CN110232782A - 一种分体式天然气高压预付费控制装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种分体式天然气高压预付费控制装置及其应用，所述装置主要由流量计、体积修正仪、预付费控制器和电动阀组成，通过控制器完成预付费及控制功能；其中，所述预付费控制器与体积修正仪连接，进行数据交换，同时，所述控制器具有IC卡接口，实现气量的计量与结算同步；所述控制器还带有SIM卡接口，所述SIM卡接口用来向上级调度中心上传数据；所述控制器与电动阀门连接，控制器根据用户充值气量，控制电动阀门的打开与关闭，当用户气量用完时，关闭阀门；所述控制装置还设置有线路保护模块，所述线路保护模块用于实时检测驱动器、阀门、体积修正仪以及流量计之间的结构连接状态，当有异常状态时，所述线路保护模块向上级调度中心进行报警。

Description

一种分体式天然气高压预付费控制装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种天然气预付费控制装置，具体涉及一种分体式预付费高压天然气气量计量装置，能完成对高压气量的计量、预付费及自动阀门控制功能。

背景技术

城市燃气企业担负着向所辖区域各类客户分销天然气的重任，终端客户众多，其中不乏大中型工商业客户，使用高(次高)压天然气能源，用于贸易结算的计量仪表同样采用高(次高)压方式计量。

在本领域中，燃气管道分级依据为：高压燃气管道A级：压力为2.5<P≤4.0MPa；高压燃气管道B级：压力为1.6<P≤2.5MPa；次高压燃气管道A级：压力为0.8<P≤1.6MPa；次高压燃气管道B级：压力为0.4<P≤0.8MPa；中压燃气管道A级：压力为0.2<P≤0.4MPa；中压燃气管道B级：压力为0.01<P≤0.2MPa；低压燃气管道：压力为P<0.01MPa。

作为上游气源供应方，出于生产经营安全稳妥的考虑以及公平合理的原则，为了降低应收账款及拖欠款方面的风险，减少贸易纠纷，普遍的做法是采用贸易计量仪表与预付费控制系统联锁方式对终端客户供气，一旦客户实际使用的天然气量达到预付给气源供应方的气款金额(依据天然气销售单价折算为天然气量)，预付费系统则联锁动作，切断天然气供应，确保气源供应企业的利益。

典型的预付费联锁控制系统工作过程：一般情况下，天然气经过过滤装置净化处理、稳压后进入计量控制单元，IC卡预付费联锁控制系统的控制模块实时检测来自计量仪表的输出值(天然气量)，该值与预付费系统中控制模块内的预缴金额(则换成天然气量)进行比对，若实际使用量与预缴金额(则换成天然气量)相等(差值为零)时，控制模块向电动阀门发出关闭阀门指令，切断阀门动作关闭天然气供应。待控制模块中的IC卡再存入一定金额后则对系统进行复位操作，联锁控制阀门打开，恢复天然气供应。

按照目前国内的实际情况，联锁控制系统的切断阀门一般为24伏直流电源驱动的两位式防爆型电磁阀，一般不能用于高(次高)压系统，只能用于0.4MPa以下中压气源场合，而且由于驱动力有限，管道口径一般在DN300mm以下，且价格昂贵。

中国专利申请，申请号为201910073239.4，发明名称为一种天然气高中压场内预付费控制系统(文献1)，公开了一种天然气高中压的预付费系统，该系统为单体式，结构复杂，在每一个支路上的上下游均设置了表前阀和表后阀，成本高，精度低，安装繁琐，没有加密系统，容易破解，存在安全隐患，实用性不高；

目前的天然气预付费流量计只能实现低压(P<0.01MPa)、中压(0.01<P<0.4MPa)和次高压(0.4<P<1.6MPa)天然气的计量和控制，而对于高压(1.6<P<4MPa)天然气，市场上还没有分体式的高压预付费控制装置。本发明采用分体式的结构实现高压天然气的流量计量和预付费控制。

发明内容

为克服现有技术不足，本发明提供一种分体式天然气高压预付费控制装置及其应用，具体方案如下：

一种分体式天然气高压预付费控制装置，所述装置主要由流量计、体积修正仪、预付费控制器和电动阀组成，通过控制器完成预付费及控制功能；其中，所述控制器与体积修正仪连接，进行数据交换，同时，所述控制器具有IC卡接口，实现气量的计量与结算同步；所述控制器还带有SIM卡接口，所述SIM卡接口用来向上级调度中心上传数据；所述控制器与电动阀门连接，控制器根据用户充值气量，控制电动阀门的打开与关闭，当用户气量用完时，关闭阀门；所述控制装置还设置有线路保护模块，所述线路保护模块用于实时检测驱动器、阀门、体积修正仪以及流量计之间的连接状态，当有异常状态时，所述线路保护模块向上级调度中心进行报警。

所述线路保护模块通过与控制器连接的声光报警装置进行报警。

所述控制器通过所述SIM卡与调度中心进行连接。

所述控制器通过驱动器与所述阀门连接，所述阀门为电动阀门。

所述控制器通过体积修正仪与流量计进行连接。

所述控制器还设置有HMI。

所述体积修正仪通过串行总线与控制器交换流量计数据；所述控制器的结构包括微处理器单元、IC卡处理电路单元、EEPROM存储电路单元、串口、HMI、驱动电路、声光报警电路和线路保护电路。

当有预付费IC卡片插入IC卡座时，控制器通过卡处理电路读卡，并根据卡中存储的信息完成预付费、控制及表内信息查询功能。

一种所述控制装置的应用，所述应用步骤如下：

S1预付费系统将关键信息进行加密，形成校验位并写入购气IC卡中；

S2刷卡终端通过购气卡刷卡时验证加密后的校验信息；

S3刷卡终端读取购气信息后将购气信息反馈给预付费主站；

所述步骤S1进一步包括以下步骤：S1-1预付费系统提取购气卡的关键信息；

S1-2预付费系统读取事先设定好的多重密匙；

S1-3预付费系统根据读取到的多重密匙对关键信息进行初步加密，加密后的密文再进行安全算法加密，所述安全算法包括SHA安全散列算法；

S1-4预付费系统提取安全算法加密的结果，并将此结果精简为校验码；

S1-5预付费系统将校验码和关键信息一起写入购气卡中；

所述关键信息至少包括用户号、用户名、购气单号、购气量以及购气时间信息

所述多重密匙由多方同时指定，单方无法获知其它方所指定的密匙；

所述步骤S2进一步包括以下步骤：

S2-1刷卡终端或预付费系统进行正常读取购气卡，并进行卡自带的加密检测；

S2-2预付费系统或刷卡终端读入卡中的关键信息；

S2-3预付费系统或刷卡终端读入事先设定好的密匙信息并生成校验码；

S2-4预付费系统或刷卡终端将生成的校验码和购气卡中的校验码进行对比，如果一致则跳转到步骤S3，否则给出提示信息；

所述步骤S3进一步包括以下步骤：S3-1刷卡终端读入购气卡中的购气信息并进行合法性检测；

S3-2刷卡终端提取购气卡上的关键信息并形成反馈报文发回给预付费主站；

S3-3预付费主站接收到刷卡终端上送的反馈报文，提取其中的关键信息，并将这些关键信息与数据库中已经存在的记录进行对比；

所述刷卡终端和预付费主站通过有线或无线的方式进行数据传输；

所述刷卡终端上送的反馈信息为终端刷卡的真实情况；

所述购气卡中的卡信息可以在刷卡终端上送的反馈信息中反映出来；所述购气卡中被修改过的卡信息能在所述反馈信息中反映出来；

所述气力预付费系统的安全保护方法还包括：S4预付费主站下次读取购气卡时，再次验证校验位。

IC卡处理电路单元包括用于接收来自计量仪表数据信息的接收单元、对计量仪表数据信息进行运算操作的数据运算处理单元、识别IC卡预付费金额并换算成可使用的天然气体积量的IC卡数据读取与转换单元、根据IC卡预付费金额所对应的可使用天然气体积量达到预警值和切断值时分别通过气源供应方的后台管理系统向客户发送预警信号和向驱动器发出电动阀门关闭信号的IC卡控制单元，通过无线或有线方式向用户及气源供应方传输数据信息的数据信息发送单元，所述无线方式包括蓝牙、红外、wifi和NFC方式。计费模块，用于从用户终端接收所述用户信息和消费信息，根据用户信息在所述数据库中查找到对应的用户，以及该用户的账户信息；根据所述用于指示产品的信息在所述数据库中查找到对应产品的业务定义信息，根据该业务定义信息和所述消费额得到本次的实际消费额，使用该实际消费额更新所找到的用户的账户信息中的剩余消费额。所述用户信息至少包括该用户的用户标识，及该用户的验证信息；所述计费模块根据用户信息在所述数据库中查找到对应的用户是指：计费模块接收到用户信息后，根据该用户信息中的用户标识在所述数据库中查找到该用户以及该用户的验证信息，比对查找到的验证信息与所接收的用户信息中的验证信息，如果不同则反馈表示验证失败的信息给用户终端；如果相同则判断已查找到用户，继续查找该用户的账户信息。

计量仪表将测量得到的数据信息发送至IC卡预付费控制模块的接收单元，经过数据运算处理单元对计量仪表的数据信息进行求和运算处理，计量仪表用气量之和与IC卡预付费缴存金额按用气价格换算得到的天然气体积量实时比较，当相互间的差值达到计量仪表设定的预警值，IC卡控制单元持续向用户及气源供应方发布预警信号，提醒客户及时给IC卡充值；当实际用气量等于IC卡购气量时，关闭电动阀门。

所述天然气高压场站内预付费控制系统还包括可燃气体报警探头，所述可燃气体报警探头检测到的天然气浓度值通过IC卡预付费控制模块的对接单元向IC卡控制单元传输数据，浓度达到报警值时向用户及气源供应方发布预警信号，提醒客户和气源供应方及时处理消除安全风险；达到切断值时通过气源供应方后台管理系统向电动阀门发出关闭阀门指令，实施停气操作确保安全。

所述装置控制器设置有AI功能数据模块，用于存储用户信息内容以及区分用户的类型；记录各用户的用户信息和至少包括剩余消费额的账户信息，以及各类产品的业务定义信息；并能通过数据交互模块与用户产生互动，比如查询剩余燃气电量，处理简单问题等；数据交互模块，用于接收用户信息和信息并发送；所述信息包括用于指示产品的信息和消费额；

所述预付费控制器设置有扩展槽，能够连接电脑，进行程序设计以及问题修正，同时，可以通过网络进行连接，数据统计等功能，实现工业互联。

所述预付费控制器还设置有天然气参量采样模块、计量模块、数据处理模块、通信模块；所述预付费控制装置还包括天然气参量采样模块、天然气计量模块、数字处理模块、通信模块，所述天然气参量采样模块用于采集天然气管道的天然气压力和流量信号，所述计量模块用于对所述天然气压力和流量信号采样并转化为数字信号，所述数据处理模块用于将所述数字信号输出至所述通信模块，所述通信模块用于传输所述数字信号；

所述驱动器与所述通信模块无线连接，所述驱动器根据所述驱动器输出的所述数字信号控制所述电动阀门的开合；

所述驱动器包括电机、齿轮机构、控制模块和无线通信模块，所述电机与所述齿轮机构连接，所述电机用于驱动所述齿轮机构运动，所述齿轮机构用于控制所述电动阀门的合闸和分闸；

所述无线通信模块与所述通信模块连接；所述控制模块分别与所述电机和无线通信模块连接，所述控制模块根据所述数字信号控制所述电机的动作。

有益效果

在本申请中，可控制电动球阀和调节阀；(输出4-20mA电流信号控制调节阀，可按用户需要设置调节阀打开时的开度)；可连接超声波和涡轮等高压流量计；HMI显示总量、余量、瞬时流量、累计流量、温度、压力和阀门状态等，显示清晰直观，读数方便；当余量低于日平均用气量三倍时，通过声光报警提醒用户充值，用户可以通过触摸屏点击消音按键取消报警；采用EEPROM数据存储技术，具备历史充值数据的存储和查询功能，存储的每一条充值数据包含充值金额和时间；采用加密IC卡，一张充值卡绑定一台流量计；可监控电动阀的电源状态；控制器断电后重新开机时同步流量计上的数据，不会出现错误扣费；具备SIM卡接口，方便调度中心实现远程控制。具备线路保护功能，异常状态发生时，向调度中心报警，便于维护。

本发明彻底解决高(次高)压场站、中压场站大口径管道、高(次高)压客户端，包括门站、调压站、储配站、高(次高)压客户计量调压撬等场所实现IC卡预付费控制功能的难题。本发明的IC卡预付费系统既可用于高(次高)压系统，也可以用于中压系统，同时，也适用于大口径阀门场合。本发明还进一步能够与现场可燃气体报警系统集成，相对于现有IC卡预付费系统，投资成本大大降低。

附图说明

图1天然气高压预付费流量计原理框图。

具体实施方式

实施例1

在无锡市锡山区某企业内部试装该本申请一套预付费装置，燃气管道压力为A级，压力4.0MPa，具体技术方案如下：

一种分体式天然气高压预付费控制装置，所述装置主要由流量计、体积修正仪、预付费控制器和电动阀组成，通过控制器完成预付费及控制功能；其中，所述控制器与体积修正仪连接，进行数据交换，同时，所述控制器具有IC卡接口，实现气量的计量与结算同步；所述控制器还带有SIM卡接口，所述SIM卡接口用来向上级调度中心上传数据；所述控制器与电动阀门连接，控制器根据用户充值气量，控制电动阀门的打开与关闭，当用户气量用完时，关闭阀门；所述控制装置还设置有线路保护模块，所述线路保护模块用于实时检测驱动器、阀门、体积修正仪以及流量计之间的连接状态，当有异常状态时，所述线路保护模块向上级调度中心进行报警。

所述线路保护模块通过与控制器连接的声光报警装置进行报警。

所述控制器通过所述SIM卡与调度中心进行连接。

所述控制器通过驱动器与所述阀门连接，所述阀门为电动阀门。

所述控制器通过体积修正仪与流量计进行连接。

所述控制器还设置有HMI。

所述体积修正仪通过串行总线与控制器交换流量计数据；所述控制器的结构包括微处理器单元、IC卡处理电路单元、EEPROM存储电路单元、串口、HMI、驱动电路、声光报警电路和线路保护电路。

当有预付费IC卡片插入IC卡座时，控制器通过卡处理电路读卡，并根据卡中存储的信息完成预付费、控制及表内信息查询功能。

一种所述控制装置的应用，所述应用步骤如下：

S1预付费系统将关键信息进行加密，形成校验位并写入购气IC卡中；

S2刷卡终端通过购气卡刷卡时验证加密后的校验信息；

S3刷卡终端读取购气信息后将购气信息反馈给预付费主站；

所述步骤S1进一步包括以下步骤：S1-1预付费系统提取购气卡的关键信息；

S1-2预付费系统读取事先设定好的多重密匙；

S1-3预付费系统根据读取到的多重密匙对关键信息进行初步加密，加密后的密文再进行安全算法加密，所述安全算法包括SHA安全散列算法；

S1-4预付费系统提取安全算法加密的结果，并将此结果精简为校验码；

S1-5预付费系统将校验码和关键信息一起写入购气卡中；

所述关键信息至少包括用户号、用户名、购气单号、购气量以及购气时间信息

所述多重密匙由多方同时指定，单方无法获知其它方所指定的密匙；

所述步骤S2进一步包括以下步骤：

S2-1刷卡终端或预付费系统进行正常读取购气卡，并进行卡自带的加密检测；

S2-2预付费系统或刷卡终端读入卡中的关键信息；

S2-3预付费系统或刷卡终端读入事先设定好的密匙信息并生成校验码；

S2-4预付费系统或刷卡终端将生成的校验码和购气卡中的校验码进行对比，如果一致则跳转到步骤S3，否则给出提示信息；

所述步骤S3进一步包括以下步骤：S3-1刷卡终端读入购气卡中的购气信息并进行合法性检测；

S3-2刷卡终端提取购气卡上的关键信息并形成反馈报文发回给预付费主站；

S3-3预付费主站接收到刷卡终端上送的反馈报文，提取其中的关键信息，并将这些关键信息与数据库中已经存在的记录进行对比；

所述刷卡终端和预付费主站通过有线或无线的方式进行数据传输；

所述刷卡终端上送的反馈信息为终端刷卡的真实情况；

所述购气卡中的卡信息可以在刷卡终端上送的反馈信息中反映出来；所述购气卡中被修改过的卡信息能在所述反馈信息中反映出来；

所述气力预付费系统的安全保护方法还包括：S4预付费主站下次读取购气卡时，再次验证校验位。

IC卡处理电路单元包括用于接收来自计量仪表数据信息的接收单元、对计量仪表数据信息进行运算操作的数据运算处理单元、识别IC卡预付费金额并换算成可使用的天然气体积量的IC卡数据读取与转换单元、根据IC卡预付费金额所对应的可使用天然气体积量达到预警值和切断值时分别通过气源供应方的后台管理系统向客户发送预警信号和向驱动器发出电动阀门关闭信号的IC卡控制单元，通过无线或有线方式向用户及气源供应方传输数据信息的数据信息发送单元，所述无线方式包括蓝牙、红外、wifi和NFC方式。计费模块，用于从用户终端接收所述用户信息和消费信息，根据用户信息在所述数据库中查找到对应的用户，以及该用户的账户信息；根据所述用于指示产品的信息在所述数据库中查找到对应产品的业务定义信息，根据该业务定义信息和所述消费额得到本次的实际消费额，使用该实际消费额更新所找到的用户的账户信息中的剩余消费额。所述用户信息至少包括该用户的用户标识，及该用户的验证信息；所述计费模块根据用户信息在所述数据库中查找到对应的用户是指：计费模块接收到用户信息后，根据该用户信息中的用户标识在所述数据库中查找到该用户以及该用户的验证信息，比对查找到的验证信息与所接收的用户信息中的验证信息，如果不同则反馈表示验证失败的信息给用户终端；如果相同则判断已查找到用户，继续查找该用户的账户信息。

计量仪表将测量得到的数据信息发送至IC卡预付费控制模块的接收单元，经过数据运算处理单元对计量仪表的数据信息进行求和运算处理，计量仪表用气量之和与IC卡预付费缴存金额按用气价格换算得到的天然气体积量实时比较，当相互间的差值达到计量仪表设定的预警值，IC卡控制单元持续向用户及气源供应方发布预警信号，提醒客户及时给IC卡充值；当实际用气量等于IC卡购气量时，关闭电动阀门。

所述天然气高压场站内预付费控制系统还包括可燃气体报警探头，所述可燃气体报警探头检测到的天然气浓度值通过IC卡预付费控制模块的对接单元向IC卡控制单元传输数据，浓度达到报警值时向用户及气源供应方发布预警信号，提醒客户和气源供应方及时处理消除安全风险；达到切断值时通过气源供应方后台管理系统向电动阀门发出关闭阀门指令，实施停气操作确保安全。

所述装置控制器设置有AI功能数据模块，用于存储用户信息内容以及区分用户的类型；记录各用户的用户信息和至少包括剩余消费额的账户信息，以及各类产品的业务定义信息；并能通过数据交互模块与用户产生互动，比如查询剩余燃气电量，处理简单问题等；数据交互模块，用于接收用户信息和信息并发送；所述信息包括用于指示产品的信息和消费额；

所述预付费控制器设置有扩展槽，能够连接电脑，进行程序设计以及问题修正，同时，可以通过网络进行连接，数据统计等功能，实现工业互联。

所述预付费控制器还设置有天然气参量采样模块、计量模块、数据处理模块、通信模块；所述预付费控制装置还包括天然气参量采样模块、天然气计量模块、数字处理模块、通信模块，所述天然气参量采样模块用于采集天然气管道的天然气压力和流量信号，所述计量模块用于对所述天然气压力和流量信号采样并转化为数字信号，所述数据处理模块用于将所述数字信号输出至所述通信模块，所述通信模块用于传输所述数字信号；

所述驱动器与所述通信模块无线连接，所述驱动器根据所述驱动器输出的所述数字信号控制所述电动阀门的开合；

所述驱动器包括电机、齿轮机构、控制模块和无线通信模块，所述电机与所述齿轮机构连接，所述电机用于驱动所述齿轮机构运动，所述齿轮机构用于控制所述电动阀门的合闸和分闸；

所述无线通信模块与所述通信模块连接；所述控制模块分别与所述电机和无线通信模块连接，所述控制模块根据所述数字信号控制所述电机的动作。

对比实例：采用文献1所述的技术方案。两种技术方案性能参数效果对比见表1

表1性能参数效果对比

项目	安装工时	装置成本	装置精度	最高气压	安全性
						实施例1	20min	100元	0.01m<sup>3</sup>	4MPa	安全系数高，不易破解付费系统
对比实例	45min	150元	1m<sup>3</sup>	1.6MPa	能够破解付费系统

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种分体式天然气高压预付费控制装置，其特征在于，所述装置主要由流量计、体积修正仪、预付费控制器和电动阀组成，通过预付费控制器完成预付费及控制功能；其中，所述预付费控制器与体积修正仪连接，进行数据交换，同时，所述预付费控制器具有IC卡接口，实现气量的计量与结算同步；所述预付费控制器还带有SIM卡接口，所述SIM卡接口用来向上级调度中心上传数据；所述预付费控制器与电动阀门连接，预付费控制器根据用户充值气量，控制电动阀门的打开与关闭，当用户气量用完时，关闭阀门；所述控制装置还设置有线路保护模块，所述线路保护模块用于实时检测驱动器、阀门、体积修正仪以及流量计之间的结构连接状态，当有异常状态时，所述线路保护模块向上级调度中心进行报警。

2.根据权利要求1所述的分体式天然气高压预付费控制装置，其特征在于，所述线路保护模块通过与控制器连接的声光报警装置进行报警。

3.根据权利要求1所述的分体式天然气高压预付费控制装置，其特征在于，所述控制器通过所述SIM卡与调度中心进行连接。

4.根据权利要求1所述的分体式天然气高压预付费控制装置，其特征在于，所述控制器通过驱动器与阀门连接，所述阀门为电动阀门。

5.根据权利要求1所述的分体式天然气高压预付费控制装置，其特征在于，所述控制器通过体积修正仪与流量计进行连接。

6.根据权利要求1所述的分体式天然气高压预付费控制装置，其特征在于，所述控制器还设置有HMI。

7.根据权利要求1所述的分体式天然气高压预付费控制装置，其特征在于，所述体积修正仪通过串行总线与控制器交换流量计数据；所述控制器的结构包括微处理器单元、IC卡处理电路单元、EEPROM存储电路单元、串口、HMI、驱动电路、声光报警电路和线路保护电路；其中，所述微处理器单元与IC卡处理电路单元连接，用于处理IC卡相关信息，所述微处理器单元与EEPROM存储电路单元连接，将微处理器单元处理的相关信息存储与EEPROM存储电路单元中，所述微处理器单元还设置有串口，用以连接其它装置，同时，微处理器单元还连接HMI、驱动电路、声光报警电路和线路保护电路。

8.根据权利要求1所述的分体式天然气高压预付费控制装置，其特征在于，当有预付费IC卡片插入IC卡座时，控制器通过卡处理电路读卡，并根据卡中存储的信息完成预付费、控制及表内信息查询功能。

9.一种权利要求1所述控制装置的应用，其特征在于，所述应用步骤如下：

S1预付费系统将关键信息进行加密，形成校验位并写入购气IC卡中；

S2刷卡终端通过购气卡刷卡时验证加密后的校验信息；

S3刷卡终端读取购气信息后将购气信息反馈给预付费主站；

S4预付费主站下次读取购气卡时，再次验证校验位。