炼油厂无线巡检监控系统的研究设计

2019-11-11张家田谭哲宇严正国

云南化工 2019年9期

张家田，谭哲宇，严正国

（西安石油大学电子工程学院光电油气测井与检测重点实验室，陕西西安 710065）

石油化工行业是高温高压、易燃易爆的危险行业，生产工艺复杂、装置大型化[1]。随着社会的进步与数字化在工业领域的发展，对于炼油厂安全生产及日常巡检也提出了更高的要求。随着石油化工企业安全生产越来越规范化，对炼油厂定期进行巡检、维护的要求也越来越高。为使炼油厂巡检工作更加科学化、规范化和制度化，真正达到严密有效控制安全生产的目的，必须要有创新的精神，对现有的工作机制和管理方式进行大胆地改革[2]。依靠科学的方法引入安全可靠的巡检监控系统必不可少，将炼油厂的日常巡检工作建立在有效的监督之下和现代化的平台上，凭借严谨的监督管理方式，才能发挥出最佳效能。炼油厂无线巡检监控系统就是在此基础上设计和实现的。

1 炼油厂巡检现状概述和需求分析

1.1 炼油厂巡检现状概述

炼油厂场地、管道与设备巡检一直以来都是正常工作至关重要的环节，同时也是保障炼油厂生产安全的重要手段。长久以来，炼油厂的巡检工作都是依靠定时人工巡检的方式，按照巡检路线检查设备工作状态和管道运输情况，进行数据的记录和统计。但由于炼油厂生产线涉及多种危险气体，巡检人员难以准确察觉，一旦泄露严重浓度大，容易造成人身伤亡；并且由于巡检人员长期重复性工作，容易受到主观因素影响，使得安全巡检工作质量大打折扣[3]，因此，安全准确巡检成为一个比较突出的问题。

随着数字化在石油领域的逐步深入，石油石化行业信息化与工业自动化模式被广泛接受和应用，无线巡检监控系统也是应运而生。

1.2 炼油厂无线巡检监控需求分析

由于炼油厂的可能存在的易燃易爆等危险性，所以必须通过机器监控代替人工的方式，降低人员的发生意外的可能，此外，机器监控也能够避免因人工出现的疏忽等状况。

所设计的监控系统主要实现以下功能：

1）能够可视化监测炼油厂状况，实时传输高清视频；

2）当出现危险气体、高温和出现明火等情况时能及时发出安全报警；

3）可以灵活操控，具备常规巡检和定点监测的能力。

针对目前的巡检技术以及现状，扬长避短，互相补充，采用定时巡检小车和无线巡检检测系统代替工作人员高度重复性巡检工作，为炼油厂安全高质量巡检工作提供一种新的途径。

2 炼油厂无线巡检系统的设计与实现

2.1 无线巡检监控系统设计

根据炼油厂无线巡检监控的需求，设计无线巡检监控系统，主要包括上位机和下位机。上位机实现实时显示和监控，包括视频实时显示界面、无线数据接收模块和数据实时监测界面。下位机携带传感器实现定时巡检数据采集，包括系统承载小车、多种类型传感器、无线数据发送模块以及实时视频采集摄像头。

监控系统上位机和下位机的原理框图如图1、图2 所示。

图1 系统上位机功能框图

图2 系统下位机功能框图

无线巡检监控系统具有定时监测、实时可控及安全可靠等特点，对优化巡检工作具有重要意义。采用定时巡检小车和无线巡检检测系统代替工作人员高度重复性巡检工作，可以准确地记录巡检时间、次数、实时数据及线路，且具有使用灵活、操作简单和针对性强的特性，对于炼油厂监督、规范和提高巡检工作极具借鉴价值。同时，炼油厂无线巡检系统依靠无线信号传输，实现数据共享，具有广阔的应用前景和发展空间，是对炼油厂石油生产装置巡检工作的科学实现和有效载体。

无线巡检监控系统各模块的功能：

1）动力小车。功能为承载各种传感器，根据炼油厂情况可以进行定时巡检和机动巡检[4]。定期检查即按照巡检计划路线进行自动巡检，可以通过寻迹模块识别运行轨道来实现炼油厂指定路径的自动巡检。机动巡检，即通过远程电脑遥控实现手动巡检，通过遥控对指定目标进行精确观测。

2）检测传感部分。动力小车携带一氧化碳、硫化氢、液化气、温湿度等传感器，以及MCU、数据传输模块和视频采集摄像头，将炼油厂内的危险气体的指标和其余险情发生的状况实时发送至上位机进行险情监控和数据的保存。

3）远程监测显示部分。由数据监测、小车控制和视频显示三部分组成，数据监测界面用来接收、显示传感器传回的数据并保存，当传感器检测的浓度超过既定值时报警，控制界面用来控制小车对某些疑似位置进行手动监测，通过实时视频显示，远程手动控制监测。

2.2 无线巡检监控系统实现

为了实现具体的设计，系统在启动后，车载传感器采集温度、湿度、硫化氢、烟雾等现场数据，摄像头采集现场图像信息，数据都传输到嵌入式处理器，嵌入式处理器把数据处理后，使用无线监控传输模块通过串口传递传感器数据，通过局域网传递视频数据，局域网内的PC 端和手机均可接收视频图像实时观测。操作人员根据传回的数据进行远程控制，控制指令传回到小车后，小车的嵌入式控制器根据指令通过执行元件进行相应的操作。

系统采用的主控芯片STM32F103C8T6，它为实现MCU 的需求提供了低成本的平台、缩减的引脚数目和较低的系统功耗，同时提供了卓越的计算性能和先进的中断系统响应[5]。

无线模块采用Si4432 无线收发模块，它是一种集成度高、多频段、低功耗的无线收发芯片[6]，具备远距离无线传输的功能。无线模块和PC 之间通过串口传输，通过指定的数据结构传输，其传输默认的波特率是9600bps。通过串口接收的数据在PC 端通过软件进行解码，达到获得传感器信息的目的。

对于气体报警传感器，巡检小车搭载常规的可燃性气体传感器包含MQ-2 天然气检测传感器、MQ-5 可燃气体检测传感器、MQ-7 一氧化碳检测传感器、MQ-136 硫化氢检测传感器，搭载的传感器对危险气体敏感度高，只需要简单的驱动电路就可以实现功能。几种气体传感器能检测的气体覆盖了炼油厂危险气体的种类范围，满足了炼油厂监控的需求。

车载传感器的数据经过编码之后传输到上位机，并完成解码处理后，通过图形界面显示相关信息。

无线巡检监控系统的工作流程图如图3 所示。

当传感器采集的数据传输至上位机，可以通过软件无线数据监测界面实现实时监测和检测小车的控制。通过软件设计和实现，能够达到上位机数据、报警及时提示、动力小车控制等主要功能，监控系统的信息接收保存和控制界面如图4所示。