天然氣流量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫揚(yáng)智 肖世德 孟祥印 徐鑫凱

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

在日常生活和生產(chǎn)過程中，對(duì)天然氣流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控有利于了解天然氣在各個(gè)時(shí)段的使用量分布情況，并有助于天然氣管理部門對(duì)其整體調(diào)控和使用情況進(jìn)行有效管理。傳統(tǒng)的天然氣流量監(jiān)控以人工記錄流量表數(shù)據(jù)為主，輔以簡(jiǎn)單的電氣控制，但面對(duì)天然氣使用量需求的日益增長(zhǎng)，人工監(jiān)控成本很高，且無法實(shí)現(xiàn)流量的遠(yuǎn)程調(diào)控和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中管理[1]。為了對(duì)天然氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能管理，可利用無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收發(fā)，同時(shí)保障上位機(jī)與下位機(jī)的信息交流[2]。筆者設(shè)計(jì)了基于STM32 F103 RBT6、LabVIEW和Modbus通信協(xié)議的天然氣流量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)①

筆者設(shè)計(jì)的天然氣流量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要分為4個(gè)部分：STM32 F103 RBT6數(shù)據(jù)采集、宏電H7710數(shù)據(jù)發(fā)送、GPRS數(shù)據(jù)傳輸和LabVIEW數(shù)據(jù)顯示(圖1)。天然氣流量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)組成。寫有Modbus從站程序的下位機(jī)STM32 F103 RBT6芯片通過Sonix2000超聲波流量計(jì)收集脈沖，將數(shù)據(jù)送到DTU串口，由GPRS公共無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。作為上位機(jī)的LabVIEW顯示平臺(tái)基于Modbus協(xié)議函數(shù)從以太網(wǎng)讀取數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控情況。上位機(jī)在實(shí)時(shí)監(jiān)控天然氣流量和溫度的同時(shí)，也對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和整理，使監(jiān)控系統(tǒng)更合理、完備、高效。

圖1 天然氣流量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

2 硬件設(shè)計(jì)

天然氣流量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分主要由Sonix2000超聲波流量計(jì)、STM32、宏電H7710、開關(guān)電源(備用)、宏電串口轉(zhuǎn)發(fā)工具及報(bào)警器等組成(圖2)，可以實(shí)現(xiàn)天然氣流量脈沖數(shù)據(jù)的采集和收發(fā)。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

宏電H7710利用GPRS/CDMA 1x網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的透明傳輸，同時(shí)考慮到各應(yīng)用部門組網(wǎng)的需要，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上采用虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)，特別適用于中心對(duì)多點(diǎn)、點(diǎn)多分散的中小數(shù)據(jù)量傳輸。宏電H7710具備RS-232/422/485或TTL電平接口，高性能、工業(yè)級(jí)、外置式，適用于惡劣環(huán)境中的各種工業(yè)監(jiān)控、交通管理及氣象預(yù)報(bào)等場(chǎng)合。

STM32系列是為基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。在本設(shè)計(jì)中，芯片通過Modbus RTU通信協(xié)議從流量計(jì)中讀取脈沖數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Holding Registers里，上位機(jī)只需從Holding Registers里有效地讀取數(shù)據(jù)。芯片的參數(shù)設(shè)置為：波特率57 600Bd，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無校驗(yàn)位。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 LabVIEW顯示界面

LabVIEW是由美國(guó)NI 公司推出的一種通用虛擬儀器開發(fā)軟件，它包含了豐富的功能函數(shù)庫和完備的總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，基于圖形(Graphics)的編程方式是其最大的特點(diǎn)。LabVIEW采用了框圖而非傳統(tǒng)文本方式的編程方法，它集成了GPIB、VXI、RS-232、RS-485 協(xié)議的硬件和數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能[3,4]。

LabVIEW由前面板和程序框圖兩個(gè)主要部分構(gòu)成，前面板是面向用戶的顯示界面和應(yīng)用平臺(tái)，便于用戶的直接操作和閱讀(圖3)；而程序框圖是編寫程序的后臺(tái)，它保障了前面板功能的實(shí)現(xiàn)，其中，程序設(shè)計(jì)是程序框圖的主要構(gòu)成，是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)通信的核心。

圖3 LabVIEW的前面板顯示

3.2 Modbus函數(shù)

NI Modbus函數(shù)庫是NI公司設(shè)計(jì)的專門針對(duì)Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮瘮?shù)庫，它是LabVIEW平臺(tái)控制串口及其他儀器的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口(API)[5]。其中，本系統(tǒng)中上位機(jī)程序主要運(yùn)用到了Modbus串口初始化函數(shù)(MB Serial Init.vi)和Modbus串行主查詢讀取Holding Registers函數(shù)(MB Serial Master Query Read Holding Registers (poly).vi)。

MB Serial Init.vi函數(shù)如圖4所示，該函數(shù)初始化被VISA資源名所定義的串口，通過VISA資源名(VISA resource name)輸入通道連接串口獲取資源。Mode是用來選擇所使用的Modbus類型，在本系統(tǒng)中筆者采用RTU方式。

圖4 Modbus串口初始化函數(shù)

為了與下位機(jī)保持一致，便于成功收發(fā)數(shù)據(jù)，MB Serial Init.vi參數(shù)設(shè)置如下：

波特率(Baud Rate) 57 600Bd

奇偶檢驗(yàn)(Parity) None

流量控制(Flow Control) None

超時(shí)(Timeout) 10 000

MB Serial Master Query Read Holding Registers(poly).vi函數(shù)如圖5所示。主站使用MB Serial Master Query Read Holding Registers函數(shù)來讀取從站Holding Register里的資源和數(shù)據(jù)。串口參數(shù)(Serial Parameters)設(shè)置成RTU mode；Quantity是指從從站中讀取的Holding Register數(shù)目，這里設(shè)置成8；起始地址(Starting Address)為0，其余參數(shù)都是默認(rèn)值。

圖5 Modbus串行主查詢讀取 Holding Registers函數(shù)

3.3 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

3.3.1收集與顯示數(shù)據(jù)

基于Modbus通信協(xié)議的LabVIEW上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和顯示的過程如下(圖6)：

a. 運(yùn)用MB Serial Init.vi函數(shù)初始化串口，通過VISA資源名節(jié)點(diǎn)設(shè)置并連接用戶需要設(shè)定的串口，再按照下位機(jī)的要求設(shè)置串口初始化函數(shù)的各項(xiàng)參數(shù)；

b. 連接MB Serial Master Query Read Holding Registers (poly).vi函數(shù)，從Holding Registers里讀取數(shù)據(jù)；

c. 把讀取的數(shù)據(jù)以浮點(diǎn)數(shù)的形式顯示出來，并繪制成波形圖表呈現(xiàn)于前面板，用while循環(huán)不斷讀取數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示；

d. 增加復(fù)位的條件語句，當(dāng)用戶需要復(fù)位時(shí)，系統(tǒng)程序可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位清零；

e. 用VISA關(guān)閉函數(shù)來關(guān)閉VISA資源，清空內(nèi)存，結(jié)束程序，退出系統(tǒng)。

圖6 LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和顯示的程序流程

3.3.2保存和記錄數(shù)據(jù)

TDMS(Technical Data Management Streaming)文件是NI主推的一種二進(jìn)制記錄文件，它兼顧了高速、易存取及方便等多種優(yōu)勢(shì)，能夠在NI的各種數(shù)據(jù)分析或挖掘軟件之間進(jìn)行無縫交互，也能夠提供一系列API函數(shù)供其他應(yīng)用程序調(diào)用。TDMS文件的邏輯結(jié)構(gòu)分為文件(File)、通道組(Channel Groups)和通道(Channels)，每一個(gè)層次都可以附加特定的屬性[6]，它是保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)常使用的函數(shù)。歷史記錄可以更方便地對(duì)天然氣流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存和記錄的過程為：

a. 用TDMS Open函數(shù)打開或新建保存文件，在程序中設(shè)置文件路徑和操作方式(open or create)；

b. 連接TDMS Write函數(shù)，向文件中寫入數(shù)據(jù)，設(shè)置組名輸入和通道名輸入，保存實(shí)驗(yàn)時(shí)間和測(cè)得的數(shù)據(jù)，加上while循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)寫入操作；

c. 用TDMS關(guān)閉函數(shù)關(guān)閉資源，完成數(shù)據(jù)的保存和記錄；

d. 當(dāng)用戶需查看歷史記錄時(shí)，點(diǎn)擊前面板歷史記錄按鈕，TDMS查看器即可查看已保存的歷史記錄。

3.3.3登錄界面

登錄界面實(shí)現(xiàn)用戶登錄、系統(tǒng)退出及系統(tǒng)注銷等功能。只有正確登錄后才能進(jìn)入系統(tǒng)，而且不同的用戶組(如管理員組和用戶組)進(jìn)入系統(tǒng)后擁有不同的操作權(quán)限。登錄界面的程序框圖如圖7所示。

圖7 登錄界面程序框圖

4 結(jié)束語

天然氣流量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在LabVIEW上位機(jī)平臺(tái)上成功監(jiān)測(cè)到了遠(yuǎn)程地區(qū)的天然氣流量分布情況。利用先進(jìn)的NI虛擬儀器技術(shù)、GPRS無線傳輸方式和 Modbus 通信協(xié)議，提高了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，避免了操作人員現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)帶來的問題。在實(shí)際運(yùn)行中，LabVIEW人機(jī)界面交互性能良好，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行可靠，進(jìn)一步提高了天然氣流量遠(yuǎn)程監(jiān)控的高效性。

[1] 唐波，孟祥印，唐磊. 基于PLC與WinCC的天然氣調(diào)壓站監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 化工自動(dòng)化及儀表，2013，40(10)：1281～1284.

[2] 杜向黨，鞏靜靜，趙喜鋒，等. 基于GPRS 和LabVIEW 的山區(qū)水廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 測(cè)控技術(shù)，2012，31(2)：64～67.

[3] 朱偉偉，李菊芳，梁美玉，等. 基于 LabVIEW 與 Modbus 通信協(xié)議的煤礦通風(fēng)機(jī)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 礦山機(jī)械，2010，38(15)：37～39.

[4] 郭會(huì)軍，張建豐，王志林，等.基于 LabVIEW 和ARM 處理器的大型稱重式蒸滲儀測(cè)控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(16)：134～141.

[5] 謝啟，顧啟民，涂水林，等.基于LabVIEW的Modbus RTU 通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)[J]. 煤礦機(jī)械，2006，27(12)：95～97.

[6] 沈文軒，黃新輝，黃志堅(jiān). 基于Modbus 協(xié)議的LabVIEW 在溢流閥測(cè)試中的應(yīng)用[J]. 機(jī)床與液壓，2013，41(19)：93～96.