0 引言
光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)可以用來測(cè)量60多種物理量，它的出現(xiàn)給石油、化工工業(yè)的自動(dòng)化計(jì)量、安全檢測(cè)和安全管理帶來重大變革。光纖傳感器特別是利用光纖光纜采集和傳輸信號(hào)，做到現(xiàn)場(chǎng)無電檢測(cè)，安全防爆，特別適于易燃易爆場(chǎng)所的計(jì)量、檢測(cè)和管理。
1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要應(yīng)用現(xiàn)代化的傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對(duì)罐區(qū)儲(chǔ)罐的液位、泄漏檢測(cè)、罐區(qū)火警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)掌握儲(chǔ)罐實(shí)時(shí)信息，為儲(chǔ)罐的管理、維護(hù)、安全性評(píng)估提供依據(jù)。
整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分，其中硬件部分包括四個(gè)系統(tǒng)，即：光纖傳感器系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)：數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)。各系統(tǒng)間通過光纖網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而進(jìn)行運(yùn)作。
1．1 光纖傳感器系統(tǒng)
根據(jù)對(duì)罐區(qū)整體結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化分析，需要在罐區(qū)安裝的傳感器及有關(guān)附件包括：光纖液位傳感器、管線泄漏監(jiān)測(cè)分布式光纖傳感器、分布式光纖溫度傳感器，以及信號(hào)放大器、調(diào)理器等附件。
1．2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
包括安裝在罐區(qū)外的由微電腦控制的數(shù)據(jù)采集站，每個(gè)采集站是基于PC的數(shù)據(jù)采集分站。它們的主要功能是收集由光纖傳感器傳來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的初步處理和儲(chǔ)存，然后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)中。
1．3 數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)
包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)平臺(tái)、站點(diǎn)的設(shè)立、安全監(jiān)測(cè)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、與其他局域網(wǎng)或主干網(wǎng)的連接等。
1．4 數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)
用數(shù)臺(tái)高性能工作站連接罐區(qū)數(shù)臺(tái)數(shù)據(jù)采集站形成一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。工作站是臺(tái)式計(jì)算機(jī)，安裝在罐區(qū)外監(jiān)測(cè)管理中心，并配置所需的數(shù)據(jù)顯示軟件。工作站實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)控制管理與維護(hù)、安全分析評(píng)估。
罐區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括如下功能：
1）報(bào)告各儲(chǔ)罐的當(dāng)前狀態(tài)信息，包括儲(chǔ)罐儲(chǔ)藏的物品、液位、是否泄漏等信息。
2）設(shè)定日常信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)，用于罐區(qū)的日常安全管理。
3）監(jiān)測(cè)罐區(qū)火警信息，并進(jìn)行初步火警處理。
2 光纖傳感器系統(tǒng)
光纖測(cè)量單元和光纖傳感器安裝在罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)，光電轉(zhuǎn)換器、電源和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安裝在數(shù)據(jù)采集站，兩者之間通過光纜連接。
2．1 光纖液位傳感器
由于儲(chǔ)罐容積較大，很小的液位變化都可能引起較大的誤差，為使誤差在限制范圍內(nèi)，一般要求能測(cè)量的液位準(zhǔn)確度在1mm以內(nèi)。現(xiàn)在市場(chǎng)上的高精度光纖液位傳感器的精度已經(jīng)能達(dá)到這一指標(biāo)。根據(jù)測(cè)量原理的不同，市場(chǎng)上有多種光纖液位傳感器。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，我們選擇了YW-B型光纖液位傳感器。YW-B型光纖液位傳感器利用力平衡原理實(shí)現(xiàn)液位的檢測(cè)，系統(tǒng)由測(cè)量單元（包括浮盤、鋼絲、重錘、導(dǎo)向輪、繩輪、磁力耦合器等機(jī)械部分）、光纖傳感器、光電轉(zhuǎn)換器、光纜和電源等組成。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)液面變化時(shí)，測(cè)量浮盤上下移動(dòng)，測(cè)量鋼絲帶動(dòng)光纖傳感器內(nèi)光碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)光纖傳感器內(nèi)光纖傳感探頭輸出光信號(hào)，經(jīng)光纜傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器，經(jīng)判向計(jì)數(shù)后，顯示出儲(chǔ)罐內(nèi)液位值，同時(shí)輸出信號(hào)給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)液位自動(dòng)監(jiān)測(cè)。
與此同時(shí)，將高液位和低液位光纖檢測(cè)傳感器分別裝于儲(chǔ)罐內(nèi)設(shè)定的最高和最低被檢測(cè)位置處。在充液或排液過程中，當(dāng)液面上升到高液位光纖傳感器位置時(shí)，雙液位電子報(bào)警裝置即發(fā)出高液位報(bào)警信號(hào)；當(dāng)液面下降到低液位光纖傳感器位置時(shí)，雙液位電子報(bào)警裝置即發(fā)出低液位報(bào)警信號(hào)。在一般情況下，報(bào)警裝置不發(fā)出報(bào)警信號(hào)，即表示液面位置在正常范圍內(nèi)。當(dāng)液位超限時(shí)，信號(hào)處理電路產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警信號(hào)，可將液位超限信號(hào)送到上位機(jī)或連接到聯(lián)鎖系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。
2.2 管線泄漏監(jiān)測(cè)分布式光纖傳感器
在油氣管線附近并行鋪設(shè)一條光纜，利用光纖作為傳感器，拾取由油氣管線泄漏、附近機(jī)械施工和人為破壞等事件產(chǎn)生的壓力和振動(dòng)信號(hào)。在光入射端，用光時(shí)域反射計(jì)對(duì)上述事件引發(fā)的損耗進(jìn)行定位；在光輸出端，用光功率計(jì)檢測(cè)光功率的變化，并根據(jù)信號(hào)特征來判定事件的類型。分布式光纖傳感器可以對(duì)管線泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，在罐區(qū)管線周圍鋪設(shè)分布式光纖傳感器可用于管線泄漏的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。
2.3 分布式光纖溫度傳感網(wǎng)絡(luò)
用于工業(yè)過程檢測(cè)的分布式光纖溫度傳感網(wǎng)絡(luò)是一種實(shí)時(shí)、在線、多點(diǎn)光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)，是一種新型檢測(cè)方法與技術(shù)。系統(tǒng)中的光纖既是傳輸媒體又是傳感媒體，利用光纖背向喇曼散射的強(qiáng)度，經(jīng)波分復(fù)用器和光電檢測(cè)器采集了帶有溫度信號(hào)的背向喇曼散射光電信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)處理，解調(diào)后將溫度信息實(shí)時(shí)從噪聲中提取出來并進(jìn)行顯示，它是典型的激光光纖溫度通信網(wǎng)絡(luò)。在一根長(zhǎng)為2km的光纖上可采集1000個(gè)溫度信息并能進(jìn)行空間定位，它已經(jīng)應(yīng)用于罐區(qū)火災(zāi)自動(dòng)溫度報(bào)警系統(tǒng)。
3 數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)
各系統(tǒng)之間的通信通過全光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。全光通信技術(shù)是一種光纖通信技術(shù)，該技術(shù)是針對(duì)普通光纖系統(tǒng)中存在著較多的電子轉(zhuǎn)換設(shè)備而進(jìn)行改進(jìn)的技術(shù)。該技術(shù)確保用戶與用戶之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行，而其在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換則采用全光網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)。
全光通信網(wǎng)由全光內(nèi)部部分和通用網(wǎng)絡(luò)控制部分組成，內(nèi)部全光網(wǎng)是透明的，能容納多種業(yè)務(wù)格式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過選擇合適的波長(zhǎng)進(jìn)行透明的發(fā)送或從別的節(jié)點(diǎn)處接收。通過對(duì)波長(zhǎng)路由的光交叉設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)配置，透明光傳輸可以擴(kuò)展到更大的距離。外部控制部分可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，使得波長(zhǎng)和容量在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)動(dòng)態(tài)分配以滿足通信量、業(yè)務(wù)和性能需求的變化，并提供一個(gè)生存性好、容錯(cuò)能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)。
4 數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)
在數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)中主要采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。
經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)通過IO接口輸入計(jì)算機(jī)，比如液位數(shù)據(jù)通過虛擬儀表可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。所謂虛擬儀器，就是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)測(cè)試任務(wù)需求，定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，使得使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與測(cè)試儀器的一體化。虛擬儀器的出現(xiàn)，使得用戶可以根據(jù)自己的需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素，硬件功能是獲取被測(cè)的物理信號(hào)，提供信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃卉浖t是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，并將其集成為儀器操作與運(yùn)行的一體化環(huán)境。總體上而言，虛擬儀器硬件技術(shù)以VXI、PXI等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)接口總線發(fā)展為標(biāo)志，而軟件技術(shù)則以VISA、SCPI和IVA等最新標(biāo)準(zhǔn)和Lab VIEW、Lab WindOWS/CVI等先進(jìn)的開發(fā)平臺(tái)為核心，構(gòu)成一個(gè)比較完整的虛擬儀器體系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)罐區(qū)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
采集到的數(shù)據(jù)還會(huì)送到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于輔助對(duì)罐區(qū)的日常維護(hù)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以顯示出罐區(qū)的三維立體交叉圖像。
5 結(jié)束語(yǔ)
無電實(shí)時(shí)監(jiān)控滿足了石油化工、冶金以及國(guó)防等部門對(duì)易燃易爆液體類物質(zhì)的自動(dòng)化計(jì)量、安全檢測(cè)和安全管理的發(fā)展要求，實(shí)踐表明其結(jié)果基本滿足了上述要求。
