基于嵌入式系统的煤层气排采远程监控系统

朱枫，张建义，袁嫣红

（浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州310018）

基于嵌入式系统的煤层气排采远程监控系统

朱枫，张建义，袁嫣红

（浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州310018）

针对某些地区煤层气井分布较远，难于管理等问题，对无线传输技术和远程监控技术进行了研究，提出了一种基于嵌入式系统、触摸屏、GPRS远程传输模块、服务器及客户端的煤层气排采远程监控系统。首先介绍了该系统的结构，包括数据采集节点、现场人机终端和服务器，其次描述了该系统的具体设计过程，最后对煤层气排采远程监控系统的现场实时监控与远程监控进行了测试。研究结果表明，该系统能够使煤层气井的生产信息在现场和远程集中显示，具备实时监控、查询历史数据等功能，满足了煤层气排采监控的要求。

煤层气排采；嵌入式系统；远程监控

0 引言

煤层气作为一种潜力巨大且优质洁净的补充能源，以及其主要呈吸附赋存状态而有别于常规天然气的独立化石能源新矿种特性，受到世界上近30个国家或地区的高度关注[1]。然而煤层气的采集和传输都未成体系，在煤层气的抽放和利用自动监控方面与国内外同类行业相比，还存在着相当大的差距[2]。我国的煤层气采集传输工艺处于开发前期实验阶段。煤层气田生产属于野外作业，气井数量多、井距小、分布地域广阔，靠人工巡井的方法工作量太大，很难及时发现生产中存在的问题，因此需要研究建立一套适合于煤层气田开发的低成本的地面数据采集与监控系统[3]。煤层气井的排采方式众多，不同排采方式的生产信息、定量化指标和调控参数各不相同，需要多种定量化排采与自动调控技术[4]。数据采集与监控系统（SCADA系统）的应用领域很广，可应用于电力、给水、石油、化工等领域的数据采集、监视控制及过程控制[5]。本文吸取了常用SCADA系统的优点，考虑到煤层气采集传输这一特定生产环境的要求，在实用性和安全性上对SCADA系统进行了改进，并结合GPRS远程传输技术，将生产数据上传到服务器，再以网页和客户端的形式供用户查看，使煤层气的生产数据能够实现远程监控，降低了人力成本，具有扩展性强、跨平台等优点。

1 煤层气排采监控系统的分析与设计

1.1 系统功能需求分析

为了提高煤层气生产的信息化管理和生产水平，设计一套完善的煤层气排采远程监控系统是必不可少的。该系统应包含以下功能：用户可以对现场的煤层气排采进行参数设定和指令控制，包括现场操作人机终端和远程控制人机终端；用户可以在远程查看详细的实时数据和历史数据，并设置警告功能；用户可以根据生产需求设置自动排采功能。系统还应提供简洁美观的人机界面，提供煤层气生产数据的分析和曲线的绘制，具有可靠性和实时性等特点。

根据以上需求分析，煤层气监控系统主要可以分为数据采集节点、现场人机终端和服务器三个部分。数据采集节点负责与现场的仪表进行通信，采集仪表的数据；现场人机终端负责将数据进行现场的集中显示和远程传输；服务器负责存储数据和传递指令。

1.2 数据采集节点设计

对煤层气现场的实地勘察发现，煤层气排采使用的仪表包括流量计、压力计、套压表、变频器等，所要采集并显示的信息主要有环境压力、环境温度、气体工况流量、气体标况流量、气体总流量；井底压力、井底温度；变频器输出频率、变频器设定频率、电机电压、电机电流；套压等。现场同一类型的仪表包含不同厂家的产品，但一般都提供485接口，因此每个数据采集节点提供若干485接口作为采集接口。与现场人机终端的通信使用CAN总线。数据采集节点将每次采集到的数据作为一个数据帧发送给人机终端，根据帧ID区别发送数据。数据采集节点的硬件结构如图1所示。

图1 数据采集节点硬件结构图

1.3 现场人机终端设计

现场人机终端的功能是显示数据采集节点上传的实时数据并发送到服务器；接收服务器传递的控制指令和将指令下发到数据采集节点，从而达到监控煤层气排采过程的目的。

根据现场人机终端的功能要求，其需要具备采集、控制、通信等功能，兼具无线和总线通信功能，支持标准工业通信协议，实现与现场仪表的统一通信。

现场人机终端的总体结构如图2所示。数据上传的过程：通过CAN总线读取数据采集节点采集到的数据；通过触摸屏显示；通过GPRS无线模块将数据传输到服务器；客户端读取服务器的数据并显示。指令下发的过程：客户端向服务器发送指令；服务器将指令传递给GPRS无线模块；人机终端读取数据后通过CAN总线向数据采集节点发送；数据采集节点将指令发送给现场仪表。

图2 现场人机终端硬件结构图

现场人机终端使用底层SDK开发，为了方便现场人员的操作与调试，其包括主界面、系统设置、运行设置、系统升级等界面。

主界面显示现场仪表的各参数的实时数据。如图3所示。

图3 人机终端主界面

系统设置界面可设置本机号码和服务器地址、现场人机终端的工作模式（包括远程控制和远程传输）、现场人机终端向服务器发送数据的时间间隔等。如图4所示。

图4 人机终端系统设置界面

运行设置包括手动设置频率和两种自动排采模式及相应模式的参数设置。如图5所示。

图5 人机终端运行设置界面

系统升级界面如图6所示。现场人机终端硬件上提供USB口，方便控制系统的升级。

图6 人机终端系统升级界面

1.4 远程服务器与数据库设计

用户需要查看煤层气井的实时数据和历史数据，以便分析气井的状况。每次采集的数据包含十多个字段，每次采集的时间不超过1 min，并且历史数据需要长期保存，因此使用数据库来管理这些数据能够使安全性得到保障，减少数据管理的工作量。数据库安装在远程服务器上，现场人机终端通过GPRS无线模块将数据发送到服务器，服务器将数据存储到数据库。

本文采用了性能较高的MySQL数据库，数据的查询与存储主要由5张表组成，包括登录、参数、设置、日志和用户权限。其中“登录”表存放用户名和密码；“参数”表存放现场仪表的实时数据；“设置”表存放各人机终端的设置信息；“日志”表存放日志，包括出错等信息；“用户权限”表存放各用户的权限，包括能否修改用户密码等。图7给出了数据库各表结构图。

图7 数据库各表结构图

1.5 客户端设计

服务器上存储的数据最终要呈现给用户。本研究采用网页形式，由服务器和浏览器构成B/S结构，具有数据查询、自动报警、生产控制和自动排采等功能，使数据的呈现和界面的修改更便捷。

数据查询：用户需要的主要功能就是生产数据的读取，包括历史数据的表格显示和曲线图显示，曲线图显示使生产数据的波动一目了然，在出现问题时能够快速发现；表格形式可以显示特定时间点各个生产参数的具体数值，便于记录。

自动报警：当现场的生产数据有异常时，比如油压过低、水温过高等，网页将产生自动报警信息，提示用户，避免发生生产事故而造成经济损失。

生产控制：网页为用户提供现场电机控制的功能，用户可以在编辑框中输入电机运行的频率，选择电机启动或者停止按钮，完成对电机控制。

自动排采：通过PID控制对现场电机的频率进行控制，保证每天的产气量保持在稳定的水平。但是排采相关的参数较多，自动排采功能还需要不断完善。

2 系统测试

目前本系统已在山西某地煤层气井投入试用，通过与流量计、压力表等仪表的连接，读取煤层气排采的实时数据，同时与煤层气井的电机驱动器（变频器）通信，控制电机的运行频率。测试结果发现，某些时段会出现数据传输不稳定的状况；无线数据传输部分有待改进；对变频器的控制有时会出现偏差，具体问题需要向变频器厂家询问。网页查看数据的结果如图8所示。

图8 网页浏览排采实时数据曲线图

3 结束语

在当今信息化时代，煤层气的开采向网络化、信息化的方向发展已是必然趋势。本研究提出的煤层气排采远程监控系统得到了实地使用验证，实验结果表明，该系统实现了煤层气排采的现场监控与远程监控功能，通过无线传输的方式，将煤层气的生产数据传输到远程终端和用户，方便了煤层气生产的集中监控及数据存储，降低了煤层气数据监控的成本，提高了安全系数。本系统支持多种智能仪表，有较好的跨平台能力，适合在地理环境复杂、气井分布稀疏的情况下使用。

由于地理环境、信号发射塔的设立地点等因素，数据传输有时会有不稳定的现象，数据中断的时间从几十秒到几分钟不等。目前，本系统尚需外接电源供电，通信质量与供电质量相关，因此对现场的供电电源有一定要求，嵌入式设备的电源管理作为保证性能的一个重要方面，正在成为理论研究的热点，低功耗设计也成为嵌入式系统设计中非常重要的环节[6]。在今后的研究中，以上问题的妥善解决将是重点研究方向。系统的现场人机终端目前缺乏存储历史数据的功能，是否需要添加尚在考虑之中。

[1]秦勇.中国煤层气地质研究进展与述评[J].高校地质学报，2003，9（3）：339-352.

[2]周翔，蒲毅，余成伟，等.MDM95型瓦斯抽放及利用集散监控系统[J].矿业安全与环保，2003，30（3）：14-16.

[3]臧振胜.数据采集与监控系统在煤层气田地面集输工艺中的应用[J].中国仪器仪表，2011（9）：53-56.

[4]丁闰，温欣，葛藤.煤层气井监控系统建设方案及其应用[J].煤田地质与勘探，2010，38（5）：19-22.

[5]韩冰，李芬华.GPRS技术在数据采集与监控系统中的应用[J].电子技术，2003，30（8）：26-29.

[6]李保宇.嵌入式系统的低功耗研究[D].成都：电子科技大学，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）

朱枫（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统。