煉油廠無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計

張家田，譚哲宇，嚴(yán)正國

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 光電油氣測井與檢測重點實驗室，陜西 西安 710065）

石油化工行業(yè)是高溫高壓、易燃易爆的危險行業(yè)，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、裝置大型化[1]。隨著社會的進(jìn)步與數(shù)字化在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，對于煉油廠安全生產(chǎn)及日常巡檢也提出了更高的要求。隨著石油化工企業(yè)安全生產(chǎn)越來越規(guī)范化，對煉油廠定期進(jìn)行巡檢、維護(hù)的要求也越來越高。為使煉油廠巡檢工作更加科學(xué)化、規(guī)范化和制度化，真正達(dá)到嚴(yán)密有效控制安全生產(chǎn)的目的，必須要有創(chuàng)新的精神，對現(xiàn)有的工作機制和管理方式進(jìn)行大膽地改革[2]。依靠科學(xué)的方法引入安全可靠的巡檢監(jiān)控系統(tǒng)必不可少，將煉油廠的日常巡檢工作建立在有效的監(jiān)督之下和現(xiàn)代化的平臺上，憑借嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋O(jiān)督管理方式，才能發(fā)揮出最佳效能。煉油廠無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)就是在此基礎(chǔ)上設(shè)計和實現(xiàn)的。

1 煉油廠巡檢現(xiàn)狀概述和需求分析

1.1 煉油廠巡檢現(xiàn)狀概述

煉油廠場地、管道與設(shè)備巡檢一直以來都是正常工作至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，同時也是保障煉油廠生產(chǎn)安全的重要手段。長久以來，煉油廠的巡檢工作都是依靠定時人工巡檢的方式，按照巡檢路線檢查設(shè)備工作狀態(tài)和管道運輸情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄和統(tǒng)計。但由于煉油廠生產(chǎn)線涉及多種危險氣體，巡檢人員難以準(zhǔn)確察覺，一旦泄露嚴(yán)重濃度大，容易造成人身傷亡；并且由于巡檢人員長期重復(fù)性工作，容易受到主觀因素影響，使得安全巡檢工作質(zhì)量大打折扣[3]，因此，安全準(zhǔn)確巡檢成為一個比較突出的問題。

隨著數(shù)字化在石油領(lǐng)域的逐步深入，石油石化行業(yè)信息化與工業(yè)自動化模式被廣泛接受和應(yīng)用，無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)也是應(yīng)運而生。

1.2 煉油廠無線巡檢監(jiān)控需求分析

由于煉油廠的可能存在的易燃易爆等危險性，所以必須通過機器監(jiān)控代替人工的方式，降低人員的發(fā)生意外的可能，此外，機器監(jiān)控也能夠避免因人工出現(xiàn)的疏忽等狀況。

所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

1） 能夠可視化監(jiān)測煉油廠狀況，實時傳輸高清視頻；

2） 當(dāng)出現(xiàn)危險氣體、高溫和出現(xiàn)明火等情況時能及時發(fā)出安全報警；

3） 可以靈活操控，具備常規(guī)巡檢和定點監(jiān)測的能力。

針對目前的巡檢技術(shù)以及現(xiàn)狀，揚長避短，互相補充，采用定時巡檢小車和無線巡檢檢測系統(tǒng)代替工作人員高度重復(fù)性巡檢工作，為煉油廠安全高質(zhì)量巡檢工作提供一種新的途徑。

2 煉油廠無線巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)煉油廠無線巡檢監(jiān)控的需求，設(shè)計無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括上位機和下位機。上位機實現(xiàn)實時顯示和監(jiān)控，包括視頻實時顯示界面、無線數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)實時監(jiān)測界面。下位機攜帶傳感器實現(xiàn)定時巡檢數(shù)據(jù)采集，包括系統(tǒng)承載小車、多種類型傳感器、無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及實時視頻采集攝像頭。

監(jiān)控系統(tǒng)上位機和下位機的原理框圖如圖1、圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)上位機功能框圖

圖2 系統(tǒng)下位機功能框圖

無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)具有定時監(jiān)測、實時可控及安全可靠等特點，對優(yōu)化巡檢工作具有重要意義。采用定時巡檢小車和無線巡檢檢測系統(tǒng)代替工作人員高度重復(fù)性巡檢工作，可以準(zhǔn)確地記錄巡檢時間、次數(shù)、實時數(shù)據(jù)及線路，且具有使用靈活、操作簡單和針對性強的特性，對于煉油廠監(jiān)督、規(guī)范和提高巡檢工作極具借鑒價值。同時，煉油廠無線巡檢系統(tǒng)依靠無線信號傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間，是對煉油廠石油生產(chǎn)裝置巡檢工作的科學(xué)實現(xiàn)和有效載體。

無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)各模塊的功能：

1） 動力小車。功能為承載各種傳感器，根據(jù)煉油廠情況可以進(jìn)行定時巡檢和機動巡檢[4]。定期檢查即按照巡檢計劃路線進(jìn)行自動巡檢，可以通過尋跡模塊識別運行軌道來實現(xiàn)煉油廠指定路徑的自動巡檢。機動巡檢，即通過遠(yuǎn)程電腦遙控實現(xiàn)手動巡檢，通過遙控對指定目標(biāo)進(jìn)行精確觀測。

2） 檢測傳感部分。動力小車攜帶一氧化碳、硫化氫、液化氣、溫濕度等傳感器，以及MCU、數(shù)據(jù)傳輸模塊和視頻采集攝像頭，將煉油廠內(nèi)的危險氣體的指標(biāo)和其余險情發(fā)生的狀況實時發(fā)送至上位機進(jìn)行險情監(jiān)控和數(shù)據(jù)的保存。

3） 遠(yuǎn)程監(jiān)測顯示部分。由數(shù)據(jù)監(jiān)測、小車控制和視頻顯示三部分組成，數(shù)據(jù)監(jiān)測界面用來接收、顯示傳感器傳回的數(shù)據(jù)并保存，當(dāng)傳感器檢測的濃度超過既定值時報警，控制界面用來控制小車對某些疑似位置進(jìn)行手動監(jiān)測，通過實時視頻顯示，遠(yuǎn)程手動控制監(jiān)測。

2.2 無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

為了實現(xiàn)具體的設(shè)計，系統(tǒng)在啟動后，車載傳感器采集溫度、濕度、硫化氫、煙霧等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，攝像頭采集現(xiàn)場圖像信息，數(shù)據(jù)都傳輸?shù)角度胧教幚砥?，嵌入式處理器把?shù)據(jù)處理后，使用無線監(jiān)控傳輸模塊通過串口傳遞傳感器數(shù)據(jù)，通過局域網(wǎng)傳遞視頻數(shù)據(jù)，局域網(wǎng)內(nèi)的PC 端和手機均可接收視頻圖像實時觀測。操作人員根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，控制指令傳回到小車后，小車的嵌入式控制器根據(jù)指令通過執(zhí)行元件進(jìn)行相應(yīng)的操作。

系統(tǒng)采用的主控芯片STM32F103C8T6，它為實現(xiàn)MCU 的需求提供了低成本的平臺、縮減的引腳數(shù)目和較低的系統(tǒng)功耗，同時提供了卓越的計算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)[5]。

無線模塊采用Si4432 無線收發(fā)模塊，它是一種集成度高、多頻段、低功耗的無線收發(fā)芯片[6]，具備遠(yuǎn)距離無線傳輸?shù)墓δ?。無線模塊和PC 之間通過串口傳輸，通過指定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳輸，其傳輸默認(rèn)的波特率是9600bps。通過串口接收的數(shù)據(jù)在PC 端通過軟件進(jìn)行解碼，達(dá)到獲得傳感器信息的目的。

對于氣體報警傳感器，巡檢小車搭載常規(guī)的可燃性氣體傳感器包含MQ-2 天然氣檢測傳感器、MQ-5 可燃?xì)怏w檢測傳感器、MQ-7 一氧化碳檢測傳感器、MQ-136 硫化氫檢測傳感器，搭載的傳感器對危險氣體敏感度高，只需要簡單的驅(qū)動電路就可以實現(xiàn)功能。幾種氣體傳感器能檢測的氣體覆蓋了煉油廠危險氣體的種類范圍，滿足了煉油廠監(jiān)控的需求。

車載傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼之后傳輸?shù)缴衔粰C，并完成解碼處理后，通過圖形界面顯示相關(guān)信息。

無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程圖如圖3 所示。

當(dāng)傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機，可以通過軟件無線數(shù)據(jù)監(jiān)測界面實現(xiàn)實時監(jiān)測和檢測小車的控制。通過軟件設(shè)計和實現(xiàn)，能夠達(dá)到上位機數(shù)據(jù)、報警及時提示、動力小車控制等主要功能，監(jiān)控系統(tǒng)的信息接收保存和控制界面如圖4所示。

圖3 煉油廠無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程圖

3 總結(jié)

圖4 無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測控制界面

1） 煉油廠無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)針對煉油廠巡檢現(xiàn)狀，設(shè)計了符合需求的監(jiān)控系統(tǒng)，其高精度傳感器能夠及時傳遞危險信號，進(jìn)行險情預(yù)警，防止易燃易爆氣體的泄露和散溢；

2） 無線監(jiān)控系統(tǒng)傳遞的高清視頻信號可以有效保證人員遠(yuǎn)程監(jiān)測現(xiàn)場狀況，實時監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備情況，避免人員因現(xiàn)場險情發(fā)成出現(xiàn)傷亡；

3） 無線巡檢監(jiān)控系統(tǒng)通過定檢結(jié)合動檢的方式，將常規(guī)監(jiān)測和疑似目標(biāo)重點監(jiān)控檢測相結(jié)合，杜絕煉油廠安全隱患。