基于DTU的工业燃气自动化
基于DTU的工业燃气自动化[20191215170259]
摘 要
随着生产生活的用气量不断增加，以及计算机技术和移动通信技术的迅猛发展，无线监控系统受到了广大工程师的青睐。这种对燃气管网进行集中控制管理的方式，不仅能提高燃气管理效率，还能确保供气管网安全稳定地运行，加速燃气管网建设的现代化进程。本文设计的基于DTU的工业燃气自动化远程监控系统实现了调度中心对现场燃气管道的远程监控功能。
整个系统分为硬件系统和软件系统。硬件系统又包括数据采集模块和数据转发模块。在数据采集模块中，利用模数转换设备读取传感器输出的模拟量并将其转换为数字量，利用浪涌保护器和安全栅将危险信号隔离在安全区外，最后利用MCGS触摸屏读取底层设备数据并进行实时显示。在数据转发模块中，利用DTU和移动通信网络，将数据无线发送到数据调度中心。软件系统主要利用组态软件和串口转发工具接收DTU发送的网络数据，并实现数据存储、显示和处理等功能。
本文设计和实现的工业燃气自动化远程监控系统操作简单，用户界面简洁明了，实用性强，实现了数据实时采集、可靠传输等功能，减少了长期值守在监测站的人员数目，降低了管理成本，提高了管理效率，经济效益显著。
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关键字:工业燃气；远程监控系统；DTU；组态软件
目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 工业燃气自动化研究现状 1
1.2.1 计算机控制技术研究现状 1
1.2.2 工业燃气自动化研究现状 4
1.3 主要设计任务及章节安排 4
第2章 主要软硬件介绍 6
2.1 引言 6
2.2 主要软件平台介绍 6
2.2.1 组态软件介绍 6
2.2.2 组态王KingView 6.55 8
2.3 主要硬件设备介绍 11
2.3.1 GPRS DTU 11
2.3.2 MCGS TPC 14
2.4 本章小结 17
第3章 硬件系统设计与实现 18
3.1 引言 18
3.2 硬件系统整体设计 18
3.3 硬件系统连接及开发 20
3.3.1 数据采集模块连接与调试 20
3.3.2 数据转发模块连接与调试 24
3.4 本章小结 29
第4章 软件系统设计与开发 30
4.1 引言 30
4.2 工业燃气远程监控系统界面设计 30
4.3 无线通讯模块配置 35
4.3.1 DTU串口转发软件配置 35
4.3.2 组态王串口配置 36
4.4 本章小结 38
第5章 总结与展望 39
5.1 总结 39
5.2 展望 39
参考文献 40
致 谢 42
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着环境污染的不断扩大及能源储存量的大幅度减少，各国于21世纪开始号召低碳经济，并以实质性的奖励来鼓励企业节能减排。以天然气为主的燃气属于清洁能源，这样的社会需求使得燃气在能源供应中的地位日益重要，大大推动了燃气行业的发展。国家基础设施建设的不断完善和国家相关政策的支持，也为燃气行业的快速发展开辟了宽阔的道路。为了提高燃气供应的现代化管理水平，提高管理效率，越来越多的工程师更加青睐于自动化水平较高、覆盖范围广泛的燃气远程监控数据传输系统，即SCADA系统。
目前SCADA系统主要采用有线方式和无线方式进行数据通信。实际情况中，燃气行业各监控现场的地理位置并不理想，监控场站数量较多、分布范围较广、与数据调度中心相距甚远，无线通信方式更容易得到企业的青睐，这也得益于移动网络的成熟与稳定。工业燃气无线监控系统实时互动性良好、安全性高、管理效率高，也能大大降低运行策划成本与人员管理成本。
本课题的大背景是燃气供应现场与数据调度中心相距甚远，且地处偏僻，人烟稀少，为了实现对监控燃气现场的监控功能，同时保证系统安全稳定地运行，本文采用无线通信方式设计了工业燃气自动化远程监控系统。
1.2 工业燃气自动化研究现状
1.2.1 计算机控制技术研究现状
（1）计算机控制技术概述
计算机控制技术是自动控制理论和计算机技术不断成熟的结果，是两者的有机结合，在生产实践中有着重大的革新意义。计算机控制技术可以理解为将计算机相关知识应用于不同的生产研究领域，以计算机为控制器的一门综合性学科，融合了计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、网络与通信技术、微电子技术、CRT显示技术、现场总线智能仪表、软件技术等基础学科[1-3]。下图1.1所示为计算机控制系统结构图。
图1.1 计算机控制系统结构图
（2）计算机控制技术发展阶段
计算机控制技术的发展经历了很多个阶段。
1）计算机控制系统的开创期（20世纪50年代）
1946年，美国宾夕法尼亚大学诞生的人类第一台电子计算机主要应用于军事领域的科学计算，工作方式与计算机离线控制相似。50年代初期化工领域出现了计算机自动控制与数据处理的方法，中后期出现了计算机开环控制系统和闭环控制系统。
2）直接数字控制阶段（20世纪60年代）
1962年，英国实现了直接数字控制系统。计算机控制进入普及阶段，集中式的计算控制系统占主导地位。
3）集中式计算机控制系统发展时期（1967-1975年）
微型计算机出现，离散式计算机控制系统得以发展。
4）以微处理器为核心的分层分布式控制系统（1975年以后）
集散控制系统（DSC）、可编程序控制器（PLC）、工业控制计算机（IPC）、数字信号处理器（DSP）等得以发展与应用。
随着工业技术的不断发展，计算机控制技术已经进入了一个新的时代，追求多机、自动化生产、控制和智能一体化相结合。计算机控制技术将由集中控制到离散控制，由封闭系统到工业现场总线，由现场控制到企业自动化方向不断发展[3-6]。
（3）计算机控制理论研究
随着生产工艺的精细化，常规控制已经跟不上工程控制要求的脚步。计算机控制理论与计算机控制技术应用相辅相成，相互促进与发展。目前最引人注目的先进计算机控制理论内容丰富、涵盖面广，包括自适应控制、模糊控制、神经网络控制、生物启发式计算控制等。
1）自适应控制
自适应的灵感来源于生物强大的自我适应能力，指生物能根据环境的变化而改变自己的习性。自适应控制指不论外界发生巨大变化或系统产生不确定性，控制系统都能自行调整参数或产生控制作用使系统仍能按照某一性能运行在最佳状态。与常规的反馈控制系统想比，自适应控制系统能更主动去适应系统或环境的变化，它的三个特点包括控制器可调、增加了自适应回路、适用对象。在一定程度上，一个优质的自适应控制系统在参数大范围变化的情况下，仍能保持稳定运行，甚至能保持在最优解或者最优解附近。
好的自适应控制方法能在一定程度上适应被控系统的参数大范围的变化，使控制系统不仅能稳定运行，而且保持某种意义下的最优或者接近最优。
2）模糊控制
在简单的或描述明确的系统面前，传统的控制方式有着强健的控制能力，但对于复杂甚至描述不明确的系统，传统方式就显得心有余而力不足了。在这类复杂系统中，模糊控制便能一展身手了。在复杂系统中，模糊甚至比清晰拥有了更大的信息容量，更丰富的内涵，与现实世界的匹配度更高。近二十多年来，模糊控制在理论和技术上都有了长足的进步，在自动控制领域中表现得非常活跃，并且日益重要。模糊控制技术应用在生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、制冷装备、摄像机、洗碗机、吸尘器等；在工业控制领域中有金属置换过程、布料染色过程、化学反应过程、发酵过程等；在专用系统和其它方面有电梯、公交驾驶、检测系统以及机器人的模糊控制。
3）神经网络控制
神经网络控制是20世纪80年代末发展起来的自动控制领域的前沿学科之一。它的出现为复杂系统的控制问题迎来了新的救星，而这类控制系统往往是非线性的、不确定的、不确知的。它具有很强的鲁棒性和容错性，因为其将信息分布于网络内的神经元中，这一结构是受人脑内部结构启发设计的。此外还具有自学习、自组织、自适应性强，信息综合能力强等特点。神经网络控制在图像处理、信号处理、模式识别、机器人控制、卫生医疗保健、焊接、数据挖掘、电力系统、交通、农业、气象等方面都取得了显著的成效。
4）生物启发式计算控制[7-9]
目前，生物启发式计算控制方法吸引了国内外专家的眼球，它通过模拟生物体和自然生态系统的演化过程解决极其复杂的优化问题。从遗传算法开始，生物启发式计算方法的相继出现，如进化算法、蚁群算法、粒子群算法、人工免疫算法、DNA算法、元胞自动机、微分进化算法、膜计算、生物启发神经网络算法、鱼群算法、细菌觅食算法、人工蜂群算法、群搜索优化算法、生物分布优化算法、稻田算法、萤火虫算法等。这些算法大大丰富了现代优化控制技术，并已经应用到难以解决的复杂问题中，呈现出十分良好的效果。
1.2.2 工业燃气自动化研究现状
随着大气污染的日益严重，各国一直在寻找解决这一问题的最好办法。目前，世界各国均以发展城市燃气作为改善城市环境的重要措施之一，我国城市燃气的发展，使居民因烧煤造成的大气污染得到了很好的解决和改进。而从国际经验看，治理大气污染的根本途径就是优化城市的燃气结构，使用清洁燃料。一系列情况表明，发展天然气利用事业是可选择的最佳方案之一。
燃气供应管网是燃气利用事业的重要部分，优良的供气管网运行方式，对合理利用燃气、解决能源、促进工业发展有着非常积极的作用。为确保供气管网在运行过程中的合理调度和优化管理，建设一个燃气输配管网数据采集与监控系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）显得十分有必要[10-13]。SCADA系统以对燃气管网运行状况的监控的为基本功能，利用工业自动化的先进技术，为在调度中心即可监控各区域的燃气输配调度提供了实现的可能。
目前，SCADA系统的数据通信越来越倾向于无线数据通信。因为燃气供气场站一般建设在较为偏远的郊区，周围环境相对比较恶劣，物理通信光缆比较容易受到破坏，传统的有线数据通信方式无法可靠地实现对供气场站的不间断实时监控，而无线数据通信方式在成熟的移动网络支持下，在这一点上做得很好。调度中心与供气场站选用GPRS通信平台实现数据交换，能保持永远在线，上电自动登录，且按流量计费，实时性强，性价比高[14-16]。
1.3 主要设计任务及章节安排
本文主要研究的是基于DTU的工业燃气自动化远程监控系统。系统通过MCGS触摸屏读取底层数据，再经GPRS DTU将数据无线发送到远程数据服务中心，以达到远程无线监控的功能。对这一系统进行深入研究，本文主要的设计要点如下：
（1）本系统实现了MCGS触摸屏读取各类传感模块数据的功能。场站中有三组数据，其中一组为模拟量。利用鸿海8路模拟量输入模块将该组模拟量数据转化为数字量数据，精确度高，安全可靠。
（2）本系统实现了基于宏电DTU的GPRS无线通讯功能。采用宏电H7210 GPRS DTU，接口类型为485接口，DTU参数依据数据服务中心实际情况正确配置后，与现场的触摸屏相连，DTU上电后能在远程数据服务终端登录，永远在线，且掉电重上电后自动登录。
摘 要
随着生产生活的用气量不断增加，以及计算机技术和移动通信技术的迅猛发展，无线监控系统受到了广大工程师的青睐。这种对燃气管网进行集中控制管理的方式，不仅能提高燃气管理效率，还能确保供气管网安全稳定地运行，加速燃气管网建设的现代化进程。本文设计的基于DTU的工业燃气自动化远程监控系统实现了调度中心对现场燃气管道的远程监控功能。
整个系统分为硬件系统和软件系统。硬件系统又包括数据采集模块和数据转发模块。在数据采集模块中，利用模数转换设备读取传感器输出的模拟量并将其转换为数字量，利用浪涌保护器和安全栅将危险信号隔离在安全区外，最后利用MCGS触摸屏读取底层设备数据并进行实时显示。在数据转发模块中，利用DTU和移动通信网络，将数据无线发送到数据调度中心。软件系统主要利用组态软件和串口转发工具接收DTU发送的网络数据，并实现数据存储、显示和处理等功能。
本文设计和实现的工业燃气自动化远程监控系统操作简单，用户界面简洁明了，实用性强，实现了数据实时采集、可靠传输等功能，减少了长期值守在监测站的人员数目，降低了管理成本，提高了管理效率，经济效益显著。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:工业燃气；远程监控系统；DTU；组态软件
目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 工业燃气自动化研究现状 1
1.2.1 计算机控制技术研究现状 1
1.2.2 工业燃气自动化研究现状 4
1.3 主要设计任务及章节安排 4
第2章 主要软硬件介绍 6
2.1 引言 6
2.2 主要软件平台介绍 6
2.2.1 组态软件介绍 6
2.2.2 组态王KingView 6.55 8
2.3 主要硬件设备介绍 11
2.3.1 GPRS DTU 11
2.3.2 MCGS TPC 14
2.4 本章小结 17
第3章 硬件系统设计与实现 18
3.1 引言 18
3.2 硬件系统整体设计 18
3.3 硬件系统连接及开发 20
3.3.1 数据采集模块连接与调试 20
3.3.2 数据转发模块连接与调试 24
3.4 本章小结 29
第4章 软件系统设计与开发 30
4.1 引言 30
4.2 工业燃气远程监控系统界面设计 30
4.3 无线通讯模块配置 35
4.3.1 DTU串口转发软件配置 35
4.3.2 组态王串口配置 36
4.4 本章小结 38
第5章 总结与展望 39
5.1 总结 39
5.2 展望 39
参考文献 40
致 谢 42
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着环境污染的不断扩大及能源储存量的大幅度减少，各国于21世纪开始号召低碳经济，并以实质性的奖励来鼓励企业节能减排。以天然气为主的燃气属于清洁能源，这样的社会需求使得燃气在能源供应中的地位日益重要，大大推动了燃气行业的发展。国家基础设施建设的不断完善和国家相关政策的支持，也为燃气行业的快速发展开辟了宽阔的道路。为了提高燃气供应的现代化管理水平，提高管理效率，越来越多的工程师更加青睐于自动化水平较高、覆盖范围广泛的燃气远程监控数据传输系统，即SCADA系统。
目前SCADA系统主要采用有线方式和无线方式进行数据通信。实际情况中，燃气行业各监控现场的地理位置并不理想，监控场站数量较多、分布范围较广、与数据调度中心相距甚远，无线通信方式更容易得到企业的青睐，这也得益于移动网络的成熟与稳定。工业燃气无线监控系统实时互动性良好、安全性高、管理效率高，也能大大降低运行策划成本与人员管理成本。
本课题的大背景是燃气供应现场与数据调度中心相距甚远，且地处偏僻，人烟稀少，为了实现对监控燃气现场的监控功能，同时保证系统安全稳定地运行，本文采用无线通信方式设计了工业燃气自动化远程监控系统。
1.2 工业燃气自动化研究现状
1.2.1 计算机控制技术研究现状
（1）计算机控制技术概述
计算机控制技术是自动控制理论和计算机技术不断成熟的结果，是两者的有机结合，在生产实践中有着重大的革新意义。计算机控制技术可以理解为将计算机相关知识应用于不同的生产研究领域，以计算机为控制器的一门综合性学科，融合了计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、网络与通信技术、微电子技术、CRT显示技术、现场总线智能仪表、软件技术等基础学科[1-3]。下图1.1所示为计算机控制系统结构图。
图1.1 计算机控制系统结构图
（2）计算机控制技术发展阶段
计算机控制技术的发展经历了很多个阶段。
1）计算机控制系统的开创期（20世纪50年代）
1946年，美国宾夕法尼亚大学诞生的人类第一台电子计算机主要应用于军事领域的科学计算，工作方式与计算机离线控制相似。50年代初期化工领域出现了计算机自动控制与数据处理的方法，中后期出现了计算机开环控制系统和闭环控制系统。
2）直接数字控制阶段（20世纪60年代）
1962年，英国实现了直接数字控制系统。计算机控制进入普及阶段，集中式的计算控制系统占主导地位。
3）集中式计算机控制系统发展时期（1967-1975年）
微型计算机出现，离散式计算机控制系统得以发展。
4）以微处理器为核心的分层分布式控制系统（1975年以后）
集散控制系统（DSC）、可编程序控制器（PLC）、工业控制计算机（IPC）、数字信号处理器（DSP）等得以发展与应用。
随着工业技术的不断发展，计算机控制技术已经进入了一个新的时代，追求多机、自动化生产、控制和智能一体化相结合。计算机控制技术将由集中控制到离散控制，由封闭系统到工业现场总线，由现场控制到企业自动化方向不断发展[3-6]。
（3）计算机控制理论研究
随着生产工艺的精细化，常规控制已经跟不上工程控制要求的脚步。计算机控制理论与计算机控制技术应用相辅相成，相互促进与发展。目前最引人注目的先进计算机控制理论内容丰富、涵盖面广，包括自适应控制、模糊控制、神经网络控制、生物启发式计算控制等。
1）自适应控制
自适应的灵感来源于生物强大的自我适应能力，指生物能根据环境的变化而改变自己的习性。自适应控制指不论外界发生巨大变化或系统产生不确定性，控制系统都能自行调整参数或产生控制作用使系统仍能按照某一性能运行在最佳状态。与常规的反馈控制系统想比，自适应控制系统能更主动去适应系统或环境的变化，它的三个特点包括控制器可调、增加了自适应回路、适用对象。在一定程度上，一个优质的自适应控制系统在参数大范围变化的情况下，仍能保持稳定运行，甚至能保持在最优解或者最优解附近。
好的自适应控制方法能在一定程度上适应被控系统的参数大范围的变化，使控制系统不仅能稳定运行，而且保持某种意义下的最优或者接近最优。
2）模糊控制
在简单的或描述明确的系统面前，传统的控制方式有着强健的控制能力，但对于复杂甚至描述不明确的系统，传统方式就显得心有余而力不足了。在这类复杂系统中，模糊控制便能一展身手了。在复杂系统中，模糊甚至比清晰拥有了更大的信息容量，更丰富的内涵，与现实世界的匹配度更高。近二十多年来，模糊控制在理论和技术上都有了长足的进步，在自动控制领域中表现得非常活跃，并且日益重要。模糊控制技术应用在生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、制冷装备、摄像机、洗碗机、吸尘器等；在工业控制领域中有金属置换过程、布料染色过程、化学反应过程、发酵过程等；在专用系统和其它方面有电梯、公交驾驶、检测系统以及机器人的模糊控制。
3）神经网络控制
神经网络控制是20世纪80年代末发展起来的自动控制领域的前沿学科之一。它的出现为复杂系统的控制问题迎来了新的救星，而这类控制系统往往是非线性的、不确定的、不确知的。它具有很强的鲁棒性和容错性，因为其将信息分布于网络内的神经元中，这一结构是受人脑内部结构启发设计的。此外还具有自学习、自组织、自适应性强，信息综合能力强等特点。神经网络控制在图像处理、信号处理、模式识别、机器人控制、卫生医疗保健、焊接、数据挖掘、电力系统、交通、农业、气象等方面都取得了显著的成效。
4）生物启发式计算控制[7-9]
目前，生物启发式计算控制方法吸引了国内外专家的眼球，它通过模拟生物体和自然生态系统的演化过程解决极其复杂的优化问题。从遗传算法开始，生物启发式计算方法的相继出现，如进化算法、蚁群算法、粒子群算法、人工免疫算法、DNA算法、元胞自动机、微分进化算法、膜计算、生物启发神经网络算法、鱼群算法、细菌觅食算法、人工蜂群算法、群搜索优化算法、生物分布优化算法、稻田算法、萤火虫算法等。这些算法大大丰富了现代优化控制技术，并已经应用到难以解决的复杂问题中，呈现出十分良好的效果。
1.2.2 工业燃气自动化研究现状
随着大气污染的日益严重，各国一直在寻找解决这一问题的最好办法。目前，世界各国均以发展城市燃气作为改善城市环境的重要措施之一，我国城市燃气的发展，使居民因烧煤造成的大气污染得到了很好的解决和改进。而从国际经验看，治理大气污染的根本途径就是优化城市的燃气结构，使用清洁燃料。一系列情况表明，发展天然气利用事业是可选择的最佳方案之一。
燃气供应管网是燃气利用事业的重要部分，优良的供气管网运行方式，对合理利用燃气、解决能源、促进工业发展有着非常积极的作用。为确保供气管网在运行过程中的合理调度和优化管理，建设一个燃气输配管网数据采集与监控系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）显得十分有必要[10-13]。SCADA系统以对燃气管网运行状况的监控的为基本功能，利用工业自动化的先进技术，为在调度中心即可监控各区域的燃气输配调度提供了实现的可能。
目前，SCADA系统的数据通信越来越倾向于无线数据通信。因为燃气供气场站一般建设在较为偏远的郊区，周围环境相对比较恶劣，物理通信光缆比较容易受到破坏，传统的有线数据通信方式无法可靠地实现对供气场站的不间断实时监控，而无线数据通信方式在成熟的移动网络支持下，在这一点上做得很好。调度中心与供气场站选用GPRS通信平台实现数据交换，能保持永远在线，上电自动登录，且按流量计费，实时性强，性价比高[14-16]。
1.3 主要设计任务及章节安排
本文主要研究的是基于DTU的工业燃气自动化远程监控系统。系统通过MCGS触摸屏读取底层数据，再经GPRS DTU将数据无线发送到远程数据服务中心，以达到远程无线监控的功能。对这一系统进行深入研究，本文主要的设计要点如下：
（1）本系统实现了MCGS触摸屏读取各类传感模块数据的功能。场站中有三组数据，其中一组为模拟量。利用鸿海8路模拟量输入模块将该组模拟量数据转化为数字量数据，精确度高，安全可靠。
（2）本系统实现了基于宏电DTU的GPRS无线通讯功能。采用宏电H7210 GPRS DTU，接口类型为485接口，DTU参数依据数据服务中心实际情况正确配置后，与现场的触摸屏相连，DTU上电后能在远程数据服务终端登录，永远在线，且掉电重上电后自动登录。
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