制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王靈龍

(1.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 撫順 113122；2.中國煤炭科工集團(tuán) 沈陽研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122)

0 引言

膜分離制氮技術(shù)是將空氣中不同的氣體迅速分離開，將其他氣體排空形成高濃度氮?dú)?，基于該原理可以?shí)現(xiàn)滅火的效果[1-2]。基于膜分離制氮技術(shù)的應(yīng)用，導(dǎo)致制氮裝置市場需求量越來越多，從而使得制氮裝置出廠檢驗(yàn)至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn)礦用制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)將解決制氮裝置出廠檢驗(yàn)現(xiàn)場啟動(dòng)設(shè)備和手動(dòng)記錄檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等危險(xiǎn)性大、效率低的問題[3]，是推動(dòng)十四五規(guī)劃精益生產(chǎn)管理的重要環(huán)節(jié)。目前，升級(jí)后的制氮裝置是以 PLC 為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)制氮裝置自動(dòng)化控制和現(xiàn)場觸摸屏顯示[4]。升級(jí)后的制氮裝置為搭建出廠檢驗(yàn)平臺(tái)搭建了傳輸接口。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是中國新興技術(shù)之一，物聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)應(yīng)用較廣，為集中控制室監(jiān)控檢驗(yàn)管理設(shè)備帶來新方向[5]。李延香等[6]針對(duì)集中控制室提出采用網(wǎng)頁監(jiān)控形式實(shí)現(xiàn)對(duì)出廠檢驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和智能安防。為了提高對(duì)制氮裝置出廠檢驗(yàn)性能分析及智能化水平，在制氮裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，王琛琛等[7]提出了一種無人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，主要針對(duì)多套制氮設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。在梳理基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，沈林濤等[8]提出了網(wǎng)關(guān)通過串口和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行通信，獲取設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動(dòng)端和實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。在梳理基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，任彬等[9]提出了通過物聯(lián)網(wǎng)模塊對(duì)各類機(jī)械設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并解決各類機(jī)械設(shè)備故障問題?？紤]到煤礦智能化發(fā)展趨勢[10-11]，制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控軟件工作界面要求簡潔易用且實(shí)現(xiàn)全要素可視化，具備設(shè)備遠(yuǎn)程一鍵安全啟動(dòng)、手機(jī)推送報(bào)警等智能化操作功能。

本系統(tǒng)提出基于物聯(lián)網(wǎng)模塊、LED顯示與制氮裝置試驗(yàn)相結(jié)合的出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。運(yùn)用網(wǎng)關(guān)設(shè)備搭建物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與PLC控制器的通信橋梁，通過Modbus通信協(xié)議進(jìn)行監(jiān)控，通過視頻監(jiān)控保證制氮裝置出廠檢驗(yàn)安全。

1 制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要用于對(duì)礦用膜分離制氮裝置出廠檢驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，具有歷史曲線和數(shù)據(jù)報(bào)告。為了保證制氮裝置出廠檢驗(yàn)高效性和方案合理性，本系統(tǒng)與串行通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、PLC控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一套制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1 制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

出廠檢驗(yàn)時(shí)，基于傳感器對(duì)制氮裝置運(yùn)行時(shí)的各種技術(shù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，PLC控制器對(duì)采集數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，網(wǎng)關(guān)模塊通過串口/網(wǎng)口將PLC中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)上，上位機(jī)可通過訪問物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)查看出廠檢驗(yàn)制氮裝置的運(yùn)行狀態(tài)和歷史報(bào)表，基于檢測數(shù)據(jù)報(bào)表可進(jìn)行分析制氮裝置性能。如果檢測到制氮裝置出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出燈光閃爍和警示聲音，并通過手機(jī)短信推送提示質(zhì)檢員及時(shí)到達(dá)設(shè)備試驗(yàn)現(xiàn)場查看情況。制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可分為制氮裝置出廠檢驗(yàn)區(qū)和集中控制室兩個(gè)區(qū)域，包含了用于集中控制室的制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)和制氮裝置出廠檢驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)。制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

制氮裝置出廠檢驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的控制單元以制氮機(jī)PLC控制器為核心，PLC控制器配接制氮裝置上關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)傳感器和空壓機(jī)控制器，并通過串口與網(wǎng)關(guān)模塊相連，網(wǎng)關(guān)將制氮裝置出廠調(diào)試數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口實(shí)時(shí)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)上，攝像頭通過以太網(wǎng)交換機(jī)將現(xiàn)場制氮裝置試驗(yàn)情況上傳到上位機(jī)。

用于集中控制室的制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)主要由以太網(wǎng)交換機(jī)、上位機(jī)、打印機(jī)、視頻處理器和LED顯示屏等設(shè)備組成。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)通過網(wǎng)關(guān)模塊與制氮裝置實(shí)時(shí)通信，上位機(jī)通過訪問物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可實(shí)時(shí)獲取制氮機(jī)膜前溫度、膜后壓力、氮?dú)夂?、氮?dú)饬髁考翱諌簷C(jī)排氣壓力、排氣溫度、運(yùn)行時(shí)間、加載時(shí)間、螺桿溫度等數(shù)據(jù)。

1.3 制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)的主要功能是對(duì)制氮裝置出廠檢驗(yàn)全過程進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和控制，針對(duì)檢驗(yàn)所形成的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行備案。主要功能如下所示：

1) 模擬量采集。系統(tǒng)采集制氮裝置模擬量信號(hào)，輸出為4～20 mA的電流信號(hào)。PLC控制器將所有模擬量信號(hào)通過算法轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，通過顯示屏顯現(xiàn)實(shí)際值，上位機(jī)及終端設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)時(shí)查看這些數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)制氮裝置出廠檢驗(yàn)智能化。

2) 開關(guān)量采集。開關(guān)量信號(hào)對(duì)應(yīng)制氮裝置按鈕指示狀態(tài)，系統(tǒng)讀取制氮裝置開關(guān)量狀態(tài)。系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)寫入開關(guān)量數(shù)值傳輸?shù)街频b置PLC控制器中，從而實(shí)現(xiàn)制氮裝置出廠檢驗(yàn)一鍵啟動(dòng)。

3) 全自動(dòng)控制。制氮裝置出廠調(diào)試時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過授權(quán)后可通過上位機(jī)和終端設(shè)備啟動(dòng)制氮裝置，制氮裝置進(jìn)入全自動(dòng)監(jiān)控模式，通過上位機(jī)及LED顯示屏可實(shí)時(shí)監(jiān)測制氮裝置出廠檢驗(yàn)的全過程。

4) 報(bào)警推送。當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度、壓力或流量超過了正常范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為制氮裝置出現(xiàn)故障，此時(shí)系統(tǒng)發(fā)出警示燈閃爍報(bào)警并顯示對(duì)應(yīng)的故障信息。系統(tǒng)會(huì)以短信報(bào)警、微信報(bào)警、APP報(bào)警推送，并可以查詢報(bào)警時(shí)間和記錄，報(bào)警權(quán)限可細(xì)化。

5) 實(shí)時(shí)顯示。制氮裝置出廠檢驗(yàn)時(shí)，集中控制室上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示制氮裝置出廠檢驗(yàn)性能參數(shù)，集中控制室外安裝LED顯示大屏，通過DVI信號(hào)線與上位機(jī)實(shí)時(shí)同步顯示供相關(guān)人員觀看。

6) 視頻監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)攝像頭通過TCP/IP協(xié)議將制氮裝置現(xiàn)場試驗(yàn)情況以視頻監(jiān)控形式傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)上，集中控制室上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看制氮裝置試驗(yàn)環(huán)境及試驗(yàn)情況。

2 制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型及設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包含制氮裝置出廠檢驗(yàn)區(qū)和集中控制室硬件設(shè)計(jì)。制氮裝置出廠檢驗(yàn)區(qū)包含智能網(wǎng)關(guān)電控箱、以太網(wǎng)攝像頭和以太網(wǎng)交換機(jī)三個(gè)硬件設(shè)施，其中需要對(duì)網(wǎng)關(guān)控制箱產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。集中控制室主要包含上位機(jī)、視屏處理器、打印機(jī)和LED顯示屏四個(gè)硬件設(shè)施，其中需要對(duì)上位機(jī)、視頻處理器、LED顯示屏進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，構(gòu)建制氮裝置出廠檢驗(yàn)顯示平臺(tái)。

2.1 智能網(wǎng)關(guān)電控箱硬件選型設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)電控箱可以通過串口通信將制氮裝置PLC中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)上，是監(jiān)控系統(tǒng)的重要核心設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)電控箱由Q235外殼、GM20-DTU網(wǎng)關(guān)模塊、直流穩(wěn)壓電源模塊、墊木板等組成。網(wǎng)關(guān)模塊選用GM20-DTU網(wǎng)關(guān)模塊，輸入電源DC 9～30V，防過流及反接保護(hù)，功率2 W，外設(shè)接口支持RS232、RS485、WAN、LAN、電源接口、天線接口等，能夠支持標(biāo)準(zhǔn)工業(yè) Modbus-RTU、Modbus-TCP通信協(xié)議。直流穩(wěn)壓電源選用輸入交流電壓220 V，輸出直流電壓24 V，額定功率36 W。

2.2 顯示平臺(tái)硬件選型設(shè)計(jì)

集中控制室建立制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)通過上位機(jī)和終端設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控制氮裝置，監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)或終端設(shè)備網(wǎng)址訪問物料網(wǎng)云平臺(tái)組態(tài)界面，通過視頻處理器將信號(hào)傳輸?shù)絃ED顯示平臺(tái)上，形成的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表可打印。LED顯示屏選用P2.5型號(hào)，按照16∶9顯示畫面設(shè)計(jì)，與上位機(jī)顯示比例一致。

3 制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)是制氮裝置和上位機(jī)通信的中間產(chǎn)物。制氮裝置PLC控制器與網(wǎng)關(guān)模塊之間采用Modbus協(xié)議實(shí)時(shí)通信，上位機(jī)訪問物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)查看監(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)模塊上電后，網(wǎng)關(guān)自動(dòng)進(jìn)行初始化，通過APP將網(wǎng)關(guān)接入指定的WiFi熱點(diǎn)或4G流量卡實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，建立HTTP客服端并訂閱主題，當(dāng)收到主題消息后，開始修改設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，網(wǎng)關(guān)模塊獲取到制氮裝置運(yùn)行參數(shù)后向服務(wù)器不斷發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)軟件流程如圖3所示。

制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)主要包含系統(tǒng)主界面、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警畫面、視頻監(jiān)控、用戶權(quán)限管理等功能模塊。系統(tǒng)主界面包含數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控和歷史曲線等功能；數(shù)據(jù)報(bào)表包含數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能；報(bào)警畫面包含報(bào)警歷史和報(bào)警提示等功能；用戶權(quán)限管理包含系統(tǒng)登入和退出系統(tǒng)功能；視頻監(jiān)控包含視頻畫面功能。監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)軟件流程

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

制氮裝置出廠檢驗(yàn)監(jiān)控軟件圖形主界面是集中顯示制氮機(jī)和空壓機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，主界面將進(jìn)行推送報(bào)警提示并記錄報(bào)警信息。監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)采用EMCP物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)組態(tài)界面，監(jiān)控界面主界面集成了動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面和數(shù)據(jù)曲線、歷史記錄及報(bào)警記錄等功能。系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

1) 頂部標(biāo)識(shí)區(qū)。制氮裝置一鍵啟動(dòng)按鍵、數(shù)據(jù)報(bào)表按鍵、視頻監(jiān)控按鍵、顯示系統(tǒng)名稱、當(dāng)前時(shí)間和報(bào)警指示燈等。

2) 中部數(shù)顯區(qū)。制氮機(jī)包含膜前溫度、膜后壓力、氮?dú)夂?、氮?dú)饬髁繉?shí)時(shí)數(shù)據(jù)；空壓機(jī)包括排氣壓力、排氣溫度、螺桿溫度、加載時(shí)間等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。模擬制氮裝置試驗(yàn)運(yùn)行情況。

3) 底部曲線區(qū)。對(duì)制氮裝置4個(gè)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史曲線監(jiān)測，用不同顏色區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)曲線。紅色歷史曲線代表“膜前溫度”，綠色歷史曲線代表“氮?dú)夂俊保S色歷史曲線代表“氮?dú)鈮毫Α?，藍(lán)色歷史曲線代表“瞬時(shí)流量”。

4 制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)平臺(tái)搭建后，進(jìn)行出廠檢驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試、測試，確保系統(tǒng)中各項(xiàng)功能符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。針對(duì)500 m3/h制氮裝置進(jìn)行本系統(tǒng)出廠現(xiàn)場試驗(yàn)，制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，控制功能操作簡單、安全可靠，上位機(jī)采集數(shù)據(jù)與試驗(yàn)區(qū)制氮裝置傳感器采集數(shù)據(jù)一致，實(shí)現(xiàn)了制氮裝置出廠檢驗(yàn)電子備案，試驗(yàn)數(shù)據(jù)無紙化存檔。

圖5 制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)主界面

制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過對(duì)制氮裝置出廠性能檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)備案，歷史數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)導(dǎo)出打印。操作人員可通過監(jiān)控系統(tǒng)主界面中的控制界面遠(yuǎn)程一鍵啟停制氮裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)制氮裝置的試驗(yàn)監(jiān)測、管理控制平臺(tái)一體化。制氮裝置出廠檢驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)表如圖6所示。

圖6 制氮裝置出廠檢驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)表

5 結(jié)論

對(duì)膜分離制氮裝置出廠檢驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)以報(bào)表的形式存檔，設(shè)計(jì)了一種以網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)交換機(jī)、工控機(jī)和LED顯示看板為基礎(chǔ)的制氮裝置出廠檢驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。實(shí)現(xiàn)膜分離制氮裝置出廠檢驗(yàn)中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示，根據(jù)設(shè)備出廠編號(hào)，對(duì)每一臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)記錄無紙化操作，根據(jù)需要可隨時(shí)根據(jù)設(shè)備出廠編號(hào)調(diào)取電子檢驗(yàn)記錄進(jìn)行報(bào)表打印。本文可以提高制氮裝置出廠檢驗(yàn)自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用制氮裝置及其運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)全方位智能化監(jiān)管，提高工作效率。因?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作，大幅減少了檢驗(yàn)人員在現(xiàn)場操作的時(shí)間，降低噪聲對(duì)檢驗(yàn)人員的傷害，實(shí)現(xiàn)數(shù)對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，檢驗(yàn)記錄實(shí)現(xiàn)無紙化。與此同時(shí)，對(duì)出廠檢驗(yàn)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，借助相關(guān)算法，為制氮裝置性能分析提供更可靠的依據(jù)。