垃圾焚燒發(fā)電廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

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聚英電子之環(huán)保篇

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摘要：針對高壓開關設備地域分布廣而造成溫度信號采集困難和設備難以及時維修的問題，開發(fā)了一種基于通用分組無線業(yè)務(GPRS)的遠程溫度測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端以數(shù)字信號處理器(DSP)為核心，利用熱電堆傳感器采集溫度，通過GPRS模塊連接Internet，利用動態(tài)域名解析的辦法與監(jiān)控中心建立連接，再把溫度信號傳到監(jiān)控中心進行分析監(jiān)控，并進行了相關測試。測試結果表明，該系統(tǒng)抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，可對歷史數(shù)據(jù)進行分析，并可對高壓開關設備的溫度實施有效的遠程監(jiān)控。引言

隨著我國國民經濟的迅速發(fā)展，各行各業(yè)對電力系統(tǒng)設備可靠性也提出了越來越高的要求。在201*年2月國務院發(fā)布的《同家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》中，超大規(guī)模輸配電和電網安全保障被列為能源這一重點領域中的優(yōu)先主題。輸變電設備(特別是高壓開關設備)安全可靠性足大規(guī)模輸配電和電網安全保障的蓖要環(huán)節(jié)，因此受到了更多的蘑視。據(jù)統(tǒng)計，在輸變電沒備的運行過程中，許多故障是由設備的異常溫升而造成。目前對高壓開關設備的溫升監(jiān)測大都基于人工巡檢，用手持式紅外測溫儀獲得開關柜內的溫度數(shù)據(jù)，但由于受開關設備的元件遮擋的影響，使得紅外測溫儀器無法獲得準確的溫度數(shù)據(jù)；同時人工操作中的失誤不可能完全避免，且巡檢時間間隔也過長。與此同時，我國電網輸變電設備分布地域很廣，當配電網開關設備出現(xiàn)故障時往往不能及時通知維修人員排除故障，導致用戶停電時間過長。如何將分散的高壓開關沒備的運行數(shù)據(jù)進行實時、可靠、便捷的傳輸是一個關鍵的技術問題。因此，基于通用分組無線業(yè)務(GPRS)的無線數(shù)據(jù)傳輸方式足目前十分適合遠程監(jiān)控的一種通訊方式。

本研究主要探討基于GPRS的高壓開關設備遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的研究。一、組網方式及系統(tǒng)結構

考慮到各開關沒備地域分布廣泛，本系統(tǒng)要求在許多地域都能方便地通過ADSL撥號方式建立上位監(jiān)控中心系統(tǒng)，為此，筆者采用動態(tài)域名解析方案組網，具體原理如下：每次監(jiān)控中心計算機通過ADSL上網時，ISP(互聯(lián)網服務供應商)主機都是隨機分配給用戶IP地址，即所謂“動態(tài)IP地址”。而下位的各個信號采集終端通過GPRS網絡連接Internet時，也會被隨機分配一個IP地址，這樣，監(jiān)控中心無法以固定IP方式對各信號采集終端進行定位，因此，各信號采集終端只有及時獲取監(jiān)控中心當前的IP地址并重新設置才能與監(jiān)控中心建立通信。

針對這一問題，本系統(tǒng)采用動態(tài)IP結合DNS域名解析的組網方式建立通信。在該方式中，監(jiān)控中心計算機每次上線的IP可能不同，但可以通過DNS動態(tài)域名解析，在兩者之間建立關聯(lián)。采用動態(tài)域名解析方案，需要首先聯(lián)系DNS服務商，為監(jiān)控中心計算機申請一個域名，并把這個域名寫入各GPRS模塊中，監(jiān)控中心計算機接入Internet后，與DNS服務器進行連接，將當前獲得的動態(tài)IP報告給DNS服務器。

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GPRS模塊上電后，首先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到服務器公網動態(tài)lP，這樣就可以在兩者之間建立通訊。此種方式可以減少申請和使用公網靜態(tài)IP的開支，但其穩(wěn)定性受制于DNS服務器，所以必須確保所選擇的DNS服務器穩(wěn)定、可靠地工作。

基于以上考慮，系統(tǒng)總體結構設計如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體結構

本系統(tǒng)由下位數(shù)據(jù)采集終端、GPRS無線通信網絡、Internet網絡和上位監(jiān)控中心等4部分構成。其中，數(shù)據(jù)采集終端由DSP及其外圍電路組成，數(shù)據(jù)采集終端與GPRS模塊安裝在高壓開關設備現(xiàn)場。工作原理如下：

每次監(jiān)控中心通過M)SL撥號方式接入Internet時，ISP會隨機分配給監(jiān)控計算機一個IP地址，監(jiān)控計算機再通過花生殼之類的軟件將當前IP地址告知域名服務器，這時，數(shù)據(jù)采集終端的DSP通過GPRS接入Internet，對域名服務器進行訪問，獲取監(jiān)控中心IP地址，這樣雙方建立了連接。然后，DSP將采集到的溫度信號再通過TCP／IP協(xié)議傳到監(jiān)控中心，當溫度達到設定值時，DSP啟動開關柜內冷卻風機降溫，當溫度過高產生報警信號時，DSP通過GPRS及時發(fā)送短消息通知值班人員通過Internet網絡隨時監(jiān)控設備狀態(tài)，遠程強行啟動備用風機，必要時進行設備維修。

監(jiān)測中心～方面通過GPRS網絡與現(xiàn)場監(jiān)測終端進行雙向通信，另一方面為用戶提供一個可視化界面，讓用戶實時了解遠方的高壓開關設備運行狀況。并且監(jiān)測中心把定時傳送的溫度保存到數(shù)據(jù)庫中，通過對數(shù)據(jù)庫的分析，可以掌握電力負載情況，為優(yōu)化電力調度提供依據(jù)。

二數(shù)據(jù)終端硬件結構

數(shù)據(jù)終端硬件結構如圖2所示。

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系統(tǒng)具有抗電磁干擾能力強、安全可靠的特點。為了降低系統(tǒng)GPRS通訊費用，當溫度設備內溫度低于50℃時，DSP每隔10分鐘發(fā)送一次測量數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)前，DSP必須通過GPRS模塊獲取監(jiān)控中心IP以建立點對點的聯(lián)系，當溫度超過50℃時，DSP一方面啟動設備內相應的冷卻風機1降溫，另一方面，把發(fā)送數(shù)據(jù)間隔時間縮減到5分鐘，當溫度達到報警值后，DSP通過GPRS模塊發(fā)送短消息通知遠程值班人員及時處理，同時啟動冷卻風機2加速降溫，發(fā)送數(shù)據(jù)間隔時間再次縮減到3分鐘。各測量點溫度信息可以在現(xiàn)場LCD上顯示出來，便于現(xiàn)場值班人員隨時掌握該開關設備工作情況，備用風機組是當冷卻風機l、2發(fā)生故障時，在不斷電情況下更換風機時使用的，備用風機組可以在現(xiàn)場直接啟動，也可以由遠程監(jiān)控中心啟動以協(xié)助降溫。

三、GPRS終端撥號上網

DSP采集到的溫度值要通過GPRS模塊傳輸?shù)絀nternet上，則必須對GPRS模塊進行操作，即使用AT命令通過RS232串口控制GPRS模塊連接Internet。把數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心，GPRS模塊撥號上網的程序流程如圖3所示。

圖3GPRS撥號上網程序流程圖

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GPRS終端撥號上網可分為比較明顯的2個階段：①配置GPRSmodem參數(shù)，進行一系列初始化，然后發(fā)送“ATDT”指令連接基站服務器；②同基站服務器通過3階段協(xié)商(即LCP配置、PAP／CHAP認證、IPCP配置)建立PPP連接。連接成功后，GPRS終端就會從移動基站服務器上獲得一個動態(tài)IP地址。接下來，GPRS終端就可以在PPP協(xié)議框架中嵌入TCP／lP數(shù)據(jù)包進行傳輸，訪問GPRS網內的主機和外部數(shù)據(jù)網(如Internet)上的主機，當然也可以訪問DNS服務器，查詢IP地址。每次GPRS終端斷線后，都會按照如圖3所示流程圖進行重撥。

四、監(jiān)控中心

監(jiān)控中心軟件基于LabVIEW而開發(fā)，采用面向對象的開發(fā)思想。監(jiān)控中心管理系統(tǒng)主要由兩大部分組成：監(jiān)控部分和數(shù)據(jù)處理部分。監(jiān)控部分的主要功能足查詢監(jiān)測終端的各項數(shù)據(jù)，顯示開關設備內各接觸點溫度值，并且可以向監(jiān)測終端發(fā)送命令，啟動備用風機協(xié)助降溫；數(shù)據(jù)處理部分則包括歷史數(shù)據(jù)查看、圖形查看和報表幾個部分，歷史數(shù)據(jù)查看部分可以很方便地查詢到具體的某一臺開關柜在具體的一天的溫度變化數(shù)據(jù)，統(tǒng)計溫度最大、最小值及出現(xiàn)時間，為優(yōu)化電力調度提供依據(jù)。

接收數(shù)據(jù)流程如下：上位監(jiān)控中心系統(tǒng)通過設置一個同定的不被計算機占用的端1：3作為通信端1：3，然后不斷地偵聽這個端1：3的狀態(tài)，一旦端口中由GPRS模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)到達時將觸發(fā)TCP控件響應此事件，然后接收所有到達的數(shù)據(jù)；再將各個數(shù)據(jù)包保存到一個字符串數(shù)組中，然后判斷各個包足否完整，如不完整則通知發(fā)送端重發(fā)，若完整則提取本數(shù)據(jù)包的源地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。當所有數(shù)據(jù)包都處理完畢后退出響應處理程序，等待下一次事件的到來。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集可以通過UDP方式實現(xiàn)，也可以通過TCP方式實現(xiàn)。但通信的雙方需要選定使用相同的協(xié)議。

接收數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。

圖4接收數(shù)據(jù)流程圖

五、運行情況

GPRS模塊和監(jiān)控中心建立聯(lián)系后監(jiān)控中心運行界面如圖5所示。從該界面上，用戶可以方便地獲取監(jiān)控中心和GPRS模塊IP及聯(lián)機情況，通過開關柜下拉列表選擇不同地域的開關拒可以得到柜內溫度情況以及冷卻風機工作狀態(tài)，選中歷史數(shù)據(jù)選項，可以分析設備溫度變

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化情況，選擇報警處理，可以強制啟動備用風扇，發(fā)送信息通知相關人員及時維修。

圖5監(jiān)控中心界面

六、結束浯

經實際測試，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端抗電磁干擾能力強，通過GPRS與監(jiān)控中心建立連接時間不超過2S，建立通訊后數(shù)據(jù)傳輸速率達50kbps，在傳輸數(shù)據(jù)量不太大的情況下，完全滿足要求，本系統(tǒng)改變了開關柜傳統(tǒng)的就地操控方式，可以通過Internet實現(xiàn)對地域分布廣泛的開關設備實施遠程監(jiān)控，利用本系統(tǒng)所具備的數(shù)據(jù)分析功能可以繪出歷史曲線為電力合理調度分配提供依據(jù)，并且為設備及時維修和故障排除提供指導。當然，基于GPRS的測控技術在安全性、可靠性和實時性等方面還有待提高，但隨著GPRS網絡的逐漸完善和應用技術的不斷成熟，基于GPRS的測控技術也必會日臻完善，我國電力系統(tǒng)也會隨著GPRS的發(fā)展越來越普遍地使用無線通訊網絡實現(xiàn)監(jiān)控功能。

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擴展閱讀：垃圾焚燒發(fā)電廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

垃圾焚燒發(fā)電廠環(huán)境監(jiān)測

針對垃圾焚燒電廠環(huán)境指標監(jiān)測的需要，設計了垃圾焚燒電廠的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分考慮了生產數(shù)據(jù)的真實性和傳輸可靠性，將modbus技術、通用分組無線服務技術（ＧＰＲＳ）、大屏幕顯示技術、數(shù)據(jù)庫技術等有機地結合起來構成模塊化結構系統(tǒng)。采用modbus總線采集機組運行數(shù)據(jù)，并利用ＧＰＲＳ模塊將環(huán)境指標數(shù)據(jù)發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測中心進行監(jiān)視。實際應用表明，該監(jiān)視系統(tǒng)達到了預期目標。

為了實現(xiàn)城市生活垃圾減量化和資源化處理的目標，普遍采用垃圾焚燒電廠處理城市生活垃圾。垃圾焚燒電廠通常位于城市邊緣或市區(qū)，距離人口稠密地區(qū)較近，在垃圾集中焚燒過程中不可避免地對周邊環(huán)境造成污染，其環(huán)境指標十分引人關注。對此，利用現(xiàn)代化的環(huán)境監(jiān)測手段，加強對垃圾焚燒電廠的環(huán)境監(jiān)管，防止產生新的環(huán)境污染十分必要。以某垃圾焚燒電廠為例，介紹其環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)采用模塊化結構，軟硬件協(xié)作高效，操作管理簡便易行。系統(tǒng)最大限度地滿足了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸和顯示的需要，充分考慮了監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和對決策支持等管理需求。

１、系統(tǒng)硬件結構

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測垃圾焚燒電廠的排放指標和部分運行參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測中心，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報表顯示等功能。為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性，采樣信號通過現(xiàn)場變送器進行數(shù)據(jù)采集。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由排放物監(jiān)測設備、中心電腦、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊和戶外大屏幕顯示屏組成，其結構如圖１所示。

圖１環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結構

為了確保采集數(shù)據(jù)的真實性，系統(tǒng)使用獨立的監(jiān)測設備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如熱電偶等；從ＤＣＳ采集部分難以直接測量的數(shù)據(jù)，如煙氣流量等；ＤＣＳ通過標準的Ｍｏｄｂｕｓ通訊

接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中心電腦；二惡英采樣系統(tǒng)自動采集煙氣樣本，該系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測中心遠程監(jiān)控。

由于垃圾焚燒電廠位于較偏僻地區(qū)，采用中國移動公司的ＧＰＲＳ網絡進行數(shù)據(jù)傳輸較方便，且成本不高。戶外大屏幕顯示屏的顯示信息來自環(huán)境監(jiān)測中電腦。中心電腦采用雙輸出顯卡，一路信號輸出至腦顯示器，另一路信號輸出至屏控板卡，屏控板卡將到的視頻信號通過以太網送至戶外大屏幕顯示屏。

2、系統(tǒng)軟件結構

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中心電腦是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心，其采用ＩＰＣ６１０Ｈ型研華工控機，主要完成數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送和管理。數(shù)據(jù)采集接口程序實現(xiàn)以太網與modbus通信接口的通訊，將采集數(shù)據(jù)存入環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫采用ＭｙＳＱＬ為各個模塊提供數(shù)據(jù)服務，其為數(shù)據(jù)核心。后臺數(shù)據(jù)庫主要包括實時數(shù)據(jù)表、歷史數(shù)據(jù)表、報表顯示數(shù)據(jù)表。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件結構如圖２所示。

圖２環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件結構

２．１modbus通信

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集提供Ｍｏｄｂｕｓ（ＲＳ４８５）和以太網（ＵＤＰ）２種接口方式，采用modbus通訊協(xié)議與ＤＣＳ和模擬量輸入模塊通信，其通信結構如圖３所示。

圖３環(huán)境檢測系統(tǒng)modbus通信結構

２條Ｍｏｄｂｕｓ總線分別連接ＤＣＳ和模擬量輸入模塊。模擬量輸入模塊完成現(xiàn)場溫度的數(shù)字化轉換，并提供了Ｍｏｄｂｕｓ接口，可以作為Ｍｏｄｂｕｓ從站，環(huán)境監(jiān)測中心電腦作為Ｍｏｄｂｕｓ主站。由于ＤＣＳ通常需要連接許多從站，所以將ＤＣＳ作為Ｍｏｄｂｕｓ主站，環(huán)境監(jiān)測中心電腦做為從站。ＤＣＳ主站使用Ｍｏｄｂｕｓ功能碼３將流量等信息發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測中心電腦。在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，環(huán)境監(jiān)測中心電腦既作為從站又作為主站，該電腦的２個串行口分別與２條Ｍｏｄｂｕｓ總線連接。

２．２GRPS通信

環(huán)境監(jiān)測中心電腦使用ＧＰＲＳＭｏｄｅｍ撥號接入gprs網絡進行數(shù)據(jù)傳輸。在環(huán)境

監(jiān)測中心電腦上安裝有ＧＰＲＳ數(shù)據(jù)傳輸軟件，通過ＲＳ２３２與外置ＧＰＲＳ煙氣數(shù)據(jù)傳輸模塊通信，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測中心。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩�，采用ＴＣＰ方式傳輸�?shù)據(jù)，采用Ｗｉｎｓｏｃｋ控件實現(xiàn)通信功能。

２．３大屏幕顯示

ＭｙＳＱＬ的實時數(shù)據(jù)表主要用于大屏幕顯示。數(shù)據(jù)采集接口將最新的數(shù)據(jù)寫入實時數(shù)據(jù)表，大屏幕顯示驅動程序定期讀取實時數(shù)據(jù)表里最新的數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)包括燃燒室溫度、酸性氣體（ＨＣｌ、ＳＯ２、ＮＯ）含量和粉塵濃度，同時顯示數(shù)據(jù)的國家標準值和地方標準值。戶外大屏幕顯示數(shù)據(jù)跟蹤焚燒爐實時數(shù)據(jù)，并與環(huán)境監(jiān)測中心電腦數(shù)據(jù)同步。

２．４查詢及管理功能

數(shù)據(jù)采集接口將收到的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫維護程序實現(xiàn)定期更新數(shù)據(jù)、用戶管理和數(shù)據(jù)庫備份與恢復等功能。數(shù)據(jù)查詢及報表系統(tǒng)將查詢數(shù)據(jù)存入顯示數(shù)據(jù)表中，并依據(jù)用戶設定的查詢條件，生成環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的日報表、月報表。

３系統(tǒng)運行

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用ＶＣ６．０編程工具，由ＧＰＲＳ模塊實現(xiàn)無線通信，修改ＤＣＳ的部分組態(tài)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送功能。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)某時段監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖４所示。

圖４某時段部分環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

如果遠程數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)可以采用JY-RTU6640，針對功能，提供設備狀態(tài)指示燈，方便設備維護；寬電壓供電范圍：7V-30V；

帶RS232、RS485(232也轉為485的情況下，可以有兩路485)；

內置大容量SPI-flash(容量可選1Mbit-64Mbit)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長時間本機保存（需定制）；

6路AD仿真量輸入(12位)，輸入電壓為0-30V，也可以測量4-20mA工業(yè)電流信號；

6路繼電器輸出控制、4路光耦輸入輸出控制(輸入和輸出的位數(shù)自選)；內置RTC，掉電可自動計時，定時定點喚醒，需定制；

高效的電源管理設計，在對功耗要求嚴格的場合，實現(xiàn)低功耗節(jié)能，延長工作時間，需定制；

傳輸支持多種協(xié)議，我公司自定協(xié)議和Modbus協(xié)議(ASCII、RTU、ModbusTCP)完美支持；

Modbus從機工作模式：標準從機、從機主動回傳；數(shù)據(jù)遠程傳輸支持GPRS、以太網等；數(shù)據(jù)傳輸采用GSM模塊可實現(xiàn)功能：GPRS斷線自動重連；

根據(jù)需要最多可同時連接6個中心服務器；支持固定IP、域名解析和APN專網的尋址方式；支持TCP、UDP、PPP、ICMP、DNS、FTP等協(xié)議；

支持的節(jié)點數(shù)，只要服務器資源允許，理論上為無數(shù)個；減少布線的成本和施工的麻煩；

支持短信數(shù)據(jù)傳輸、短信參數(shù)配置功能；支持電話和短信喚醒功能；

數(shù)據(jù)傳輸采用以太網模塊可實現(xiàn)功能：

支持10Mbps/100Mbps兩種方式接入Internet，數(shù)據(jù)傳輸速度加快，適合大數(shù)據(jù)量傳輸；支持TCP、UDP、PPP、ICMP、DNS、FTP等協(xié)議；

支持的節(jié)點數(shù)，只要服務器資源允許，理論上為無數(shù)個；根據(jù)服務器的需要，協(xié)議可以支持更加豐富；支持網絡數(shù)據(jù)喚醒功能；

支持專用軟件進行本地和遠程參數(shù)配置及維護；支持本地和遠程固件升級；

并可以直接于技術溝通：電話:010-8289982713466665507(張工)

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