基于无线传感网络的石油化工压缩机联锁报警系统设计

姜凤茹

（河南牧业经济学院，河南郑州450044）

石油化工压缩机是一种压缩气体提高气体压力或运输气体的机器，在石油化工行业具有广泛的应用。在压缩机使用方面，要重视设备磨损及损坏情况。压缩空气作为动力，压缩气体用于制冷和气体分离，方便用于合成及聚合。目前大部分石油化工企业所用大型化工压缩机，主要包括工艺空气压缩机、原料气压缩机、氨冷冻压缩机、合成气压缩机等。石油化工压缩机是石油化工生产过程中的核心设备，其作用是让石油化工生产过程中生产装置内的气体按照一定的顺序进行吸入和排出，将石油化工生产装置中的气体压缩成液体状态。由于石油化工压缩机运行时间较长，且运行工作量较大，长时间的超负荷运行会使石油化工压缩机发生故障，当石油化工压缩机发生故障时压缩机的排气量会有所减小，并且机身温度和体内压力会有所提高，如果情节比较严重会导致石油化工压缩机处于瘫痪状态。如果不能及时发现石油化工压缩机的故障，会严重降低石油化工压缩机的生产效率和运行质量。为了解决该问题，相关学者在该方面进行了研究，并提出利用连锁报警系统判断石油化工压缩机运行状态，根据判断结果发出警报，提示工作人员对石油化工压缩机进行及时的维修和处理。但是由于石油化工压缩机运行过程中会产生大量的数据，现有的连锁报警系统对于数据的采集、传输、分析不够及时，进而导致系统报警响应延迟，且延迟时间较长，已经无法满足石油化工压缩机连锁报警需求，为此提出基于无线传感网络的石油化工压缩机联锁报警系统设计。

1 基于无线传感网络的石油化工压缩机联锁报警系统硬件设计

此次在传统系统硬件基础上，额外设计了无线传感装置，结合石油化工压缩机的实际需求，为了保证系统对石油化工压缩机运行数据的有效采集和传输，此次系统设计采用较为广泛的无线传感网络技术来进行压缩机探测无线传感器硬件设计[1]。石油化工压缩机的运行故障表现特征是排气量减少，机身温度和内部压力增大，因此本文分别采用温度无线传感器、压力无线传感器以及流量无线传感器三种无线传感装置，对石油化工压缩机气体流量、温度以及压力等特征参数进行采集和传输，其中流量无线传感器采用的是上海达拉斯公司生产的GH262512VO流量传感器，在实际工作中流量无线传感器的安装位置尽量靠近石油化工压缩机排气口；温度传感器采用的是美国OHDO公司生产的VGDSD-2585温度无线传感器，将其安装在石油化工压缩机机身一侧；压力传感器采用的是上海GYFF公司生产的FGHD/S55DF4F压力无线传感器，其安装位置布置在石油化工压缩机排气口内部。三种无线传感器体积较小，并且具有较强的抗干扰能力，此外还具有精度高、效率快等优点。

将三种无线传感器与石油化工局域网连接，由此构成一个无线传感网络，无线传感网络对石油化工压缩机数字数据的采集和传输分别集成在三个无线传感器芯片上，其主要工作任务是采集和处理石油化工压缩机数据，无线传感器具有PID只读存储器和LOH数据暂存器两种形态的存储资源，其中PID只读存储器用于存放石油化工压缩机数字数据ID编码，数字数据ID编码共50位，LOH数据暂存器用于无线传感网络内部计算和数据存取，只是起到一个暂时存储石油化工压缩机数字数据作用。利用以上两种形式的存储资源对石油化工压缩机数字数据进行采集，为系统连锁报警提供数据支撑。

2 基于无线传感网络的石油化工压缩机联锁报警系统软件设计

2.1 基于无线传感网络的石油化工压缩机数据采集

此次采用无线传感网络技术实现对石油化工压缩机数据采集，利用局域网将系统与无线传感装置进行连接，组成无线传感网络，由系统控制单元向无线传感网络发出ROM指令，系统在每个工作周期内只能发送三条ROM指令，其中包括ROM数据读取、指定无线传感匹配芯片、跳过ROM，ROM无线传感指令长度为16位；无线传感装置接收到指令后立即对指令进行执行，并且向存储器发送具体操作指令，其中包括写ROM数据、读ROM数据、复制ROM数据、ROM数据格式转换等；存储器按照无线传感网络读写时序来对石油化工压缩机运行数据进行采集。

2.2 石油化工压缩机数据传输

采集完石油化工压缩机数字数据后，采用总单线通信协议对采集后的数据进行处理和传输，其总体流程为：首先对石油化工压缩机数据进行初始化，即将无线传感网络采集到的数据格式、属性进行初始化[2]。然后对无线信道进行扫描，扫描的目的是检测信道是否存在数据，如果信道内有需要传输的数字数据，则需要申请加入系统网络[3]。待系统批复允许进入后，系统将启动定时器，对OSCL目录进行轮询，在轮询过程中系统的终端节点通过事件触发机制，系统根据事件机制对事件进行判断，如果存在事件发生则将执行对数据传输事件的处理，如果没有事件发生，则系统的数据传输单元进行睡眠模式，直到下一次OSCL目录轮询[4]。最后系统通过Zig Bee网络将石油化工压缩机数字数据上传到下一个路由或者网络节点上，以此实现系统数据传输，如图1所示。

图1 石油化工压缩机数据传输图

2.3 石油化工压缩机运行分析及报警

化工压缩机的联锁保护系统可以根据规定要求控制相关操作系统。我们将联锁保护大概分成两个部分，其中一个部分为因工艺参数超出最低限制而启动的联锁保护，另外一部分为石油化工压缩机可进行常规运行或与其它设备相关联所必备的联锁[5]。第一部分可控制压缩机组的运行或暂停，一些装置脱离联锁或更改压缩机运行方式的的联锁保护；第二部分涵盖了程序联锁、设备的开、停运联锁及相互联锁等等。

联锁保护系统的主要功能是可以确保化工压缩机有效运行，当压缩机处于开启状态时，要求变量数值符合开启条件，若存在某一指标不合格，联锁保护系统启动功能暂停压缩机开启。若压缩机处于运行状态中，当某一指标超出正常值，联锁保护系统也会发挥其作用，强制暂停压缩机运行[6]。

事故时联锁：石油化工压缩机运行过程中存在异常危险，联锁保护系统可根据操作要求紧急启动操作系统，自动投入备用的机泵和系统，应付出现的异常情况[7]。

系统根据传输的石油化工压缩机数据，由预警单元对数据进行分析，判断石油化工压缩机运行状态[8]。在系统的预警单元内设定了排气量、温度和压力三个参数阈值，这三个参数阈值具体数值的设定可以参考石油化工压缩机正常运行参数来确定，预警单元将采集到的数据与阈值进行比对，如果超出设定阈值的1%，则说明此时石油化工压缩机的运行状态为非常规状态，由预警单元向系统发送信号，系统将接收到的信息显示在系统主界面上，并控制报警器发出警报[9]。如果没有超出设定阈值的1%，则说明此时石油化工压缩机运行正常，预警单元自动执行下一个分析程序[10]。图2为石油化工压缩机连锁报警流程图。

图2 石油化工压缩机连锁报警流程图

按照图2所述流程对石油化工压缩机运行状态进行分析和预警，以此完成了基于无线传感网络的石油化工压缩机联锁报警，进而实现了基于无线传感网络的石油化工压缩机联锁报警系统设计。

2.4 石油化工压缩机运行故障报警死区

石油化工压缩机处于开启状态下，设备的部分参数会在预警线上有一定的波动，致使系统不间断的报警，经过评估发现一些报警属于误报警，影响系统正常运行[11]。基于此本文所述的压缩机异常预警系统设置了一个报警死区，该报警死区的范围可以在报警系统中根据实际情况设置[12]。图3所示为压缩机运行异常报警死区基本原理图。基本原理是在原报警线的基础上设置一个报警范围，该范围称为死区范围，超过死区范围系统才会发生报警，当机器运行参数在死区范围波动时系统不会发生报警动作[13]。通过设置死区范围，可以降低很多不必要的错误报警行为，提升了化工压缩机预警系统的可靠性[14]。

图3 压缩机运行异常报警死区基本原理图

3 实验论证分析

实验以某石油化工压缩机为实验对象，该压缩机型号为HUJUD/565DF，用于石油化工生产已经有两年时间，实验利用此次设计系统与传统系统对该石油化工压缩机进行连锁报警。化工压缩机联锁报警系统在上位机中设置远程集中控制图像，图像中可体现出化工压缩机的内部结构，另外还可制作成管道流动模拟视频。播放生动的视频画面，工作人员很容易了解石油化工压缩机联锁报警系统的运行状况，可有效避免误操作。在画面中设置所有空气压缩机的启停按钮，通过该按钮可以实现积极的远程启停。还创建有单控/联控切换按钮，通过该按钮能够在单机控制和联动控制之间进行灵活转换，使之更满足实际需要。

实验环境设计：以Windows2010为操作系统，选取16GB硬盘，内存为32GB。实验中将三种无线传感器数据采集频率参数设定为1.65Hz，扫描范围设定为0~100mm，数据采集周期设定为10s。系统预警单元中排气量阈值设定为0.25L，温度阈值设定为75℃，压力阈值设定为4.5pa。实验时间为6h，在6h内由两个系统对该压缩机状态进行监测，并利用HUP软件记录两个系统报警前数据读取时间和发出报警时时间，计算出两个系统报警响应的延迟时间，对两种系统响应延迟时间进行对比分析，实验结果如表1所示。

表1 两种系统报警响应延迟时间对比/s

从表1中数据可以看出：设计系统报警响应比较及时，延迟时间远小于传统系统，因此实验证明了设计系统在报警响应方面更优于传统系统。

4 结束语

石油化工压缩机作为石油生产中一个必不可少的机械设备，其运行的稳定性对石油化工生产具有重要作用，此次结合石油化工压缩机运行特征以及报警需求，在传统系统基础上，采用无线传感网络技术设计了一套新的报警系统，实现了对石油化工压缩机报警系统的完善与创新，加快了石油化工压缩机连锁报警系统的响应速度，有效解决了系统延迟问题，在石油化工压缩机连锁报警方面具有良好的推广意义。