煤層氣地面記錄儀設計與監控系統開發

李自成，朱鈺輝，王后能，熊 濤

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430205）

煤層氣作為煤炭伴生礦產，其資源豐富，分布廣泛。構造煤在我國已發現煤炭資源中占比大，其煤層具有高應力、低滲透、松軟易突出的特性，致使成井困難、井孔穩定性差、難以有效造縫和支撐，因此構造煤煤層氣勘探開發一直難有進展[1]。文獻[2]提出了水平井造洞穴應力釋放解吸采氣理論，該理論適用于構造變形比較強烈，不適于采用水力壓裂技術進行改造的典型構造煤。在構造煤煤層氣的開發開采中，測井參數的實時監測對獲取煤儲層參數，檢修井下設備，提高煤層氣集成控制程度具有重要意義。

煤層氣井參數的實時監測可借鑒智能井井下壓力數據監測。當前，智能井井下壓力數據監測技術包括毛細管測壓技術、井下電子壓力計測壓技術、電子共振膜測壓技術和光纖壓力監測技術等[3]。其中，井下電子壓力計測壓技術應用廣泛。文獻[3]從奇異值、噪聲水平和數據量3 個方面改善了井下監測現狀，為智能井的生產優化奠定了基礎。文獻[4-5]通過改進信號傳輸通道和傳輸方式開發了永置式電泵井壓力溫度測試系統，并在現場試驗得到了較好的效果。文獻[6]基于直流載波的單芯電纜通信，設計了基于單芯鋼管電纜的多層半雙工通信系統硬件電路，在低成本的基礎上，實現了工作人員對井下多層注采系統的實時控制。文獻[7]設計了一種永久性置于井下的實時在線測調系統，該裝置長期在井下工作，能夠實時監測和調節各層的注水量。光纖傳感器具有的無電子電路、監測范圍廣、抗干擾能力強、耐高溫等優點也使得光纖壓力監測技術逐步推廣[8]。但受制于成本與穩定性，該技術僅適合于對高溫高壓井進行重點監測[9-10]。針對煤層氣井的上位機界面開發，文獻[11]采用LabVIEW 虛擬儀器對煤層氣排采進行數據采集與監控，結合濾波算法提高了數據的可靠性。文獻[12]利用C++和C#編寫煤層氣測井數據處理軟件，重點對套管損傷進行監測。但是以上監控系統均需基于工業計算機或工控設備而實現，對于功耗、成本、以及安裝測量都有不小挑戰。因此設計一種低功耗、低成本、小體積的地面記錄儀至關重要。

本文針對上述問題，設計了一種基于低功耗STM32處理器的輕量化地面記錄儀，以STM32L433RC 為主控芯片，μC/OS-II 為軟件平臺，分別設計了從站輪詢任務與主站管理任務。實現了將井下傳感器的數據通過電纜直接在記錄儀上顯示，并且能實時向上位機傳輸當前數據，方便了現場工作人員的前期調試與后期維護工作。為了與地面記錄儀配套，本文也基于組態王監控系統，設計了煤層氣開采監控界面。能夠對各流程的實時運行狀態進行監控，并對數據進行設置、保存與調用，提高了煤層氣開采的自動化水平。

1 地面記錄儀的硬件設計

煤層氣監測系統一般由井下傳感器、地面記錄儀、數據處理平臺、數據傳輸媒介等組成。地面記錄儀通過數據傳輸媒介將井下傳感器信號實時采集，并將接收到的數據進行本地存儲。通過數據處理平臺進行數據交互，將本地采集的數據上傳至后端上位機或服務器內進行分析和運算。

地面記錄儀的硬件電路主要包括主控模塊、電源模塊、通訊模塊、存儲器模塊、液晶顯示與鍵盤控制模塊，如圖1所示。

圖1 地面記錄儀硬件框架圖Fig.1 Hardware frame diagram of ground recorder

考慮到功耗、價格等因素，地面記錄儀選用STM32L433RC 作為主控制器。作為STM32 超低功耗MCU 中的STM32L4 系列，采用高性能Arm?Cortex?-M4 32 位RISC 內核的超低功耗微控制器，主頻高達80 MHz，具有256 KB Flash 存儲器、LCD和USB。串行通訊接口采用TTL 電路轉485 電路進行設計。為降低功耗和提高傳輸速率，通訊模塊采用MAX485EN 芯片，通訊模式為半雙工，電路連接如圖2所示。

圖2 通訊接口電路Fig.2 Communication interface circuit

鑒于地面記錄儀采用自帶的數據存儲單元難以滿足需求，本文選擇的擴展數據存儲單元為W25Q64 SPI Flash 芯片，同時滿足穩定運行與低功耗的要求。其容量為64 Mbytes，支持標準SPI，雙輸出SPI 和四輸出SPI。

2 地面記錄儀的軟件設計

為了實現地面記錄儀數據傳輸的功能，通信協議選用Modbus 工業總線協議。標準的Modbus 口使用RS-232 兼容串行接口[13]，但本文考慮到傳輸距離與聯網監控，在硬件上選用RS-485 接口，更符合遠距離傳輸等實際需求。

通訊技術采用主從技術，即在一個網絡中，設置主機與從機，主機向從機發送查詢信號，包括命令控制字、從設備地址、數據參數、檢驗碼等，從機接收到查詢信號后，向主機做出應答。如果信號無法傳輸，則主、從機在超時后執行下一操作。在本文中，地面記錄儀既作為與井下設備通訊時的主機，又作為與上位機或服務器通訊時的從機，所以需要分別對其設計主站管理任務與從站輪詢任務。

當地面記錄儀作為Modbus 主站時，負責讀取井下多個設備儀器數據。為了避免數據請求堆積，緩解系統壓力，提高數據正確性與傳輸速度，本文采用消息隊列對數據進行異步處理，實現主站請求的集中管理。

當地面記錄儀作為Modbus 從站時，負責實時響應主站的數據請求任務并對其數據進行上傳。接通電源后，初始化通信端口和定時器驅動，設置設備的ID 號和端口號，開啟從站功能，最后執行狀態輪詢，等待主站的數據請求。

3 煤層氣開采監控系統

為提高煤層氣開發的自動化水平，方便現場數據采集顯示，結合地面記錄儀，設計了一款基于組態王的煤層氣開采監控系統。該系統可實時顯示煤層氣開采過程中，各設備及流程的實時運行狀態，可在設備對應的位置進行數據設置、數據保存與數據調用。主要監控對象設備包括柱塞泵、流量泵、流量閥、電磁流量計、煤層溫度、煤層壓力等，可以根據實際需要添加對應設備，大大方便了煤層氣開采過程中的數據監測與處理，提高了系統的集成度。對于煤層氣開采監控系統中各個子模塊的監控，可以直接點擊設置好的子模塊入口進入子模塊的運行狀態畫面，同時可以設置所需要的運行參數。監控系統總界面如圖3所示。

圖3 監控系統總界面Fig.3 General interface of the monitoring system

煤層氣開采界面設計提高了畫面利用率，采用模塊化的設計思想，使煤層氣自動化監控系統層次分明，方便程序員和操作人員的操作與維護，提高了生產效率與安全性。煤層氣井開發工程研究人員需要對現場設備及數據進行定量分析，得出最優的開采方案，所以配置各類數據參數以及設備狀態數據表是十分重要的功能。除了當前數據的實時顯示，還能調用歷史數據并進行打印。如圖4所示。

圖4 歷史數據顯示Fig.4 Display of historical data

4 實驗結果

本文結合實驗室管路模擬平臺，搭建由多種井下儀器，地面記錄儀，上位機服務器等構成的煤層氣監測模擬平臺。井下儀器包含壓力傳感器、溫度傳感器等。地面記錄儀作為中間設備，使用RS-485通訊電纜與井下儀器相連，采用RS-485 轉USB 接口與PC 機連接。如圖5所示。

圖5 地面記錄儀硬件實物與實驗室管路模擬Fig.5 Ground recorder hardware physical object and laboratory pipeline simulation

地面記錄儀與井下儀器的串行通信方式設置為波特率9600 bits/s，8 位數據位，無校驗位，1 位停止位。依照Modbus 協議功能碼及格式進行主站數據幀發送，讀取地面記錄儀的從機設備的周期設定為1000 ms，連接串口檢查通訊狀態，使用Modbus協議中的讀取和寫入功能。

地面記錄儀與上位機及服務器進行數據通訊時，地面記錄儀作為Modbus 從站，上位機與服務器作為Modbus 主站，設置參數如下：波特率9600 bits/s，8 位數據位，無校驗位，1 位停止位，通訊超時3000 ms，采集頻率1000 ms。上位機發送Modbus 讀取命令，完成與地面記錄儀的通信。通信過程如圖6所示。

圖6 數據通訊實驗Fig.6 Data communication experiment

地面記錄儀通過模擬煤層氣井自動監測系統的實驗，驗證了實時讀取和上傳井下儀器數據至上位機及服務器的功能，實現了Modbus 主站和從站同時工作的目的，滿足煤層氣井開采監控的設計要求。

5 結語

為提高煤層氣開采自動化水平，本文設計了一種新型地面記錄儀，同時基于組態王監控軟件設計了煤層氣開采監控系統。地面記錄儀系統包括電源轉換模塊、STM32L433RC 主控電路、MAX485EN 通訊電路、W25Q64 存儲電路、液晶顯示與鍵盤電路等部分。通過低功耗處理器將采集數據實時采集存儲并與遠程數據傳輸單元進行數據交互，解決了井下儀器的維護問題。煤層氣開采監控系統將排采過程中各儀器儀表狀態實時顯示在上位機監控界面上，能在設備對應位置進行數據設置、數據保存與參數調用，提高了系統的集成化水平，方便工作人員操作與維護。