【摘 要】
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物位远程监测系统是工业生产过程中用以远程实时精准度量储物容器内物料高度的重要工具,随着“万物互联”时代的到来以及国家“2021-2023工业互联网创新发展战略”的持续推进,一方面,采用物联网技术的智能高精度雷达物位远程实时监测系统的需求量在逐步增加,另一方面传统的基于工业现场总线通信的物位监测系统（主要有导波式、压力式和超声波式等）,其存在测量精度或应用场景等方面的局限性,难以满足目前石油化工工业
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物位远程监测系统是工业生产过程中用以远程实时精准度量储物容器内物料高度的重要工具,随着“万物互联”时代的到来以及国家“2021-2023工业互联网创新发展战略”的持续推进,一方面,采用物联网技术的智能高精度雷达物位远程实时监测系统的需求量在逐步增加,另一方面传统的基于工业现场总线通信的物位监测系统（主要有导波式、压力式和超声波式等）,其存在测量精度或应用场景等方面的局限性,难以满足目前石油化工工业生产过程向着高精度化、信息化和智能化方向发展的要求。为远程实时精确监测复杂环境下物料物位,本文设计了一种基于物联网技术的工业雷达物位远程实时监测系统,可通过无线通信将各监测点位罐体内物位高度等信息实时报送至多个不同级别的远程调度室或数据中心,以实现远程物位数据的实时可视化监控管理和为其他关联工业生产提供过程参数的目的。本文在提出相关关键技术问题解决方案的基础上设计完成了系统软硬件,并进行了现场测试。研究工作主要体现在以下几个方面:（1）针对众多影响物位测量精度的干扰因素,分析了干扰的来源,包括信号收发天线的半功率波束角与系统量程以及储物罐体形状结构不匹配引起的雷达额外回波、电路高频信号反射、虚假差频信号频率、混频器硬件局限性致使信号泄漏、硬件机械噪声以及工业现场环境噪声等。采取了两方面举措抑制系统干扰以提高测量精度,一方面,权衡出了应用场景下不同储物罐体结构形状、天线增益、半功率波束角和测距量程之间的最优关系,设计了一款可规避雷达前端额外回波信号干扰的3×4微带阵列信号收发天线并通过仿真优化使其性能达到了最优;另一方面,研究采用巴特沃兹模拟滤波结合切比雪夫数字滤波的方式以抑制系统基带噪声,对该方法进行了理论分析和仿真验证并介绍了工程应用移植,结果表明该方法能有效抑制部分系统干扰噪声,此外经验证差频信号解算前对其相参积累处理可抑制部分系统混叠噪声,提高系统信噪比。（2）针对系统网络连接在工程实践中实现长连接高可靠性不足,表现为设备网络经常断开且断开后难以自愈重连的问题,分析了C/S架构下影响网络长连接的因素以及TCP协议自身Keep Alive机制和固定心跳保活机制应用局限性,实测了SIMCOM公司无线通信模块A7600C1在GPRS和LTE-Cat.1两种网络模式下采用固定间隔心跳保活方式保活TCP连接存活率的基础上,提出了一种C/S架构下网络自愈重连算法以提高系统通信可靠性,经测试该算法可有效规避TCP断连且能实时侦测网络断连发生并及时向服务器重新发起连接请求。（3）针对目前现有客户端设备与服务器之间通信采用固定心跳保活方式保活TCP长连接方法中存在着当网络断连时服务器端向客户端发起通信的实时性不高以及存在电量、网络等资源浪费的问题,分析了固定心跳的缺陷以及动态心跳机制的设计准则,提出了一种模糊自适应心跳算法,旨在通过模糊区间判别以快速求解出系统最优心跳值从而保证服务器端向客户端发起会话时不会因为TCP链路断开自愈重连需至少耗时一个心跳周期而导致数据交互实时性降低,另通过将该算法嵌入C/S架构下网络重连算法使得信号质量及信号强度这两个算法关键指标在逻辑上行成双层嵌套进而减少了至少1倍的设备掉线率,经测试该算法有效提高了系统通信实时性和可靠性。以上主要关键技术问题解决的基础上设计了以STM32F429IGT6为主控制器,以24GHz雷达收发器BGT24ATR12为前端测量核心模块,应用了LTE-Cat.1网络通信技术的远程物位实时监测系统。首先在实验室利用信号发生器完成功能模拟调试,后续进行了实际工业现场测试。结果表明所设计工业雷达物位远程实时监测系统测量误差基本在±5mm之间,测量量程內最大相对误差为0.49%,系统相对误差控制在1%以内,测量结果线性度良好,系统网络连接在心跳区间上限（50min）內掉线率小于3%,TCP掉线自愈重连率为100%,掉线重连响应速率小于2000ms。系统物位测量精度和系统稳定性良好,网络通信具有较高的可靠性与实时性。
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