基于ZigBee技术的气体阀门泄漏检测系统.pdf

一 一 ■ 技术交流 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 3 年第1 6 卷 基于Z i g B e e 技术的气体阀门泄漏检测系统 管士涛，陈均伟 国家知识产权局专利局专利协作广东中心 ， 广东 广州 51 0 5 3 0 [ 摘要]介绍了一种基- I - Z i g B e e 技术的气体阀门泄漏检测系统，使用Z i g B e e 技术可实现对流程工业中气体阀门泄漏情况的 检测，同时可有效地控制检测系统的成本。 [ 关键词]Z i g B e e ；气体阀 门；泄漏；检 测系统 应用 目前 ，在工业生产 和社会 生活 中大量使用着 储存和输送 各种介质 的管道 ，连接和控制这些管 道 中介质运 动的是各种各样 的阀 门，如石油 、天 然气的采集 ，炼油 、石化、化工等流程工业 中各 种管道和储油罐 、储气罐上的卸压 阀、隔离 阀、 旁通阀以及工厂 中蒸汽管道中的疏水 阀等 。阀门 是工业 自动控制系统及安全防护系统 的核心执行 元件 ，被称 为石化工业的 “ 咽喉”。阀门的性能 和状态不仅影响着石化工业生产过程 的质量和安 全 ，而且对企业 的能源 效率产 生较大影响 。阀门 一 般安装在人员不易到达或难 以触及 的地方 如 储罐或反应罐项部的卸压 阀，往往要用特殊装 置和采取安全措施进行现场检查 。通常方法是定 期将卸压 阀拆下 ，取 回车间，用专 门的设备进行 检测和试验。在未发生任何泄漏事件时，规定5 年 对卸压阀检查一次。在例行检查中约有3 0 ％的卸压 阀存在某种程度的泄漏 ， 已超过允许值 ，其中约 有 1 O ％泄漏严重 ，成为产品泄漏和 污染的主要来 源 。 Z i g Be e 技术是一种近距 离 、低复杂度、低功 耗 、低速率、低成本的双 向无线通讯技术 。主要 用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种 电子 设备之 问进 行数 据传输 以及典 型 的有 周 期性数 据 、间歇性数据和低 反应 时间数据传输的应用 。 Z i g Be e 是一种 高可靠 的无线 数传 网络 ，类 似于 c DMA和GS M网络。Z i g B e e 数传模块类似于移动 网络基站 。通讯距离从标准 的7 5 mN几百米、几 千米 ，并且支持无 限扩展。 本 文针 对现 有 储存 和输 送 压缩 气体 管道 的 阀 门需 要预 见性检 测 的 问题 ，提 出了一种 基于 Z i g Be e 无线传输技术的气 体阀门泄漏检测系统 ， 通过Z i g Be e 无线传感器 网络 的布置可准确地判 断 阀门泄漏 的位置，并且及 时进行补漏，对于节约 能源 、降低成本、提 高企业的经济效率，具有重 大意义 。 l 气体阀门泄漏检测系统的构建 ． - ．～ ￡ ． ■ - _ _ I _ - 一⋯“ ～ _ 。 - ⋯⋯⋯ ≯ 。 ■■ 。。 。j ～～～ ．． 一一 - 。 。 图1 气体阀门泄漏检测系统布置图 射 焉 ． t 图2 气体阀门泄漏检测系统结构框图 气体 阀门泄漏检测系统 的布置如图l 所示，气 体阀门泄漏检测系统结构框如 图2 所示。该系统包 括无线压力变送器5 、表贴式无线温度变送器6 、 无线超声泄漏传感器7 和无线网关3 和计算机4 ，无 作者简介管士涛 1 9 8 0 _ - ，男，山东梁山人，本科学历， 在 国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心工作，专业研究方向 为计量测试、控制技术。 一 ∞ { 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1 0 期 管士涛等基于Z i g B e e 技术的气体阀门泄漏检测系统 一 5 3一 线压力变送器5 安装于管道2 上 ，靠近被测阀门1 ， 表 贴式无线温 度变送器 6 安装在 管道2 靠近 阀门1 处，无线超 声泄漏传感器7 安装在 阀门1 旁侧 ，各 传感器采集的现场信息通过z i g b e e 网络与无线 网关 3 连接，网关3 通过有线方式与计算机4 通信，计算 机4 上 的分析软件通过这些数据分析判断 阀门1 的 泄漏情况 。 无线压力变送器安装在 管道两侧 ， 电池供 电 免维护 。该部分利用压力分布法进行检测 。在管 道沿线的各个截断阀处，分别设置无 线压力传 感 器作为无线检测系统的输入并 同时采 集压力信 号 汇总后构成该管道整体 压力的分布 图，最后依据 压力 曲线的变化特 征确 定泄漏位 置和 泄漏程度 。 由于地理 环 境和 气候 的变 化 以及 管道 支线 的 增 多 ，可能出现异常的 曲线变 化而 出现 误操 作的情 况 ，但使用无线压力传 感器可实时对 相应变 化作 出相应 的检测 点的调整 ，从而增加检测 的准确性 和灵活性。无线压力变 送器采集气体 阀 门两侧 管 路的压力变化信号 ，通过z i g b e e ] 络上传至无线网 关。 表 贴 式 无线 温 度变 送 器安 装 在 管道 靠 阀 门 侧 ，电池供 电免维护 。其温度传感器表贴于管道 上 。该部分利用温度检测法进行检测 ，主要适用 在 流体 的温 度 比环 境温 度 显著 高或 显著 低 的地 方 ，用表面 安装 的温度传感器作为无线检测系统 的输入 。例如蒸汽泄漏时 ，排 出的蒸汽会使温度 上 升较 多 ，若 是致 冷液 体 泄漏会 使 温度 显 著下 降，均可用管夹头 固定表面安装 的热 电阻或热 电 偶 ，测 量 可能 发生 泄漏 的 卸压 阀和 隔离 阀的温 度 ，从而推断泄漏 的程度 。无线温度变送器检测 并采集管道温度的变化值 ，通过z i g b e e 网络上传至 无线网关。 无线超声泄漏传感器安装在 阀门旁侧 ，电池 供 电免维护 。该部分利用超声泄漏检测法进行检 测 。如 果阀门出现漏 点，气体会从漏孔冲 出，当 漏孔尺寸较 小且雷诺数较 高时，冲 出的气体形成 湍流 。湍流在漏孔 附近产生一定频率 的声波 ，声 波振动 的频率与漏孔 的大小有关 。漏孔较大时 ， 人 耳 可听 到漏气 声 ；漏 孔 很小 且 声波频 率 高于 2 0 k Hz 时，人耳无法听到 ，但它们在空气中传播 ， 这种传播被称作空载超声波 。超声波是高频短波 信 号，其强度 随着离开声源 漏孔 距离 的增加 而迅速衰减 。通过 阀门泄漏超声频谱分析 ，发现 一 般泄漏产生的声波频率在 1 0 k Hz ～ 1 0 0 k H z 之间． 能量主要分布在1 0 k Hz 5 0 k Hz 之间，并且超声信 号在4 0 k Hz 时的漏气超声波能量 比较大，而且漏气 声和本底噪声能量差值最大 。因此 ，可 以将4 0 k Hz 作为阀门泄漏产 生超声信号 的中心频率 ，通过检 测中心频率 附近超声信号 的强度 ，确定 阀门是否 存在漏 点。其超声传感器利用 以上方式检测并采 集 阀门气体泄漏时产生的超声信号 ，通过z i g b e e 网 络上传至无线网关 。 无线网关接收各类无线传感器上传的信号， 通 过 有线 方式 将处 理打 包 后 的数据 上传 至计 算 机 。计算机 安装 了分析软件 ，通过获得 的压力 曲 线的变化特 征、温度 曲线 的变化特征、超声泄漏 特 征 曲线 的变 化特 征 ，来 综合 分析 阀 门泄漏 情 况，包括是 否泄漏 ，泄漏量 的大小 ，并作 出相应 的综合分析曲线，并将数据存储。 2 Z i g Be e 网络的建立方法 Z i g Be e 网络单元 中含有 网络路 由器 、网络协 调器 、终端接收器三类 设备。Z i g B e e 网络路 由器 最 复 杂 ，它 包含 所有 的网络 消 息 ，存 储容 量最 大 、计算 能力 最强 ，并且 具 有发 送 网络信 标 、 建立 网络 、管理 网络节点、存储网络节 点信 息、 寻找一对节点 间的路 由消息 、连续接 收信 息等功 能。Z i g Be e 网络协调器可 以担任 网络协 调者 ，形 成 网络 。如果其具备控制器的功能，还可提供信 息双 向传输。它附带 由标准指定的全部8 0 2 ． 1 5 ． 4 功 能和所有特征 。此外，Z i g Be e 网络协调器拥有更 强的存储 、计算功能 ，可 以使其在 空闲时起 网络 路 由器作用 ，还能做为终端设备使用 。最后 ，还 包括专用 的终端设备 。在 整个检测过程 中，传感 器节 点 自动调节信息的采 集频率和信息采集量 ， 由无线 传输 模块 对信 号进 行 简单 处理后 ，通 过 Z i g B e e 模块传输给 网关模块并最终将数据传输至 控制计算机 。 本 文介绍 的Z i g B e e 模块选 用2 ． 4 GHz 的R F 模 块 ，采 用 CC2 4 3 0 模 块 的核心 芯 片C C2 4 3 0 结合 C h i p c o n 公司全球先进 的Zi g Be e 协议栈 工具包和 参考设计 ，该芯片具有如下特 点高性能 、低功 耗 集成标准无线 电收发机 ；抗干扰性强 、灵敏 度高 外部 的中断或I C 能唤醒系统 ；具有 电池 监 测和温 度感 测功 能 ；集成 了1 4 位 模 数转换 的 ADC；集成AE S 安全协处理器 ，非常适合石化工 业使用。另外2 ． 4 GHz 波段为全球统一的无 需申请 的I S M频段 ，有助于Z i g B e e 设备的推广和降低生产 成本 。2 ． 4 G Hz 的物 理层通过采用 高阶调制技术 能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 ■ 技术交流 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 3 年第1 6 卷 够提供2 5 0 k b ／ s 的数据传输速率 ，有助于获得较高 的数据吞吐量、更小的通信 时延和更短的工作周 期 ，从而降低 设备功耗 ，有利于及时对阀门漏气 进行处理。 Zi g Be e 协议还有 8 6 8 ／ 9 1 5 MHz 物理层可 供选 择 。8 6 8 MHz 是欧洲 的I S M频段，9 1 5 MHz 是美 国 的I S M频段 ，这两个频段 的引入避免 了2 ． 4 GHz 附 近各种无线通信设备 的相互干扰 。8 6 8 MHz 的数据 传输速率为2 0 k b ／ s ，而9 1 5 MHz 的数据传输速率为 4 0 k b ／ s 。在这两个频段上无线信号传播损耗较小， 因此可 以降低对接 收机灵敏度的要求，获得较远 的有 效通信距离 ，从而可 以用较 少的设备覆盖给 定的区域 。在化工工业 的操作中，可 以按照实 际 情况选择合适的物理层构架协议。 3结论 本文介绍的基于Z i g Be e 无线传输技术的气体 阀门泄漏检测系统 ，在对 阀门泄漏进行检测 时， 无须排线放线、安装布置灵活、投资较低 。对于 石油 、天然气采集 、炼油 、石化 、化工等流程 工 业 中各种管道和储 油罐 、储气罐上的卸压 阀、隔 离 阀和旁通阀的泄漏检测 ，以及工厂蒸汽管道 中 的疏水 阀的泄漏检测 ，相 当敏感。管道泄漏造成 的能源浪费相当可观 ，且有毒有害气体泄漏对环 境造成极大危 害，通过该检测系统的使用 ，能耗 节约巨大，具有相当大的经济价值和环保效应 。 化 工流 程 工业 中气 体 阀 门数量庞 大 ，因此 Z i g B e e 低功耗 的特性在安全监控过程中对 能耗控 制 方面 是其 它无线 设备 不可 比拟 的 。据 估算 ， Z i g Be e 设备仅靠两节5 电池就可 以维持长达6 个月 到2 年左右的使用时间，同时Z i g B e e 模块的初始成 本不高于6 美元，对于工业网络容量大的需求导致 的成本上升可起到很好的控制作用。 ◆参考文献 [ 1 ] 李俊杰，王宏伟，王俊生． 基于D S P 和L a b V I E W的飞机气 密性检测系统[ J ] ． 仪表技术与传感器，2 0 1 0 ， 1 1 4 7 - 4 9 ． [ 2 】 孙丹宁． 提高无线传感器网络性能的关键因素分析【 J 】 ． 电子 测量技术，2 0 0 7 ， 4 7 1 ． 7 3 ． 上接5 1 页 3 经济效益 将新老就地控 制盘联动控制双介质核桃壳滤 器 ，既实现 了污水处理橇块的集 中控制 ，又节省 了因更新和维修整套污水处理系统而发生 的高额 费用 。该方案避免了增加 中控系统I O点位 ，未扩 大设备安装空间，减轻 了操作人员的工作量 。相 对 于传 统的改造方案 ，该项改造 方案经济效益显 著 。 ◆参考文献 [ 1 ] 张文蔚． P L C、变频器技术在车床系统改造字的应用[ J ] ． 机 床 电器 ，2 0 1 1 ， 1 1 1 9 - 2 1 ． [ 2 ] 陆德民主编． 石油化工自动控制设计手册 第3 版[ I v I 】 E 京化学工业出版社，2 0 0 0 ． [ 3 ]王爱广，王琦． 过程控制技术[ M] ． 北京化学工业出版 社 ，2 0 0 1 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m