基于超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(LoRa)的油庫儲油自動感知系統(tǒng)的設計

閆震宇 徐 丹

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

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

現(xiàn)有儲油自動感知系統(tǒng)可采用HIMS混合法獲取油罐數(shù)據(jù)，并通過現(xiàn)場總線或ZigBee技術上傳。但現(xiàn)場總線的國際標準尚未統(tǒng)一，各網絡間還存在兼容性問題，如Siemens的ProfiBus，RoberBosch的CAN等[1]。ZigBee技術也因其通信頻率高、信號衰減快存在單跳傳輸距離短，多跳組網結構復雜等缺陷[2]。

LoRa(Long Range，超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術)是LPWA(Low Power Wide Area，低功耗廣域)技術的代表，具有遠距離、低功耗、多節(jié)點、低成本的特性[3]。本文將LoRa技術應用于油庫儲油自動感知系統(tǒng)，為油庫無線應用提供新的選擇。

1 系統(tǒng)的總體設計

油庫儲油自動感知系統(tǒng)無線通信的總體架構由終端(測量儀表，內置或外接LoRa模塊)、LoRaWan網關(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。終端采用星型組網方式采集現(xiàn)場液位、溫度和壓力數(shù)據(jù)。網關通過LoRa網絡與各終端儀表進行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，同時實現(xiàn)LoRaWan與串口、TCP/IP協(xié)議間的轉換，將收到的數(shù)據(jù)上傳至PLC。PLC可編程控制器利用其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制等指令，執(zhí)行泵閥控制動作。操作站利用組態(tài)軟件具有數(shù)據(jù)計算、系統(tǒng)報警等功能。由于測量儀表僅能獲取液位、溫度和壓力數(shù)據(jù)，需通過罐容計算、視標準密度轉換、溫度及壓力修正等算法獲取油品的容積、質量等相關數(shù)據(jù)[4]。

圖1 系統(tǒng)總體設計

2 關鍵技術及系統(tǒng)設計

油庫儲油自動感知系統(tǒng)設計主要包括終端設備、LoRa網關的硬件設計和系統(tǒng)軟件設計。

2.1 系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 終端設備

混合式油罐測量系統(tǒng)(HTMS)可實現(xiàn)油品液位、溫度、密度、體積和質量等所有靜態(tài)計量參數(shù)的自動測量和計算，一般設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)、單點或多點平均溫度計。其中液位變送器主要選用雷達液位計或伺服液位計[5]。

雷達液位計是基于時域反射原理(TDR)設計，其電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，遇被測介質表面反射形成回波并沿相同路徑返回脈沖發(fā)射裝置，經計算后可得出探頭與被測介質表面距離。其優(yōu)點是準確度高，與檢測介質不接觸，安裝方便，但使用較久后油氣揮發(fā)物會附著在探頭表面，影響測量精度。

伺服液位計是基于阿基米德原理設計，通過伺服電機調整浮子使其位于液體表面，此時浮子所受的重力、浮力和拉力平衡。其優(yōu)點是準確度高、穩(wěn)定、易維護，但安裝要求高，價格較貴。

LoRa模塊需選用SEMTECH公司推出的帶擴頻調制解調技術的射頻芯片，其傳輸距離遠、抗干擾能力強，且工作在ISM開放的頻段，無需授權[6]。

終端結構如圖2所示。

圖2 終端結構圖

2.1.2 LoRa網關

LoRa網關由單片機、射頻模塊、以太網適配器或其他接口電路、電源組成，可實現(xiàn)多通道并行接收，同時處理多路信號。單片機采用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網關結構如圖3所示。

圖3 LoRa網關結構圖

2.2 系統(tǒng)軟件設計

終端采集完現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，需與LoRa網關進行通信，同時網關通過串口將數(shù)據(jù)透傳至PLC可編程邏輯控制器。終端與LoRa網關之間的通信協(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、壓力類型，長度位表示數(shù)據(jù)位有效數(shù)據(jù)長度，編號位表示終端的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模塊接收網關發(fā)來的廣播數(shù)據(jù)，切換到相同的通信信道，透過USART2上傳數(shù)據(jù)，收到網關的ACK確認，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 終端與網關數(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網關通信，PLC向LoRa網關發(fā)送查詢命令，網關返回應答信息，從而獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過以太網上傳至操作站。

3 結語

隨著國家對工業(yè)生產中安全問題的逐步重視，監(jiān)控系統(tǒng)在企業(yè)生產生活中發(fā)揮的作用越來越大。本文針對油庫油罐內油品的監(jiān)測，設計了基于LoRa的儲油自動感知系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線或ZigBee技術，具有成本低、傳輸范圍廣、組網簡便等特點，應用前景廣泛。