閆震宇 徐 丹

〔1 森諾科技有限公司 山東東營(yíng) 257000；2 中國(guó)石化勝利油田分公司 山東東營(yíng) 257000〕

石油儲(chǔ)備工藝流程復(fù)雜，布局緊密，其易燃易爆的特性使其儲(chǔ)備的安全性要求極高，稍有不慎就會(huì)造成重大事故。一個(gè)穩(wěn)定的監(jiān)控系統(tǒng)是油庫(kù)安全管理不可缺失的一環(huán)。

現(xiàn)有儲(chǔ)油自動(dòng)感知系統(tǒng)可采用HIMS混合法獲取油罐數(shù)據(jù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)或ZigBee技術(shù)上傳。但現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，各網(wǎng)絡(luò)間還存在兼容性問(wèn)題，如Siemens的ProfiBus，RoberBosch的CAN等[1]。ZigBee技術(shù)也因其通信頻率高、信號(hào)衰減快存在單跳傳輸距離短，多跳組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷[2]。

LoRa(Long Range，超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù))是LPWA(Low Power Wide Area，低功耗廣域)技術(shù)的代表，具有遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性[3]。本文將LoRa技術(shù)應(yīng)用于油庫(kù)儲(chǔ)油自動(dòng)感知系統(tǒng)，為油庫(kù)無(wú)線(xiàn)應(yīng)用提供新的選擇。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

油庫(kù)儲(chǔ)油自動(dòng)感知系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信的總體架構(gòu)由終端(測(cè)量?jī)x表，內(nèi)置或外接LoRa模塊)、LoRaWan網(wǎng)關(guān)(或基站)、PLC可編程邏輯控制器和操作站4部分組成，如圖1所示。終端采用星型組網(wǎng)方式采集現(xiàn)場(chǎng)液位、溫度和壓力數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)通過(guò)LoRa網(wǎng)絡(luò)與各終端儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，同時(shí)實(shí)現(xiàn)LoRaWan與串口、TCP/IP協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，將收到的數(shù)據(jù)上傳至PLC。PLC可編程控制器利用其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制等指令，執(zhí)行泵閥控制動(dòng)作。操作站利用組態(tài)軟件具有數(shù)據(jù)計(jì)算、系統(tǒng)報(bào)警等功能。由于測(cè)量?jī)x表僅能獲取液位、溫度和壓力數(shù)據(jù)，需通過(guò)罐容計(jì)算、視標(biāo)準(zhǔn)密度轉(zhuǎn)換、溫度及壓力修正等算法獲取油品的容積、質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)[4]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油庫(kù)儲(chǔ)油自動(dòng)感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括終端設(shè)備、LoRa網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 終端設(shè)備

混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)(HTMS)可實(shí)現(xiàn)油品液位、溫度、密度、體積和質(zhì)量等所有靜態(tài)計(jì)量參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量和計(jì)算，一般設(shè)置為高精確度液位變送器(罐頂安裝)、高精確度壓力變送器(罐底安裝)、單點(diǎn)或多點(diǎn)平均溫度計(jì)。其中液位變送器主要選用雷達(dá)液位計(jì)或伺服液位計(jì)[5]。

雷達(dá)液位計(jì)是基于時(shí)域反射原理(TDR)設(shè)計(jì)，其電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，遇被測(cè)介質(zhì)表面反射形成回波并沿相同路徑返回脈沖發(fā)射裝置，經(jīng)計(jì)算后可得出探頭與被測(cè)介質(zhì)表面距離。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，與檢測(cè)介質(zhì)不接觸，安裝方便，但使用較久后油氣揮發(fā)物會(huì)附著在探頭表面，影響測(cè)量精度。

伺服液位計(jì)是基于阿基米德原理設(shè)計(jì)，通過(guò)伺服電機(jī)調(diào)整浮子使其位于液體表面，此時(shí)浮子所受的重力、浮力和拉力平衡。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定、易維護(hù)，但安裝要求高，價(jià)格較貴。

LoRa模塊需選用SEMTECH公司推出的帶擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)的射頻芯片，其傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，且工作在ISM開(kāi)放的頻段，無(wú)需授權(quán)[6]。

終端結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 LoRa網(wǎng)關(guān)

LoRa網(wǎng)關(guān)由單片機(jī)、射頻模塊、以太網(wǎng)適配器或其他接口電路、電源組成，可實(shí)現(xiàn)多通道并行接收，同時(shí)處理多路信號(hào)。單片機(jī)采用SEMTECH公司指定的低功耗STm32L系列芯片，射頻模塊選用SEMTECH公司推出的SX系列射頻芯片。本系統(tǒng)使用RS485接口將數(shù)據(jù)上傳至PLC可編程邏輯控制器中。LoRa網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LoRa網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

終端采集完現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，需與LoRa網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，同時(shí)網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)透?jìng)髦罰LC可編程邏輯控制器。終端與LoRa網(wǎng)關(guān)之間的通信協(xié)議幀格式如表1所示。幀頭、幀尾固定，命令位可區(qū)分終端液位、溫度、壓力類(lèi)型，長(zhǎng)度位表示數(shù)據(jù)位有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，編號(hào)位表示終端的ID。其數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示，USART接收儀表數(shù)據(jù)，LoRa模塊接收網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的廣播數(shù)據(jù)，切換到相同的通信信道，透過(guò)USART2上傳數(shù)據(jù)，收到網(wǎng)關(guān)的ACK確認(rèn)，否則重新發(fā)送。完成后備份數(shù)據(jù)，等待下一次采樣周期[7]。

表1 通信協(xié)議幀格式

圖3 終端與網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸流程

PLC可編程邏輯控制器配置RS485串行通信模塊，按照約定的RS-485串行通信協(xié)議與LoRa網(wǎng)關(guān)通信，PLC向LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送查詢(xún)命令，網(wǎng)關(guān)返回應(yīng)答信息，從而獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)上傳至操作站。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中安全問(wèn)題的逐步重視，監(jiān)控系統(tǒng)在企業(yè)生產(chǎn)生活中發(fā)揮的作用越來(lái)越大。本文針對(duì)油庫(kù)油罐內(nèi)油品的監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了基于LoRa的儲(chǔ)油自動(dòng)感知系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)或ZigBee技術(shù)，具有成本低、傳輸范圍廣、組網(wǎng)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。