基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測

1、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測作者：張雷來源：石油研究2019年第01期摘要：為有效的監(jiān)測油罐區(qū)的狀態(tài)和防止油罐區(qū)火災(zāi)發(fā)生，設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。嚴格執(zhí)行相關(guān)國家標準， 根據(jù)原油的物理特性和燃燒特性，結(jié)合油罐區(qū)布局特點，選擇了溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這六種物理量作為監(jiān)測對象，采集油罐區(qū)各個油罐的相關(guān)參數(shù)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器和客戶端，監(jiān)測油罐區(qū)溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體數(shù)據(jù)變化，實現(xiàn)對油罐區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測。關(guān)鍵詞：無線傳感器；火災(zāi)監(jiān)測；網(wǎng)絡(luò)；油罐區(qū)1. 引言石油化工生產(chǎn)過程中，油罐區(qū)的防火監(jiān)控非常重要，如果油

2、罐區(qū)某個地方一旦發(fā)生火災(zāi)，將會造成嚴重的生產(chǎn)事故，帶來巨大破壞和人員生命傷害。2010 年 1 月，中石油蘭州石化公司 303 廠出現(xiàn)了嚴重生產(chǎn)事故，316 罐區(qū)油罐發(fā)生爆炸和火災(zāi)，造成 6 人死亡和近 900 萬元經(jīng)濟損失1。因此，對油罐區(qū)進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)油罐區(qū)的火災(zāi)預(yù) 防和報警系統(tǒng)，防止油罐區(qū)發(fā)生安全事故，降低損失，是石油化工生產(chǎn)過程中非常重要的問題?，F(xiàn)有的油罐區(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)主要利用傳感器采集儲油罐相關(guān)參數(shù)，通過集散控制系統(tǒng)，將儲油罐數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控室，這些數(shù)據(jù)包括利用熱電偶測量儲油罐內(nèi)部溫度，利用雷達液位計測量油料液位，利用各種氣體探測器檢測輸油管與儲油罐接口處的甲焼、乙院、丙焼等可燃氣體

3、的濃度2。而監(jiān)控室監(jiān)控人員將對數(shù)據(jù)進行觀察，如果發(fā)現(xiàn)數(shù) 據(jù)異常，則派人到現(xiàn)場巡查，查找異常原因。如果油罐區(qū)發(fā)生火情， 則按下火災(zāi)報警器并打開消防集散控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的油罐區(qū)監(jiān)測和火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)存在著較大缺陷，主要依靠人工巡查發(fā)現(xiàn)異常，人工手動處理異常并進行報警，自動化程度低。隨著無線傳感器技術(shù)（WSN）的發(fā)展，可以更加方便、快捷的在油罐區(qū)按照布置數(shù)據(jù)采集設(shè)備，無需復(fù)雜的線路設(shè)計，既減少安裝成本，又提高油罐區(qū)安全性，減少設(shè)備維護巡查時間。因此，將無線傳感器技術(shù)應(yīng)用于油罐區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測，將具有重要的意義。2. 系統(tǒng)總體設(shè)計根據(jù)歷年統(tǒng)計結(jié)果，油罐區(qū)火災(zāi)發(fā)生年平均率僅為 0.448%，火災(zāi)發(fā)生原因主要有明火

4、、靜電、雷擊、設(shè)備故障等，而大部分火災(zāi)是由于未嚴格執(zhí)行操作規(guī)程而導(dǎo)致。目前，油罐區(qū)的設(shè)計建造是依據(jù) GB 50074-2002石油庫設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，在油罐區(qū)，同一個油罐組內(nèi)，最多只允許有 6 個容積為 10104 m3 的油罐，每個油罐區(qū)油罐布局不允許超過兩排。根據(jù) GB50183-2004石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范的規(guī)定，油罐區(qū)消防系統(tǒng)主要包括固定式冷卻水系統(tǒng)和固定式低倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)，消防系統(tǒng)需要可以實現(xiàn)手動和自動的控制。油罐區(qū)消防系統(tǒng)還包括消火栓、泡沫栓、固定式消防水泡和滅火器等進行輔助消防滅火。以某國家石油儲備基地為例，基地內(nèi)建有 30 座 10104 m3 鋼制雙盤式外浮儲罐，和配套

5、的消防、通信、設(shè)備等。該基地分為 5 個罐區(qū)，每個罐區(qū)內(nèi)建有 6 座 10104 m3 儲罐。整個基地的火災(zāi)危險性為甲類， 基地內(nèi)火災(zāi)危險性較大的區(qū)域包括油罐區(qū)、輸油泵棚、進出站閥組區(qū)等。根據(jù)油罐區(qū)的布局特點和現(xiàn)狀，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測將主要包括：1）油罐區(qū)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括設(shè)計安裝多種傳感器，采集油罐區(qū)每個儲油罐的狀態(tài)參數(shù)，包括溫度、壓力、可燃氣體檢測等3；2）無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，根據(jù)油罐區(qū)無線傳感器節(jié)點 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計各傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、路由算法等；3） 數(shù)據(jù)存儲、查詢、和實時處理、異常報警，包括初步處理采集的油罐區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)利用客戶端和移動設(shè)備實時查看油罐區(qū)狀

6、態(tài)，同時對油罐區(qū)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，有效預(yù)報油罐區(qū)的異常。根據(jù) GB50183-2004石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范的規(guī)定， 在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)時，嚴格按照規(guī)定，選擇相關(guān)傳感器部件、設(shè)計軟硬件、網(wǎng)絡(luò)布置、電氣設(shè)計等，并符合國家消防安全資格認證（CCCF 認證）。圖 2.1 所示為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計。該基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，所使用的傳感器、芯片、配件、設(shè)備等價格便宜、可靠性高，系統(tǒng)所需成本低，而且系統(tǒng)維護、更新方便、快捷，非常適用于油罐區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測。2.1 油罐區(qū)火災(zāi)探測傳感器選擇油罐區(qū)內(nèi)油罐主要儲存的是原油，原油的閃點低于 28，火災(zāi)危險

7、性很大，因此油罐內(nèi)溫度的變化，對油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測非常重要，因此需要選用合適的溫度傳感器。同時，根據(jù)對原油燃燒過程的研究， 可以得出油罐區(qū)著火后，將會經(jīng)歷四個階段：著火早期、陰燃階段、油罐原油全燃階段和原油燃盡熄滅階段。每個階段所產(chǎn)生釋放的物質(zhì)存在又較大的區(qū)別。在著火早期階段，原油將發(fā)生慢慢的熱解，此時一般會產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、細小不可見微粒等，燃燒釋放的能量也很少。隨著燃燒的繼續(xù)，將進入原油陰燃階段，此時原油發(fā)生了進一步熱解，釋放更多的一氧化碳、二氧化碳，也會產(chǎn)生人眼可見的微粒，燃燒釋放的熱量也很大，油罐區(qū)溫度顯著升高。在原油全燃階段，出現(xiàn)大量火焰，一氧化碳、二氧化碳和煙霧進一步增多，同時產(chǎn)

8、生大量的可燃氣體，油罐區(qū)溫度直線上升。最后，在原油耗盡熄滅階段，原油被慢慢燃盡，油罐區(qū)溫度也開始慢慢下降，燃燒所產(chǎn)生的氣體、煙霧也慢慢消散4。在油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測時，需要嚴格執(zhí)行相關(guān)國家標準，因此需要執(zhí)行GB4717-2005 火災(zāi)報警控制器、GB4716_2005 點型感溫火災(zāi)探測器、GB4715-2005 點型感煙火災(zāi)探測器、GB15322.1-2003 可燃氣體探測器等國標的要求。根據(jù)油罐區(qū)原油的物理性質(zhì)和燃燒特性，油罐區(qū)的溫度變化非常敏感，同時當原油燃燒時，將會產(chǎn)生大量的一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體，同時濕度也將會顯著性變化，因此我們選擇溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這六種

9、物理量作為監(jiān)測對象。國標中對火災(zāi)監(jiān)測傳感器要求為：溫度精度為0.01，濕度精度為 1%RH，氣體濃度精度為 1ppm，同時要求火災(zāi)響應(yīng)時間小于 10s?？紤]目前的相關(guān)傳感器的性價比和已有的火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)，表 1 所示為我們所選擇的傳感器種類和性能參數(shù)。2.2 傳感器節(jié)點模塊設(shè)計油罐區(qū)面積較大，范圍較廣，單個油罐發(fā)生火災(zāi)，將會引起連鎖反應(yīng)，因此需要對每個油罐進行監(jiān)測。因此，傳感器節(jié)點設(shè)計時，需要將選用的 6 種傳感器集成在一起，統(tǒng)一布置在油罐區(qū)每個油罐周圍。圖 2.2 所示為傳感器節(jié)點模塊的設(shè)計。傳感器節(jié)點模塊設(shè)計完成后， 將模塊安置于油罐區(qū)每個油罐頂部，監(jiān)測油罐內(nèi)原油狀態(tài)。2.3 節(jié)點控制模塊傳

10、感器節(jié)點模塊主要負責(zé)采集油罐區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)，但是需要設(shè)計控制模塊，實現(xiàn)傳感器節(jié)點的有規(guī)律的數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸。圖2.3所示為各傳感器節(jié)點控制模塊。節(jié)點控制模塊主要功能是：1）各傳感器數(shù)據(jù)采集的管理；2）監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、本地存儲、傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)； 3）無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、管理、維護；4）電源的管理，增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用壽命。微處理器選用 ARM 的 LPC1225 芯片，射頻模塊選用 CC2530 芯片。2.4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要實現(xiàn)油罐區(qū)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器端外部網(wǎng)絡(luò)的通信和數(shù)據(jù)傳輸。我們選用芯片為 RT5350 的 Zig Bee 網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)： 1）接受服務(wù)器和客戶端指令，傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，發(fā)送

11、到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；2）接受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送的油罐區(qū)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，上送到服務(wù)器端。3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計圖 3.1 所示為傳感器節(jié)點的程序設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。當油罐區(qū)無線傳感器節(jié)點布置完成后，每個傳感器節(jié)點將按照圖中所示流程，完成油罐區(qū)數(shù)據(jù)的采集、傳輸。3.2 節(jié)點控制模塊軟件設(shè)計圖 3.2 所示為節(jié)點控制模塊的程序設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。油罐區(qū)無線傳感器節(jié)點布置完成后，根據(jù)圖中的控制程序，構(gòu)建油罐區(qū)各個傳感器節(jié)點的通信、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時，需要設(shè)計路由算法和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，常用的是平衡能量使用率和網(wǎng)絡(luò)壽命的分簇自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。3.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計油罐區(qū)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行后，將持續(xù)不間斷的

12、采集油罐區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)，隨著時間的推移，將產(chǎn)生大量的油罐區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)。因此需要對采集的數(shù)據(jù)進行有效的存儲、查詢、監(jiān)測、管理。首先，需要建立油罐區(qū)狀態(tài)實時數(shù)據(jù)庫，管理、存儲油罐區(qū)無線傳感器采集到的實時油罐區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)。其次，設(shè)計用戶界面和客戶端，實現(xiàn)方便、快捷、準確、及時的數(shù)據(jù)查詢、觀測、分析。最后，需要根據(jù)油罐區(qū)原油著火后，溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這六種物理量的變化趨勢，分析數(shù)據(jù)的變化趨勢，建立油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測和預(yù)警專家系統(tǒng)，實現(xiàn)在線、實時的油罐區(qū)火災(zāi)預(yù)警。4. 結(jié)果與分析為了驗證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效性和實用性，我們模擬油罐區(qū)火災(zāi)環(huán)境，利用構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測。首先，在標準

13、燃燒室布置傳感器節(jié)點和控制模塊，搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，調(diào)試網(wǎng)絡(luò)。我們一共布置了 4 個無線傳感器節(jié)點。在每個節(jié)點處，點燃準備好的原油樣本，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，觀察采集到的數(shù)據(jù)變化。根據(jù)實驗的結(jié)果，4 個傳感器節(jié)點均能有效的采集到節(jié)點附近的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這六種物理量的變化。當原油被點燃后，溫度呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，二氧化碳濃度有著明顯的上升，濕度緩慢下降，一氧化碳濃度變化較小。由于傳感器精度限制和原油燃燒量較小，濕度和一氧化碳濃度的變化不易變化。鑒于文章篇幅，圖 4.1 和圖 4.2 所示為實驗前后傳感器節(jié)點采集的溫度、二氧化碳濃度變化。本實驗結(jié)果說明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)

14、點工作正常，可以有效的采集節(jié)點附近的相關(guān)物理量數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對油罐區(qū)溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體的變化進行實時觀察，從而實現(xiàn)油罐區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測。5. 結(jié)語為了有效的監(jiān)測油罐區(qū)的日常狀態(tài)和實現(xiàn)油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測，設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)相關(guān)國家標準，分析原油的物理特性和燃燒特性，選擇溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃氣體這六種物理量作為監(jiān)測對象，選用了相關(guān)的傳感器，采集油罐區(qū)附近的狀態(tài)參數(shù)，并利用無線網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)椒?wù)器和客戶端。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 變有線為無線，使得油罐區(qū)的日常監(jiān)測更加方便、快捷、安全、準確， 可以降低監(jiān)測成本，提高了油罐區(qū)的安全性。參考文獻：1 劉甜，張少軒. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油井監(jiān)控系統(tǒng)J. 油氣田地面工