煉油廠無線巡檢監控系統的研究設計

張家田，譚哲宇，嚴正國

（西安石油大學電子工程學院 光電油氣測井與檢測重點實驗室，陜西 西安 710065）

石油化工行業是高溫高壓、易燃易爆的危險行業，生產工藝復雜、裝置大型化[1]。隨著社會的進步與數字化在工業領域的發展，對于煉油廠安全生產及日常巡檢也提出了更高的要求。隨著石油化工企業安全生產越來越規范化，對煉油廠定期進行巡檢、維護的要求也越來越高。為使煉油廠巡檢工作更加科學化、規范化和制度化，真正達到嚴密有效控制安全生產的目的，必須要有創新的精神，對現有的工作機制和管理方式進行大膽地改革[2]。依靠科學的方法引入安全可靠的巡檢監控系統必不可少，將煉油廠的日常巡檢工作建立在有效的監督之下和現代化的平臺上，憑借嚴謹的監督管理方式，才能發揮出最佳效能。煉油廠無線巡檢監控系統就是在此基礎上設計和實現的。

1 煉油廠巡檢現狀概述和需求分析

1.1 煉油廠巡檢現狀概述

煉油廠場地、管道與設備巡檢一直以來都是正常工作至關重要的環節，同時也是保障煉油廠生產安全的重要手段。長久以來，煉油廠的巡檢工作都是依靠定時人工巡檢的方式，按照巡檢路線檢查設備工作狀態和管道運輸情況，進行數據的記錄和統計。但由于煉油廠生產線涉及多種危險氣體，巡檢人員難以準確察覺，一旦泄露嚴重濃度大，容易造成人身傷亡；并且由于巡檢人員長期重復性工作，容易受到主觀因素影響，使得安全巡檢工作質量大打折扣[3]，因此，安全準確巡檢成為一個比較突出的問題。

隨著數字化在石油領域的逐步深入，石油石化行業信息化與工業自動化模式被廣泛接受和應用，無線巡檢監控系統也是應運而生。

1.2 煉油廠無線巡檢監控需求分析

由于煉油廠的可能存在的易燃易爆等危險性，所以必須通過機器監控代替人工的方式，降低人員的發生意外的可能，此外，機器監控也能夠避免因人工出現的疏忽等狀況。

所設計的監控系統主要實現以下功能：

1） 能夠可視化監測煉油廠狀況，實時傳輸高清視頻；

2） 當出現危險氣體、高溫和出現明火等情況時能及時發出安全報警；

3） 可以靈活操控，具備常規巡檢和定點監測的能力。

針對目前的巡檢技術以及現狀，揚長避短，互相補充，采用定時巡檢小車和無線巡檢檢測系統代替工作人員高度重復性巡檢工作，為煉油廠安全高質量巡檢工作提供一種新的途徑。

2 煉油廠無線巡檢系統的設計與實現

2.1 無線巡檢監控系統設計

根據煉油廠無線巡檢監控的需求，設計無線巡檢監控系統，主要包括上位機和下位機。上位機實現實時顯示和監控，包括視頻實時顯示界面、無線數據接收模塊和數據實時監測界面。下位機攜帶傳感器實現定時巡檢數據采集，包括系統承載小車、多種類型傳感器、無線數據發送模塊以及實時視頻采集攝像頭。

監控系統上位機和下位機的原理框圖如圖1、圖2 所示。

圖1 系統上位機功能框圖

圖2 系統下位機功能框圖

無線巡檢監控系統具有定時監測、實時可控及安全可靠等特點，對優化巡檢工作具有重要意義。采用定時巡檢小車和無線巡檢檢測系統代替工作人員高度重復性巡檢工作，可以準確地記錄巡檢時間、次數、實時數據及線路，且具有使用靈活、操作簡單和針對性強的特性，對于煉油廠監督、規范和提高巡檢工作極具借鑒價值。同時，煉油廠無線巡檢系統依靠無線信號傳輸，實現數據共享，具有廣闊的應用前景和發展空間，是對煉油廠石油生產裝置巡檢工作的科學實現和有效載體。

無線巡檢監控系統各模塊的功能：

1） 動力小車。功能為承載各種傳感器，根據煉油廠情況可以進行定時巡檢和機動巡檢[4]。定期檢查即按照巡檢計劃路線進行自動巡檢，可以通過尋跡模塊識別運行軌道來實現煉油廠指定路徑的自動巡檢。機動巡檢，即通過遠程電腦遙控實現手動巡檢，通過遙控對指定目標進行精確觀測。

2） 檢測傳感部分。動力小車攜帶一氧化碳、硫化氫、液化氣、溫濕度等傳感器，以及MCU、數據傳輸模塊和視頻采集攝像頭，將煉油廠內的危險氣體的指標和其余險情發生的狀況實時發送至上位機進行險情監控和數據的保存。

3） 遠程監測顯示部分。由數據監測、小車控制和視頻顯示三部分組成，數據監測界面用來接收、顯示傳感器傳回的數據并保存，當傳感器檢測的濃度超過既定值時報警，控制界面用來控制小車對某些疑似位置進行手動監測，通過實時視頻顯示，遠程手動控制監測。

2.2 無線巡檢監控系統實現

為了實現具體的設計，系統在啟動后，車載傳感器采集溫度、濕度、硫化氫、煙霧等現場數據，攝像頭采集現場圖像信息，數據都傳輸到嵌入式處理器，嵌入式處理器把數據處理后，使用無線監控傳輸模塊通過串口傳遞傳感器數據，通過局域網傳遞視頻數據，局域網內的PC 端和手機均可接收視頻圖像實時觀測。操作人員根據傳回的數據進行遠程控制，控制指令傳回到小車后，小車的嵌入式控制器根據指令通過執行元件進行相應的操作。

系統采用的主控芯片STM32F103C8T6，它為實現MCU 的需求提供了低成本的平臺、縮減的引腳數目和較低的系統功耗，同時提供了卓越的計算性能和先進的中斷系統響應[5]。

無線模塊采用Si4432 無線收發模塊，它是一種集成度高、多頻段、低功耗的無線收發芯片[6]，具備遠距離無線傳輸的功能。無線模塊和PC 之間通過串口傳輸，通過指定的數據結構傳輸，其傳輸默認的波特率是9600bps。通過串口接收的數據在PC 端通過軟件進行解碼，達到獲得傳感器信息的目的。

對于氣體報警傳感器，巡檢小車搭載常規的可燃性氣體傳感器包含MQ-2 天然氣檢測傳感器、MQ-5 可燃氣體檢測傳感器、MQ-7 一氧化碳檢測傳感器、MQ-136 硫化氫檢測傳感器，搭載的傳感器對危險氣體敏感度高，只需要簡單的驅動電路就可以實現功能。幾種氣體傳感器能檢測的氣體覆蓋了煉油廠危險氣體的種類范圍，滿足了煉油廠監控的需求。

車載傳感器的數據經過編碼之后傳輸到上位機，并完成解碼處理后，通過圖形界面顯示相關信息。

無線巡檢監控系統的工作流程圖如圖3 所示。

當傳感器采集的數據傳輸至上位機，可以通過軟件無線數據監測界面實現實時監測和檢測小車的控制。通過軟件設計和實現，能夠達到上位機數據、報警及時提示、動力小車控制等主要功能，監控系統的信息接收保存和控制界面如圖4所示。

圖3 煉油廠無線巡檢監控系統的工作流程圖

3 總結

圖4 無線巡檢監控系統的數據監測控制界面

1） 煉油廠無線巡檢監控系統針對煉油廠巡檢現狀，設計了符合需求的監控系統，其高精度傳感器能夠及時傳遞危險信號，進行險情預警，防止易燃易爆氣體的泄露和散溢；

2） 無線監控系統傳遞的高清視頻信號可以有效保證人員遠程監測現場狀況，實時監測生產設備情況，避免人員因現場險情發成出現傷亡；

3） 無線巡檢監控系統通過定檢結合動檢的方式，將常規監測和疑似目標重點監控檢測相結合，杜絕煉油廠安全隱患。