng)絡節(jié)點中的數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊上。數(shù)據(jù)傳輸層由GPRS模塊、發(fā)射基站、GPRS骨干網(wǎng)、INTERNET、VPN局域網(wǎng)構(gòu)成，它們之間采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳送。在網(wǎng)絡建立連接時，可以通過遠程監(jiān)控計算機主動連接設備監(jiān)控網(wǎng)的GPRS模塊，也可以通過GPRS模塊主動尋找監(jiān)控主機的服務器。由于GPRS模塊通常是由路由自動分配IP地址，而監(jiān)控主機的服務器通常具有固定IP地址，所以本文采用GPRS主動尋找監(jiān)控計算機服務器的方式進行網(wǎng)絡連接。GPRS模塊上電后，首先尋找其附近的發(fā)射基站，通過它注冊到GPRS骨干網(wǎng)上，然后通過INTERNET，連接到其設置的IP地址對應的VNP局域網(wǎng)的服務器上。該遠程監(jiān)控端的服務器接收到現(xiàn)場壓縮機的實時數(shù)據(jù)后，運行數(shù)據(jù)庫管理軟件，對該數(shù)據(jù)進行存儲，并運行專家系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析和管理，局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控計算機運行人機界面程序，對服務器的數(shù)據(jù)庫進行顯示、查詢、修改，并根據(jù)專家系統(tǒng)及個人分析的結(jié)果發(fā)出控制命令，對遠程壓縮機進行控制。

2、設備監(jiān)控層聯(lián)網(wǎng)

系統(tǒng)硬件由CNG壓縮機、控制器、現(xiàn)場總線、監(jiān)控主機、GPRS模塊、發(fā)射基站、網(wǎng)絡鏈路、服務器、監(jiān)控計算機組成。由于網(wǎng)絡物理鏈路已存在，用戶只需建立壓縮機的設備監(jiān)控網(wǎng)和監(jiān)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(shù)后，任一連接在INTERNET上的計算機都可以都可作為監(jiān)控計算機，對遠程的任意一臺壓縮機進行數(shù)據(jù)交換，組成了的壓縮機物聯(lián)網(wǎng)。可見，設備監(jiān)控網(wǎng)的建立、設備監(jiān)控層的聯(lián)網(wǎng)、遠程監(jiān)控程序編寫這三個環(huán)節(jié)為壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵。對設備監(jiān)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(jiān)控網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)以及遠程監(jiān)控程序的編寫。

圖2 CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸

如圖3所示，各個壓縮機PLC實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)：電源的電流電壓、閥門的開關狀態(tài)、進出氣口與儲罐的氣體壓力、進排氣溫度、報警信息、操作按鈕、潤滑狀態(tài)、排污情況等;監(jiān)控主機把各壓縮機PLC采集的數(shù)據(jù)進行接收、整理和存儲。然后把該數(shù)據(jù)傳輸給GPRS模塊、GPRS模塊采用TCP/IP或UDP協(xié)議經(jīng)INTERNET發(fā)送到遠程的服務器中。

圖3現(xiàn)場設備監(jiān)控網(wǎng)的數(shù)據(jù)收發(fā)

在監(jiān)控主機內(nèi)運行的程序由聯(lián)網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)收發(fā)和監(jiān)控管理三個子程序組成。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、實現(xiàn)設備監(jiān)控網(wǎng)的INTERNET掛接。數(shù)據(jù)收發(fā)子程序，負責接收下位機的監(jiān)控數(shù)據(jù)，存儲并發(fā)送到GPRS模塊端;當GPRS端傳來遠程控制指令時，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壓縮機進行控制。監(jiān)控管理字程序，主要負責對下位機進行管理，對實時數(shù)據(jù)分析、處理。GPRS模塊內(nèi)運行三個子程序：通信子程序、通信協(xié)議子程序和無線收發(fā)字程序。通信子程序負責與監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)交換;通信協(xié)議子程序負責把來自監(jiān)控主機的數(shù)據(jù)打包成TCP/IP或UDP協(xié)議格式，或把來自網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場總線協(xié)議格式，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信;無線收發(fā)子程序負責控制無線收發(fā)芯片，把數(shù)據(jù)信號以電磁波的方式發(fā)送出去，并把接受到的電磁波轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號，進行儲存。

面程序，對服務器的數(shù)據(jù)庫進行顯示、查詢、修改，并根據(jù)專家系統(tǒng)及個人分析的結(jié)果發(fā)出控制命令，對遠程壓縮機進行控制。

3、監(jiān)控界面設計

CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)關鍵在于壓縮機的設備監(jiān)控網(wǎng)的建立和聯(lián)網(wǎng)、遠程監(jiān)控界面的開發(fā)。CNG壓縮機物聯(lián)網(wǎng)的遠程監(jiān)控程序，由壓縮機工藝圖、壓縮機狀態(tài)監(jiān)控、壓縮機地圖監(jiān)控、實時趨勢曲線、報警閥值設置、歷史趨勢曲線等程序模塊組成。

圖4壓縮機物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)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(jiān)控主要負責壓縮機的運行狀態(tài)、運行參數(shù)的實時監(jiān)控;壓縮機地圖監(jiān)控主要實現(xiàn)壓縮機GPS位置定標功能;參數(shù)報表主要實現(xiàn)系統(tǒng)關鍵參數(shù)的記錄、存儲、報表自動生成功能，可供用戶查詢，打印;報警閥值設置部分主要負責系統(tǒng)報警參數(shù)設置、連鎖啟/閉功能設置;實時趨勢曲線實時顯示系統(tǒng)壓力、溫度等狀態(tài)曲線;歷史趨勢曲線實現(xiàn)系統(tǒng)過去較長一段時間內(nèi)的狀態(tài)曲線數(shù)據(jù)記錄;報警記錄查詢部分實時記錄、存儲報警信號，方便故障排查。

為降低研發(fā)成本，減少系統(tǒng)開發(fā)周期，監(jiān)控程序各部分功能采用組態(tài)軟件Kingview 6.53進行開發(fā)。所開發(fā)的壓縮機系統(tǒng)工藝的監(jiān)控界面及地圖監(jiān)控界面分別如圖5和圖6所示。

壓縮機監(jiān)控界面，通過Kingview軟件以畫圖及組態(tài)方式實現(xiàn)，其工藝參數(shù)通過在軟件的數(shù)據(jù)詞典中建立變量，然后連接變量到設備地址上實現(xiàn)。

監(jiān)控界面開發(fā)完成后，根據(jù)壓縮機控制器的實際情況，配置建立相應的變量字典，在監(jiān)控界面中進行相應的動畫鏈接配置，編寫相應的運行腳本程序，然后通過Kingview的Web發(fā)布功能，實現(xiàn)整個遠程監(jiān)控端程序的開發(fā)。采用組態(tài)軟件Kingview設計監(jiān)控系統(tǒng)大大縮短系統(tǒng)監(jiān)控界面的開發(fā)周期，降低系統(tǒng)實現(xiàn)的研發(fā)成本，同時也確保系統(tǒng)運行的可靠性。

圖5 CNG壓縮機工藝監(jiān)控界面

圖6壓縮機地圖監(jiān)控界面

4、系統(tǒng)配置與應用

在監(jiān)控界面開發(fā)完畢，GPRS模塊安裝完畢后，須進行GPRS模塊配置、服務器配置、監(jiān)控軟件驅(qū)動配置工作。

（1）配置GPRS模塊

GPRS模塊選用DTU，其配置是否正確是決定系統(tǒng)連接是否成功的關鍵。在DTU的配置參數(shù)中，主要配置的參數(shù)有四個：模塊的ID號為一個小于32位的數(shù)，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器中不能被占用。

（2）配置服務器

首先，把遠程服務器連接到INTERNET上，查詢其IP地址是否與GPRS模塊端的IP地址一致。接著，運用TCP/IP端口配置工具，在服務器上開放一個端口作為與設備監(jiān)控網(wǎng)GPRS通信的專用端口。如監(jiān)控計算機為局域網(wǎng)內(nèi)監(jiān)控計算機，需進行端口映射操作，把服務器上用來與GPRS通信的專用端口映射到裝有監(jiān)控軟件的計算機上。

（3）監(jiān)控軟件驅(qū)動配置

在服務器中安裝Kingview 6.53中，根據(jù)壓縮機控制器（PLC）選取相應的驅(qū)動程序，采用GPRS虛擬串口進行驅(qū)動配置，接著進行程序的Web發(fā)布，并運行監(jiān)控軟件。在INTERNET上的監(jiān)控計算機通過瀏覽器訪問該服務器，實現(xiàn)壓縮機狀態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

由于Kingview 6.53組態(tài)軟件具有豐富的圖形庫、設備驅(qū)動、通信接口等，監(jiān)控界面程序的開發(fā)只需進行界面繪制、組態(tài)配置和少量的腳本代碼編寫工作，用戶無需開發(fā)通信驅(qū)動，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的可靠性。安裝一個Kingview 6.53軟件最多可以同時加載128臺DTU，也就是最多可以同時把128個現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)或壓縮機連接到互聯(lián)網(wǎng)上形成一個小型的壓縮機物聯(lián)網(wǎng)。當壓縮機臺數(shù)多于128臺，可以采取增加服務器或采用虛擬服務器方式擴展。本文所設計壓縮機物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控上，應用表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

5、結(jié)語

本文研究了天然氣壓縮機物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)，分析了監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡層次與數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面程序，采用DTU實現(xiàn)了CNG壓縮機的物聯(lián)網(wǎng)與遠程監(jiān)控。實際應用表明該系統(tǒng)具有成本低、容易實現(xiàn)、運行可靠的特點。

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