控制室空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘

要：石油化工領(lǐng)域廠區(qū)空氣成分復(fù)雜、污染物較多，各種原因?qū)е碌挠卸居泻怏w泄漏，容易引發(fā)安全事故。針對(duì)中國(guó)石化某石油化工有限公司中央控制室空氣質(zhì)量較差、對(duì)空氣質(zhì)量缺乏系統(tǒng)有效的監(jiān)控手段，存在安全隱患的情況，設(shè)計(jì)了完整的以Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)為通信核心，涵蓋了空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、控制、凈化等功能模塊的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括：空氣質(zhì)量檢測(cè)終端、無線網(wǎng)關(guān)、新風(fēng)控制終端、空氣凈化終端及系統(tǒng)監(jiān)控軟件。Key：控制室;空氣質(zhì)量;Zigbee;自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)：TP273+.5;TN925+.93

：A

：2096-4706（2020）16-0161-04DesignandRealizationofAirQualityAutomaticMonitoringSysteminCentralControlRoomWUBingzhi（GuangdongPreschoolNormalCollegeinMaoming，Maoming

525000，China）Abstract：Inthepetrochemicalfield，theaircompositioniscomplex，thepollutantsaremany，andthetoxicandharmfulgasleaksfromvariousreasons，whichareeasytocausesafetyaccidents.Mostoftheairqualitymonitoringinthecentralcontrolroomasthefactorycontrolcenterisstillinablankstate，andtherearehiddensafetyrisks.Acompleteairqualitymonitoring，control，andpurificationairqualityautomaticmonitoringsystemisdesigned.Thesystemmainlyincludes：airqualitydetectionterminal，wirelessgateway，freshaircontrolterminal，airpurificationterminalandsystemmonitoringsoftware.Keywords：controlroom;airquality;Zigbee;automaticmonitoringsystem0

引

言油化工行業(yè)屬高危行業(yè)，近年來，由于有毒有害氣體的泄漏、爆炸等原因引發(fā)的安全事故時(shí)有發(fā)生，危及人民生命安全，給國(guó)家濟(jì)帶來巨大的損失。中央控制室作為煉化工廠的設(shè)備控制中樞，也是人員較集中的辦公場(chǎng)所。筆者曾參與中國(guó)石化某石油化工有限公司的控制室空氣質(zhì)量監(jiān)控項(xiàng)目的研發(fā)，目前該企業(yè)的控制室的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、控制仍處于初始階段，無法形成系統(tǒng)、有效的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及處理，存在安全隱患，也對(duì)工廠智能化管理產(chǎn)生一定障礙。因此，為該中央控制室設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是一項(xiàng)尤為緊迫的工作。該中央控制室控制自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)集成了有毒有害氣體監(jiān)測(cè)、新風(fēng)控制、空氣凈化三大核心功能模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和處理，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)警，杜絕安全隱患，有效避免重大安全事故的發(fā)生。1

項(xiàng)目背景健康、安全與環(huán)境管理體系（簡(jiǎn)稱為HSE），為石油天然氣領(lǐng)域國(guó)際通用管理機(jī)制，為石油天然氣領(lǐng)域向國(guó)際化市場(chǎng)以及現(xiàn)代化管理發(fā)展的重要保證，作為國(guó)際石油天然氣工業(yè)通行的管理體系，是石油天然氣工業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理，走向國(guó)際大市場(chǎng)的準(zhǔn)行證。因此，實(shí)行該管理體系是石油企業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。在石油化工領(lǐng)域中，廠區(qū)空氣成分復(fù)雜，污染物較多。中國(guó)石化某石油化工有限公司是一家較大型煉化企業(yè)，該企業(yè)的中央控制室（簡(jiǎn)稱中控室）通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是戶外空氣經(jīng)過新風(fēng)系統(tǒng)過濾，進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)，兩系統(tǒng)無關(guān)聯(lián)控制。夏天炎熱，新風(fēng)系統(tǒng)如果持續(xù)工作，將把空調(diào)系統(tǒng)部分冷空氣排出戶外，導(dǎo)致室內(nèi)制冷效果不好。為保證中控室內(nèi)比較舒適的溫度，現(xiàn)場(chǎng)管理人員往往會(huì)停掉新風(fēng)系統(tǒng)。由于中控室是員工集中辦公場(chǎng)所，人員眾多，新風(fēng)系統(tǒng)如果停開，室內(nèi)空氣質(zhì)量將進(jìn)一步降低，室內(nèi)人員容易出現(xiàn)疲累，甚至頭暈的現(xiàn)象。長(zhǎng)期如此將會(huì)嚴(yán)重影響員工身體健康，甚至因精神不佳引起誤操作，危及生產(chǎn)安全。需設(shè)計(jì)一套具有現(xiàn)代化管理及監(jiān)控手段的控制室空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是工業(yè)管理機(jī)制中檢測(cè)環(huán)節(jié)以及實(shí)施環(huán)節(jié)，對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)提供新風(fēng)系統(tǒng)與空氣凈化系統(tǒng)控制接口，為保持中控室空氣質(zhì)量處于潔凈清新狀態(tài)提供重要保障。2

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1

功能簡(jiǎn)介空氣質(zhì)量可以通過自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)向工廠管理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，為相關(guān)人員提供精準(zhǔn)、及時(shí)的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)完成空氣質(zhì)量信息傳輸后，監(jiān)控室PC設(shè)備會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量波動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)空氣異常現(xiàn)象之后，會(huì)及時(shí)啟動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)更換新風(fēng)及啟動(dòng)空氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理。根據(jù)SH/T3006—2012《石油化工控制室設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要檢測(cè)參數(shù)涵蓋以下內(nèi)容：空氣綜合質(zhì)量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5等。本系統(tǒng)預(yù)留了一定數(shù)量的拓展接口，能夠按照實(shí)際需求對(duì)傳感器模塊進(jìn)行合理調(diào)整。系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。2.2

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)由檢測(cè)終端、無線網(wǎng)關(guān)以及基于PC機(jī)的監(jiān)控管理軟件組成。中央控制室包括三個(gè)控制室，每個(gè)控制室根據(jù)空間面積等因素設(shè)置多個(gè)檢測(cè)終端，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。3

硬件設(shè)計(jì)分析無線網(wǎng)關(guān)與檢測(cè)終端共同構(gòu)成系統(tǒng)硬件。3.1

檢測(cè)終端對(duì)于檢測(cè)終端空氣各參量檢測(cè)是其主要功能，涵蓋空氣綜合質(zhì)量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5等內(nèi)容。傳感器對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以及信號(hào)換變，之后通過微控制器進(jìn)行讀入，然后轉(zhuǎn)化為工程量，借助LCD顯示屏顯示出來。再通過Zigbee無線射頻發(fā)射模塊發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。檢測(cè)終端的結(jié)構(gòu)如圖2所示。3.2

無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)無線網(wǎng)關(guān)由微處理器、Zigbee無線射頻接收模塊和以太網(wǎng)模塊構(gòu)成。Zigbee無線射頻接收模塊接收到檢測(cè)終端的數(shù)據(jù)，微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將檢測(cè)結(jié)果傳輸給以太網(wǎng)模塊。每個(gè)無線網(wǎng)關(guān)可設(shè)置固定的設(shè)備IP地址，監(jiān)控管理軟件通過訪問該IP地址可獲取檢測(cè)終端的檢測(cè)結(jié)果。無線網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。4

軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)與下位機(jī)軟件構(gòu)成系統(tǒng)軟件。上位機(jī)軟件通常用于接收、處理數(shù)據(jù);下位機(jī)軟件通常用于收集、傳輸數(shù)據(jù)。4.1

下位機(jī)軟件下位機(jī)軟件涵蓋以下內(nèi)容：采集終端數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)以及硬件設(shè)備初始化處理等。一般系統(tǒng)會(huì)選擇Zigbee通信技術(shù)，而本系統(tǒng)則是以TIZ-Stack為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)的技術(shù)。（1）Zigbee數(shù)據(jù)采集工作。將多個(gè)傳感器設(shè)置在檢測(cè)終端中，通過微處理器對(duì)不同傳感器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入處理，之后進(jìn)行軟件濾波以及相應(yīng)計(jì)算處理。軟件濾波屬于關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠?qū)⒈桓蓴_數(shù)據(jù)有效去除，強(qiáng)化數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性。如圖4所示。數(shù)據(jù)采集程序借助對(duì)AIR_Sensor（）、Cl2_Sensor（）、SO2_Sensor（）、H2S_Sensor（）、Humidity（）、Temperature（）、調(diào)用PM2_5（）函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，完成空氣質(zhì)量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5等檢測(cè)工作。由于系統(tǒng)對(duì)空氣質(zhì)量情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，所以，這些函數(shù)處于定時(shí)調(diào)用狀態(tài)，可以按照具體需求進(jìn)行定時(shí)時(shí)間設(shè)定。（2）硬件設(shè)備初始化。完成設(shè)備通電處理之后，應(yīng)該對(duì)軟件架構(gòu)與硬件平臺(tái)相關(guān)模塊展開初始化處理。初始化主要涵蓋以下內(nèi)容：操作系統(tǒng)、應(yīng)用框架層、MAC層、Flash儲(chǔ)存器、堆棧、系統(tǒng)時(shí)鐘、硬件模塊以及非易失變量的初始化、并構(gòu)建MAC地址。（3）傳輸數(shù)據(jù)。檢測(cè)終端完成上述參數(shù)采集工作后，根據(jù)一定格式對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行排列，并不是將MAC地址加到數(shù)據(jù)串前端，之后開展打包保存處理。其中，PC機(jī)完成數(shù)據(jù)包接收之后，通過MAC地址區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)是由哪個(gè)終端進(jìn)行發(fā)送的，實(shí)現(xiàn)多個(gè)終端設(shè)備在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。終端完成數(shù)據(jù)打包處理，正式發(fā)送前，需要對(duì)區(qū)域中Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)，以確定其質(zhì)量。若是存在空閑網(wǎng)絡(luò)，則加入網(wǎng)絡(luò)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)選擇最佳路線向無線網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)。之后網(wǎng)關(guān)借助串口向以太網(wǎng)單元發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，安裝有監(jiān)控管理軟件的PC機(jī)訪問指定IP的網(wǎng)關(guān)獲取檢測(cè)終端的檢測(cè)數(shù)據(jù)。4.2

上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件是系統(tǒng)人機(jī)交互的主要方式，用戶可以從中讀取信息或者輸入命令來控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。4.2.1

功能設(shè)計(jì)（1）與檢測(cè)終端建立連接并進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各區(qū)域的空氣質(zhì)量狀況。（2）具有監(jiān)測(cè)參數(shù)超限報(bào)警功能，對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過用戶設(shè)定的上下限值時(shí)，對(duì)異常的數(shù)據(jù)以不同顏色進(jìn)行標(biāo)注，并保存在系統(tǒng)報(bào)警信息中，供用戶查詢。（3）具有空氣質(zhì)量超標(biāo)處理功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)超限報(bào)警時(shí)，實(shí)時(shí)啟動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)或空氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行空氣處理，保持室內(nèi)空氣干潔清新。（4）具有數(shù)據(jù)上傳功能，能將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至公司的管理系統(tǒng)或DCS等。4.2.2

工作流程PC機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)訪問網(wǎng)關(guān)接口將對(duì)各檢測(cè)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入處理后，運(yùn)用上位機(jī)軟件展開進(jìn)一步處理，之后通過文字或是圖形等方式為用戶直觀展示數(shù)據(jù)處理結(jié)果，用戶僅需要通過監(jiān)控室設(shè)備就可以對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際空氣狀況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)通過VB語言在圖形界面中的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，開展自動(dòng)監(jiān)控軟件控設(shè)計(jì)工作。監(jiān)控軟件流程圖如圖5所示。對(duì)于初始圖形界面，涵蓋一些內(nèi)容：工作狀態(tài)初始化、通信端口初始化以及相關(guān)曲線圖、參數(shù)柱形圖等方面初始化。程序借助對(duì)VB中Winsock控件進(jìn)行合理調(diào)用，向程序中讀入數(shù)據(jù)包，之后進(jìn)一步解析數(shù)據(jù)包，對(duì)數(shù)據(jù)包中空氣質(zhì)量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5、MAC地址等信息進(jìn)行提取。對(duì)系統(tǒng)中MAC地址進(jìn)行終端設(shè)備號(hào)轉(zhuǎn)換處理，同時(shí)按照空氣質(zhì)量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5這些參數(shù)情況，進(jìn)行曲線圖與柱形圖調(diào)用，進(jìn)而將函數(shù)展示出來。在相應(yīng)終端設(shè)備監(jiān)測(cè)畫面中對(duì)空氣信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。同時(shí)將參數(shù)值與預(yù)定設(shè)置的報(bào)警值比較，若參數(shù)超標(biāo)，則調(diào)用新風(fēng)系統(tǒng)及凈化系統(tǒng)控制程序，進(jìn)行新風(fēng)更換及凈化處理，并在監(jiān)測(cè)畫面報(bào)警提示。5

系統(tǒng)實(shí)施及使用情況5.1

監(jiān)控布點(diǎn)根據(jù)中國(guó)石化某石油化工有限公司中央控制室實(shí)際情況，參考HJT167—2004《室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中的布點(diǎn)原則，布置12個(gè)監(jiān)控區(qū)域，每個(gè)監(jiān)控區(qū)域設(shè)置1臺(tái)檢測(cè)終端，以實(shí)現(xiàn)控制室全方位的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)控。5.2

通信網(wǎng)絡(luò)ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低傳輸速率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。因?yàn)榻ㄖ锞嚯x、結(jié)構(gòu)空間存在差異，樓層與房間墻體結(jié)構(gòu)等方面也存在一定差異，在網(wǎng)關(guān)、檢測(cè)終端之間，一些無線信號(hào)可能無法接收。根據(jù)監(jiān)控布點(diǎn)分布和墻體的具體情況，在相近的幾個(gè)監(jiān)控布點(diǎn)中間設(shè)置一個(gè)無線接入點(diǎn)網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)接入局域網(wǎng)內(nèi)，克服了ZigBee通信距離短的缺點(diǎn)，為系統(tǒng)擴(kuò)展檢測(cè)終端數(shù)量提供可靠通信條件。5.3

使用情況系統(tǒng)自投用以來，取得了良好的應(yīng)用效果。目前系統(tǒng)24小時(shí)全天候穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享、監(jiān)測(cè)報(bào)警、污染自動(dòng)處理等功能（如圖6所示），信息化能力和保障水平明顯提升，監(jiān)測(cè)與控制協(xié)同聯(lián)動(dòng)，使控制室空氣質(zhì)量時(shí)刻保持良好狀態(tài)提供可靠保障。為石化HSE管理體系的實(shí)施提供資源支持，為順利進(jìn)行安全生產(chǎn)提供了有力保證。6

結(jié)

語中央控制室空氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接關(guān)系到員工呼吸健康及生產(chǎn)管理安全。該系統(tǒng)可以對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域中空氣情況進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)開展數(shù)據(jù)采集工作，空氣質(zhì)量出現(xiàn)問題時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警并能夠自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行污染處理，實(shí)現(xiàn)提前發(fā)現(xiàn)問題與快速解決問題的目標(biāo)，進(jìn)而提高生產(chǎn)安全性，確保工作人員生命安全。Refere