有毒有害氣體生產(chǎn)過程的無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

皇家偉 高新明 朱玉奇

摘 要：先進(jìn)的生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng)，對于有毒有害氣體如燃?xì)膺\營的正常進(jìn)行非常重要。一個自動化程度高、功能完善的監(jiān)測系統(tǒng)，可以極大地提高生產(chǎn)過程的安全、工作效率，保證了伴有有毒有害氣體產(chǎn)生的生產(chǎn)過程能安全、可靠地運行。

關(guān)鍵詞：有毒有害;生產(chǎn)過程;無線監(jiān)測

基金項目：此文為2019年科技興趣小組項目——“有毒有害氣體生產(chǎn)過程的無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計”的研究成果。

1 前言

先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)，對于生產(chǎn)的正常進(jìn)行非常重要，尤其在生產(chǎn)過程中伴有有毒有害氣體。一個自動化程度高，功能完善的監(jiān)測系統(tǒng)可以極大地提高生產(chǎn)過程的安全，保證了工作效率，使得有毒有害氣體參與的危險生產(chǎn)過程能安全、可靠地運行。

通過現(xiàn)場監(jiān)控終端（DTU、RTU）和GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，可對各地多個加氣站、儲配站、調(diào)壓站以及計量點進(jìn)行組網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離實時集中控制管理，能夠?qū)崿F(xiàn)對管網(wǎng)壓力、流量以及環(huán)境參數(shù)、動力環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程無線實時監(jiān)測、控制、報警、故障診斷和排除的功能。監(jiān)控系統(tǒng)貼合氣站實際情況，無論其實用性、可靠性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟性等方面都有許多創(chuàng)新。調(diào)度管理中心和工作、維護(hù)人員利用“有毒有害氣體GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)”提供的遠(yuǎn)程無線監(jiān)測、控制、報警、報表、打印等功能，可實現(xiàn)對氣站的全面監(jiān)控、管理。

目前，杭州優(yōu)穩(wěn)自動化系統(tǒng)有限公司UW500系統(tǒng)在無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)項目中應(yīng)用廣泛。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 方案概述

GPRS是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心計算機主機配置固定的IP地址，各個站點的GPRS終端和計算機主機進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。

各監(jiān)測點使用GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連。各數(shù)據(jù)采集點使用移動通信公司統(tǒng)一的SIM卡，同時監(jiān)控中心對各點進(jìn)行登記，保存相關(guān)資料以便識別和維護(hù)處理。各信息采集點運行監(jiān)控系統(tǒng)軟件，支持24小時實時在線，實現(xiàn)信息采集點24小時傳送采集的信息數(shù)據(jù)。

2.2 控制方案

1）本系統(tǒng)一共包括三個分站、1個調(diào)度中心，分別在四個不同地（相距20公里以上）;

2）每個分站從第三方MOX RTU通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)口，Modubus TCP/IP協(xié)議采集數(shù)據(jù)，在其本地工作站上做數(shù)據(jù)監(jiān)視，并通過GPRS把數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送到安控中心;

3）每個分站的數(shù)據(jù)通過GPRS DTU設(shè)備，借助移動APN專網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由甲方提供），與調(diào)度中心軟件通訊，并在其上顯示三個分站的數(shù)據(jù);

4）調(diào)度中心軟件還需要負(fù)責(zé)和另外一個壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、一個流量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對接，通訊協(xié)議為Modubus TCP/IP協(xié)議，我方需要采集壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、流量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在我方軟件上進(jìn)行顯示、報表等;

5）三個分站和調(diào)度中心的數(shù)據(jù)監(jiān)視均采用UWnTek控制工程應(yīng)用軟件平臺。

2.3 軟件要求

1）中心軟件要求：（1）主管網(wǎng)圖及三個分站的實時工藝流程圖畫面，主管網(wǎng)圖應(yīng)顯示主要站點流量壓力參數(shù)，實時工藝流程圖應(yīng)顯示主要工藝設(shè)備，參數(shù)應(yīng)在圖中相應(yīng)位置實時顯示;（2）報警及事件的管理和記錄;（3）報表及打印;（4）軟件的發(fā)布。

2）分站軟件要求：（1）分站的實時工藝流程圖畫面，工藝流程圖應(yīng)顯示主要工藝設(shè)備，參數(shù)應(yīng)在圖中相應(yīng)位置實時顯示;（2）分站所有數(shù)據(jù)表顯示，并可顯示趨勢曲線圖;（3）報警及事件的管理和記錄;（4）報表及打印。

3 無線監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 UW500系統(tǒng)概述

依托浙江大學(xué)綜合性學(xué)科優(yōu)勢，吸收浙江大學(xué)控制工程實驗室、浙江大學(xué)工業(yè)自動化國家工程研究中心、浙江大學(xué)工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室、浙江大學(xué)工業(yè)控制技術(shù)研究所數(shù)十年的科研成果，結(jié)合自身長期的科研攻關(guān)與技術(shù)創(chuàng)新積累及其豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗，經(jīng)過創(chuàng)新突破、持續(xù)改進(jìn)、歷經(jīng)考核，形成了優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定、先進(jìn)實用、友好開放的新一代主控系統(tǒng)——UW500（UWinPAS500）集散控制系統(tǒng)。已廣泛應(yīng)用于化工、制藥、煉油、石化、鋼鐵、能源、建材、輕工、造紙、環(huán)保等行業(yè)。具有可靠性高、系統(tǒng)開放、功能強大、維護(hù)簡便的特點。

3.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置

本系統(tǒng)既可通過監(jiān)控中心計算機對調(diào)壓站遠(yuǎn)程控制，也可通過移動終端設(shè)備對現(xiàn)場儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，使用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，使生產(chǎn)管理人員掌握有毒有害氣體的生產(chǎn)過程的壓力、流量變化，并及時進(jìn)行處置，由于GPRS具有實時在線特性，系統(tǒng)無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)，因此可以滿足有毒有害氣體的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。

該監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由壓力變送器、GPRS DTU、Internet網(wǎng)絡(luò)和管理中心計算機組成。位于不同的調(diào)壓站現(xiàn)場，對有毒有害氣體的壓力、流量實時監(jiān)測;壓力、流量信號通過RS232接口直接連接GPRS DTU模塊實現(xiàn)無線透明傳輸，這樣現(xiàn)場壓力、流量信號通過INTENET網(wǎng)絡(luò)實時傳送到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫。在生產(chǎn)現(xiàn)場的有線儀表，如流量計、液位儀、變送器、調(diào)節(jié)閥等儀表，可通過加裝無線電流電壓轉(zhuǎn)換器，無線傳輸4-20mA電流信號及電壓信號，實現(xiàn)無線測控，實時監(jiān)測各測量點的壓力、電流等數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場的調(diào)節(jié)閥和開關(guān)輸出控制。

系統(tǒng)的軟件主要有：數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)分析模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，將獲取的壓力、流量信號，經(jīng)RS232接口發(fā)送給GPRS無線數(shù)傳模塊，通過INTNET傳送到監(jiān)控中心計算機。GPRS采用分組交換技術(shù)，可以同時占用多個無線信道，同一個無線信道又可以由多個用戶共享，從而實現(xiàn)了高速率數(shù)據(jù)傳輸。由于GPRS具有全雙工運作，間隙收發(fā)，永遠(yuǎn)在線，只在收發(fā)數(shù)據(jù)才占用系統(tǒng)資源，使得GPRS通訊模塊開機能自動附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與監(jiān)控中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)現(xiàn)場采集到的壓力、流量等數(shù)據(jù)。

整個監(jiān)控系統(tǒng)由中心上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)兩部分組成。上位機系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與處理服務(wù)器、工作站和數(shù)據(jù)庫。其中，數(shù)據(jù)采集與處理服務(wù)器主要負(fù)責(zé)與通訊前置機之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，與移動公司聯(lián)網(wǎng)獲得數(shù)據(jù);中心計算機運行后臺監(jiān)測分析軟件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集分析與報表等功能;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用來存儲和管理整個系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)庫;工作站的任務(wù)是提供—個良好的人機界面供詞度員進(jìn)行監(jiān)視和控制。下位機系統(tǒng)由DTU單元組成。整個監(jiān)控中心擁有固定的IP地址，要和每一個有毒有害氣體生產(chǎn)過程監(jiān)控的調(diào)壓站數(shù)據(jù)采集點保持實時的數(shù)據(jù)連接，GPRS模塊登陸GSM網(wǎng)絡(luò)后，自動連接到監(jiān)控中心，向監(jiān)控中心報告其IP地址，并保持和維護(hù)鏈路的連接，GPRS模塊監(jiān)測鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動重新建立鏈路，監(jiān)控中心和GPRS模塊DTU之間就可以通過IP地址用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)束語

通過對有毒有害氣體生產(chǎn)過程無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究，實現(xiàn)了對危險性較大的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集以及分析的功能，這對生產(chǎn)過程管理具有重要意義。

作者簡介

皇家偉（1999-），男，漢族，江蘇省淮安市人，本院2018級工業(yè)過程自動化專業(yè)1822班?？圃谧x，研究方向：工業(yè)過程自動化。

高新明（2000-），男，漢族，江蘇省徐州市人，本院2018級工業(yè)過程自動化專業(yè)1822班?？圃谧x，研究方向：工業(yè)過程自動化。

朱玉奇（1982-），女，漢族，江蘇省南京市人，碩士研究生，本院電氣與控制學(xué)院教師，研究方向：自動檢測與控制技術(shù)。