基于WSN分區(qū)監(jiān)測(cè)的高爐煤氣洗滌設(shè)備安全研究

基于WSN分區(qū)監(jiān)測(cè)的高爐煤氣洗滌設(shè)備安全研究

岳婷婷1,申亞亞2

(1.西安電子科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,陜西 西安710126;2.西安電子科技大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,陜西 西安710126)

摘要針對(duì)目前高爐煤氣設(shè)備安全狀況存在的問題,在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,提出了一種基于WSN的分區(qū)監(jiān)測(cè)的改進(jìn)算法,用于監(jiān)測(cè)管理高爐煤氣洗滌設(shè)施。將無線傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定的方式布置在設(shè)備中,形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù),通過算法進(jìn)行控制分析數(shù)據(jù),傳達(dá)相應(yīng)的操作指令或發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)。根據(jù)仿真圖形顯示可更加快速地檢測(cè)出問題,有效提高了對(duì)高爐煤氣洗滌設(shè)備安全數(shù)據(jù)的分析與預(yù)警。

關(guān)鍵詞高爐煤氣洗滌設(shè)備;安全研究;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

收稿日期:2015-04-17

作者簡(jiǎn)介:岳婷婷(1990—),女,碩士研究生。研究方向:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。E-mail:yue28ting@163.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.12.021

中圖分類號(hào)TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

Study of Blast Furnace Gas Washing Facilities Safety Based on WSN District Monitoring

YUE Tingting1,SHEN Yaya2

(1.School of Economics and Management,Xidian University,Xi’an 710126,China;

2.School of Mathematics and Statistics,Xidian University,Xi’an 710126,China)

AbstractAn improved algorithm based on partition of wireless sensor network (WSN) monitoring used for monitoring and managing blast furnace gas facilities is proposed for the safety of blast furnace gas equipment.Wireless sensor nodes are laid out in a certain way in the device,forming a monitoring network to collect data,which are analyzed by the algorithm to convey the corresponding operating instructions or sound the alarm.According to the simulation graphics,this algorithm can detect the problems more quickly,effectively improving the safety of blast furnace gas washing equipment data analysis and early warning.

Keywordsblast furnace gas washing facility;security research;wireless sensor network

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)是由大量靜止或移動(dòng)的微處理傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成,以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息,并最終將這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者[1]。這些傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、成本低、消耗少,具備實(shí)用性的優(yōu)點(diǎn),主要表現(xiàn)在隱蔽性好、抗毀性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)組織快速、機(jī)構(gòu)靈活、信息準(zhǔn)確度高、分布廣且容易擴(kuò)展。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)近幾年來的研究核心是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗硬件平臺(tái),設(shè)計(jì)拓控控制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、定位技術(shù)等方面的內(nèi)容[2]。無線傳感器最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,由于無線傳感器可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象,無線傳感器在智能化交通,智能化農(nóng)業(yè),物流監(jiān)測(cè)管理,工業(yè)安全管理監(jiān)測(cè)方面得到越來越多的關(guān)注[3]。

煤礦、石化、冶金行業(yè)對(duì)工作人員安全、易燃、易爆、有毒物質(zhì)監(jiān)測(cè)的成本一直居高不下,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)化將部分操作人員從高危環(huán)境中解脫出來的同時(shí),也提高了險(xiǎn)情的反應(yīng)精度和速度[4]。工業(yè)安全生產(chǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要領(lǐng)域,目前的實(shí)際應(yīng)用還不成熟,還有眾多的技術(shù)問題亟待解決,節(jié)點(diǎn)能量、可靠性及網(wǎng)絡(luò)的安全性等問題。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本應(yīng)用結(jié)構(gòu)

無線網(wǎng)絡(luò)傳感器在網(wǎng)絡(luò)中典型的應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖1所示。在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)按照一定的方式布置無線傳感器節(jié)點(diǎn),用于檢測(cè)區(qū)域內(nèi)環(huán)境的信息,如溫度和氣體成分的濃度監(jiān)測(cè)等。布點(diǎn)方式可以根據(jù)實(shí)際情況,采取人工布點(diǎn)、機(jī)器人布點(diǎn)或者隨機(jī)布點(diǎn)等。節(jié)點(diǎn)數(shù)量及位置根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測(cè)范圍決定。區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)以自組織的方式形成信息傳輸路由,信息經(jīng)過多跳傳送至匯聚節(jié)點(diǎn),匯聚節(jié)點(diǎn)將信息匯聚后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星傳送至遠(yuǎn)程控制中心。

圖1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可自主控制一套傳感器或復(fù)合傳感器,執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理技術(shù)傳感器數(shù)據(jù)組織、支持和管理分布式應(yīng)用程序中的合作與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)根據(jù)不同的應(yīng)用來確定,但均包括傳感器單元、處理單元、通信單元及電源[5]如圖2所示。

圖2　無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2高爐煤氣的組分、性質(zhì)以及設(shè)備檢修

2.1高爐煤氣的組分、性質(zhì)和洗滌工藝

高爐煤氣是煉鐵的副產(chǎn)品,含有可燃?xì)怏w一氧化碳等,其組成成分如表1所示,可用于冶金企業(yè)的自用燃?xì)?但由于含塵量大,不能直接用做燃料,故需對(duì)其進(jìn)行降溫除塵。

表1　高爐煤氣組分

高爐煤氣是一種無色無味的氣體,比空氣略重,具有易燃易爆和中毒特性,其重要的化學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表2　高爐煤氣性質(zhì)

高爐煤氣除塵的主要工作是通過加工處理,使煤氣質(zhì)量達(dá)到煤氣加壓輸送和使用的要求。目前鋼廠使用的洗滌設(shè)施分為濕式除塵設(shè)施和干式除塵設(shè)施,但干式除塵法未能得到廣泛的使用,主要原因是設(shè)備的可靠性低和對(duì)高爐的操作參數(shù)變化的不適應(yīng)性兩個(gè)方面。

高爐煤氣的洗滌工藝流程及其所用的相關(guān)設(shè)備如圖3所示,本文主要是討論半精細(xì)除塵設(shè)備洗滌塔的檢修管理,因?yàn)橄礈焖粌H在煉鋼煉鐵中有廣泛的應(yīng)用,還主要應(yīng)用于氮肥廠等。且這些洗滌設(shè)備的花費(fèi)大,完全重建的代價(jià)昂貴,且在檢修中存在嚴(yán)重的安全隱患,故在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的改善,可有效地降低設(shè)備的管理成本。

圖3　高爐煤氣洗滌工藝流程及其相關(guān)設(shè)

2.2新鋼設(shè)備檢修中存在的問題

本文在攀枝花新鋼釩公司的基礎(chǔ)上闡明高爐煤氣洗滌設(shè)施的檢修與管理。該公司近年來隨著高爐煉鐵工藝的改善,使得從高爐輸送過來的煤氣含塵量大增,而洗滌設(shè)施依然停留在原來的基礎(chǔ)上,導(dǎo)致洗滌設(shè)施的處理能力超負(fù)荷,經(jīng)常出現(xiàn)塔底積灰,造成嚴(yán)重水位調(diào)節(jié)失控,排水不暢。塔皮不能在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)使用,時(shí)常被磨破而冒煤氣。目前,為保障生產(chǎn)安全,洗滌塔只有在出現(xiàn)故障的時(shí)候才會(huì)安排檢修,這給生產(chǎn)帶來很大的影響,且為操作人員帶來人身安全的威脅,安全管理的難度也大幅增加。在檢修中,據(jù)統(tǒng)計(jì)人員中毒事故占安全事故的28%[6]。本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于洗滌塔的各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè),執(zhí)行預(yù)防性維修政策,加強(qiáng)設(shè)備管理,降低事故發(fā)生率。

所謂預(yù)防性維修政策,最早于1951年引入我國(guó),是從預(yù)防醫(yī)學(xué)的立場(chǎng)出發(fā),對(duì)設(shè)備的異狀進(jìn)行早期發(fā)現(xiàn)和早期“治療”,從而降低維修成本,減少停產(chǎn)損失和提高生產(chǎn)能力計(jì)劃的準(zhǔn)確性[7]。預(yù)防性維修需要嚴(yán)密地對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)即可用于設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè),且成本低、耗能低,具有較好的成本效益。

高爐煤氣洗滌設(shè)施在檢修中存在的問題:(1)在故障發(fā)生后檢修,采取事后維修策略,會(huì)激化故障問題。(2)檢修過程中不知道具體問題節(jié)點(diǎn)在哪里,需要逐一排查,耽誤生產(chǎn)。(3)煤氣泄漏沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn),或者發(fā)現(xiàn)后沒有及時(shí)處理,造成檢修人員中毒。(4)因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)存留煤氣、設(shè)備泄露、或者個(gè)人誤操作等原因在成煤氣中毒。(5)檢修時(shí)煤氣未處理干凈,未做實(shí)驗(yàn)就動(dòng)火造成爆炸事故。(6)管網(wǎng)系統(tǒng)壓力波動(dòng)大,造成水封失效煤氣泄漏。

3基于WSN分區(qū)監(jiān)測(cè)的改進(jìn)算法

將一定數(shù)量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定的方式布置在洗滌塔上,形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。傳感器的布置原則是:在滿足整個(gè)區(qū)域監(jiān)測(cè)要求的情況下,根據(jù)實(shí)際需求留有一定的裕量,以備某些節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),通過多余的節(jié)點(diǎn)形成新的傳輸路由。洗滌塔內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的布置數(shù)以及具體的位置根據(jù)區(qū)域的大小、節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)距離及所需監(jiān)測(cè)信息確定。根據(jù)Leach協(xié)議對(duì)洗滌塔內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū),每個(gè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)采集區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)能量是有限的,且電池耗完之后一般不能繼續(xù)充電,所以傳感器節(jié)點(diǎn)在平時(shí)處于半休眠狀態(tài),不向監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù),對(duì)每個(gè)指標(biāo)設(shè)定一個(gè)相應(yīng)的安全閾值和警報(bào)閾值,當(dāng)處于安全域時(shí),節(jié)點(diǎn)保持休眠狀態(tài),進(jìn)入警報(bào)閾值時(shí)節(jié)點(diǎn)喚醒,進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并采集數(shù)據(jù),并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心,通過對(duì)數(shù)據(jù)分析處理得到結(jié)果供管理人員決策。將控制中心系統(tǒng)與警報(bào)系統(tǒng)相連,系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)模型

有效問題節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)算法:

步驟1在正常情況下,計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的CO的濃度、廢水排出的流速等指標(biāo)的平均值,根據(jù)平均值設(shè)定安全閾值和警報(bào)閾值。

步驟2各個(gè)區(qū)域中的核心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)記錄各自成員節(jié)點(diǎn)所檢測(cè)到的數(shù)據(jù),如果有可疑節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)大于安全閾值,核心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將可疑節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)(包括核心節(jié)點(diǎn)的ID)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至基站。

步驟3基站根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,選擇分區(qū)內(nèi)的若干節(jié)點(diǎn)為測(cè)試節(jié)點(diǎn),對(duì)可疑節(jié)點(diǎn)做進(jìn)一步的測(cè)試。

步驟4若測(cè)試節(jié)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果有一半顯示數(shù)據(jù)異常,則可疑節(jié)點(diǎn)確認(rèn)為故障,否則,無故障節(jié)點(diǎn)。

故障節(jié)點(diǎn)確定后,再安排相關(guān)的工作人員負(fù)責(zé)檢修。在檢修的過程中,工作人員佩戴防毒面具,一旦節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到CO等指標(biāo)異常,并超出安全濃度,系統(tǒng)即會(huì)發(fā)出警報(bào),提醒檢修人員注意,若不滿足作業(yè)條件,發(fā)出緊急警報(bào),讓作業(yè)人員及時(shí)撤離,減少不必要的傷亡?，F(xiàn)有氣體檢測(cè)一般是隨身攜帶的檢測(cè)儀,一方面是攜帶不便,另一方面,檢修人員操作不嚴(yán)謹(jǐn),或者憑經(jīng)驗(yàn)操作,不做明火試驗(yàn),容易引發(fā)安全事故。無線傳感器在洗滌塔的檢修中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),采集數(shù)據(jù),管理人員根據(jù)不同的故障進(jìn)行預(yù)先控制防范,將檢修中的各類風(fēng)險(xiǎn)降至最低,達(dá)到順利、安全檢修的目的,并降低相關(guān)的管理費(fèi)用。

與有線傳感器檢測(cè)故障相比,WSN無需停產(chǎn)重新布線,減少了不必要的施工成本,以及施工過程可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)。但無線傳感器的安全性相比有限傳感器來說較低,數(shù)據(jù)信息的安全無法保證,不適合大范圍的應(yīng)用,所以這些技術(shù)問題有待進(jìn)一步的提高。

4分區(qū)監(jiān)測(cè)改進(jìn)算法的效果比較

表3　一般檢測(cè)的次數(shù)、耗能及耗時(shí)

文中算法是分區(qū)監(jiān)測(cè),即對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行分區(qū),然后再檢測(cè)每一個(gè)區(qū),一般分區(qū)的個(gè)數(shù)約是總節(jié)點(diǎn)數(shù)量的10%,故本文將100個(gè)節(jié)點(diǎn)分成10個(gè)區(qū),分區(qū)監(jiān)測(cè)惡意節(jié)點(diǎn)消耗的能量及時(shí)間如表4所示。

表4　分區(qū)檢測(cè)的次數(shù)、耗能及耗時(shí)

5結(jié)束語

在設(shè)備的安全維護(hù)中,時(shí)間就意味著成本,越早發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理,便可避免更大的損失。提高設(shè)備維修的時(shí)效性一定程度上不僅可延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命,且對(duì)工作效率的提高和工廠的發(fā)展具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。運(yùn)用無線傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高爐煤氣洗滌設(shè)施,在預(yù)防性維修政策的基礎(chǔ)上,提前發(fā)現(xiàn)安全隱患,及時(shí)安排人員維修,可降低事故的發(fā)生率和人員傷亡率,并且本文所運(yùn)用的問題節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法,相較于現(xiàn)有的算法,可用更少的能量且更加迅速地檢測(cè)出問題節(jié)點(diǎn)。

無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)傳感器的發(fā)展,提供了新的監(jiān)測(cè)方法,同時(shí)也提出了更多的挑戰(zhàn),無線傳感器采用電池供電,因此節(jié)點(diǎn)的能耗是WSN應(yīng)用的瓶頸[1],傳感器節(jié)點(diǎn)一般通過多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送至基站,這就要求在傳感器之間有一條通路,為滿足這個(gè)要求,在隨機(jī)布撒的網(wǎng)絡(luò)中,傳感器的密度必須達(dá)到一定的閾值[8]。傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性,穩(wěn)定性以及耗能等問題都亟待解決。

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