基于ZigBee技术的炼化厂高塔监测系统研究

张烜 侯佳俊 金广龙

摘 要：在化工厂、海上平台的生产过程中，反应塔、火炬塔等高塔是重要的生产辅助设施。由于长期暴露在室外，极易受到环境的影响，导致塔体倾斜、不均匀沉降和腐蚀等状态的改变。文章介绍了一种高塔监测系统，该系统采用基于ZigBee技术的高精度倾斜传感器对塔的倾斜角进行监测，并在厂区内组网后通过上位机将数据上传至服务器。方便了使用者对厂区内的高塔的状态信息进行监测，提高了工作效率。

关键词：高塔监测 倾角传感器 ZigBee技术

1.开发高塔状态监测系统的必要性

在化工厂、海上平台的生产过程中，反应塔、火炬塔、高杆防爆灯等高塔是重要的生产辅助设施。由于一些自然环境、工程质量以及人为破坏等原因导致的塔体倾斜、结构损失和结构腐蚀（中海油的终端厂多建在填海造陆形成的陆地上，地质沉降较多，且沿海地区受台风影响频繁），会迫使工厂停产检修，严重情况下会发生生产安全事故，极易造成难以承受的损失。传统的勘测手段受到测量期间天气影响，会造成数据误差；在极端天气情况下无法获取塔体状态信息；当塔体状态发生变化后因勘测周期长、无法及时地发现，当紧急状况发生时无法及时地发出预警信号。因此，需要开发一套高塔状态监测系统以及时准确地掌握高塔的结构状态，以便设施检修人员及时地对可能出现的危险状况作出响应。文章将介绍一种基于ZigBee技术的高塔状态监测系统设计。

2.ZigBee技术

ZigBee的特点是距离短、复杂度低、自组织、功耗低、数据速率低，ZigBee协议自下而上分为物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层、应用层等，物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准。ZigBee技术适合用于多种场景（工厂、智能家居）的远程控制领域，可以外接各种传感器或设备。

与蓝牙技术不同，ZigBee技术是一种短距离、低功耗、廉价的无线通信技术，它是一种低速短距离传输的无线网络协议。传输范围一般在10～100m之间，当传输功率增加时，传输功率也可增加到1～3km。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。在低功耗待机模式下，两个5号干电池可以支持一个节点工作6～24个月，从而解决传感器终端供电问题，减少设备检修人员的工作强度。

3.系统设计方案

本方案设计的监测系统通过ZigBee模块将传感器进行硬件系统集成组网，在项目所在地配备电脑一台并连接协调器模式的ZigBee模块以获取项目所在地ZigBee网络中的传感器数据。该系统将采集服务（软件）部署在项目所在地，并通过Internet网络将数据传输至平台服务器。平台服务器部署在总部，将所有数据与服务集成。此项目希望设计一套传感器与数据无线传输集成的系统平台。针对高塔倾斜状态进行全方位、全天候、全时段的监测。基于物联网技术、数据传输技术（ZigBee）与数据分析，对高塔倾斜角度、倾斜方位、摆动幅度以及风速、风向进行数据采集、存储并通过无线信号将监测数据传输至监控终端，及时提供不间断的监测数据。

3.1 数据采集模块

数据采集选用的倾角传感器采用Modbus-RTU协议，上位机发送命令，作为从机的传感器应答。该传感器的通讯协议是：波特率9600bit/s（默认），RS485通讯串口；帧格式是六个数据位，其中一个是停止位，无校验位；数据格式共6个字节，分别是地址码（0x02）+功能码（0x03）+数据两字节（X轴）+数据两字节（Y轴）。第一个字节为请求访问的传感器的地址码0x02（作为从机的默认地址为02），第二字节为功能码0x03（03为读取寄存器数据）第三、四字节为X轴倾角高位、低位数据，第五、六字节为Y轴倾角高位、低位数据。传感器采用连续采集和连续传输模式，最大输出频率为20Hz。也可以通过协议采用给出指令查询方式进行数据传输与交换。

3.2 数据传输模块

ZigBee模块是数据传输模块，采用的是TI公司进口CC2530芯片。该模块内带功放芯片CC2592，增加无线通讯距离。文章采用的ZigBee模块支持网络路由功能。路由器和协调器承载网络数据路由功能，最多可支持五层多跳组网。用户通过串口指令让模块在协调器、路由器和终端3种类型中任意切换。支持透传、半透传、协议模式，用户可自由切换。通过AT指令和HEX指令两种指令模式对终端传感器实现信息互传。如图1所示为ZigBee模块在监测系统中的角色。

3.3 上位机软件设计

接收数据的服务器端必须和协调器模式下的组网ZigBee模块经串口連接起来才能构成一个完整远程数据传输系统。考虑到用户在现场可能使用多种类型，不同厂家的传感器，这些传感器有着不同的串口协议，这就给系统平台的使用者提出了不小的挑战。随着信息技术的不断发展，为了适应不同串口协议传感器，也方便客户以后拓展更多类型的串口协议传感器，文章设计的数据处理系统采用开放系统结构的客户机/服务器（C/S）网络模式。本系统上位机软件采用微软公司的Visual Studio .Net框架平台、采用C#研发的采集程序。使用者通过上位机软件向已组网的所有终端模块或单个模块发送指令（AT指令/HEX指令）请求访问数据，终端ZigBee模块收到指令后读取采集模块数据并将数据发送回服务器，完成一次数据抓取。

4.结束语

综上所述，文章主要介绍了一种采用ZigBee技术的自组网远程数据传输系统解决方案，可以方便使用者对厂区内的炼化塔、火炬塔等高塔的状态信息进行监测。并且，利用无线数据传输避免了现场布线的麻烦。但是在炼化厂安装传感器必须要考虑到防爆、隔爆的问题，如果在实际应用中，需多加关注。同时，对获取到的高塔状态数据还需要做进一步的数据修正与数据分析，这样才能更加准确地掌握、预测高塔的健康状态，为管理者提供高塔养护的辅助决策。同时该系统平台的搭建为后续的高塔预警系统提供了基础的原始数据，方便以后的历史数据分析。

参考文献：

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