余巫各
四川华油集团有限责任公司
摘自《城市燃气》2023年第三期
摘要:在“智慧城市”的背景下,“智慧燃气”已成为天然气行业发展的必然趋势。基于此,为深入研究智慧技术在燃气管网中的应用,文章以某燃气项目为例,介绍分析了一个燃气管网智慧管理系统,该系统是基于智能终端、云计算、物联网等技术开发而成,采集系统采用LTE模块进行数据无线远传,主控芯片选用STM32F107芯片;选择在微处理器内嵌入了FreeRTOS,可支持多任务运行;选用MQTT协议与物联网进行对接,并实现数据传输;另外也设置有FLASH,可以实时存储现场数据。数据综合管理系统基于JavaEE开发,集成了GIS系统、SCADA系统、用户系统等,并配置了云服务器,通过4G/5G、有线网、无线网传输,支持跨硬件、跨系统、跨数据库操作及运行。该燃气智慧管网管理系统成功开发及应用,可有效实现燃气管网数据的实时采集、远程传输、远传配置、紧急控制及服务器迁移等功能,可解决信息孤岛、功耗高、效率低等问题,进而实现燃气管网运行过程的标准化、流程化、智能化、信息化管理。
关键词:城市燃气;管网管理;智慧技术;LTE;FreeRTOS;MQTT
一.引言
天然气本身是无色无味的,且易燃易爆,再加上大多数燃气管道都是深埋于地下,所以相比于供水管网等,城市的燃气管网更加复杂、隐蔽、危险。燃气管网是否能安全运行直接关系着人们日常的生产及生活安全。而通过整合应用大数据技术、云计算技术、物联网技术、区块链技术及5G通信技术等构建形成的智慧燃气系统,可以实现对燃气管网系统的自动化监控及智能化调控,在保障燃气管网运行安全的基础上,促使天然气公司构建出一套更加高效、智能的一体化维护及管理模式。因此,建设智慧燃气系统有着深远的现实意义。
本文从智慧燃气角度出发,结合实际案例,先是对设计开发智慧燃气管网管理系统的背景、需求进行介绍、分析,又重点对现场采集系统及数据综合管理系统的设计要点及功能实现进行了详细说明,希望可以为同行业者提供参考。
二.案例概况
某城区面积为92.5km2,其燃气设备及相关设施等基本概况:管线共计有516km,调压站有2个,调压箱有675个,闸井有468座,用户数量65167户(其中民用户63752户,工服用户1415户)。该城区的燃气管网运行维护及管理工作量见表1。为优化燃气管网管理效率、解决信息孤岛问题,拟定对现有管理系统进行智慧改造升级。
三.智慧燃气管网管理系统建设的需求分析
由于该城区近几年发展比较快,相应的燃气用量也迅速增加,比如,2018年该区全年燃气用量约为1575.15万m3;2019年该区全年燃气用量约为1879.68万m3;2020年该区全年燃气用量约为2285.76万m3;2021年该区全年燃气用量约为2866.95万m3。随着燃气用户的快速增加,相应燃气设备及设施也不断增加,随之也提高了对燃气管网运行维护的工作要求。而传统的管理技术及方法已无法满足现有管网安全运行的要求。因此,需加快燃气管网运行管理的信息化、智能化及网络化等方面的建设及发展。
同时,近几年,随着科技的快速发展,该区天然气公司为提高整体的生产运营管理水平,结合实际需要构建多个信息化系统,比如,SCADA系统、报装系统、GIS系统、气体计量分析系统、客户服务系统及门站/储配站自动控制系统等。但由于这些信息化系统建设时间不同,各系统均是相互独立的,数据未能实现共享。所以数据整合分析、综合管理及应急调度等工作开展也存在诸多困难。因此,针对燃气管理系统进行智慧化改造建设势在必行。
四.智慧燃气管网管理系统的设计及实现
该智慧燃气管理管理系统主要包括现场采集系统及数据综合管理系统两个部分,下面就这两个分系统及功能实现展开论述。
4.1现场采集系统
该现场采集系统采取的是垂直通信结构,主要组成部分包括:STM32F107VCT6微处理器、FLASH、EEPROM、电源单元、自检单元、LTE模块及数据采集单元等。同时,现场采集系统又分为数据采集层、数据传输层、数据处理层3个层级,其中数据采集层主要有传感器单元、模拟量测试单元及自检单元等组成;数据传输层设备以LTE模块为主,通过TCP/IP协议与各网络进行连接,既可通过网络把采集的数据传输至MQTT代理服务器,也可以接收服务器下发相关指令;数据处理层则主要是通过MQTT代理服务器把数据传输至数据中心进行数据接收及处理的解耦,并且也具有将一份数据发送至多个数据中心使用的功能。另外,该系统也可以通过SPI接口的FLASH进行数据掉线续传。现场采集系统功能结构如图1所示。
●采集系统的硬件设计
该采集系统的主控芯片选用的是32位微处理器STM32F107VCT6,其频率可达72MHz,可支持FreeRTOS操作系统及对多个任务进行实时调度。同时,STM32微处理器的能耗比较小,利于降低系统的整体功耗。硬件系统中也配有SPI、I2C、USART等通信接口,其中SPI接口与一个8MB的FLASH储存设备相连,以便实时储存采集的管网系统数据;I2C接口与一个512KB的EEPROM储存设备相连,以便存储数据发送频率、服务器IP、现场设备连接状况等系统配置参数;USART接口不仅可与数据发送单元相连接实现数据远传,而且也可与TTL电平相连接用做泄漏报警器。硬件系统结构见图2所示。
(1)主控单元
此次设计中,主控单元的核心是微处理器,选用的是STM32F07VCT6单片机,该微处理器不仅可以实现数据的采集、格式化、发送等功能,而且可支持多种实时操作系统。另外,该微处理器是在2.0V~3.6V范围内工作,所以功耗更低,同时也具有性能好、成本低等优点。
(2)网络通信单元
该采集系统主要是通过LTE模块及TCP/IP网络协议来实现网络通信,网络连接、数据传输、模块状态查询均是由AT指令进行控制,并且网络通信单元可支持UART接口通信。LTE模块和主控单元连接示意图见图3所示。
(3)存储单元
该现场采集系统中配有两个存储单元,一个是IIC接口的EEPROM,芯片选用24LC04芯片,大小为512KB,用于存储系统配置参数;一个是SPI接口的FLASH,芯片选用SST25VF064C芯片,大小为8MB,用于存储采集到的管网数据。
(4)自检单元
自检单元主要是通过温度自检传感器、电流自检传感器、电压自检传感器等来检测管网系统运行状态,并且也可以依据系统的电流、电压来检测、确定电池的剩余能量。另外在系统温度超出限值后,自检单元可主动进行紧急控制。
●采集系统的软件设计
(1)MQTT通信协议
该采集系统软件设计中采用的MQTT协议版本为3.1.1版,涉及的MQTT数据包包括CONNECT数据包、PUBLISH数据包、SUBSCRIBE数据包及PINGREQ数据包。为保障客户端发送的数据可以准确有效地被服务器接收到,对上述4个数据包分别做了测试,结果均满足实际要求。同时,为优化MQTT客户端的C语言功能,实际设计中,不仅采用Java、Python等开发语言对MQTT客户端进行设计,而且也删掉一些复杂的、非必要的功能,最终主要保留了主题订阅、PING请求发送、服务器消息传输及接收等功能。另外,发送CONNECT报文的时候,MQTT客户端会进行身份验证,验证通过后才能连接到服务器,否则客户端无法与服务器进行连接。不管最终连接成功与否,系统均会给客户端发送CONNACK报文。最终客户端会根据报文内容来判断连接是否成功,并把结果传送至PC端上位机。整个通信过程见图4所示。
(2)FreeRTOS移植
FreeRTOS可划分成Free、RTOS两个部分,其中Free指的是开源,RTOS指的是实时操作系统。由此可见,FreeRTOS属于是开源的实时操作系统。该现场采集系统中选择RTOS,主要为支持多任务同时运行。同时FreeRTOS移植过程中所关联的文件会因为编译环境或处理器内核的不同而不同。此次设计中编译环境选用的是keil编译环境,微控制器内核选用的是ARM-CM3内核,所以只需留存对应的关联文件及内存关联文件就行。另外,通过修改FreeRTOSConfig.h配置文件能够实现对操作系统的裁剪及配置。
(3)软件模块设计
软件模块主要包括网络连接、数据采集及存储、数据发送、参数/指令接收4个部分。其中,网络连接模块包括状态查询、MQTT连接及主题订阅两个部分,状态查询主要是对SIM卡、网络注册信息等进行查询,没问题后才能进行网络连接,否则会无法进行网络连接,并给上位机发送相应的错误信号。当客户端与MQTT服务器成功连接后,需先订阅有关主题,然后才能接收服务器的远程指令。并且为将订阅主题的多个客户端区分开,各主题不仅包含设备序列号,而且也设有对应的指令。数据采集是采取通道轮询的方式来采集各管道系统数据,采集器分为24/220V、7.2V两种,且各采集器均设有3个485通道,通过MODBUS协议实现数据采集。在采集完数据并打包后,只需把各数据包依次存储到FLASH中即可。数据发送首先是读取FLASH中的数据,然后把读取的数据包拆包并发送给MQTT服务器,待采集次数递减到0之后,说明采集的数据全部发送完成。参数/指令接收模块主要是用于接收系统的本地指令、远程指令及相应的配置参数数据,并解析,进而进行下一步动作。
4.2数据综合管理系统
●系统结构
数据管理系统是基于JavaEE开发的,架构设计采用的是分层结构及组件化的SOA架构,即结合业务组件之间的相互关系对系统采取分层设计及组件化开发部署,最后使用服务对各功能组件单元进行封装,以确保基于网络实现业务集成及相互操作等功能。
整个数据管理系统中集合有插件总线、消息总线、多节点集群管理、接入对象统一地址管理及寻址服务等功能,并对插件间消息路由、内存数据库等进行合理部署,使数据管理系统可以实现跨硬件(机架式服务器或PCServer)、跨操作系统(Unix、Linux或Windows)、跨数据库(MySQL、SQLServer或Oracle)及分布式环境下稳定运行。另外,在系统中可通过开发对应的协议插件及业务组件,便能与外部子系统进行连接,并能在实现接入管理、通信管理、互联互通、信息交互等功能的同时,也可以智能化处理子系统中传来的数据,进而实现对各子系统的联动控制。数据综合管理系统结构示意图见图5所示。
●主要功能
该数据综合管理系统的服务器采用云服务器,并可通过4G/5G、有线网及无线网将现场采集系统采集的管网运行数据传输至云服务器及移动终端,实现各类数据的共享。同时,数据综合管理系统可对海量燃气管网运行数据等进行深度挖掘,并通过对燃气产销差进行分析,确定燃气管网是否存在泄漏、窃气等问题。在数据综合管理系统中也集成及整合了GIS系统、SCADA系统、应急指挥系统、GPS及巡检系统等相关业务数据,可有效解决以往各子系统独立建设、独立运行的现象,使多个异构系统实现无缝衔接,进而实现联动控制、优化调度及智能调度等,比如,通过GIS系统的业务数据分析可以优化并推荐救援车辆路线;通过GPS系统业务数据分析可实现事故点附件车辆及人员的优化调度;通过SCADA系统业务数据分析可帮助操作人员对应急指挥方案进行优选,并进行远程智能调度,为燃气企业决策提供数据支持。另外,客户不仅可通过数据综合管理系统查看燃气企业的文化及风采、供气服务项目等,而且也进行燃气费用查询、网上业务咨询、网上故障报修、网上购气(支付宝、微信均可)等,这样有效密切客户和燃气企业间的实时互动。
4.3智慧管网管理系统功能实现
该智慧管网管理系统主要支持管网数据收集、更新、查询及统计功能、空间分析及辅助决策功能、统计输出功能、预警分析功能等。系统操作系统采用的是标准Windows操作系统,操作界面包括菜单栏、工具栏、图层列表框、绘图按钮等。操作人员只需根据工作需要在系统中进行相应操作即可。具体如下,
●管网数据收集及更新功能
通过布置在燃气管网上的传感器实时收集管网的运行数据,并通过网络将收集到的数据传输至MQTT代理服务器,经处理后打包发送至后台数据库保存下来,从而实现管网数据的实时收集及更新功能。同时,技术人员也可将管网施工的图纸及记录等资料上传到系统,完善管网数据。
●数据查询统计功能
该数据查询功能分为快速查询、条件查询、SQL查询及图形查询等,即操作人员通过登录窗口输入用户名、密码,经认证通过后,便可在操作界面选择自己需要的查询方式,比如,可根据燃气管网的种类、接口方式及规格方式等来快速查询到目标管道的相关数据;可根据管线的特点等特定条件来查询到数据库中特定的管线数据。另外,也可通过中文编号、图幅号、接口方式、地址等方式进行相应的管网数据查询。
●空间分析与辅助决策功能
(1)缓冲区分析
操作人员根据要分析的对象,在系统内置的地图上输入对象位置的坐标、缓冲半径,系统便可对目标对象进行分析,进而得到目标对象一定范围内的管网及地理信息等。
(2)纵(横)断面分析
操作人员登录进入管网纵(横)端面分析界面后,可用鼠标顺着需分析的管网方向绘制出相应的纵(横)断面线,绘制完后,系统会自动识别所要分析的管线纵(横)断面,并对纵(横)断面信息进行智能化分析。分析完管线纵(横)断面信息后,系统自动绘制并显示纵横(断)面及其走势情况。另外,在纵(横)断面分析结果图中,用户可以对图形进行缩放、测量距离等操作,也可通过访问接口访问和查询管线的属性数据。
(3)管道泄漏分析
系统可通过前端的传感器自动监测燃气管网运行状态,待发现管道出现泄漏后,会自动标记和反馈燃气泄漏位置,并将燃气泄漏信息传送至后台数据库,对燃气泄漏原因进行智能化分析,进而确定燃气泄漏量及发展趋势。同时,系统会根据燃气泄漏情况确定那些是必须关闭的阀门,那些是不用关闭的阀门,从而及时自动关闭相应的阀门,有效控制燃气泄漏。若某个必须关闭的阀门无法自动关闭或发生损坏,则系统会将该阀门标记为异常,并发出提示信息提醒技术人员进行人工操作。另外,操作人员在系统地图上选择管网泄漏位置,通过系统对管网泄漏的自动化远程追踪分析,可以及时了解管网事故的性质及发展趋势,从而确定并标记出受影响用户的范围。同时,系统会从数据库中调出受影响用户的基本信息,并在地图上显示出来。
(4)检修分析
检修人员可通过移动终端登录系统,选择预检修管线范围,系统会自动从数据库中调出该管线的以往检修记录及其他相关的信息记录,方便检修人员开展管线检修工作。同时,检修人员也可根据系统给出的管线检修记录,确定维修记录最高的管线,或确定已发生问题的管线,进而制定针对性的检修计划,优化检修效率及质量。
(5)预警分析
系统可以对数据库中记录的燃气管网及其附属设施有关的信息(比如铺设时间、维修次数、保养情况等)进行自动统计及智能整合,然后将燃气管网及其附属设施运行状况与预先设定的生命周期信息进行对比,分析出那些已老化或者维修次数过多的管线,及时发出预警信息,提示检修人员及时有序地进行更换,做到防患于未然。
●统计输出功能
统计输出功能主要指通过系统中的GPS及GIS等输出专业管网结构图及地形图,同时,也可根据不同的主题输出特定的专题图形。
●档案文件管理功能
通过档案文件管理功能可实现管网对象及外部档案文件(照片、Word文档、影像图等)的挂接,并可通过属性浏览窗口浏览各种档案文件。档案文件管理窗口中设置有档案文件列表和添加、修改、删除、显示、关闭、帮助6个操作功能模块,可满足档案文件管理要求。
●日志管理功能
日志管理功能主要是对系统用户登录及退出等数据信息进行记录,并且可以查看该用户的历史编辑记录,比如管网设施的增减、修改及删除设施的用户名称、时间、编辑对象等。同时,操作人员也可根据实际需要把日志导出成EXCEL文件,以便保存。
五.结束语
综上所述,某城区通过对燃气管网系统进行智慧化升级,有效整合现有的各个子系统,并解决燃气企业智慧发展过程中的信息孤岛、数据“沉睡”等问题,不仅实现燃气管网数据的共享及智能挖掘,而且整个系统也可实现灵活的联动控制,可有效保障燃气管网运行的安全性及高效性,进而为加快我国智慧燃气发展进程注入强大推力。
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