楊 黔，張建義

(浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

煤層氣排采后期遠程控制系統(tǒng)設(shè)計*

楊 黔，張建義

(浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州310018)

在煤層氣排采后期產(chǎn)氣階段，人工排采存在實時性和精細化難以達到要求等問題，為此，本文對儀表通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、無線通信技術(shù)和遠程監(jiān)控技術(shù)等方面進行了研究，并且提出了一種基于ARM內(nèi)核單片機和4G網(wǎng)絡(luò)的煤層氣排采后期遠程控制系統(tǒng)。首先通過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)場終端程序的設(shè)計和服務(wù)器端程序的架構(gòu)。最后通過搭建試驗臺對整套控制系統(tǒng)進行測試。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對各項排采參數(shù)的實時監(jiān)測以及對排采的自動化控制和遠程控制，滿足了對煤層氣排采實時性和精細化的要求。

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

0 引言

我國煤層氣資源豐富，總儲存量居世界第三，具有較大的開采價值[1]。作為一種與天然氣熱值相當?shù)那鍧嵞茉?，煤層氣的開發(fā)越來越受到國家的重視[2]。煤層氣開發(fā)主要經(jīng)歷鉆井、壓裂和排采三個過程[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。我國現(xiàn)階段煤層氣的排采主要依靠人工，排采過程中存在采樣周期長、調(diào)控不精細等問題[4]。要實現(xiàn)對煤層氣排采中動態(tài)參數(shù)的實時調(diào)節(jié)及煤層氣的精細化、自動化的排采，必須依托自動化控制設(shè)備。

本文的研究主要針對煤層氣排采的后期產(chǎn)氣階段，設(shè)計出一套煤層氣排采后期遠程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了各項動態(tài)參數(shù)的遠程采集及煤層氣排采的自動化控制，具有實時性、精細化和智能化的優(yōu)點。

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，以實現(xiàn)產(chǎn)氣量的持續(xù)、穩(wěn)定增長。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

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。數(shù)據(jù)采集模塊通過485的方式采集套壓、流量和閥門開度等參數(shù)的值，在微控制器運用控制算法運算后，向電動閥門發(fā)送相應(yīng)的控制指令，實現(xiàn)煤層氣排采的自動化控制。排采的各項參數(shù)可以通過液晶顯示模塊進行實時顯示。同時微控制器將采集到的數(shù)據(jù)通過4G無線模塊實時地發(fā)送到服務(wù)器，在網(wǎng)頁或手機APP上實時顯示，實現(xiàn)各項排采參數(shù)的實時監(jiān)測。服務(wù)器端可以通過4G網(wǎng)絡(luò)向現(xiàn)場控制終端發(fā)送控制指令，實現(xiàn)對排采參數(shù)的實時調(diào)控?，F(xiàn)場調(diào)試時，可以使用遙控器通過紅外線對控制系統(tǒng)的參數(shù)進行配置，或者直接通過按鍵進行配置。

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)計了多個485接口，用于采集各項動態(tài)參數(shù)。RS-485接口由采用平衡驅(qū)動器和差分接收器組成，抗共模干擾能力增強，即抗干擾性好[6]。RS-485接口還具有傳輸距離長的特點，實際最大傳輸距離可達3 000 m。系統(tǒng)選用的485收發(fā)器支持多達250個收發(fā)器共享總線，同時還具有收發(fā)故障保護和±15 kV靜電防護的功能。為了增強收發(fā)器的抗干擾性，在收發(fā)器的信號線上添加一個共模電感，既可以濾除信號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)射出來的信號。接收器的數(shù)據(jù)引腳與微控制器的定時器通道相連，微控制器通過定時器的輸入捕獲功能檢測接收器傳過來的信號，并根據(jù)NEC協(xié)議遙控協(xié)議對信號進行解析。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)碼反碼在編碼時可用于對數(shù)據(jù)糾錯[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時流量值、實時的套壓值以及當前的閥門開度值。同時通過操作遙控器或按鍵，可以實時顯示當前調(diào)節(jié)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的實時配置信息。

2.4 4G無線模塊

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

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 軟件功能需求分析

整套系統(tǒng)需要實現(xiàn)對各儀表數(shù)據(jù)的采集、電動閥門的自動控制、排采參數(shù)的遠程實時顯示及在線控制等功能。對于現(xiàn)場終端程序，采用C語言編寫，主要包括儀表數(shù)據(jù)采集程序的編寫、自動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、處理和存儲以及與Web和APP端的交互。

3.2 現(xiàn)場終端程序設(shè)計

現(xiàn)場終端程序采用C語言編寫，主要包括數(shù)據(jù)采集部分、閥門自動控制部分和服務(wù)器通信部分。數(shù)據(jù)采集部分主要實現(xiàn)對套壓值、閥門開度值和流量值的采集，根據(jù)儀表的通信協(xié)議編寫對應(yīng)的串口通信程序。閥門自動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)表達式如下：

圖4 穩(wěn)套壓模式下實時數(shù)據(jù)曲線圖

圖5 穩(wěn)流量模式下實時數(shù)據(jù)曲線圖

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

3.4 服務(wù)器端程序設(shè)計

服務(wù)器端的程序設(shè)計采用的是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DNS給終端分配IP地址，完成連接，同時開始對數(shù)據(jù)的接收進行監(jiān)聽。接收到的數(shù)據(jù)進入消息隊列，經(jīng)過解析處理后，完成與數(shù)據(jù)庫的交互。服務(wù)器端程序還實現(xiàn)了設(shè)備節(jié)點管理、用戶管理和數(shù)據(jù)查詢等功能。Web瀏覽器或者手機APP通過RPC方式調(diào)用云端服務(wù)器中的程序，實現(xiàn)了終端設(shè)備的在線監(jiān)測和遠程控制。

4 系統(tǒng)測試

通過搭建實驗平臺，測試系統(tǒng)的運行情況。在Web端分別設(shè)置穩(wěn)套壓和穩(wěn)流量模式，對電動閥門進行控制，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)運行正常，都達到了預(yù)期的控制效果。

5 結(jié)論

本研究為了實現(xiàn)煤層氣排采后期的自動化、精細化排采，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程控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對煤層氣排采過程中套壓、流量、閥門開度等參數(shù)的遠程實時監(jiān)測，以及閥門的本地自動化控制和遠程實時控制，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.煤層氣排采后期遠程控制系統(tǒng)設(shè)計J.微型機與應(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。