摘  要： 針對(duì)某些地區(qū)煤層氣井分布較遠(yuǎn)，難于管理等問題，對(duì)無線傳輸技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了研究，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)。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)過程，最后對(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；嵌入式系統(tǒng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

　　煤層氣作為一種潛力巨大且優(yōu)質(zhì)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)立化石能源新礦種特性，受到世界上近30個(gè)國(guó)家或地區(qū)的高度關(guān)注[1]。然而煤層氣的采集和傳輸都未成體系，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)的煤層氣采集傳輸工藝處于開發(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)中存在的問題，因此需要研究建立一套適合于煤層氣田開發(fā)的低成本的地面數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)[3]。煤層氣井的排采方式眾多，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)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)是必不可少的。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)與現(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?，F(xiàn)場(chǎng)同一類型的儀表包含不同廠家的產(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。與現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端的通信使用CAN總線。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)將每次采集到的數(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)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　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)控煤層氣排采過程的目的。

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

　　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)上傳的過程：通過CAN總線讀取數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)；通過觸摸屏顯示；通過GPRS無線模塊將數(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無線模塊；人機(jī)終端讀取數(shù)據(jù)后通過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。

　　現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端使用底層SDK開發(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)。如圖3所示。

　　系統(tǒng)設(shè)置界面可設(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。如圖4所示。

　　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。如圖5所示。

　　系統(tǒng)升級(jí)界面如圖6所示?，F(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)。

　　1.4 遠(yuǎn)程服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫設(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1 min，并且歷史數(shù)據(jù)需要長(zhǎng)期保存，因此使用數(shù)據(jù)庫來管理這些數(shù)據(jù)能夠使安全性得到保障，減少數(shù)據(jù)管理的工作量。數(shù)據(jù)庫安裝在遠(yuǎn)程服務(wù)器上，現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)終端通過GPRS無線模塊將數(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。

　　本文采用了性能較高的MySQL數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)的查詢與存儲(chǔ)主要由5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”表存放用戶名和密碼；“參數(shù)”表存放現(xiàn)場(chǎng)儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；“設(shè)置”表存放各人機(jī)終端的設(shè)置信息；“日志”表存放日志，包括出錯(cuò)等信息；“用戶權(quán)限”表存放各用戶的權(quán)限，包括能否修改用戶密碼等。圖7給出了數(shù)據(jù)庫各表結(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)最終要呈現(xiàn)給用戶。本研究采用網(wǎng)頁形式，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，曲線圖顯示使生產(chǎn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)一目了然，在出現(xiàn)問題時(shí)能夠快速發(fā)現(xiàn)；表格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)，比如油壓過低、水溫過高等，網(wǎng)頁將產(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，完成對(duì)電機(jī)控制。

　　自動(dòng)排采：通過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）通信，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；無線數(shù)據(jù)傳輸部分有待改進(jìn)；對(duì)變頻器的控制有時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差，具體問題需要向變頻器廠家詢問。網(wǎng)頁查看數(shù)據(jù)的結(jié)果如圖8所示。

3 結(jié)束語

　　在當(dāng)今信息化時(shí)代，煤層氣的開采向網(wǎng)絡(luò)化、信息化的方向發(fā)展已是必然趨勢(shì)。本研究提出的煤層氣排采遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)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，通過無線傳輸?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，通信質(zhì)量與供電質(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，以上問題的妥善解決將是重點(diǎn)研究方向。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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