基于LoRa技術(shù)的儲罐火災(zāi)報警無線測溫系統(tǒng)

錢源來，沈培璐，李偉杰

（中化興中石油轉(zhuǎn)運（舟山）有限公司，浙江 舟山 316000；中國計量大學，浙江 杭州 310018）

0 引言

儲罐火災(zāi)報警裝置對保障大型油庫安全運營具有重要意義。根據(jù)《石油庫設(shè)計規(guī)范》（GB50074-2014）要求，容量大于或者等于50000m3的外浮頂儲罐都應(yīng)在儲罐上設(shè)置火災(zāi)自動探測裝置[1]?，F(xiàn)在，行業(yè)內(nèi)普遍使用光纖光柵感溫火災(zāi)報警裝置，其具有絕緣性強、可靠性好、監(jiān)測區(qū)域廣、響應(yīng)時間短等特點,適用于易燃易爆等危險場所的火災(zāi)報警[2][3]，但存在設(shè)備成本高、光纖易斷纖、維護難度大等不足，企業(yè)在實際應(yīng)用中，存在一定安全隱患，且運維成本較高。

針對光纖光柵測溫方式的不足，近年來各類火災(zāi)預(yù)警技術(shù)在石油化工企業(yè)中得到探索，畢曉蕾提出了基于氣壓檢測的火災(zāi)報警系統(tǒng)[4]，馮翠翠利用西門子總線構(gòu)建了可燃氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)火災(zāi)報警[5]，趙樹有開發(fā)了基于CC2530模塊的無線測溫網(wǎng)絡(luò)[6]。本文提出一種基于LoRa技術(shù)的無線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)，探討其在石油儲罐火災(zāi)報警中的應(yīng)用,通過搭建預(yù)警平臺，建立預(yù)測報警體系，以及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，降低經(jīng)濟損失。

1 系統(tǒng)原理

按照場地情況，石油庫區(qū)將儲罐劃分為若干罐組，各罐組內(nèi)包含4～8個儲罐，以中化興中石油轉(zhuǎn)運（舟山）有限公司為例，現(xiàn)有35個50000m3及其以上儲罐，按地理位置劃分為7組罐組。在每個儲罐罐頂?shù)亩蚊芊馓?，?米安裝一個無線測溫探頭，探頭數(shù)量和儲罐大小相關(guān)，如100000m3的儲罐安裝點位為88個。同一罐組內(nèi)的無線測溫探頭和無線接收網(wǎng)關(guān)組成一個星狀子網(wǎng)，無線接收網(wǎng)關(guān)安裝在離罐組最近的分布式機房內(nèi)，負責接收罐組內(nèi)所有發(fā)射端的溫度監(jiān)控信號及報警信號，經(jīng)光纖信號轉(zhuǎn)換后，利用光纖遠傳到消防中央控制室上位機，通過軟件平臺，實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的記錄、分析、報警聯(lián)動等功能，無線測溫系統(tǒng)原理如圖1所示。

無線發(fā)送是無線測溫探頭能耗最大的環(huán)節(jié)，而且外浮頂儲罐存在浮盤沉底、信號被罐壁遮擋等現(xiàn)象，因此系統(tǒng)采用LoRa技術(shù)作為無線傳輸方式。LoRa是一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案,可以實現(xiàn)1GHz以下的超長距離低功耗數(shù)據(jù)傳輸[7]，運行在433/868MHz等全球免費無線電頻段，接收靈敏度高,抗干擾和穿透能力強，具有通信距離遠、低功耗、低成本、低速率、網(wǎng)絡(luò)容量大、組網(wǎng)靈活、通信可靠等特點，適用于低成本、大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署[8]。LoRa的技術(shù)特點非常適合儲罐罐頂無線測溫節(jié)點高密度、低功率、長期監(jiān)控等需求。另外低頻段無線電穿透性、遠傳性較佳，可以解決外浮頂儲罐浮盤沉底后信號穩(wěn)定傳輸?shù)碾y題。

圖1 無線測溫系統(tǒng)原理圖

2 無線測溫探頭

無線測溫探頭采用電池供電，依據(jù)ExiaⅡBT4 Ga本安型防爆設(shè)計，對低功耗要求較高。探頭由溫度采集模塊、微控制器、供電模塊、無線發(fā)送模塊等組成，如圖2所示。微控制器采用LPC824單片機，屬于ARM@CortexTM M0+內(nèi)核的32位低功耗MCU，主頻率30MHz；溫度采集采用PT1000熱電阻，量程范圍-20℃～150℃，經(jīng)過橋電路后接入單片機AD口進行數(shù)值轉(zhuǎn)換，橋電路供電狀態(tài)由單片機GPIO口控制，確保單片機休眠時不耗電；單片機利用SPI接口與LoRa無線發(fā)送模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，LoRa無線發(fā)送模塊采用433MHz頻段發(fā)送至遠端的罐組雙LoRa網(wǎng)關(guān)，無遮擋視距可達2km，最大發(fā)送功率可達100mW，通過綜合罐壁高度、網(wǎng)關(guān)距離等因素的影響，調(diào)節(jié)各模塊的實際發(fā)送功率，從而減少能量消耗；供電模塊采用3000mAh鋰電池。經(jīng)計算，通過采取低功耗休眠、間隔喚醒采樣、無異常定時報警的工作模式，探頭設(shè)計平均總功耗為56.2μA/s，理論上可使用5年，基于電池損耗等因素考慮，使用年限定為2年。

無線測溫探頭安裝在儲罐二次密封處，屬于0區(qū)[9]，儲罐的油氣聚集在一、二次密封之間，當儲罐遭遇雷擊，二次密封圈處出現(xiàn)火情時，會造成二次密封周邊擋板溫度瞬間升高，安裝在二次密封處的溫度探頭即能立刻探測出溫度數(shù)值，并在預(yù)警監(jiān)控平臺上實時顯示，因此在此安裝火災(zāi)報警器具有重要意義。探頭經(jīng)測試，溫度偏差在±0.5℃以內(nèi)，重復(fù)性小于0.1℃。無線測溫探頭的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 無線測溫探頭設(shè)計參數(shù)

圖2 無線測溫探頭原理圖

3 罐組雙LoRa網(wǎng)關(guān)

如圖3所示，無線測溫罐組雙LoRa網(wǎng)關(guān)電路以LPC824單片機和型號為RA-02的LoRa無線模塊為核心。RA-02模塊內(nèi)置射頻芯片SX1278實現(xiàn)基于LoRa的遠程調(diào)制解調(diào)器功能，負責實現(xiàn)與測溫探頭之間的無線通訊。兩塊LoRa模塊在硬件上被設(shè)置在兩個不同頻段，在功能上可以根據(jù)實際需要分別加以設(shè)定，如LoRa1和LoRa2分別接收不同的測溫模塊數(shù)據(jù)，或者LoRa1作為常規(guī)數(shù)據(jù)通道，LoRa2作為報警信息通道，接收模塊帶有小型可視化液晶顯示屏和蜂鳴報警器。供電方式為外接電源供電或者USB供電。罐組雙LoRa網(wǎng)關(guān)自帶有RS485接口，可通過光端機、光纖等設(shè)備上傳數(shù)據(jù)到上位機預(yù)警監(jiān)控平臺。

4 預(yù)警監(jiān)控平臺

預(yù)警監(jiān)控平臺運行于Windows 2008操作系統(tǒng)，內(nèi)置SQL Servers2012數(shù)據(jù)庫，界面程序采用Visual C#2008語言開發(fā)，利用Winsock技術(shù)接收來自以太網(wǎng)的溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時采集、動態(tài)監(jiān)控、節(jié)點管理、數(shù)據(jù)存儲、歷史查詢等功能。

預(yù)警監(jiān)控平臺包含實時監(jiān)測列表、單點變化趨勢、單罐混場分布、報警信息分析等功能界面，如圖4所示。平臺可記錄所有點位的實時數(shù)據(jù)，展示無線測溫數(shù)值、顯示所在的對應(yīng)區(qū)域，顯示電池電量，記錄時間、維修替換記錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對單罐溫度場變化差異的分析，以及單罐溫度歷史曲線的對比、溫度預(yù)警等功能。每個無線測溫探頭都有其對應(yīng)的唯一編碼，當設(shè)備出現(xiàn)通訊或電量等故障時，可直接找到對應(yīng)設(shè)備進行替換，極大降低了使用方的維護成本。相關(guān)數(shù)據(jù)列表及數(shù)據(jù)趨勢分析部分界面如圖5和圖6所示。

此外，預(yù)警監(jiān)控平臺與庫區(qū)消防SCADA系統(tǒng)對接，通過設(shè)置溫度閾值來實現(xiàn)溫度預(yù)警、溫度報警、溫度超高報警等報警信號并通過SCADA系統(tǒng)啟動儲罐消防噴淋系統(tǒng)和泡沫滅火系統(tǒng)，實現(xiàn)消防自動聯(lián)鎖和快速火災(zāi)撲滅。

圖3 罐組雙LoRa網(wǎng)關(guān)原理框圖

圖4 監(jiān)控軟件功能

圖5 監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)列表

圖6 指定節(jié)點區(qū)間趨勢顯示

5 系統(tǒng)整體測試

無線測溫探頭已經(jīng)通過防爆認證，防爆等級ExiaⅡBT3-T4 Ga，并通過了IP66級防護等級認證。系統(tǒng)整體已進入實驗運行階段，無線測溫探頭即使在儲罐沉底的極限信號測試中，無線電信號也能繞過近20米的儲罐外壁，送達罐組接收位置而長期不丟包，驗證了無線測溫探頭極強的遠距離傳輸能力和障礙物繞射能力。另外，將雙LoRa網(wǎng)關(guān)安裝于各個罐組最近的分布式基站，在確保信號不丟包的基礎(chǔ)上，可以極大地降低測溫探頭的發(fā)射功率，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的性能優(yōu)化。

6 結(jié)語

本項目開發(fā)的儲罐火災(zāi)報警無線測溫系統(tǒng)充分利用了LoRa低功耗、高穿透性的特點，具有成本低廉、維護便利、點位代碼唯一、無需通訊電纜等優(yōu)勢，可解決當下以光纖光柵感溫火災(zāi)報警裝置為主測溫方式存在的故障率高、成本高等諸多不足。通過不斷的實驗，系統(tǒng)平臺具有一定的替代性，在未來石油倉儲行業(yè)中有望進行推廣。