ESP8266-NodeMCU實(shí)現(xiàn)海洋石油平臺(tái)分體空調(diào)遠(yuǎn)程控制

蔡濤

（中海石油（中國）有限公司上海分公司 上海 200335）

隨著國家加大國內(nèi)油氣勘探開發(fā)力度、保障能源安全的任務(wù)，海洋石油開采發(fā)展迅速，從近海到遠(yuǎn)海，從有人平臺(tái)到無人平臺(tái)，海洋石油平臺(tái)設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性也需要進(jìn)一步提升，對(duì)設(shè)備的控制方面要求也越來越高。

1 背景介紹

海洋石油開采不同于陸地石油開采，東海、南海海域會(huì)受到臺(tái)風(fēng)的影響，當(dāng)臺(tái)風(fēng)到來時(shí)，海洋石油平臺(tái)人員全部撤離到陸地避臺(tái)風(fēng)，執(zhí)行陸地遠(yuǎn)程遙控生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝流程、安全保障系統(tǒng)的狀態(tài)都會(huì)通過DCS 系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)視。而船用分體空調(diào)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到成本問題，往往沒有設(shè)計(jì)DCS集中控制，一些海洋石油平臺(tái)中控室（CCR）、馬達(dá)控制間（MCC）、應(yīng)急配電間（EMCC）等安裝的船用分體空調(diào)不具備遠(yuǎn)程監(jiān)控和啟停功能，需要操作人員就地啟動(dòng)。在臺(tái)風(fēng)期間，一般是重要房間空調(diào)全部開啟運(yùn)行，避免單臺(tái)出現(xiàn)故障造成房間溫度升高。但是，在多次的實(shí)際臺(tái)風(fēng)模式運(yùn)行下，由于臺(tái)風(fēng)到來時(shí)海上環(huán)境狂風(fēng)暴雨，室外機(jī)會(huì)受環(huán)境影響報(bào)故障停機(jī)，多次遇到同一房間空調(diào)全部停機(jī)，陸地?zé)o法遠(yuǎn)程控制，只能待房間溫度超過可控溫度后（已增加了溫濕度傳感器，或者利用CCTV 監(jiān)控房間物理溫濕度計(jì)）執(zhí)行遠(yuǎn)程關(guān)停生產(chǎn)，避免溫度繼續(xù)升高發(fā)生火災(zāi)。為了減少生產(chǎn)關(guān)停時(shí)間，需要給分體空調(diào)增加遠(yuǎn)程啟停功能。常規(guī)做法是利用通訊或者硬線接入DCS系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)控。船用分體空調(diào)通訊大多是內(nèi)部協(xié)議，不對(duì)外開放，無法進(jìn)行通訊改造，使用硬線直接接入DCS 系統(tǒng)，因分體空調(diào)數(shù)量多，占用IO 點(diǎn)數(shù)多，施工改造布線困難，成本高。本方案利用物聯(lián)網(wǎng)ESP8266-NodeMCU 實(shí)現(xiàn)空調(diào)遠(yuǎn)程控制啟停，不占用DCS系統(tǒng)IO卡件通道，不用組態(tài)，成本低廉。

2 船用分體空調(diào)遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

ESP8266-NodeMCU是一個(gè)開源硬件開發(fā)板，由于它支持Wi-Fi 功能，所以在物聯(lián)網(wǎng)（IOT）領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并且可以使用Arduino IDE 進(jìn)行開發(fā)，極大簡化了學(xué)習(xí)和開發(fā)過程。本方案需要實(shí)現(xiàn)在中心平臺(tái)上控制本平臺(tái)空調(diào)以外，還要控制兩個(gè)無人井口平臺(tái)空調(diào)。中心平臺(tái)與無人井口平臺(tái)之間有海底光纜連接［1］，采用無線AC 控制器統(tǒng)一下發(fā)配置給AP，集中管理AP。為減少房間內(nèi)電源線的布置，采用POE 交換機(jī)供電給AP，只需一根網(wǎng)線解決電源和網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。每個(gè)房間內(nèi)布置一個(gè)AP無線接入點(diǎn)，提供無線網(wǎng)絡(luò)給ESP8266-NodeMCU，控制空調(diào)啟停和參數(shù)監(jiān)控。ESP8266-NodeMCU 通過Wi-Fi 與AP 相連，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來控制和實(shí)時(shí)顯示空調(diào)狀態(tài)，需要實(shí)現(xiàn)以下功能：空調(diào)室內(nèi)機(jī)的啟停操作；臺(tái)風(fēng)模式和正常模式切換；反饋壓縮機(jī)的啟停；報(bào)警狀態(tài)；室內(nèi)溫濕度［2］。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器使用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性［3］。該產(chǎn)品可應(yīng)用于暖通空調(diào)、測(cè)試及檢測(cè)設(shè)備、汽車、數(shù)據(jù)記錄器、自動(dòng)控制、氣象檢測(cè)、醫(yī)療設(shè)備、除濕器等。工作電壓為直流5V，濕度測(cè)量范圍為（20～90）%RH，溫度測(cè)量范圍為0～50℃，數(shù)字信號(hào)輸出，數(shù)據(jù)端口帶上拉電阻，只需要接到ESP8266-NodeMCU相應(yīng)針腳就行。

4 空調(diào)控制電路改造

船用分體空調(diào)在長時(shí)間運(yùn)行過程中受海洋環(huán)境影響，會(huì)出現(xiàn)高低壓誤報(bào)警的情況，造成空調(diào)意外停機(jī)，報(bào)警信息會(huì)一直保存在空調(diào)室內(nèi)機(jī)主控板上，無法正常啟機(jī)?？照{(diào)故障停機(jī)后，當(dāng)制冷劑壓力恢復(fù)正常時(shí)，需對(duì)空調(diào)主控板重新上電，消除報(bào)警信息，才能正常啟動(dòng)空調(diào)。為了實(shí)現(xiàn)空調(diào)在制冷劑壓力恢復(fù)正常后能夠自動(dòng)給主控板重新上電的功能，需對(duì)空調(diào)電氣控制部分進(jìn)行局部改造。在空調(diào)電氣控制回路中增加一個(gè)延時(shí)繼電器，當(dāng)空調(diào)因高低壓故障停機(jī)時(shí)，延時(shí)繼電器動(dòng)作，只有當(dāng)空調(diào)高低壓恢復(fù)正常后，延時(shí)間繼電器按照預(yù)設(shè)時(shí)間延時(shí)閉合，空調(diào)主控板重新上電，實(shí)現(xiàn)報(bào)警復(fù)位，重新處于正常待機(jī)狀態(tài)［4］。因各廠家控制原理各不相同，空調(diào)部分改動(dòng)不作詳細(xì)介紹。ESP8266-NodeMCU 控制空調(diào)的硬件控制原理如圖2 所示，D6、D7 兩個(gè)引腳外部接一個(gè)2 路帶光耦隔離的繼電器模塊，控制空調(diào)啟停和模式切換。

圖2 硬件控制原理圖

5 ESP8266-NodeMCU軟件編程

Arduino IDE 要經(jīng)過設(shè)置以后才能配合ESP8266-NodeMCU 開發(fā)板使用。在Arduino IDE 的“首選項(xiàng)”對(duì)話框中找到“附加開發(fā)板管理網(wǎng)址”，將以下網(wǎng)址復(fù)制并且粘貼到“附加開發(fā)板管理網(wǎng)址”欄中：http：//arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json；在“開發(fā)板管理器”的搜索欄中輸入“esp8266”，找到搜索結(jié)果中的“esp8266 by ESP8266 Community”，點(diǎn)擊安裝，開發(fā)軟件設(shè)置完成。開始對(duì)引腳功能進(jìn)行分配，如表1所示。

表1 ESP 8266-NodeMCU 引腳功能分配

5.1 ESP8266-NodeMCU網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

ESP8266-NodeMCU 首次使用時(shí)需要手動(dòng)設(shè)置Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置好之后，下次自動(dòng)連接不用再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置［5］。要實(shí)現(xiàn)此功能，需使用Wi-Fi Manager 庫，ESP8266啟動(dòng)時(shí)會(huì)優(yōu)先使用閃存中的信息連接Wi-Fi，如果連接失敗，則會(huì)啟動(dòng)AP 模式讓用戶連接，用戶使用手機(jī)或電腦連接ESP8266 建立的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，并通過ESP8266 建立的網(wǎng)頁建興Wi-Fi 盤配網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 ESP 8266 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置頁面

5.2 ESP8266-NodeMCU網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

ESP8266-NodeMCU配有一個(gè)閃存，上傳的文件就被存放在這個(gè)閃存里，這個(gè)閃存的全稱是Serial Peripheral Interface Flash File System（SPIFFS），除了可以存放上傳的程序以外，還可以將網(wǎng)頁文件或者系統(tǒng)配置文件存放在ESP8266 的閃存中。ESP8266-NodeMCU 能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的一些功能，但是其運(yùn)算能力無法與那些昂貴的服務(wù)器電腦相媲美，僅能實(shí)現(xiàn)一些基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，不過這些基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能已經(jīng)足夠使用了。通過瀏覽器訪問ESP866-NodeMCU所建立的網(wǎng)頁，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的控制和狀態(tài)監(jiān)控，如圖4 所示。網(wǎng)頁中的數(shù)據(jù)通過Ajax 來實(shí)時(shí)顯示于網(wǎng)頁中［6］，Ajax即“Asynchronous Javascript And XML”（異步JavaScript和XML），是一種創(chuàng)建快速動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁應(yīng)用的網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)，在無需重新加載整個(gè)網(wǎng)頁的情況下，能夠更新部分網(wǎng)頁的技術(shù)。每臺(tái)空調(diào)上的ESP8266模塊就是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，如圖4所示，在監(jiān)控主機(jī)上做一個(gè)靜態(tài)頁面，把所有的ESP8266 訪問地址做超鏈接統(tǒng)一集中管理，方便進(jìn)行空調(diào)控制。在臺(tái)風(fēng)期間陸地遠(yuǎn)程遙控時(shí)，利用陸地電腦遠(yuǎn)程桌面登錄海洋石油平臺(tái)上的電腦，進(jìn)行空調(diào)控制啟停操作，以及監(jiān)控空調(diào)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來。

圖4 空調(diào)控制頁面

分體空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控改造充分利用空調(diào)室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)原有的冗余信號(hào)電纜進(jìn)行電氣控制部分改造，大大降低了重新鋪設(shè)電纜帶來的人力投入和物料消耗，減少占用DCS 系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)，在很大程度上節(jié)約了改造成本，實(shí)現(xiàn)了海洋石油平臺(tái)在遙控生產(chǎn)模式下對(duì)分體空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程啟?？刂疲瑫r(shí)，更有利于穩(wěn)定電氣設(shè)備環(huán)境溫度在合理區(qū)間，降低電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，減少海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)關(guān)斷次數(shù)，提高氣田安全生產(chǎn)時(shí)效，在持續(xù)推動(dòng)海洋石油平臺(tái)數(shù)字化、智能化建設(shè)的同時(shí)，助力海洋石油平臺(tái)更加安全、穩(wěn)產(chǎn)、高效。

6 結(jié)語

在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用過程中，設(shè)備會(huì)存在使用方面的缺陷或者設(shè)計(jì)不合理之處，通過分析原因，探索可以改進(jìn)提高的地方，提高設(shè)備整體可靠性，同時(shí)使操作的方法變得更加方便和簡單，減少一些繁瑣的操作過程，這樣可保證操作控制的簡便性和可靠性。