天然气在线分析仪远程管理系统的设计与探讨

杜爽，曹蕴墨，李剑峰，周盛

中国石油西南油气田分公司输气管理处（四川 成都 610213）

0 引言

天然气在线分析仪在天然气气质监督管理、保证天然气质量符合国家法律法规和标准要求上发挥着重要作用[1]。近年来，随着国家对长输管道天然气气质要求越来越严格以及天然气能量计量的推行，结合西南油气田分公司“十四五”建成500 亿大气区的奋斗目标，打造智能油气田、智慧管网的发展规划，已有越来越多的在线分析设备投入使用，且呈现点多面广的态势。

目前国内外在线分析仪远程集中监控管理基本处于空白状态。在用的在线分析仪品牌多、型号多、安装也较分散，各个品牌的通讯协议也不同。国外仅有部分在线分析仪可实现PC端控制，但也仅局限于同品牌同型号控制，无法实现多品牌多型号在线设备的远程集中监控。国内在天然气气质监督管理上存在的问题有：各进气点的气质数据未实现统一监测管理，时效性差、手段落后，无法匹配当前公司信息化管理要求；在线分析仪的运维管理人员难以全面掌握仪器运行状态，无法及时处理仪器出现的故障，从而影响天然气气质监测的连续性；大量气质监测数据未能有效开发利用等[2]。因此，有必要设计开发一套在线分析仪远程集中监控和数据应用管理系统[3]，用于完成分布在川渝管网不同地点在线分析仪的数据采集、集中监控、故障诊断处理，提高在线分析仪的运行维护效率，保证天然气气质监管的有效性和连续性；完成天然气气质数据的统一管理、应用开发等，形成以数据指导生产的应用场景。将天然气气质监管由传统管理手段向数字化、智能化管理推进。

1 系统结构设计与实现

1.1 网络架构设计

监控传输网络系统的用途在于接入各类监控资源，为管理平台的各项应用提供基础保障，并服务于各类系统用户[4]。

为了实现系统“分散管理、集中控制”的设计理念，将系统设计成为“三点一线”的结构模式，“三点”分别指的是：分析小屋现场进行数据采集的仪表设备、用户办公室和监控中心的服务器端；“一线”指的是通信网络。监控中心网络架构如图1 所示。

图1 监控中心网络架构

分析小屋：位于相应的场站内，它的主要功能是对设备的状态进行采集，对相应数据进行处理，与监控中心通过生产数据网络进行通信和数据交换。

监控中心：实现对该站所需要监控的在线仪器设备的集中远程监控和统一调度管理。主要功能是实时监控指定设备的运行情况，对该站的异常情况发出实时警报，查看站内的各项历史数据等。

用户办公室：用户使用办公电脑，借助浏览器访问监控中心的数据，对数据进行分析处理。

1.2 逻辑架构设计

在线分析仪远程监控与数据应用软件平台采用6 层架构，系统逻辑架构如图2 所示，基于web 的访问技术，使得系统的安全性和交互能力有了极大的提高。由于分层系统的功能模块非常明确，系统具有更大的灵活性，一个模块的功能变化不会影响到其他模块，系统改进容易且便于由不同计算机厂商提供的软件产品组成。

1）设备层。该层主要是在线的各种设备，包括色谱分析仪、硫化氢分析仪、水分分析仪。

2）通信协议层。该层同时融合了ModBus、TCP/IP 及网络等多种移动通讯、信息处理和计算机网络的协议，用来访问各种分析设备。

3）数据采集层。该层调用各种通信协议，采集各种设备的数据，并对数据进行校验、处理和缓存，便于上层将其存入数据库。

4）数据库访问层。提供访问数据库的各种基础接口，实现数据的增加、更新、查询、删除等功能。将采集来的数据存储到数据库中。

5）数据服务层。实现系统的各种功能，包括设备管理、设备数据查看、设备数据查询、设备数据分析等系统必须功能。

6）界面层。使用各种WEB 控件展示系统的功能和用户进行交互。

1.3 系统开发实现

系统开发主要使用Spring Boot、SpringMVC、mybatis 框架、Vue.js、MySQL 数据库实现，并在现场连接实际SCADA数据进行测试。

1）Spring Boot。Spring Boot 的设计目的是用来简化新Spring应用的初始搭建以及开发过程。该框架使用了特定的方式进行配置，不需要定义样板化的配置。

Spring 是整个项目中装配bean 的大工厂，在配置文件中可以指定使用特定的参数去调用实体类的构造方法来实例化对象。也可以称之为项目中的黏合剂。

2）SpringMVC。SpringMVC 在项目中用于拦截用户请求，它的核心Servlet 即DispatcherServlet 承担中介或是前台的职责，将用户请求通过Handler-Mapping 去匹配Controller，Controller 就是具 体 对 应请求所执行的操作。SpringMVC 相当于SSH 框架中struts。

3）mybatis。mybatis 是对jdbc 的封装，它让数据库底层操作变得透明。mybatis 的操作都是围绕一个sqlSessionFactory 实例展开的。mybatis 通过配置文件关联到各实体类的Mapper文件，Mapper文件中配置了每个类对数据库所需进行的sql 语句映射。在每次与数据库交互时，通过sqlSessionFactory 拿到一个sqlSession，再执行sql命令。

页面发送请求给控制器，控制器调用业务层处理逻辑，逻辑层向持久层发送请求，持久层与数据库交互，后将结果返回给业务层，业务层将处理逻辑发送给控制器，控制器再调用视图展现数据。

4）Vue.js。Vue.js 是一个构建数据驱动的web界面的渐进式框架。Vue.js 的目标是通过尽可能简单的API 实现响应的数据绑定和组合的视图组件。它不仅易于上手，还便于与第三方库或既有项目整合。

另一方面，当与单文件组件和Vue.js生态系统支持的库结合使用时，Vue.js也完全能够为复杂的单页应用程序提供驱动。

2 系统功能设计

2.1 设备管理功能

为了方便在线分析仪相关信息查询，天然气在线分析仪的系统管理需建立各类型在线分析仪的基本信息台账，如图3所示，包括设备名称、型号、生产厂家、仪器编号、安装站场（属地电话）、监控气源、设备状态等。

图3 设备管理界面

设备管理界面设置查询、编辑功能，用户在下拉菜单中可选择上述相关项进行查看或检索台账内信息的关键字，系统将显示该站或相关关键字对应的在线分析仪的相关信息，且系统同样具备台账编辑和导出的功能。

2.2 设备故障统计功能

在线分析设备故障直接影响天然气气质的有效监控，因此对设备故障进行跟踪记录和统计分析在设备管理工作中有十分重要的意义。故障管理功能用于管理在线分析设备的故障信息，如图4 所示，对设备故障发生的时间、故障描述、原因分析、故障处理方法等进行跟踪记录。

图4 设备故障统计界面

用户可通过在设备故障统计中选择不同的故障发现时间来浏览故障记录。由于故障可能不会一次性解决，对于某一故障系统应能记录不同的处理过程，包括处理时间、处理方式和处理人员。

2.3 在线数据实时监控、预警功能

在线分析仪的连续自动分析检测是为了实现对气源气质的实时监控，远程监控系统每5 min 对在线数据进行采集并在监控相关界面对采集数据进行显示，并结合天然气相关标准中的质量指标，按表1对不同类型在线仪器的监测数据进行展示以及相应的预警、报警参数设置[5]。数据监控、预警展示如图5所示。

表1 在线分析仪检测数据应用

图5 数据监控、预警展示

2.4 历史数据存储、查询及应用功能

在线分析仪在正常使用期间会产生大量的监测数据，系统将数据按设备类别进行存储[8]，可根据设备台账中对应的安装站场、在线设备类型和监测气源名称等查询相应的历史数据。

每台在线硫化氢和水露点的历史数据按时间段进行折线图展示，折线图可根据需查询的时间段进行伸缩调整，如图6 所示。该界面同时具有数据比对功能，可同时选择2~4 台设备进行同时段的硫化氢或水露点值的折线图比对显示，如图7所示。

图6 硫化氢历史数据查询折线图

图7 历史数据比对应用

每台在线色谱所监测的天然气组分含量、发热量、相对密度等类型的历史数据，整体以列表的形式按时间顺序进行展示，可调整时间段进行历史数据的查询。单独选择某数据分类可展示该数据对应时间段的折线图。该界面同样具有数据比对功能，可同时选择2~4 台设备进行同时段色谱数据的点位图比对显示，如图7所示。

3 结束语

通过分析系统的设计目标，介绍了系统设计中采用的关键技术，从系统设计的实际需求出发，提出基于物联网的远程管理和数据应用平台的设计方案，构建远程监控系统，搭建数据处理平台，物联网技术的应用能够提高远程视频监控系统的实时性和有效性。系统通过远程监控在线分析仪关键参数，实时掌握在线分析仪运行状态，保障管输天然气气质和在线分析仪的正常运作，还可利用设立的诊断库对同类型仪器的故障及维护方式进行记录，便于同类型故障的及时有效处理和设备全生命周期的记录。