溫濕度及漏水監測管理系統在海上平臺的應用

朱小津，王 云，趙效賠

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業公司 天津 300457)

0 引言

為提高海上石油平臺現場電氣房間的管理水平，消除潛在隱患和逐步向智慧型電氣房間的模式轉變，某海上平臺電氣專業人員通過資料查詢借鑒，針對石油平臺電氣房間的特點制定了一套溫濕度及漏水監測結合的智能監控管理系統。該系統可對電氣房間內溫濕度變化情況及房間漏水情況進行實時監控，發現異常第一時間做出報警提示，并可根據室內實際情況控制室內通風設備的運行，以達到溫濕度監控、漏水監測、設備控制綜合管理的目的。

海上天氣情況比較復雜，常伴隨高溫高濕的環境條件，影響海上平臺電氣房間設備的絕緣性能，長期如此必定會影響電氣設備的使用壽命，給安全穩定生產帶來不利影響[1]。同時，由于平臺上電氣房間內空間有限，相關的高中低壓盤柜擺放密集，上下層甲板間各類管線密集，長年運行后電氣盤柜可能存在變型開裂，房間也存在腐蝕情況，一旦下雨或管線泄漏則電氣房間就可能出現漏水現象[2]，現場也沒有集中的溫濕度及漏水監測的手段。

1 設計思路

1.1 實現方式

①在電氣房間內安裝一個溫濕度和漏水的檢測控制系統，具有即時監控、事前警告、事中告警、事后管理、集中管理等監控管理的功能。

②在房間關鍵部位配置帶有lcd指示電路的溫濕度傳感器對環境濕度進行監控，既可以從溫濕度傳感器表面實時查看當前的氣溫和濕度數據，也可以利用溫濕度傳感器的RS485智能端口與通信協議采取總線將信息接到監測主機串口的方式，由監測平臺軟件實現對溫濕度傳感器的實時監控。

③在水滲漏地區的四周布設滲漏傳感線，當出現滲漏情況時傳感線將告警信息輸送到地域式滲漏監控模組，再經過地域式滲漏監控模組產生的干接點將告警信息垂直送至監測主機上的DI口，由監測平臺軟件實現對滲漏的現場監控。

1.2 實現功能

①實時監控房間范圍內的氣溫和相對濕度值，并支持與其他子系統的聯合管理功能，如在氣溫過高時自動聯合開啟通風設備等。

②控制系統可對氣溫和相對濕度參數設置越限閥值(包括上下界、恢復上下界)，如果溫濕度出現越限告警控制系統將進行告警，同時產生告警事件，對其進行記錄存儲并提出相關處理建議。

③增加了歷史記錄信息，可查看所有告警數據信息和具體告警日期的參量值，并可導出為Excel格式，便于管理者更全面掌握室內的溫濕度情況。

④系統實時監控機房的滲漏狀況，當出現滲漏情況時系統自動告警，同時對相關事件進行記錄，第一時間發出警報。

2 系統的搭建

所用溫濕度模組是一款具有自校準數字信號輸出方式的溫濕度綜合感應器。它應用專有的數碼模塊采集工藝技術和溫濕度傳感器工藝技術，保證商品擁有極高的可信度與長久的穩定能力。感應器包含一組電容式感濕器件和一組精密測量器件，并與一組高性能8位數字單片機相連接，所以該產品具有質量優異、超快響應、抗干擾力量強、性價比高等優勢。所有感應器都在極其精密的溫濕度校測室中完成校準，校正系數以程序的形態存放在單片機系統中，傳感器產品內部在測量信息的過程中要調取這個校正系數。標準單總線端口使網絡系統整合變得簡易便捷，超小的容積、極低的功率保證信息傳遞間距可達20m以上，使其成為苛刻的應用場景的最好選項[3]。產品為3引線(單總線端口)，聯系方便，特殊封裝形式可依據用戶需求而制定。

所用模組的供電電壓覆蓋范圍為3.5～5.5V，建議供水電壓為5V。數據線SDA接口為三態架構，用 來讀取傳感器數據信息。引腳分配如圖1所示。

圖1 引腳分配圖Fig.1 Pin assignment diagram

器件使用簡化的單總線方式通信，單總線只是一 個數據信息線，整個網絡系統中的數據信息交流、管理均由數據信息線實現。裝置(微處理器)透過某個漏極開路或三態端口連至該數據線，使得裝置在不傳送數據信息時可以產生總線傳輸信號，讓其他裝置利用總線傳輸信號；單總線一般需要外接一塊約5.1kΩ的電阻，當總線閑置時其運行狀態為高電平。由于它們是主從結構，只有計算機撥打傳感器數據時傳感器數據才會應答，所以計算機使用傳感器數據都需要嚴密按照單總線順序，一旦發生順序錯亂，傳感器數據將不應答計算機。

SDA用作微數據處理設備與各模塊相互間的各種數據溝通和各種數據信息同步，使用單總線數據信息格式一次性傳輸40位數據信息，高位先出。通信時序如圖2所示，通信格式介紹見表1。

圖2 具體通信時序Fig.2 Specific communication sequence

表1 通信格式說明Tab.1 Description of communication format

用戶計算機(MCU)發出一個啟動信息(把數據總線通道SDA拉低達到800μs)后，模塊由休眠模型切換至高速模型。待服務器啟動信號完畢后模塊發出應答訊號，從數據總線SDA串行送出40Bit的數據消息，先發出字節的高位；發出的統計消息順序為相對濕度高位、相對濕度低位、環境溫度高位、環境溫度低位、校驗位，收發數據信息完成后觸發一個數據信息收集，收集完成感應器自行進入到休息模型，直至下一段傳輸到來。

液晶顯示屏可選擇Nokia 5110，其通過串行接口與主處理器實現通信，連接信息線的總量大幅減少，包含供電和接地在內的信息線僅有9條。支援各種串行通信協議(如AVR單片機的SPI、MCS51的串口模式0等)的傳輸速度達到4Mbps，可全速寫入顯示數據信息，無等候時限。

可使用導線膠連接模組與印刷版，而不必連接線纜，模組上的金屬鉤可將模組緊固到印刷板上，十分方便裝配和調換。LCD控制器/驅動系統晶片已綁定到LCD晶片上，模組的容積很小。使用低電壓供電，工作電壓范圍在3.3V以內，通常出現時其實際工作電流范圍在200μA以內，且具備掉電模式。Nokia 5110內部電路圖如圖3所示。

圖3 Nokia 5110內部電路圖Fig.3 Nokia 5110 internal circuit diagram

Nokia 5110(PCD8544)的通信協定是一種不用MISO只是MOSI的SPI協定，故單片機要有豐富的SPI端口，也可以使用硬件SPI，但一般無此必要，只要求軟件程序仿真而已。

表示漢字可以采用2種點陣方式，一類是12×12點陣，一類是16×16點陣，上面也有一款手動抽取字模的小應用軟件“3310液晶顯示屏漢字抽取程式”，這種小程式只適合于水平尋址(V＝0)。

當使用12×12點陣漢字時，因為是非8的整數倍數，所以行與行中間必須相隔，這樣的話才能完全表示單個漢字。

顯示器的繪圖像素分辨率尺寸不得高于84×48，也有一款字模獲取小應用軟件Zimo21能夠協助我們獲得圖像的像素數組，但要關注Zimo21軟件功能的設定，不然的話就展示不了需要的照片。

3 現場鋪設

3.1 監控主機與監控顯示器安裝

考慮到信號電纜及電源鋪設的規范性和后期人員巡檢的操作便利性，計劃將監控主機安裝在MCC低壓配電盤旁故障錄波器機柜內，該機柜內變壓器在線監測上位機與IP互聯對講，中繼臺中間位置可安裝該監控主機。監控顯示屏固定在值班室EMS上位機后方墻體上，方便人員巡檢。監控主機安裝位置如圖4所示。

圖4 監控主機安裝位置Fig.4 Installation location of monitoring host

3.2 檢測傳感器的定位安裝

檢測傳感器分為溫濕度傳感器和漏水監測傳感器。OM-TH-B801溫濕度傳感器和OM-LDA-B801區域式漏水控制器如圖5、6所示。

圖5 OM-TH-B801溫濕度傳感器Fig.5 OM-TH-B801 temperature and humidity sensor

圖6 OM-LDA-B801區域式漏水控制器Fig.6 OM-LDA-B801 regional water leakage controller

溫濕度傳感器安裝在開關間內透平控制盤上方、中壓盤上方和高壓盤上方，共計3個，以監控房間內所有區域的溫濕度變化情況，實現區域全覆蓋。具體布置如圖7所示。

圖7 溫濕度傳感器布置圖Fig.7 Layout of temperature and humidity sensors

溫濕度監測器現場安裝效果圖如圖8所示。

圖8 溫濕度監測器現場安裝效果圖Fig.8 Field installation effect drawing of temperature and humidity monitors

漏水感應繩現場安裝效果圖如圖9所示。

圖9 漏水感應繩現場安裝效果圖Fig.9 Field installation effect drawing of water leakage sensing rope

3.3 電纜鋪設

①主電源線取自監控主機所在機柜內部，以前期安裝的插線排作為電源，此路電源為UPS電源，保證在失電情況下該套監控系統可正常工作和監控各房間內環境變化情況。

②信號輸入電纜需鋪設3個溫濕度傳感器和 6個漏水檢測傳感器至監控主機，以及監控主機至監控顯示屏的網線。

③信號輸出電纜需鋪設輸出模塊至低壓盤主開關間進風機電源抽屜電纜。

④電纜的鋪設應規范和不影響其他人員正常施工作業，鋪設也應考慮美觀性。

3.4 主機、傳感器、監控顯示器連接

電纜和探頭鋪設完畢后對各部分元器件進行連接，包括網線水晶頭的制作等，制作工藝應規范。

3.5 系統整體調試

整體連接完畢后進行系統的送電調試，根據現場實際情況設置溫濕度報警值和風機啟停值，并做好測試記錄。

4 應用推廣價值

海上平臺現場房間設備等因受空間限制，其布局比較緊湊，且現場各種管線錯綜復雜，各電氣房間頂部也可能存在部分液體管線，漏水發生的幾率相對較大，所以做好預防工作是海上石油平臺電氣專業人員當下的重要工作。漏水監測繩布局靈活，可以鋪設在任意需要的位置，經過測試設備的靈敏度也非常好，可以作為漏水監測的一種較好的嘗試。

海上天氣潮濕、含鹽度大，電氣房間的濕度將直接影響電氣設備和電子元件的穩定運行，近些年也發生過多起因盤柜受潮絕緣下降等引起的電氣設備故障，所以實時監測是非常必要的手段。某海上平臺溫濕度監測設備不僅能夠實時監測，還能起到根據設 定值進行報警、控制風機等設備和及時提醒人員的 作用。