基于GPRS技术电除尘器高频电源智能监测系统研究

张冬练，成佳慧，陈 斐，陈 祥，武善磊，刘磊磊

(南京国电环保科技有限公司，江苏 南京 210061)

0 引言

近年来，通过“上大压小”、技术进步和加强管理等措施，全国平均供电煤耗较“十一五”初期降了10%。但另一方面，部分机组仍存在技术粗放、管理不善、能耗偏高、污染严重等问题。随着新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)的颁布实施，对除尘器的除尘效率提出更高要求。高频电源作为电除尘器主要设备，如何在满足除尘效率前提下，通过调整高频电源设置参数降低能耗是目前摆在电厂运行人员面前的主要难题。针对这种情况，开发了一套基于GPRS 技术的电除尘器高频电源智能监测系统。该系统解决了由于火电厂分布范围广阔且比较分散、地处偏远、交通不便，无法及时掌握现场设备运行情况的难题，有效指导现场人员优化设备参数，诊断运行故障，解决电除尘器粉尘排放浓度高、耗电功率高等问题。

1 系统设计概述

电除尘器高频电源智能监测系统主要功能是将高频电源设备运行数据通过CAN 总线采集到网络服务器，网络服务器一方面提供两个工业以太网通讯接口，采用Modbus TCP/IP 协议供电除尘器SCADA 系统，或者电厂SIS 系统数据访问;另一方面，通过网络服务器内置的GPRS 通讯模块，将数据远传至远程服务器，实现设备的远方监控和诊断功能。因此，主要工作有就地网络服务器和远方高频电源智能监测系统服务器两大部分开发。电除尘器高频电源智能监测平台系统方案如图1所示。

图1 电除尘器高频电源智能监测系统框架

从图1可以看出，该系统可以分成三个部分:现场设备数据服务、GPRS 数据传输和远程监控诊断服务器，其中现场设备数据服务、GPRS 数据传输这部分功能在网络服务器实现。

(1)现场设备数据服务。将位于电除尘器顶部的高频电源设备通过CAN 总线的通讯方式进入网络通讯服务器，这部分的通讯采用自定义协议，需开发网络服务器与终端设备的通信程序实现相互通讯。网络通讯服务器将采集的高频电源实时数据采用国际标准的Modbus TCP/IP 协议，通过工业以太网的方式供电除尘器SCADA 系统、火电厂SIS 系统数据访问，并实现双网冗余。

(2)GPRS 数据传输。在网络服务器内嵌GPRS 模块与远方进行数据交互。本设计采用的是双向通信，采用C/S 架构，远程服务器端和GPRS 建立连接后，根据服务器的请求，网络服务器返回数据，通过GPRS 模块远传，最终实现设备的远程监控和诊断。

(3)远程监控诊断服务器。一方面与分布全国各地的网络服务器建立GPRS 通讯，实现数据传输。另一方面，利用数据库技术，将大量的数据进行存储，提供人机界面实现工程师在线监控和远程诊断。

2 网络服务器开发

2.1 硬件总体结构

本系统的硬件平台主要由以下几个部分组成:核心部件微处理器、存储器单元、以太网通讯单元、GPRS 模块、CAN 总线单元、数字量模拟量采集单元以及JTAG 接口、USB、LED 显示等。

2.2 GPRS 模式设计

GPRS 是一种基于GSM 系统的面向用户提供移动分组的IP 或者X.25 连接的无线分组交换技术［2］。本系统采用SIEMENS 公司GSM/GPRS 引擎MC52i 无线模块，具有尺寸小、功耗低，永久在线连接、数据存储快等优点。

2.3 嵌入式系统的选择

目前嵌入式操作系统主要有实时嵌入式操作系统uC/OS－Ⅱ、Linux 嵌入式操作系统、VxWorks 嵌入式操作系统等。Linux 系统兼容性强，再加上良好的可移植性，目前已经成功地在数百种硬件平台上运行［3－4］，基于上述优点，网络服务器的嵌入式系统平台选用Linux。

3 网络服务器程序开发

3.1 事务调度处理

本网络服务器采用模块化编程方法，事务调度处理负责整个应用程序不同线程的调度工作，保证事务响应的实时性。按照功能指标进行划分，我们建立了CAN 总线通讯处理、IO 数据处理、以太网通讯处理和GPRS 通讯处理4 个线程，这4 个线程的控制由事务处理模块进行调度。

3.2 CAN 总线通讯处理

在本设计中，四个CAN 总线都被当作是一个字符设备，访问具体的端口编程与读/写文件的操作类似［5］，只需打开相应的设备文件即可操作。

3.3 I/O 数据处理

主要是网络服务器扩展量采集部分，包括AI、DI、DO 口的数据处理。

3.4 以太网通讯处理

为了满足电厂需求，网络服务器通讯选用Modbus TCP/IP 通讯协议。Modbus TCP/IP 中Modbus应用协议的数据传输使用的是传输控制协议(TCP)。参数和数据传送方法是在TCP 报文的用户数据容器中嵌入已经封装的数据包。另外在Modbus TCP/IP 中地址和校验也由底层的TCP 协议来完成。由于传输层以上采用C/S 结构，遵循Modbus 协议，在数据传输前需要在客户端和服务器之间建立一个TCP/IP 连接。服务器使用端口502 作为Modbus TCP/IP 连接的端口。

3.5 GPRS 通讯处理

在GPRS 接入网络实际通信过程中，数据处理非常复杂，与传统网络类似，设计需要进行分层考虑。针对本系统实际情况，借鉴PC 机网络通信的OSI 七层标准，但是系统只需完成下图中的四层协议即可实现，复杂的网络结构在本系统设计中没有任何意义，根据系统需要，简化的网络分层结构如图2所示。

图2 简化网络分层结构

GPRS 数据传输具体的实现需要经过以下两个步骤:首先需要获取IP 地址，在使用中发现，IP 地址是不固定的，每次重新建立连接时，GPRS 模块都会重新经过PPP 协议获得新的IP 地址，重新接入到Internet 网络中;数据传输之前都需要经过双层协议封装，TCP/IP 和PPP 协议都会对传输的数据进行封装打包，处理过后的数据再由RS232 串口发送给GPRS 模块［6－9］。

4 远程服务器开发及应用实例

网络服务器通过GPRS 模块，将现场实时数据接入Internet 进行数据通信，公司监控诊断服务器将分布于全国各个地方电厂的高频电源运行数据进行汇总，并通过数据库进行存储。专家系统根据高频电源设备参数，电除尘器运行参数，给电厂运行人员提供技术指导。故障诊断模块根据设备故障的机理，在线为现场设备进行诊断，并实现故障预报功能，消除故障隐患。

服务器端采用OPC(OLE for Process Control，用于过程控制的OLE)通讯。OPC 服务器是一个程序，它提供给不同制造商的应用程序一个标准的软件接口，是在处理过程数据的应用程序、各种网络协议和用于访问这些数据的接口之间的中间层［10］。OPC 服务器端事件处理流程见图3。

图3 OPC 服务器端事件处理流程

由于现场采用的是标准通信协议Modbus，远程通过OPC 服务器进行底层数据采集，通过在SCADA 组态配置不同的驱动，现场采用的是MBE 驱动，远程采用OPC 驱动，通过不同的数据库地址实现数据的传输显示，避免二次开发，减轻工作量。

辅机控制系统类型各异，接口数量众多，因此采用OPC 和工业以太网技术是实现发电厂辅助车间集中监控的关键技术之一。同时，必须选择一个可靠、开放的、具有二次开发能力的控制系统平台，用于开发与各种控制系统接口程序也是关键之一。该系统已在华能南京电厂应用。

5 结语

基于GPRS 技术高频电源智能监测系统的开发，提供Modbus 以太网通讯方式，解决了电厂不同监控软件通讯接入问题，利用GPRS 通讯，将现场设备参数传至远方服务器，实现了就地设备在远方监控和诊断的功能，给电厂提供运行技术支持和设备故障的及时排除得到充分的应用。后续的开发过程中，提高网络服务器运行的可靠性、GPRS 通讯的稳定性和远程监控诊断服务器的高频电源数据挖掘是研究的重点。

［1］Poksa，M Soini，L Sydanheimo，M Kivikoski.Considerations of Using Power Line Communication in the AMR System［C］.Power Line Communications and Its Applications，IEEE International Symposiumon.Orlando F L:2006.

［2］Isaksson L ，Chevul S，Fiedler M ，et al.Application－Perceived Throughput Process in Wireless System System Communications Proceeding ［C］.2005 Systems Communications.Montreal，Canada:2005.

［3］赖于树，梁 丁，熊 建，等.ARM 微处理器与应用开发［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［4］华清远见.嵌入式Linux 应用程序开发［M］.北京:人民邮电出版社，2006.

［5］王真真.基于GPRS 嵌入式数据传输系统的研究与开发［D］.杭州:浙江大学，2008.

［6］韩斌杰.GPRS 原理及其网络优化［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［7］王胤文，侯民贤.基于ARM 和GPRS 的油井远程监控系统设计［D］.杭州:浙江大学，2010.

［8］张成伟.基于嵌入式Linux 的GSM/GPRS 无线通信模块的设计与实现［D］.武汉:华中科技大学.

［9］卫 革.基于GPRS 的远程无线数据采集系统设计［D］.北京:北方工业大学，2010.

［10］陶 峥，陈曾汉.基于OPC 及工业以太网的iFIX 与PLC 的通信［J］.计算机工程与设计，2009，(8):2064－2066.