基于4G通信实现气象站柴油发电机组远程硬件控制系统

邓 圣，张初江，陈利芳，余焰文，黄丹萍

(抚州市气象局，抚州 344000)

0 引言

随着气象、水利和工厂等领域技术的迅猛发展，对相关设备、仪器的自动化运行和不间断供电需求也不断提高，为了保障效率和运行稳定，对设备持续供电以支撑运行也逐渐常态化[1]。

当前，柴油发电机作为最经济实用的常规备用电源在各个行业中得到普遍应用。在各项技术取得突破性进展前，柴油发电机将占据主导地位。但是传统的柴油发电机维护维修完全依靠人工定期现场巡检[2]，对发电机运行状态的监控也主要依赖人工现场查看。随着人工成本的不断提高，以及需要管理的柴油发电机数量逐渐增多，人力和物力的大量投入成为了亟需解决的问题。此外国家高度重视和推动智能化观测的发展，柴油发电机组远程硬件控制技术符合国家要求[3]。曹春泉[4]、李红雷[5]、陈安[6]、魏建林[7]、许峰[8]、曾春祥[9]等针对柴油机远程控制的应用及相应的平台进行了深入研究；闫佩豪[10]、黄东升[11]等分别对柴油发动机的过程控制策略及排气噪声的控制等进行了研究。文章将在以上研究的基础上，进行基于4G通信的柴油发电机组远程硬件控制系统的研发，旨在减少人工操作，进一步提高运行维护效率。

1 研究内容

为了有效实现柴油机组远程硬件的控制，文章研发了一款基于4G通信的柴油发电机组远程硬件控制系统，该系统主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分由柴油发电机组远程智能控制装置构成；软件部分由用户计算机的上位机软件或移动客户端软件来实现其功能。该系统包括远程通信硬件、远程监控和远程智能控制3方面研发。

1.1 远程通信硬件研发

通过远程通信硬件开发，使通信设备和柴油发电机通信端口匹配，从而实现发电机组运行状况参数的远程监测；用户可通过远程设备发送命令操作发电机组，实现远程维护和保障。此外，技术人员还可以第一时间访问云服务器，获取4G无线远程智能控制装置记录的数据并进行远程分析诊断，减少了维修维护时间，节省了人员经费，提高了工作效率和质量。

1.2 远程监控研发

远程监控主要是利用无线数据传输技术远程监控柴油发电机组的运行情况。通过无线传输技术实现移动客户端与柴油发电机组的通信连接，并通过移动客户端实现远程监控。移动客户端一般可实现远程启动运行和停止运行功能，且能够实时自动监测柴油发电机组的油压、水温、转速、负载状态、电池电压、三相线电压和三相相电压等参数，当出现设备异常或者数据异常时，可实时推送报警数据。

1.3 远程智能控制研发

远程智能控制硬件可实现对柴油发电机组的按键操作，从而远程监控发电机组的运行情况。当发电机组出现异常时，利用远程智能控制硬件，基于TCP/IP通信协议，发送相应控制命令对柴油发电机组进行远程控制。

2 柴油发电机组远程硬件控制装置设计

柴油发电机组远程硬件控制装置设计主要包括发电机控制硬件、4G无线远程智能控制装置和远程故障诊断3方面设计。

2.1 发电机控制硬件的设计

1)基于发电机专用的云控制器(定制)QX10为核心电控技术系统，利用云服务器和用户信息终端组成一个完整的云发电机组；

2)以定制的4G无线远程智能控制装置为技术核心系统，发电机组控制器、云服务器和用户信息终端组成一套完整的云发电机组。

2.2 4G无线远程智能控制装置设计

图1为基于4G柴油发电机组远程智能控制装置结构图，其主要通过基站将控制数据发送至Internet网，并将Internet网数据转发至发电机控制器。在此过程中，使用4G无线远程智能控制装置DTU无线数据模块，通过Internet网4G无线传输技术和云数据中心连接远端计算机或移动客户端，解决了RS-232通信串口设备只能短距离连接计算机的问题，此方法适合在偏远地区及需要开展无人值守的领域应用。

图1 柴油发电机组远程智能控制装置

该装置DTU无线数据模块基于ARM平台和MCU中央处理器嵌入式操作系统，提供标准的RS-232，RS-485，CAN总线通信串口，可以与发电机控制器快速连接，通过4G无线网络技术将与无线远程智能控制装置DTU无线数据模块相连的设备数据通过Internet传输到主机和移动客户端，实现实时数据远程传输功能。此外还可以通过用户计算机或移动客户端的软件远程监控发电机组运行实时数据和自动监测柴油发电机组的油压、水温、转速、电池电压、三相线电压和三相相电压等重要参数，从而及时全面地掌握发电机组的健康状况。

2.3 远程故障诊断设计

远程故障诊断主要是通过软件(用户计算机的上位机软件和移动客户端软件)来实现，当发电机组出现无法及时排除的故障时，技术人员可以通过软件第一时间访问云服务器，获取4G无线远程智能控制装置记录的数据并进行远程分析诊断，达到在最短时间内判断出故障问题的目的，减少维修维护时间和节省人员经费，提高了工作效率和质量。

3 业务中的实际应用效果

目前该系统已投入到抚州地区进行业务运行测试，通过移动客户端和电脑对柴油发电机组启动高达80多次，成功率100%，并有效地实时自动监测柴油发电机组的油压、水温、转速、负载状态、电池电压、三相线电压和三相相电压等参数，参数指标均正常，为全省乃至全国气象站柴油发电机组远程控制提供了借鉴。

以抚州市新一代天气雷达站柴油发电机组远程控制为例，测试时间为2021-08-29T15：01，测试运行时长为6 h 31 min，通过其移动客户端软件查询历史数据。当柴油发电机组自动发电时，手机会接收到短信通知，随后通过移动客户端查看柴油发电机组各项要素参数，如油压、三相相电压、水温、转速、电池电压、发电频率等各项参数指标都显示正常。当运行6 h 31 min后，柴油发电机组自动关闭，手机也收到相关短信。可以看出该设备运行正常，各项参数指标均在正常范围内。

以抚州市机场观测站柴油发电机组远程硬件控制为例，测试时间为2021-09-14T07：27，测试运行时长为10 h 40 min，通过其移动客户端软件查询历史数据。当柴油发电机组自动发电时，手机收到短信通知，随后通过移动客户端查看柴油发电机组各项要素参数，当运行10 h 40 min后，柴油发电机自动关闭，手机也收到相关短信。可以看出该设备运行正常，各项参数指标均在正常范围内。

4 结束语

文章基于当前的4G无线网络通信信息技术，利用发电机组硬件控制器和4G无线远程智能控制装置(DTU)，通过电脑端和移动客户端构建远程设备和发电机组的实时通信连接，实现对发电机组实时运行状态的持续同步远程监控和控制。该系统可在监控到运行异常时，第一时间通过电脑端和移动客户端发出操作指令对柴油发电机组进行远程操作，提高了柴油发电机组的运维效率。