油氣回收在線監控系統的加油站組網研究

劉江濤， 顧 堅， 楊 煥， 王寶超， 管 鑫， 南光熙

（中機生產力促進中心， 北京 100044）

0 引言

為貫徹環境保護法、大氣污染防治法，控制加油站油氣污染物排放， 對加油站起到監管作用的油氣回收在線監控系統，開始在全國范圍內推廣實施。從2017 年開始，北京分兩批完成全市主要加油站在線監控系統的安裝工作；2018 年，生態環境部發布《加油站油氣回收在線監控系統技術要求》，要求全國范圍內有條件的地區陸續開展加油站在線監控系統設備的安裝和實施。隨著安裝數量、應用區域的日益增多， 在線監控關鍵技術和關鍵環節的研究也日益重要。

加油站油氣回收在線監控系統 （簡稱在線監控），主要由傳感器、采集控制器、站內監控平臺構成。 應用數量最多的氣液比采集控制器安裝在加油機內， 與傳感器連接，采集加油量、回氣量和管路壓力，計算存儲氣液比等指標，同時采取有線/無線傳輸方式，將采集數據、信息，實時上傳到站內監控平臺； 站內監控平臺接收到采集控制器數據后，通過轉換、計算、分析油氣回收系統的回氣量、加油量和管路壓力， 實現氣液比、 壓力等指標的監測功能，同時下發控制指令；采集控制器根據接收到的指令，完成控制功能。 由此可見，有線/無線的組網，對于在線監控必不可少，如同人的神經系統，非常重要。

加油站在線監控的數據傳輸采取有線和無線兩種方式。 其中，有線組網方式比較傳統，技術要求較低、應用較廣；無線組網方式是新興的數據傳輸方式，隨著技術的不斷發展和進步，在加油站在線監控領域的應用方興未艾。這兩種方式的發展到了什么水平、優缺點是什么？ 如何選擇組網方式、哪種方式是發展趨勢？ 在本文中將逐步展開分析、一一解答。

1 加油站有線組網方式

有線組網主要是采用RS485 方式。 一般情況下，加油機內會有預留的網絡或電纜線，借用其中兩條線，實現總線式拓撲結構。 RS485 適用于多點互連，很方便的聯通多個加油機、多把加油槍，傳輸距離在2km 范圍，能夠滿足加油站需要。 在線監控平臺、RS485 串口、RS485 集線器、壓力濃度采集器置于中控室內， 采集控制器置于加油機內部。 連接方式如圖1 所示。

圖1 有線組網結構

在線監控的有線組網方式，具有以下優點：①借用預鋪設線，節約成本，提高施工效率；②具有很強的抗干擾能力，可靠性高，相較于其他手段，在通訊速率及誤碼方面都有很強的優勢；③在2km 范圍都能正常通訊，不用擔心各種惡劣天氣、變頻技術帶來的各種干擾問題。

在大多數加油站，有線方式是首選，但對于沒有預留線的加油站，施工布線將成為系統實施的最大障礙，再采取有線的組網方式，會出現以下缺點：①加油站需要做防爆處理，在加油站鋪設通訊電纜施工比較困難；②加油站對通訊電纜要求較高，電纜要做到耐油、防水，成本較高；③加油站改造施工，對于正常營業的加油站，影響較大，很多加油站是無法接受的。

有線通訊作為傳統數據組網方式， 受自己的應用范圍和適用條件限制。 加油站機器眾多、線纜規格復雜，各種設備所需的布線龐大且繁瑣，布線的問題最為頭疼，也最為復雜。 能否采用無線的組網方式？ 是業主、設備商和施工單位都在考慮的問題。

2 加油站無線組網方式

無線組網方式是采用無線通訊技術， 完成數據傳輸功能。 近些年發展最快、應用最廣的就是無線通訊技術，即利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通訊方式。在線監控的無線組網方式，理論上適用于多點互連，很方便的聯通多個加油機、多把加油槍，傳輸距離在500m 范圍，也能夠滿足需要。 連接方式如圖2 所示。

圖2 無線組網結構

在線監控的無線連接方式， 有效解決了布線困難問題。 無線通訊脫離了有線的桎梏，具有靈活的空中連接，設備可隨時移動，有著有線組網無法比擬的優勢。 然而，在具有防爆等級要求的環境中實現無線組網方式， 并非沒有技術門檻。

3 無線組網方式的技術比較與實現方案

現階段， 無線方式的實現方案常涉及GPRS、433MHz、WiFi、ZigBee 等模式。 其中GPRS DTU 是一種物聯網數據終端， 利用公用運營商網絡為用戶傳輸長距離數據傳輸，同時提供RS232 和RS485 接口，可直接連接串口設備，實現數據透明傳輸功能。但使用GPRS DTU 會遇到很多問題，其中最多的就是GPRS DTU 運行不穩定，造成數據丟失，不適合用于站內在線監控系統；其次，WiFi是一種可以將個人電腦、手持設備（如PAD、手機）等終端以無線方式互相連接的技術。 一般而言，無障礙的話，隔10～15m 左右都可以收到信號， 隔墻的話5m 左右可以接到信號， 在傳輸距離方面不適用于加油站； 剩余的433MHz、ZigBee 兩種方式可以重點考慮。

ZigBee 是一種基于標準的遠程監控和傳感器網絡應用技術。 常見的ZigBee 模塊都是遵循IEEE802.15.4 的國際標準，并且運行在2.4GHz 的頻段上，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸，傳輸距離在幾十米到兩三百米，受環境影響很大。 理論上根據現場應用環境，受到加油機與加油站距離遠近、監控電腦放置位置、 傳輸空間是否隔墻以及加油機屏蔽信號的強弱等因素影響， 有些加油站無法完成數據的穩定傳輸，ZigBee 不能完全適用加油站無線組網。

433MHz 無線收發模組，采用高頻射頻技術，因此也叫RF433 射頻小模塊。其由全數字科技生產的單IC 射頻前端與單片機組成， 可高速傳輸數據信號的微型收發信機，對無線傳輸的數據進行打包、檢錯、糾錯處理。元器件都采用工業級標準，工作穩定可靠，體積小便于安裝。 主要技術指標。

通訊方式：調幅AM

工作頻率：433MHz

頻率穩定度：±75KHZ

發射功率：≤500mW

靜態電流：≤0.1uA

發射電流：＜35mA

工作電壓：3.6～5.5V

調制方式：FSK

工作信道：32 個頻段選擇

傳輸距離：小功率500m，大功率800m

采用433MHz 無線收發模塊組網方式比較靈活、方便。 置于中控室的在線監控平臺電腦通過USB 口或串口連接433MHz 無線收發模塊， 置于加油機內部的采集器控制器通過其主板與433MHz 無線收發模塊連接， 即可實現數據的上傳和下發功能。 無線組網方式需要按照一定的規則部署，可以把監控平臺看做上位機，加油機內部安裝的數量不限的采集控制器，看做是下位機，一個上位機與眾多下位機處于同一信息通道，任何一點的無線收發模塊在發送數據時，其他點的無線收發模塊都能夠同時收到數據，因此，需要建立數據收發機制，保證同一時刻只有一個無線收發模塊發送數據，其他模塊需要建立辨識機制，確定自身是否為目標接收者，同時不能因為網絡通道的往來數據干擾正常工作。 為此，建立無線在線監控數據傳輸軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 無線在線監控數據傳輸軟件流程圖

4 結論

現階段， 加油站有線和無線兩種組網方式并存。 其中，有線組網方式比較傳統，技術相對成熟，應用較廣；但隨著無線技術的不斷發展和進步，尤其是無線加油機的出現，無線組網方式的應用成了必然結果。 433MHz 射頻技術已經在加油站在線監控中成功應用，其穩定性、可靠性以及在防爆安全方面得到3 年以上的現場考驗，今后將成為加油站無線組網的趨勢選擇之一。