九洲电气高压变频系统的GPRS远程监控的实现

　1．概述
    随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，自动化，智能化程度的不断的提高，中高压大功率变频调速装置的研制和应用渐渐成熟起来。
    由于高压变频器几乎都是工矿企业的关键设备，对其可靠性的高要求是不言而喻的，因此，可靠性的保证是高压变频器得到承认和推广应用的关键，为了达到这项要求，一些变频器厂家设计了利用通信的方式，将现场的实时数据、运行状态和故障状态传递到远方终端，以实现对现场设备的远程监控和维护。以往实现这套远程监控系统一般是利用公共电话网，通过MODEM拨号，配合相应软件来实现监控。它明显的缺点是只有拨号后才能通信，不能同时“点对多点”通信等等。实现远程通信的其它方式是采用卫星、微波、光纤或电台，而这些种方法不仅设备投入耗资巨大，而且伴随着较高的采购成本和运行维护费用。
    随着无线通讯技术的进步和不断普及，GPRS网络已经无处不在，而且应用成本已经降到了很低，而利用GPRS嵌入高压变频器，实现远程监控通信，不但具有系统易维护性、可扩展性和安全性，而且具有GPRS通讯的所有优点。
    GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的资料承载和传输方式，目的是给移动用户提供高速无线IP 或X.25 服务。GPRS 理论带宽可达171.2Kbit/s，实际应用带宽大约在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP 连接，可以用于INTERNET 连接、数据传输等应用。GPRS 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。GPRS 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。GPRS 永远在线，按流量计费，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。
    基于GPRS的远程监控具有以下特点：
（1）快速登录，永远在线，覆盖面广
（2）安全性高，系统在数据传输过程中加入了加密机制，资料可以在公网上安全地传输；
（3）可靠性强，系统具有纠错、重发机制，从而确保资料的完整性和正确性。其次，系统具有自动恢复功能，在GPRS网络状态不稳定的情况下，保证系统稳定工作，而无需人工干预；
（4）多用户的业务复用，不同的网络用户共享同一组GPRS信道，但只有当某一个用户需要发送或接收资料时才会占用信道资源。系统依托相应的软件，可以灵活同时实现点～点、点～多点的数据传输；
（5）节电功能，在不发送资料的时间里设备可以处于待机状态，定时或资料触发登录网络。
GPRS接入与电话拨号接入的比较
GPRS拨号结论
速度实际速度大约为40Kbps，未来为171.2Kbps33.6Kbps比拨号快
可靠性高一般高
永远在线支持不支持好
一点接入全网服务支持不支持好
费用范围与费用关系费用与部署地点无关按电话计费
扩容无地点和数量限制线路和中心设备需要增加好
    目前，我国移动推出的GPRS业务日趋成熟，GPRS的应用逐渐成为监控领域的一个研究热点。而且用户可以根据自己的需要，以月租、包月等多种形式进一步降低GPRS通信的费用。因此，GPRS作为目前和将来大规模发展的一种组网方式，具有分布式、集散型、网络化、开放式特点，在工业控制、环境保护、水利水文监测、报警等行业中必将得到愈来愈广泛的应用。
2．GPRS远程监控的实现
    下面描述了通过GPRS远程监控的实现方法，并说明了如何利用AT指令与GPRS模块通讯，提出了利用 (浏览器/服务器)架构进行监控的思想，并给出了试验的步骤及应用实例。
2.1 GPRS远程监控系统
　　 GPRS远程监控系统由智能控制器，GPRS通信模块、中国移动通信网路（GPRS网络）、Internet 公共网络、数据服务器、企业局域网及其计算机设备等组成。


图2  GPRS远程数据采集示意图

    GPRS远程终端主要由数据采集器和GPRS模块构成。首先，高压变频器的控制单元将采集到的工业现场参数，一方面在现场显示、参与控制，另一方面要发送给GPRS模块，控制GPRS模块本身的操作，并在资料模式下把经过加密和容错处理后的资料发送给数据服务器。
高压变频装置与GPRS模块之间的通信协议是串口协议，高压变频装置通过串口来对GPRS模块进行设置，在建立数据信道之前的设置指令包括：
AT+CGDCONT=1，"IP"，"CMNET"
　　 说明：初始化网络会话，，在模块上建立一个资料账号，接入到中国移动GPRS网络。
返回：OK
AT*E2IPA=1，1 说明：当前会话上的IP连接
返回：OK
AT*E2IPO=1，"218.79.163.201"，5000
说明：初始化一个TCP连接，218.79.163.201为服务器端IP地址。
返回：CONNECT 表明建立连接成功。
建立连接后，GPRS模块进入资料状态，高压变频装置即可发送和接收资料了。
2.3 远程监控系统的组成结构
2.3.1服务器端：
　　在基于GPRS的远程监控系统中，数据服务器端通过基于TCP/IP协议的SOCKET套节字，进行与GPRS终端的资料收发，通过开发的在服务器运行的软件对资料进行处理，然后更新到SQL数据库中，让合法用户可以在任何时刻、任何地方通过浏览器查看资料。浏览器通过因特网查看远程设备刚刚更新到数据库中的信息，达到现场数据分析、显示等功能。
　　工作流程：


图3  GPRS数据数据服务器工作流程图

2.3.2浏览器端：
　　 浏览器端不需要特别的软件，系统自带的上网软件就可以访问到服务器上WEB接口。
2.4 GPRS监控系统的通讯试验
    首先，要插入SIM 卡（插卡时要断开电源），接好天线，用RS232 串行线缆将GPRS 模块与计算机串口连接。接通GPRS 模块电源，等信号指示灯开始闪动时表示模块已经开机，并且注册GSM 网络成功。
2.4.2 GPRS设备上电，该设备自检后，进入命令模式，指示灯显示工作正常。
2.4.3 对GPRS模块进行设置可以通过第三方软件进行参数配置也可以通过超级终端进行测试，发送AT指令AT+CGDCONT=1，"IP"，"CMNET"，若有数据显示回车后返回OK。说明硬件连接正确。也自编软件进行测试。
2.4.4启动应用服务器SOCKET， 假设服务器IP地址为218.79.163.201，端口为5000。
2.4.5 利用AT*E2IPO=1，"218.79.163.201"，5000，设置数据服务器IP地址和端口号。回车后返回CONNECT后表示成功建立连接。


图4  超级终端连接GPRS DTU画面
2.4.6 服务器端利用WINSOCK编写的软件发送接收资料，GPRS端采用超级终端模拟远程设备发送和接收资料。
2.4.7 服务器端运行上位软件程序，将GPRS传送来的数据存入Microsoft ACCESS数据库，并进行显示。
2.4.8 客户端启动浏览器，查看并修改服务器上数据库中的内容。
3．服务器端上位软件
    本系统上位软件采用北京昆仑通态的MCGS组态软件通用版组态而成，由于该组态软件集成了GPRS DTU的驱动设备，所以对于用户来讲就比较容易了，只要在组态时设置好各个参数，然后运行工程文件即可以通过GPRS实现服务器与远程监控单元的实时连接。
    远程的高压变频器与GPRS模块已经用串口连接好，并作好了相应的设置。本地服务器每隔5秒钟向GPRS模块发送召唤命令，GPRS模块收到召唤命令并进行校验后向服务器传输资料，包括现场的“实际频率”、“定子电压”、“定子电流”、“压力”以及系统运行的一些状态量和报警信息等等，由服务器通过实时数据库和历史数据库保存。用户通过浏览器便可以查看现场的所有数据并可获悉变频器的当前运行情况，还可以根据实际情况调整变频器当前的一些参数，通过GPRS模块将修改后的参数值传递给高压变频器，从而实现了对高压变频器设备的远程监控和维护，大幅提高了系统运行的可靠性、操作方式更加灵活、同时也减少了维护费用，用户还可以自行编制软件用于历史资料查询、报表、统计、趋势分析、打印等，实现个性化操作。
3.1主画面
    打开并运行组态软件后，会出现如图5画面：


图5 本地服务器监控主画面
    主画面中的按钮有刷新、报警查看、历史数据、其他指示、曲线、参数查看、关闭串口。刷新按钮用于开启串口，对GPRS DTU 进行召唤；当按下关闭串口按钮后，即关闭对GPRS DTU的召唤，即不会再有新数据上传；当按下其他按钮后，即进入到相应的画面中。主画面中有一个报警描述状态栏，用于报警信息、主画面中的指示灯有允许、外控、合闸、就绪、接通、运转、旁通、告警、远控箱、DCS、闭环、主画面中的显示栏用于显示设定频率、实际频率、定子电压、定子电流、压力，所有这些显示的数据都是通过GPRS DTU 上传的。
需要注意的是主画面中的日期和时间的显示数值，是最后一次GPRS DTU上传的下位机时间，而不是上位机的运行时间。
3.2其他指示
    当按下其他指示按钮后，进入其他指示画面（如图6）。



图6  其他设置及指示画面
    在其他指示界面中有三个区域：在设置区域中，设置每次召唤下位机的召唤周期以及每天三次定时召唤下位机的时间；在时间区域中，显示上位机系统的当前时间和下位机最后一次上传的下位机的运行时间；在指示区域中，显示下位机的变频高压合闸状态，及上位机的通信状态，若上位通信终止指示灯亮，表示上位机已经停止对下位机的召唤，下位机不再上传最新数据。
3.3曲线
    当按下曲线按钮后，进入曲线画面（如图7），此时，在该画面显示出电压、电流的实时曲线。按返回按钮，则退出曲线画面。
  


图7  曲线画面
3.4参数查看
    当按下参数查看按钮后，进入参数显示画面（如图8），此界面主要用于显示下位机的参数设置情况和频率步距的设置情况。在“P参数编号”输入框中输入要查找的下位机参数号码，则在“P参数当前值”中会显示该参数号所对应的参数值。


图8  参数显示画面
3.5报警查看
    当按下报警查看按钮后，进入报警信息浏览表格（如图9），该表格主要用于存储下位机的故障报警情况。


图9  报警查看画面

3.6历史数据
    当按下历史数据按钮后，进入存盘数据浏览表格（如图10），该表格主要用于存储下位机上传的实时数据。


图10  历史数据浏览画面

3.7 Excel报表输出
    在组态软件的菜单栏中，有Excel报表输出按钮，按下此按钮即可打开一个已经存储了数据的Excel表格（如图11），用户可以对该表格进行数据处理和打印等操作。


图11  表格输出画面
4.结束语
    本文介绍了哈尔滨九洲电气股份有限公司通过GPRS技术实现远程现场的高压变频器与本地数据服务器之间的实时连接监控的方案，远程变频器现场的数据经由GPRS可以传输到本地服务器上显示、处理、存储，也可以进行远程故障诊断，在必要时本地操作员也可以对远程变频器进行控制。该系统已经投入实际运行，通过远程进行客户的合同能源管理，取得了很好效果。