煤層氣排采后期遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊 黔，張建義

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

煤層氣排采后期遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊 黔，張建義

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州310018)

在煤層氣排采后期產(chǎn)氣階段，人工排采存在實(shí)時(shí)性和精細(xì)化難以達(dá)到要求等問(wèn)題，為此，本文對(duì)儀表通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)等方面進(jìn)行了研究，并且提出了一種基于ARM內(nèi)核單片機(jī)和4G網(wǎng)絡(luò)的煤層氣排采后期遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。首先通過(guò)分析排采后期的主要參數(shù)，確定了主控變量。然后依次介紹了硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和各模塊功能，以及現(xiàn)場(chǎng)終端程序的設(shè)計(jì)和服務(wù)器端程序的架構(gòu)。最后通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)對(duì)整套控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各項(xiàng)排采參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)排采的自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程控制，滿足了對(duì)煤層氣排采實(shí)時(shí)性和精細(xì)化的要求。

煤層氣排采；4G；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；穩(wěn)流量；穩(wěn)套壓

0 引言

我國(guó)煤層氣資源豐富，總儲(chǔ)存量居世界第三，具有較大的開采價(jià)值[1]。作為一種與天然氣熱值相當(dāng)?shù)那鍧嵞茉?，煤層氣的開發(fā)越來(lái)越受到國(guó)家的重視[2]。煤層氣開發(fā)主要經(jīng)歷鉆井、壓裂和排采三個(gè)過(guò)程[3]。而排采作為煤層氣開發(fā)的終端環(huán)節(jié)，其科學(xué)合理的工藝至關(guān)重要。目前煤層氣的排采主要遵循“連續(xù)、適度、穩(wěn)定”的原則。我國(guó)現(xiàn)階段煤層氣的排采主要依靠人工，排采過(guò)程中存在采樣周期長(zhǎng)、調(diào)控不精細(xì)等問(wèn)題[4]。要實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣排采中動(dòng)態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)及煤層氣的精細(xì)化、自動(dòng)化的排采，必須依托自動(dòng)化控制設(shè)備。

本文的研究主要針對(duì)煤層氣排采的后期產(chǎn)氣階段，設(shè)計(jì)出一套煤層氣排采后期遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程采集及煤層氣排采的自動(dòng)化控制，具有實(shí)時(shí)性、精細(xì)化和智能化的優(yōu)點(diǎn)。

1 煤層氣排采理論分析

依據(jù)煤層氣排采控制理論，將煤層氣排采控制劃分為四個(gè)階段：見套壓前階段、憋套壓階段、初始產(chǎn)氣階段和產(chǎn)氣階段[4]。本研究主要針對(duì)煤層氣排采后期產(chǎn)氣階段，該階段以產(chǎn)氣量和套壓值為主控變量，其中套壓參數(shù)對(duì)產(chǎn)氣量的影響很大[5]，所以根據(jù)不同排采情況，提出了穩(wěn)流量或穩(wěn)套壓的兩種控制模式，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣量的持續(xù)、穩(wěn)定增長(zhǎng)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、紅外接收模塊、液晶屏顯示模塊、按鍵模塊和4G無(wú)線模塊，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件系統(tǒng)采用的微控制器是基于超低功耗的ARM Cortex-M0微處理器內(nèi)核STM32F0系列芯片，具有高性能和低成本的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)485的方式采集套壓、流量和閥門開度等參數(shù)的值，在微控制器運(yùn)用控制算法運(yùn)算后，向電動(dòng)閥門發(fā)送相應(yīng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)煤層氣排采的自動(dòng)化控制。排采的各項(xiàng)參數(shù)可以通過(guò)液晶顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)微控制器將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)4G無(wú)線模塊實(shí)時(shí)地發(fā)送到服務(wù)器，在網(wǎng)頁(yè)或手機(jī)APP上實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)排采參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。服務(wù)器端可以通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場(chǎng)控制終端發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)排采參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)控?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，可以使用遙控器通過(guò)紅外線對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行配置，或者直接通過(guò)按鍵進(jìn)行配置。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

控制系統(tǒng)需要采集的參數(shù)信息有流量、套壓和閥門開度等，選用的儀表都帶有485通信接口，所以采集模塊設(shè)計(jì)了多個(gè)485接口，用于采集各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)。RS-485接口由采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器組成，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗干擾性好[6]。RS-485接口還具有傳輸距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，實(shí)際最大傳輸距離可達(dá)3 000 m。系統(tǒng)選用的485收發(fā)器支持多達(dá)250個(gè)收發(fā)器共享總線，同時(shí)還具有收發(fā)故障保護(hù)和±15 kV靜電防護(hù)的功能。為了增強(qiáng)收發(fā)器的抗干擾性，在收發(fā)器的信號(hào)線上添加一個(gè)共模電感，既可以濾除信號(hào)線上的共模電磁干擾，又可以抑制其不向外發(fā)出電磁干擾，起到隔離的作用。

2.2 紅外接收模塊

控制系統(tǒng)搭載了一塊紅外接收器，可以接收由紅外遙控器發(fā)射出來(lái)的信號(hào)。接收器的數(shù)據(jù)引腳與微控制器的定時(shí)器通道相連，微控制器通過(guò)定時(shí)器的輸入捕獲功能檢測(cè)接收器傳過(guò)來(lái)的信號(hào)，并根據(jù)NEC協(xié)議遙控協(xié)議對(duì)信號(hào)進(jìn)行解析。NEC協(xié)議的指令碼包括了引導(dǎo)碼、16位用戶碼、8位數(shù)據(jù)代碼、8位數(shù)據(jù)碼反碼和停止碼，數(shù)據(jù)碼反碼在編碼時(shí)可用于對(duì)數(shù)據(jù)糾錯(cuò)[7]。

2.3 液晶顯示模塊

該系統(tǒng)選用帶SPI接口[8]的液晶顯示模塊，主要用于顯示煤層氣排采的實(shí)時(shí)流量值、實(shí)時(shí)的套壓值以及當(dāng)前的閥門開度值。同時(shí)通過(guò)操作遙控器或按鍵，可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前調(diào)節(jié)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的實(shí)時(shí)配置信息。

2.4 4G無(wú)線模塊

為了實(shí)現(xiàn)煤層氣排采的遠(yuǎn)程監(jiān)控，需采用無(wú)線遠(yuǎn)程的方式將排采參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸。通過(guò)4G無(wú)線傳輸模塊，可以利用運(yùn)營(yíng)商的4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)排采過(guò)程的在線檢測(cè)，服務(wù)器通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將控制指令發(fā)送給終端，實(shí)現(xiàn)排采的遠(yuǎn)程控制。為了適應(yīng)排采現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)狀況，本系統(tǒng)采用支持多個(gè)頻段的4G模塊，該模塊支持移動(dòng)、聯(lián)通和電信4G的高速接入，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)強(qiáng)度選擇使用不同運(yùn)營(yíng)商的流量卡。同時(shí)該模塊還支持向服務(wù)器發(fā)送心跳包和斷線自動(dòng)重連的功能，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能需求分析

整套系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各儀表數(shù)據(jù)的采集、電動(dòng)閥門的自動(dòng)控制、排采參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示及在線控制等功能。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)終端程序，采用C語(yǔ)言編寫，主要包括儀表數(shù)據(jù)采集程序的編寫、自動(dòng)控制算法的編寫和向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包的程序編寫。服務(wù)器端軟件采用Go語(yǔ)言編寫，主要包括聯(lián)網(wǎng)控制、數(shù)據(jù)的監(jiān)聽、處理和存儲(chǔ)以及與Web和APP端的交互。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)終端程序設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)終端程序采用C語(yǔ)言編寫，主要包括數(shù)據(jù)采集部分、閥門自動(dòng)控制部分和服務(wù)器通信部分。數(shù)據(jù)采集部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)套壓值、閥門開度值和流量值的采集，根據(jù)儀表的通信協(xié)議編寫對(duì)應(yīng)的串口通信程序。閥門自動(dòng)控制部分提出了兩種控制模式，分別為穩(wěn)套壓模式和穩(wěn)流量模式。服務(wù)器通信部分主要包括自定義數(shù)據(jù)包的編寫和服務(wù)器控制指令的解析。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3.3 閥門控制算法介紹

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種控制模式：穩(wěn)流量模式和穩(wěn)套壓模式。在不同模式下，通過(guò)設(shè)置流量和套壓值的上下限，采用PID控制[9]調(diào)節(jié)閥門的開度，使流量或套壓保持在穩(wěn)定水平。

PID的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

圖4 穩(wěn)套壓模式下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

圖5 穩(wěn)流量模式下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖

其中Kp表示比例控制增益，Ti表示積分時(shí)間，Td表示微分時(shí)間。Kp、Ti和Td三個(gè)參數(shù)可以根據(jù)排采實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。在穩(wěn)流量模式下，e為當(dāng)前流量值和前一次采集的流量值的偏差，u對(duì)應(yīng)著閥門開度的調(diào)節(jié)量。穩(wěn)套壓模式下，e為當(dāng)前套壓值和前一次采集的套壓值的偏差，u對(duì)應(yīng)著閥門開度的調(diào)節(jié)量。通過(guò)設(shè)置閥門調(diào)節(jié)的步長(zhǎng)和控制的時(shí)間周期，可以調(diào)節(jié)排采的精細(xì)程度?？梢酝ㄟ^(guò)遙控器現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整控制模式、調(diào)節(jié)步長(zhǎng)和控制周期等參數(shù)，也可以通過(guò)服務(wù)器發(fā)送參數(shù)配置指令。

3.4 服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)

服務(wù)器端的程序設(shè)計(jì)采用的是MVC架構(gòu)模式。服務(wù)器端程序結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 服務(wù)器端程序結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)備終端采用TCP/IP協(xié)議向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)包，服務(wù)器端通過(guò)DNS給終端分配IP地址，完成連接，同時(shí)開始對(duì)數(shù)據(jù)的接收進(jìn)行監(jiān)聽。接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)入消息隊(duì)列，經(jīng)過(guò)解析處理后，完成與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。服務(wù)器端程序還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備節(jié)點(diǎn)管理、用戶管理和數(shù)據(jù)查詢等功能。Web瀏覽器或者手機(jī)APP通過(guò)RPC方式調(diào)用云端服務(wù)器中的程序，實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。

4 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行情況。在Web端分別設(shè)置穩(wěn)套壓和穩(wěn)流量模式，對(duì)電動(dòng)閥門進(jìn)行控制，執(zhí)行情況如圖4和圖5所示。從圖中可以看出兩種模式下，系統(tǒng)運(yùn)行正常，都達(dá)到了預(yù)期的控制效果。

5 結(jié)論

本研究為了實(shí)現(xiàn)煤層氣排采后期的自動(dòng)化、精細(xì)化排采，結(jié)合嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種煤層氣排采后期遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤層氣排采過(guò)程中套壓、流量、閥門開度等參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及閥門的本地自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，降低了煤層氣排采的人力成本。目前該系統(tǒng)需投入現(xiàn)場(chǎng)使用，根據(jù)采集到的大量數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，不斷地完善閥門控制算法，使得煤層氣排采更加精確化和智能化，是今后的重點(diǎn)研究方向。

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Design of remote control system in the late stage of coalbed methane drainage

Yang Qian,Zhang Jianyi

(School of Mechanical Engineering & Automation,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

In the late stage of gas production during coalbed methane (CBM) drainage,artificial drainage is faced with the problem that its real-time performance and refinement of artificial extraction can’t meet the required standard. In view of this,the related technology,such as the instrument communication,automatic control,wireless communication and remote monitor were studied,and a remote control system based on ARM kernel microcontroller and 4G network was proposed for CBM after drainage and production. In this paper,the main parameters of the late stage were firstly analyzed to determine the control variables. Then,we also introduced the whole structure of the hardware system and the function of each module ,as well as the program design of the field terminal and the program architecture of server. Finally,the whole control system was tested by setting up the test-bed. The results indicated that this system could real-timely monitor the parameters of drainage and the automatic control and remote control of extraction could also be achieved,which indeed made it possible to met the requirements of real-time and refinement for CBM drainage.

coalbed methane drainage; 4G; remote monitoring system; steady flow; steady case pressure

浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目(2017C31036)

TP273

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.001

楊黔，張建義.煤層氣排采后期遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(24)：1-3，7.

2017-06-29)

楊黔(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

張建義(1983-)，通信作者，男，博士研究生，講師，主要研究方向：嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能。E-mail:zdreamx@126.com。