基于物聯(lián)網(wǎng)的危化品儲存智能監(jiān)測管理平臺的開發(fā)

文/鄧術章 周兆欣 張安西 馬建文

基于物聯(lián)網(wǎng)的?；穬Υ嬷悄鼙O(jiān)測管理平臺的開發(fā)

文/鄧術章 周兆欣 張安西 馬建文

?；穬Υ媸鹿蕰r有發(fā)生，危害極大。而目前危化品儲存區(qū)的監(jiān)測大多為表面的視頻監(jiān)控，安全隱患較大。本文通過調(diào)研分析，針對?；穬Υ鎱^(qū)安全管理工作的實際需要，借助物聯(lián)網(wǎng)技術，設計并開發(fā)了?；穬Υ嬷悄鼙O(jiān)測管理平臺，該平臺實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與智能管理控制于一體，具備實時監(jiān)測、自動預警、專家應急決策服務、遠程智能化管理等功能。平臺的實現(xiàn)為?；菲髽I(yè)的安全生產(chǎn)管理、應急決策以及政府有效監(jiān)管等提供了重要手段，有力地保障了?；菲髽I(yè)的安全營運和經(jīng)濟效益。

?；?；智能監(jiān)測；管理平臺；物聯(lián)網(wǎng)

引言

危險化學品（簡稱“危化品”）是具有易燃易爆、毒害、腐蝕和輻射等危險危害特性的物品，一旦?；穬Υ鎱^(qū)發(fā)生泄漏，勢必引起火災、爆炸、污染、中毒和死亡等嚴重事故發(fā)生，對社會公共安全造成重大威脅［1］。而隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，?；返氖褂闷髽I(yè)數(shù)量和規(guī)模仍在不斷的擴大，盡管我國為加強?；返陌踩珒Υ婀芾碇贫酥T多法規(guī)和相關標準，?；穬Υ媸鹿蔬€是頻繁發(fā)生［2～3］。目前，對?；穬Υ鎱^(qū)的監(jiān)測大都僅對儲罐進行視頻監(jiān)控，而對儲罐液位、溫度壓力等重要實時參數(shù)仍由手工測量或人工監(jiān)控現(xiàn)場儀表，在非作業(yè)時段更處于無人監(jiān)控狀態(tài)，安全隱患重重［4～6］。因此，有必要研究一套高精度、高效率，集自動預警、險情控制、專家系統(tǒng)綜合指導等功能于一體的?；穬Υ嬷悄鼙O(jiān)測系統(tǒng)［7～8］。

為了解決目前?；穬Υ鎱^(qū)監(jiān)測平臺報警機制不完善，信息共享能力欠缺，多部門聯(lián)動的快速反應應急機制仍未形成，綜合智能遠程管理平臺監(jiān)管能力不足等問題，構(gòu)建一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的危化品儲存智能監(jiān)測平臺，實現(xiàn)?；穬Υ鎱^(qū)與相關的管理部門之間對?；穬Υ嫘畔⒌膶崟r共享，加大政府部門對?；菲髽I(yè)的監(jiān)控力度，在最大程度上降低?；穬Υ鏁r的風險，并且可以在事故發(fā)生后以最快的速度向相關部門和專家發(fā)出報警信息，使得相關部門可以從速對事故的情況進行了解和處理。同時，可通過平臺設置的專家指導系統(tǒng)盡快獲得事故處理的相關建議。這對提高危化品儲存安全系數(shù)、增強應急處理能力及提高其智能化管理水平，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1.平臺功能需求分析

針對?；穬Υ鎱^(qū)監(jiān)管現(xiàn)狀存在的諸多不足，通過細致的企業(yè)調(diào)研和對險情、事故等信息的分析，初步確定基于物聯(lián)網(wǎng)的?；分悄鼙O(jiān)測平臺應具有全面的實時監(jiān)測、遠程動態(tài)控制、一鍵應急處理及綜合智能管理等功能。

1.1實時監(jiān)測

可以通過各種傳感器、設備和無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)對?；穬Υ鏍顟B(tài)信息（罐內(nèi)溫度、可燃氣體濃度、壓力、液體質(zhì)量，罐外的風向風速、溫度等）的實時監(jiān)測，根據(jù)預設的報警閾值提供預警報警功能。同時，平臺應具備龐大的數(shù)據(jù)庫，能夠安全地存儲監(jiān)測到各種狀態(tài)信息，并可以實現(xiàn)歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)的查詢、分析和處理，有助于掌握?；窢顟B(tài)變化的趨勢，從而可有效預防類似險情、事故的再次發(fā)生。

1.2遠程動態(tài)控制

能夠?qū)崿F(xiàn)與通信網(wǎng)絡的連接，建立監(jiān)測中心、?；饭?、消防、公共安全、醫(yī)療救援、政府管理等各個部門的互聯(lián)平臺，將監(jiān)測中心的信息數(shù)據(jù)與各個部門實時共享，提供完善的監(jiān)控、管理和應急救援功能；同時，設計平臺手機客戶端系統(tǒng)，用戶可隨時隨地掌握危化品儲存的所有信息，對于某些需要特殊關注的?；返臓顟B(tài)設置自動提醒功能。這有助于公司管理人員、政府等部門對?；酚行ПO(jiān)管，有助于在事故發(fā)生時相關負責人及專家可以與現(xiàn)場人員遠程指揮、互動溝通，提供全面有效的應急救援手段。

1.3一鍵應急處理

目前?；穬Υ鎱^(qū)監(jiān)控值班人員大都是非計算機專業(yè)人員，且對?；分R的了解較少，即使?；繁O(jiān)測系統(tǒng)報警，仍不能立即做出正確反應。針對這一現(xiàn)象，?；繁O(jiān)測平臺應設置一鍵處理功能，當監(jiān)測系統(tǒng)通過出現(xiàn)報警后，在自動提示問題部位和性質(zhì)，請值班操作人員及時關注和處理的同時，自動完成一套預先設置好的緊急處理方案，啟動相應的應急操作，控制并阻止事故規(guī)模擴大。

1.4綜合智能管理

圖1　平臺監(jiān)測層主界面

開發(fā)面向?；菲髽I(yè)的智能信息管理系統(tǒng)，提供企業(yè)基本信息、儲存區(qū)及設備設施信息、?；肺镔|(zhì)信息、相關人員安全培訓信息、標準化管理文件等文檔信息的管理功能，提供?；稭SDS、?；沸再|(zhì)、應急預案、專家?guī)斓然A數(shù)據(jù)庫的管理維護，包括基本的增、刪、改、查等業(yè)務操作功能［9］。另外，平臺應能夠結(jié)合在線實時監(jiān)測預警功能，提供事故接警、專家決策信息生成等的全流程管理，為?；肥鹿蕬本仍笓]提供相關的應急救援知識庫、專家?guī)煲约捌髽I(yè)、危化品的基礎信息等決策支持信息，提高應急救援的反應能力和救援的科學性、合理性。

2.平臺的設計與實現(xiàn)

基于上述?；穬Υ姹O(jiān)測功能需求分析，綜合考慮各個功能要點，根據(jù)危化品儲存區(qū)安全管理工作的實際需要，基于物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)一套先進實用、操作簡單方便、功能全面、可擴展性廣、性能可靠地?；分悄鼙O(jiān)測平臺。

2.1平臺總體設計

平臺設計以STM32為單片機芯片，整體采用I/O架構(gòu)，利用程序?qū)⑵脚_各個功能有效地結(jié)合在一起。平臺系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場總線的安全相關系統(tǒng)設計，基于物聯(lián)網(wǎng)技術，由各種傳感器、邏輯運算器、最終控制單元、上位機以及網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)組成；同時，平臺設有具有遠程訪問接口，遠程監(jiān)控中心和手機客戶端可通過專用網(wǎng)絡或Internet，經(jīng)過網(wǎng)絡授權(quán)管理，隨時查看儲存區(qū)的現(xiàn)場情況和?；返臓顟B(tài)信息。

2.2平臺監(jiān)測層的實現(xiàn)

平臺監(jiān)測層通過各種傳感器對罐內(nèi)溫度、液位、壓力、質(zhì)量、可燃氣體濃度、泄漏狀況及罐外風向風速等進行監(jiān)測。該部分采用DCS（分布式控制系統(tǒng)），上位機采用通用組態(tài)軟件組態(tài)王6.52作為軟件監(jiān)控平臺，組態(tài)王6.52將產(chǎn)生的信息具體地呈現(xiàn)給監(jiān)控中心的操作者，并方便獲得各類信息。其主要特點為：由多個組件組成，具有完成可視化、獲取數(shù)據(jù)、擴充外接組件/系統(tǒng)、歷史趨勢、事件處理、報警記錄、報表和分析工具的功能［10］。

在確定上位機與I/O板卡通訊協(xié)議后，就可由總線實現(xiàn)上位機與I/O板卡（直接插入上位機的PCI插槽）的通訊，通過設置的各種傳感器獲得的數(shù)據(jù)，進而可以完成實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、指令發(fā)送、歷史記錄存儲等控制操作，其中系統(tǒng)最重要的兩個模塊為實時監(jiān)測和參數(shù)設置部分。平臺監(jiān)測主界面如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)軟件的流程圖如圖2所示。

圖2　監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程圖

2.2.1平臺監(jiān)測層的實時監(jiān)測

平臺監(jiān)測功能主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術中的感知層，平臺設置液位、溫度、可燃氣體、壓力、風向風速等傳感器來對灌內(nèi)外?；返臓顟B(tài)信息進行數(shù)據(jù)采集。進而利用組態(tài)王6.52可在Windows系統(tǒng)上與多種應用程序進行動態(tài)數(shù)據(jù)交換的功能，通過傳感器接收到的各種信號，由C語言程序接收，并存放在設置好的變量中，在組態(tài)王的字典中建立相應的I/O變量，組態(tài)王軟件從中讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過標度轉(zhuǎn)換，將相應數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應信號，然后利用組態(tài)王軟件提供的控件將這些信號呈現(xiàn)在軟件界面上。當獲取到的參數(shù)不在正常值范圍之內(nèi)時，報警窗口顯示越限時間、變量名、當前值以及界限值等。當新報警出現(xiàn)時，報警窗口自動滾動，窗口總是顯示最后出現(xiàn)的報警事件。對燈光圖片進行動畫連接和調(diào)用PlaySound函數(shù)驅(qū)動喇叭，實現(xiàn)聲光報警。

2.2.2平臺監(jiān)測層的參數(shù)設置

監(jiān)測層參數(shù)的設置主要是參照儲存物質(zhì)特性和儲罐的結(jié)構(gòu)形式的不同并依據(jù)國家相關標準規(guī)范［11～12］要求及危化品企業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)測需求，選取相關監(jiān)測參數(shù)并設置監(jiān)測報警閾值，通過管理后臺，對預設報警值進行集中處理。系統(tǒng)將傳感器實時采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)與報警值進行對比分析，一旦超出正常范圍將在系統(tǒng)前臺界面進行閃動和聲音提示報警，并與專家服務模塊、應急救援模塊進行應急處置聯(lián)動。另外，系統(tǒng)將自動保存歷史監(jiān)測值與歷次報警記錄，為安全趨勢分析、事故原因分析等提供數(shù)據(jù)參考。

2.3平臺專家應急決策服務層的實現(xiàn)

專家決策應急服務層是該平臺的重要部分，為方便操作人員的操作，該部分采用觸控式屏幕人機界面，基于EasyBuilder8000軟件系統(tǒng)進行編程設計。EasyBuilder8000軟件不僅人機交互界面可操作性強，人性化設計，而且還具備強大的以太網(wǎng)通訊功能，除了可以與帶以太網(wǎng)口的PLC等控制器通訊外，還可以實現(xiàn)HMI之間的聯(lián)網(wǎng)，通過Internet或者局域網(wǎng)對HMI和與HMI連接的PLC等上下載程序，可較好滿足本平臺功能的實現(xiàn)。該部分主界面入圖3所示。

圖3　平臺專家應急決策服務層主界面

為滿足企業(yè)需要，本部分核心功能主要包括：

（1）專家系統(tǒng)相關標準查詢

一是為危化品企業(yè)提供常用?；钒踩夹g說明書的編輯、修改、刪除和査詢管理，為?；诽峁┯嘘P安全生產(chǎn)儲存、防護措施、應急處置及環(huán)境保護等方面的各種信息和資料，為?；钒踩珒Υ婧涂茖W高效預防事故提供依據(jù)。二是根據(jù)不同?；肺镔|(zhì)的特性和?；菲髽I(yè)儲存事故處理的經(jīng)驗，為企業(yè)編制應急預案和管理標準，在企業(yè)日常的?；穬Υ婀芾砗蛻表憫绦蛑?，提供防火防漏措施、消防器材及防毒防爆設備的配置使用、醫(yī)療救護藥品應急物資的配備等各方面的管理標準；并能根據(jù)險情、事故類型模糊匹配提供相應險情、事故應急處置預案。

（2）專家指導功能

對平臺監(jiān)測層監(jiān)測到的各種報警情況，通過該功能操作人員可以快速獲取該報警最可能的所有原因供操作人員參考，以便操作人員逐一排除，迅速查明報警原因，盡早阻斷險情、事故的發(fā)生。

（3）專家求助功能

當?；穬Υ鎱^(qū)發(fā)生事故時，操作人員可利用該功能與相關專家取得通訊，專家可通過該平臺的聯(lián)網(wǎng)功能獲取危化品物質(zhì)特性及實時、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)事故的性質(zhì)、嚴重程度為企業(yè)提供應急處理指導。另外，操作人員還可以通過該部分與消防、醫(yī)院等部門取得通訊聯(lián)系，全方位保證事故得到有效處理。

2.4智能標準化管理的實現(xiàn)

?；菲髽I(yè)的安全生產(chǎn)離不開政府的有效監(jiān)督和企業(yè)的高效管控，本平臺利用EasyBuilder8000軟件的以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)功能和平臺設有的網(wǎng)絡遠程訪問接口，實現(xiàn)政府相關管理部門與危化品企業(yè)的信息共享及集中統(tǒng)一的智能標準化遠程管理平臺。政府和企業(yè)相關部門可以通過網(wǎng)絡和設置的訪問權(quán)限對本企業(yè)的安全標準化管理信息進行查詢和監(jiān)管。該部分主要功能模塊如圖4所示。

圖4　平臺智能標準化管理功能模塊

3.結(jié)論

（1）該?；分悄鼙O(jiān)測管理平臺以物聯(lián)網(wǎng)相關技術為基礎，借助工業(yè)領域應用廣泛的組態(tài)王軟件及EasyBuilder8000人機界面，根據(jù)目前?；穬Υ嫫髽I(yè)的安全生產(chǎn)需要設計并成功開發(fā)。

（2）平臺功能全面，可操作性強，擴展性高；平臺通過實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、專家應急決策服務及智能標準化管理功能的實現(xiàn)，將很好地解決目前危化品儲存區(qū)監(jiān)測手段單一、應急不及時、缺少專家指導、政府監(jiān)管脫節(jié)等現(xiàn)實問題。

（3）如在此平臺基礎上，再增加對?；愤\輸船舶的運輸過程、裝卸過程等的實時監(jiān)測和遠程管理，將會大大降低?；吩谒愤\輸、裝卸、儲存整個環(huán)節(jié)的事故率，對避免?；肥鹿实陌l(fā)生、降低事故損失具有十分重要的現(xiàn)實意義，因此該平臺將具有十分廣闊的應用前景。

（作者單位：山東交通學院海運學院/威海市臨港?；分悄鼙O(jiān)測中心）

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