燃?xì)庹{(diào)壓站電子壓力記錄儀系統(tǒng)的研發(fā)

摘 要

摘要：本文介紹了由南京港華提出的燃?xì)庹{(diào)壓站電子壓力記錄儀系統(tǒng)的課題及其與合作伙伴的研發(fā)。關(guān)鍵詞：燃?xì)庹{(diào)壓站；電子壓力記錄儀Design of Electron Pressure Recording Instru
摘要：本文介紹了由南京港華提出的燃?xì)庹{(diào)壓站電子壓力記錄儀系統(tǒng)的課題及其與合作伙伴的研發(fā)。
關(guān)鍵詞：燃?xì)庹{(diào)壓站；電子壓力記錄儀
Design of Electron Pressure Recording Instruments for Gas Regulator Station System
Nanjing Hong Kong and China Gas Co.，Ltd.Xu Yunhu，Li Ziqiang
Abstract：The article introduces the design and application of electron pressure recording instruments for gas regulator station system.
Keywords：gas regulator station electron pressure recording instrument
1 前言
    燃?xì)庹{(diào)壓站是輸配管網(wǎng)的心臟，連接著不同級制的燃?xì)夤芫W(wǎng)，一旦出現(xiàn)故障將會引起非常嚴(yán)重的后果。如果能對調(diào)壓站運行進(jìn)行實時監(jiān)控，主動對運行工況異常調(diào)壓站給預(yù)處理或保養(yǎng)，就能在調(diào)壓站故障發(fā)生前解決問題從而提高調(diào)壓站的安全運行可靠率。
    南京港華現(xiàn)有調(diào)壓站的監(jiān)控主要由一機(jī)械式燃?xì)鈮毫z測裝置和紙式記錄儀組成。當(dāng)壓力檢測裝置檢測到燃?xì)鈮毫篁?qū)動記錄裝置在圓形記錄紙上記錄燃?xì)鈮毫?，管理人員定期到調(diào)壓站更換圓形記錄紙，記錄紙收集好后由專人分析并作為原始檔案保存兩年以備查詢。雖然使用操作簡單但是費時費力。對調(diào)壓站的管理相對滯后，沒有實時報警及自動管理數(shù)據(jù)功能，而且更換壓力紙屬于簡單勞動，大部分時間消耗在路途中，這種系統(tǒng)不符合科學(xué)管理的需要。
    南京港華還在全市部分調(diào)壓站設(shè)置了SCADA系統(tǒng)，實時監(jiān)控管網(wǎng)進(jìn)出口壓力，數(shù)據(jù)依靠電腦自動分析和報警，實現(xiàn)了調(diào)壓站的實時智能監(jiān)控。但是，SCADA系統(tǒng)建設(shè)、使用、維護(hù)成本高，不能大面積采用。
    從對上述兩種系統(tǒng)的分析可以看出，為了加強(qiáng)調(diào)壓站的運行管理，實現(xiàn)科學(xué)、高效、安全的現(xiàn)代化綜合管理。把員工從過去簡單機(jī)械的勞動中解放出來，向調(diào)壓器的維護(hù)、維修方向轉(zhuǎn)移，有效的保障調(diào)壓器的正常運行，迫切需要采用先進(jìn)可靠的設(shè)備，實現(xiàn)科學(xué)、高效、安全的現(xiàn)代化綜合管理
2 系統(tǒng)確定
2.1 功能需求
    (1) 燃?xì)庹{(diào)壓站壓力數(shù)據(jù)實時檢測與存貯。
    (2) 壓力上限、壓力下限及壓力趨勢預(yù)測報警。
    (3) 調(diào)壓站進(jìn)出口數(shù)據(jù)可以定時上傳。
2.2 系統(tǒng)的各參數(shù)設(shè)置
    (1) 管網(wǎng)壓力參數(shù)：見表1。
    (2) 測量燃?xì)鉁囟龋?20℃～70℃，相對濕度90%。
    (3) 綜合測量精度：＜1%。
    (4) 鋰電池供電時間：2年。
    (5) 壓力測量數(shù)據(jù)存貯量：＞6個月(2min存1次)，自動更新。
    (6) 傳感器：使用壽命大于6a。
    (7) 顯示器：雙液晶顯示器，3位數(shù)顯示。
(8) 讀取數(shù)據(jù)方式：通過通訊網(wǎng)絡(luò)上傳或通過紅外手掌機(jī)直接讀取、USB接口直接讀取(接口在本體上)等。
表1 管網(wǎng)壓力參數(shù)
項目
低壓管道(kPa)
鍋爐中壓管道(kPa)
中壓A管道(MPa)
中壓B管道(MPa)
常壓
2.1
現(xiàn)場設(shè)定
0.25
0.065
上限
2.8
現(xiàn)場設(shè)定
0.4
0.1
下限
1.7
現(xiàn)場設(shè)定
0.02
0.02
2.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)
    (1) 數(shù)據(jù)管理：可對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、維護(hù)并以年、月、日的形式生成報表，自動生成壓力曲線與樣板壓力曲線進(jìn)行比較并分析。
    (2) 數(shù)據(jù)采集：可提供數(shù)據(jù)的指定采集、自動采集，可實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
    (3) 數(shù)據(jù)報警：可對超過設(shè)置的報警值進(jìn)行報警并管理報警數(shù)據(jù)。
    (4) 系統(tǒng)設(shè)置：設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)、初始信息等。
2.4 其它要求
    (1) 所有進(jìn)入調(diào)壓房的產(chǎn)品必須通過Ex認(rèn)證
    (2) 計量模塊要通過計量檢定
3 系統(tǒng)設(shè)計
3.1 系統(tǒng)組成
    (1) 監(jiān)控與管理中心
    安裝在調(diào)壓站電子壓力儀系統(tǒng)中心控制室，具有一定的操作軟件能夠?qū)崟r監(jiān)控報警并能夠通過相應(yīng)的通訊模塊控制遠(yuǎn)程終端，管理遠(yuǎn)程終端記錄的數(shù)據(jù)，分析調(diào)壓站的工況。
    (2) 通訊網(wǎng)絡(luò)
    建立在監(jiān)控與管理中心和遠(yuǎn)程終端之間，通過監(jiān)控與管理中心發(fā)出的指令對遠(yuǎn)程終端發(fā)送命令，是二者之間的橋梁。
    (3) 遠(yuǎn)程終端
    安裝在各調(diào)壓站點，實時采集調(diào)壓站工況信息并存儲，按照需要上傳數(shù)據(jù)和報警信息，接收監(jiān)控與管理中心的各種命令。
(4) 系統(tǒng)通信拓普圖，見圖1。
 

3.2 系統(tǒng)組成的選型
    由于燃?xì)庹{(diào)壓站屬于高危險、爆炸性氣體場所，因此，各部件的選用必須考慮防爆。
3.2.1通訊網(wǎng)絡(luò)
    現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通訊主要分為有線和無線兩大類，其中有線通訊主要包括架設(shè)光纜、電纜和使用現(xiàn)有的電話線，而無線通訊包括超波通信、擴(kuò)頻通信、衛(wèi)星通信、GSM網(wǎng)絡(luò)通訊。
    有線通訊的優(yōu)點是可靠性高，誤碼率低，但是，其建設(shè)費用極高，并且城市調(diào)壓站由于各調(diào)壓站點分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)還有就是受客觀條件影響多，本系統(tǒng)不采用有線通訊。
    與有線通訊方式相比，無線通信方式顯得非常靈活，他具有投資少，建設(shè)周期短、運行維護(hù)簡單、性價比高等優(yōu)點，民用無線通訊最常用的包括超短波(230MHz)無線遠(yuǎn)傳和GSM數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)等。
    無線遠(yuǎn)傳作為傳輸通道具有組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展容易、維修方便、運行費用低等優(yōu)點，但是其安裝調(diào)試工作量大，易受外界干擾、通訊速率低、誤碼率低，本系統(tǒng)也不采用。
    GSM網(wǎng)絡(luò)具有安裝方便、運行費用低，隨著多年的應(yīng)用已經(jīng)成熟可靠，雖然GSM網(wǎng)絡(luò)傳播速率慢，但是，電信部門在GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上開發(fā)了GPRS數(shù)據(jù)交換技術(shù)。大大提高了傳送速度，同時，GPRS具有全雙工運作，間隙收發(fā)，永遠(yuǎn)在線，只有在收發(fā)數(shù)據(jù)才占用系統(tǒng)資源。功耗低。
    本系統(tǒng)主要的通訊是在報警、上傳數(shù)據(jù)、下載命令時發(fā)生，采用GSM網(wǎng)絡(luò)GPRS數(shù)據(jù)交換技術(shù)的通訊方式足以滿足上述要求，因此采用。同時為了確保數(shù)據(jù)正常備份到控制中心及調(diào)壓站定期需有人巡查，系統(tǒng)還留有數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口主要有SD、紅外、藍(lán)牙、USB幾種接口，USB接口較其它幾種接口具有通用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)下載可靠速度快、功耗低，因此，系統(tǒng)留有USB接口。
3.2.2遠(yuǎn)程終端設(shè)計(電子壓力記錄儀)
    電子壓力記錄儀的設(shè)計是本系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計，其主要有中央控制器(CPU)、無線通訊模塊、LCD、傳感器、USB接口、電源、存儲器、系統(tǒng)軟件等。
    CPU采用美國TI公司的MSP430，具有超低功耗技術(shù)和內(nèi)帶有12位A/D采集器、128段LCD驅(qū)動器、32Kflash、精密時鐘系統(tǒng)、溫度測試系統(tǒng)等，因此，選用該控制器作為系統(tǒng)的主控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、Flash存儲和時鐘校準(zhǔn)等功能。
    無線通訊模塊采用TC35模塊，它是德國SIEMENS公司生產(chǎn)的高性能通信模塊，主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口6部分組成，支持短信、數(shù)據(jù)通信和在線無線網(wǎng)絡(luò)GPRS功能，為數(shù)據(jù)、語音、短消息提供安全、可靠、快速的傳輸，它可以插入SIM卡與Modem連接用AT指令進(jìn)行控制。
    LCD采用STN128段液晶顯示，具有顯示視角寬，屏大、亮度高、功耗低等特點，滿足了系統(tǒng)現(xiàn)場顯示的需要。
    傳感器選用昆山雙橋傳感器，采用24VDC供電，微功耗。采用防爆式壓力充油芯體，高強(qiáng)度，精巧的不銹鋼結(jié)構(gòu)，抗干擾強(qiáng)，抗震性強(qiáng)。長期工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)計量準(zhǔn)確，輸出標(biāo)準(zhǔn)4mA—20mA信號。
    我們選用USB總線接口芯片CH375。此芯片支持USB1.1、USB2.0。CH375的USB主機(jī)方式支持常用的USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)可以通過CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通訊。CH375還內(nèi)置了處理Mass-Storage海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，外部單片機(jī)可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB存儲設(shè)備(包括USB硬盤/USB閃存盤/U盤)。
    調(diào)壓站現(xiàn)場無交流電接電條件，太陽能電池成本高，維護(hù)工作量大，因此采用高容量鋰電池供電，系統(tǒng)提供電壓不足報警提示。系統(tǒng)采用的高性能高容量鋰電池支持反復(fù)充放電，可以大大減少電池成本。
    存儲器采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的工業(yè)級AT45DB161?？芍苯雍虲PU連接，存儲速度快，提供2M字節(jié)的存貯空間，可以存儲調(diào)壓站燃?xì)鈮毫?年的數(shù)據(jù)。
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括模擬量采集模塊，USB接口模塊，CPU處理模塊及初始化程序、短消息的收發(fā)程序，數(shù)據(jù)處理和保存程序。其中，最重要的是監(jiān)測中心服務(wù)器與GSM無線通信模塊TC35之間的串口通信，它是實現(xiàn)短消息接收和發(fā)送的關(guān)鍵，系統(tǒng)的運行主要是運用C語言進(jìn)行編制控制的，TC35與監(jiān)控與管理中心是靠AT命令和短消息的編碼來實現(xiàn)通訊的。

3.2.3監(jiān)控與管理中心
    監(jiān)控與管理中心主要是由電子壓力儀系統(tǒng)服務(wù)器、Modem、電子壓力儀系統(tǒng)管理軟件組成，同時由于系統(tǒng)采用了GSM網(wǎng)絡(luò)GPRS通訊模式，還可以設(shè)置管理人員的手機(jī)來接收遠(yuǎn)程終端的短信報警。
    系統(tǒng)服務(wù)器采用英特奔騰處理器臺式計算機(jī)或筆記本計算機(jī)運行Windows 2000/X等操作系統(tǒng)為了滿足系統(tǒng)24運行以及自動報警功能，至少要求500M硬盤空間，64M Ram，RS-232串口線、USB串口線、彩色顯示器及激光打印機(jī)。
    網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)器(Modem)采用南京傲屹電子GPRS Modem。具有：雙頻切換覆蓋范圍更大，確保通信暢通無阻、標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線、工業(yè)級設(shè)計，抗干擾設(shè)計，適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求、內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)點對點、點對多點、對等、實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/span>
    Windows系列許多其他應(yīng)用程序都使用Visual Basic編程系統(tǒng)語言。從開發(fā)個人使用或小組使用的小工具，到大型企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，甚至通過Internet的遍及全球分布式應(yīng)用程序。都可在Visual Basic提供的工具中各取所需。本系統(tǒng)采用Visual Basic軟件進(jìn)行窗口的設(shè)計及計算機(jī)語言的編程。
    Access可以有效地組織、管理和共享數(shù)據(jù)庫的信息，并將數(shù)據(jù)庫信息與Web結(jié)合在一起，為在局域網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)庫的信息奠定了基礎(chǔ)。Access以強(qiáng)大的功能、簡而易學(xué)的操作，為用戶進(jìn)行信息管理提供了一個理想的環(huán)境。本系統(tǒng)屬于小型數(shù)據(jù)庫，利用Access軟件足以進(jìn)行管理。
    本系統(tǒng)利用Visual Basic用ADO數(shù)據(jù)控件連接Access，不僅利用了VB制作了豐富的窗口而且利用Access進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理。建立小型的數(shù)據(jù)庫，為今后調(diào)壓站的運行管理系統(tǒng)留下了二次開發(fā)空間。
4 系統(tǒng)的調(diào)試與實現(xiàn)
4.1 功能調(diào)試
    (1) 系統(tǒng)壓力校正
    在恒溫室把傳感器裝在標(biāo)準(zhǔn)壓力校準(zhǔn)臺上，改變校準(zhǔn)臺壓力值，兩者在0%、20%、40%、60%、80%、100%各點誤差應(yīng)小于1.0%，通過校準(zhǔn)，系統(tǒng)通過了計量認(rèn)證。
    (2) 短信報警電流測試
    在系統(tǒng)關(guān)閉的情況下，在電源的正級串入電流表，電流表應(yīng)打在直流20A上，之后拔掉進(jìn)口或者出口的航空插頭，觀看電流表，在電流表上的電流突然變大的情況下開始計時到電流表上回到原本的待機(jī)電流情況下結(jié)束計時，報警電流取電流表上顯示的最大電流即可，顯示電流應(yīng)小于0.4A。測試結(jié)果在0.1A～0.3A之間，符合要求。
    (3) 通訊電流測試
    在電源的正級串入電流表。電流表應(yīng)打在直流20A上，打開通訊模塊。通訊電流應(yīng)從“撥號→設(shè)置→掛斷”中取最大電流。通訊時長從“撥號”開始計時，到“掛斷”開始結(jié)束，顯示電流應(yīng)小于0.4A?，F(xiàn)場測試電流為0.1A～0.3A之間，滿足要求。
    (4) 插USB電流測試
    在電源的正級串入電流表，電流表應(yīng)打在直流20A上，啟動USB模塊，USB電流是從插入U盤，按下設(shè)置鍵時開始計時到電流表上的電流結(jié)束時停止，USB電流要從電流表上顯示的電流中取最大電流，顯示電流應(yīng)小于0.1A。測試電流為0.08A，符合要求。
    (5) 自動上傳電流測試
    在電源的正級串入電流表，電流表應(yīng)打在直流20A上，先設(shè)置好自動上傳時間，打開監(jiān)聽模式，等到電流表上的電流變大開始計時，到電流表上的電流回到待機(jī)電流情況下停止，所測時間為自動上傳時長。自動上傳電流取從開始計時到計時停止時電流表上的最大電流，顯示電流應(yīng)小于0.4A。測試電流為0.1A～0.3A，系統(tǒng)符合要求。
4.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)
    南京港華燃?xì)庥邢薰竟芫W(wǎng)運行部2006年6月在河西中中壓站安裝了電子壓力記錄儀系統(tǒng)并進(jìn)行測試運行，壓力記錄顯示、數(shù)據(jù)上傳、壓力趨勢報警、手機(jī)接收報警信息等功能都已經(jīng)實現(xiàn)。
5 結(jié)語與展望
    通過近3年不斷的測試與研究，我們已開發(fā)出第二代系統(tǒng)并通過Exia Ⅱ B防爆認(rèn)證，現(xiàn)正在南京港華建華站投入試運行，從運行的情況來看，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，已經(jīng)滿足了各方面功能需求。
    現(xiàn)有的二代系統(tǒng)還留有實時上傳的功能，只要今后解決電源供應(yīng)的問題以及通訊技術(shù)的進(jìn)步，電子壓力記錄儀系統(tǒng)可以實現(xiàn)調(diào)壓站的智能監(jiān)控。
    現(xiàn)有的軟件操作系統(tǒng)壓力曲線顯示操作不便，數(shù)據(jù)庫還需完善，今后將進(jìn)一步完善電腦操作軟件。最終實現(xiàn)調(diào)壓器運行自動分析功能。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：許云虎 李自強(qiáng) 南京港華燃?xì)庥邢薰竟芫W(wǎng)運行部 210017)