基于無線傳感網絡的石油化工壓縮機聯鎖報警系統設計

姜鳳茹

（河南牧業經濟學院，河南鄭州450044）

石油化工壓縮機是一種壓縮氣體提高氣體壓力或運輸氣體的機器，在石油化工行業具有廣泛的應用。在壓縮機使用方面，要重視設備磨損及損壞情況。壓縮空氣作為動力，壓縮氣體用于制冷和氣體分離，方便用于合成及聚合。目前大部分石油化工企業所用大型化工壓縮機，主要包括工藝空氣壓縮機、原料氣壓縮機、氨冷凍壓縮機、合成氣壓縮機等。石油化工壓縮機是石油化工生產過程中的核心設備，其作用是讓石油化工生產過程中生產裝置內的氣體按照一定的順序進行吸入和排出，將石油化工生產裝置中的氣體壓縮成液體狀態。由于石油化工壓縮機運行時間較長，且運行工作量較大，長時間的超負荷運行會使石油化工壓縮機發生故障，當石油化工壓縮機發生故障時壓縮機的排氣量會有所減小，并且機身溫度和體內壓力會有所提高，如果情節比較嚴重會導致石油化工壓縮機處于癱瘓狀態。如果不能及時發現石油化工壓縮機的故障，會嚴重降低石油化工壓縮機的生產效率和運行質量。為了解決該問題，相關學者在該方面進行了研究，并提出利用連鎖報警系統判斷石油化工壓縮機運行狀態，根據判斷結果發出警報，提示工作人員對石油化工壓縮機進行及時的維修和處理。但是由于石油化工壓縮機運行過程中會產生大量的數據，現有的連鎖報警系統對于數據的采集、傳輸、分析不夠及時，進而導致系統報警響應延遲，且延遲時間較長，已經無法滿足石油化工壓縮機連鎖報警需求，為此提出基于無線傳感網絡的石油化工壓縮機聯鎖報警系統設計。

1 基于無線傳感網絡的石油化工壓縮機聯鎖報警系統硬件設計

此次在傳統系統硬件基礎上，額外設計了無線傳感裝置，結合石油化工壓縮機的實際需求，為了保證系統對石油化工壓縮機運行數據的有效采集和傳輸，此次系統設計采用較為廣泛的無線傳感網絡技術來進行壓縮機探測無線傳感器硬件設計[1]。石油化工壓縮機的運行故障表現特征是排氣量減少，機身溫度和內部壓力增大，因此本文分別采用溫度無線傳感器、壓力無線傳感器以及流量無線傳感器三種無線傳感裝置，對石油化工壓縮機氣體流量、溫度以及壓力等特征參數進行采集和傳輸，其中流量無線傳感器采用的是上海達拉斯公司生產的GH262512VO流量傳感器，在實際工作中流量無線傳感器的安裝位置盡量靠近石油化工壓縮機排氣口；溫度傳感器采用的是美國OHDO公司生產的VGDSD-2585溫度無線傳感器，將其安裝在石油化工壓縮機機身一側；壓力傳感器采用的是上海GYFF公司生產的FGHD/S55DF4F壓力無線傳感器，其安裝位置布置在石油化工壓縮機排氣口內部。三種無線傳感器體積較小，并且具有較強的抗干擾能力，此外還具有精度高、效率快等優點。

將三種無線傳感器與石油化工局域網連接，由此構成一個無線傳感網絡，無線傳感網絡對石油化工壓縮機數字數據的采集和傳輸分別集成在三個無線傳感器芯片上，其主要工作任務是采集和處理石油化工壓縮機數據，無線傳感器具有PID只讀存儲器和LOH數據暫存器兩種形態的存儲資源，其中PID只讀存儲器用于存放石油化工壓縮機數字數據ID編碼，數字數據ID編碼共50位，LOH數據暫存器用于無線傳感網絡內部計算和數據存取，只是起到一個暫時存儲石油化工壓縮機數字數據作用。利用以上兩種形式的存儲資源對石油化工壓縮機數字數據進行采集，為系統連鎖報警提供數據支撐。

2 基于無線傳感網絡的石油化工壓縮機聯鎖報警系統軟件設計

2.1 基于無線傳感網絡的石油化工壓縮機數據采集

此次采用無線傳感網絡技術實現對石油化工壓縮機數據采集，利用局域網將系統與無線傳感裝置進行連接，組成無線傳感網絡，由系統控制單元向無線傳感網絡發出ROM指令，系統在每個工作周期內只能發送三條ROM指令，其中包括ROM數據讀取、指定無線傳感匹配芯片、跳過ROM，ROM無線傳感指令長度為16位；無線傳感裝置接收到指令后立即對指令進行執行，并且向存儲器發送具體操作指令，其中包括寫ROM數據、讀ROM數據、復制ROM數據、ROM數據格式轉換等；存儲器按照無線傳感網絡讀寫時序來對石油化工壓縮機運行數據進行采集。

2.2 石油化工壓縮機數據傳輸

采集完石油化工壓縮機數字數據后，采用總單線通信協議對采集后的數據進行處理和傳輸，其總體流程為：首先對石油化工壓縮機數據進行初始化，即將無線傳感網絡采集到的數據格式、屬性進行初始化[2]。然后對無線信道進行掃描，掃描的目的是檢測信道是否存在數據，如果信道內有需要傳輸的數字數據，則需要申請加入系統網絡[3]。待系統批復允許進入后，系統將啟動定時器，對OSCL目錄進行輪詢，在輪詢過程中系統的終端節點通過事件觸發機制，系統根據事件機制對事件進行判斷，如果存在事件發生則將執行對數據傳輸事件的處理，如果沒有事件發生，則系統的數據傳輸單元進行睡眠模式，直到下一次OSCL目錄輪詢[4]。最后系統通過Zig Bee網絡將石油化工壓縮機數字數據上傳到下一個路由或者網絡節點上，以此實現系統數據傳輸，如圖1所示。

圖1 石油化工壓縮機數據傳輸圖

2.3 石油化工壓縮機運行分析及報警

化工壓縮機的聯鎖保護系統可以根據規定要求控制相關操作系統。我們將聯鎖保護大概分成兩個部分，其中一個部分為因工藝參數超出最低限制而啟動的聯鎖保護，另外一部分為石油化工壓縮機可進行常規運行或與其它設備相關聯所必備的聯鎖[5]。第一部分可控制壓縮機組的運行或暫停，一些裝置脫離聯鎖或更改壓縮機運行方式的的聯鎖保護；第二部分涵蓋了程序聯鎖、設備的開、停運聯鎖及相互聯鎖等等。

聯鎖保護系統的主要功能是可以確保化工壓縮機有效運行，當壓縮機處于開啟狀態時，要求變量數值符合開啟條件，若存在某一指標不合格，聯鎖保護系統啟動功能暫停壓縮機開啟。若壓縮機處于運行狀態中，當某一指標超出正常值，聯鎖保護系統也會發揮其作用，強制暫停壓縮機運行[6]。

事故時聯鎖：石油化工壓縮機運行過程中存在異常危險，聯鎖保護系統可根據操作要求緊急啟動操作系統，自動投入備用的機泵和系統，應付出現的異常情況[7]。

系統根據傳輸的石油化工壓縮機數據，由預警單元對數據進行分析，判斷石油化工壓縮機運行狀態[8]。在系統的預警單元內設定了排氣量、溫度和壓力三個參數閾值，這三個參數閾值具體數值的設定可以參考石油化工壓縮機正常運行參數來確定，預警單元將采集到的數據與閾值進行比對，如果超出設定閾值的1%，則說明此時石油化工壓縮機的運行狀態為非常規狀態，由預警單元向系統發送信號，系統將接收到的信息顯示在系統主界面上，并控制報警器發出警報[9]。如果沒有超出設定閾值的1%，則說明此時石油化工壓縮機運行正常，預警單元自動執行下一個分析程序[10]。圖2為石油化工壓縮機連鎖報警流程圖。

圖2 石油化工壓縮機連鎖報警流程圖

按照圖2所述流程對石油化工壓縮機運行狀態進行分析和預警，以此完成了基于無線傳感網絡的石油化工壓縮機聯鎖報警，進而實現了基于無線傳感網絡的石油化工壓縮機聯鎖報警系統設計。

2.4 石油化工壓縮機運行故障報警死區

石油化工壓縮機處于開啟狀態下，設備的部分參數會在預警線上有一定的波動，致使系統不間斷的報警，經過評估發現一些報警屬于誤報警，影響系統正常運行[11]。基于此本文所述的壓縮機異常預警系統設置了一個報警死區，該報警死區的范圍可以在報警系統中根據實際情況設置[12]。圖3所示為壓縮機運行異常報警死區基本原理圖。基本原理是在原報警線的基礎上設置一個報警范圍，該范圍稱為死區范圍，超過死區范圍系統才會發生報警，當機器運行參數在死區范圍波動時系統不會發生報警動作[13]。通過設置死區范圍，可以降低很多不必要的錯誤報警行為，提升了化工壓縮機預警系統的可靠性[14]。

圖3 壓縮機運行異常報警死區基本原理圖

3 實驗論證分析

實驗以某石油化工壓縮機為實驗對象，該壓縮機型號為HUJUD/565DF，用于石油化工生產已經有兩年時間，實驗利用此次設計系統與傳統系統對該石油化工壓縮機進行連鎖報警。化工壓縮機聯鎖報警系統在上位機中設置遠程集中控制圖像，圖像中可體現出化工壓縮機的內部結構，另外還可制作成管道流動模擬視頻。播放生動的視頻畫面，工作人員很容易了解石油化工壓縮機聯鎖報警系統的運行狀況，可有效避免誤操作。在畫面中設置所有空氣壓縮機的啟停按鈕，通過該按鈕可以實現積極的遠程啟停。還創建有單控/聯控切換按鈕，通過該按鈕能夠在單機控制和聯動控制之間進行靈活轉換，使之更滿足實際需要。

實驗環境設計：以Windows2010為操作系統，選取16GB硬盤，內存為32GB。實驗中將三種無線傳感器數據采集頻率參數設定為1.65Hz，掃描范圍設定為0~100mm，數據采集周期設定為10s。系統預警單元中排氣量閾值設定為0.25L，溫度閾值設定為75℃，壓力閾值設定為4.5pa。實驗時間為6h，在6h內由兩個系統對該壓縮機狀態進行監測，并利用HUP軟件記錄兩個系統報警前數據讀取時間和發出報警時時間，計算出兩個系統報警響應的延遲時間，對兩種系統響應延遲時間進行對比分析，實驗結果如表1所示。

表1 兩種系統報警響應延遲時間對比/s

從表1中數據可以看出：設計系統報警響應比較及時，延遲時間遠小于傳統系統，因此實驗證明了設計系統在報警響應方面更優于傳統系統。

4 結束語

石油化工壓縮機作為石油生產中一個必不可少的機械設備，其運行的穩定性對石油化工生產具有重要作用，此次結合石油化工壓縮機運行特征以及報警需求，在傳統系統基礎上，采用無線傳感網絡技術設計了一套新的報警系統，實現了對石油化工壓縮機報警系統的完善與創新，加快了石油化工壓縮機連鎖報警系統的響應速度，有效解決了系統延遲問題，在石油化工壓縮機連鎖報警方面具有良好的推廣意義。