基于物联网及WebGIS技术的特种设备监控系统的研究

李路华 刘超

【摘要】    近年来，随着互联网及信息化技术的不断发展，物联网技术与计算机信息技术相结合的应用越来越多，并成为设备远程监测技术的重要支撑。本文提出了基于物联网及WebGIS技术的特种设备远程监控系统的研究方法，在了解现场实际需求基础上，选用 4G 网络作为设备监测过程中数据传输通道，选用百度地图API 作为WEBGIS的客户端开发工具。在网络传输设备中，拥有高性能处理器及功能丰富的USR-G781 DTU 作为网络设备的收发器，实现数据采集装置与监控中心的远程连接。利用 Modbus RTU 通信协议完成现场 PLC 与从站之间的通信以及 TCP/IP协议完成数据的网络传输，选用基于ASP.NET MVC三层架构、JQuery EasyUI前端技术开发系统，利用 sqlserver 2008数据库存储、管理监测数据。

【关键词】    WEBGIS    物联网技术    远程监控    数据传输

一、背景

重要承压类特种设备，如压力容器和锅炉，在制造、电力、生产等行业应用比较广泛，对国家的民生及经济发展发挥着不可替代的重要作用。特种设备作为在生产中的重要环节，如何将承压类设备仪表中数据通过计算机及通讯技术，进行数据采集、处理、传输等操作，从而高效可靠的监测着设备的现场运行状态，保障其安全稳定运行，避免安全事故和降低生产成本，是本课题的研究目的[1]。

二、监控系统的总体结构

2.1远程监控系统的总体框架设计

本系统由采集控制终端、无线通讯系统、后台监控中心管理平台、WEBGIS（地理信息系统）等部分构成。采集传感器安装在特种设备如锅炉和压力容器上，实时监控设备中温度、压力和液面等信息，并记录收集数据。后台监控中心与采集控制终端通过4G DTU设备以4G无线通讯的方式实现双向通信。

后台监控中心管理平台统采用B/S架构，使用asp.net开发，将采集到的数据实时发送到管理平台，平台进行储存、解析和管理，并通过可视化地理信息界面将信息呈现给监控人员。

从系统结构图中可以得出，现场控制层主要有传感器（温度、压力等）、PLC 控制站和 数据传输单元DTU。首先 PLC 负责对现场温度、压力等检测传感器等模拟量进行采集，通过ModBus 协议4G DTU 网络设备进行通信，然后将采集到的数据通过无线的方式传送回后台中心，此时后台监控中心通过Internet 网，接收现场传过来的数据。通过协议的配置将数据传输单元（DTU）与监控中心进行通信搭建，监控平台通过4G无线网络将从现场传输过来的实时数据进行分析、处理和保存，通过之前预设的警戒值进行比较来判断现场特种设备运转情况是否正常稳定。4G 无线通信凭借通信质量高、通信速度快、覆盖面积广等优点，广泛应用于有线部署难度较大的监控领域[2]。

三、监控系统的硬件设计

承压类特种设备远程监控系统主要由硬件、软件、通信三部分组成。硬件主要是现场采集控制设备主要由传感器、控制器及4G网络设备组成。它们是远程监控系统的基础，它们是否能够正常运转直接影响到系统整体功能的顺利实现。

软件部分的主要任务是接收现场数据并存入数据库、在WEBGIS上显示实时数据以及通信的建立。本节主要从传感器、PLC控制器以及4G无线数据传输终端的选型这几方面展开，具体阐述系统方案的硬件设计。

3.1传感器选择

压力传感器采用普量 PT500-500系列， 该系列压力变送器为进口感压芯片，先进的贴片工艺，全封焊结构、抗冲击、耐疲劳、可靠性高， 介质温度可达500度。

PT100温度传感器是用铂电阻PT100元件封装的温度传感器，根据使用环境的温度范围、安装方式不同用不同材料封装成可以直接用在现场测温的传感器。

3.2 PLC 的选型

本论文设计中在对压力容器现场控制器的选型上，以先进、可靠、经济、合理为前提，保证对控制对象进行实时控制以及系统长期稳定高效地运行最终决定选用德国西门子公司生产的CPU-1200系列 PLC 作为控制器，选用 CPU-1214 作为主控制器。

S7-1200 可编程逻辑控制器 （PLC， Programmable Logic Controller） 提供了控制各种设备以满足您自动化需要的灵活性和强大功能。 S7-1200 设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案。[3]。

3.3物联网终端设备选型

系统通讯方案设计采用了4G网络，且要满足通信模块能够与西门子 S7-1200 进行通讯，结合4G网络传输的协议、以及物联网设备的可扩展性，并保证成本可控，本文拟选用 USR-G781 DTU 作为 物联网终端设备。其硬件部分主要由 CPU 控制模块和 4G 无线通信模块以及电源模块构成。

四、监控系统的通讯设计

远程监控系统起到桥梁作用的就是通信部分，实现现场数据采集设备和组态系统之间的数据交换。本章所研究的基于 4G 无线通信技术的数据传输过程，利用 Modbus RTU 和 TCP/IP 协议完成了相关技術和程序设计，并实现了现场数据传输和网络数据传输这两大部分的通信问题。

4.1“监控中心与USR-G781 DTU的通信设计”

USR-G781 DTU 与监控中心服务器进行通信时，必须在DTU 中设置服务器地址或是域名，这样才能将数据准确的发送至监控中心，实现二者无线数据交互[4][5]。相反，控制指令将从监控平台发出，借助4G无线网络发送至DTU，指令被接收后进行加工封装处理，最终发送至PLC控制器，由执行器完成任务。

4.2服务器 WinSock通信软件设计

监控中心基于 4G 网络采用 TCP 协议以 socket 的方式收发 IP 数据包，实现与监控终端的信息交互。所以数据通信模块的软件设计采用 Winsock 控件实现socket 的连接。本系统主要采用面向连接的 socket 方式。

以客户端/服务器模式建立 TCP/IP 通信基于两点：一是非对等作用，二是异步通信。使用TCP 协议的 socket通信程序包括服务程序和客户程序[6]，本系统数据通讯模块，具体实现：通过获取本地IP 和端口号启动监听机制，当有监控终端发来的请求时，通过 socket 建立 TCP连接，从而实现对数据的进一步处理，并可以发送控制命令。

当有一方断开连接，则软件释放所有缓存及 Winsock 控件，结束通信。

五、监控系统的软件设计

5.1 Web页面设计

系统的Web端开发使用ASP.NET+MVC+EF的架构，结合百度地图JavaScript API来进行开发。前端选择使用的JavaScript框架为 jQuery EasyUI，EasyUI能够快速开发出功能丰富并且美观的UI界面，减少开发周期。Web系统平台主要包括地理信息系统（GIS）、实时数据等功能。

对于数据的显示，搭建了WEBGIS的显示方式，将采集到的数据进行JSON格式化，通过百度地图API显示在百度地图上;另外当超出设定的警戒值时将会弹出报警窗口。

六、总结

文章综合运用4G无线通信技术、地理信息技术，软件工程技术等技术，提出了远程设备监控系统的整体构建方案;建立了借助云平台的数据传输平台实验，完成现场传感器发送数据及远程电脑端接收数据的传输实验，验证了通讯方案的可行性，通过使用百度地图API及ASP.NET编程技术将采集到的数据展示在地图上，实现了基于地理信息的动态数据显示功能。

参  考  文  献

[1]徐真. 基于GPRS及GIS技术的重要承压类特种设备远程监控系统的设计与实现[D].山东大学，2008

[2]崔心惠.基于4G网络的污水处理远程监控系统研究与应用 [D]. 安徽工业大学， 2018

[3]王浩. PL在化工废水处理厂自动控制系统中的应用研究[J]. 山东工业技术，2017（24）：118.

[4]吴云峰， 周龙军. 基于 GPRS 技术 PLC 远程通信应用于城市热网监控[J]. 区域供热，2004（4）：17-20.

[5]王建華， 李璞. GPRS 通信在油井远程监控系统中的应用[J]. 石油钻探技术， 2004，32（2）：67-70.

[6]梁玉. 基于C#的数据采集上位机软件设计[D].西安电子科技大学，2014.