摘  要： 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。

　　關鍵詞： 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,。

　　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。

　　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,。

　　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。

　　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,。

　　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,。

　　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,。

　　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。

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。

參考文獻

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