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基于嵌入式的煤層氣排采遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

（浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 朱楓 310018）

摘要：針對(duì)一些地區(qū)煤層氣井分布較遠(yuǎn)，難于管理等問(wèn)題，對(duì)無(wú)線傳輸技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了研究，杭州邦維流體技術(shù)有限公司提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)、觸摸屏、GPRS遠(yuǎn)程傳輸模塊、服務(wù)器及客戶端的煤層氣排采遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案。首先介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端和服務(wù)器，其次描述了該系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程，以ARM為控制核心的嵌入式硬件平臺(tái)，以數(shù)據(jù)服務(wù)器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。zui后對(duì)煤層氣排采遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行了測(cè)試。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠使煤層氣井的生產(chǎn)信息在現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程集中顯示，具備實(shí)時(shí)監(jiān)控，查詢歷史數(shù)據(jù)等功能，滿足了煤層氣排采監(jiān)控的要求。

關(guān)鍵詞：煤層氣排采；嵌入式；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Coalbed gas extracting remote monitoring system which was based on embedded system

 (School of mechanical and automatic control, Zhejiang Sci-Tech University, ZhuFeng 310018)

Abstract: aimed at the problems as coalbed wells distribute in far distance in some areas, difficult to manage, wireless data transmission technology and remote monitoring technology have been studied. A solution based on embedded system, touch screen, GPRS remote data transmission modular, server and client was presented. The structure of this system was introduced first, which includes data collector node, field terminal and server. The design process of this system was described then. The system uses embedded system whose CPU is ARM as hardware platform, uses server as data storage unit. Real time monitor function and remote monitor function were tested in extracting field at last. The result of the study indicates that the system can display the extracting information in extracting field and remote, has functions as real time monitoring, historical data querying and so on, which satisfies the demands of coalbed gas extracting.

Keywords: coalbed gas extracting, embedded system, remote monitoring

0 引言

煤層氣作為一種潛力巨大且潔凈的補(bǔ)充能源，以及其主要呈吸附賦存狀態(tài)而有別于常規(guī)天然氣的獨(dú)立化石能源新礦種,受到世界上近30個(gè)國(guó)家或地區(qū)的高度關(guān)注[1]。然而煤層氣排采都未成體系，在煤層氣的抽放和利用自動(dòng)監(jiān)控方面與國(guó)內(nèi)外同類行業(yè)相比，還存在著相當(dāng)大的差距[2]。我國(guó)的煤層氣排采傳輸工藝處于開(kāi)發(fā)前期實(shí)驗(yàn)階段，煤層氣田生產(chǎn)屬于野外作業(yè)，氣井?dāng)?shù)量多、井距小、分布地域廣闊，靠人工巡井的方法工作量太大，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，因此需要研究建立一套適合于煤層氣田開(kāi)發(fā)的低成本的地面數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)[3]。煤層氣排采方式眾多，不同排采方式的生產(chǎn)信息、定量化指標(biāo)和調(diào)控參數(shù)各不相同，需要多種定量化排采與自動(dòng)調(diào)控技術(shù)[4]。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)）的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可應(yīng)用于電力，給水，石油，化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制及過(guò)程控制[5]。本文吸取了常用SCADA系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，考慮到煤層氣采集傳輸這一特定生產(chǎn)環(huán)境的要求，在實(shí)用性和安全性上對(duì)SCADA系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并結(jié)合了GPRS遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，再以網(wǎng)頁(yè)和客戶端的形式供用戶查看，使煤層氣的生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，降低了人力成本，具有擴(kuò)展性強(qiáng)，跨平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)。

1 煤層氣排采監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的功能需求分析

為了提高煤層氣生產(chǎn)的信息化管理和生產(chǎn)水平，設(shè)計(jì)一套完善的煤層氣排采遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是*的。該系統(tǒng)應(yīng)包含以下功能：用戶可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的煤層氣排采進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和指令控制，包括現(xiàn)場(chǎng)操作人機(jī)終端和遠(yuǎn)程控制人機(jī)終端；用戶可以在遠(yuǎn)程查看詳細(xì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并設(shè)置警告功能；用戶可以根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)置自動(dòng)排采功能。系統(tǒng)還應(yīng)提供簡(jiǎn)潔美觀的人機(jī)界面，提供煤層氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析和曲線的繪制，具有可靠性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。

根據(jù)以上需求分析，煤層氣監(jiān)控系統(tǒng)主要可以分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端和服務(wù)器三個(gè)部分，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)和現(xiàn)場(chǎng)的儀表進(jìn)行通信，采集儀表的數(shù)據(jù)；現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的集中顯示和遠(yuǎn)程傳輸，服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和傳遞指令。

1.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)煤層氣現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，煤層氣排采使用的儀表包括流量計(jì)，壓力計(jì)，套壓表，變頻器等，所要采集并顯示的信息主要有：環(huán)境壓力，環(huán)境溫度，氣體工況流量，氣體標(biāo)況流量，氣體總流量；井底壓力，井底溫度；變頻器輸出頻率，變頻器設(shè)定頻率，電機(jī)電壓，電機(jī)電流；套壓等。現(xiàn)場(chǎng)的同一類型的儀表也包含不同廠家的產(chǎn)品，但一般都提供485接口，因此每個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)提供若干485接口作為采集接口，和現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端的通信使用CAN總線，每次數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)將要一個(gè)采集數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給人機(jī)終端，根據(jù)幀ID區(qū)別發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1  數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.3 現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端的功能是顯示數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并發(fā)送到服務(wù)器；接收服務(wù)器傳遞的控制指令和將指令下發(fā)到數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到監(jiān)控煤層氣排采過(guò)程的目的。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端的功能要求，需要具備采集、控制、通訊等功能，兼具無(wú)線和總線通訊功能，支持標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)儀表的統(tǒng)一通訊。

現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，數(shù)據(jù)上傳的過(guò)程：通過(guò)CAN總線讀取數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)觸摸屏顯示，通過(guò)GPRS無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，客戶端讀取服務(wù)器的數(shù)據(jù)并顯示；指令下發(fā)的過(guò)程：客戶端向服務(wù)器發(fā)送指令，服務(wù)器將指令傳遞給GPRS無(wú)線模塊，人機(jī)終端將數(shù)據(jù)讀取后通過(guò)CAN總線向數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)將指令發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)儀表。 

圖2  現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端硬件結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端使用底層SDK開(kāi)發(fā)，為了方便現(xiàn)場(chǎng)人員的操作與調(diào)試，其包括主界面、系統(tǒng)設(shè)置、運(yùn)行設(shè)置、系統(tǒng)升級(jí)等界面。

主界面：顯示現(xiàn)場(chǎng)儀表的各參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

圖3 人機(jī)終端主界面

系統(tǒng)設(shè)置：可設(shè)置本機(jī)號(hào)碼和服務(wù)器地址，現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端的工作模式（包括遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程傳輸），現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔等；

圖4 人機(jī)終端系統(tǒng)設(shè)置界面

運(yùn)行設(shè)置：包括手動(dòng)設(shè)置頻率和兩種自動(dòng)排采模式及相應(yīng)模式的參數(shù)設(shè)置；

圖5 人機(jī)終端運(yùn)行設(shè)置界面

系統(tǒng)升級(jí)：現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端硬件上提供USB口，方便控制系統(tǒng)的升級(jí)。

圖6 人機(jī)終端系統(tǒng)升級(jí)界面

1.4 遠(yuǎn)程服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

用戶需要查看煤層氣井的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，以便分析氣井的狀況，每一次采集的數(shù)據(jù)包含十多個(gè)字段，每次采集的時(shí)間不超過(guò)一分鐘，并且歷史數(shù)據(jù)需要長(zhǎng)期保存，因此使用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理這些數(shù)據(jù)能夠安全性得到保障，也減少了管理數(shù)據(jù)的工作量，數(shù)據(jù)庫(kù)安裝在遠(yuǎn)程服務(wù)器上，現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端通過(guò)GPRS無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

本文采用了性能較高的My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)的查詢與存儲(chǔ)主要由6張表組成，包括：登錄、參數(shù)、設(shè)置、日志和用戶權(quán)限，其中“登錄”表格存放用戶名和密碼；“參數(shù)”表格存放現(xiàn)場(chǎng)儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；“設(shè)置”表格存放各人機(jī)終端的設(shè)置信息；“日志”表格存放日志，包括出錯(cuò)等信息；“用戶權(quán)限”表格存放各用戶的用戶權(quán)限，包括能否修改用戶密碼等。

圖7 數(shù)據(jù)庫(kù)各表結(jié)構(gòu)圖

1.5 客戶端設(shè)計(jì)

服務(wù)器上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)zui終要呈現(xiàn)給用戶，本研究采用的是網(wǎng)頁(yè)形式，由服務(wù)器和瀏覽器構(gòu)成B/S結(jié)構(gòu)，具有數(shù)據(jù)查詢、自動(dòng)報(bào)警、生產(chǎn)控制和自動(dòng)排采等功能，使數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和界面的修改更便捷。

數(shù)據(jù)查詢：用戶需要的主要功能就是生產(chǎn)數(shù)據(jù)的讀取，包括歷史數(shù)據(jù)的表格顯示和曲線圖顯示，曲線圖顯示的方式使生產(chǎn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)一目了然，在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能夠快速發(fā)現(xiàn)；表格的形式可以顯示特定時(shí)間點(diǎn)各個(gè)生產(chǎn)參數(shù)的具體數(shù)值，便于記錄。

自動(dòng)報(bào)警：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)有異常時(shí)，比如油壓過(guò)低，水溫過(guò)高等，網(wǎng)頁(yè)將產(chǎn)生自動(dòng)報(bào)警信息，提示用戶，避免發(fā)生生產(chǎn)事故而造成經(jīng)濟(jì)損失。

生產(chǎn)控制：網(wǎng)頁(yè)為用戶提供現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)控制的功能，用戶可以在編輯框中輸入電機(jī)運(yùn)行的頻率，選擇電機(jī)啟動(dòng)或者停止按鈕，來(lái)對(duì)電機(jī)完成控制。

自動(dòng)排采：通過(guò)PID控制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的頻率進(jìn)行控制，保證每天的產(chǎn)氣量保持在穩(wěn)定的水平，但是排采相關(guān)的參數(shù)較多，自動(dòng)排采功能還需要不斷完善。

2 系統(tǒng)測(cè)試

目前本系統(tǒng)已在山西某地煤層氣井投入試用，通過(guò)與流量計(jì)，壓力表等儀表的連接，讀取煤層氣排采的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)與煤層氣井的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（變頻器）通訊，控制電機(jī)的運(yùn)行頻率，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)某些時(shí)段會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的狀況，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分有待改進(jìn)，對(duì)變頻器的控制上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差，具體問(wèn)題需要向變頻器廠家詢問(wèn)，網(wǎng)頁(yè)查看數(shù)據(jù)的結(jié)果如下圖所示。

圖8 網(wǎng)頁(yè)瀏覽排采實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)今信息化的時(shí)代，煤層氣的開(kāi)采向網(wǎng)絡(luò)化，信息化的方向發(fā)展已是必然趨勢(shì)。該系統(tǒng)由杭州邦維流體技術(shù)有限公司與浙江理工大學(xué)共同研發(fā)成功，并在山西中聯(lián)煤層氣得到了實(shí)地使用驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤層氣排采的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，將煤層氣的生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端和用戶，方便了煤層氣生產(chǎn)的集中監(jiān)控及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，降低了煤層氣數(shù)據(jù)監(jiān)控的成本，提高了安全系數(shù)。本系統(tǒng)支持多種智能儀表，有較好的跨平臺(tái)能力，適合在地理環(huán)境復(fù)雜，氣井分布稀疏的情況下使用。

由于地理環(huán)境，信號(hào)發(fā)射塔的設(shè)立地點(diǎn)等因素，數(shù)據(jù)傳輸有時(shí)會(huì)有不穩(wěn)定的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)中斷的時(shí)間從幾十秒到幾分鐘不等；目前，本系統(tǒng)尚需外接電源供電，通信的質(zhì)量也與供電的質(zhì)量相關(guān)，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的供電電源有一定要求，嵌入式設(shè)備的電源管理作為保證性能的一個(gè)重要方面，正在成為理論研究的熱點(diǎn)，低功耗設(shè)計(jì)也成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)[6]；在今后的研究中，筆者將重點(diǎn)尋求將這些問(wèn)題的妥善解決方法。系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端目前缺乏存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)的功能，是否需要添加尚在考慮之中。

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