朱楓，張建義，袁嫣紅

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江杭州310018）

基于嵌入式系統(tǒng)的煤層氣排采遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

朱楓，張建義，袁嫣紅

（浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江杭州310018）

針對某些地區(qū)煤層氣井分布較遠(yuǎn)，難于管理等問題，對無線傳輸技術(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，最后對煤層氣排采遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行了測試。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。

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監(jiān)控方面與國內(nèi)外同類行業(yè)相比，還存在著相當(dāng)大的差距[2]。我國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：用戶可以對現(xiàn)場的煤層氣排采進(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)置自動排采功能。系統(tǒng)還應(yīng)提供簡潔美觀的人機(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)場的儀表進(jìn)行通信，采集儀表的數(shù)據(jù)；現(xiàn)場人機(jī)終端負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場的集中顯示和遠(yuǎn)程傳輸；服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)和傳遞指令。

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

對煤層氣現(xiàn)場的實(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。

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

1.3 現(xiàn)場人機(jī)終端設(shè)計(jì)

現(xiàn)場人機(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)場儀表的統(tǒng)一通信。

現(xiàn)場人機(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)場儀表。

圖2 現(xiàn)場人機(jī)終端硬件結(jié)構(gòu)圖

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

主界面顯示現(xiàn)場儀表的各參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如圖3所示。

圖3 人機(jī)終端主界面

系統(tǒng)設(shè)置界面可設(shè)置本機(jī)號碼和服務(wù)器地址、現(xiàn)場人機(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。

圖4 人機(jī)終端系統(tǒng)設(shè)置界面

運(yùn)行設(shè)置包括手動設(shè)置頻率和兩種自動排采模式及相應(yīng)模式的參數(shù)設(shè)置。如圖5所示。

圖5 人機(jī)終端運(yùn)行設(shè)置界面

系統(tǒng)升級界面如圖6所示?，F(xiàn)場人機(jī)終端硬件上提供USB口，方便控制系統(tǒng)的升級。

圖6 人機(jī)終端系統(tǒng)升級界面

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。

圖7 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、自動報(bào)警、生產(chǎn)控制和自動排采等功能，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。

自動報(bào)警：當(dāng)現(xiàn)場的生產(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)啟動或者停止按鈕，完成對電機(jī)控制。

自動排采：通過PID控制對現(xiàn)場電機(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，自動排采功能還需要不斷完善。

2 系統(tǒng)測試

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)動器（變頻器）通信，控制電機(jī)的運(yùn)行頻率。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，某些時(shí)段會出現(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)；對變頻器的控制有時(shí)會出現(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。

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

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。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，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、信號發(fā)射塔的設(shè)立地點(diǎn)等因素，數(shù)據(jù)傳輸有時(shí)會有不穩(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)，因此對現(xiàn)場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)場人機(jī)終端目前缺乏存儲歷史數(shù)據(jù)的功能，是否需要添加尚在考慮之中。

[1]秦勇.中國煤層氣地質(zhì)研究進(jìn)展與述評[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2003，9（3）：339-352.

[2]周翔，蒲毅，余成偉，等.MDM95型瓦斯抽放及利用集散監(jiān)控系統(tǒng)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2003，30（3）：14-16.

[3]臧振勝.數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)在煤層氣田地面集輸工藝中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表，2011（9）：53-56.

[4]丁閏，溫欣，葛藤.煤層氣井監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)方案及其應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2010，38（5）：19-22.

[5]韓冰，李芬華.GPRS技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2003，30（8）：26-29.

[6]李保宇.嵌入式系統(tǒng)的低功耗研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

Coalbed gas extracting remote monitoring system based on embedded system

Zhu Feng，Zhang Jianyi，Yuan Yanhong
（School of Mechanical and Automatic Control，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

Aiming at the problems that coalbed wells distribute in far distance in some areas，and are 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 were presented.Firstly，the structure of this system was introduced，which includes data collector node，field terminal and server.Then，the design process of this system was described.At last，real time monitor function and remote monitor function were tested in extracting field.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.

coalbed gas extracting；embedded system；remote monitoring

TP29

A

1674-7720（2015）13-0091-03

2015-03-03）

朱楓（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。