油气回收在线监控系统的加油站组网研究

刘江涛， 顾 坚， 杨 焕， 王宝超， 管 鑫， 南光熙

（中机生产力促进中心， 北京 100044）

0 引言

为贯彻环境保护法、大气污染防治法，控制加油站油气污染物排放， 对加油站起到监管作用的油气回收在线监控系统，开始在全国范围内推广实施。从2017 年开始，北京分两批完成全市主要加油站在线监控系统的安装工作；2018 年，生态环境部发布《加油站油气回收在线监控系统技术要求》，要求全国范围内有条件的地区陆续开展加油站在线监控系统设备的安装和实施。随着安装数量、应用区域的日益增多， 在线监控关键技术和关键环节的研究也日益重要。

加油站油气回收在线监控系统 （简称在线监控），主要由传感器、采集控制器、站内监控平台构成。 应用数量最多的气液比采集控制器安装在加油机内， 与传感器连接，采集加油量、回气量和管路压力，计算存储气液比等指标，同时采取有线/无线传输方式，将采集数据、信息，实时上传到站内监控平台； 站内监控平台接收到采集控制器数据后，通过转换、计算、分析油气回收系统的回气量、加油量和管路压力， 实现气液比、 压力等指标的监测功能，同时下发控制指令；采集控制器根据接收到的指令，完成控制功能。 由此可见，有线/无线的组网，对于在线监控必不可少，如同人的神经系统，非常重要。

加油站在线监控的数据传输采取有线和无线两种方式。 其中，有线组网方式比较传统，技术要求较低、应用较广；无线组网方式是新兴的数据传输方式，随着技术的不断发展和进步，在加油站在线监控领域的应用方兴未艾。这两种方式的发展到了什么水平、优缺点是什么？ 如何选择组网方式、哪种方式是发展趋势？ 在本文中将逐步展开分析、一一解答。

1 加油站有线组网方式

有线组网主要是采用RS485 方式。 一般情况下，加油机内会有预留的网络或电缆线，借用其中两条线，实现总线式拓扑结构。 RS485 适用于多点互连，很方便的联通多个加油机、多把加油枪，传输距离在2km 范围，能够满足加油站需要。 在线监控平台、RS485 串口、RS485 集线器、压力浓度采集器置于中控室内， 采集控制器置于加油机内部。 连接方式如图1 所示。

图1 有线组网结构

在线监控的有线组网方式，具有以下优点：①借用预铺设线，节约成本，提高施工效率；②具有很强的抗干扰能力，可靠性高，相较于其他手段，在通讯速率及误码方面都有很强的优势；③在2km 范围都能正常通讯，不用担心各种恶劣天气、变频技术带来的各种干扰问题。

在大多数加油站，有线方式是首选，但对于没有预留线的加油站，施工布线将成为系统实施的最大障碍，再采取有线的组网方式，会出现以下缺点：①加油站需要做防爆处理，在加油站铺设通讯电缆施工比较困难；②加油站对通讯电缆要求较高，电缆要做到耐油、防水，成本较高；③加油站改造施工，对于正常营业的加油站，影响较大，很多加油站是无法接受的。

有线通讯作为传统数据组网方式， 受自己的应用范围和适用条件限制。 加油站机器众多、线缆规格复杂，各种设备所需的布线庞大且繁琐，布线的问题最为头疼，也最为复杂。 能否采用无线的组网方式？ 是业主、设备商和施工单位都在考虑的问题。

2 加油站无线组网方式

无线组网方式是采用无线通讯技术， 完成数据传输功能。 近些年发展最快、应用最广的就是无线通讯技术，即利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通讯方式。在线监控的无线组网方式，理论上适用于多点互连，很方便的联通多个加油机、多把加油枪，传输距离在500m 范围，也能够满足需要。 连接方式如图2 所示。

图2 无线组网结构

在线监控的无线连接方式， 有效解决了布线困难问题。 无线通讯脱离了有线的桎梏，具有灵活的空中连接，设备可随时移动，有着有线组网无法比拟的优势。 然而，在具有防爆等级要求的环境中实现无线组网方式， 并非没有技术门槛。

3 无线组网方式的技术比较与实现方案

现阶段， 无线方式的实现方案常涉及GPRS、433MHz、WiFi、ZigBee 等模式。 其中GPRS DTU 是一种物联网数据终端， 利用公用运营商网络为用户传输长距离数据传输，同时提供RS232 和RS485 接口，可直接连接串口设备，实现数据透明传输功能。但使用GPRS DTU 会遇到很多问题，其中最多的就是GPRS DTU 运行不稳定，造成数据丢失，不适合用于站内在线监控系统；其次，WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PAD、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。 一般而言，无障碍的话，隔10～15m 左右都可以收到信号， 隔墙的话5m 左右可以接到信号， 在传输距离方面不适用于加油站； 剩余的433MHz、ZigBee 两种方式可以重点考虑。

ZigBee 是一种基于标准的远程监控和传感器网络应用技术。 常见的ZigBee 模块都是遵循IEEE802.15.4 的国际标准，并且运行在2.4GHz 的频段上，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输，传输距离在几十米到两三百米，受环境影响很大。 理论上根据现场应用环境，受到加油机与加油站距离远近、监控电脑放置位置、 传输空间是否隔墙以及加油机屏蔽信号的强弱等因素影响， 有些加油站无法完成数据的稳定传输，ZigBee 不能完全适用加油站无线组网。

433MHz 无线收发模组，采用高频射频技术，因此也叫RF433 射频小模块。其由全数字科技生产的单IC 射频前端与单片机组成， 可高速传输数据信号的微型收发信机，对无线传输的数据进行打包、检错、纠错处理。元器件都采用工业级标准，工作稳定可靠，体积小便于安装。 主要技术指标。

通讯方式：调幅AM

工作频率：433MHz

频率稳定度：±75KHZ

发射功率：≤500mW

静态电流：≤0.1uA

发射电流：＜35mA

工作电压：3.6～5.5V

调制方式：FSK

工作信道：32 个频段选择

传输距离：小功率500m，大功率800m

采用433MHz 无线收发模块组网方式比较灵活、方便。 置于中控室的在线监控平台电脑通过USB 口或串口连接433MHz 无线收发模块， 置于加油机内部的采集器控制器通过其主板与433MHz 无线收发模块连接， 即可实现数据的上传和下发功能。 无线组网方式需要按照一定的规则部署，可以把监控平台看做上位机，加油机内部安装的数量不限的采集控制器，看做是下位机，一个上位机与众多下位机处于同一信息通道，任何一点的无线收发模块在发送数据时，其他点的无线收发模块都能够同时收到数据，因此，需要建立数据收发机制，保证同一时刻只有一个无线收发模块发送数据，其他模块需要建立辨识机制，确定自身是否为目标接收者，同时不能因为网络通道的往来数据干扰正常工作。 为此，建立无线在线监控数据传输软件流程图如图3 所示。

图3 无线在线监控数据传输软件流程图

4 结论

现阶段， 加油站有线和无线两种组网方式并存。 其中，有线组网方式比较传统，技术相对成熟，应用较广；但随着无线技术的不断发展和进步，尤其是无线加油机的出现，无线组网方式的应用成了必然结果。 433MHz 射频技术已经在加油站在线监控中成功应用，其稳定性、可靠性以及在防爆安全方面得到3 年以上的现场考验，今后将成为加油站无线组网的趋势选择之一。