錢源來(lái)，沈培璐，李偉杰

（中化興中石油轉(zhuǎn)運(yùn)（舟山）有限公司，浙江 舟山 316000；中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018）

0 引言

儲(chǔ)罐火災(zāi)報(bào)警裝置對(duì)保障大型油庫(kù)安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。根據(jù)《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50074-2014）要求，容量大于或者等于50000m3的外浮頂儲(chǔ)罐都應(yīng)在儲(chǔ)罐上設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)裝置[1]?，F(xiàn)在，行業(yè)內(nèi)普遍使用光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警裝置，其具有絕緣性強(qiáng)、可靠性好、監(jiān)測(cè)區(qū)域廣、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn),適用于易燃易爆等危險(xiǎn)場(chǎng)所的火災(zāi)報(bào)警[2][3]，但存在設(shè)備成本高、光纖易斷纖、維護(hù)難度大等不足，企業(yè)在實(shí)際應(yīng)用中，存在一定安全隱患，且運(yùn)維成本較高。

針對(duì)光纖光柵測(cè)溫方式的不足，近年來(lái)各類火災(zāi)預(yù)警技術(shù)在石油化工企業(yè)中得到探索，畢曉蕾提出了基于氣壓檢測(cè)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[4]，馮翠翠利用西門子總線構(gòu)建了可燃?xì)怏w傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警[5]，趙樹有開發(fā)了基于CC2530模塊的無(wú)線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)[6]。本文提出一種基于LoRa技術(shù)的無(wú)線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)，探討其在石油儲(chǔ)罐火災(zāi)報(bào)警中的應(yīng)用,通過(guò)搭建預(yù)警平臺(tái)，建立預(yù)測(cè)報(bào)警體系，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，降低經(jīng)濟(jì)損失。

1 系統(tǒng)原理

按照?qǐng)龅厍闆r，石油庫(kù)區(qū)將儲(chǔ)罐劃分為若干罐組，各罐組內(nèi)包含4～8個(gè)儲(chǔ)罐，以中化興中石油轉(zhuǎn)運(yùn)（舟山）有限公司為例，現(xiàn)有35個(gè)50000m3及其以上儲(chǔ)罐，按地理位置劃分為7組罐組。在每個(gè)儲(chǔ)罐罐頂?shù)亩蚊芊馓帲?米安裝一個(gè)無(wú)線測(cè)溫探頭，探頭數(shù)量和儲(chǔ)罐大小相關(guān)，如100000m3的儲(chǔ)罐安裝點(diǎn)位為88個(gè)。同一罐組內(nèi)的無(wú)線測(cè)溫探頭和無(wú)線接收網(wǎng)關(guān)組成一個(gè)星狀子網(wǎng)，無(wú)線接收網(wǎng)關(guān)安裝在離罐組最近的分布式機(jī)房?jī)?nèi)，負(fù)責(zé)接收罐組內(nèi)所有發(fā)射端的溫度監(jiān)控信號(hào)及報(bào)警信號(hào)，經(jīng)光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換后，利用光纖遠(yuǎn)傳到消防中央控制室上位機(jī)，通過(guò)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的記錄、分析、報(bào)警聯(lián)動(dòng)等功能，無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)原理如圖1所示。

無(wú)線發(fā)送是無(wú)線測(cè)溫探頭能耗最大的環(huán)節(jié)，而且外浮頂儲(chǔ)罐存在浮盤沉底、信號(hào)被罐壁遮擋等現(xiàn)象，因此系統(tǒng)采用LoRa技術(shù)作為無(wú)線傳輸方式。LoRa是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案,可以實(shí)現(xiàn)1GHz以下的超長(zhǎng)距離低功耗數(shù)據(jù)傳輸[7]，運(yùn)行在433/868MHz等全球免費(fèi)無(wú)線電頻段，接收靈敏度高,抗干擾和穿透能力強(qiáng)，具有通信距離遠(yuǎn)、低功耗、低成本、低速率、網(wǎng)絡(luò)容量大、組網(wǎng)靈活、通信可靠等特點(diǎn)，適用于低成本、大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署[8]。LoRa的技術(shù)特點(diǎn)非常適合儲(chǔ)罐罐頂無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)高密度、低功率、長(zhǎng)期監(jiān)控等需求。另外低頻段無(wú)線電穿透性、遠(yuǎn)傳性較佳，可以解決外浮頂儲(chǔ)罐浮盤沉底后信號(hào)穩(wěn)定傳輸?shù)碾y題。

圖1 無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)原理圖

2 無(wú)線測(cè)溫探頭

無(wú)線測(cè)溫探頭采用電池供電，依據(jù)ExiaⅡBT4 Ga本安型防爆設(shè)計(jì)，對(duì)低功耗要求較高。探頭由溫度采集模塊、微控制器、供電模塊、無(wú)線發(fā)送模塊等組成，如圖2所示。微控制器采用LPC824單片機(jī)，屬于ARM@CortexTM M0+內(nèi)核的32位低功耗MCU，主頻率30MHz；溫度采集采用PT1000熱電阻，量程范圍-20℃～150℃，經(jīng)過(guò)橋電路后接入單片機(jī)AD口進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，橋電路供電狀態(tài)由單片機(jī)GPIO口控制，確保單片機(jī)休眠時(shí)不耗電；單片機(jī)利用SPI接口與LoRa無(wú)線發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，LoRa無(wú)線發(fā)送模塊采用433MHz頻段發(fā)送至遠(yuǎn)端的罐組雙LoRa網(wǎng)關(guān)，無(wú)遮擋視距可達(dá)2km，最大發(fā)送功率可達(dá)100mW，通過(guò)綜合罐壁高度、網(wǎng)關(guān)距離等因素的影響，調(diào)節(jié)各模塊的實(shí)際發(fā)送功率，從而減少能量消耗；供電模塊采用3000mAh鋰電池。經(jīng)計(jì)算，通過(guò)采取低功耗休眠、間隔喚醒采樣、無(wú)異常定時(shí)報(bào)警的工作模式，探頭設(shè)計(jì)平均總功耗為56.2μA/s，理論上可使用5年，基于電池?fù)p耗等因素考慮，使用年限定為2年。

無(wú)線測(cè)溫探頭安裝在儲(chǔ)罐二次密封處，屬于0區(qū)[9]，儲(chǔ)罐的油氣聚集在一、二次密封之間，當(dāng)儲(chǔ)罐遭遇雷擊，二次密封圈處出現(xiàn)火情時(shí)，會(huì)造成二次密封周邊擋板溫度瞬間升高，安裝在二次密封處的溫度探頭即能立刻探測(cè)出溫度數(shù)值，并在預(yù)警監(jiān)控平臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示，因此在此安裝火災(zāi)報(bào)警器具有重要意義。探頭經(jīng)測(cè)試，溫度偏差在±0.5℃以內(nèi)，重復(fù)性小于0.1℃。無(wú)線測(cè)溫探頭的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 無(wú)線測(cè)溫探頭設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 無(wú)線測(cè)溫探頭原理圖

3 罐組雙LoRa網(wǎng)關(guān)

如圖3所示，無(wú)線測(cè)溫罐組雙LoRa網(wǎng)關(guān)電路以LPC824單片機(jī)和型號(hào)為RA-02的LoRa無(wú)線模塊為核心。RA-02模塊內(nèi)置射頻芯片SX1278實(shí)現(xiàn)基于LoRa的遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器功能，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與測(cè)溫探頭之間的無(wú)線通訊。兩塊LoRa模塊在硬件上被設(shè)置在兩個(gè)不同頻段，在功能上可以根據(jù)實(shí)際需要分別加以設(shè)定，如LoRa1和LoRa2分別接收不同的測(cè)溫模塊數(shù)據(jù)，或者LoRa1作為常規(guī)數(shù)據(jù)通道，LoRa2作為報(bào)警信息通道，接收模塊帶有小型可視化液晶顯示屏和蜂鳴報(bào)警器。供電方式為外接電源供電或者USB供電。罐組雙LoRa網(wǎng)關(guān)自帶有RS485接口，可通過(guò)光端機(jī)、光纖等設(shè)備上傳數(shù)據(jù)到上位機(jī)預(yù)警監(jiān)控平臺(tái)。

4 預(yù)警監(jiān)控平臺(tái)

預(yù)警監(jiān)控平臺(tái)運(yùn)行于Windows 2008操作系統(tǒng)，內(nèi)置SQL Servers2012數(shù)據(jù)庫(kù)，界面程序采用Visual C#2008語(yǔ)言開發(fā)，利用Winsock技術(shù)接收來(lái)自以太網(wǎng)的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史查詢等功能。

預(yù)警監(jiān)控平臺(tái)包含實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列表、單點(diǎn)變化趨勢(shì)、單罐混場(chǎng)分布、報(bào)警信息分析等功能界面，如圖4所示。平臺(tái)可記錄所有點(diǎn)位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，展示無(wú)線測(cè)溫?cái)?shù)值、顯示所在的對(duì)應(yīng)區(qū)域，顯示電池電量，記錄時(shí)間、維修替換記錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單罐溫度場(chǎng)變化差異的分析，以及單罐溫度歷史曲線的對(duì)比、溫度預(yù)警等功能。每個(gè)無(wú)線測(cè)溫探頭都有其對(duì)應(yīng)的唯一編碼，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)通訊或電量等故障時(shí)，可直接找到對(duì)應(yīng)設(shè)備進(jìn)行替換，極大降低了使用方的維護(hù)成本。相關(guān)數(shù)據(jù)列表及數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析部分界面如圖5和圖6所示。

此外，預(yù)警監(jiān)控平臺(tái)與庫(kù)區(qū)消防SCADA系統(tǒng)對(duì)接，通過(guò)設(shè)置溫度閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)警、溫度報(bào)警、溫度超高報(bào)警等報(bào)警信號(hào)并通過(guò)SCADA系統(tǒng)啟動(dòng)儲(chǔ)罐消防噴淋系統(tǒng)和泡沫滅火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)消防自動(dòng)聯(lián)鎖和快速火災(zāi)撲滅。

圖3 罐組雙LoRa網(wǎng)關(guān)原理框圖

圖4 監(jiān)控軟件功能

圖5 監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)列表

圖6 指定節(jié)點(diǎn)區(qū)間趨勢(shì)顯示

5 系統(tǒng)整體測(cè)試

無(wú)線測(cè)溫探頭已經(jīng)通過(guò)防爆認(rèn)證，防爆等級(jí)ExiaⅡBT3-T4 Ga，并通過(guò)了IP66級(jí)防護(hù)等級(jí)認(rèn)證。系統(tǒng)整體已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行階段，無(wú)線測(cè)溫探頭即使在儲(chǔ)罐沉底的極限信號(hào)測(cè)試中，無(wú)線電信號(hào)也能繞過(guò)近20米的儲(chǔ)罐外壁，送達(dá)罐組接收位置而長(zhǎng)期不丟包，驗(yàn)證了無(wú)線測(cè)溫探頭極強(qiáng)的遠(yuǎn)距離傳輸能力和障礙物繞射能力。另外，將雙LoRa網(wǎng)關(guān)安裝于各個(gè)罐組最近的分布式基站，在確保信號(hào)不丟包的基礎(chǔ)上，可以極大地降低測(cè)溫探頭的發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的性能優(yōu)化。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目開發(fā)的儲(chǔ)罐火災(zāi)報(bào)警無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)充分利用了LoRa低功耗、高穿透性的特點(diǎn)，具有成本低廉、維護(hù)便利、點(diǎn)位代碼唯一、無(wú)需通訊電纜等優(yōu)勢(shì)，可解決當(dāng)下以光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警裝置為主測(cè)溫方式存在的故障率高、成本高等諸多不足。通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)平臺(tái)具有一定的替代性，在未來(lái)石油倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)中有望進(jìn)行推廣。