摘要：本文介绍了由南京港华提出的燃气调压站电子压力记录仪系统的课题及其与合作伙伴的研发。
关键词：燃气调压站；电子压力记录仪
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
燃气调压站是输配管网的心脏，连接着不同级制的燃气管网，一旦出现故障将会引起非常严重的后果。如果能对调压站运行进行实时监控，主动对运行工况异常调压站给预处理或保养，就能在调压站故障发生前解决问题从而提高调压站的安全运行可靠率。
南京港华现有调压站的监控主要由一机械式燃气压力检测装置和纸式记录仪组成。当压力检测装置检测到燃气压力后驱动记录装置在圆形记录纸上记录燃气压力，管理人员定期到调压站更换圆形记录纸，记录纸收集好后由专人分析并作为原始档案保存两年以备查询。虽然使用操作简单但是费时费力。对调压站的管理相对滞后，没有实时报警及自动管理数据功能，而且更换压力纸属于简单劳动，大部分时间消耗在路途中，这种系统不符合科学管理的需要。
南京港华还在全市部分调压站设置了SCADA系统，实时监控管网进出口压力，数据依靠电脑自动分析和报警，实现了调压站的实时智能监控。但是，SCADA系统建设、使用、维护成本高，不能大面积采用。
从对上述两种系统的分析可以看出，为了加强调压站的运行管理，实现科学、高效、安全的现代化综合管理。把员工从过去简单机械的劳动中解放出来，向调压器的维护、维修方向转移，有效的保障调压器的正常运行，迫切需要采用先进可靠的设备，实现科学、高效、安全的现代化综合管理
2 系统确定
2.1 功能需求
(1) 燃气调压站压力数据实时检测与存贮。
(2) 压力上限、压力下限及压力趋势预测报警。
(3) 调压站进出口数据可以定时上传。
2.2 系统的各参数设置
(1) 管网压力参数：见表1。
(2) 测量燃气温度：-20℃～70℃，相对湿度90%。
(3) 综合测量精度：＜1%。
(4) 锂电池供电时间：2年。
(5) 压力测量数据存贮量：＞6个月(2min存1次)，自动更新。
(6) 传感器：使用寿命大于6a。
(7) 显示器：双液晶显示器，3位数显示。
(8) 读取数据方式：通过通讯网络上传或通过红外手掌机直接读取、USB接口直接读取(接口在本体上)等。
表1 管网压力参数
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项目
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低压管道(kPa)
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锅炉中压管道(kPa)
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中压A管道(MPa)
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中压B管道(MPa)
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常压
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2.1
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现场设定
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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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现场设定
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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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现场设定
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0.02
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0.02
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2.3 系统功能实现
(1) 数据管理：可对各种数据进行查询、维护并以年、月、日的形式生成报表，自动生成压力曲线与样板压力曲线进行比较并分析。
(2) 数据采集：可提供数据的指定采集、自动采集，可实现各种数据的转换。
(3) 数据报警：可对超过设置的报警值进行报警并管理报警数据。
(4) 系统设置：设置系统的参数、初始信息等。
2.4 其它要求
(1) 所有进入调压房的产品必须通过Ex认证
(2) 计量模块要通过计量检定
3 系统设计
3.1 系统组成
(1) 监控与管理中心
安装在调压站电子压力仪系统中心控制室，具有一定的操作软件能够实时监控报警并能够通过相应的通讯模块控制远程终端，管理远程终端记录的数据，分析调压站的工况。
(2) 通讯网络
建立在监控与管理中心和远程终端之间，通过监控与管理中心发出的指令对远程终端发送命令，是二者之间的桥梁。
(3) 远程终端
安装在各调压站点，实时采集调压站工况信息并存储，按照需要上传数据和报警信息，接收监控与管理中心的各种命令。
(4) 系统通信拓普图，见图1。
3.2 系统组成的选型
由于燃气调压站属于高危险、爆炸性气体场所，因此，各部件的选用必须考虑防爆。
3.2.1通讯网络
现有的数据通讯主要分为有线和无线两大类，其中有线通讯主要包括架设光缆、电缆和使用现有的电话线，而无线通讯包括超波通信、扩频通信、卫星通信、GSM网络通讯。
有线通讯的优点是可靠性高，误码率低，但是，其建设费用极高，并且城市调压站由于各调压站点分布范围广、数量多、距离远还有就是受客观条件影响多，本系统不采用有线通讯。
与有线通讯方式相比，无线通信方式显得非常灵活，他具有投资少，建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点，民用无线通讯最常用的包括超短波(230MHz)无线远传和GSM数字蜂窝通信系统等。
无线远传作为传输通道具有组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低等优点，但是其安装调试工作量大，易受外界干扰、通讯速率低、误码率低，本系统也不采用。
GSM网络具有安装方便、运行费用低，随着多年的应用已经成熟可靠，虽然GSM网络传播速率慢，但是，电信部门在GSM网络的基础上开发了GPRS数据交换技术。大大提高了传送速度，同时，GPRS具有全双工运作，间隙收发，永远在线，只有在收发数据才占用系统资源。功耗低。
本系统主要的通讯是在报警、上传数据、下载命令时发生，采用GSM网络GPRS数据交换技术的通讯方式足以满足上述要求，因此采用。同时为了确保数据正常备份到控制中心及调压站定期需有人巡查，系统还留有数据导出接口。现有的数据导出接口主要有SD、红外、蓝牙、USB几种接口，USB接口较其它几种接口具有通用性强、数据下载可靠速度快、功耗低，因此，系统留有USB接口。
3.2.2远程终端设计(电子压力记录仪)
电子压力记录仪的设计是本系统的关键设计，其主要有中央控制器(CPU)、无线通讯模块、LCD、传感器、USB接口、电源、存储器、系统软件等。
CPU采用美国TI公司的MSP430，具有超低功耗技术和内带有12位A/D采集器、128段LCD驱动器、32Kflash、精密时钟系统、温度测试系统等，因此，选用该控制器作为系统的主控制器，实现数据采集、Flash存储和时钟校准等功能。
无线通讯模块采用TC35模块，它是德国SIEMENS公司生产的高性能通信模块，主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口6部分组成，支持短信、数据通信和在线无线网络GPRS功能，为数据、语音、短消息提供安全、可靠、快速的传输，它可以插入SIM卡与Modem连接用AT指令进行控制。
LCD采用STN128段液晶显示，具有显示视角宽，屏大、亮度高、功耗低等特点，满足了系统现场显示的需要。
传感器选用昆山双桥传感器，采用24VDC供电，微功耗。采用防爆式压力充油芯体，高强度，精巧的不锈钢结构，抗干扰强，抗震性强。长期工作稳定，数据计量准确，输出标准4mA—20mA信号。
我们选用USB总线接口芯片CH375。此芯片支持USB1.1、USB2.0。CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯。CH375还内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备(包括USB硬盘/USB闪存盘/U盘)。
调压站现场无交流电接电条件，太阳能电池成本高，维护工作量大，因此采用高容量锂电池供电，系统提供电压不足报警提示。系统采用的高性能高容量锂电池支持反复充放电，可以大大减少电池成本。
存储器采用美国ATMEL公司生产的工业级AT45DB161。可直接和CPU连接，存储速度快，提供2M字节的存贮空间，可以存储调压站燃气压力1年的数据。
系统的软件设计主要包括模拟量采集模块，USB接口模块，CPU处理模块及初始化程序、短消息的收发程序，数据处理和保存程序。其中，最重要的是监测中心服务器与GSM无线通信模块TC35之间的串口通信，它是实现短消息接收和发送的关键，系统的运行主要是运用C语言进行编制控制的，TC35与监控与管理中心是靠AT命令和短消息的编码来实现通讯的。
3.2.3监控与管理中心
监控与管理中心主要是由电子压力仪系统服务器、Modem、电子压力仪系统管理软件组成，同时由于系统采用了GSM网络GPRS通讯模式，还可以设置管理人员的手机来接收远程终端的短信报警。
系统服务器采用英特奔腾处理器台式计算机或笔记本计算机运行Windows 2000/X等操作系统为了满足系统24运行以及自动报警功能，至少要求500M硬盘空间，64M Ram，RS-232串口线、USB串口线、彩色显示器及激光打印机。
网络通讯服务器(Modem)采用南京傲屹电子GPRS Modem。具有：双频切换覆盖范围更大，确保通信畅通无阻、标准RS-232接口，数据终端永远在线、工业级设计，抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求、内嵌TCP/IP协议实现点对点、点对多点、对等、实时数据传输等功能。
Windows系列许多其他应用程序都使用Visual Basic编程系统语言。从开发个人使用或小组使用的小工具，到大型企业应用系统，甚至通过Internet的遍及全球分布式应用程序。都可在Visual Basic提供的工具中各取所需。本系统采用Visual Basic软件进行窗口的设计及计算机语言的编程。
Access可以有效地组织、管理和共享数据库的信息，并将数据库信息与Web结合在一起，为在局域网络和互联网共享数据库的信息奠定了基础。Access以强大的功能、简而易学的操作，为用户进行信息管理提供了一个理想的环境。本系统属于小型数据库，利用Access软件足以进行管理。
本系统利用Visual Basic用ADO数据控件连接Access，不仅利用了VB制作了丰富的窗口而且利用Access进行数据的管理。建立小型的数据库，为今后调压站的运行管理系统留下了二次开发空间。
4 系统的调试与实现
4.1 功能调试
(1) 系统压力校正
在恒温室把传感器装在标准压力校准台上，改变校准台压力值，两者在0%、20%、40%、60%、80%、100%各点误差应小于1.0%，通过校准，系统通过了计量认证。
(2) 短信报警电流测试
在系统关闭的情况下，在电源的正级串入电流表，电流表应打在直流20A上，之后拔掉进口或者出口的航空插头，观看电流表，在电流表上的电流突然变大的情况下开始计时到电流表上回到原本的待机电流情况下结束计时，报警电流取电流表上显示的最大电流即可，显示电流应小于0.4A。测试结果在0.1A～0.3A之间，符合要求。
(3) 通讯电流测试
在电源的正级串入电流表。电流表应打在直流20A上，打开通讯模块。通讯电流应从“拨号→设置→挂断”中取最大电流。通讯时长从“拨号”开始计时，到“挂断”开始结束，显示电流应小于0.4A。现场测试电流为0.1A～0.3A之间，满足要求。
(4) 插USB电流测试
在电源的正级串入电流表，电流表应打在直流20A上，启动USB模块，USB电流是从插入U盘，按下设置键时开始计时到电流表上的电流结束时停止，USB电流要从电流表上显示的电流中取最大电流，显示电流应小于0.1A。测试电流为0.08A，符合要求。
(5) 自动上传电流测试
在电源的正级串入电流表，电流表应打在直流20A上，先设置好自动上传时间，打开监听模式，等到电流表上的电流变大开始计时，到电流表上的电流回到待机电流情况下停止，所测时间为自动上传时长。自动上传电流取从开始计时到计时停止时电流表上的最大电流，显示电流应小于0.4A。测试电流为0.1A～0.3A，系统符合要求。
4.2 系统功能实现
南京港华燃气有限公司管网运行部2006年6月在河西中中压站安装了电子压力记录仪系统并进行测试运行，压力记录显示、数据上传、压力趋势报警、手机接收报警信息等功能都已经实现。
5 结语与展望
通过近3年不断的测试与研究，我们已开发出第二代系统并通过Exia Ⅱ B防爆认证，现正在南京港华建华站投入试运行，从运行的情况来看，系统运行稳定，已经满足了各方面功能需求。
现有的二代系统还留有实时上传的功能，只要今后解决电源供应的问题以及通讯技术的进步，电子压力记录仪系统可以实现调压站的智能监控。
现有的软件操作系统压力曲线显示操作不便，数据库还需完善，今后将进一步完善电脑操作软件。最终实现调压器运行自动分析功能。
参考文献
1 郑安涛.燃气调压工艺学.上海：上海科学技术出版社，1994.
2 袁赓.朴贞花.城市调压站智能监控与实现.中国土木工程协会燃气输配专业委员会，2005年会议论文集：117-121.
3 何晓坤.燃气调压站压力远程监控与数据采集系统设计与实现.南京航空航天大学研究生论文，2007.
(本文作者：许云虎 李自强 南京港华燃气有限公司管网运行部 210017)
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