煤层气地面记录仪设计与监控系统开发

李自成，朱钰辉，王后能，熊 涛

（武汉工程大学 电气信息学院，武汉430205）

煤层气作为煤炭伴生矿产，其资源丰富，分布广泛。构造煤在我国已发现煤炭资源中占比大，其煤层具有高应力、低渗透、松软易突出的特性，致使成井困难、井孔稳定性差、难以有效造缝和支撑，因此构造煤煤层气勘探开发一直难有进展[1]。文献[2]提出了水平井造洞穴应力释放解吸采气理论，该理论适用于构造变形比较强烈，不适于采用水力压裂技术进行改造的典型构造煤。在构造煤煤层气的开发开采中，测井参数的实时监测对获取煤储层参数，检修井下设备，提高煤层气集成控制程度具有重要意义。

煤层气井参数的实时监测可借鉴智能井井下压力数据监测。当前，智能井井下压力数据监测技术包括毛细管测压技术、井下电子压力计测压技术、电子共振膜测压技术和光纤压力监测技术等[3]。其中，井下电子压力计测压技术应用广泛。文献[3]从奇异值、噪声水平和数据量3 个方面改善了井下监测现状，为智能井的生产优化奠定了基础。文献[4-5]通过改进信号传输通道和传输方式开发了永置式电泵井压力温度测试系统，并在现场试验得到了较好的效果。文献[6]基于直流载波的单芯电缆通信，设计了基于单芯钢管电缆的多层半双工通信系统硬件电路，在低成本的基础上，实现了工作人员对井下多层注采系统的实时控制。文献[7]设计了一种永久性置于井下的实时在线测调系统，该装置长期在井下工作，能够实时监测和调节各层的注水量。光纤传感器具有的无电子电路、监测范围广、抗干扰能力强、耐高温等优点也使得光纤压力监测技术逐步推广[8]。但受制于成本与稳定性，该技术仅适合于对高温高压井进行重点监测[9-10]。针对煤层气井的上位机界面开发，文献[11]采用LabVIEW 虚拟仪器对煤层气排采进行数据采集与监控，结合滤波算法提高了数据的可靠性。文献[12]利用C++和C#编写煤层气测井数据处理软件，重点对套管损伤进行监测。但是以上监控系统均需基于工业计算机或工控设备而实现，对于功耗、成本、以及安装测量都有不小挑战。因此设计一种低功耗、低成本、小体积的地面记录仪至关重要。

本文针对上述问题，设计了一种基于低功耗STM32处理器的轻量化地面记录仪，以STM32L433RC 为主控芯片，μC/OS-II 为软件平台，分别设计了从站轮询任务与主站管理任务。实现了将井下传感器的数据通过电缆直接在记录仪上显示，并且能实时向上位机传输当前数据，方便了现场工作人员的前期调试与后期维护工作。为了与地面记录仪配套，本文也基于组态王监控系统，设计了煤层气开采监控界面。能够对各流程的实时运行状态进行监控，并对数据进行设置、保存与调用，提高了煤层气开采的自动化水平。

1 地面记录仪的硬件设计

煤层气监测系统一般由井下传感器、地面记录仪、数据处理平台、数据传输媒介等组成。地面记录仪通过数据传输媒介将井下传感器信号实时采集，并将接收到的数据进行本地存储。通过数据处理平台进行数据交互，将本地采集的数据上传至后端上位机或服务器内进行分析和运算。

地面记录仪的硬件电路主要包括主控模块、电源模块、通讯模块、存储器模块、液晶显示与键盘控制模块，如图1所示。

图1 地面记录仪硬件框架图Fig.1 Hardware frame diagram of ground recorder

考虑到功耗、价格等因素，地面记录仪选用STM32L433RC 作为主控制器。作为STM32 超低功耗MCU 中的STM32L4 系列，采用高性能Arm®Cortex®-M4 32 位RISC 内核的超低功耗微控制器，主频高达80 MHz，具有256 KB Flash 存储器、LCD和USB。串行通讯接口采用TTL 电路转485 电路进行设计。为降低功耗和提高传输速率，通讯模块采用MAX485EN 芯片，通讯模式为半双工，电路连接如图2所示。

图2 通讯接口电路Fig.2 Communication interface circuit

鉴于地面记录仪采用自带的数据存储单元难以满足需求，本文选择的扩展数据存储单元为W25Q64 SPI Flash 芯片，同时满足稳定运行与低功耗的要求。其容量为64 Mbytes，支持标准SPI，双输出SPI 和四输出SPI。

2 地面记录仪的软件设计

为了实现地面记录仪数据传输的功能，通信协议选用Modbus 工业总线协议。标准的Modbus 口使用RS-232 兼容串行接口[13]，但本文考虑到传输距离与联网监控，在硬件上选用RS-485 接口，更符合远距离传输等实际需求。

通讯技术采用主从技术，即在一个网络中，设置主机与从机，主机向从机发送查询信号，包括命令控制字、从设备地址、数据参数、检验码等，从机接收到查询信号后，向主机做出应答。如果信号无法传输，则主、从机在超时后执行下一操作。在本文中，地面记录仪既作为与井下设备通讯时的主机，又作为与上位机或服务器通讯时的从机，所以需要分别对其设计主站管理任务与从站轮询任务。

当地面记录仪作为Modbus 主站时，负责读取井下多个设备仪器数据。为了避免数据请求堆积，缓解系统压力，提高数据正确性与传输速度，本文采用消息队列对数据进行异步处理，实现主站请求的集中管理。

当地面记录仪作为Modbus 从站时，负责实时响应主站的数据请求任务并对其数据进行上传。接通电源后，初始化通信端口和定时器驱动，设置设备的ID 号和端口号，开启从站功能，最后执行状态轮询，等待主站的数据请求。

3 煤层气开采监控系统

为提高煤层气开发的自动化水平，方便现场数据采集显示，结合地面记录仪，设计了一款基于组态王的煤层气开采监控系统。该系统可实时显示煤层气开采过程中，各设备及流程的实时运行状态，可在设备对应的位置进行数据设置、数据保存与数据调用。主要监控对象设备包括柱塞泵、流量泵、流量阀、电磁流量计、煤层温度、煤层压力等，可以根据实际需要添加对应设备，大大方便了煤层气开采过程中的数据监测与处理，提高了系统的集成度。对于煤层气开采监控系统中各个子模块的监控，可以直接点击设置好的子模块入口进入子模块的运行状态画面，同时可以设置所需要的运行参数。监控系统总界面如图3所示。

图3 监控系统总界面Fig.3 General interface of the monitoring system

煤层气开采界面设计提高了画面利用率，采用模块化的设计思想，使煤层气自动化监控系统层次分明，方便程序员和操作人员的操作与维护，提高了生产效率与安全性。煤层气井开发工程研究人员需要对现场设备及数据进行定量分析，得出最优的开采方案，所以配置各类数据参数以及设备状态数据表是十分重要的功能。除了当前数据的实时显示，还能调用历史数据并进行打印。如图4所示。

图4 历史数据显示Fig.4 Display of historical data

4 实验结果

本文结合实验室管路模拟平台，搭建由多种井下仪器，地面记录仪，上位机服务器等构成的煤层气监测模拟平台。井下仪器包含压力传感器、温度传感器等。地面记录仪作为中间设备，使用RS-485通讯电缆与井下仪器相连，采用RS-485 转USB 接口与PC 机连接。如图5所示。

图5 地面记录仪硬件实物与实验室管路模拟Fig.5 Ground recorder hardware physical object and laboratory pipeline simulation

地面记录仪与井下仪器的串行通信方式设置为波特率9600 bits/s，8 位数据位，无校验位，1 位停止位。依照Modbus 协议功能码及格式进行主站数据帧发送，读取地面记录仪的从机设备的周期设定为1000 ms，连接串口检查通讯状态，使用Modbus协议中的读取和写入功能。

地面记录仪与上位机及服务器进行数据通讯时，地面记录仪作为Modbus 从站，上位机与服务器作为Modbus 主站，设置参数如下：波特率9600 bits/s，8 位数据位，无校验位，1 位停止位，通讯超时3000 ms，采集频率1000 ms。上位机发送Modbus 读取命令，完成与地面记录仪的通信。通信过程如图6所示。

图6 数据通讯实验Fig.6 Data communication experiment

地面记录仪通过模拟煤层气井自动监测系统的实验，验证了实时读取和上传井下仪器数据至上位机及服务器的功能，实现了Modbus 主站和从站同时工作的目的，满足煤层气井开采监控的设计要求。

5 结语

为提高煤层气开采自动化水平，本文设计了一种新型地面记录仪，同时基于组态王监控软件设计了煤层气开采监控系统。地面记录仪系统包括电源转换模块、STM32L433RC 主控电路、MAX485EN 通讯电路、W25Q64 存储电路、液晶显示与键盘电路等部分。通过低功耗处理器将采集数据实时采集存储并与远程数据传输单元进行数据交互，解决了井下仪器的维护问题。煤层气开采监控系统将排采过程中各仪器仪表状态实时显示在上位机监控界面上，能在设备对应位置进行数据设置、数据保存与参数调用，提高了系统的集成化水平，方便工作人员操作与维护。