基于物聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)氣井智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘 要：為了提高天津市某CNG儲(chǔ)配站中的儲(chǔ)氣井智能化監(jiān)測(cè)水平，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)氣井智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以采集并存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)多種類(lèi)型傳感器數(shù)據(jù)。通過(guò)規(guī)劃系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，對(duì)關(guān)鍵需求進(jìn)行分析，完成了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成和傳感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。同時(shí)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，便于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和后期分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)，使操作人員可以在中控室監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)環(huán)境狀態(tài)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定的閾值針對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警，為儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)監(jiān)測(cè)提供有力的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)；CNG儲(chǔ)配站；C#；MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)；儲(chǔ)氣井

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）10-00-03

0 引 言

儲(chǔ)氣井是一種豎向埋設(shè)于地下的管狀設(shè)備，在我國(guó)使用已近30年[1]。由于儲(chǔ)氣井埋設(shè)于地下，其井壁與井筒之間需要使用水泥進(jìn)行全填充封固，用以?xún)?chǔ)存特定的壓縮氣體。因此，儲(chǔ)氣井是壓力容器與油氣井的經(jīng)典融合。儲(chǔ)氣井安裝在地下，具有占地面積小、失效影響范圍小、儲(chǔ)氣量大、使用效率高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，儲(chǔ)氣井技術(shù)發(fā)展迅速，已成為我國(guó)壓縮天然氣（Compressed Natural Gas， CNG）加氣站的主要儲(chǔ)氣設(shè)備。但儲(chǔ)氣井套管局部會(huì)發(fā)生細(xì)微變化，這是由地層電化學(xué)、疲勞腐蝕等造成的，因此儲(chǔ)氣井會(huì)出現(xiàn)變形、腐蝕、開(kāi)裂等現(xiàn)象，存在極大的安全隱患，故對(duì)儲(chǔ)氣井狀況進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

位于天津市的某CNG儲(chǔ)配站自2009年建站至今已有十余年歷史。站內(nèi)的儲(chǔ)氣井井場(chǎng)共有3座井臺(tái)，因建場(chǎng)時(shí)采用軟地層填埋，故若干年后原水泥硬化出現(xiàn)開(kāi)裂和下沉，無(wú)法實(shí)現(xiàn)井筒禁錮，容易造成冒井、沉井現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)事故。同時(shí)，現(xiàn)有的儲(chǔ)氣井監(jiān)測(cè)嚴(yán)重依賴(lài)人工巡視，工作效率及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)獲取的準(zhǔn)確性均無(wú)法保證。儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

為了能夠?qū)γ熬⒖扇細(xì)怏w泄漏、井內(nèi)氣壓、井場(chǎng)風(fēng)力風(fēng)速等狀況和參數(shù)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保安全生產(chǎn)，需要引入信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文在對(duì)儲(chǔ)氣井的3座井臺(tái)進(jìn)行信息化改造時(shí)，利用多種類(lèi)型傳感器全面感知儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，并為生產(chǎn)、調(diào)試、管理等提供必要的數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)場(chǎng)待測(cè)量參數(shù)具有多元化的特點(diǎn)，須根據(jù)儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與傳感器所采集數(shù)據(jù)特征合理選擇傳感層技術(shù)[2]。本文提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在儲(chǔ)氣井監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，此舉對(duì)石化行業(yè)中智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用有著極其重要的意義。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)的3座井臺(tái)與中控室距離約1 000 m，3座井臺(tái)需要安裝的傳感器較多，且現(xiàn)場(chǎng)其他電氣設(shè)備可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)距離、多傳感器節(jié)點(diǎn)、電磁干擾較多、數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，采用RS 485進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

RS 485的通信距離約為1 200 m，可連接多達(dá)128個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳輸時(shí)使用2個(gè)反相相等的差分信號(hào)，能夠較好地抵抗電磁干擾和噪聲干擾，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Mb/s，且可同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[3]。

本系統(tǒng)整體方案包括服務(wù)器主機(jī)、數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器節(jié)點(diǎn)。其中，服務(wù)器主機(jī)與數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)采用串口通信，數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)與傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用RS 485連接，傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳感器節(jié)點(diǎn)也采用RS 485連接[4]。系統(tǒng)整體原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 服務(wù)器主機(jī)

服務(wù)器主機(jī)安裝于中控室，負(fù)責(zé)接收所有的傳感器數(shù)據(jù)。在服務(wù)器主機(jī)上設(shè)計(jì)部署一套數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，用來(lái)顯示現(xiàn)場(chǎng)各型傳感器的數(shù)據(jù)。同時(shí)將數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后期分析。

2.2 數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)

該系統(tǒng)可處理多源數(shù)據(jù)[5]，將各傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、過(guò)濾和標(biāo)準(zhǔn)化，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次綜合分析處理，包括數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間相關(guān)性分析、數(shù)據(jù)的多層次關(guān)聯(lián)組合分析等，將結(jié)果上傳至中控室服務(wù)器主機(jī)。

2.3 傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布置于現(xiàn)場(chǎng)電氣接線柜，每座井臺(tái)分別放置一個(gè)電氣接線柜，可采集各傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)還具有浪涌保護(hù)功能。

2.4 傳感器節(jié)點(diǎn)

本項(xiàng)目中的傳感器節(jié)點(diǎn)包含激光位移傳感器、振動(dòng)傳感器、氣體壓力傳感器、火焰探測(cè)器、可燃?xì)怏w傳感器、風(fēng)速傳感器。其中，激光位移傳感器安裝在井臺(tái)旁邊的支架上，支架頂端為橫桿，其延伸到井臺(tái)邊緣，激光位移傳感器可以測(cè)量橫桿與井臺(tái)之間的距離。由于支架與井臺(tái)之間有一定的距離，保持支架上橫桿的位置、高度不變，激光位移傳感器所測(cè)量的數(shù)值便可反映出井臺(tái)自身的高度變化，進(jìn)而衡量井臺(tái)是否出現(xiàn)冒井、沉井現(xiàn)象。由于外界影響，橫桿可能會(huì)上下移動(dòng)。將振動(dòng)傳感器安裝在橫桿上，用來(lái)監(jiān)測(cè)橫桿上下移動(dòng)導(dǎo)致激光位移傳感器測(cè)量的距離波動(dòng)。

多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成樹(shù)形結(jié)構(gòu)，覆蓋3座井臺(tái)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和控制[6]?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的布置及接線如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氣井物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及到海量的數(shù)據(jù)信息，為了保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理運(yùn)用的便捷性和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。使用數(shù)據(jù)庫(kù)能夠提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、檢索及共享的效果，確保儲(chǔ)氣井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全[7]。

項(xiàng)目中采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，為儲(chǔ)氣井?dāng)?shù)據(jù)管理提供操作便利性、存儲(chǔ)便利性[8]。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，操作者須輸入用戶(hù)名、密碼才能登錄，這樣可以確保現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性和安全性，提升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全水平。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的應(yīng)用能夠提升數(shù)據(jù)管理操作的直觀性和便利性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)增加、修改、刪除的靈活度，簡(jiǎn)化用戶(hù)界面[9]。

在完成數(shù)據(jù)庫(kù)選擇之后，應(yīng)合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)表，根據(jù)儲(chǔ)氣井物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)與傳感器數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性需求，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的各類(lèi)數(shù)據(jù)表[10]，主要包括如下幾類(lèi)：

（1）用戶(hù)信息表：存儲(chǔ)用戶(hù)登錄的用戶(hù)名、密碼和其他信息，便于操作人員使用已有用戶(hù)名登錄系統(tǒng)并查詢(xún)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)內(nèi)容；

（2）數(shù)據(jù)信息表：存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)各型傳感器采集的數(shù)據(jù)，用戶(hù)可以根據(jù)傳感器類(lèi)型或者編號(hào)查看數(shù)據(jù)信息，通過(guò)對(duì)比歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)，得出分析結(jié)果；

（3）報(bào)警信息表：儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)各型傳感器均設(shè)置了閾值，閾值超限后會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信息，包括傳感器數(shù)據(jù)、報(bào)警時(shí)間，用戶(hù)可以在分析數(shù)據(jù)時(shí)制定預(yù)防和控制方案；

（4）訪問(wèn)歷史表：為了解監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的訪問(wèn)和操作情況，該表可存儲(chǔ)登錄系統(tǒng)的用戶(hù)數(shù)據(jù)信息，包括用戶(hù)名、登錄和退出時(shí)間等，一旦發(fā)現(xiàn)有不合理的操作現(xiàn)象，就會(huì)彈出告警信息，為操作人員展示正確的操作方法，以免因誤操作而影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。

4 監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)應(yīng)具有完善的功能，主要包括[11]：

（1）數(shù)據(jù)采集功能：系統(tǒng)應(yīng)能采集儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)型傳感器數(shù)據(jù)，包括可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)、振動(dòng)情況、氣體壓力、火焰、風(fēng)速數(shù)據(jù)等，且每種傳感器的數(shù)量不唯一；

（2）數(shù)據(jù)分析功能：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并在第一時(shí)間對(duì)于超出閾值的傳感器進(jìn)行報(bào)警、記錄，同時(shí)提示操作人員采取應(yīng)對(duì)措施，確保儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)的安全；

（3）數(shù)據(jù)管理功能：通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)保存相關(guān)數(shù)據(jù)，便于操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)回調(diào)分析，能夠在報(bào)警發(fā)生后，分析警情原因，進(jìn)行工藝流程及控制決策的調(diào)整。

本項(xiàng)目采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，該語(yǔ)言是微軟為Visual Studio開(kāi)發(fā)平臺(tái)推出的一種簡(jiǎn)潔、安全的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，源于C++，類(lèi)似于Java。根據(jù)儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框架如圖4所示。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為5個(gè)模塊。

（1）系統(tǒng)登錄模塊

由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)部署在一臺(tái)公共服務(wù)器上，需要操作人員和管理員進(jìn)行常規(guī)的系統(tǒng)使用與安全維護(hù)。因此在打開(kāi)軟件時(shí)，需要密碼驗(yàn)證，防止無(wú)關(guān)人員隨意操作。

（2）主界面模塊

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主界面菜單欄應(yīng)包括傳感器管理、報(bào)表審閱、人員管理等功能。

（3）傳感器檢測(cè)模塊

波形顯示功能可以進(jìn)行單一傳感器的波形顯示，獲得該傳感器在一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化；參數(shù)配置功能用來(lái)設(shè)置傳感器的采樣周期等參數(shù)；數(shù)據(jù)保存功能可將傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

（4）報(bào)表打印模塊

打印項(xiàng)用于選擇所需打印的傳感器數(shù)據(jù)；通過(guò)打印界面可以設(shè)置打印時(shí)的數(shù)據(jù)展示方式，例如列表、圖線等。

（5）幫助模塊

該模塊可顯示系統(tǒng)各功能的使用方法；可直接打開(kāi)PDF版操作手冊(cè)，查看不同傳感器的特點(diǎn)、功能參數(shù)、調(diào)試方法。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)本文提出的方案，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了儲(chǔ)氣井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)能夠針對(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)配置，并能選擇采集不同的傳感器數(shù)據(jù)并顯示，每種傳感器的操作不會(huì)受其他傳感器影響。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面如圖5所示。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)氣井智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可準(zhǔn)確采集各傳感器原始報(bào)文數(shù)據(jù)，針對(duì)每一種傳感器的輸出報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，可將傳感器的真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在軟件系統(tǒng)界面上，且實(shí)時(shí)顯示效果較好。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)氣井實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)各關(guān)鍵參數(shù)的智能監(jiān)測(cè)。在完成儲(chǔ)氣井智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在儲(chǔ)氣井站區(qū)現(xiàn)場(chǎng)部署傳感器、采集模塊等硬件設(shè)備，利用C#開(kāi)發(fā)了一款服務(wù)器端監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，向用戶(hù)提供友好的操作界面。同時(shí)，在后臺(tái)將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后續(xù)分析。該系統(tǒng)的應(yīng)用將極大地推進(jìn)儲(chǔ)氣井現(xiàn)場(chǎng)智能化監(jiān)測(cè)工作，在石化行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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