论文《石油化工设备健康状况探讨》-仁创编译转载
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摘要：为了解决石油化工设备健康状况的智能化分析并辅助决策管理目的，采用低成本、网络化、多功能的石油化工设备健康状况移动监测系统，对石油化工设备的震动、温度、电流、电压等现场数据采集，然后利用中控芯片对采集到的数据进行分析，最后通过构建的网络将分析结果传输到电脑、平板及手机等移动终端。系统前端硬件以STM32F429作为主控制器，运用调理电路和高速AD进行对石油化工设备震动、温度、压力、液位、流量、电流、电压等现场的信号采样，利用其cortex-m4内核独有的FPU模块进行数据的处理以及相应的运算分析，并对现场信号进行多域分析，实现对石油化工设备健康状况信号的智能化存储分析，利用DM9161CEP网络系统将测量分析结果转发到RabbitMQ消息队列，便于计算机、手机、平板等终端进行显示。经现场测试能够满足现场工作要求。
关键词：石油化工设备;移动监测系统;多域分析;数据采集;消息队列
石油化工生产过程具有高温高压、易燃易爆、有毒有害的特点[1]，化工安全事故容易造成人员伤亡及重大经济损失，以2019年3月江苏响水天嘉宜爆炸案为例，事故造成78人死亡，受伤人数280多人，据中华人民共和国应急管理部统计：仅2019年度1-4月，根据有关部门的不完全统计全国化工行业发生安全事故近18起，死亡人数在129人左右。如何避免类似事故的发生，防患于未然成为广大从业人员和科技工作者的使命。经现场调研，机泵并不是都与DCS[2]工艺控制系统[3]相连，大量的机泵需要逐个点检[4]，耗时耗力，而且点检数据不连续，不能时时监测设备运行状况，造成事故隐患。震动状况是机泵是否正常运行的重要参数，温度是石油化工装置的晴雨表，电流、电压是设备故障的导火索。为了随时随地监测设备是否正常工作，对安全事故进行预防，设计了石油化工设备健康状况移动监测系统[5]。
1系统设计
项目产品前端硬件以STM32F429[6]作为主控制器，运用调理电路和高速AD进行对石油化工设备震动、压力、液位、流量、电流、电压等现场的信号采样，利用其cortex-m4内核独有的FPU模块进行数据的处理以及相应的运算分析，并对现场信号进行多域分析，实现对石油化工设备健康状况信号的智能化存储分析，利用DM9161CEP网络系统将测量分析结果转发到大数据消息队列，便于计算机、手机、平板等终端进行显示。1.1主控芯片选择方案本设计是以STM32F429作为主控制器，运用其自带的内部AD进行波形采样，利用其cortex-m4内核独有的FPU模块进行数据的处理以及相应的运算分析，并对数据实现存储及转发，最后利用DM9161CEP以太网控制芯片将测量结果进行显示的过程。在设计之前调研的微型处理器包括STC89C51系列、DSP系列、ARM处理器等，但是在满足设计要求的前提下，STC89C51系列内部资源有限，存储器、Flash等都不能满足处理要求，因此放弃使用C51单片机，此外如果选择DSP作为主控芯片，由于其对外部所接收的信号要求较高，那么就会使信号处理电路变得复杂，产生不必要的干扰与损失，同时，在经济方面，DSP芯片的成本要高于ARM处理器，此外，如果在信号采集部分运用DSP芯片，则会对信号放大电路的设计产生很多限制。综上所述，此次设计选取STM32F429作为主控芯片。1.2电源供电电路设计电源供电电路为整个系统提供动力，是整个系统的关键部分，稳定的电源输出是整个系统稳定工作的重要保障，参考STM32F429芯片手册以及相关电路要求，选取XL2596S-5.0E稳压芯片产生所需电压，以实现真个系统对电压的需求，该芯片能够驱动3A高负载，具有效率高，纹波低，线条优良等特点，其相关参数介绍如下：(1)可调整输出电压范围1.37V至37V连续可调;(2)保证输出电流最高值可达3A;(3)提供输出短路保护;(4)提供过流过热保护;(5)80dB纹波抑制比;(6)包含内部功率优化晶体管;(7)内置电流限流功能;采用XL2596S-5.0E稳压芯片组成的外部电源供电电路原理图如图1所示。1.3外部供电电源电路此部分电路主要是产生3.3V电压，提供给CPU及大部分外设，其主要用到的稳压芯片型号为AMS1117芯片[12]。AMS1117有适用贴片安装的SOT-223，8引脚SOIC以及TO-252(DPAK)塑料封装，并且在其引脚上有兼容其他三端SCSI稳压器。AMS1117的片上微调可以将基准电压调整到1.5%的误差范围内，在电流限制得到调整的前提下，减少了因电源电路和稳压器超载而造成的电路压力。其电路原理图如图2所示。1.4以太网控制芯片选择及其电路设计通过比较选择，最终选择以DM9161CEP作为网络控制芯片，DM9161CEP是一款完全集成的符合成本效益单芯片快速以太网PHY，为此次设计的数据传输和数据转换提供保障。为了可以连接全部被提供支持介质无关接口功能的家用电话网络设备或其他收发器，DM9161CEP另外提供了与介质无关的接口。此外，该款芯片还提供用与和不同型号的处理器实现配置连接的8位，16位的接口访问内部存储器。DM9161CEP物理协议层接口完全支持使用10MBps下的常用非屏蔽双绞线，主要是3类、4类、5类双绞线以及完全支持100MBps下5类非屏蔽双绞线，它的自动协调功能将自动完成配置来最大限度地适合其线路带宽。还支持IEEE802.3x全双工流量控制[14]。用户能够很方便的移植到任何系统下的端口驱动程序。其主要特点如下：(1)48pinLQFP封装;(2)制作工艺达到0.18um，IO供电电压3.3V，模拟部分供电电压位1.8V;(3)支持MII和RMII连接方式(推荐使用MII);(4)支持双绞线自适应);(5)支持TCP/IP硬加速;(6)兼容性好，可与全球95%的厂家生产的MCU完全兼容;1.5便携设备实物设计根据便携要求和实际电路板设计的尺寸要求，采用Solidworks工具[15]设计了机械外观并制作了实物。
2测试及结果分析
2.1双通道显示效果一路20KHz方波(由信号发生器提供)，一路20KHz正弦波(由STM32F429自带DAC提供)，与实际采集结果进行比较。比较结果如表1所示。
3结论
设计的系统定位应用于石油化工企业关键石油化工设备[17]的健康状况移动监测，做到实时查看石油化工设备运行状况变化趋势，能够非常有效地进行预防性维护，在石油化工设备的效率提升以及隐患排除等方面具有以下几方面技术优势：(1)基于物联网技术能够低成本的实现石油化工设备现场关键健康技术参数网络化数据采集和多域分析;(2)能够利用嵌入式系统对工业信号实现实时的时域和频域分析;(3)能够在嵌入式系统中实现工业信号的滤波、加窗等信号智能化处理功能;(4)利用大数据消息队列MQTT技术实现多种网络协议网络信息的传输;(5)可以在手机、平板、计算机等多种客户端移动便携分析石油化工设备的健康状况;(6)既可以实时监测设备也可以作为便携式点检设备;(7)本项目产品还具有快速的波形捕获率、深存储、丰富的触发类型、串行协议的触发，解码、波形搜索、分段存储、数字触发、电源分析等特性;经现场测试能够满足现场工作要求。
参考文献
[1]窦广录.基于石油化工安全和环保问题的探究[J].石化技术,2018,25(10):309-310.
[2]王刚.二加氢装置DCS系统升级改造[J].自动化与仪器仪表,2019(S1):80-83.
[3]贺柏达,等.石油化工设备健康监测技术研究和发展状况[J].化工自动化及仪表,2019,46(08):597-602.
[4]薛晗光,孙玺,高旭.基于智能手机的点检管理系统[J].计算机应用与软件,2018,35(11):108-111.
[5]张玉杰,等.基于电力现场校验系统的移动终端设计[J].自动化与仪器仪表,2020(01):154-156.
[6]庄广文,等.基于ARM的多桥驱动汽车无源胎压监测系统设计[J].自动化与仪器仪表,2019(12):49-52.
作者：周艳青 席满意 杨兴锴 李强 单位：兰州石化职业技术学院 兰州交通大学
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