基于GPRS的加热炉点火器远程监控系统设计

陈 红 赵金峰

（武钢工程技术集团计控公司 湖北 武汉 ４３００８０）

摘 要：针对加热炉点火器设备分散，距离操作室较远的特点，设计一套基于ＧＰＲＳ的加热炉点火器远程监控系统。重点介绍了监控中心的软硬件设计。监控中心通过ＲＳ４８５通讯与各点火器交换数据，使用ＳＩＭ９００模块通过ＧＰＲＳ网络与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ建立连接。最终实现底层点火器与Ｗｅｂ客户端的数据交换，达到对加热炉点火器无线远程监控的目的。

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关键词 ：点火器；ＲＳ４８５；ＳＩＭ９００；ＧＰＲＳ；远程监控

中图分类号：TP277 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．10．０41

收稿日期：２０１5－03－16

在国内外冶金行业领域，由于加热炉温有较高的温控精度要求，并且需按一定的规律进行升温、保温等，所以各冶金企业都会使用点火器来精确控制其加热炉温度。点火器按生产工艺要求，人为控制其工作方式。由于点火器分布于加热炉区各段，设备分散，并且有时距离操作室较远，需要铺设的电缆较长，同时还需要考虑现场的实际情况来施工，所以给点火器的安装和后期改造以及维护工作带来不便，并且成本较高。随着网络技术的发展，加热炉点火器的远程监控已经成为一种趋势。通过远程监控，技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制加热炉点火器的运行状态和采集各种参数，使操作人员“虚拟”地出现在许多监控地点，实现对点火器的远程监控。利用现有的ＧＰＲＳ网络资源，可节约远程监控网络构架成本，充分展现ＧＰＲＳ在远程监控应用中的优越性。

１ 系统总体结构设计

在基于ＧＰＲＳ的加热炉点火器远程监控系统设计中，整个系统的结构方式如图１所示。

加热炉点火器工作方式、火焰信号和报警数据通过ＲＳ４８５通讯和数据处理单元交换数据，数据处理单元由ＳＩＭ９００模块通过ＧＰＲＳ无线网络连接到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ数据服务器，授权用户通过Ｗｅｂ浏览器登陆数据中心最终完成与底层点火器的数据交换。ＧＰＲＳ通讯单元采用ＳＩＭＣＯＭ公司推出的ＳＩＭ９００模块，该模块内嵌ＴＣＰ／ＩＰ协议。数据处理单元采用高性能单片机Ｃ８０５１Ｆ３４０，Ｃ８０５１Ｆ３４０拥有两个串口ＵＡＲＴ０和ＵＡＲＴ１，其中ＵＡＲＴ０通过４８５通讯与各加热炉点火器交换数据，ＵＡＲＴ１与各ＳＩＭ９００模块相连。Ｃ８０５１Ｆ３４０通过ＵＡＲＴ１使用ＡＴ指令控制ＳＩＭ９００模块，以实现模块的网络登录以及数据的发送与接收。

２ 加热炉点火器介绍

加热炉点火器是本系统的监控对象。加热炉点火控制器一般都由点火变压器；火焰探测器、温度传感器；空气阀、煤气阀等组成。详见图２加热炉点火器功能图。由于不同加热炉对炉内温度有不同的要求，具体表现在点火及开阀时间有的不同，这些都由客户端操作人员通过选择点火器的工作方式来满足不同的生产工艺要求。

３ 监控中心硬件设计

数据处理单元负责把客户端命令发送给点火控制器，以及由ＳＩＭ９００模块经ＧＰＲＳ网络把火焰信号和报警信号发送给客户端。

３．１ 监控中心总体方案设计

监控中心总体设计技术方案如图３所示。Ｃ８０５１Ｆ３４０是整个系统的核心部分，外围包括ＲＳ２３２接口电路、ＲＳ４８５接口电路、ＳＩＭ９００ ＧＰＲＳ模块、电源电路、地址码设定电路、键盘电路和显示屏电路。Ｃ８０５１Ｆ３４０负责系统的运行、信息数据的处理，以及与外部扩展单元的通信，并完成与各个模块的接口和通信工作。

３．２ 部分关键电路设计

３．２．１ ＲＳ４８５接口电路

ＲＳ４８５接口电路如图４所示。把Ｃ８０５１Ｆ３４０串口０设置为异步通讯口，外接ＳＮ６５ＡＬＳ１７６Ｄ芯片转换成４８５总线信号，为了实现总线与单片机系统的隔离，在单片机和ＳＮ６５ＡＬＳ１７６Ｄ之间采用光耦隔离。考虑到现场各种形式的干扰源，在４８５总线的输出端采用稳压管组成吸收回路。在ＳＮ６５ＡＬＳ１７６Ｄ的４８５信号输出端串联两个电阻，这样总线上的分机硬件故障就不会使整个总线的通讯受到影响。由于４８５通讯载体是双绞线，它的特性阻抗是１２０Ω左右，所以在４８５网络传输线的始端和末端接１只１２０Ω的电阻，以减少线路传输信号的反射。

３．２．２ ＳＩＭ９００模块的电源电路

ＳＩＭ９００模块采用３．４－４．５Ｖ的单电源供电，在一些情况下，信号传输的猝发会导致电压跌落，这时电流损耗的峰值会达到２Ａ，因此，电源必须提供到足够２Ａ的电流。同时，为了增强电源工作的稳定性，在输入端和输出端分别增加电容，布线的时候电容要离ＶＢＡＴ足够近，电源线尽量宽，足够短。图５为ＳＩＭ９００模块的参考电源电路。输出电压（ＶＢＡＴ）为４Ｖ。

３．２．３ ＳＩＭ９００模块的串口通信电路

ＳＩＭ９００模块的串口引脚定义如表１所示。

Ｃ８０５１Ｆ３４０和ＳＩＭ９００模块串口都采用全双工工作模式。根据传统的ＤＣＥ－ＤＴＥ连接方式，Ｃ８０５１Ｆ３４０和ＳＩＭ９００模块的串口连接如图６所示。

３．２．４ ＳＩＭ９００模块ＳＩＭ卡电路

ＳＩＭ３００模块支持外扩ＳＩＭ 卡，ＳＩＭ卡的接口电平由模块内电压稳压器提供，正常电压值为２．８Ｖ或１．８Ｖ，模块自动检测和匹配电压适应ＳＩＭ卡类型。复位后，所有引脚输出低电平。ＳＩＭ卡接口引脚定义如表２所示。

按是否需使用ＳＩＭ＿ＰＲＥＳＥＮＣＥ引脚来检测ＳＩＭ卡存在，可分为６脚的ＳＩＭ卡电路和８脚的ＳＩＭ卡电路，该系统使用６脚的ＳＩＭ卡，不使用ＳＩＭＰＲＥＳＥＮＣＥ引脚，故将其悬空或接地。图７为ＳＩＭ卡接口电路，为了保护ＳＩＭ卡，使用ＳＭＦ０５Ｃ做静电保护。在Ｉ／Ｏ口串入２２Ω的电阻用于匹配模块和ＳＩＭ卡之间的阻抗，在ＰＣＢ布线时，ＳＩＭ卡的外围电路器件应该靠近ＳＩＭ卡座。对于６引脚卡座，使用Ａｍｐｈｅｎｏｌ Ｃ７０７ １００Ｍ００６ ５１２ ２型号卡座。

４ 监控单元软件设计

４．１ ＳＩＭ９００模块的网络连接

Ｃ８０５１Ｆ３４０通过串口１向ＳＩＭ９００模块发送ＡＴ指令控制ＳＩＭ９００模块进行Ｉｎｔｅｒｎｅｔ连接。从而与服务器建立ＴＣＰ／ＩＰ连接，实现数据的传输。本系统用到的ＡＴ指令如表３所示。

ＳＩＭ９００模块接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ进行ＴＣＰ／ＩＰ连接的程序流程图如图８所示。

４．２ ＳＩＭ９００模块数据接收和发送程序设计

利用ＳＩＭ９００模块发送和接收数据是Ｃ８０５１Ｆ３４０单片机通过串口发送ＡＴ指令来操控。在发送数据的过程中，每次发送数据要先检查网络是否连接正常，如果网络没有连接，要先连接网络。然后执行发送数据操作，发送数据流程图如图９所示。如果ＳＩＭ９００有数据发送过来，首先单片机会发送一个接收数据长度指令，收到应答后就可以读取串口缓存器内的数据。数据接收程序流程图如图１０所示。

４．３ 数据处理单元主程序设计

数据处理单元的主要任务是采集点火器数据，接收Ｗｅｂ客户端的命令数据，最终实现双方的数据交换。ＳＩＭ模块的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ连接，数据的发送和接收都是通过数据处理单元利用ＡＴ指令来完成。由于ＧＰＲＳ网络本身的特点，如果网络长时间无数据通信，模块会被强行踢下网络，因此需要数据处理单元对模块的网络状态定时检查，维持通信链路。数据的接收采用中断的形式来实现，有ＳＩＭ９００模块数据传输过来，单片机就执行中断服务程序，实现ＧＰＲＳ数据的接收。图１１为数据处理单元的主程序流程图。

５ 测试

测试表明，该数据处理单元可通过ＧＰＲＳ网络快速与远程数据监控中心服务器进行连接，并稳定地与服务器进行数据通信。图１２为数据处理单元与数据服务器成功连接后的登录显示界面。

６ 结论

本设计对于加热炉点火器的远程监控有重要意义，很好的解决了集中监控，分散工作的问题。本系统利用ＳＩＭ９００模块连接远程服务器实现了数据的无线远程传输。数据的传输不用再专门铺设电缆和搭建专用网络，利用现有的ＧＰＲＳ通讯资源，大大降低了成本。同时对于后期的维护也带来了便利。

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参考文献

１李华．现代移动通信新技术：ＧＰＲＳ系统［Ｍ］．广州：华南理工大学出版社，２００１

２鲍可进．ＳＯＣ单片机原理与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０１１

（责任编辑 何 丽）