朱楓，張建義，袁嫣紅

（浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江杭州310018）

基于嵌入式系統(tǒng)的煤層氣排采遠程監(jiān)控系統(tǒng)

朱楓，張建義，袁嫣紅

（浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江杭州310018）

針對某些地區(qū)煤層氣井分布較遠，難于管理等問題，對無線傳輸技術和遠程監(jiān)控技術進行了研究，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)、觸摸屏、GPRS遠程傳輸模塊、服務器及客戶端的煤層氣排采遠程監(jiān)控系統(tǒng)。首先介紹了該系統(tǒng)的結構，包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點、現(xiàn)場人機終端和服務器，其次描述了該系統(tǒng)的具體設計過程，最后對煤層氣排采遠程監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場實時監(jiān)控與遠程監(jiān)控進行了測試。研究結果表明，該系統(tǒng)能夠使煤層氣井的生產(chǎn)信息在現(xiàn)場和遠程集中顯示，具備實時監(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)；遠程監(jiān)控

0 引言

煤層氣作為一種潛力巨大且優(yōu)質潔凈的補充能源，以及其主要呈吸附賦存狀態(tài)而有別于常規(guī)天然氣的獨立化石能源新礦種特性，受到世界上近30個國家或地區(qū)的高度關注[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)控方面與國內外同類行業(yè)相比，還存在著相當大的差距[2]。我國的煤層氣采集傳輸工藝處于開發(fā)前期實驗階段。煤層氣田生產(chǎn)屬于野外作業(yè)，氣井數(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、定量化指標和調控參數(shù)各不相同，需要多種定量化排采與自動調控技術[4]。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)）的應用領域很廣，可應用于電力、給水、石油、化工等領域的數(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，考慮到煤層氣采集傳輸這一特定生產(chǎn)環(huán)境的要求，在實用性和安全性上對SCADA系統(tǒng)進行了改進，并結合GPRS遠程傳輸技術，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到服務器，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)能夠實現(xiàn)遠程監(jiān)控，降低了人力成本，具有擴展性強、跨平臺等優(yōu)點。

1 煤層氣排采監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設計

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，設計一套完善的煤層氣排采遠程監(jiān)控系統(tǒng)是必不可少的。該系統(tǒng)應包含以下功能：用戶可以對現(xiàn)場的煤層氣排采進行參數(shù)設定和指令控制，包括現(xiàn)場操作人機終端和遠程控制人機終端；用戶可以在遠程查看詳細的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并設置警告功能；用戶可以根據(jù)生產(chǎn)需求設置自動排采功能。系統(tǒng)還應提供簡潔美觀的人機界面，提供煤層氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析和曲線的繪制，具有可靠性和實時性等特點。

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、現(xiàn)場人機終端和服務器三個部分。數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責與現(xiàn)場的儀表進行通信，采集儀表的數(shù)據(jù)；現(xiàn)場人機終端負責將數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場的集中顯示和遠程傳輸；服務器負責存儲數(shù)據(jù)和傳遞指令。

1.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計

對煤層氣現(xiàn)場的實地勘察發(fā)現(xiàn)，煤層氣排采使用的儀表包括流量計、壓力計、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、變頻器設定頻率、電機電壓、電機電流；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，因此每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點提供若干485接口作為采集接口。與現(xiàn)場人機終端的通信使用CAN總線。數(shù)據(jù)采集節(jié)點將每次采集到的數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送給人機終端，根據(jù)幀ID區(qū)別發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件結構如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件結構圖

1.3 現(xiàn)場人機終端設計

現(xiàn)場人機終端的功能是顯示數(shù)據(jù)采集節(jié)點上傳的實時數(shù)據(jù)并發(fā)送到服務器；接收服務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，從而達到監(jiān)控煤層氣排采過程的目的。

根據(jù)現(xiàn)場人機終端的功能要求，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，支持標準工業(yè)通信協(xié)議，實現(xiàn)與現(xiàn)場儀表的統(tǒng)一通信。

現(xiàn)場人機終端的總體結構如圖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掌鳎豢蛻舳俗x取服務器的數(shù)據(jù)并顯示。指令下發(fā)的過程：客戶端向服務器發(fā)送指令；服務器將指令傳遞給GPRS無線模塊；人機終端讀取數(shù)據(jù)后通過CAN總線向數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送；數(shù)據(jù)采集節(jié)點將指令發(fā)送給現(xiàn)場儀表。

圖2 現(xiàn)場人機終端硬件結構圖

現(xiàn)場人機終端使用底層SDK開發(fā)，為了方便現(xiàn)場人員的操作與調試，其包括主界面、系統(tǒng)設置、運行設置、系統(tǒng)升級等界面。

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

圖3 人機終端主界面

系統(tǒng)設置界面可設置本機號碼和服務器地址、現(xiàn)場人機終端的工作模式（包括遠程控制和遠程傳輸）、現(xiàn)場人機終端向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔等。如圖4所示。

圖4 人機終端系統(tǒng)設置界面

運行設置包括手動設置頻率和兩種自動排采模式及相應模式的參數(shù)設置。如圖5所示。

圖5 人機終端運行設置界面

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

圖6 人機終端系統(tǒng)升級界面

1.4 遠程服務器與數(shù)據(jù)庫設計

用戶需要查看煤層氣井的實時數(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)包含十多個字段，每次采集的時間不超過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)庫安裝在遠程服務器上，現(xiàn)場人機終端通過GPRS無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器，服務器將數(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)、設置、日志和用戶權限。其中“登錄”表存放用戶名和密碼；“參數(shù)”表存放現(xiàn)場儀表的實時數(shù)據(jù)；“設置”表存放各人機終端的設置信息；“日志”表存放日志，包括出錯等信息；“用戶權限”表存放各用戶的權限，包括能否修改用戶密碼等。圖7給出了數(shù)據(jù)庫各表結構圖。

圖7 數(shù)據(jù)庫各表結構圖

1.5 客戶端設計

服務器上存儲的數(shù)據(jù)最終要呈現(xiàn)給用戶。本研究采用網(wǎng)頁形式，由服務器和瀏覽器構成B/S結構，具有數(shù)據(jù)查詢、自動報警、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)問題時能夠快速發(fā)現(xiàn)；表格形式可以顯示特定時間點各個生產(chǎn)參數(shù)的具體數(shù)值，便于記錄。

自動報警：當現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)有異常時，比如油壓過低、水溫過高等，網(wǎng)頁將產(chǎn)生自動報警信息，提示用戶，避免發(fā)生生產(chǎn)事故而造成經(jīng)濟損失。

生產(chǎn)控制：網(wǎng)頁為用戶提供現(xiàn)場電機控制的功能，用戶可以在編輯框中輸入電機運行的頻率，選擇電機啟動或者停止按鈕，完成對電機控制。

自動排采：通過PID控制對現(xiàn)場電機的頻率進行控制，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、壓力表等儀表的連接，讀取煤層氣排采的實時數(shù)據(jù)，同時與煤層氣井的電機驅動器（變頻器）通信，控制電機的運行頻率。測試結果發(fā)現(xiàn)，某些時段會出現(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；對變頻器的控制有時會出現(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)的結果如圖8所示。

圖8 網(wǎng)頁瀏覽排采實時數(shù)據(jù)曲線圖

3 結束語

在當今信息化時代，煤層氣的開采向網(wǎng)絡化、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程監(jiān)控系統(tǒng)得到了實地使用驗證，實驗結果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了煤層氣排采的現(xiàn)場監(jiān)控與遠程監(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)射塔的設立地點等因素，數(shù)據(jù)傳輸有時會有不穩(wěn)定的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)中斷的時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，通信質量與供電質量相關，因此對現(xiàn)場的供電電源有一定要求，嵌入式設備的電源管理作為保證性能的一個重要方面，正在成為理論研究的熱點，低功耗設計也成為嵌入式系統(tǒng)設計中非常重要的環(huán)節(jié)[6]。在今后的研究中，以上問題的妥善解決將是重點研究方向。系統(tǒng)的現(xiàn)場人機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.中國煤層氣地質研究進展與述評[J].高校地質學報，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)建設方案及其應用[J].煤田地質與勘探，2010，38（5）：19-22.

[5]韓冰，李芬華.GPRS技術在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].電子技術，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，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)。