基于GSM通信的沼气工程远程监控系统

摘要： 本文根据实际工程需要，设计并实现在沼气工程中加装GSM的远程监控系统。该系统应用于沼气工程管理中，能够更好监控设备、降低沼气工程管理中的安全隐患，对提高沼气产气质量有着重要的作用。

Abstract： According to the actual project needs， this paper designed and implemented installation of GSM remote monitoring system in biogas project. If the system is used in biogas project management， it can better monitor the equipment， reduce security risks in biogas project management， and improve the production quality of methane biogas.

关键词： 沼气工程；PLC；GSM；远程监控

Key words： biogas project；PLC；GSM；remote monitoring

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）32-0199-02

基金项目：北京农业职业学院科研课题项目：农村能源（沼气）在线监测系统，项目编号：XY-XF-11-30。

作者简介：戴华兵（1976-），女，山东济宁人，讲师，研究方向为农业装备智能化控制；郭辉（1980-），男，甘肃兰州人，讲师，研究方向为智能农业装备；诸刚（1960-），男，北京人，副教授，研究方向为机械制造与自动化。

0 引言

随着能源和环境问题的日益突出，沼气（厌氧消化）技术作为一种处理废物并能回收能源的环境工程技术，在世界上受到了越来越重要的关注。本系统从总体方案、系统数据采集端设计、系统监控中心和数据远程通讯终端设计几个方面来论述。

1 沼气工程远程监控系统总体方案

整个系统包括：PLC控制的现场控制端、PC机、GSM无线模块三个部分。数据采集模块控制采用上位（PC）机+下位机（PLC）的联合控制。采集的模拟信号经过变换器输出电压或电流信号，经过A/D智能模块输出数字信号给PLC，经过控制器端对传感器信息的运算、存储、融合、处理、以及与PC的通讯；到选定寄存器以备PC读取，PLC运算结果发送到PC，经人机界面显示所测参数，当超过设定值驱动声光报警，完成与GSM模块连接，并采用GSM无线传输进行远程通信；远程监控端的手机采用收发短信的途径实现对现场的监控。整个系统结构如图1所示。

2 沼气工程远程监控系统数据采集端设计

2.1 主要器件 PLC选择14个输入点和10个输出点的西门子S7-200系列；采集模块，选用温度传感器PT100、PH值监测传感器PHG-1101、氧化还原电位监测传感器PHG-2101和流量传感器FFT-0050-150-1四个模拟信号采集传感器。选择与所选PLC同系列中的一个2路热电阻模拟输入模块6ES7 231-7PB22-0XA8和一个4入模拟量输入模块6ES7 231-OHC22-0XA8，完成对4个输入的模拟量的模数转换；采用西门子PLC专用的通信电缆。

2.2 控制器I/O地址分配 现场端在反应罐内所采集的四个模拟量需要用到控制器的四个数据输入口，启动、停止及遇到情况急停和复位按钮需要4个输入口作为控制开关。因此选择了S7-200PLC的CPU224模块中有14个数字量输入，10个数字量输出。所测温度模拟量，经过所选的一个2路热电阻模拟输入模块6ES7 231-7PB22-0XA8模数转换，PH值、流量及氧化还原电位三个模拟量，经过一个4入模拟量输入模块6ES7 231-OHC22-0XA8模数转换，完成对4个输入的模拟量的模数转换后传到所选择的四个输入口。

2.3 软件流程设计 本文设计的主程序要实现以下控制：把采集到的温度、PH值、流量及氧化还原电位信号在人机界面显示，被测信号超过设定值时声光报警，并发送报警数据到GSM模块。如图2所示。

在主程序的整个流程图中的关键就是要采集模拟信号及对采集到的信号处理，对于四个参数的采集及处理，分别用4个子程序完成数据实时处理，四个子程序的检测过程和控制流程相同；当采样值大于设定值时，把采样值与设定值相减，把结果称为偏差；当采样值小于设定值时，把设定值减去采样值计算出偏差。采集数据时总是会有某些干扰信号的存在，为了获得真实的数据进行测量和控制，对随机误差的处理除了要剔除跳变信号外，还常采用数字滤波法。如常用的数字滤波方法有：平均值滤波、中值滤波、限幅滤波和惯性滤波等。这些滤波方法不需要硬件设备，只需根据预定的滤波算法编制相应的程序即可达到目的，故实质上是程序滤波[4]。在STEP 7-MicroWIN V4.0 SP6环境下的梯形图语言编写完成。通过模拟量算法程序，使采集到的数据更精确。

3 系统监控中心设计

监控中心由一台电脑和监控管理软件组成。选用的具有RS-232串口的台式机或笔记本，并在上位机上安装实现人机界面的软件。PLC采集的数据传送到上位机，同时通过PC机设置控制参数传给PLC，构成一个以PC机为上位机监控人机接口界面。用组态王Kingview6.55作为开发工具，完成对人机交互界面的设计。功能框图如图3所示。

为了保证沼气工程自动监控系统的安全运行，对系统设置了登录画面时访问权限，同时给操作者分配了访问优先级和安全区，只有操作者的优先级大于对象的优先级且操作者的安全区在对象的安全区内时才可访问，否则不能访问。按照人员权限的不同划分为管理员组、技术员组、操作员组，各组权限独立，分工明确。

在总的实时监测画面进行实时显示所测参数数据，超过设定值指示灯报警，通过实时曲线、历史曲线、参数设定及退出系统按钮进入所对应功能画面。沼气远程监控系统工程现场总实时数据画面可以观察系统的运转状态，各检测参数超限的状态，流量、PH值等传感器的检测状态等。在图库管理器来设置开关、根据系统需要设置启动按钮、停止按钮、急停按钮、复位按钮以及进入其他监控画面，如参数设定、实时曲线、历史曲线等按钮。

4 数据远程通讯终端设计

4.1 硬件结构 借助GSM网络通过手机短信（SMS）数据传输形式实现组态王+PLC与用户（监控端）的远程交互平台，建立一个基于PLC的手机短信（SMS）无线传输数据监控系统。GSM模块选择西门子的TC35开发板，TC35模块集成了标准的RS232接口以及SIM卡。选用TC35开发板，还要选用用户识别模块SIM卡[5]，SIM卡上包含了所有的用户信息。TC35使用外接式SIM，ZIF连接器上有6个引脚作为SIM卡的接口，SIM卡上也有6个引脚分别与他们对应。

4.2 通讯终端的软件设计 为了将工业现场与当前的手机用户连接起来，我们选用组态王，组态王与GSM经过一定时间就进行数据交换，GSM把得到的信息传输到终端手机。TC35模块之间的通信沟通主要依靠AT命令。TC35本身相当于一个手机，在与远端终端建立联系时，需拨号、连接、收发短信、数据传输、断开连接等操作，这些操作均需用到相应的AT命令[5]。在本系统我们需要解决的是完成短信内容的编制、还有发送信息到远端的条件。

5 测试分析

5.1 数据采集模块测试分析 对数据采集模块进行调试时，要把采集模块连接后面章节介绍的监控主画面显示完成。人为设定环境条件，将传感器测得的数据与标准仪器测得数据进行比较，评价系统的响应性能。将温度传感器与标准温度计置于一个密闭容器内，在30分钟的时间内，对密闭容器进行加温、降温等操作，将传感器采集并经标度变换后的数值与标准仪器的读数进行对照，得出结果如表1所示。

室温25℃，取纯净水及普通饮用水做PH值测试，把纯净水倒入容器测量，并不断向容器内添加普通饮用水，多次测量，将传感器测得的数据与PH值仪器测得数据进行比较，评价系统的响应性能。将传感器采集并经标度变换后的数值与标准仪器的读数进行对照，得出结果如表2所示。

通过表1和表2可以看出，系统性能稳定可靠，显示结果可信。其余两个数据采集采取相应方法进行调试。对于报警的测试，就是把所测参数人为超过设定的值，主界面上的相应报警指示灯亮，可知超限报警功能可以实现。

5.2 测试及性能分析

5.2.1 人机画面运行测试 报警功能测试，取温度参数作为测试对象，把所测密闭容器的温度升高或降低至上下限值，观察到报警灯亮，到报警画面可观察报警时间和具体报警信息。

5.2.2 双向控制功能测试 主要是检查仿真界面与设备上实现的双向控制功能。通过按下设备上的实际按钮观察主画面中启动、停止及显示等模拟运行情况；也可点击主画面上启动、停止按钮观察实际设备的运行情况。有时测试发现实际测的数据和画面显示的数据不同时，即画面的显示有滞后现象。

5.3 GSM通讯终端测试分析 给开发板供上12v直流电源后，板子上LD1点亮，SIM找到网络信号成功注册后，此时会看到指示灯LD2一闪一秒，亮、灭间隔时间相同，此状态表明TC35正处于搜寻网络状态。当LD2出现短灭、常亮的状态时，表明TC35已经搜寻到网络信号，处于待机状态。此时可以通过手机发送指令通过TC35模块接收来实现对PLC的控制，进而实现对继电器的控制。当通讯成功时返回手机短信为“OK”。

本文通过测试发现解决出现的问题，增强系统的稳定性与可靠性。把远程监控系统应用到工程项目当中，将会取得良好的社会和经济效益。中国的工程远程监控系统有着巨大的研究价值，可以不断完善该方案，结合实际经验和实际需要，对系统的可靠性和对外部条件的适应性进行研究。

参考文献：

[1]陈瑜，王孟效，汤伟.PLC控制系统中模拟量信号采样和滤波及其Step7语言实现[J].电气自动化，2006，28（5）：168-171.

[2]李明，任飞，章振.基于GSM与组态的PLC双层监控系统[J].工矿自动化，2012（6）：90-92.

[3]刘红TC35无线模块的数据传输实现[J].电信工程技术与标准化，2007（3）：61-63.