ESP8266-NodeMCU实现海洋石油平台分体空调远程控制

蔡涛

（中海石油（中国）有限公司上海分公司 上海 200335）

随着国家加大国内油气勘探开发力度、保障能源安全的任务，海洋石油开采发展迅速，从近海到远海，从有人平台到无人平台，海洋石油平台设备的稳定性、可靠性也需要进一步提升，对设备的控制方面要求也越来越高。

1 背景介绍

海洋石油开采不同于陆地石油开采，东海、南海海域会受到台风的影响，当台风到来时，海洋石油平台人员全部撤离到陆地避台风，执行陆地远程遥控生产，生产工艺流程、安全保障系统的状态都会通过DCS 系统进行控制和监视。而船用分体空调在设计时考虑到成本问题，往往没有设计DCS集中控制，一些海洋石油平台中控室（CCR）、马达控制间（MCC）、应急配电间（EMCC）等安装的船用分体空调不具备远程监控和启停功能，需要操作人员就地启动。在台风期间，一般是重要房间空调全部开启运行，避免单台出现故障造成房间温度升高。但是，在多次的实际台风模式运行下，由于台风到来时海上环境狂风暴雨，室外机会受环境影响报故障停机，多次遇到同一房间空调全部停机，陆地无法远程控制，只能待房间温度超过可控温度后（已增加了温湿度传感器，或者利用CCTV 监控房间物理温湿度计）执行远程关停生产，避免温度继续升高发生火灾。为了减少生产关停时间，需要给分体空调增加远程启停功能。常规做法是利用通讯或者硬线接入DCS系统进行控制和监控。船用分体空调通讯大多是内部协议，不对外开放，无法进行通讯改造，使用硬线直接接入DCS 系统，因分体空调数量多，占用IO 点数多，施工改造布线困难，成本高。本方案利用物联网ESP8266-NodeMCU 实现空调远程控制启停，不占用DCS系统IO卡件通道，不用组态，成本低廉。

2 船用分体空调远程控制网络拓扑

ESP8266-NodeMCU是一个开源硬件开发板，由于它支持Wi-Fi 功能，所以在物联网（IOT）领域应用广泛，并且可以使用Arduino IDE 进行开发，极大简化了学习和开发过程。本方案需要实现在中心平台上控制本平台空调以外，还要控制两个无人井口平台空调。中心平台与无人井口平台之间有海底光缆连接［1］，采用无线AC 控制器统一下发配置给AP，集中管理AP。为减少房间内电源线的布置，采用POE 交换机供电给AP，只需一根网线解决电源和网络，网络拓扑如图1所示。每个房间内布置一个AP无线接入点，提供无线网络给ESP8266-NodeMCU，控制空调启停和参数监控。ESP8266-NodeMCU 通过Wi-Fi 与AP 相连，提供网络服务来控制和实时显示空调状态，需要实现以下功能：空调室内机的启停操作；台风模式和正常模式切换；反馈压缩机的启停；报警状态；室内温湿度［2］。

图1 网络拓扑图

3 温湿度传感器

温湿度传感器使用DHT11 数字温湿度传感器。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性［3］。该产品可应用于暖通空调、测试及检测设备、汽车、数据记录器、自动控制、气象检测、医疗设备、除湿器等。工作电压为直流5V，湿度测量范围为（20～90）%RH，温度测量范围为0～50℃，数字信号输出，数据端口带上拉电阻，只需要接到ESP8266-NodeMCU相应针脚就行。

4 空调控制电路改造

船用分体空调在长时间运行过程中受海洋环境影响，会出现高低压误报警的情况，造成空调意外停机，报警信息会一直保存在空调室内机主控板上，无法正常启机。空调故障停机后，当制冷剂压力恢复正常时，需对空调主控板重新上电，消除报警信息，才能正常启动空调。为了实现空调在制冷剂压力恢复正常后能够自动给主控板重新上电的功能，需对空调电气控制部分进行局部改造。在空调电气控制回路中增加一个延时继电器，当空调因高低压故障停机时，延时继电器动作，只有当空调高低压恢复正常后，延时间继电器按照预设时间延时闭合，空调主控板重新上电，实现报警复位，重新处于正常待机状态［4］。因各厂家控制原理各不相同，空调部分改动不作详细介绍。ESP8266-NodeMCU 控制空调的硬件控制原理如图2 所示，D6、D7 两个引脚外部接一个2 路带光耦隔离的继电器模块，控制空调启停和模式切换。

图2 硬件控制原理图

5 ESP8266-NodeMCU软件编程

Arduino IDE 要经过设置以后才能配合ESP8266-NodeMCU 开发板使用。在Arduino IDE 的“首选项”对话框中找到“附加开发板管理网址”，将以下网址复制并且粘贴到“附加开发板管理网址”栏中：http：//arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json；在“开发板管理器”的搜索栏中输入“esp8266”，找到搜索结果中的“esp8266 by ESP8266 Community”，点击安装，开发软件设置完成。开始对引脚功能进行分配，如表1所示。

表1 ESP 8266-NodeMCU 引脚功能分配

5.1 ESP8266-NodeMCU网络设置

ESP8266-NodeMCU 首次使用时需要手动设置Wi-Fi网络，设置好之后，下次自动连接不用再进行网络设置［5］。要实现此功能，需使用Wi-Fi Manager 库，ESP8266启动时会优先使用闪存中的信息连接Wi-Fi，如果连接失败，则会启动AP 模式让用户连接，用户使用手机或电脑连接ESP8266 建立的Wi-Fi 网络，并通过ESP8266 建立的网页建兴Wi-Fi 盘配网，如图3所示。

图3 ESP 8266 网络设置页面

5.2 ESP8266-NodeMCU网络服务

ESP8266-NodeMCU配有一个闪存，上传的文件就被存放在这个闪存里，这个闪存的全称是Serial Peripheral Interface Flash File System（SPIFFS），除了可以存放上传的程序以外，还可以将网页文件或者系统配置文件存放在ESP8266 的闪存中。ESP8266-NodeMCU 能实现网络服务器的一些功能，但是其运算能力无法与那些昂贵的服务器电脑相媲美，仅能实现一些基本的网络服务功能，不过这些基本的网络服务功能已经足够使用了。通过浏览器访问ESP866-NodeMCU所建立的网页，实现对空调的控制和状态监控，如图4 所示。网页中的数据通过Ajax 来实时显示于网页中［6］，Ajax即“Asynchronous Javascript And XML”（异步JavaScript和XML），是一种创建快速动态网页应用的网页开发技术，在无需重新加载整个网页的情况下，能够更新部分网页的技术。每台空调上的ESP8266模块就是一个独立的网络服务器，如图4所示，在监控主机上做一个静态页面，把所有的ESP8266 访问地址做超链接统一集中管理，方便进行空调控制。在台风期间陆地远程遥控时，利用陆地电脑远程桌面登录海洋石油平台上的电脑，进行空调控制启停操作，以及监控空调是否正常运转起来。

图4 空调控制页面

分体空调远程监控改造充分利用空调室外机与室内机原有的冗余信号电缆进行电气控制部分改造，大大降低了重新铺设电缆带来的人力投入和物料消耗，减少占用DCS 系统点数，在很大程度上节约了改造成本，实现了海洋石油平台在遥控生产模式下对分体空调运行状态监测和远程启停控制，同时，更有利于稳定电气设备环境温度在合理区间，降低电气火灾风险，减少海洋石油平台生产关断次数，提高气田安全生产时效，在持续推动海洋石油平台数字化、智能化建设的同时，助力海洋石油平台更加安全、稳产、高效。

6 结语

在现场设备使用过程中，设备会存在使用方面的缺陷或者设计不合理之处，通过分析原因，探索可以改进提高的地方，提高设备整体可靠性，同时使操作的方法变得更加方便和简单，减少一些繁琐的操作过程，这样可保证操作控制的简便性和可靠性。