垃圾焚烧发电厂环境监测系统
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聚英电子之环保篇
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摘要：针对高压开关设备地域分布广而造成温度信号采集困难和设备难以及时维修的问题，开发了一种基于通用分组无线业务(GPRS)的远程温度测控系统，该系统的数据采集终端以数字信号处理器(DSP)为核心，利用热电堆传感器采集温度，通过GPRS模块连接Internet，利用动态域名解析的办法与监控中心建立连接，再把温度信号传到监控中心进行分析监控，并进行了相关测试。测试结果表明，该系统抗干扰能力强，工作稳定，可对历史数据进行分析，并可对高压开关设备的温度实施有效的远程监控。引言
随着我国国民经济的迅速发展，各行各业对电力系统设备可靠性也提出了越来越高的要求。在201*年2月国务院发布的《同家中长期科学和技术发展规划纲要》中，超大规模输配电和电网安全保障被列为能源这一重点领域中的优先主题。输变电设备(特别是高压开关设备)安全可靠性足大规模输配电和电网安全保障的蓖要环节，因此受到了更多的蘑视。据统计，在输变电没备的运行过程中，许多故障是由设备的异常温升而造成。目前对高压开关设备的温升监测大都基于人工巡检，用手持式红外测温仪获得开关柜内的温度数据，但由于受开关设备的元件遮挡的影响，使得红外测温仪器无法获得准确的温度数据；同时人工操作中的失误不可能完全避免，且巡检时间间隔也过长。与此同时，我国电网输变电设备分布地域很广，当配电网开关设备出现故障时往往不能及时通知维修人员排除故障，导致用户停电时间过长。如何将分散的高压开关没备的运行数据进行实时、可靠、便捷的传输是一个关键的技术问题。因此，基于通用分组无线业务(GPRS)的无线数据传输方式足目前十分适合远程监控的一种通讯方式。
本研究主要探讨基于GPRS的高压开关设备远程温度监控系统的研究。一、组网方式及系统结构
考虑到各开关没备地域分布广泛，本系统要求在许多地域都能方便地通过ADSL拨号方式建立上位监控中心系统，为此，笔者采用动态域名解析方案组网，具体原理如下：每次监控中心计算机通过ADSL上网时，ISP(互联网服务供应商)主机都是随机分配给用户IP地址，即所谓“动态IP地址”。而下位的各个信号采集终端通过GPRS网络连接Internet时，也会被随机分配一个IP地址，这样，监控中心无法以固定IP方式对各信号采集终端进行定位，因此，各信号采集终端只有及时获取监控中心当前的IP地址并重新设置才能与监控中心建立通信。
针对这一问题，本系统采用动态IP结合DNS域名解析的组网方式建立通信。在该方式中，监控中心计算机每次上线的IP可能不同，但可以通过DNS动态域名解析，在两者之间建立关联。采用动态域名解析方案，需要首先联系DNS服务商，为监控中心计算机申请一个域名，并把这个域名写入各GPRS模块中，监控中心计算机接入Internet后，与DNS服务器进行连接，将当前获得的动态IP报告给DNS服务器。
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GPRS模块上电后，首先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到服务器公网动态lP，这样就可以在两者之间建立通讯。此种方式可以减少申请和使用公网静态IP的开支，但其稳定性受制于DNS服务器，所以必须确保所选择的DNS服务器稳定、可靠地工作。
基于以上考虑，系统总体结构设计如图1所示。
图1系统总体结构
本系统由下位数据采集终端、GPRS无线通信网络、Internet网络和上位监控中心等4部分构成。其中，数据采集终端由DSP及其外围电路组成，数据采集终端与GPRS模块安装在高压开关设备现场。工作原理如下：
每次监控中心通过M)SL拨号方式接入Internet时，ISP会随机分配给监控计算机一个IP地址，监控计算机再通过花生壳之类的软件将当前IP地址告知域名服务器，这时，数据采集终端的DSP通过GPRS接入Internet，对域名服务器进行访问，获取监控中心IP地址，这样双方建立了连接。然后，DSP将采集到的温度信号再通过TCP／IP协议传到监控中心，当温度达到设定值时，DSP启动开关柜内冷却风机降温，当温度过高产生报警信号时，DSP通过GPRS及时发送短消息通知值班人员通过Internet网络随时监控设备状态，远程强行启动备用风机，必要时进行设备维修。
监测中心～方面通过GPRS网络与现场监测终端进行双向通信，另一方面为用户提供一个可视化界面，让用户实时了解远方的高压开关设备运行状况。并且监测中心把定时传送的温度保存到数据库中，通过对数据库的分析，可以掌握电力负载情况，为优化电力调度提供依据。
二数据终端硬件结构
数据终端硬件结构如图2所示。
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系统具有抗电磁干扰能力强、安全可靠的特点。为了降低系统GPRS通讯费用，当温度设备内温度低于50℃时，DSP每隔10分钟发送一次测量数据，发送数据前，DSP必须通过GPRS模块获取监控中心IP以建立点对点的联系，当温度超过50℃时，DSP一方面启动设备内相应的冷却风机1降温，另一方面，把发送数据间隔时间缩减到5分钟，当温度达到报警值后，DSP通过GPRS模块发送短消息通知远程值班人员及时处理，同时启动冷却风机2加速降温，发送数据间隔时间再次缩减到3分钟。各测量点温度信息可以在现场LCD上显示出来，便于现场值班人员随时掌握该开关设备工作情况，备用风机组是当冷却风机l、2发生故障时，在不断电情况下更换风机时使用的，备用风机组可以在现场直接启动，也可以由远程监控中心启动以协助降温。
三、GPRS终端拨号上网
DSP采集到的温度值要通过GPRS模块传输到Internet上，则必须对GPRS模块进行操作，即使用AT命令通过RS232串口控制GPRS模块连接Internet。把数据传至监控中心，GPRS模块拨号上网的程序流程如图3所示。
图3GPRS拨号上网程序流程图
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GPRS终端拨号上网可分为比较明显的2个阶段：①配置GPRSmodem参数，进行一系列初始化，然后发送“ATDT”指令连接基站服务器；②同基站服务器通过3阶段协商(即LCP配置、PAP／CHAP认证、IPCP配置)建立PPP连接。连接成功后，GPRS终端就会从移动基站服务器上获得一个动态IP地址。接下来，GPRS终端就可以在PPP协议框架中嵌入TCP／lP数据包进行传输，访问GPRS网内的主机和外部数据网(如Internet)上的主机，当然也可以访问DNS服务器，查询IP地址。每次GPRS终端断线后，都会按照如图3所示流程图进行重拨。
四、监控中心
监控中心软件基于LabVIEW而开发，采用面向对象的开发思想。监控中心管理系统主要由两大部分组成：监控部分和数据处理部分。监控部分的主要功能足查询监测终端的各项数据，显示开关设备内各接触点温度值，并且可以向监测终端发送命令，启动备用风机协助降温；数据处理部分则包括历史数据查看、图形查看和报表几个部分，历史数据查看部分可以很方便地查询到具体的某一台开关柜在具体的一天的温度变化数据，统计温度最大、最小值及出现时间，为优化电力调度提供依据。
接收数据流程如下：上位监控中心系统通过设置一个同定的不被计算机占用的端1：3作为通信端1：3，然后不断地侦听这个端1：3的状态，一旦端口中由GPRS模块发送的数据到达时将触发TCP控件响应此事件，然后接收所有到达的数据；再将各个数据包保存到一个字符串数组中，然后判断各个包足否完整，如不完整则通知发送端重发，若完整则提取本数据包的源地址、数据长度、数据区的数据并将数据保存到数据库中。当所有数据包都处理完毕后退出响应处理程序，等待下一次事件的到来。系统的数据采集可以通过UDP方式实现，也可以通过TCP方式实现。但通信的双方需要选定使用相同的协议。
接收数据流程图如图4所示。
图4接收数据流程图
五、运行情况
GPRS模块和监控中心建立联系后监控中心运行界面如图5所示。从该界面上，用户可以方便地获取监控中心和GPRS模块IP及联机情况，通过开关柜下拉列表选择不同地域的开关拒可以得到柜内温度情况以及冷却风机工作状态，选中历史数据选项，可以分析设备温度变
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化情况，选择报警处理，可以强制启动备用风扇，发送信息通知相关人员及时维修。
图5监控中心界面
六、结束浯
经实际测试，本系统数据采集终端抗电磁干扰能力强，通过GPRS与监控中心建立连接时间不超过2S，建立通讯后数据传输速率达50kbps，在传输数据量不太大的情况下，完全满足要求，本系统改变了开关柜传统的就地操控方式，可以通过Internet实现对地域分布广泛的开关设备实施远程监控，利用本系统所具备的数据分析功能可以绘出历史曲线为电力合理调度分配提供依据，并且为设备及时维修和故障排除提供指导。当然，基于GPRS的测控技术在安全性、可靠性和实时性等方面还有待提高，但随着GPRS网络的逐渐完善和应用技术的不断成熟，基于GPRS的测控技术也必会日臻完善，我国电力系统也会随着GPRS的发展越来越普遍地使用无线通讯网络实现监控功能。
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扩展阅读：垃圾焚烧发电厂环境监测系统的设计与实现
垃圾焚烧发电厂环境监测
针对垃圾焚烧电厂环境指标监测的需要，设计了垃圾焚烧电厂的环境监测系统。该系统充分考虑了生产数据的真实性和传输可靠性，将modbus技术、通用分组无线服务技术（ＧＰＲＳ）、大屏幕显示技术、数据库技术等有机地结合起来构成模块化结构系统。采用modbus总线采集机组运行数据，并利用ＧＰＲＳ模块将环境指标数据发送到环境监测中心进行监视。实际应用表明，该监视系统达到了预期目标。
为了实现城市生活垃圾减量化和资源化处理的目标，普遍采用垃圾焚烧电厂处理城市生活垃圾。垃圾焚烧电厂通常位于城市边缘或市区，距离人口稠密地区较近，在垃圾集中焚烧过程中不可避免地对周边环境造成污染，其环境指标十分引人关注。对此，利用现代化的环境监测手段，加强对垃圾焚烧电厂的环境监管，防止产生新的环境污染十分必要。以某垃圾焚烧电厂为例，介绍其环境监测系统的设计与实现。该系统采用模块化结构，软硬件协作高效，操作管理简便易行。系统最大限度地满足了环境监测数据传输和显示的需要，充分考虑了监测数据的真实性和对决策支持等管理需求。
１、系统硬件结构
环境监测系统主要监测垃圾焚烧电厂的排放指标和部分运行参数，并将这些数据发送到环境监测中心，实现环境数据显示、历史数据查询、报表显示等功能。为了保证监测数据的真实性，采样信号通过现场变送器进行数据采集。环境监测系统由排放物监测设备、中心电脑、GPRS数据传输模块和户外大屏幕显示屏组成，其结构如图１所示。
图１环境监测系统结构
为了确保采集数据的真实性，系统使用独立的监测设备采集现场数据，如热电偶等；从ＤＣＳ采集部分难以直接测量的数据，如烟气流量等；ＤＣＳ通过标准的Ｍｏｄｂｕｓ通讯
接口将数据发送到环境监测系统中心电脑；二恶英采样系统自动采集烟气样本，该系统由环境监测中心远程监控。
由于垃圾焚烧电厂位于较偏僻地区，采用中国移动公司的ＧＰＲＳ网络进行数据传输较方便，且成本不高。户外大屏幕显示屏的显示信息来自环境监测中电脑。中心电脑采用双输出显卡，一路信号输出至脑显示器，另一路信号输出至屏控板卡，屏控板卡将到的视频信号通过以太网送至户外大屏幕显示屏。
2、系统软件结构
环境监测系统中心电脑是环境监测系统的核心，其采用ＩＰＣ６１０Ｈ型研华工控机，主要完成数据的采集、发送和管理。数据采集接口程序实现以太网与modbus通信接口的通讯，将采集数据存入环境监测系统数据库。数据库采用ＭｙＳＱＬ为各个模块提供数据服务，其为数据核心。后台数据库主要包括实时数据表、历史数据表、报表显示数据表。环境监测系统软件结构如图２所示。
图２环境监测系统软件结构
２．１modbus通信
环境监测系统数据采集提供Ｍｏｄｂｕｓ（ＲＳ４８５）和以太网（ＵＤＰ）２种接口方式，采用modbus通讯协议与ＤＣＳ和模拟量输入模块通信，其通信结构如图３所示。
图３环境检测系统modbus通信结构
２条Ｍｏｄｂｕｓ总线分别连接ＤＣＳ和模拟量输入模块。模拟量输入模块完成现场温度的数字化转换，并提供了Ｍｏｄｂｕｓ接口，可以作为Ｍｏｄｂｕｓ从站，环境监测中心电脑作为Ｍｏｄｂｕｓ主站。由于ＤＣＳ通常需要连接许多从站，所以将ＤＣＳ作为Ｍｏｄｂｕｓ主站，环境监测中心电脑做为从站。ＤＣＳ主站使用Ｍｏｄｂｕｓ功能码３将流量等信息发送到环境监测中心电脑。在环境监测系统中，环境监测中心电脑既作为从站又作为主站，该电脑的２个串行口分别与２条Ｍｏｄｂｕｓ总线连接。
２．２GRPS通信
环境监测中心电脑使用ＧＰＲＳＭｏｄｅｍ拨号接入gprs网络进行数据传输。在环境
监测中心电脑上安装有ＧＰＲＳ数据传输软件，通过ＲＳ２３２与外置ＧＰＲＳ烟气数据传输模块通信，将采集的数据发送到环境监测中心。为了保证数据传输的安全，采用ＴＣＰ方式传输数据，采用Ｗｉｎｓｏｃｋ控件实现通信功能。
２．３大屏幕显示
ＭｙＳＱＬ的实时数据表主要用于大屏幕显示。数据采集接口将最新的数据写入实时数据表，大屏幕显示驱动程序定期读取实时数据表里最新的数据，显示数据包括燃烧室温度、酸性气体（ＨＣｌ、ＳＯ２、ＮＯ）含量和粉尘浓度，同时显示数据的国家标准值和地方标准值。户外大屏幕显示数据跟踪焚烧炉实时数据，并与环境监测中心电脑数据同步。
２．４查询及管理功能
数据采集接口将收到的数据写入数据库，数据库维护程序实现定期更新数据、用户管理和数据库备份与恢复等功能。数据查询及报表系统将查询数据存入显示数据表中，并依据用户设定的查询条件，生成环境监测数据的日报表、月报表。
３系统运行
环境监测系统软件采用ＶＣ６．０编程工具，由ＧＰＲＳ模块实现无线通信，修改ＤＣＳ的部分组态可实现数据发送功能。环境监测系统某时段监测数据如图４所示。
图４某时段部分环境监测数据
如果远程数据采集数据可以采用JY-RTU6640，针对功能，提供设备状态指示灯，方便设备维护；宽电压供电范围：7V-30V；
带RS232、RS485(232也转为485的情况下，可以有两路485)；
内置大容量SPI-flash(容量可选1Mbit-64Mbit)，实现数据的长时间本机保存（需定制）；
6路AD仿真量输入(12位)，输入电压为0-30V，也可以测量4-20mA工业电流信号；
6路继电器输出控制、4路光耦输入输出控制(输入和输出的位数自选)；内置RTC，掉电可自动计时，定时定点唤醒，需定制；
高效的电源管理设计，在对功耗要求严格的场合，实现低功耗节能，延长工作时间，需定制；
传输支持多种协议，我公司自定协议和Modbus协议(ASCII、RTU、ModbusTCP)完美支持；
Modbus从机工作模式：标准从机、从机主动回传；数据远程传输支持GPRS、以太网等；数据传输采用GSM模块可实现功能：GPRS断线自动重连；
根据需要最多可同时连接6个中心服务器；支持固定IP、域名解析和APN专网的寻址方式；支持TCP、UDP、PPP、ICMP、DNS、FTP等协议；
支持的节点数，只要服务器资源允许，理论上为无数个；减少布线的成本和施工的麻烦；
支持短信数据传输、短信参数配置功能；支持电话和短信唤醒功能；
数据传输采用以太网模块可实现功能：
支持10Mbps/100Mbps两种方式接入Internet，数据传输速度加快，适合大数据量传输；支持TCP、UDP、PPP、ICMP、DNS、FTP等协议；
支持的节点数，只要服务器资源允许，理论上为无数个；根据服务器的需要，协议可以支持更加丰富；支持网络数据唤醒功能；
支持专用软件进行本地和远程参数配置及维护；支持本地和远程固件升级；
并可以直接于技术沟通：电话:010-8289982713466665507(张工)
更多解决方案：
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