化工裝備運行狀態的無線傳感器網絡監測系統

曹鵬彬，胡加強

(武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

近年來，隨著現代流程工業的生產設備朝著大型化、連續化、系統化以及自動化的方向發展，使得生產體系的各個環節聯系越來越緊密.生產中重大裝備的突發性故障，有可能引起“鏈式反應”，造成整條流水線或整個站場停產，甚至引起爆燃、有毒氣體泄漏等重大安全事故的發生.因此，對化工裝備運行狀態的實時監控是保證流程工業生產安全進行的重要手段.然而，傳統的有線傳感器系統帶來了布線繁瑣復雜、網絡線路維護困難等一系列難題.同時，由于在生產過程中，化工裝備又大多處于高溫、高壓或有毒物質的物化反應狀態，并且長期承受多物理場耦合與電化學腐蝕綜合作用，其壽命與安全性往往難以預測，人為對設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絡系統在化工業生產中的應用.

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是隨著微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)、傳感器技術、無線通信和數字電子技術的快速發展，而出現的一種新的信息獲取與處理模式，具有組網靈活，安裝、維護和使用方便等特點[1]，它的出現引起了全世界的廣泛關注和研究，并涌現出在包括軍事、地理環境監測、醫療保健、目標跟蹤、生物識別和工業過程監控等眾多領域的應用[2-3].

針對WSN的優勢，提出了一種基于無線傳感器網絡的化工裝備運行狀態數據采集與監控系統(supervisory control and data acquisition system for the running condition of chemical equipments based on WSN，SCADA_RCCE_WSN)方案，它主要由現場數據采集、監測中心和遠程服務中心3個部分構成.該方案能夠有效地克服傳統有線傳感器網絡系統的不足，有利于提高對化工裝備運行狀況監測的實時性和可靠性，為技術人員提供實時有效的監測信息和維護策略，降低生產成本，提高生產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變化對其本身的安全性具有較大影響.這些參數包括設備內部物質物化反應過程的溫濕度、壓力、流體流量與流速、酸堿度等，另外還有設備自身所產生的振動、變形等.本文選用這些參數相對應的傳感器作為傳感器網絡中的節點.

SCADA_RCCE_WSN系統主要實現對上述有關參數的綜合監測并處理監測預警信息，它由生產現場無線傳感器網絡系統、監測中心以及遠程服務中心等3個部分構成，如圖1所示.

圖1 基于WSN的化工裝備數據采集與監控系統整體框架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：

無線傳感器網絡系統負責對若干個分布式生產現場設備運行狀態參數的采集，并將數據信息通過無線方式傳送給網關節點，經過工業以太網傳送給監測中心.

監測中心通過讀取現場數據，進行數據處理和存儲，并通過建立人機交互界面實時在線監測設備狀態和處理故障預警信息.

遠程服務中心通過訪問監測中心數據庫，實時在線或離線了解設備狀態，提供設備診斷與決策等遠程協助服務.

1.2 SCADA_RCCE_WSN的工作過程

基于WSN的化工裝備運行狀態數據采集與監控系統的工作過程如下：

(1)監測節點部署在監測區域內，是構成無線傳感器網絡的基本單元，負責對化工裝備運行狀態參數的實時采集.采用建立在IEEE802.15.4上的ZigBee技術標準，各節點間構成Ad hoc自組織網絡，并對網絡數據進行信息融合，然后通過多跳路由的方式將融合后的數據傳送到網關節點.

(2)網關節點一般由處理能力、存儲能力和通信能力較強的節點構成，負責控制子節點的數據采集與發送.網關節點將接收到的數據篩選和整理后，通過以太網或者無線方式發送給監測中心.

(3)運行在監測中心計算機上的虛擬儀器軟件(LabVIEW)通過數據采集卡讀取網絡數據，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，并存儲于計算機監測平臺的SQL Server(Structured Query Language Server，結構化查詢語言服務器)數據庫.

(4)監測中心采用“創世紀64”(GENESIS64)組態軟件繪制三維全景站場模型，建立人機界面，通過共享SQL Server數據庫信息，實現監測數據的實時顯示與處理，生成圖形與報表，完成歷史數據處理以及監測預警等.同時，建立化工裝備運行狀態健康診斷專家系統，根據現場信號處理結果，分析和提取信號特征，找出異常信號，通過推理分析得出準確的故障診斷結果，為設備的健康診斷提供決策依據.

(5)最后，遠程服務中心通過Web Server(Web服務器)接口和局域網或Internet訪問監測中心，分析監測數據和預警信息，為監測中心提供協助、健康診斷、決策等服務.

2 SCADA_RCCE_WSN的關鍵技術

2.1 LabVIEW數據采集程序設計

為了提高SCADA_RCCE_WSN系統的實用性和開放性，在完成WSN與監測中心計算機的連接配置和調試之后，通過LabVIEW軟件和數據采集卡(DAQ卡)來實現對WSN網絡數據的讀取、處理與存儲等操作[4].

在綜合分析現有實驗條件、兼容性和低成本等因素，本文選用NI PCI-6221作為DAQ卡.利用DAQmx節點函數編制基于LabVIEW的數據采集程序，實現對現有換熱器、攪拌反應釜等裝備運行狀態數據的采集功能[4].基于PCI-6221的部分LabVIEW數據采集程序框圖如圖2所示.

圖2 基于PCI-6221的LabVIEW數據采集與保存程序Fig.2 LabVIEW data acquisition and saving program based on PCI-6221

圖2所示的數據采集程序可以實現通道配置、采樣模式選擇、實時數據顯示、濾波等功能，并利用LabSQL工具包實現對SQL Server數據庫的訪問操作[5]，完成數據存儲、歷史數據查詢等功能.

2.2 現場數據的共享

DataSocket是一種簡易高性能數據交換編程接口，它能有效地支持本地文件I/O 操作、FTP和HTTP 文件傳輸、實時數據共享，并提供統一的API(Application Programming Interface，應用程序編程接口)接口，實現跨機器、跨語言、跨進程的實時數據共享，特別適合于遠程數據采集、監控和數據共享等應用程序的開發[6].

為了提高系統的開放性，采用先進的網絡通訊技術——DataSocket技術實現現場數據共享[7].利用LabVIEW平臺的DataSocket技術，遠程用戶可以方便地訪問監測中心數據庫，瀏覽與保存設備運行狀態監測數據，從而實現遠程服務中心與監測中心對現場數據的共享，其流程如圖3所示.

圖3中,監測中心通過數據采集并和基于Lab VIEW的數據采集程序,將生產現場的設備運行狀態信息讀入監測計算機,并將數據存儲在SQL Server數據庫中,方便其他應用程序共享使用.

GENESIS 64軟件通過訪問SQL Server數據庫,進行現場數據的分析與處理,實時顯示在人機界面上.同時,遠程客戶端利用Web Server 接口訪問SQL Server 數據庫,實現對現場數據的遠程瀏覽與共享.

圖3 現場數據的共享過程Fig.3 Process of field data sharing

3 傳感器節點的通信能力

與傳統有線系統相比，基于WSN的化工裝備數據采集與監控系統具有低成本、低功耗、無人值守和實時性強等優點，但是由于應用環境的復雜性，也會面臨一系列難題.下文就傳感器節點因環境因素(如路徑損耗)和自身特性(如節點電容量)而導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

由于無線傳感器網絡各節點之間屬于近距離無線通信，其通信能力的強弱與生產環境和系統特性有關，如金屬設備、建筑物和其他障礙物等生產環境因素以及各節點間的相對距離、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，如圖4所示.

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

由圖4可知,節點距離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.在實際應用中，無線信號傳輸的路徑損耗將更大，因為不僅要考慮d、f的影響，也需要考慮復雜的生產環境對無線信號的阻礙作用.

由上述分析可知，合理地部署節點和選擇工作頻率是保證網絡節點間通信可靠性的必要措施.本文選擇節點的工作頻率為2.4 GHz.此外，在同一設備或區域內布置多個相同類型節點，可以利用節點之間的自組織能力和較高的容錯性，自動完成相鄰節點發現和路由發現，有效避免因生產環境因素所導致的某個區域內某些節點脫離網絡或失效，保證網絡正常運行，提高網絡的抗毀性和傳輸數據的實時性.

3.2 節點電容量與通信能力

由于無線傳感器網絡低成本、低功耗、易于布置等方面的特殊要求，各節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.節點的能量消耗與通信距離的關系可定義如下[9]：

Econs=Ee+kdn

(2)

式(2)中，Econs表示一次通信的總電能消耗量，Ee表示此次通信中數據編碼、調制等過程的能耗，k為傳播損耗系數，n為傳播損耗指數.考慮多方面因素，參數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.當節點位置相對固定時，隨著電能的減少，傳輸距離也會相應縮短，通信能力將急劇下降.

因此，系統在實際應用中，需要采取有效的動態能耗管理策略[10]，改進路由算法機制[11]，平衡節點負載，減少丟包率，提高處理效率和電能利用率；同時減小節點的單跳通信距離，延長傳感器節點和網絡壽命.

4 結 語

無線傳感器網絡具備自組織能力，能夠實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并通過多跳路由向網關傳輸，非常適合生產單位分散、各個環節分布距離相對較遠的化工生產過程.本文將無線傳感器網絡應用到化工裝備運行狀況數據采集與監控系統中，結合LabVIEW和3D組態軟件GENESIS64各自的優勢與特點，構建了SCADA_RCCE_WSN系統.下一步將在該系統方案的指導下，利用換熱器設備、攪拌反應釜等現有實驗條件，開展具體的實驗工作，搭建系統試驗平臺，實現本方案系統的基本功能，并為后續工作打下理論基礎.

參考文獻：

[1] Yick J, Mukherjee B, Ghosal D. Wireless sensor network survey [J]. Computer Networks, 2008, 52(12): 2292-2330.

[2] 余向陽. 無線傳感器研究綜述[J]. 單片機與嵌入式應用，2008(8):8-11.

[3] Simplicio Jr M A, Barreto paulo S L M, Margi C B, et al. A survey on key management mechanisms for distributed Wireless Sensor Networks [J]. Computer Networks, 2010, 54(15):2591-2612.

[4] 夏志全,吳和保,龍玉陽.基于Lab VIEW的快速熱分析儀數據采集系統的研究[J].武漢工程大學學報,2011,33(5):94-96.

[5] 張榮，LabVIEW數據庫與報表的混合編程設計技術[J].信息與電子工程，2010，8(2):476-479.

[6] 許林烽，倪天權. 基于LabVIEW與DataSocket的測試系統設計[J]. 微計算機信息,2006，22(12-1)：166-168.

[7] 王會清，程勇. 基于LabVIEW的家庭智能報警系統研究[J]. 武漢工程大學學報，2011,33(11): 78-82.

[8] Shreharsha Rao. ZigBee ISM頻帶傳輸距離估算[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=70065.2010-02-20.

[9] 朱祥賢. 一種無線傳感器網絡中自適應的分簇路由算法[J].武漢理工大學學報，2010, 32(20):94-98.

[10] 秦嶺，胡榮強. 無線傳感器網絡節點的有效能耗最小化策略[J].武漢理工大學學報，2010, 32(2):111-114.

[11] Puccinelli D, Haenggi M. Wireless Sensor Networks: Applications and challenges of ubiquitous sensing [J].IEEE Circuits and Systems Magazine,2005,5(3):19-29.