油氣回收在線監(jiān)控系統(tǒng)的加油站組網(wǎng)研究

劉江濤， 顧 堅(jiān)， 楊 煥， 王寶超， 管 鑫， 南光熙

（中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044）

0 引言

為貫徹環(huán)境保護(hù)法、大氣污染防治法，控制加油站油氣污染物排放， 對加油站起到監(jiān)管作用的油氣回收在線監(jiān)控系統(tǒng)，開始在全國范圍內(nèi)推廣實(shí)施。從2017 年開始，北京分兩批完成全市主要加油站在線監(jiān)控系統(tǒng)的安裝工作；2018 年，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《加油站油氣回收在線監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》，要求全國范圍內(nèi)有條件的地區(qū)陸續(xù)開展加油站在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的安裝和實(shí)施。隨著安裝數(shù)量、應(yīng)用區(qū)域的日益增多， 在線監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的研究也日益重要。

加油站油氣回收在線監(jiān)控系統(tǒng) （簡稱在線監(jiān)控），主要由傳感器、采集控制器、站內(nèi)監(jiān)控平臺構(gòu)成。 應(yīng)用數(shù)量最多的氣液比采集控制器安裝在加油機(jī)內(nèi)， 與傳感器連接，采集加油量、回氣量和管路壓力，計(jì)算存儲氣液比等指標(biāo)，同時(shí)采取有線/無線傳輸方式，將采集數(shù)據(jù)、信息，實(shí)時(shí)上傳到站內(nèi)監(jiān)控平臺； 站內(nèi)監(jiān)控平臺接收到采集控制器數(shù)據(jù)后，通過轉(zhuǎn)換、計(jì)算、分析油氣回收系統(tǒng)的回氣量、加油量和管路壓力， 實(shí)現(xiàn)氣液比、 壓力等指標(biāo)的監(jiān)測功能，同時(shí)下發(fā)控制指令；采集控制器根據(jù)接收到的指令，完成控制功能。 由此可見，有線/無線的組網(wǎng)，對于在線監(jiān)控必不可少，如同人的神經(jīng)系統(tǒng)，非常重要。

加油站在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸采取有線和無線兩種方式。 其中，有線組網(wǎng)方式比較傳統(tǒng)，技術(shù)要求較低、應(yīng)用較廣；無線組網(wǎng)方式是新興的數(shù)據(jù)傳輸方式，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在加油站在線監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾。這兩種方式的發(fā)展到了什么水平、優(yōu)缺點(diǎn)是什么？ 如何選擇組網(wǎng)方式、哪種方式是發(fā)展趨勢？ 在本文中將逐步展開分析、一一解答。

1 加油站有線組網(wǎng)方式

有線組網(wǎng)主要是采用RS485 方式。 一般情況下，加油機(jī)內(nèi)會有預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)或電纜線，借用其中兩條線，實(shí)現(xiàn)總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 RS485 適用于多點(diǎn)互連，很方便的聯(lián)通多個(gè)加油機(jī)、多把加油槍，傳輸距離在2km 范圍，能夠滿足加油站需要。 在線監(jiān)控平臺、RS485 串口、RS485 集線器、壓力濃度采集器置于中控室內(nèi)， 采集控制器置于加油機(jī)內(nèi)部。 連接方式如圖1 所示。

圖1 有線組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在線監(jiān)控的有線組網(wǎng)方式，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①借用預(yù)鋪設(shè)線，節(jié)約成本，提高施工效率；②具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可靠性高，相較于其他手段，在通訊速率及誤碼方面都有很強(qiáng)的優(yōu)勢；③在2km 范圍都能正常通訊，不用擔(dān)心各種惡劣天氣、變頻技術(shù)帶來的各種干擾問題。

在大多數(shù)加油站，有線方式是首選，但對于沒有預(yù)留線的加油站，施工布線將成為系統(tǒng)實(shí)施的最大障礙，再采取有線的組網(wǎng)方式，會出現(xiàn)以下缺點(diǎn)：①加油站需要做防爆處理，在加油站鋪設(shè)通訊電纜施工比較困難；②加油站對通訊電纜要求較高，電纜要做到耐油、防水，成本較高；③加油站改造施工，對于正常營業(yè)的加油站，影響較大，很多加油站是無法接受的。

有線通訊作為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)組網(wǎng)方式， 受自己的應(yīng)用范圍和適用條件限制。 加油站機(jī)器眾多、線纜規(guī)格復(fù)雜，各種設(shè)備所需的布線龐大且繁瑣，布線的問題最為頭疼，也最為復(fù)雜。 能否采用無線的組網(wǎng)方式？ 是業(yè)主、設(shè)備商和施工單位都在考慮的問題。

2 加油站無線組網(wǎng)方式

無線組網(wǎng)方式是采用無線通訊技術(shù)， 完成數(shù)據(jù)傳輸功能。 近些年發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無線通訊技術(shù)，即利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通訊方式。在線監(jiān)控的無線組網(wǎng)方式，理論上適用于多點(diǎn)互連，很方便的聯(lián)通多個(gè)加油機(jī)、多把加油槍，傳輸距離在500m 范圍，也能夠滿足需要。 連接方式如圖2 所示。

圖2 無線組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在線監(jiān)控的無線連接方式， 有效解決了布線困難問題。 無線通訊脫離了有線的桎梏，具有靈活的空中連接，設(shè)備可隨時(shí)移動，有著有線組網(wǎng)無法比擬的優(yōu)勢。 然而，在具有防爆等級要求的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)方式， 并非沒有技術(shù)門檻。

3 無線組網(wǎng)方式的技術(shù)比較與實(shí)現(xiàn)方案

現(xiàn)階段， 無線方式的實(shí)現(xiàn)方案常涉及GPRS、433MHz、WiFi、ZigBee 等模式。 其中GPRS DTU 是一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端， 利用公用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)為用戶傳輸長距離數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)提供RS232 和RS485 接口，可直接連接串口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。但使用GPRS DTU 會遇到很多問題，其中最多的就是GPRS DTU 運(yùn)行不穩(wěn)定，造成數(shù)據(jù)丟失，不適合用于站內(nèi)在線監(jiān)控系統(tǒng)；其次，WiFi是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如PAD、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。 一般而言，無障礙的話，隔10～15m 左右都可以收到信號， 隔墻的話5m 左右可以接到信號， 在傳輸距離方面不適用于加油站； 剩余的433MHz、ZigBee 兩種方式可以重點(diǎn)考慮。

ZigBee 是一種基于標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)。 常見的ZigBee 模塊都是遵循IEEE802.15.4 的國際標(biāo)準(zhǔn)，并且運(yùn)行在2.4GHz 的頻段上，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離在幾十米到兩三百米，受環(huán)境影響很大。 理論上根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境，受到加油機(jī)與加油站距離遠(yuǎn)近、監(jiān)控電腦放置位置、 傳輸空間是否隔墻以及加油機(jī)屏蔽信號的強(qiáng)弱等因素影響， 有些加油站無法完成數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，ZigBee 不能完全適用加油站無線組網(wǎng)。

433MHz 無線收發(fā)模組，采用高頻射頻技術(shù)，因此也叫RF433 射頻小模塊。其由全數(shù)字科技生產(chǎn)的單IC 射頻前端與單片機(jī)組成， 可高速傳輸數(shù)據(jù)信號的微型收發(fā)信機(jī)，對無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行打包、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)處理。元器件都采用工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，工作穩(wěn)定可靠，體積小便于安裝。 主要技術(shù)指標(biāo)。

通訊方式：調(diào)幅AM

工作頻率：433MHz

頻率穩(wěn)定度：±75KHZ

發(fā)射功率：≤500mW

靜態(tài)電流：≤0.1uA

發(fā)射電流：＜35mA

工作電壓：3.6～5.5V

調(diào)制方式：FSK

工作信道：32 個(gè)頻段選擇

傳輸距離：小功率500m，大功率800m

采用433MHz 無線收發(fā)模塊組網(wǎng)方式比較靈活、方便。 置于中控室的在線監(jiān)控平臺電腦通過USB 口或串口連接433MHz 無線收發(fā)模塊， 置于加油機(jī)內(nèi)部的采集器控制器通過其主板與433MHz 無線收發(fā)模塊連接， 即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)功能。 無線組網(wǎng)方式需要按照一定的規(guī)則部署，可以把監(jiān)控平臺看做上位機(jī)，加油機(jī)內(nèi)部安裝的數(shù)量不限的采集控制器，看做是下位機(jī)，一個(gè)上位機(jī)與眾多下位機(jī)處于同一信息通道，任何一點(diǎn)的無線收發(fā)模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其他點(diǎn)的無線收發(fā)模塊都能夠同時(shí)收到數(shù)據(jù)，因此，需要建立數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)制，保證同一時(shí)刻只有一個(gè)無線收發(fā)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，其他模塊需要建立辨識機(jī)制，確定自身是否為目標(biāo)接收者，同時(shí)不能因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通道的往來數(shù)據(jù)干擾正常工作。 為此，建立無線在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 無線在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸軟件流程圖

4 結(jié)論

現(xiàn)階段， 加油站有線和無線兩種組網(wǎng)方式并存。 其中，有線組網(wǎng)方式比較傳統(tǒng)，技術(shù)相對成熟，應(yīng)用較廣；但隨著無線技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，尤其是無線加油機(jī)的出現(xiàn)，無線組網(wǎng)方式的應(yīng)用成了必然結(jié)果。 433MHz 射頻技術(shù)已經(jīng)在加油站在線監(jiān)控中成功應(yīng)用，其穩(wěn)定性、可靠性以及在防爆安全方面得到3 年以上的現(xiàn)場考驗(yàn)，今后將成為加油站無線組網(wǎng)的趨勢選擇之一。