煤層氣排采后期遠程控制系統設計*

楊 黔，張建義

(浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018)

煤層氣排采后期遠程控制系統設計*

楊 黔，張建義

(浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州310018)

在煤層氣排采后期產氣階段，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、自動控制技術、無線通信技術和遠程監控技術等方面進行了研究，并且提出了一種基于ARM內核單片機和4G網絡的煤層氣排采后期遠程控制系統。首先通過分析排采后期的主要參數，確定了主控變量。然后依次介紹了硬件系統的整體結構和各模塊功能，以及現場終端程序的設計和服務器端程序的架構。最后通過搭建試驗臺對整套控制系統進行測試。研究結果表明，該系統實現了對各項排采參數的實時監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；遠程監控系統；穩流量；穩套壓

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的清潔能源，煤層氣的開發越來越受到國家的重視[2]。煤層氣開發主要經歷鉆井、壓裂和排采三個過程[3]。而排采作為煤層氣開發的終端環節，其科學合理的工藝至關重要。目前煤層氣的排采主要遵循“連續、適度、穩定”的原則。我國現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、調控不精細等問題[4]。要實現對煤層氣排采中動態參數的實時調節及煤層氣的精細化、自動化的排采，必須依托自動化控制設備。

本文的研究主要針對煤層氣排采的后期產氣階段，設計出一套煤層氣排采后期遠程控制系統。該系統實現了各項動態參數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點。

1 煤層氣排采理論分析

依據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、初始產氣階段和產氣階段[4]。本研究主要針對煤層氣排采后期產氣階段，該階段以產氣量和套壓值為主控變量，其中套壓參數對產氣量的影響很大[5]，所以根據不同排采情況，提出了穩流量或穩套壓的兩種控制模式，以實現產氣量的持續、穩定增長。

2 硬件系統設計

硬件系統主要包括數據采集模塊、紅外接收模塊、液晶屏顯示模塊、按鍵模塊和4G無線模塊，硬件系統結構圖如圖1所示。

圖1 硬件系統結構圖

硬件系統采用的微控制器是基于超低功耗的ARM Cortex-M0微處理器內核STM32F0系列芯片，具有高性能和低成本的優點。數據采集模塊通過485的方式采集套壓、流量和閥門開度等參數的值，在微控制器運用控制算法運算后，向電動閥門發送相應的控制指令，實現煤層氣排采的自動化控制。排采的各項參數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據通過4G無線模塊實時地發送到服務器，在網頁或手機APP上實時顯示，實現各項排采參數的實時監測。服務器端可以通過4G網絡向現場控制終端發送控制指令，實現對排采參數的實時調控?，F場調試時，可以使用遙控器通過紅外線對控制系統的參數進行配置，或者直接通過按鍵進行配置。

2.1 數據采集模塊

控制系統需要采集的參數信息有流量、套壓和閥門開度等，選用的儀表都帶有485通信接口，所以采集模塊設計了多個485接口，用于采集各項動態參數。RS-485接口由采用平衡驅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。系統選用的485收發器支持多達250個收發器共享總線，同時還具有收發故障保護和±15 kV靜電防護的功能。為了增強收發器的抗干擾性，在收發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出電磁干擾，起到隔離的作用。

2.2 紅外接收模塊

控制系統搭載了一塊紅外接收器，可以接收由紅外遙控器發射出來的信號。接收器的數據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NEC協議遙控協議對信號進行解析。NEC協議的指令碼包括了引導碼、16位用戶碼、8位數據代碼、8位數據碼反碼和停止碼，數據碼反碼在編碼時可用于對數據糾錯[7]。

2.3 液晶顯示模塊

該系統選用帶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節參數和網絡參數的實時配置信息。

2.4 4G無線模塊

為了實現煤層氣排采的遠程監控，需采用無線遠程的方式將排采參數遠程傳輸。通過4G無線傳輸模塊，可以利用運營商的4G網絡將數據傳輸至服務器，實現排采過程的在線檢測，服務器通過4G網絡將控制指令發送給終端，實現排采的遠程控制。為了適應排采現場復雜的網絡狀況，本系統采用支持多個頻段的4G模塊，該模塊支持移動、聯通和電信4G的高速接入，可以根據現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器發送心跳包和斷線自動重連的功能，確保了數據傳輸的穩定性。

3 軟件系統設計

3.1 軟件功能需求分析

整套系統需要實現對各儀表數據的采集、電動閥門的自動控制、排采參數的遠程實時顯示及在線控制等功能。對于現場終端程序，采用C語言編寫，主要包括儀表數據采集程序的編寫、自動控制算法的編寫和向服務器發送數據包的程序編寫。服務器端軟件采用Go語言編寫，主要包括聯網控制、數據的監聽、處理和存儲以及與Web和APP端的交互。

3.2 現場終端程序設計

現場終端程序采用C語言編寫，主要包括數據采集部分、閥門自動控制部分和服務器通信部分。數據采集部分主要實現對套壓值、閥門開度值和流量值的采集，根據儀表的通信協議編寫對應的串口通信程序。閥門自動控制部分提出了兩種控制模式，分別為穩套壓模式和穩流量模式。服務器通信部分主要包括自定義數據包的編寫和服務器控制指令的解析。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

該系統設計了兩種控制模式：穩流量模式和穩套壓模式。在不同模式下，通過設置流量和套壓值的上下限，采用PID控制[9]調節閥門的開度，使流量或套壓保持在穩定水平。

PID的數學表達式如下：

圖4 穩套壓模式下實時數據曲線圖

圖5 穩流量模式下實時數據曲線圖

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三個參數可以根據排采實際情況進行調節。在穩流量模式下，e為當前流量值和前一次采集的流量值的偏差，u對應著閥門開度的調節量。穩套壓模式下，e為當前套壓值和前一次采集的套壓值的偏差，u對應著閥門開度的調節量。通過設置閥門調節的步長和控制的時間周期，可以調節排采的精細程度?？梢酝ㄟ^遙控器現場調整控制模式、調節步長和控制周期等參數，也可以通過服務器發送參數配置指令。

3.4 服務器端程序設計

服務器端的程序設計采用的是MVC架構模式。服務器端程序結構框架如圖3所示。

圖3 服務器端程序結構框圖

設備終端采用TCP/IP協議向服務器端發送數據包，服務器端通過DNS給終端分配IP地址，完成連接，同時開始對數據的接收進行監聽。接收到的數據進入消息隊列，經過解析處理后，完成與數據庫的交互。服務器端程序還實現了設備節點管理、用戶管理和數據查詢等功能。Web瀏覽器或者手機APP通過RPC方式調用云端服務器中的程序，實現了終端設備的在線監測和遠程控制。

4 系統測試

通過搭建實驗平臺，測試系統的運行情況。在Web端分別設置穩套壓和穩流量模式，對電動閥門進行控制，執行情況如圖4和圖5所示。從圖中可以看出兩種模式下，系統運行正常，都達到了預期的控制效果。

5 結論

本研究為了實現煤層氣排采后期的自動化、精細化排采，結合嵌入式技術和物聯網技術，提出了一種煤層氣排采后期遠程控制系統。實驗結果表明，該系統實現了對煤層氣排采過程中套壓、流量、閥門開度等參數的遠程實時監測，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。目前該系統需投入現場使用，根據采集到的大量數據，結合大數據分析，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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[2] 葉建平,陸小霞. 我國煤層氣產業發展現狀和技術進展[J]. 煤炭科學技術,2016,44(1):24-28,46.

[3] 郭大立,貢玉軍,李曙光,等.煤層氣排采工藝技術研究和展望[J]. 西南石油大學學報(自然科學版),2012,34(2):91-98.

[4] 鄒宇清,趙鳳坤,黃勇,等. 煤層氣排采遠程自動控制平臺的建立與應用[J]. 天然氣工業,2015,35(12): 42-47.

[5] 張明山. 煤層氣排采中套壓對產氣量的影響[J]. 中國煤炭,2009,35(12): 102-104.

[6] 余旺新. RS485遠程通信電路系統設計[J]. 科技信息,2009(30):227-228.

[7] 賈懷彬. 紅外遙控編碼芯片的設計[D]. 沈陽:沈陽工業大學,2011.

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[9] 李航,王耀力. 四旋翼飛行器中PID控 制的優化[J].電子技術應用,2017，43(2):73-76.

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

浙江省公益技術應用研究項目(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設計J.微型機與應用，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。

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、物聯網、人工智能。E-mail:zdreamx@126.com。