化工裝備運行狀態(tài)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)

曹鵬彬，胡加強

(武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

近年來，隨著現(xiàn)代流程工業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備朝著大型化、連續(xù)化、系統(tǒng)化以及自動化的方向發(fā)展，使得生產(chǎn)體系的各個環(huán)節(jié)聯(lián)系越來越緊密.生產(chǎn)中重大裝備的突發(fā)性故障，有可能引起“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”，造成整條流水線或整個站場停產(chǎn)，甚至引起爆燃、有毒氣體泄漏等重大安全事故的發(fā)生.因此，對化工裝備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控是保證流程工業(yè)生產(chǎn)安全進行的重要手段.然而，傳統(tǒng)的有線傳感器系統(tǒng)帶來了布線繁瑣復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)線路維護困難等一系列難題.同時，由于在生產(chǎn)過程中，化工裝備又大多處于高溫、高壓或有毒物質(zhì)的物化反應(yīng)狀態(tài)，并且長期承受多物理場耦合與電化學(xué)腐蝕綜合作用，其壽命與安全性往往難以預(yù)測，人為對設(shè)備的定期巡檢也不能完全排除其潛在危險，這些不利因素限制了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在化工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)、傳感器技術(shù)、無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的快速發(fā)展，而出現(xiàn)的一種新的信息獲取與處理模式，具有組網(wǎng)靈活，安裝、維護和使用方便等特點[1]，它的出現(xiàn)引起了全世界的廣泛關(guān)注和研究，并涌現(xiàn)出在包括軍事、地理環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、目標(biāo)跟蹤、生物識別和工業(yè)過程監(jiān)控等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用[2-3].

針對WSN的優(yōu)勢，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工裝備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition system for the running condition of chemical equipments based on WSN，SCADA_RCCE_WSN)方案，它主要由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測中心和遠(yuǎn)程服務(wù)中心3個部分構(gòu)成.該方案能夠有效地克服傳統(tǒng)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不足，有利于提高對化工裝備運行狀況監(jiān)測的實時性和可靠性，為技術(shù)人員提供實時有效的監(jiān)測信息和維護策略，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)自動化程度和工廠管理水平.

1 SCADA_RCCE_WSN的整體框架與工作過程

1.1 SCADA_RCCE_WSN的整體框架

化工裝備大多屬于壓力容器，它們在運行過程中的參數(shù)變化對其本身的安全性具有較大影響.這些參數(shù)包括設(shè)備內(nèi)部物質(zhì)物化反應(yīng)過程的溫濕度、壓力、流體流量與流速、酸堿度等，另外還有設(shè)備自身所產(chǎn)生的振動、變形等.本文選用這些參數(shù)相對應(yīng)的傳感器作為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點.

SCADA_RCCE_WSN系統(tǒng)主要實現(xiàn)對上述有關(guān)參數(shù)的綜合監(jiān)測并處理監(jiān)測預(yù)警信息，它由生產(chǎn)現(xiàn)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、監(jiān)測中心以及遠(yuǎn)程服務(wù)中心等3個部分構(gòu)成，如圖1所示.

圖1 基于WSN的化工裝備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)整體框架Fig.1 Overall framework of supervisory control and data acquisition system for chemical equipments based on WSN

在圖1所示的系統(tǒng)整體框架中，3個組成部分的主要功能分別為：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對若干個分布式生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)的采集，并將數(shù)據(jù)信息通過無線方式傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)傳送給監(jiān)測中心.

監(jiān)測中心通過讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理和存儲，并通過建立人機交互界面實時在線監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)和處理故障預(yù)警信息.

遠(yuǎn)程服務(wù)中心通過訪問監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫，實時在線或離線了解設(shè)備狀態(tài)，提供設(shè)備診斷與決策等遠(yuǎn)程協(xié)助服務(wù).

1.2 SCADA_RCCE_WSN的工作過程

基于WSN的化工裝備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程如下：

(1)監(jiān)測節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，負(fù)責(zé)對化工裝備運行狀態(tài)參數(shù)的實時采集.采用建立在IEEE802.15.4上的ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各節(jié)點間構(gòu)成Ad hoc自組織網(wǎng)絡(luò)，并對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行信息融合，然后通過多跳路由的方式將融合后的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點.

(2)網(wǎng)關(guān)節(jié)點一般由處理能力、存儲能力和通信能力較強的節(jié)點構(gòu)成，負(fù)責(zé)控制子節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送.網(wǎng)關(guān)節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)篩選和整理后，通過以太網(wǎng)或者無線方式發(fā)送給監(jiān)測中心.

(3)運行在監(jiān)測中心計算機上的虛擬儀器軟件(LabVIEW)通過數(shù)據(jù)采集卡讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，進行信號濾波處理，畫出時域波形、頻域波形和歷史趨勢分析圖，并存儲于計算機監(jiān)測平臺的SQL Server(Structured Query Language Server，結(jié)構(gòu)化查詢語言服務(wù)器)數(shù)據(jù)庫.

(4)監(jiān)測中心采用“創(chuàng)世紀(jì)64”(GENESIS64)組態(tài)軟件繪制三維全景站場模型，建立人機界面，通過共享SQL Server數(shù)據(jù)庫信息，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示與處理，生成圖形與報表，完成歷史數(shù)據(jù)處理以及監(jiān)測預(yù)警等.同時，建立化工裝備運行狀態(tài)健康診斷專家系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場信號處理結(jié)果，分析和提取信號特征，找出異常信號，通過推理分析得出準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果，為設(shè)備的健康診斷提供決策依據(jù).

(5)最后，遠(yuǎn)程服務(wù)中心通過Web Server(Web服務(wù)器)接口和局域網(wǎng)或Internet訪問監(jiān)測中心，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)警信息，為監(jiān)測中心提供協(xié)助、健康診斷、決策等服務(wù).

2 SCADA_RCCE_WSN的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

為了提高SCADA_RCCE_WSN系統(tǒng)的實用性和開放性，在完成WSN與監(jiān)測中心計算機的連接配置和調(diào)試之后，通過LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)來實現(xiàn)對WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的讀取、處理與存儲等操作[4].

在綜合分析現(xiàn)有實驗條件、兼容性和低成本等因素，本文選用NI PCI-6221作為DAQ卡.利用DAQmx節(jié)點函數(shù)編制基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集程序，實現(xiàn)對現(xiàn)有換熱器、攪拌反應(yīng)釜等裝備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集功能[4].基于PCI-6221的部分LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖2所示.

圖2 基于PCI-6221的LabVIEW數(shù)據(jù)采集與保存程序Fig.2 LabVIEW data acquisition and saving program based on PCI-6221

圖2所示的數(shù)據(jù)采集程序可以實現(xiàn)通道配置、采樣模式選擇、實時數(shù)據(jù)顯示、濾波等功能，并利用LabSQL工具包實現(xiàn)對SQL Server數(shù)據(jù)庫的訪問操作[5]，完成數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能.

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)的共享

DataSocket是一種簡易高性能數(shù)據(jù)交換編程接口，它能有效地支持本地文件I/O 操作、FTP和HTTP 文件傳輸、實時數(shù)據(jù)共享，并提供統(tǒng)一的API(Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口)接口，實現(xiàn)跨機器、跨語言、跨進程的實時數(shù)據(jù)共享，特別適合于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享等應(yīng)用程序的開發(fā)[6].

為了提高系統(tǒng)的開放性，采用先進的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)——DataSocket技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)共享[7].利用LabVIEW平臺的DataSocket技術(shù)，遠(yuǎn)程用戶可以方便地訪問監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫，瀏覽與保存設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)中心與監(jiān)測中心對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的共享，其流程如圖3所示.

圖3中,監(jiān)測中心通過數(shù)據(jù)采集并和基于Lab VIEW的數(shù)據(jù)采集程序,將生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備運行狀態(tài)信息讀入監(jiān)測計算機,并將數(shù)據(jù)存儲在SQL Server數(shù)據(jù)庫中,方便其他應(yīng)用程序共享使用.

GENESIS 64軟件通過訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫,進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析與處理,實時顯示在人機界面上.同時,遠(yuǎn)程客戶端利用Web Server 接口訪問SQL Server 數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程瀏覽與共享.

圖3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)的共享過程Fig.3 Process of field data sharing

3 傳感器節(jié)點的通信能力

與傳統(tǒng)有線系統(tǒng)相比，基于WSN的化工裝備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)具有低成本、低功耗、無人值守和實時性強等優(yōu)點，但是由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，也會面臨一系列難題.下文就傳感器節(jié)點因環(huán)境因素(如路徑損耗)和自身特性(如節(jié)點電容量)而導(dǎo)致的通信能力下降問題分別予以討論.

3.1 路徑損耗與通信能力

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間屬于近距離無線通信，其通信能力的強弱與生產(chǎn)環(huán)境和系統(tǒng)特性有關(guān)，如金屬設(shè)備、建筑物和其他障礙物等生產(chǎn)環(huán)境因素以及各節(jié)點間的相對距離、工作頻率因素等.這些因素的影響可用無線傳輸過程中的路徑損耗來表示.

自由空間路徑損耗[8]可用式(1)描述：

PL=20lgf+20lgd-28

(1)

式(1)中，PL為路徑損耗(dB)；f為工作頻率(MHz)；d為兩節(jié)點之間的距離(m).由此可見，自由空間路徑損耗是f和d的函數(shù)，如圖4所示.

圖4 節(jié)點距離、工作頻率與路徑損耗的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of node distance, working frequency and path loss

由圖4可知,節(jié)點距離d和工作頻率f對路徑損耗的影響非常大，d、f愈大，路徑損耗愈大.在實際應(yīng)用中，無線信號傳輸?shù)穆窂綋p耗將更大，因為不僅要考慮d、f的影響，也需要考慮復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境對無線信號的阻礙作用.

由上述分析可知，合理地部署節(jié)點和選擇工作頻率是保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通信可靠性的必要措施.本文選擇節(jié)點的工作頻率為2.4 GHz.此外，在同一設(shè)備或區(qū)域內(nèi)布置多個相同類型節(jié)點，可以利用節(jié)點之間的自組織能力和較高的容錯性，自動完成相鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)和路由發(fā)現(xiàn)，有效避免因生產(chǎn)環(huán)境因素所導(dǎo)致的某個區(qū)域內(nèi)某些節(jié)點脫離網(wǎng)絡(luò)或失效，保證網(wǎng)絡(luò)正常運行，提高網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和傳輸數(shù)據(jù)的實時性.

3.2 節(jié)點電容量與通信能力

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、低功耗、易于布置等方面的特殊要求，各節(jié)點通常集成有電源模塊，采用電池供電，其電容量有限，通信能力受到限制.節(jié)點的能量消耗與通信距離的關(guān)系可定義如下[9]：

Econs=Ee+kdn

(2)

式(2)中，Econs表示一次通信的總電能消耗量，Ee表示此次通信中數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制等過程的能耗，k為傳播損耗系數(shù)，n為傳播損耗指數(shù).考慮多方面因素，參數(shù)n一般取3，即能耗與距離的三次方成正比，所以能耗將隨距離的增加而急劇增加.當(dāng)節(jié)點位置相對固定時，隨著電能的減少，傳輸距離也會相應(yīng)縮短，通信能力將急劇下降.

因此，系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，需要采取有效的動態(tài)能耗管理策略[10]，改進路由算法機制[11]，平衡節(jié)點負(fù)載，減少丟包率，提高處理效率和電能利用率；同時減小節(jié)點的單跳通信距離，延長傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)壽命.

4 結(jié) 語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備自組織能力，能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并通過多跳路由向網(wǎng)關(guān)傳輸，非常適合生產(chǎn)單位分散、各個環(huán)節(jié)分布距離相對較遠(yuǎn)的化工生產(chǎn)過程.本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到化工裝備運行狀況數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中，結(jié)合LabVIEW和3D組態(tài)軟件GENESIS64各自的優(yōu)勢與特點，構(gòu)建了SCADA_RCCE_WSN系統(tǒng).下一步將在該系統(tǒng)方案的指導(dǎo)下，利用換熱器設(shè)備、攪拌反應(yīng)釜等現(xiàn)有實驗條件，開展具體的實驗工作，搭建系統(tǒng)試驗平臺，實現(xiàn)本方案系統(tǒng)的基本功能，并為后續(xù)工作打下理論基礎(chǔ).

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