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(wú)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(wú)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。

關(guān)鍵詞：控制室;空氣質(zhì)量;Zigbee;自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273+.5;TN925+.93? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-4706（2020）16-0161-04

Design and Realization of Air Quality Automatic Monitoring

System in Central Control Room

WU Bingzhi

（Guangdong Preschool Normal College in Maoming，Maoming? 525000，China）

Abstract：In the petrochemical field，the air composition is complex，the pollutants are many，and the toxic and harmful gas leaks from various reasons，which are easy to cause safety accidents. Most of the air quality monitoring in the central control room as the factory control center is still in a blank state，and there are hidden safety risks. A complete air quality monitoring，control，and purification air quality automatic monitoring system is designed. The system mainly includes：air quality detection terminal，wireless gateway，fresh air control terminal，air purification terminal and system monitoring software.

Keywords：control room;air quality;Zigbee;automatic monitoring system

0? 引? 言

油化工行業(yè)屬高危行業(yè)，近年來(lái)，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(lái)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(wú)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(wèn)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(guò)新風(fēng)系統(tǒng)過(guò)濾，進(jìn)入空調(diào)系統(tǒng)，兩系統(tǒng)無(wú)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(kāi)，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?tīng)顟B(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(guò)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?，F(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/T 3006—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(wú)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(wú)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(guò)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(lái)。再通過(guò)Zigbee無(wú)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(wú)線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)由微處理器、Zigbee無(wú)線射頻接收模塊和以太網(wǎng)模塊構(gòu)成。Zigbee無(wú)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(wú)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(guò)訪問(wèn)該IP地址可獲取檢測(cè)終端的檢測(cè)結(jié)果。無(wú)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TI Z-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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)無(wú)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(wú)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(wèn)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(lái)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(guò)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(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)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(kāi)進(jìn)一步處理，之后通過(guò)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(guò)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(guò)VB語(yǔ)言在圖形界面中的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，開(kāi)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(lái)。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HJT 167—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(wú)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(wú)線信號(hào)可能無(wú)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(wú)線接入點(diǎn)網(wǎng)關(guān)，通過(guò)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(lái)，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(yǔ)

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(kāi)展數(shù)據(jù)采集工作，空氣質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)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(wèn)題與快速解決問(wèn)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。

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作者簡(jiǎn)介：吳炳志（1983—），男，漢族，廣東茂名人，工程師，畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)，本科，研究方向：教育信息化、物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)。