基于ZigBee技術(shù)的煉化廠高塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張烜 侯佳俊 金廣龍

摘 要：在化工廠、海上平臺(tái)的生產(chǎn)過程中，反應(yīng)塔、火炬塔等高塔是重要的生產(chǎn)輔助設(shè)施。由于長期暴露在室外，極易受到環(huán)境的影響，導(dǎo)致塔體傾斜、不均勻沉降和腐蝕等狀態(tài)的改變。文章介紹了一種高塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于ZigBee技術(shù)的高精度傾斜傳感器對(duì)塔的傾斜角進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在廠區(qū)內(nèi)組網(wǎng)后通過上位機(jī)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。方便了使用者對(duì)廠區(qū)內(nèi)的高塔的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：高塔監(jiān)測(cè) 傾角傳感器 ZigBee技術(shù)

1.開發(fā)高塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性

在化工廠、海上平臺(tái)的生產(chǎn)過程中，反應(yīng)塔、火炬塔、高桿防爆燈等高塔是重要的生產(chǎn)輔助設(shè)施。由于一些自然環(huán)境、工程質(zhì)量以及人為破壞等原因?qū)е碌乃w傾斜、結(jié)構(gòu)損失和結(jié)構(gòu)腐蝕（中海油的終端廠多建在填海造陸形成的陸地上，地質(zhì)沉降較多，且沿海地區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響頻繁），會(huì)迫使工廠停產(chǎn)檢修，嚴(yán)重情況下會(huì)發(fā)生生產(chǎn)安全事故，極易造成難以承受的損失。傳統(tǒng)的勘測(cè)手段受到測(cè)量期間天氣影響，會(huì)造成數(shù)據(jù)誤差；在極端天氣情況下無法獲取塔體狀態(tài)信息；當(dāng)塔體狀態(tài)發(fā)生變化后因勘測(cè)周期長、無法及時(shí)地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)緊急狀況發(fā)生時(shí)無法及時(shí)地發(fā)出預(yù)警信號(hào)。因此，需要開發(fā)一套高塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及時(shí)準(zhǔn)確地掌握高塔的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以便設(shè)施檢修人員及時(shí)地對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)狀況作出響應(yīng)。文章將介紹一種基于ZigBee技術(shù)的高塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.ZigBee技術(shù)

ZigBee的特點(diǎn)是距離短、復(fù)雜度低、自組織、功耗低、數(shù)據(jù)速率低，ZigBee協(xié)議自下而上分為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等，物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)適合用于多種場(chǎng)景（工廠、智能家居）的遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以外接各種傳感器或設(shè)備。

與藍(lán)牙技術(shù)不同，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗、廉價(jià)的無線通信技術(shù)，它是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。傳輸范圍一般在10～100m之間，當(dāng)傳輸功率增加時(shí)，傳輸功率也可增加到1～3km。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。在低功耗待機(jī)模式下，兩個(gè)5號(hào)干電池可以支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，從而解決傳感器終端供電問題，減少設(shè)備檢修人員的工作強(qiáng)度。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本方案設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過ZigBee模塊將傳感器進(jìn)行硬件系統(tǒng)集成組網(wǎng)，在項(xiàng)目所在地配備電腦一臺(tái)并連接協(xié)調(diào)器模式的ZigBee模塊以獲取項(xiàng)目所在地ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)將采集服務(wù)（軟件）部署在項(xiàng)目所在地，并通過Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至平臺(tái)服務(wù)器。平臺(tái)服務(wù)器部署在總部，將所有數(shù)據(jù)與服務(wù)集成。此項(xiàng)目希望設(shè)計(jì)一套傳感器與數(shù)據(jù)無線傳輸集成的系統(tǒng)平臺(tái)。針對(duì)高塔傾斜狀態(tài)進(jìn)行全方位、全天候、全時(shí)段的監(jiān)測(cè)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（ZigBee）與數(shù)據(jù)分析，對(duì)高塔傾斜角度、傾斜方位、擺動(dòng)幅度以及風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)并通過無線信號(hào)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控終端，及時(shí)提供不間斷的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集選用的傾角傳感器采用Modbus-RTU協(xié)議，上位機(jī)發(fā)送命令，作為從機(jī)的傳感器應(yīng)答。該傳感器的通訊協(xié)議是：波特率9600bit/s（默認(rèn)），RS485通訊串口；幀格式是六個(gè)數(shù)據(jù)位，其中一個(gè)是停止位，無校驗(yàn)位；數(shù)據(jù)格式共6個(gè)字節(jié)，分別是地址碼（0x02）+功能碼（0x03）+數(shù)據(jù)兩字節(jié)（X軸）+數(shù)據(jù)兩字節(jié)（Y軸）。第一個(gè)字節(jié)為請(qǐng)求訪問的傳感器的地址碼0x02（作為從機(jī)的默認(rèn)地址為02），第二字節(jié)為功能碼0x03（03為讀取寄存器數(shù)據(jù)）第三、四字節(jié)為X軸傾角高位、低位數(shù)據(jù)，第五、六字節(jié)為Y軸傾角高位、低位數(shù)據(jù)。傳感器采用連續(xù)采集和連續(xù)傳輸模式，最大輸出頻率為20Hz。也可以通過協(xié)議采用給出指令查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交換。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

ZigBee模塊是數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用的是TI公司進(jìn)口CC2530芯片。該模塊內(nèi)帶功放芯片CC2592，增加無線通訊距離。文章采用的ZigBee模塊支持網(wǎng)絡(luò)路由功能。路由器和協(xié)調(diào)器承載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由功能，最多可支持五層多跳組網(wǎng)。用戶通過串口指令讓模塊在協(xié)調(diào)器、路由器和終端3種類型中任意切換。支持透傳、半透傳、協(xié)議模式，用戶可自由切換。通過AT指令和HEX指令兩種指令模式對(duì)終端傳感器實(shí)現(xiàn)信息互傳。如圖1所示為ZigBee模塊在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的角色。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

接收數(shù)據(jù)的服務(wù)器端必須和協(xié)調(diào)器模式下的組網(wǎng)ZigBee模塊經(jīng)串口連接起來才能構(gòu)成一個(gè)完整遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。考慮到用戶在現(xiàn)場(chǎng)可能使用多種類型，不同廠家的傳感器，這些傳感器有著不同的串口協(xié)議，這就給系統(tǒng)平臺(tái)的使用者提出了不小的挑戰(zhàn)。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)不同串口協(xié)議傳感器，也方便客戶以后拓展更多類型的串口協(xié)議傳感器，文章設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）網(wǎng)絡(luò)模式。本系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用微軟公司的Visual Studio .Net框架平臺(tái)、采用C#研發(fā)的采集程序。使用者通過上位機(jī)軟件向已組網(wǎng)的所有終端模塊或單個(gè)模塊發(fā)送指令（AT指令/HEX指令）請(qǐng)求訪問數(shù)據(jù)，終端ZigBee模塊收到指令后讀取采集模塊數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送回服務(wù)器，完成一次數(shù)據(jù)抓取。

4.結(jié)束語

綜上所述，文章主要介紹了一種采用ZigBee技術(shù)的自組網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)解決方案，可以方便使用者對(duì)廠區(qū)內(nèi)的煉化塔、火炬塔等高塔的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。并且，利用無線數(shù)據(jù)傳輸避免了現(xiàn)場(chǎng)布線的麻煩。但是在煉化廠安裝傳感器必須要考慮到防爆、隔爆的問題，如果在實(shí)際應(yīng)用中，需多加關(guān)注。同時(shí)，對(duì)獲取到的高塔狀態(tài)數(shù)據(jù)還需要做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)修正與數(shù)據(jù)分析，這樣才能更加準(zhǔn)確地掌握、預(yù)測(cè)高塔的健康狀態(tài)，為管理者提供高塔養(yǎng)護(hù)的輔助決策。同時(shí)該系統(tǒng)平臺(tái)的搭建為后續(xù)的高塔預(yù)警系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)的原始數(shù)據(jù)，方便以后的歷史數(shù)據(jù)分析。

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