基于物聯網的儲氣井智能監測系統

摘 要：為了提高天津市某CNG儲配站中的儲氣井智能化監測水平，設計并開發了一套基于物聯網的儲氣井智能監測系統，可以采集并存儲現場多種類型傳感器數據。通過規劃系統總體結構，對關鍵需求進行分析，完成了監測系統軟件設計與系統集成和傳感器現場測試。同時設計了數據庫系統，便于現場數據的存儲和后期分析。實驗結果表明，所設計的監測系統能夠實時獲取現場傳感器數據，使操作人員可以在中控室監測現場的實時環境狀態。該系統能夠根據設定的閾值針對異常情況及時報警，為儲氣井現場參數監測提供有力的數據支持。

關鍵詞：物聯網；監測軟件系統；CNG儲配站；C#；MySQL數據庫；儲氣井

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-03

0 引 言

儲氣井是一種豎向埋設于地下的管狀設備，在我國使用已近30年[1]。由于儲氣井埋設于地下，其井壁與井筒之間需要使用水泥進行全填充封固，用以儲存特定的壓縮氣體。因此，儲氣井是壓力容器與油氣井的經典融合。儲氣井安裝在地下，具有占地面積小、失效影響范圍小、儲氣量大、使用效率高、安全性高等優點。近年來，儲氣井技術發展迅速，已成為我國壓縮天然氣（Compressed Natural Gas， CNG）加氣站的主要儲氣設備。但儲氣井套管局部會發生細微變化，這是由地層電化學、疲勞腐蝕等造成的，因此儲氣井會出現變形、腐蝕、開裂等現象，存在極大的安全隱患，故對儲氣井狀況進行定期監測至關重要。

位于天津市的某CNG儲配站自2009年建站至今已有十余年歷史。站內的儲氣井井場共有3座井臺，因建場時采用軟地層填埋，故若干年后原水泥硬化出現開裂和下沉，無法實現井筒禁錮，容易造成冒井、沉井現象，進而引發事故。同時，現有的儲氣井監測嚴重依賴人工巡視，工作效率及現場參數獲取的準確性均無法保證。儲氣井現場如圖1所示。

為了能夠對冒井、可燃氣體泄漏、井內氣壓、井場風力風速等狀況和參數進行高效、準確、實時監測，確保安全生產，需要引入信息化監測系統。

本文在對儲氣井的3座井臺進行信息化改造時，利用多種類型傳感器全面感知儲氣井現場參數，并為生產、調試、管理等提供必要的數據。由于現場待測量參數具有多元化的特點，須根據儲氣井現場實際情況與傳感器所采集數據特征合理選擇傳感層技術[2]。本文提出了物聯網技術在儲氣井監測領域的應用，此舉對石化行業中智能監測系統的建設及應用有著極其重要的意義。

1 系統整體設計方案

儲氣井現場的3座井臺與中控室距離約1 000 m，3座井臺需要安裝的傳感器較多，且現場其他電氣設備可能會產生電磁干擾。針對現場長距離、多傳感器節點、電磁干擾較多、數據高速傳輸的特點，采用RS 485進行數據傳輸。

RS 485的通信距離約為1 200 m，可連接多達128個節點，傳輸時使用2個反相相等的差分信號，能夠較好地抵抗電磁干擾和噪聲干擾，數據傳輸速率可達10 Mb/s，且可同時發送和接收數據[3]。

本系統整體方案包括服務器主機、數據融合系統、傳感器數據采集系統和傳感器節點。其中，服務器主機與數據融合系統采用串口通信，數據融合系統與傳感器數據采集系統采用RS 485連接，傳感器數據采集系統與傳感器節點也采用RS 485連接[4]。系統整體原理如圖2所示。

2 系統硬件設計

2.1 服務器主機

服務器主機安裝于中控室，負責接收所有的傳感器數據。在服務器主機上設計部署一套數據采集軟件系統，用來顯示現場各型傳感器的數據。同時將數據保存于數據庫中，便于后期分析。

2.2 數據融合系統

該系統可處理多源數據[5]，將各傳感器采集的原始數據進行清洗、過濾和標準化，并將數據進行多層次綜合分析處理，包括數據的時間和空間相關性分析、數據的多層次關聯組合分析等，將結果上傳至中控室服務器主機。

2.3 傳感器數據采集系統

傳感器數據采集系統布置于現場電氣接線柜，每座井臺分別放置一個電氣接線柜，可采集各傳感器的數據，同時還具有浪涌保護功能。

2.4 傳感器節點

本項目中的傳感器節點包含激光位移傳感器、振動傳感器、氣體壓力傳感器、火焰探測器、可燃氣體傳感器、風速傳感器。其中，激光位移傳感器安裝在井臺旁邊的支架上，支架頂端為橫桿，其延伸到井臺邊緣，激光位移傳感器可以測量橫桿與井臺之間的距離。由于支架與井臺之間有一定的距離，保持支架上橫桿的位置、高度不變，激光位移傳感器所測量的數值便可反映出井臺自身的高度變化，進而衡量井臺是否出現冒井、沉井現象。由于外界影響，橫桿可能會上下移動。將振動傳感器安裝在橫桿上，用來監測橫桿上下移動導致激光位移傳感器測量的距離波動。

多個傳感器節點組成樹形結構，覆蓋3座井臺，實現儲氣井現場數據的統一管理和控制[6]。現場傳感器節點的布置及接線如圖3所示。

3 數據庫設計

儲氣井物聯網監測系統涉及到海量的數據信息，為了保證后續數據處理運用的便捷性和監測系統的正常運行，需要設計數據庫系統。使用數據庫能夠提升數據存儲、處理、檢索及共享的效果，確保儲氣井監測數據的安全[7]。

項目中采用MySQL數據庫，為儲氣井數據管理提供操作便利性、存儲便利性[8]。在監測系統應用過程中，操作者須輸入用戶名、密碼才能登錄，這樣可以確保現場監測數據的完整性和安全性，提升監測系統的安全水平。同時，數據庫技術的應用能夠提升數據管理操作的直觀性和便利性，增強數據增加、修改、刪除的靈活度，簡化用戶界面[9]。

在完成數據庫選擇之后，應合理設計數據庫表，根據儲氣井物聯網監測系統的特點與傳感器數據信息的實時性需求，科學合理地設計數據庫中的各類數據表[10]，主要包括如下幾類：

（1）用戶信息表：存儲用戶登錄的用戶名、密碼和其他信息，便于操作人員使用已有用戶名登錄系統并查詢存儲的數據內容；

（2）數據信息表：存儲現場各型傳感器采集的數據，用戶可以根據傳感器類型或者編號查看數據信息，通過對比歷史數據與當前數據，得出分析結果；

（3）報警信息表：儲氣井現場各型傳感器均設置了閾值，閾值超限后會產生報警信息，包括傳感器數據、報警時間，用戶可以在分析數據時制定預防和控制方案；

（4）訪問歷史表：為了解監測系統的訪問和操作情況，該表可存儲登錄系統的用戶數據信息，包括用戶名、登錄和退出時間等，一旦發現有不合理的操作現象，就會彈出告警信息，為操作人員展示正確的操作方法，以免因誤操作而影響系統運行的穩定性與可靠性。

4 監測軟件設計

物聯網監測軟件系統應具有完善的功能，主要包括[11]：

（1）數據采集功能：系統應能采集儲氣井現場各類型傳感器數據，包括可燃氣體的體積分數、振動情況、氣體壓力、火焰、風速數據等，且每種傳感器的數量不唯一；

（2）數據分析功能：監測系統采集儲氣井現場數據，并在第一時間對于超出閾值的傳感器進行報警、記錄，同時提示操作人員采取應對措施，確保儲氣井現場的安全；

（3）數據管理功能：通過系統數據庫保存相關數據，便于操作人員進行數據回調分析，能夠在報警發生后，分析警情原因，進行工藝流程及控制決策的調整。

本項目采用C#語言開發，該語言是微軟為Visual Studio開發平臺推出的一種簡潔、安全的面向對象的編程語言，源于C++，類似于Java。根據儲氣井現場需求，設計監測系統功能框架如圖4所示。

本監測系統主要分為5個模塊。

（1）系統登錄模塊

由于監測系統會部署在一臺公共服務器上，需要操作人員和管理員進行常規的系統使用與安全維護。因此在打開軟件時，需要密碼驗證，防止無關人員隨意操作。

（2）主界面模塊

監測系統的主界面菜單欄應包括傳感器管理、報表審閱、人員管理等功能。

（3）傳感器檢測模塊

波形顯示功能可以進行單一傳感器的波形顯示，獲得該傳感器在一段時間內的數據變化；參數配置功能用來設置傳感器的采樣周期等參數；數據保存功能可將傳感器數據導出。

（4）報表打印模塊

打印項用于選擇所需打印的傳感器數據；通過打印界面可以設置打印時的數據展示方式，例如列表、圖線等。

（5）幫助模塊

該模塊可顯示系統各功能的使用方法；可直接打開PDF版操作手冊，查看不同傳感器的特點、功能參數、調試方法。

5 實驗結果與分析

根據本文提出的方案，設計開發了儲氣井監測系統軟件，該系統能夠針對傳感器進行參數配置，并能選擇采集不同的傳感器數據并顯示，每種傳感器的操作不會受其他傳感器影響。監測系統主界面如圖5所示。

經過現場實驗，本文設計的基于物聯網的儲氣井智能監測系統可準確采集各傳感器原始報文數據，針對每一種傳感器的輸出報文數據進行轉換計算，可將傳感器的真實測量數據顯示在軟件系統界面上，且實時顯示效果較好。

6 結 語

本文提出了一種基于物聯網的儲氣井實時在線監測系統，實現了對儲氣井現場各關鍵參數的智能監測。在完成儲氣井智能監測系統頂層設計的基礎上，通過在儲氣井站區現場部署傳感器、采集模塊等硬件設備，利用C#開發了一款服務器端監測軟件系統，向用戶提供友好的操作界面。同時，在后臺將采集的數據存儲在數據庫中，便于后續分析。該系統的應用將極大地推進儲氣井現場智能化監測工作，在石化行業具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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