朱小津，王 云，趙效賠

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津 300457)

0 引言

為提高海上石油平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)電氣房間的管理水平，消除潛在隱患和逐步向智慧型電氣房間的模式轉(zhuǎn)變，某海上平臺(tái)電氣專業(yè)人員通過資料查詢借鑒，針對(duì)石油平臺(tái)電氣房間的特點(diǎn)制定了一套溫濕度及漏水監(jiān)測(cè)結(jié)合的智能監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)電氣房間內(nèi)溫濕度變化情況及房間漏水情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常第一時(shí)間做出報(bào)警提示，并可根據(jù)室內(nèi)實(shí)際情況控制室內(nèi)通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行，以達(dá)到溫濕度監(jiān)控、漏水監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制綜合管理的目的。

海上天氣情況比較復(fù)雜，常伴隨高溫高濕的環(huán)境條件，影響海上平臺(tái)電氣房間設(shè)備的絕緣性能，長(zhǎng)期如此必定會(huì)影響電氣設(shè)備的使用壽命，給安全穩(wěn)定生產(chǎn)帶來不利影響[1]。同時(shí)，由于平臺(tái)上電氣房間內(nèi)空間有限，相關(guān)的高中低壓盤柜擺放密集，上下層甲板間各類管線密集，長(zhǎng)年運(yùn)行后電氣盤柜可能存在變型開裂，房間也存在腐蝕情況，一旦下雨或管線泄漏則電氣房間就可能出現(xiàn)漏水現(xiàn)象[2]，現(xiàn)場(chǎng)也沒有集中的溫濕度及漏水監(jiān)測(cè)的手段。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 實(shí)現(xiàn)方式

①在電氣房間內(nèi)安裝一個(gè)溫濕度和漏水的檢測(cè)控制系統(tǒng)，具有即時(shí)監(jiān)控、事前警告、事中告警、事后管理、集中管理等監(jiān)控管理的功能。

②在房間關(guān)鍵部位配置帶有l(wèi)cd指示電路的溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行監(jiān)控，既可以從溫濕度傳感器表面實(shí)時(shí)查看當(dāng)前的氣溫和濕度數(shù)據(jù)，也可以利用溫濕度傳感器的RS485智能端口與通信協(xié)議采取總線將信息接到監(jiān)測(cè)主機(jī)串口的方式，由監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

③在水滲漏地區(qū)的四周布設(shè)滲漏傳感線，當(dāng)出現(xiàn)滲漏情況時(shí)傳感線將告警信息輸送到地域式滲漏監(jiān)控模組，再經(jīng)過地域式滲漏監(jiān)控模組產(chǎn)生的干接點(diǎn)將告警信息垂直送至監(jiān)測(cè)主機(jī)上的DI口，由監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)滲漏的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

1.2 實(shí)現(xiàn)功能

①實(shí)時(shí)監(jiān)控房間范圍內(nèi)的氣溫和相對(duì)濕度值，并支持與其他子系統(tǒng)的聯(lián)合管理功能，如在氣溫過高時(shí)自動(dòng)聯(lián)合開啟通風(fēng)設(shè)備等。

②控制系統(tǒng)可對(duì)氣溫和相對(duì)濕度參數(shù)設(shè)置越限閥值(包括上下界、恢復(fù)上下界)，如果溫濕度出現(xiàn)越限告警控制系統(tǒng)將進(jìn)行告警，同時(shí)產(chǎn)生告警事件，對(duì)其進(jìn)行記錄存儲(chǔ)并提出相關(guān)處理建議。

③增加了歷史記錄信息，可查看所有告警數(shù)據(jù)信息和具體告警日期的參量值，并可導(dǎo)出為Excel格式，便于管理者更全面掌握室內(nèi)的溫濕度情況。

④系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)房的滲漏狀況，當(dāng)出現(xiàn)滲漏情況時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)告警，同時(shí)對(duì)相關(guān)事件進(jìn)行記錄，第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)。

2 系統(tǒng)的搭建

所用溫濕度模組是一款具有自校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出方式的溫濕度綜合感應(yīng)器。它應(yīng)用專有的數(shù)碼模塊采集工藝技術(shù)和溫濕度傳感器工藝技術(shù)，保證商品擁有極高的可信度與長(zhǎng)久的穩(wěn)定能力。感應(yīng)器包含一組電容式感濕器件和一組精密測(cè)量器件，并與一組高性能8位數(shù)字單片機(jī)相連接，所以該產(chǎn)品具有質(zhì)量?jī)?yōu)異、超快響應(yīng)、抗干擾力量強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。所有感應(yīng)器都在極其精密的溫濕度校測(cè)室中完成校準(zhǔn)，校正系數(shù)以程序的形態(tài)存放在單片機(jī)系統(tǒng)中，傳感器產(chǎn)品內(nèi)部在測(cè)量信息的過程中要調(diào)取這個(gè)校正系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)單總線端口使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整合變得簡(jiǎn)易便捷，超小的容積、極低的功率保證信息傳遞間距可達(dá)20m以上，使其成為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景的最好選項(xiàng)[3]。產(chǎn)品為3引線(單總線端口)，聯(lián)系方便，特殊封裝形式可依據(jù)用戶需求而制定。

所用模組的供電電壓覆蓋范圍為3.5～5.5V，建議供水電壓為5V。數(shù)據(jù)線SDA接口為三態(tài)架構(gòu)，用 來讀取傳感器數(shù)據(jù)信息。引腳分配如圖1所示。

圖1 引腳分配圖Fig.1 Pin assignment diagram

器件使用簡(jiǎn)化的單總線方式通信，單總線只是一 個(gè)數(shù)據(jù)信息線，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息交流、管理均由數(shù)據(jù)信息線實(shí)現(xiàn)。裝置(微處理器)透過某個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，使得裝置在不傳送數(shù)據(jù)信息時(shí)可以產(chǎn)生總線傳輸信號(hào)，讓其他裝置利用總線傳輸信號(hào)；單總線一般需要外接一塊約5.1kΩ的電阻，當(dāng)總線閑置時(shí)其運(yùn)行狀態(tài)為高電平。由于它們是主從結(jié)構(gòu)，只有計(jì)算機(jī)撥打傳感器數(shù)據(jù)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)才會(huì)應(yīng)答，所以計(jì)算機(jī)使用傳感器數(shù)據(jù)都需要嚴(yán)密按照單總線順序，一旦發(fā)生順序錯(cuò)亂，傳感器數(shù)據(jù)將不應(yīng)答計(jì)算機(jī)。

SDA用作微數(shù)據(jù)處理設(shè)備與各模塊相互間的各種數(shù)據(jù)溝通和各種數(shù)據(jù)信息同步，使用單總線數(shù)據(jù)信息格式一次性傳輸40位數(shù)據(jù)信息，高位先出。通信時(shí)序如圖2所示，通信格式介紹見表1。

圖2 具體通信時(shí)序Fig.2 Specific communication sequence

表1 通信格式說明Tab.1 Description of communication format

用戶計(jì)算機(jī)(MCU)發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)信息(把數(shù)據(jù)總線通道SDA拉低達(dá)到800μs)后，模塊由休眠模型切換至高速模型。待服務(wù)器啟動(dòng)信號(hào)完畢后模塊發(fā)出應(yīng)答訊號(hào)，從數(shù)據(jù)總線SDA串行送出40Bit的數(shù)據(jù)消息，先發(fā)出字節(jié)的高位；發(fā)出的統(tǒng)計(jì)消息順序?yàn)橄鄬?duì)濕度高位、相對(duì)濕度低位、環(huán)境溫度高位、環(huán)境溫度低位、校驗(yàn)位，收發(fā)數(shù)據(jù)信息完成后觸發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)信息收集，收集完成感應(yīng)器自行進(jìn)入到休息模型，直至下一段傳輸?shù)絹怼?/p>

液晶顯示屏可選擇Nokia 5110，其通過串行接口與主處理器實(shí)現(xiàn)通信，連接信息線的總量大幅減少，包含供電和接地在內(nèi)的信息線僅有9條。支援各種串行通信協(xié)議(如AVR單片機(jī)的SPI、MCS51的串口模式0等)的傳輸速度達(dá)到4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)信息，無等候時(shí)限。

可使用導(dǎo)線膠連接模組與印刷版，而不必連接線纜，模組上的金屬鉤可將模組緊固到印刷板上，十分方便裝配和調(diào)換。LCD控制器/驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)晶片已綁定到LCD晶片上，模組的容積很小。使用低電壓供電，工作電壓范圍在3.3V以內(nèi)，通常出現(xiàn)時(shí)其實(shí)際工作電流范圍在200μA以內(nèi)，且具備掉電模式。Nokia 5110內(nèi)部電路圖如圖3所示。

圖3 Nokia 5110內(nèi)部電路圖Fig.3 Nokia 5110 internal circuit diagram

Nokia 5110(PCD8544)的通信協(xié)定是一種不用MISO只是MOSI的SPI協(xié)定，故單片機(jī)要有豐富的SPI端口，也可以使用硬件SPI，但一般無此必要，只要求軟件程序仿真而已。

表示漢字可以采用2種點(diǎn)陣方式，一類是12×12點(diǎn)陣，一類是16×16點(diǎn)陣，上面也有一款手動(dòng)抽取字模的小應(yīng)用軟件“3310液晶顯示屏漢字抽取程式”，這種小程式只適合于水平尋址(V＝0)。

當(dāng)使用12×12點(diǎn)陣漢字時(shí)，因?yàn)槭欠?的整數(shù)倍數(shù)，所以行與行中間必須相隔，這樣的話才能完全表示單個(gè)漢字。

顯示器的繪圖像素分辨率尺寸不得高于84×48，也有一款字模獲取小應(yīng)用軟件Zimo21能夠協(xié)助我們獲得圖像的像素?cái)?shù)組，但要關(guān)注Zimo21軟件功能的設(shè)定，不然的話就展示不了需要的照片。

3 現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)

3.1 監(jiān)控主機(jī)與監(jiān)控顯示器安裝

考慮到信號(hào)電纜及電源鋪設(shè)的規(guī)范性和后期人員巡檢的操作便利性，計(jì)劃將監(jiān)控主機(jī)安裝在MCC低壓配電盤旁故障錄波器機(jī)柜內(nèi)，該機(jī)柜內(nèi)變壓器在線監(jiān)測(cè)上位機(jī)與IP互聯(lián)對(duì)講，中繼臺(tái)中間位置可安裝該監(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控顯示屏固定在值班室EMS上位機(jī)后方墻體上，方便人員巡檢。監(jiān)控主機(jī)安裝位置如圖4所示。

圖4 監(jiān)控主機(jī)安裝位置Fig.4 Installation location of monitoring host

3.2 檢測(cè)傳感器的定位安裝

檢測(cè)傳感器分為溫濕度傳感器和漏水監(jiān)測(cè)傳感器。OM-TH-B801溫濕度傳感器和OM-LDA-B801區(qū)域式漏水控制器如圖5、6所示。

圖5 OM-TH-B801溫濕度傳感器Fig.5 OM-TH-B801 temperature and humidity sensor

圖6 OM-LDA-B801區(qū)域式漏水控制器Fig.6 OM-LDA-B801 regional water leakage controller

溫濕度傳感器安裝在開關(guān)間內(nèi)透平控制盤上方、中壓盤上方和高壓盤上方，共計(jì)3個(gè)，以監(jiān)控房間內(nèi)所有區(qū)域的溫濕度變化情況，實(shí)現(xiàn)區(qū)域全覆蓋。具體布置如圖7所示。

圖7 溫濕度傳感器布置圖Fig.7 Layout of temperature and humidity sensors

溫濕度監(jiān)測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖如圖8所示。

圖8 溫濕度監(jiān)測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖Fig.8 Field installation effect drawing of temperature and humidity monitors

漏水感應(yīng)繩現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖如圖9所示。

圖9 漏水感應(yīng)繩現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖Fig.9 Field installation effect drawing of water leakage sensing rope

3.3 電纜鋪設(shè)

①主電源線取自監(jiān)控主機(jī)所在機(jī)柜內(nèi)部，以前期安裝的插線排作為電源，此路電源為UPS電源，保證在失電情況下該套監(jiān)控系統(tǒng)可正常工作和監(jiān)控各房間內(nèi)環(huán)境變化情況。

②信號(hào)輸入電纜需鋪設(shè)3個(gè)溫濕度傳感器和 6個(gè)漏水檢測(cè)傳感器至監(jiān)控主機(jī)，以及監(jiān)控主機(jī)至監(jiān)控顯示屏的網(wǎng)線。

③信號(hào)輸出電纜需鋪設(shè)輸出模塊至低壓盤主開關(guān)間進(jìn)風(fēng)機(jī)電源抽屜電纜。

④電纜的鋪設(shè)應(yīng)規(guī)范和不影響其他人員正常施工作業(yè)，鋪設(shè)也應(yīng)考慮美觀性。

3.4 主機(jī)、傳感器、監(jiān)控顯示器連接

電纜和探頭鋪設(shè)完畢后對(duì)各部分元器件進(jìn)行連接，包括網(wǎng)線水晶頭的制作等，制作工藝應(yīng)規(guī)范。

3.5 系統(tǒng)整體調(diào)試

整體連接完畢后進(jìn)行系統(tǒng)的送電調(diào)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)置溫濕度報(bào)警值和風(fēng)機(jī)啟停值，并做好測(cè)試記錄。

4 應(yīng)用推廣價(jià)值

海上平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)房間設(shè)備等因受空間限制，其布局比較緊湊，且現(xiàn)場(chǎng)各種管線錯(cuò)綜復(fù)雜，各電氣房間頂部也可能存在部分液體管線，漏水發(fā)生的幾率相對(duì)較大，所以做好預(yù)防工作是海上石油平臺(tái)電氣專業(yè)人員當(dāng)下的重要工作。漏水監(jiān)測(cè)繩布局靈活，可以鋪設(shè)在任意需要的位置，經(jīng)過測(cè)試設(shè)備的靈敏度也非常好，可以作為漏水監(jiān)測(cè)的一種較好的嘗試。

海上天氣潮濕、含鹽度大，電氣房間的濕度將直接影響電氣設(shè)備和電子元件的穩(wěn)定運(yùn)行，近些年也發(fā)生過多起因盤柜受潮絕緣下降等引起的電氣設(shè)備故障，所以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是非常必要的手段。某海上平臺(tái)溫濕度監(jiān)測(cè)設(shè)備不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，還能起到根據(jù)設(shè) 定值進(jìn)行報(bào)警、控制風(fēng)機(jī)等設(shè)備和及時(shí)提醒人員的 作用。