CN103312758A

CN103312758A - 基于无线传感节点的球罐健康监测系统

Info

Publication number: CN103312758A
Application number: CN2012100694051A
Authority: CN
Inventors: 丁克勤; 王志杰; 赵娜; 寿比南; 林树青
Original assignee: Beijing Zhongjian Hopes Technology Co ltd; China Special Equipment Inspection and Research Institute
Current assignee: China Merchants Zhongtezhi Inspection Beijing Technology Co ltd
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: CN103312758B

Abstract

本发明提供一种基于无线传感节点的球罐健康监测系统，包括：数据采集网关和一个以上传感器采集系统，每一个所述传感器采集系统和所述数据采集网关无线连接。因此，本发明可以对球罐的健康状况实时监测，而且，通过无线传输方式，消除了长电缆传输带来的噪声干扰，提高了监测系统的监测精度和抗干扰能力。

Description

基于无线传感节点的球罐健康监测系统

技术领域

本发明属于球罐健康监测技术领域，具体涉及一种基于无线传感节点的球罐健康监测系统。

背景技术

球罐为一种钢制容器设备，在石油炼制工业和石油化工中主要用于贮存和运输液态或气态物料。

由于球罐在使用过程中，受内部压力和外界环境的影响，会逐渐出现一些危险部位，例如：因裂缝扩展、塑性变形或相变等现象而增加球罐泄漏的危险性，所以，为保证球罐的安全使用，常常需要对球罐进行健康检测。

现有球罐健康检测方法一般包括以下两类：(一)人工直接目测检查：即：通过肉眼直接观察球罐表面的外观，从而判断球罐是否存在危险部位。该方法存在的主要缺陷为：一方面，需要具有丰富经验的人员才能进行目测检查，从而限制了其应用；另一方面，人工目测检查通常只能对球罐的健康状况给出定性结论，无法量化，而且，对球罐健康状况的结论主观性较强，难以对球罐健康状况做出精确的评价。(二)采用便携式仪器监测球罐的健康状况：即，当需要监测球罐的健康状况时，在球罐表面安装某一检测仪器，从而检测球罐的健康状况。该种方法存在的主要缺陷为：实时性差，无法对球罐的健康状况进行长期有效的监测。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于无线传感节点的球罐健康监测系统，可以对球罐的健康状况实时监测，而且，通过无线传输方式，消除了长电缆传输带来的噪声干扰，提高了监测系统的监测精度和抗干扰能力。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于无线传感节点的球罐健康监测系统，包括：数据采集网关和一个以上传感器采集系统，每一个所述传感器采集系统和所述数据采集网关无线连接。

优选的，各个所述传感器采集系统自组织形成星型、线型或网状的网络拓扑结构。

优选的，每一个所述传感器采集系统包括：传感器节点、信号调理电路和一个以上固定安装在待监测起重机械表面关键部位的传感器和传感器节点；各个所述传感器通过所述信号调理电路与所述传感器节点连接。

优选的，所述信号调理电路包括依次连接的信号放大电路、信号滤波电路和A/D转换电路。所述传感器节点包括：多个传感器接口，所述传感器通过所述传感器接口与所述传感器节点连接。

优选的，所述传感器节点还包括：电源模块、数据采集处理模块、无线收发模块和数据存储模块；所述电源模块分别与所述数据采集处理模块、所述无线收发模块和所述数据存储模块连接。

优选的，所述传感器节点还包括：传感器节点外壳；所述电源模块、所述数据采集处理模块、所述无线收发模块和所述数据存储模块封装在所述传感器节点外壳内部。

优选的，所述传感器为温度传感器、压力传感器、加速度传感器、光纤振动传感器和应力监测传感器中的一种或几种；所述应力监测传感器安装在所述待监测球罐的焊缝处、母材处或支腿处；所述光纤振动传感器安装在所述待监测球罐的支腿处；所述传感器节点通过磁吸附固定在所述待监测球罐上。

优选的，还包括：数据处理和控制服务器；所述数据采集网关通过互联网连接有数据处理和控制服务器。与所述数据处理和控制服务器连接。

优选的，所述数据采集网关包括：依次连接的数据采集控制电路和通信电路。

优选的，所述数据采集控制电路包括：网关存储模块；所述通信电路包括USB接口、以太网通信接口和GPRS/CDMA通信接口中的一种或几种。

本发明的有益效果如下：

通过使用本发明提供的基于无线传感节点的球罐健康监测系统，通过在待监测球罐表面关键部位安装传感器，实现了对球罐的健康状况实时监测；而且，通过无线传输方式，消除了长电缆传输带来的噪声干扰，提高了监测系统的监测精度和抗干扰能力；另外，传感器采集到的数据通过网络上传给数据处理和控制服务器，通过对数据进行分析，实现识别和诊断球罐的损伤情况，因此，本发明实现了对球罐的实时在线监测与诊断，为保障球罐的安全运行提供了科学依据。

附图说明

图1为本发明提供的基于无线传感节点的球罐健康监测系统的结构示意图；

图2为本发明提供的球罐健康监测系统中传感器节点的外部构造图；

图3为传感器节点中一个通道的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的基于无线传感节点的球罐健康监测系统进行详细说明。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于无线传感节点的球罐健康监测系统，包括：一个以上传感器采集系统和数据采集网关，每一个所述传感器采集系统和所述数据采集网关无线连接。由于传感器采集系统和数据采集网关通过无线传输方式连接，消除了长电缆传输带来的噪声干扰，提高了监测系统的监测精度和抗干扰能力。

下面对传感器采集系统和数据采集网关分别介绍：

(一)传感器采集系统

由于数据采集网关和多个传感器采集系统相连，所以，各个传感器采集系统可以基于802.15.4协议，并自组织形成星型、线型或网状等网络拓扑结构。

对于每一个传感器采集系统包括：一个以上固定安装在待监测球罐表面关键部位的传感器、信号调理电路和传感器节点。其中，传感器包括：温度传感器、压力传感器、加速度传感器等，用于监测球罐各种参数的变化情况，例如：球罐关键部位的变形、应变、挠度、振动等参数，从而有利于更准确的获得球罐的损伤情况。传感器将采集到的信息发送给信号调理电路，经信号调理电路进行信号调理后，再传给传感器节点，由传感器节点进行后续处理。其中，信号调理电路包括依次连接的信号放大电路、信号滤波电路和A/D转换电路，用于对接收到的来自传感器上传的电信息进行放大、滤波和模数转换处理，得到数字信号，并将该数字信号发送给传感器节点。

在实际应用过程中，针对大型球罐金属结构特点和现场运行环境，根据大型球罐的整体应力分布状况选择合适的布置位置。该监测包括应力监测和加速度监测，其中，应力监测对大型球罐的焊缝处、母材和支腿进行监测，加速度监测主要对大型球罐的支腿进行监测。传感器的具体布置如下：

(一)应力监测传感器的安装位置

a)球罐壳体典型焊缝处，包括上、下温带焊缝、赤道带焊缝、上下小环焊缝、上下极板拼接缝和支柱与球壳连接最低处。

b)球壳母材，包括赤道带母材和上下极板母材。

c)支腿

(二)加速度监测传感器的安装位置

在球罐的其中四个支腿上对称安装4只光纤振动传感器，用于对支腿结构振动进行在线监测。

另外，可以采用焊接机将传感器直接固定安装在球罐的测点表面，并罩防护盒，防止恶劣环境对传感节点的损伤。

每一个传感器到传感器节点之间的连接构成的通路称为一个通道，每个通道内置有独立的高精度120-1000Ω桥路电阻和放大调理电路，可以方便地由软件自动切换选择1/4桥、半桥或全桥测量方式，兼容各种类型的桥路传感器。如图2所示，为本发明提供的球罐健康监测系统中传感器节点的外部构造图，如表1所示，为传感器节点中四个传感器节点的参数表。如图3所示，传感器节点中一个通道的电路原理图。

表1

具体的，传感器节点还可以包括：电源模块、数据采集处理模块、无线收发模块和数据存储模块。其中，电源模块分别与数据采集处理模块、无线收发模块和数据存储模块连接，用于向各模块供电。并且，为延长传感器节点的工作寿命，传感器节点还包括：传感器节点外壳；所述电源模块、所述数据采集处理模块、所述无线收发模块和所述数据存储模块封装在所述传感器节点外壳内部，其中，外壳可以为Ryton PPS塑料外壳。在实际应用中，传感器节点可以通过磁吸附固定在球罐上。

数据采集处理模块用于控制各传感器的采样频率，数据存储模块用于对传感器采集到的信息进行节点存储，无线收发模块用于将传感器采集到的信息通过无线方式上传给数据采集网关。

本发明提供的传感器节点，具有结构紧凑，体积小巧的优点。并且，传感器节点采集的数据既可以实时无线传输至计算机，也可以存储在传感器节点内置的数据存储模块中，保证了采集数据的准确性。传感器节点的空中传输速率可以达到250K BPS，有效室外通讯距离可达100m。并且，传感器节点设计有专门的电源管理软硬件，在实时不间断传输情况下，节点功耗仅25mA，使用内置的可充电电池，可连续测量十几个小时。

因此，该传感器节点使用简单方便，无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力。无线传感器节点可以组成庞大的无线传感器网络，支持上千个测点同时进行大型结构监测。

(二)数据采集网关

数据采集网关负责把接收到的无线数据通过计算机接口传输至计算机进行存储，分析处理。数据采集网关包括：依次连接的数据采集控制电路和通信电路。数据采集控制电路包括：网关存储模块，用于实现经信号调理电路得到的数字信号的存储。通信电路包括：USB接口、以太网通信接口、GPRS/CDMA通信接口；从而实现将数据采集网关得到的数据进行本地传输或远程传输的目的。

数据采集网关具有以下特性：(1)支持数据透明传输；(2)支持断线自动重连；(3)支持最大8G的数据缓存；(4)支持数据中心动态域名或IP地址访问；(5)支持永远在线工作模式；(6)支持太阳能供电；(7)配置文件在SD卡中，无需串口，配置方便；(8)工作电流140mA/12V，在线待机电流100mA/12V；(9)防水等级IP66，适合在野外工作。

另外，本发明提供的基于无线传感节点的球罐健康监测系统，还包括：与数据采集网关通过互联网连接的数据处理和控制服务器，数据处理和控制服务器还连接有球罐结构健康评估系统，实现对球罐结构的健康状况的评估。

具体的，球罐结构健康评估系统包括：设备风险管理模块、设备检验管理模块、设备健康监测模块和设备单位管理模块。

其中，设备风险管理模块主要是采用大型球罐的实时监测数据和风险评估理论方法，对大型球罐的动态风险进行分析与评估，并对风险进行排序，以实现对球罐的风险管理。

设备检验管理模块是将检验过的球罐的检测报告进行电子备案与分类。

设备健康监测模块是由分布式的数据采集、处理、控制及通信功能构成。可对各个传感器节点采集到的数据实时同步显示、分析和存储，采集到的数据以通用文件格式，例如：UFF、CSV，TXT等存储，可以输出到广泛的第三方软件进行后处理。另外，传感器校准参数、通道数据、位置等信息也可以通过无线数据采集软件写入传感器节点内部。针对网络中的异常情况实时报警，利于网络的维护和管理。同时还包含对球罐的损伤进行识别与诊断，以实现对大型球罐的实时在线监测与诊断等。

设备单位管理模块是对大型球罐所属单位的信息采集与备案。便于管理机构对使用单位统一管理与检测。

本发明中，针对大型球罐健康监测系统的功能需求，设计软件系统结构，采用了先进的C/S结构，实现实时监测、实时处理和损伤预警，人机交互环境友好。一种具体的实现方式为：包括以下步骤：(一)设备风险管理模块首先确定大型球罐的风险值和重大危险源，(二)查询以往的球罐检验报告，找出易受损伤的部位和关键部位，制定监测计划，对大型球罐进行监测。第三，对大型球罐的重大危险源进行监测，对监测的实时数据进行分析和诊断。第四，对大型球罐所属单位的信息采集与备案，便于管理机构对使用单位统一管理与检测。

综上所述，本发明提供的基于无线传感节点的球罐健康监测系统，通过在待监测球罐表面关键部位安装传感器，实现了对球罐的健康状况实时监测；而且，通过无线传输方式，消除了长电缆传输带来的噪声干扰，提高了监测系统的监测精度和抗干扰能力；另外，传感器采集到的数据通过网络上传给数据处理和控制服务器，通过对数据进行分析，实现识别和诊断球罐的损伤情况，因此，本发明实现了对球罐的实时在线监测与诊断，为保障球罐的安全运行提供了科学依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于无线传感节点的球罐健康监测系统，其特征在于，包括：数据采集网关和一个以上传感器采集系统，每一个所述传感器采集系统和所述数据采集网关无线连接。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感节点的球罐健康监测系统，其特征在于，各个所述传感器采集系统自组织形成星型、线型或网状的网络拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感节点的球罐健康监测系统，其特征在于，每一个所述传感器采集系统包括：传感器节点、信号调理电路和一个以上固定安装在待监测起重机械表面关键部位的传感器和传感器节点；各个所述传感器通过所述信号调理电路与所述传感器节点连接。

4.根据权利要求3所述的基于无线传感节点的起重机械健康监测系统，其特征在于，所述信号调理电路包括依次连接的信号放大电路、信号滤波电路和A/D转换电路。所述传感器节点包括：多个传感器接口，所述传感器通过所述传感器接口与所述传感器节点连接。

5.根据权利要求3所述的基于无线传感节点的球罐健康监测系统，其特征在于，所述传感器节点还包括：电源模块、数据采集处理模块、无线收发模块和数据存储模块；所述电源模块分别与所述数据采集处理模块、所述无线收发模块和所述数据存储模块连接。

6.根据权利要求3所述的基于无线传感节点的球罐健康监测系统，其特征在于，所述传感器节点还包括：传感器节点外壳；所述电源模块、所述数据采集处理模块、所述无线收发模块和所述数据存储模块封装在所述传感器节点外壳内部。

7.根据权利要求3所述的基于无线传感节点的球罐健康监测系统，其特征在于，所述传感器为温度传感器、压力传感器、加速度传感器、光纤振动传感器和应力监测传感器中的一种或几种；所述应力监测传感器安装在所述待监测球罐的焊缝处、母材处或支腿处；所述光纤振动传感器安装在所述待监测球罐的支腿处；所述传感器节点通过磁吸附固定在所述待监测球罐上。

8.根据权利要求1所述的基于无线传感节点的球罐健康监测系统，其特征在于，还包括：数据处理和控制服务器；所述数据采集网关通过互联网连接有数据处理和控制服务器。与所述数据处理和控制服务器连接。

9.根据权利要求1所述的基于无线传感节点的球罐健康监测系统，其特征在于，所述数据采集网关包括：依次连接的数据采集控制电路和通信电路。

10.根据权利要求9所述的基于无线传感节点的球罐健康监测系统，其特征在于，所述数据采集控制电路包括：网关存储模块；所述通信电路包括USB接口、以太网通信接口和GPRS/CDMA通信接口中的一种或几种。