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

張雷

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(jì)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(yán)格執(zhí)行相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)， 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(diǎn)，選擇了溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w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(shí)時(shí)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?xì)怏w數(shù)據(jù)變化，實(shí)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，如果油罐區(qū)某個地方一旦發(fā)生火災(zāi)，將會造成嚴(yán)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(yán)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(jì)損失[1]。因此，對油罐區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)油罐區(qū)的火災(zāi)預(yù) 防和報(bào)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。

現(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(dá)液位計(jì)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?xì)怏w的濃度[2]。而監(jiān)控室監(jiān)控人員將對數(shù)據(jù)進(jìn)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(bào)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(jìn)行報(bào)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(jì)，既減少安裝成本，又提高油罐區(qū)安全性，減少設(shè)備維護(hù)巡查時(shí)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(jì)

根據(jù)歷年統(tǒng)計(jì)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、靜電、雷擊、設(shè)備故障等，而大部分火災(zāi)是由于未嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程而導(dǎo)致。目前，油罐區(qū)的設(shè)計(jì)建造是依據(jù) GB 50074-2002《石油庫設(shè)計(jì)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 10×104 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(jì)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(shí)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(jìn)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 10×104 m3 鋼制雙盤式外浮儲罐，和配套的消防、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 10×104 m3 儲罐。整個基地的火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲類， 基地內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)性較大的區(qū)域包括油罐區(qū)、輸油泵棚、進(jìn)出站閥組區(qū)等。

根據(jù)油罐區(qū)的布局特點(diǎn)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(jì)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?xì)怏w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(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)各傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)處理、異常報(bào)警，包括初步處理采集的油罐區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)利用客戶端和移動設(shè)備實(shí)時(shí)查看油罐區(qū)狀態(tài)，同時(shí)對油罐區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，有效預(yù)報(bào)油罐區(qū)的異常。

根據(jù) GB50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定， 在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)時(shí)，嚴(yán)格按照規(guī)定，選擇相關(guān)傳感器部件、設(shè)計(jì)軟硬件、網(wǎng)絡(luò)布置、電氣設(shè)計(jì)等，并符合國家消防安全資格認(rèn)證（CCCF 認(rèn)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(jì)。

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(jià)格便宜、可靠性高，系統(tǒng)所需成本低，而且系統(tǒng)維護(hù)、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(diǎn)低于 28℃，火災(zāi)危險(xiǎn)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(shí)，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(shí)一般會產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、細(xì)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(jìn)入原油陰燃階段，此時(shí)原油發(fā)生了進(jìn)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(jìn)一步增多，同時(shí)產(chǎn)生大量的可燃?xì)怏w，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(shí)，需要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，因此需要執(zhí)行《GB4717-2005 火災(zāi)報(bào)警控制器》、《GB4716_2005 點(diǎn)型感溫火災(zāi)探測器》、《GB4715-2005 點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測器》、《GB15322.1-2003 可燃?xì)怏w探測器》等國標(biāo)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(shí)當(dāng)原油燃燒時(shí)，將會產(chǎn)生大量的一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w，同時(shí)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?xì)怏w這六種物理量作為監(jiān)測對象。國標(biāo)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(shí)要求火災(zāi)響應(yīng)時(shí)間小于 10s?？紤]目前的相關(guān)傳感器的性價(jià)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(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

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(jìn)行監(jiān)測。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，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(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)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(diǎn)控制模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)模塊主要負(fù)責(zé)采集油罐區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)，但是需要設(shè)計(jì)控制模塊，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)控制模塊。節(jié)點(diǎn)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(hù)；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(diǎn)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要實(shí)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(shí)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(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

圖 3.1 所示為傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)油罐區(qū)無線傳感器節(jié)點(diǎn)布置完成后，每個傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)控制模塊軟件設(shè)計(jì)

圖 3.2 所示為節(jié)點(diǎn)控制模塊的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。油罐區(qū)無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的通信、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要設(shè)計(jì)路由算法和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(jì)

油罐區(qū)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行后，將持續(xù)不間斷的采集油罐區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)，隨著時(shí)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(jìn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，管理、存儲油罐區(qū)無線傳感器采集到的實(shí)時(shí)油罐區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)。其次，設(shè)計(jì)用戶界面和客戶端，實(shí)現(xiàn)方便、快捷、準(zhǔn)確、及時(shí)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?xì)怏w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(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)的油罐區(qū)火災(zāi)預(yù)警。

4. 結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效性和實(shí)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(jìn)行監(jiān)測。首先，在標(biāo)準(zhǔn)燃燒室布置傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。在每個節(jié)點(diǎn)處，點(diǎn)燃準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果，4 個傳感器節(jié)點(diǎn)均能有效的采集到節(jié)點(diǎn)附近的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w這六種物理量的變化。當(dāng)原油被點(diǎn)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(shí)驗(yàn)前后傳感器節(jié)點(diǎn)采集的溫度、二氧化碳濃度變化。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)工作正常，可以有效的采集節(jié)點(diǎn)附近的相關(guān)物理量數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對油罐區(qū)溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測，設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，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?xì)怏w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(zhǔn)確， 可以降低監(jiān)測成本，提高了油罐區(qū)的安全性。

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作者簡介：

王熙康. 基于傳感網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火蔓延與火反演技術(shù)研究[D]，南京理工大學(xué)，2014.