基于GPRS的锅炉远程监测预警系统

2万 · 2019-5-25 12:03

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2万 · 2019-5-25 13:39

作为监测对象的工业锅炉分布广泛，并且现场环境复杂，结合表可知，
不适合采用电缆或光纤搭建的有线通信网络。GPRS运行成本和投资成本低，
可在不铺线路的情况下，实现大量工业锅炉数据采集点联网，特别适合多点
采集、分布广泛的设备进行数据传输和监测。另外，在数据传输可靠性方面，
GPRS在原来GSM网络上仍有提高，能保证数据传输的可靠性。
综合系统要求、特点以及对数据传输方式的比较，GPRS无线传输技术
具有很明显的优势，因此选用GPRS技术来实现工业锅炉监测数据的传输。
锅炉远程监测预警系统功能需求主要有以下两点:
(1>实现工业锅炉远程数据采集发送
本文针对不同工业锅炉现场设计了两种不同的数据采集方式，再通过
GPRS无线通信技术实现数据远程传输，达到远程监测的目的。实时准确的
工业锅炉运行参数是实现工业锅炉故障预警的基本前提。
(2>构建工业锅炉故障预警系统
通过对工业锅炉运行参数采集发送，在监测预警平台建立相关分析模
型，对工业锅炉故障形成预警功能，同时相关企业和用户能方便的查看相关
工业锅炉实时运行情况和故障预警信息。

2万 · 2019-5-25 13:59

本监测预警系统主要由锅炉数据采集仪、传输网络及监测预警平台组
成。对不同地方的工业锅炉进行参数的实时监测，通过无线通讯网络传输至
监测预警平台，监测预警平台对工业锅炉运行参数进行分析，将可能出现的
工业锅炉故障通过网页形式发布，相关企业和用户可通过浏览器随时随地的
了解相关工业锅炉运行情况。该系统为锅炉监管部门提供一个有效的监管平
台，为企业及时发现和处理工业锅炉安全问题提供支持和帮助，为工业锅炉
的安全运行、人身和财产安全提供可靠保障，也能为企业带来一定的经济效
益。
基于GPRS的锅炉远程监测预警系统总体结构如图2.2所示。
   C1)锅炉数据采集仪
本文所设计的锅炉数据采集仪的功能主要是完成现场工业锅炉数据采
集和实时传输，基于不同工业锅炉现场，设计了两种不同的锅炉数据采集仪。
一种是基于变送器输出的锅炉数据采集仪，可采集16路4}20mA模拟量信
号和8路开关量信号。另一种是基于PLC输出的锅炉数据采集仪，可直接读
取工业锅炉现场PLC中的实时运行参数。
   (2)传输网络
传输网络用于对数据传输。本文采用GPRS无线网络进行数据传输。
   (3)监测预警平台
监测预警平台主要包括数据库服务器、Web服务器、锅炉故障预警模块
等。监测预警平台是通过Web网页形式发布监测预警信息，方便企业和用户
实时了解工业锅炉运行情况，并可根据工业锅炉故障预警信息，来做相应的
操作，保证工业锅炉安全有效运行。

2万 · 2019-5-25 14:00

工业锅炉现场参数检测是本锅炉监测预警系统最基本和非常重要的一
部分，它负责实时地检测工业锅炉的蒸汽温度、炉膛压力、给水流量、蒸汽
流量和汽包水位等，本系统不再介绍采集工业锅炉数据的各种变送器。工业
锅炉现场各种变送器输出都是4}20mA工业标准模拟量信号，所以设计了基
于变送器输出的锅炉数据采集仪，能采集16路4}20mA工业标准模拟量信
号和8路开关量信号。开关量信号经隔离直接送至ARM微处理器，模拟量
信号经过隔离放大电路送至ARM微处理器，再经ARM微处理器中A/D转
换等处理;采集的信号通过串口通信送至GPRS模块，经无线方式发送到监
测预警平台。
针对很多工业锅炉现场有PLC控制器，且己经将各种工业锅炉运行参数
采集到PLC中的情况，本文设计了基于PLC输出的锅炉数据采集仪，在不
改变工业锅炉现场PLC程序基础上，通过HMI读取工业锅炉现场PLC中实
时运行参数，再由DTU将数据发送至监测预警平台。

2万 · 2019-5-25 14:00

数据传输系统是将工业锅炉现场采集的数据远程传输到监测预警平台，
是工业现场锅炉与监测预警平台之间数据传输的桥梁。
锅炉数据采集仪与监测预警平台之间的数据传输有两种方式:一种是由
GPRS网络单独承载，只在GPRS网内进行。另一种是由GPRS和Internet
两种网络共同承载，由于GPRS核心网本身就是一个分组型数据网，支持IP
协议，可实现与Internet网直接、无缝连接。GPRS网络与Internet网络之间
通过CMNET网关实现互连，GPRS用户可迅速接入Internet。因互联网的迅
速发展与普及，监测预警平台接入Internet网，在Internet网上能更方便的收
发数据，并且在数据传输带宽及建设成本方面都具有明显优势。所以本文数
据传输系统选择由GPRS和Internet两种网络构成。

2万 · 2019-5-25 14:00

GPRS是在数据传输领域中应用很广泛的一种无线通信技术，是基于
GSM网络基础上发展的一种新的数据通信网，其覆盖范围很广，基本上覆盖
绝大部分陆地区域，在覆盖范围内，传输距离不受限制。GPRS占用很少的
系统资源，平均工作速率45kbps，能满足工业锅炉监测预警需求，并且它还
有按流量计费和永远在线的特性，对本监测预警系统是最合适的。所以使用
GPRS数据传输，从技术和成本上(维护成本及投资成本)都是最合理的数
据传输方式。
本文最终选择GPRS来传输采集的工业锅炉数据，是由于GPRS在远程
监测系统具有以下优点〔55]
   (    1 >  GPRS网络接入立即性和高速率，GPRS可以在其有效覆盖范围内
及时的实现数据的收发。在有需求时，不需要再拨号建立连接，就可以立即
实现信息的发送和接收。同时，GPRS传输数据的速率最高可达171kbps，其
速率相当于GSM数据交换业务的10倍，固定电信网络的3倍。
   (    2 >  GPRS资源具有很高利用率。GPRS采用的是分组交换技术，只有
当用户真正发送和接收数据时，才会占用无线资源，而不是在某一固定时间
内把无线通道专门分配给某一用户。
   (    3) GPRS用户可随意分布和移动自己的网络点，无须担心线路的维护
或在移动时导致的通讯中断。
   (4)计费合理，采用流量计费，如果采用包月计费的方式，费用将会
更低。
   (5)对于3G技术，其实无论是技术先进性还是传输数据实际速度上都
要比GPRS更优越。但对于工业锅炉现场来说，还要考虑设备的稳定性和应
用范围，3G网络作为一个新的网络，目前开通的地方有限，信号覆盖范围远
远没有GPRS网络广。

2万 · 2019-5-25 14:11

GPRS网络是在原来GSM系统上，增加了新部件而构成的一种无线数据
传输系统，使用分组交换技术，支持分组数据〔56] o GPRS系统使用的频带宽
度、频段、无线调制标准、突发结构、TDMA帧结构及调频规则都和GSM
相同。原来GSM系统中硬件大部分都不需要做变动，只需做软件升级，另
外在GSM系统中引入GPRS业务支持节点(SGSN>, GPRS网关支持节点
(GGSN)和分组控制单元(PCU)这三个主要组件就可构建GPRS网络。系
统结构图如图2.3所示。

2万 · 2019-5-25 14:11

PCU主要是管理无线子系统中GPRS分组无线通道，同时从GSM语言
业务中将数据业务分离出来，传给SGSN，具有分组功能，可作为独立设备，
也可集成在BSC(基站控制器)中。
SGSN主要完成分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻辑
链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等功能，实现分组数据传输到其他
数据网络。另外SGSN可以集成防火墙、边缘网关和计费网关等。
GGSN是GPRS网络与外网的分界线，对于外网来说，它就是一台因特
网路由器，存储己激活的GPRS用户路由信息。GGSN将接收到的移动终端
数据转发给外网，或者将接收到的外网数据，经隧道技术再传输给相应的
SGSN。
SGSN和GGSN都能可以和IP路由器互连，都具有IP路由功能。SGSN
和GGSN之间数据传输时利用GPRS隧道协议(GPRS Tunneling Protocol,
GTP)对X.25或IP分组进行封装来实现。结合图2.3可知，其数据传输的
流程是:客户系统的数据通过通信接口发送给GPRS终端，经GPRS终端处
理后以GPRS分组数据形式传输给由BSC和BTS(基站收发信机)构成的
BSS(基站子系统)，然后分组数据经SGSN封装后发送至GPRS骨干网，最
后分组数据经GGSN进行协议转换后发送给外网。

2万 · 2019-5-25 14:12

本文中用到的数据传输设备是GPRS模块，它是工业锅炉现场设备与监
测预警平台之间通信的重要设备。基于变送器输出的锅炉数据采集仪中所用
的GPRS无线模块是SIMCOM公司的SIM900A。而基于PLC输出的锅炉数
据采集仪所用的是广州致远电子股份有限公司的ZWG-28B GPRS DTU，使用
产品化的DTU进行数据传输，只需进行简单的安装和配置就能实现数据的
无线传输，可节省开发时间。

2万 · 2019-5-25 14:12

本文设计的锅炉数据采集仪包括两种，是根据不同工业锅炉数据采集方
式来使用。
   (1)基于变送器输出的锅炉数据采集仪:可以采集现场变送器16路
4}20mA模拟量信号和8路开关量信号，经ARM微处理器采集处理后，再通
过串口通信传输给GPRS模块，经GPRS模块发送至监测预警平台。
   (2)基于PLC输出的锅炉数据采集仪:在不改变工业锅炉现场PLC程
序基础上，通过HMI读取PLC中工业锅炉实时运行参数，再通过DTU将参
数发送至监测预警平台。
基于变送器输出的锅炉数据采集仪是锅炉远程监测预警系统中很重要
的一个设备，主要完成以下两方面的工作:
   (1>采集工业锅炉实时运行数据，获取工业锅炉运行参数和故障征兆
等信息。
   (2)要具有数据上传和接收的功能，将采集的数据发送至监测预警平
台，并接收监测预警平台的指令。

2万 · 2019-5-25 14:14

锅炉数据采集仪硬件电路主要包括ARM微处理器及外围电路、电流/电
压转换电路
外围电路等
、隔离放大电路、电源电路、
。其硬件电路原理框图如图3
LCD显示电路及GPRS模块及相关
.1所示。

2万 · 2019-5-25 15:22

S TM3 2F 103 R8 T6是ST公司生产的具有中等容量增强型系列微控制器，
有64个外部引脚，LQFP封装，工作电压为2.0}3.6V，是一款基于ARM
Cortex-M3架构的微处理器，其最高工作频率高达72MHz，带有20KB RAM,
64KB Flash程序存储器。工作温度范围为一400C}850C。其性能和使用条件都
满足本文系统对微处理器的要求。
图3.2为STM32F103R8T6最小系统结构图，主要包括晶振电路、复位
电路和电源电路等。

2万 · 2019-5-25 15:22

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S TM3 2F 103 R8 T6内部集成了大量外围设备，主要包括模拟/数字转换器
  CADC)、通用串行总线(USB>、控制器区域网络(CAN)、通用同步/异步
收发器(USART、串行外设接口(SPI)和I2C总线等。下面对锅炉数据采
集仪中重点使用的模块进行简单介绍。
ADC模块:STM32F103R8T6内部集成了2个12位ADC，带有内部参
考电压，同时支持外部参考电压。ADC最高转换频率可达14MHz。带有16
路模拟量信号源输入引脚。在锅炉数据采集仪中，ADC主要完成对16路模
拟量信号隔离放大后的A/D转换处理。
USART模块:USART是Universal  Synchronous/Asynchronous  Receiver
Transmitter(通用同步/异步收发器)的缩写，支持同步和异步两种工作方式。
在设计锅炉数据采集仪时，ARM微处理器与GPRS模块通信中用到
STM32F103R8T6的USART模块。
SPI接口:SPI是Serial Peripheral Interface(串行外设接口)的缩写，
是一种全双工、同步通信总线，在主/从模式下，其通信速率可达18Mbits/s o
在设计中主要用于ARM微处理器与数据存储模块之间的通信。
SWJ-DP接口:SWJ-DP是Serial Wire JTAG Debug Port(串行线JTAG
调试接口)的缩写，S TM3 2F 103 R8 T6内嵌有ARM SWJ-DP接口，这是结合
JTAG和串行线调试的接口，可以实现串行线调试接口或JTAG接口的连接，
主要是用于向片内写入代码和程序及调试。
   (2)电源模块
   电源模块的作用是为锅炉数据采集仪中的GPRS模块、隔离放大采集电
路、MCU及外围电路等部分提供不同工作电压，是整个锅炉数据采集仪的动
力源。该电源模块外接24V电源，经过电源模块转换为各个模块需要的工作
电压。电源模块功能结构框图如图3.3所示。电源模块电路原理图如图3.4
所示。

2万 · 2019-5-25 15:23

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C 3) 4}20mA模拟量信号隔离放大采集电路
锅炉数据采集仪可同时采集16路4}20mA模拟量信号和8路开关量信
号。在设计时，工业锅炉模拟量信号采集电路在A/D转换之前，需考虑模拟
量信号隔离问题。
信号隔离技术允许发送和接收端外的地或基准电平之差值可高达几千
伏，并且防止可能损害信号的不同地电位间的环路电流。隔离可将信号分离
到一个干净的信号子系统地、电源中。使用隔离技术可以断开过程环路中直
接电路(直流通道)，但又不影响过程信号正常传输，从而可以减少或解决
接地环路问题、测量回路相互连接问题及电磁干扰问题，使在工业锅炉这样
比较恶劣的工业环境现场中，不会造成模拟量信号传输的故障、失真和干扰
等问题。目前，模拟量信号隔离主要是采用光电祸合器、变压器及电容等。

2万 · 2019-5-25 15:24

锅炉数据采集仪可以完成16路4}20mA模拟量信号和8路开关量信号
采集。STM32F103R8T6可直接接16路ADC外部输入通道，设计中采用
STM32F103R8T6完成16路模拟量信号和8路开关量信号的采集，再通过串
口通信将处理后的数据发送到GPRS模块，通过GPRS模块实现数据远程发
送。下面以1路4}20mA模拟量信号来说明隔离放大采集电路的设计。

2万 · 2019-5-25 15:24

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基于GPRS的锅炉远程监测预警系统

技术奇才奖章

伴坛终老