天然氣在線分析儀遠程管理系統的設計與探討

杜爽，曹蘊墨，李劍峰，周盛

中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處（四川 成都 610213）

0 引言

天然氣在線分析儀在天然氣氣質監督管理、保證天然氣質量符合國家法律法規和標準要求上發揮著重要作用[1]。近年來，隨著國家對長輸管道天然氣氣質要求越來越嚴格以及天然氣能量計量的推行，結合西南油氣田分公司“十四五”建成500 億大氣區的奮斗目標，打造智能油氣田、智慧管網的發展規劃，已有越來越多的在線分析設備投入使用，且呈現點多面廣的態勢。

目前國內外在線分析儀遠程集中監控管理基本處于空白狀態。在用的在線分析儀品牌多、型號多、安裝也較分散，各個品牌的通訊協議也不同。國外僅有部分在線分析儀可實現PC端控制，但也僅局限于同品牌同型號控制，無法實現多品牌多型號在線設備的遠程集中監控。國內在天然氣氣質監督管理上存在的問題有：各進氣點的氣質數據未實現統一監測管理，時效性差、手段落后，無法匹配當前公司信息化管理要求；在線分析儀的運維管理人員難以全面掌握儀器運行狀態，無法及時處理儀器出現的故障，從而影響天然氣氣質監測的連續性；大量氣質監測數據未能有效開發利用等[2]。因此，有必要設計開發一套在線分析儀遠程集中監控和數據應用管理系統[3]，用于完成分布在川渝管網不同地點在線分析儀的數據采集、集中監控、故障診斷處理，提高在線分析儀的運行維護效率，保證天然氣氣質監管的有效性和連續性；完成天然氣氣質數據的統一管理、應用開發等，形成以數據指導生產的應用場景。將天然氣氣質監管由傳統管理手段向數字化、智能化管理推進。

1 系統結構設計與實現

1.1 網絡架構設計

監控傳輸網絡系統的用途在于接入各類監控資源，為管理平臺的各項應用提供基礎保障，并服務于各類系統用戶[4]。

為了實現系統“分散管理、集中控制”的設計理念，將系統設計成為“三點一線”的結構模式，“三點”分別指的是：分析小屋現場進行數據采集的儀表設備、用戶辦公室和監控中心的服務器端；“一線”指的是通信網絡。監控中心網絡架構如圖1 所示。

圖1 監控中心網絡架構

分析小屋：位于相應的場站內，它的主要功能是對設備的狀態進行采集，對相應數據進行處理，與監控中心通過生產數據網絡進行通信和數據交換。

監控中心：實現對該站所需要監控的在線儀器設備的集中遠程監控和統一調度管理。主要功能是實時監控指定設備的運行情況，對該站的異常情況發出實時警報，查看站內的各項歷史數據等。

用戶辦公室：用戶使用辦公電腦，借助瀏覽器訪問監控中心的數據，對數據進行分析處理。

1.2 邏輯架構設計

在線分析儀遠程監控與數據應用軟件平臺采用6 層架構，系統邏輯架構如圖2 所示，基于web 的訪問技術，使得系統的安全性和交互能力有了極大的提高。由于分層系統的功能模塊非常明確，系統具有更大的靈活性，一個模塊的功能變化不會影響到其他模塊，系統改進容易且便于由不同計算機廠商提供的軟件產品組成。

1）設備層。該層主要是在線的各種設備，包括色譜分析儀、硫化氫分析儀、水分分析儀。

2）通信協議層。該層同時融合了ModBus、TCP/IP 及網絡等多種移動通訊、信息處理和計算機網絡的協議，用來訪問各種分析設備。

3）數據采集層。該層調用各種通信協議，采集各種設備的數據，并對數據進行校驗、處理和緩存，便于上層將其存入數據庫。

4）數據庫訪問層。提供訪問數據庫的各種基礎接口，實現數據的增加、更新、查詢、刪除等功能。將采集來的數據存儲到數據庫中。

5）數據服務層。實現系統的各種功能，包括設備管理、設備數據查看、設備數據查詢、設備數據分析等系統必須功能。

6）界面層。使用各種WEB 控件展示系統的功能和用戶進行交互。

1.3 系統開發實現

系統開發主要使用Spring Boot、SpringMVC、mybatis 框架、Vue.js、MySQL 數據庫實現，并在現場連接實際SCADA數據進行測試。

1）Spring Boot。Spring Boot 的設計目的是用來簡化新Spring應用的初始搭建以及開發過程。該框架使用了特定的方式進行配置，不需要定義樣板化的配置。

Spring 是整個項目中裝配bean 的大工廠，在配置文件中可以指定使用特定的參數去調用實體類的構造方法來實例化對象。也可以稱之為項目中的黏合劑。

2）SpringMVC。SpringMVC 在項目中用于攔截用戶請求，它的核心Servlet 即DispatcherServlet 承擔中介或是前臺的職責，將用戶請求通過Handler-Mapping 去匹配Controller，Controller 就是具 體 對 應請求所執行的操作。SpringMVC 相當于SSH 框架中struts。

3）mybatis。mybatis 是對jdbc 的封裝，它讓數據庫底層操作變得透明。mybatis 的操作都是圍繞一個sqlSessionFactory 實例展開的。mybatis 通過配置文件關聯到各實體類的Mapper文件，Mapper文件中配置了每個類對數據庫所需進行的sql 語句映射。在每次與數據庫交互時，通過sqlSessionFactory 拿到一個sqlSession，再執行sql命令。

頁面發送請求給控制器，控制器調用業務層處理邏輯，邏輯層向持久層發送請求，持久層與數據庫交互，后將結果返回給業務層，業務層將處理邏輯發送給控制器，控制器再調用視圖展現數據。

4）Vue.js。Vue.js 是一個構建數據驅動的web界面的漸進式框架。Vue.js 的目標是通過盡可能簡單的API 實現響應的數據綁定和組合的視圖組件。它不僅易于上手，還便于與第三方庫或既有項目整合。

另一方面，當與單文件組件和Vue.js生態系統支持的庫結合使用時，Vue.js也完全能夠為復雜的單頁應用程序提供驅動。

2 系統功能設計

2.1 設備管理功能

為了方便在線分析儀相關信息查詢，天然氣在線分析儀的系統管理需建立各類型在線分析儀的基本信息臺賬，如圖3所示，包括設備名稱、型號、生產廠家、儀器編號、安裝站場（屬地電話）、監控氣源、設備狀態等。

圖3 設備管理界面

設備管理界面設置查詢、編輯功能，用戶在下拉菜單中可選擇上述相關項進行查看或檢索臺賬內信息的關鍵字，系統將顯示該站或相關關鍵字對應的在線分析儀的相關信息，且系統同樣具備臺賬編輯和導出的功能。

2.2 設備故障統計功能

在線分析設備故障直接影響天然氣氣質的有效監控，因此對設備故障進行跟蹤記錄和統計分析在設備管理工作中有十分重要的意義。故障管理功能用于管理在線分析設備的故障信息，如圖4 所示，對設備故障發生的時間、故障描述、原因分析、故障處理方法等進行跟蹤記錄。

圖4 設備故障統計界面

用戶可通過在設備故障統計中選擇不同的故障發現時間來瀏覽故障記錄。由于故障可能不會一次性解決，對于某一故障系統應能記錄不同的處理過程，包括處理時間、處理方式和處理人員。

2.3 在線數據實時監控、預警功能

在線分析儀的連續自動分析檢測是為了實現對氣源氣質的實時監控，遠程監控系統每5 min 對在線數據進行采集并在監控相關界面對采集數據進行顯示，并結合天然氣相關標準中的質量指標，按表1對不同類型在線儀器的監測數據進行展示以及相應的預警、報警參數設置[5]。數據監控、預警展示如圖5所示。

表1 在線分析儀檢測數據應用

圖5 數據監控、預警展示

2.4 歷史數據存儲、查詢及應用功能

在線分析儀在正常使用期間會產生大量的監測數據，系統將數據按設備類別進行存儲[8]，可根據設備臺賬中對應的安裝站場、在線設備類型和監測氣源名稱等查詢相應的歷史數據。

每臺在線硫化氫和水露點的歷史數據按時間段進行折線圖展示，折線圖可根據需查詢的時間段進行伸縮調整，如圖6 所示。該界面同時具有數據比對功能，可同時選擇2~4 臺設備進行同時段的硫化氫或水露點值的折線圖比對顯示，如圖7所示。

圖6 硫化氫歷史數據查詢折線圖

圖7 歷史數據比對應用

每臺在線色譜所監測的天然氣組分含量、發熱量、相對密度等類型的歷史數據，整體以列表的形式按時間順序進行展示，可調整時間段進行歷史數據的查詢。單獨選擇某數據分類可展示該數據對應時間段的折線圖。該界面同樣具有數據比對功能，可同時選擇2~4 臺設備進行同時段色譜數據的點位圖比對顯示，如圖7所示。

3 結束語

通過分析系統的設計目標，介紹了系統設計中采用的關鍵技術，從系統設計的實際需求出發，提出基于物聯網的遠程管理和數據應用平臺的設計方案，構建遠程監控系統，搭建數據處理平臺，物聯網技術的應用能夠提高遠程視頻監控系統的實時性和有效性。系統通過遠程監控在線分析儀關鍵參數，實時掌握在線分析儀運行狀態，保障管輸天然氣氣質和在線分析儀的正常運作，還可利用設立的診斷庫對同類型儀器的故障及維護方式進行記錄，便于同類型故障的及時有效處理和設備全生命周期的記錄。