摘要：本文介紹了由南京港華提出的燃氣調壓站電子壓力記錄儀系統的課題及其與合作伙伴的研發。
關鍵詞：燃氣調壓站；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
燃氣調壓站是輸配管網的心臟，連接著不同級制的燃氣管網，一旦出現故障將會引起非常嚴重的后果。如果能對調壓站運行進行實時監控，主動對運行工況異常調壓站給預處理或保養，就能在調壓站故障發生前解決問題從而提高調壓站的安全運行可靠率。
南京港華現有調壓站的監控主要由一機械式燃氣壓力檢測裝置和紙式記錄儀組成。當壓力檢測裝置檢測到燃氣壓力后驅動記錄裝置在圓形記錄紙上記錄燃氣壓力，管理人員定期到調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。對調壓站的管理相對滯后，沒有實時報警及自動管理數據功能，而且更換壓力紙屬于簡單勞動，大部分時間消耗在路途中，這種系統不符合科學管理的需要。
南京港華還在全市部分調壓站設置了SCADA系統，實時監控管網進出口壓力，數據依靠電腦自動分析和報警，實現了調壓站的實時智能監控。但是，SCADA系統建設、使用、維護成本高，不能大面積采用。
從對上述兩種系統的分析可以看出，為了加強調壓站的運行管理，實現科學、高效、安全的現代化綜合管理。把員工從過去簡單機械的勞動中解放出來，向調壓器的維護、維修方向轉移，有效的保障調壓器的正常運行，迫切需要采用先進可靠的設備，實現科學、高效、安全的現代化綜合管理
2 系統確定
2.1 功能需求
(1) 燃氣調壓站壓力數據實時檢測與存貯。
(2) 壓力上限、壓力下限及壓力趨勢預測報警。
(3) 調壓站進出口數據可以定時上傳。
2.2 系統的各參數設置
(1) 管網壓力參數：見表1。
(2) 測量燃氣溫度：-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) 壓力測量數據存貯量：＞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位數顯示。
(8) 讀取數據方式：通過通訊網絡上傳或通過紅外手掌機直接讀取、USB接口直接讀取(接口在本體上)等。
表1 管網壓力參數
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項目
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低壓管道(kPa)
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鍋爐中壓管道(kPa)
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中壓A管道(MPa)
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中壓B管道(MPa)
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常壓
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2.1
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現場設定
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0.25
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0.065
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上限
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2.8
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現場設定
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0.4
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0.1
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下限
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1.7
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現場設定
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0.02
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0.02
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2.3 系統功能實現
(1) 數據管理：可對各種數據進行查詢、維護并以年、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行比較并分析。
(2) 數據采集：可提供數據的指定采集、自動采集，可實現各種數據的轉換。
(3) 數據報警：可對超過設置的報警值進行報警并管理報警數據。
(4) 系統設置：設置系統的參數、初始信息等。
2.4 其它要求
(1) 所有進入調壓房的產品必須通過Ex認證
(2) 計量模塊要通過計量檢定
3 系統設計
3.1 系統組成
(1) 監控與管理中心
安裝在調壓站電子壓力儀系統中心控制室，具有一定的操作軟件能夠實時監控報警并能夠通過相應的通訊模塊控制遠程終端，管理遠程終端記錄的數據，分析調壓站的工況。
(2) 通訊網絡
建立在監控與管理中心和遠程終端之間，通過監控與管理中心發出的指令對遠程終端發送命令，是二者之間的橋梁。
(3) 遠程終端
安裝在各調壓站點，實時采集調壓站工況信息并存儲，按照需要上傳數據和報警信息，接收監控與管理中心的各種命令。
(4) 系統通信拓普圖，見圖1。
3.2 系統組成的選型
由于燃氣調壓站屬于高危險、爆炸性氣體場所，因此，各部件的選用必須考慮防爆。
3.2.1通訊網絡
現有的數據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光纜、電纜和使用現有的電話線，而無線通訊包括超波通信、擴頻通信、衛星通信、GSM網絡通訊。
有線通訊的優點是可靠性高，誤碼率低，但是，其建設費用極高，并且城市調壓站由于各調壓站點分布范圍廣、數量多、距離遠還有就是受客觀條件影響多，本系統不采用有線通訊。
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，建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優點，民用無線通訊最常用的包括超短波(230MHz)無線遠傳和GSM數字蜂窩通信系統等。
無線遠傳作為傳輸通道具有組網靈活、擴展容易、維修方便、運行費用低等優點，但是其安裝調試工作量大，易受外界干擾、通訊速率低、誤碼率低，本系統也不采用。
GSM網絡具有安裝方便、運行費用低，隨著多年的應用已經成熟可靠，雖然GSM網絡傳播速率慢，但是，電信部門在GSM網絡的基礎上開發了GPRS數據交換技術。大大提高了傳送速度，同時，GPRS具有全雙工運作，間隙收發，永遠在線，只有在收發數據才占用系統資源。功耗低。
本系統主要的通訊是在報警、上傳數據、下載命令時發生，采用GSM網絡GPRS數據交換技術的通訊方式足以滿足上述要求，因此采用。同時為了確保數據正常備份到控制中心及調壓站定期需有人巡查，系統還留有數據導出接口。現有的數據導出接口主要有SD、紅外、藍牙、USB幾種接口，USB接口較其它幾種接口具有通用性強、數據下載可靠速度快、功耗低，因此，系統留有USB接口。
3.2.2遠程終端設計(電子壓力記錄儀)
電子壓力記錄儀的設計是本系統的關鍵設計，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、系統軟件等。
CPU采用美國TI公司的MSP430，具有超低功耗技術和內帶有12位A/D采集器、128段LCD驅動器、32Kflash、精密時鐘系統、溫度測試系統等，因此，選用該控制器作為系統的主控制器，實現數據采集、Flash存儲和時鐘校準等功能。
無線通訊模塊采用TC35模塊，它是德國SIEMENS公司生產的高性能通信模塊，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、數據通信和在線無線網絡GPRS功能，為數據、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，滿足了系統現場顯示的需要。
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，高強度，精巧的不銹鋼結構，抗干擾強，抗震性強。長期工作穩定，數據計量準確，輸出標準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主機方式支持常用的USB全速設備，外部單片機可以通過CH375按照相應的USB協議與USB設備通訊。CH375還內置了處理Mass-Storage海量存儲設備的專用通訊協議的固件，外部單片機可以直接以扇區為基本單位讀寫常用的USB存儲設備(包括USB硬盤/USB閃存盤/U盤)。
調壓站現場無交流電接電條件，太陽能電池成本高，維護工作量大，因此采用高容量鋰電池供電，系統提供電壓不足報警提示。系統采用的高性能高容量鋰電池支持反復充放電，可以大大減少電池成本。
存儲器采用美國ATMEL公司生產的工業級AT45DB161。可直接和CPU連接，存儲速度快，提供2M字節的存貯空間，可以存儲調壓站燃氣壓力1年的數據。
系統的軟件設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、短消息的收發程序，數據處理和保存程序。其中，最重要的是監測中心服務器與GSM無線通信模塊TC35之間的串口通信，它是實現短消息接收和發送的關鍵，系統的運行主要是運用C語言進行編制控制的，TC35與監控與管理中心是靠AT命令和短消息的編碼來實現通訊的。
3.2.3監控與管理中心
監控與管理中心主要是由電子壓力儀系統服務器、Modem、電子壓力儀系統管理軟件組成，同時由于系統采用了GSM網絡GPRS通訊模式，還可以設置管理人員的手機來接收遠程終端的短信報警。
系統服務器采用英特奔騰處理器臺式計算機或筆記本計算機運行Windows 2000/X等操作系統為了滿足系統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。
網絡通訊服務器(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、標準RS-232接口，數據終端永遠在線、工業級設計，抗干擾設計，適合電磁環境惡劣的應用需求、內嵌TCP/IP協議實現點對點、點對多點、對等、實時數據傳輸等功能。
Windows系列許多其他應用程序都使用Visual Basic編程系統語言。從開發個人使用或小組使用的小工具，到大型企業應用系統，甚至通過Internet的遍及全球分布式應用程序。都可在Visual Basic提供的工具中各取所需。本系統采用Visual Basic軟件進行窗口的設計及計算機語言的編程。
Access可以有效地組織、管理和共享數據庫的信息，并將數據庫信息與Web結合在一起，為在局域網絡和互聯網共享數據庫的信息奠定了基礎。Access以強大的功能、簡而易學的操作，為用戶進行信息管理提供了一個理想的環境。本系統屬于小型數據庫，利用Access軟件足以進行管理。
本系統利用Visual Basic用ADO數據控件連接Access，不僅利用了VB制作了豐富的窗口而且利用Access進行數據的管理。建立小型的數據庫，為今后調壓站的運行管理系統留下了二次開發空間。
4 系統的調試與實現
4.1 功能調試
(1) 系統壓力校正
在恒溫室把傳感器裝在標準壓力校準臺上，改變校準臺壓力值，兩者在0%、20%、40%、60%、80%、100%各點誤差應小于1.0%，通過校準，系統通過了計量認證。
(2) 短信報警電流測試
在系統關閉的情況下，在電源的正級串入電流表，電流表應打在直流20A上，之后拔掉進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電流情況下結束計時，報警電流取電流表上顯示的最大電流即可，顯示電流應小于0.4A。測試結果在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。電流表應打在直流20A上，打開通訊模塊。通訊電流應從“撥號→設置→掛斷”中取最大電流。通訊時長從“撥號”開始計時，到“掛斷”開始結束，顯示電流應小于0.4A。現場測試電流為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，電流表應打在直流20A上，啟動USB模塊，USB電流是從插入U盤，按下設置鍵時開始計時到電流表上的電流結束時停止，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，電流表應打在直流20A上，先設置好自動上傳時間，打開監聽模式，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，顯示電流應小于0.4A。測試電流為0.1A～0.3A，系統符合要求。
4.2 系統功能實現
南京港華燃氣有限公司管網運行部2006年6月在河西中中壓站安裝了電子壓力記錄儀系統并進行測試運行，壓力記錄顯示、數據上傳、壓力趨勢報警、手機接收報警信息等功能都已經實現。
5 結語與展望
通過近3年不斷的測試與研究，我們已開發出第二代系統并通過Exia Ⅱ B防爆認證，現正在南京港華建華站投入試運行，從運行的情況來看，系統運行穩定，已經滿足了各方面功能需求。
現有的二代系統還留有實時上傳的功能，只要今后解決電源供應的問題以及通訊技術的進步，電子壓力記錄儀系統可以實現調壓站的智能監控。
現有的軟件操作系統壓力曲線顯示操作不便，數據庫還需完善，今后將進一步完善電腦操作軟件。最終實現調壓器運行自動分析功能。
參考文獻
1 鄭安濤.燃氣調壓工藝學.上海：上海科學技術出版社，1994.
2 袁賡.樸貞花.城市調壓站智能監控與實現.中國土木工程協會燃氣輸配專業委員會，2005年會議論文集：117-121.
3 何曉坤.燃氣調壓站壓力遠程監控與數據采集系統設計與實現.南京航空航天大學研究生論文，2007.
(本文作者：許云虎 李自強 南京港華燃氣有限公司管網運行部 210017)
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