通过GPRS无线方式实现天然气压缩机的物联网监控系统

随着新能源产业的发展与节能减排的需求，天然气的使用已成为未来能源的一个主要方向。天然气压缩机作为天然气应用的主要设备，其应用也随之急剧增长。由于天然气压缩机种类繁多、结构与功能复杂，其故障排查与维修也复杂。目前，主要采用人工定期检修、现场检测的方法对CNG压缩机进行事后故障排查；由于其分布广泛、数量众多，采用事后人工现场排查故障的方式，费时费力，维护成本高；且事后排查故障存在较大的滞后，给用户带来不便，造成一定的经济损失。实时监控天然气压缩机的运行状态、工况参数，及时进行修正，可以避免造成不必要的损失；根据压缩机的运行记录，提前预估其故障，也降低维护成本；记录历史运行数据与报警信息，方便分析故障、可提高设备故障诊断与维修的效率。因此，研究天然气压缩机物联网监控系统具有重大意义。近年，无线传感、物联网技术的发展和应用已成为热点，本文通过GPRS无线方式把分布广泛的压缩机连接到互联网上，研究并实现了天然气压缩机的物联网监控系统，为天然气压缩机的在线检测、安全运行、智能故障诊断提供了可靠的技术保证。

CNG压缩机物联网监控系统网络构架如图1所示。系统由设备监控网、VPN局域网、移动Net、INTERNET四大网络组成。

多台CNG压缩机组成设备监控网，各设备监控网通过其主监控器对网内的压缩机进行实时监控，把各压缩机的实时运行工况、状态参数等数据信息进行管理和控制。现场的设备监控主机以无线方式连接到移动NET中，并通过移动NET的物理链路链接到NETINTERNET上。对于现场中分布的单台压缩机则可不经过设备监控网直接经移动NET连接INTERNET.建立链接后，每一个设备监控网（或压缩机设备）在NETINTERNET上具有惟一的IP地址。远程的监控计算机根据该IP地址，通过VPN局域网与INTERNET进行数据交换，实现远程压缩机的数据访问和控制。

图1 CNG压缩机物联网系统网络构成

CNG压缩机物联网监控系统从数据与信息处理角度划分，可分为设备监控层、数据传输层、存储分析层、展示与管理层4个层级。每个层级采用对应的不同系统，组成一个完整的综合性的网络。如图2所示，各现场压缩机通过现场总线（485总线、CAN总线等），连接成设备监控网，该网络为设备监控层，负责压缩机实时工况及运行状态的监控。压缩机的监控主机实时采集网络节点中的数据，并把采集到的数据发送到GPRS模块上。数据传输层由GPRS模块、发射基站、GPRS骨干网、INTERNET、VPN局域网构成，它们之间采用TCP/IP协议进行数据的传送。在网络建立连接时，可以通过远程监控计算机主动连接设备监控网的GPRS模块，也可以通过GPRS模块主动寻找监控主机的服务器。由于GPRS模块通常是由路由自动分配IP地址，而监控主机的服务器通常具有固定IP地址，所以本文采用GPRS主动寻找监控计算机服务器的方式进行网络连接。GPRS模块上电后，首先寻找其附近的发射基站，通过它注册到GPRS骨干网上，然后通过INTERNET，连接到其设置的IP地址对应的VNP局域网的服务器上。该远程监控端的服务器接收到现场压缩机的实时数据后，运行数据库管理软件，对该数据进行存储，并运行专家系统对数据进行分析和管理，局域网内的监控计算机运行人机界面程序，对服务器的数据库进行显示、查询、修改，并根据专家系统及个人分析的结果发出控制命令，对远程压缩机进行控制。

系统硬件由CNG压缩机、控制器、现场总线、监控主机、GPRS模块、发射基站、网络链路、服务器、监控计算机组成。由于网络物理链路已存在，用户只需建立压缩机的设备监控网和监控计算机的局域网，并把它们连接到INTERNET上。在配置好相应的参数后，任一连接在INTERNET上的计算机都可以都可作为监控计算机，对远程的任意一台压缩机进行数据交换，组成了的压缩机物联网。可见，设备监控网的建立、设备监控层的联网、远程监控程序编写这三个环节为压缩机物联网监控系统的关键。对设备监控网的建立方面有较多的研究与应用，故对此不做详述。以下主要详述设备监控网的联网以及远程监控程序的编写。

图2 CNG压缩机物联网节点的数据传输

如图3所示，各个压缩机PLC实时采集现场数据：电源的电流电压、阀门的开关状态、进出气口与储罐的气体压力、进排气温度、报警信息、操作按钮、润滑状态、排污情况等；监控主机把各压缩机PLC采集的数据进行接收、整理和存储。然后把该数据传输给GPRS模块、GPRS模块采用TCP/IP或UDP协议经INTERNET发送到远程的服务器中。

图3现场设备监控网的数据收发

在监控主机内运行的程序由联网通信、数据收发和监控管理三个子程序组成。联网通信子程序负责向GPRS发送联网请求，与远程主机握手、实现设备监控网的INTERNET挂接。数据收发子程序，负责接收下位机的监控数据，存储并发送到GPRS模块端；当GPRS端传来远程控制指令时，该收发子程序接收该指令并向下位机发送指令信号，对CNG压缩机进行控制。监控管理字程序，主要负责对下位机进行管理，对实时数据分析、处理。GPRS模块内运行三个子程序：通信子程序、通信协议子程序和无线收发字程序。通信子程序负责与监控主机进行数据交换；通信协议子程序负责把来自监控主机的数据打包成TCP/IP或UDP协议格式，或把来自网络的数据包转换成现场总线协议格式，以实现数据通信；无线收发子程序负责控制无线收发芯片，把数据信号以电磁波的方式发送出去，并把接受到的电磁波转换成数据信号，进行储存。