基于Mesh无线网络的检测系统在油气处理厂中的应用.pdf

技术研究 96 2023年第9期1 背景某油气处理厂的设备除了透平是运用实时状态检测，但其它设备包括泵，往复压缩机等都是处于无检测状态，只能通过现场巡检通过听 感知等方式对设备状态进行判断，处于一种最传统的维修模式事后维修。该终端现场有30台左右的泵（包括离心泵和柱塞泵，大部分是离心泵），三台往复式压缩机；该终端投产接近20年，现场设备出现老化维修量增大已经是一个事实，如何保证生产安全进行，实施状态监测成为了一种手段和保证。但是在一个已投产的工厂进行全面的自动化改造是不现实的：改造中安装布线成本太高，由于安装布线需要停车动火而造成的停产损失更是无法计算。传统的有线监测仪表已不适合此类改造项目，无线传感器已开始慢慢渗透入工业领域中，极大地减少了布线安装成本及停车停产带来的损失。目前国际自动化厂商包括Honeywell，Emerson，ABB，GE等都已推出基于ISA100或者Hart7协议的无线传感器，但是由于高昂的协议许可证费用，其无线产品价格是同类有线产品的两倍甚至更高。而国内无线传感器产品多采用Zigbee、WiFi、Mesh网络协议，但是基于Zigbee、WiFi协议的网络设备，在化工厂复杂的电磁环境中难以保证可靠的数据传输。而基于工业无线Mesh网络由嵌入式片上系统多跳自组织网络系统，能够很好地解决化工厂金属结构多，屏蔽强的问题，且无线Mesh网络在国内技术相对成熟，成本价格较低，具有很强的推广性。2 无线 Mesh 网络的基本介绍2.1 无线 Mesh 网络的拓扑特点无线Mesh网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成。节点可以配备众多类型传感器，探测包括温度压力振动位移等多种物理量。几点之间通过无线信号进行通讯，形成的一个多跳自组织网络，并通过互联网进行信息通讯和发布。传统的无线网络如无线局域网（WIFI）和移动通信网（GPRS CDMA）一般都是星型网络结构，如图 1所示。这这种结构中，无线终端之间不能通信，所有的通信必须通过特定的设备比如手机基站进行。星型网络结构简单容易实现，但是传输距离不已扩展。一旦无线节点传输受阻，或者离开了基站的覆盖面，该节点将脱离网络。图1 星型网络结构布局无线Mesh网络采用了自组织自修复，多跳式传输的网状网络，如图 2所示。在这种网络中，所有的节点能与临近节点通信，具有转发数据的能力。这种网络最大的好处是充分利用了无线节点的通信能力，以最低成本实现了网络的覆盖面积。无线传感器网络的下列特点使它十分适合于需要长时间的进行监测，需要安装大量节点大面积的监测，电源供给不便，布线成本高的监控系统中。图2 网状网络结构布局基于Mesh无线网络的检测系统在油气处理厂中的应用刘超中海石油（中国）有限公司海南分公司 海南 海口 570100摘要：传统的设备状态监测系统一般都采用有线模式，但是在有些场合下，特别是在一个已投产多年的化工厂进行全面自动化改造时，现场条件恶劣，传感器布线不便或者走线成本过高，都会限制系统的使用，而监测仪器中，特别是传感器端，电缆的故障或破损也会影响仪器的正常使用，增加了对维修工作的要求。针对这种情况，介绍一种基于Mesh网络网络进行搭建的无线远程监测系统，它由嵌入式片上系统多跳自组织网络系统后台管理平台等共同组成，适用于电磁辐射强，金属屏蔽性多的化工厂。关键词：Mesh无线网络 传感器节点 路由器节点 无线基站 97 技术研究2023年第9期2.2 无线 Mesh 网络的应用优势自组织和自修复：由于整个网络是节点与节点之间的动态连接形成的，一旦某条链路由于环境变化受到阻碍，节点会设法找到一条新的路径进行传输，如图 3所示1。图3 仪通微感无线Mesh网络的自组织和自修复特点智能化电源管理：传感器采用了最新低功耗设计，辅以智能化电源管理软件和数据融合传输算法，最大限度减少能源损耗，让电池寿命大大延长。安装在野外的传感器和路由器节点将支持太阳能供电，一劳永逸的解决了电源问题。简单方便的安装：传感器几点体积小巧，方便安装与组网。由于不存在布线的问题，采用本系统可以摆脱地形的限制，利用路由节点可以扩大网络覆盖范围，并且可以根据需要快速安装组网，和撤网收回，维护保养简化，只需简单替换节点即可，成本低廉，可以大规模安装：彻底解决布线施工困难。可靠的数据传输：传感器节点的无线通信能力，可以让节点进行协同监控。传感器网络能够根据环境变化传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应进行重新编程和重新部署。2.3 无线 Mesh 网络系统搭建基于无线传感器网络的环境监测系统主要由各种传感器节点、路由器节点、无线基站和监控服务器构成，如图 4所示2。无线基站是连接传感器网络和互联网的桥梁。所有环境数据都将汇聚到无线基站中，通过移动通信网络和卫星信道经互联网传送到监控服务器中。传感器节点将大量部署在监控区域内，定时或按需采各种状态参数。采集到的数据根据路由协议通过相邻床感情节点路由节点，最终汇聚到无线基站中3。路由节点主要用于增加无线网络覆盖范围。由于监测区域和无线基站可能相隔较远，传感器信号无法直接到达基站。通过路由节点，网络覆盖面积可以大大增加，同时减少障碍物对信号阻隔的影响4。监控服务器收到基站发送来的数据后，对数据进行分析出来记录。后台管理软件采用可视化程序和数据库设计，提供一个集中的数据访问平台。监管人员和普通用户根据权限可以访问各种实时环境信息。3 兼容无线 Mesh 网络的无线传感器 基于无线Mech传感器能对大型机组、压缩机、机泵等动设备进行在线监测。以国内支持无线Mesh网络的探测设备的参数如表 1、表2、表3所示。表 1 无线Mech震动传感器主要性能参数振动测量量程30G频率范围10Hz10kHz信号类型加速度、速度、位移A/D转换24位谱线数800、1600、3200 图4 无线传感器网络的环境监测系统组成部分技术研究 98 2023年第9期表2 无线Mech温度传感器主要性能参数温度测量测量范围（-20-85）测量精度1通讯通讯模块USSC2400M通信频率2.4GHz传输距离80m表3 无线Mech温度传感器通用参数常规指标尺寸高度135mm、直径25mm安装螺纹6mm供电单节5号电池（AA）防护等级IP65，防尘防水重量230g存储容量128Kbytes工作温度（-40-85）4 基于无线 Mesh 网络搭建的检测系统应用实例某油气处理终端，与2010年搭建基于Mesh无线网络的无线检测系统，并将无线的震动探头安装在油泵、机组上。安装情况如图5所示。2021 年 1 月 21 日动设备在线状态监测系统发现泵 P-2008/1 泵体 3H 振动速度为 3.2mm/s.加速度 57m/s2，出现 2 级报警，并呈逐步上升趋势。通过系统采集的数据进行分析后，发现泵各个测点的多个信号类型总值较大，振动趋势显示劣化速度较快。该终端的运维人员，根据系统报警情况，制定专项维修方案，在 1 月 25 日对油泵进行停运检修。经过仔细的检查发现，油泵在轴承内圈上有两处较大的剥落，另有十余处的小剥落，轴承处于寿命的中后期，与系统预测一致。图5 动设备在线状态监测系统在机泵上的应用 基于Mesh无线网络系统安装的震动检测设备，成功及时准确的采集到了机泵设备的振动和温度数据，并根据数据的异常状况给出报警提示和检修建议，达到了依据状态进行检修的效果，帮助企业降低了故障率、减少了故障停机时间。到目前为止，系统累计报警 4546 次。其中 1 级报警 1482 次、2 级报警 2944 次，3 级报警 74 次，4 级报警 46 次。基于Mesh无线网络搭建的无线检测系统，让设备的异常状态及时得到呈现，极大的帮助了设备管理和设备检修人员。5 结束语设备工况的监测和故障诊断的目的就是要检测设备的运行状态，判断设备运行是否正常。本文通过对无线Mesh网络监测的基本特点和功能介绍，并结合现场的成功应用实例分析，可以了解到，基于无线Mesh网络监测的无线检测系统，适用于生产年限较长的化工处理厂的系统性升级改造，无线监控探测设备的测量特性也能够满足化工生产处理厂的动设备的状况监测。在系统应用的情况下，既可以实时得到现场设备的运行状态，又可以预报故障趋势，这对提高设备运行的可靠性，降低设备的维修费用有一定的经济效益和社会效益。参考文献1 田峰，杨震.基于 Mesh 技术的网络融合与协同 J.中兴通讯技术，2008（3）：13-17.2 陶李.无线.mesh 网多路径路由协议的设计 J.赤峰学院学报（自然科学版），2017（1）：12-14.3 黄华，陈超杰，张文辉，等，红外测温数据采用无线 Mesh 网络传输的研究 J.华东电力，2013（11）：2301-2304.4 孙继，徐卿.矿井无线中继应急通信系统实现方法 J.工矿自动化，2021（5）：1-8.