ESP8266-NodeMCU實現海洋石油平臺分體空調遠程控制

蔡濤

（中海石油（中國）有限公司上海分公司 上海 200335）

隨著國家加大國內油氣勘探開發力度、保障能源安全的任務，海洋石油開采發展迅速，從近海到遠海，從有人平臺到無人平臺，海洋石油平臺設備的穩定性、可靠性也需要進一步提升，對設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、南海海域會受到臺風的影響，當臺風到來時，海洋石油平臺人員全部撤離到陸地避臺風，執行陸地遠程遙控生產，生產工藝流程、安全保障系統的狀態都會通過DCS 系統進行控制和監視。而船用分體空調在設計時考慮到成本問題，往往沒有設計DCS集中控制，一些海洋石油平臺中控室（CCR）、馬達控制間（MCC）、應急配電間（EMCC）等安裝的船用分體空調不具備遠程監控和啟停功能，需要操作人員就地啟動。在臺風期間，一般是重要房間空調全部開啟運行，避免單臺出現故障造成房間溫度升高。但是，在多次的實際臺風模式運行下，由于臺風到來時海上環境狂風暴雨，室外機會受環境影響報故障停機，多次遇到同一房間空調全部停機，陸地無法遠程控制，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 監控房間物理溫濕度計）執行遠程關停生產，避免溫度繼續升高發生火災。為了減少生產關停時間，需要給分體空調增加遠程啟停功能。常規做法是利用通訊或者硬線接入DCS系統進行控制和監控。船用分體空調通訊大多是內部協議，不對外開放，無法進行通訊改造，使用硬線直接接入DCS 系統，因分體空調數量多，占用IO 點數多，施工改造布線困難，成本高。本方案利用物聯網ESP8266-NodeMCU 實現空調遠程控制啟停，不占用DCS系統IO卡件通道，不用組態，成本低廉。

2 船用分體空調遠程控制網絡拓撲

ESP8266-NodeMCU是一個開源硬件開發板，由于它支持Wi-Fi 功能，所以在物聯網（IOT）領域應用廣泛，并且可以使用Arduino IDE 進行開發，極大簡化了學習和開發過程。本方案需要實現在中心平臺上控制本平臺空調以外，還要控制兩個無人井口平臺空調。中心平臺與無人井口平臺之間有海底光纜連接［1］，采用無線AC 控制器統一下發配置給AP，集中管理AP。為減少房間內電源線的布置，采用POE 交換機供電給AP，只需一根網線解決電源和網絡，網絡拓撲如圖1所示。每個房間內布置一個AP無線接入點，提供無線網絡給ESP8266-NodeMCU，控制空調啟停和參數監控。ESP8266-NodeMCU 通過Wi-Fi 與AP 相連，提供網絡服務來控制和實時顯示空調狀態，需要實現以下功能：空調室內機的啟停操作；臺風模式和正常模式切換；反饋壓縮機的啟停；報警狀態；室內溫濕度［2］。

圖1 網絡拓撲圖

3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器使用DHT11 數字溫濕度傳感器。DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性［3］。該產品可應用于暖通空調、測試及檢測設備、汽車、數據記錄器、自動控制、氣象檢測、醫療設備、除濕器等。工作電壓為直流5V，濕度測量范圍為（20～90）%RH，溫度測量范圍為0～50℃，數字信號輸出，數據端口帶上拉電阻，只需要接到ESP8266-NodeMCU相應針腳就行。

4 空調控制電路改造

船用分體空調在長時間運行過程中受海洋環境影響，會出現高低壓誤報警的情況，造成空調意外停機，報警信息會一直保存在空調室內機主控板上，無法正常啟機?？照{故障停機后，當制冷劑壓力恢復正常時，需對空調主控板重新上電，消除報警信息，才能正常啟動空調。為了實現空調在制冷劑壓力恢復正常后能夠自動給主控板重新上電的功能，需對空調電氣控制部分進行局部改造。在空調電氣控制回路中增加一個延時繼電器，當空調因高低壓故障停機時，延時繼電器動作，只有當空調高低壓恢復正常后，延時間繼電器按照預設時間延時閉合，空調主控板重新上電，實現報警復位，重新處于正常待機狀態［4］。因各廠家控制原理各不相同，空調部分改動不作詳細介紹。ESP8266-NodeMCU 控制空調的硬件控制原理如圖2 所示，D6、D7 兩個引腳外部接一個2 路帶光耦隔離的繼電器模塊，控制空調啟停和模式切換。

圖2 硬件控制原理圖

5 ESP8266-NodeMCU軟件編程

Arduino IDE 要經過設置以后才能配合ESP8266-NodeMCU 開發板使用。在Arduino IDE 的“首選項”對話框中找到“附加開發板管理網址”，將以下網址復制并且粘貼到“附加開發板管理網址”欄中：http：//arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json；在“開發板管理器”的搜索欄中輸入“esp8266”，找到搜索結果中的“esp8266 by ESP8266 Community”，點擊安裝，開發軟件設置完成。開始對引腳功能進行分配，如表1所示。

表1 ESP 8266-NodeMCU 引腳功能分配

5.1 ESP8266-NodeMCU網絡設置

ESP8266-NodeMCU 首次使用時需要手動設置Wi-Fi網絡，設置好之后，下次自動連接不用再進行網絡設置［5］。要實現此功能，需使用Wi-Fi Manager 庫，ESP8266啟動時會優先使用閃存中的信息連接Wi-Fi，如果連接失敗，則會啟動AP 模式讓用戶連接，用戶使用手機或電腦連接ESP8266 建立的Wi-Fi 網絡，并通過ESP8266 建立的網頁建興Wi-Fi 盤配網，如圖3所示。

圖3 ESP 8266 網絡設置頁面

5.2 ESP8266-NodeMCU網絡服務

ESP8266-NodeMCU配有一個閃存，上傳的文件就被存放在這個閃存里，這個閃存的全稱是Serial Peripheral Interface Flash File System（SPIFFS），除了可以存放上傳的程序以外，還可以將網頁文件或者系統配置文件存放在ESP8266 的閃存中。ESP8266-NodeMCU 能實現網絡服務器的一些功能，但是其運算能力無法與那些昂貴的服務器電腦相媲美，僅能實現一些基本的網絡服務功能，不過這些基本的網絡服務功能已經足夠使用了。通過瀏覽器訪問ESP866-NodeMCU所建立的網頁，實現對空調的控制和狀態監控，如圖4 所示。網頁中的數據通過Ajax 來實時顯示于網頁中［6］，Ajax即“Asynchronous Javascript And XML”（異步JavaScript和XML），是一種創建快速動態網頁應用的網頁開發技術，在無需重新加載整個網頁的情況下，能夠更新部分網頁的技術。每臺空調上的ESP8266模塊就是一個獨立的網絡服務器，如圖4所示，在監控主機上做一個靜態頁面，把所有的ESP8266 訪問地址做超鏈接統一集中管理，方便進行空調控制。在臺風期間陸地遠程遙控時，利用陸地電腦遠程桌面登錄海洋石油平臺上的電腦，進行空調控制啟停操作，以及監控空調是否正常運轉起來。

圖4 空調控制頁面

分體空調遠程監控改造充分利用空調室外機與室內機原有的冗余信號電纜進行電氣控制部分改造，大大降低了重新鋪設電纜帶來的人力投入和物料消耗，減少占用DCS 系統點數，在很大程度上節約了改造成本，實現了海洋石油平臺在遙控生產模式下對分體空調運行狀態監測和遠程啟?？刂疲瑫r，更有利于穩定電氣設備環境溫度在合理區間，降低電氣火災風險，減少海洋石油平臺生產關斷次數，提高氣田安全生產時效，在持續推動海洋石油平臺數字化、智能化建設的同時，助力海洋石油平臺更加安全、穩產、高效。

6 結語

在現場設備使用過程中，設備會存在使用方面的缺陷或者設計不合理之處，通過分析原因，探索可以改進提高的地方，提高設備整體可靠性，同時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。