無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可燃/有毒氣體監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪志偉，孫東旭

（1.中國(guó)五環(huán)工程有限公司，武漢430223；2.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710119）

21世紀(jì)以來(lái)，隨著煤氣化工藝的逐漸成熟，煤制甲醇、煤制乙二醇、煤制天然氣等項(xiàng)目紛紛啟動(dòng)。煤氣化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的一氧化碳、氫氣和甲烷等可燃/有毒氣體，若監(jiān)控不當(dāng)，很容易造成化工廠事故。

目前的化工儀表設(shè)計(jì)過(guò)程中，大多采用有線通信方式，將檢測(cè)可燃/有毒氣體的變送器信號(hào)傳輸至該裝置的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜室或就地控制室，然后通過(guò)以太網(wǎng)傳送至中心控制室。該方式不僅需要為通信電纜設(shè)計(jì)線纜橋架、接線箱和保護(hù)管等，而且為了保證信號(hào)不被干擾，一般采用PTFC，PVC或鎧裝等材質(zhì)電纜，加大了工程設(shè)計(jì)成本；此外，電纜隨工廠過(guò)程信號(hào)（如溫度、壓力、流量和液位等）一起布設(shè)到橋架之中，不便于系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)［1－2］。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（wireless sensor network）是一種全新的網(wǎng)絡(luò)化信息獲取和處理技術(shù)，具有低成本、易擴(kuò)展、維護(hù)簡(jiǎn)單、節(jié)點(diǎn)可配置等優(yōu)點(diǎn)。它不僅可完成傳統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)裙δ?，而且無(wú)需布線，可大幅節(jié)約成本，自組織形成多跳網(wǎng)絡(luò)，非常適用于布線困難的環(huán)境。2011年，加拿大皇后大學(xué)的TRLab實(shí)驗(yàn)室成功地將WSN技術(shù)應(yīng)用到油砂的開(kāi)采過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)操作員使用的振動(dòng)屏幕的運(yùn)行狀況，解決了有線網(wǎng)絡(luò)在惡劣的應(yīng)用環(huán)境下難以維持監(jiān)測(cè)完整性的問(wèn)題［3］。加州大學(xué)伯克利分校在2006年將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于1.22 km長(zhǎng)的美國(guó)金門大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中［4］。在技術(shù)應(yīng)用層面，由于礦難對(duì)國(guó)家及人民造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損害，目前國(guó)內(nèi)多將WSN應(yīng)用于煤礦的安全監(jiān)測(cè)中［5－6］。因此，針對(duì)大型化工廠的安全問(wèn)題，提出一種采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行可燃/有毒氣體監(jiān)控的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將各工序檢測(cè)的可燃/有毒氣體濃度信息發(fā)送至中心控制室的DCS中，供操作員查看與分析。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

化工廠一般由多個(gè)裝置組成，如空氣分離、煤氣化、酸性氣體脫除、硫回收、污水處理、火炬系統(tǒng)等，每個(gè)裝置又由一個(gè)或多個(gè)工序組成。根據(jù)國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)要求，除水處理外的大部分裝置或工序都會(huì)涉及到可燃/有毒氣體檢測(cè)器的設(shè)計(jì)，因而該系統(tǒng)采用分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方式。將無(wú)線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)分為簇頭節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)需要進(jìn)行可燃/有毒氣體檢測(cè)的裝置或工序中包含一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和多個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過(guò)可燃/有毒氣檢測(cè)變送器實(shí)時(shí)檢測(cè)所檢測(cè)氣體的濃度，并將其通過(guò)無(wú)線射頻模塊發(fā)送給自己的簇頭節(jié)點(diǎn)；簇頭節(jié)點(diǎn)采集其所有簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息，并通過(guò)多跳發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)位于工廠的中心控制室內(nèi)，采集所有裝置或工序的可燃/有毒氣體濃度，并通過(guò)TCP/IP與工廠DCS互聯(lián)，最終將采集的信息發(fā)送至DCS中進(jìn)行顯示、控制或報(bào)警。系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)示意

考慮到大型化工廠具有多個(gè)裝置和工序，可燃/有毒氣體檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)較多，該系統(tǒng)采用開(kāi)放的ZigBee協(xié)議組建樹(shù)形傳感器網(wǎng)絡(luò)［7］。ZigBee提供非?？煽康逆溌穫鬏?，廣泛應(yīng)用于軍事國(guó)防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等重要領(lǐng)域［8］，其物理層和MAC層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，樹(shù)形網(wǎng)采用分層路由結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)每個(gè)工序設(shè)置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)（簇頭節(jié)點(diǎn)），工序內(nèi)的可燃/有毒氣體檢測(cè)節(jié)點(diǎn)（簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)）將采集的氣體濃度實(shí)時(shí)發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，經(jīng)過(guò)多跳傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)，并最終接入到工廠DCS中。

2 硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、簇頭路由節(jié)點(diǎn)和信息匯聚節(jié)點(diǎn)組成樹(shù)狀無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。三種節(jié)點(diǎn)在TI公司的CC2430芯片（CC2430內(nèi)部含有1個(gè)8051內(nèi)核的微控制器和1個(gè)2.4 GHz的射頻收發(fā)器）基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件組態(tài)，其硬件邏輯如圖2所示。路由節(jié)點(diǎn)只接收檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并完成多跳轉(zhuǎn)發(fā)，其由CC2430和電源管理兩個(gè)模塊組成。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)一方面要檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的可燃/有毒氣體濃度，另一方面當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)能提供現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警措施，因而需配備相應(yīng)的傳感元件及變送器模塊和聲光報(bào)警模塊。由于變送器輸出為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20 m A（或1～5 V）模擬信號(hào)或RS-485數(shù)字通信信號(hào)，而聲光報(bào)警模塊的輸入為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，則CC2430需開(kāi)通A/D轉(zhuǎn)換、UART串行通信和并行I/O等接口。匯聚節(jié)點(diǎn)需通過(guò)以太網(wǎng)將收集的信息接入工廠DCS中，因而其額外配備1個(gè)以太網(wǎng)接口模塊，本文匯聚節(jié)點(diǎn)以太網(wǎng)接口選用WIZnet公司的W5100模塊。

圖2 硬件邏輯結(jié)構(gòu)示意

在電源管理方面，考慮到可燃/有毒氣體監(jiān)測(cè)的重要性及工廠生產(chǎn)過(guò)程的連貫性，節(jié)點(diǎn)采用穩(wěn)壓直流電源供電。工廠為過(guò)程儀表提供了＋24 V穩(wěn)壓電源，該系統(tǒng)采用LM2596，LM1117等穩(wěn)壓芯片得到＋5 V和＋3.3 V電源，為節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各模塊供電。由于工廠的設(shè)計(jì)中已經(jīng)包含了不間斷電源（UPS）供電措施，此處不再考慮應(yīng)對(duì)突然斷電的備選電源方案。

2.1 CC2430射頻模塊

CC2430是一款帶有低功耗射頻收發(fā)模塊的微控制器，采用片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，旁路模塊電流損耗僅為0.3μA。RF模塊遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz ISM波段射頻收發(fā)，且支持硬件CSMA/CA功能。CC2430常用于ZigBee系統(tǒng)、低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中。本文采用CC2430搭建工廠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各類無(wú)線節(jié)點(diǎn)。CC2430單跳通信距離可達(dá)75 m，經(jīng)多跳路由后可將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚節(jié)點(diǎn)，并最終接入工廠DCS中，供操作員或工程師查看與分析。

2.2 數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》，有毒氣體優(yōu)先采用電化學(xué)型傳感器檢測(cè)，可燃?xì)怏w優(yōu)先采用催化燃燒型傳感器檢測(cè)［9］?？紤]到工業(yè)應(yīng)用中的變送器大都支持4～20 m A模擬信號(hào)通信，且目前的智能儀表逐漸支持RS-485和現(xiàn)場(chǎng)總線（如FF總線）等協(xié)議，該設(shè)計(jì)的簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)中，CC2430需提供A/D轉(zhuǎn)換和RS-485兩種接口與可燃/有毒氣體檢測(cè)變送器進(jìn)行通信。A/D轉(zhuǎn)換接口需通過(guò)電流互感器和運(yùn)算放大器等對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后接入CC2430的A/D接口；RS-485接口通過(guò)特定芯片將485電平轉(zhuǎn)換為TTL電平接入CC2430的UART接口，通信協(xié)議采用Modbus。

變送器的檢測(cè)范圍、檢測(cè)精度、響應(yīng)時(shí)間、防護(hù)等級(jí)和防爆類型等技術(shù)參數(shù)需根據(jù)相應(yīng)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選定。一般情況下，為保證系統(tǒng)的可靠高效運(yùn)行，要求檢測(cè)精度不超過(guò)1×10－6，響應(yīng)時(shí)間在30 s以內(nèi)，儀表防護(hù)等級(jí)為IP65，防爆類型為EExd IICT4。

2.3 以太網(wǎng)模塊

為將簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接入工廠DCS，供操作人員查看，匯聚節(jié)點(diǎn)需配置以太網(wǎng)模塊，該設(shè)計(jì)采用W5100芯片完成此功能。W5100是一款采用0.18μm CMOS工藝的多功能網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100 Mbit/s以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)或工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中。其內(nèi)部集成了全硬件的TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層（MAC）和物理層（PHY）。支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE等應(yīng)用協(xié)議，支持4個(gè)獨(dú)立的端口同時(shí)連接。此外，其內(nèi)部還含有作為TX/RX緩存的16 KByte存儲(chǔ)器和SPI總線接口，可方便地與CC2430微控制器進(jìn)行通信。

2.4 聲光報(bào)警模塊

簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換接口或者M(jìn)odbus協(xié)議獲得可燃/有毒氣體變送器的信息后，需進(jìn)行一次閾值處理，當(dāng)檢測(cè)值不在閾值區(qū)間內(nèi)則進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)高報(bào)警或高高報(bào)警，報(bào)警以聲光形式體現(xiàn)。由于微控制器主要處理0～5 V的弱電信號(hào)，大功率的聲光報(bào)警需通過(guò)繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

化工廠無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能具體分為簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、簇頭路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)等的軟件設(shè)計(jì)，不同類型無(wú)線節(jié)點(diǎn)之間的通信采用ZigBee樹(shù)形協(xié)議棧，通信地址包含裝置的工序編碼和檢測(cè)節(jié)點(diǎn)ID（裝置內(nèi)儀表的位號(hào)）等。

3.1 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集變送器的氣體濃度，計(jì)算和分析后發(fā)送給簇頭路由節(jié)點(diǎn)。為保證現(xiàn)場(chǎng)控制室內(nèi)的操作員也能實(shí)時(shí)了解所監(jiān)測(cè)區(qū)域各種氣體的濃度，簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)將采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行就地處理，然后將實(shí)際濃度值發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)。為更好地對(duì)所監(jiān)測(cè)區(qū)域的安全狀況進(jìn)行顯示和預(yù)警，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)將量化后的濃度信息進(jìn)行一次本地閾值比較：當(dāng)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)I/O口發(fā)出控制信號(hào)，觸發(fā)就地聲光報(bào)警系統(tǒng)。考慮到不同工序中不同氣體的報(bào)警閾值不同，中心控制室可通過(guò)MSG＿THR＿SET消息調(diào)整檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的報(bào)警閾值，MSG＿THR＿SET消息由匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出，經(jīng)過(guò)不同工序的路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送至指定的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，其封包格式見(jiàn)表1所列。其中，控制域用于指定消息類型，地址域用于指定消息的目的節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)域用于指定高報(bào)警或低報(bào)警及其對(duì)應(yīng)的報(bào)警閾值。

表1 MSG＿THR＿SET消息幀格式

3.2 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)位于工序內(nèi)部，與該工序中各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組成單跳星形網(wǎng)絡(luò)，與其他工序的簇頭路由節(jié)點(diǎn)組成樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)多跳將信息傳送至中心控制室的匯聚節(jié)點(diǎn)。在工序內(nèi)部，各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)CSMA/CA方式競(jìng)爭(zhēng)信道，將信息發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，然后重新封包發(fā)送出去，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀格式見(jiàn)表2所列。其中，地址域?yàn)橄⑹及l(fā)的源簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)ID，檢測(cè)類型域指定消息所傳遞的氣體類型（一氧化碳、氫氣或甲烷等），氣體濃度值為單精度浮點(diǎn)數(shù)，其編碼方式遵循IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)。

表2 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀格式

考慮到可燃/有毒氣體泄漏造成的巨大人身財(cái)產(chǎn)損失，該設(shè)計(jì)在檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)增加緊急消息優(yōu)先級(jí)機(jī)制。當(dāng)簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行閾值比較，觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警后，即將其數(shù)據(jù)標(biāo)記為緊急消息，在信道競(jìng)爭(zhēng)及路由選擇上始終獲得優(yōu)先處理權(quán)限，最快地將故障發(fā)送至中心控制室，供操作人員進(jìn)行分析和調(diào)度。在故障處理后，才將其數(shù)據(jù)還原為普通消息。

另外，簇頭路由節(jié)點(diǎn)應(yīng)配備自測(cè)試功能，根據(jù)工序規(guī)模和簇的大小設(shè)置一個(gè)時(shí)間周期T，當(dāng)時(shí)間T內(nèi)未收到某簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)消息，或認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，發(fā)送預(yù)警消息至中心控制室，提醒工作人員進(jìn)行查修維護(hù)。簇頭節(jié)點(diǎn)的故障由匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)全網(wǎng)規(guī)模設(shè)置時(shí)間周期進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)位于中心控制室中，一方面接收路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將其通過(guò)以太網(wǎng)接入工廠DCS中；另一方面接收DCS下傳的閾值設(shè)定信息，然后通過(guò)MSG＿THR＿SET消息傳送至對(duì)應(yīng)的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與工廠DCS通信，采用C/S架構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)，DCS為主機(jī)，等待匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)起連接。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)Socket套接字與DCS主機(jī)建立連接并進(jìn)行信息互換，其工作流程如圖3所示。

圖3 匯聚節(jié)點(diǎn)工作流程示意

4 結(jié) 論

針對(duì)大型化工廠的安全問(wèn)題，提出了一種采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行可燃/有毒氣體監(jiān)控的設(shè)計(jì)方案。該方案分工序組成簇，每個(gè)工序設(shè)立一個(gè)簇頭路由節(jié)點(diǎn)和多個(gè)簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。簇內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)A/D接口或Modbus協(xié)議讀取可燃/有毒氣體變送器的氣體濃度，然后通過(guò)無(wú)線射頻發(fā)送至其簇頭節(jié)點(diǎn)；簇頭節(jié)點(diǎn)以多跳形式將收集到的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送至位于中心控制室的匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)TCP/IP將各路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)聯(lián)入到工廠DCS中，供操作員查詢與分析。此外，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性，路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了緊急消息優(yōu)先級(jí)和周期故障檢測(cè)功能，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)還提供了現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警功能，且可通過(guò)中心控制室的DCS設(shè)置相應(yīng)報(bào)警閾值。所設(shè)計(jì)的監(jiān)控方案采用無(wú)線通信技術(shù)，不僅減小了電纜消耗，降低施工成本，而且節(jié)點(diǎn)根據(jù)相對(duì)位置自組織形成多跳傳輸網(wǎng)絡(luò)，利于后期維護(hù)與升級(jí)。

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