天然氣在線分析儀遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的設(shè)計與探討

杜爽，曹蘊(yùn)墨，李劍峰，周盛

中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處（四川 成都 610213）

0 引言

天然氣在線分析儀在天然氣氣質(zhì)監(jiān)督管理、保證天然氣質(zhì)量符合國家法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求上發(fā)揮著重要作用[1]。近年來，隨著國家對長輸管道天然氣氣質(zhì)要求越來越嚴(yán)格以及天然氣能量計量的推行，結(jié)合西南油氣田分公司“十四五”建成500 億大氣區(qū)的奮斗目標(biāo)，打造智能油氣田、智慧管網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，已有越來越多的在線分析設(shè)備投入使用，且呈現(xiàn)點(diǎn)多面廣的態(tài)勢。

目前國內(nèi)外在線分析儀遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理基本處于空白狀態(tài)。在用的在線分析儀品牌多、型號多、安裝也較分散，各個品牌的通訊協(xié)議也不同。國外僅有部分在線分析儀可實現(xiàn)PC端控制，但也僅局限于同品牌同型號控制，無法實現(xiàn)多品牌多型號在線設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。國內(nèi)在天然氣氣質(zhì)監(jiān)督管理上存在的問題有：各進(jìn)氣點(diǎn)的氣質(zhì)數(shù)據(jù)未實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測管理，時效性差、手段落后，無法匹配當(dāng)前公司信息化管理要求；在線分析儀的運(yùn)維管理人員難以全面掌握儀器運(yùn)行狀態(tài)，無法及時處理儀器出現(xiàn)的故障，從而影響天然氣氣質(zhì)監(jiān)測的連續(xù)性；大量氣質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)未能有效開發(fā)利用等[2]。因此，有必要設(shè)計開發(fā)一套在線分析儀遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)應(yīng)用管理系統(tǒng)[3]，用于完成分布在川渝管網(wǎng)不同地點(diǎn)在線分析儀的數(shù)據(jù)采集、集中監(jiān)控、故障診斷處理，提高在線分析儀的運(yùn)行維護(hù)效率，保證天然氣氣質(zhì)監(jiān)管的有效性和連續(xù)性；完成天然氣氣質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、應(yīng)用開發(fā)等，形成以數(shù)據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)的應(yīng)用場景。將天然氣氣質(zhì)監(jiān)管由傳統(tǒng)管理手段向數(shù)字化、智能化管理推進(jìn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的用途在于接入各類監(jiān)控資源，為管理平臺的各項應(yīng)用提供基礎(chǔ)保障，并服務(wù)于各類系統(tǒng)用戶[4]。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)“分散管理、集中控制”的設(shè)計理念，將系統(tǒng)設(shè)計成為“三點(diǎn)一線”的結(jié)構(gòu)模式，“三點(diǎn)”分別指的是：分析小屋現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的儀表設(shè)備、用戶辦公室和監(jiān)控中心的服務(wù)器端；“一線”指的是通信網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

分析小屋：位于相應(yīng)的場站內(nèi)，它的主要功能是對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行采集，對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與監(jiān)控中心通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。

監(jiān)控中心：實現(xiàn)對該站所需要監(jiān)控的在線儀器設(shè)備的集中遠(yuǎn)程監(jiān)控和統(tǒng)一調(diào)度管理。主要功能是實時監(jiān)控指定設(shè)備的運(yùn)行情況，對該站的異常情況發(fā)出實時警報，查看站內(nèi)的各項歷史數(shù)據(jù)等。

用戶辦公室：用戶使用辦公電腦，借助瀏覽器訪問監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

1.2 邏輯架構(gòu)設(shè)計

在線分析儀遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件平臺采用6 層架構(gòu)，系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖2 所示，基于web 的訪問技術(shù)，使得系統(tǒng)的安全性和交互能力有了極大的提高。由于分層系統(tǒng)的功能模塊非常明確，系統(tǒng)具有更大的靈活性，一個模塊的功能變化不會影響到其他模塊，系統(tǒng)改進(jìn)容易且便于由不同計算機(jī)廠商提供的軟件產(chǎn)品組成。

1）設(shè)備層。該層主要是在線的各種設(shè)備，包括色譜分析儀、硫化氫分析儀、水分分析儀。

2）通信協(xié)議層。該層同時融合了ModBus、TCP/IP 及網(wǎng)絡(luò)等多種移動通訊、信息處理和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，用來訪問各種分析設(shè)備。

3）數(shù)據(jù)采集層。該層調(diào)用各種通信協(xié)議，采集各種設(shè)備的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗、處理和緩存，便于上層將其存入數(shù)據(jù)庫。

4）數(shù)據(jù)庫訪問層。提供訪問數(shù)據(jù)庫的各種基礎(chǔ)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、更新、查詢、刪除等功能。將采集來的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。

5）數(shù)據(jù)服務(wù)層。實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，包括設(shè)備管理、設(shè)備數(shù)據(jù)查看、設(shè)備數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備數(shù)據(jù)分析等系統(tǒng)必須功能。

6）界面層。使用各種WEB 控件展示系統(tǒng)的功能和用戶進(jìn)行交互。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)

系統(tǒng)開發(fā)主要使用Spring Boot、SpringMVC、mybatis 框架、Vue.js、MySQL 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，并在現(xiàn)場連接實際SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。

1）Spring Boot。Spring Boot 的設(shè)計目的是用來簡化新Spring應(yīng)用的初始搭建以及開發(fā)過程。該框架使用了特定的方式進(jìn)行配置，不需要定義樣板化的配置。

Spring 是整個項目中裝配bean 的大工廠，在配置文件中可以指定使用特定的參數(shù)去調(diào)用實體類的構(gòu)造方法來實例化對象。也可以稱之為項目中的黏合劑。

2）SpringMVC。SpringMVC 在項目中用于攔截用戶請求，它的核心Servlet 即DispatcherServlet 承擔(dān)中介或是前臺的職責(zé)，將用戶請求通過Handler-Mapping 去匹配Controller，Controller 就是具 體 對 應(yīng)請求所執(zhí)行的操作。SpringMVC 相當(dāng)于SSH 框架中struts。

3）mybatis。mybatis 是對jdbc 的封裝，它讓數(shù)據(jù)庫底層操作變得透明。mybatis 的操作都是圍繞一個sqlSessionFactory 實例展開的。mybatis 通過配置文件關(guān)聯(lián)到各實體類的Mapper文件，Mapper文件中配置了每個類對數(shù)據(jù)庫所需進(jìn)行的sql 語句映射。在每次與數(shù)據(jù)庫交互時，通過sqlSessionFactory 拿到一個sqlSession，再執(zhí)行sql命令。

頁面發(fā)送請求給控制器，控制器調(diào)用業(yè)務(wù)層處理邏輯，邏輯層向持久層發(fā)送請求，持久層與數(shù)據(jù)庫交互，后將結(jié)果返回給業(yè)務(wù)層，業(yè)務(wù)層將處理邏輯發(fā)送給控制器，控制器再調(diào)用視圖展現(xiàn)數(shù)據(jù)。

4）Vue.js。Vue.js 是一個構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的web界面的漸進(jìn)式框架。Vue.js 的目標(biāo)是通過盡可能簡單的API 實現(xiàn)響應(yīng)的數(shù)據(jù)綁定和組合的視圖組件。它不僅易于上手，還便于與第三方庫或既有項目整合。

另一方面，當(dāng)與單文件組件和Vue.js生態(tài)系統(tǒng)支持的庫結(jié)合使用時，Vue.js也完全能夠為復(fù)雜的單頁應(yīng)用程序提供驅(qū)動。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 設(shè)備管理功能

為了方便在線分析儀相關(guān)信息查詢，天然氣在線分析儀的系統(tǒng)管理需建立各類型在線分析儀的基本信息臺賬，如圖3所示，包括設(shè)備名稱、型號、生產(chǎn)廠家、儀器編號、安裝站場（屬地電話）、監(jiān)控氣源、設(shè)備狀態(tài)等。

圖3 設(shè)備管理界面

設(shè)備管理界面設(shè)置查詢、編輯功能，用戶在下拉菜單中可選擇上述相關(guān)項進(jìn)行查看或檢索臺賬內(nèi)信息的關(guān)鍵字，系統(tǒng)將顯示該站或相關(guān)關(guān)鍵字對應(yīng)的在線分析儀的相關(guān)信息，且系統(tǒng)同樣具備臺賬編輯和導(dǎo)出的功能。

2.2 設(shè)備故障統(tǒng)計功能

在線分析設(shè)備故障直接影響天然氣氣質(zhì)的有效監(jiān)控，因此對設(shè)備故障進(jìn)行跟蹤記錄和統(tǒng)計分析在設(shè)備管理工作中有十分重要的意義。故障管理功能用于管理在線分析設(shè)備的故障信息，如圖4 所示，對設(shè)備故障發(fā)生的時間、故障描述、原因分析、故障處理方法等進(jìn)行跟蹤記錄。

圖4 設(shè)備故障統(tǒng)計界面

用戶可通過在設(shè)備故障統(tǒng)計中選擇不同的故障發(fā)現(xiàn)時間來瀏覽故障記錄。由于故障可能不會一次性解決，對于某一故障系統(tǒng)應(yīng)能記錄不同的處理過程，包括處理時間、處理方式和處理人員。

2.3 在線數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、預(yù)警功能

在線分析儀的連續(xù)自動分析檢測是為了實現(xiàn)對氣源氣質(zhì)的實時監(jiān)控，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)每5 min 對在線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并在監(jiān)控相關(guān)界面對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并結(jié)合天然氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的質(zhì)量指標(biāo)，按表1對不同類型在線儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行展示以及相應(yīng)的預(yù)警、報警參數(shù)設(shè)置[5]。數(shù)據(jù)監(jiān)控、預(yù)警展示如圖5所示。

表1 在線分析儀檢測數(shù)據(jù)應(yīng)用

圖5 數(shù)據(jù)監(jiān)控、預(yù)警展示

2.4 歷史數(shù)據(jù)存儲、查詢及應(yīng)用功能

在線分析儀在正常使用期間會產(chǎn)生大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)按設(shè)備類別進(jìn)行存儲[8]，可根據(jù)設(shè)備臺賬中對應(yīng)的安裝站場、在線設(shè)備類型和監(jiān)測氣源名稱等查詢相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)。

每臺在線硫化氫和水露點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)按時間段進(jìn)行折線圖展示，折線圖可根據(jù)需查詢的時間段進(jìn)行伸縮調(diào)整，如圖6 所示。該界面同時具有數(shù)據(jù)比對功能，可同時選擇2~4 臺設(shè)備進(jìn)行同時段的硫化氫或水露點(diǎn)值的折線圖比對顯示，如圖7所示。

圖6 硫化氫歷史數(shù)據(jù)查詢折線圖

圖7 歷史數(shù)據(jù)比對應(yīng)用

每臺在線色譜所監(jiān)測的天然氣組分含量、發(fā)熱量、相對密度等類型的歷史數(shù)據(jù)，整體以列表的形式按時間順序進(jìn)行展示，可調(diào)整時間段進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢。單獨(dú)選擇某數(shù)據(jù)分類可展示該數(shù)據(jù)對應(yīng)時間段的折線圖。該界面同樣具有數(shù)據(jù)比對功能，可同時選擇2~4 臺設(shè)備進(jìn)行同時段色譜數(shù)據(jù)的點(diǎn)位圖比對顯示，如圖7所示。

3 結(jié)束語

通過分析系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，介紹了系統(tǒng)設(shè)計中采用的關(guān)鍵技術(shù)，從系統(tǒng)設(shè)計的實際需求出發(fā)，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺的設(shè)計方案，構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，搭建數(shù)據(jù)處理平臺，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用能夠提高遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實時性和有效性。系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控在線分析儀關(guān)鍵參數(shù)，實時掌握在線分析儀運(yùn)行狀態(tài)，保障管輸天然氣氣質(zhì)和在線分析儀的正常運(yùn)作，還可利用設(shè)立的診斷庫對同類型儀器的故障及維護(hù)方式進(jìn)行記錄，便于同類型故障的及時有效處理和設(shè)備全生命周期的記錄。