基于DSP的危化品運輸泄漏實時監測系統

楊一帆，林建輝，李 國

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

基于DSP的危化品運輸泄漏實時監測系統

楊一帆，林建輝，李 國

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

為解決對危化品運輸設備狀態實時監測，該設計應用DSP技術和無線傳輸技術，對各安裝點氣體濃度進行實時數據采集、檢測、傳輸，闡述了系統的總體設計思想，介紹了系統的工作方式以及數據處理的具體方法。系統能實現危化品運輸設備全過程泄漏狀況的監測，一旦危化品運輸車輛發生危化品泄漏事件，這套系統可以實時探測到泄漏情況并報警，為現代危化品物流提供了一種安全的解決方案。

DSP技術；危化品；泄漏監測

1 引 言

隨著現代化工業生產的發展，易燃、易爆、有毒氣體及液體的種類和應用范圍都得到了增加。在化工、石油、染料以及其他行業中就有許多有害物質，如液化石油氣、氨、氯、硫化氫、二氧化硫及酒精等，如果在生產或運輸過程中由于操作失誤或其他原因，致使這些危險性物質泄漏出來，由于氣體本身存在的擴散性，發生泄漏后，在外部風力和內部濃度梯度的作用下，氣體會沿地表擴散，在事故現場形成燃燒爆炸或毒害危險區。為了增強運輸安全性，國內外對危險化學品運輸車輛實行監管，主要針對車輛行駛狀態的監測。在國外也有針對危險化學品運輸的基于GIS平臺的危險性評估研究，以此作為運輸路徑的選擇依據。目前，國內中集集團應用的基于MEMS傳感器的集裝箱監測系統很好地監測了運輸過程中氣體濃度和溫濕度、罐內危險化學品的壓力和液位、罐體的空間姿態和加速度以及閥件腔腔體的開合狀態等信息。參考文獻[1-3]，為了進一步提高氣體濃度監測的可靠性，設計采用雙傳感器相互監測，以防因單傳感器失靈造成的誤報警，并且設計注重數據處理融合精度，從而加強報警準確性。因此設計首先確定了安裝位置，然后結合DSP和無線傳輸技術，增強數據處理能力以及傳輸的及時性，對泄漏情況全面及時監測。

2 實驗測點分布概況

根據對文獻[3-4]中危險化學品常壓鐵路罐車罐體常見缺陷調查、常見泄漏事故調查以及有害氣體運輸過程中泄漏擴散的分析可得知：危化品泄漏多發原因主要有罐體焊縫撕裂、罐內內加強圈老化、罐體酸堿腐蝕造成的罐體漏洞等，并且在泄漏監測范圍內，泄漏擴散多以大于環境空氣密度的重氣擴散為主。由此可見，對于安裝點的位置的確定要既實現全方位監測目的，又能對易發生泄漏點如罐體焊縫、閥門進行重點監測，并且需要考慮到氣體密度、風向等因素。在列車行進過程中，由于風力作用，泄露氣體會隨風向方向擴散。又由于多數危險氣體密度大于空氣，即所謂的重氣，擴散時，會有向地表擴散的趨勢，因此可見圖1安裝點位置都位于罐尾下風處，并且在易泄漏點（罐體兩側焊縫和罐頂安全閥）下方，3個安裝點可以全面監測整個罐體的泄漏情況。

圖1 實驗測點分布示意圖

3 系統總體設計

基于DSP的危險氣體泄漏監測報警系統由從機與主機構成，如圖2所示。從機以TI公司的DSP芯片TMS320F2812為核心，可完成對1個監測報警點的兩路氣體濃度采集、一路環境溫度數據采集、采集后的數據處理、控制執行結構、與主機通信等功能，自身構成一個閉環測控系統，實現對所在安裝點區域的監測[5]。主機由PIC微處理芯片、液晶顯示、聲光報警、通信模塊組成的二次儀表機實現，主要負責與從機的數據通信、聲光報警、濃度顯示功能，以便操作人員對現場進行分析，根據分析結果采取有效措施，以防止可燃氣體的泄漏，杜絕事故隱患。

圖2 監測系統總體結構框圖

4 硬件結構框圖

圖3 泄漏監測系統硬件結構圖

為快速準確地檢測出周圍氣體中酒精氣體的含量，并且在達到危險濃度時發出聲光報警，系統由6個方面組成：（1）可燃氣體傳感器，可以通過可燃氣體傳感器感知周圍空氣中可燃氣體的濃度值，并將其轉換為電信號使電路能夠識別；（2）溫度傳感器，可燃氣體傳感器受其工作環境中的溫度的影響比較大，故需要測得周圍環境中的溫度，進而對氣體傳感器測得的數據進行補償；（3）供電電源保障系統；（4）計算顯示單元；（5）聲光報警單元；（6）友好的人機交互界面及通信接口[6-7]。泄漏監測系統硬件結構圖如圖3所示。

5 系統軟件及數據處理方法

為便于編程和管理，軟件用C語言編寫[8]，采用模塊化設計，程序以循環方式工作，完成初始化及子程序調用。軟件分為3個子系統：（1）危化品運輸設備狀態數據采集與存儲；（2）數據處理；（3）數據無線傳輸通信。3個子系統相互關聯又相互獨立，協同完成狀態數據處理、狀態檢測、數據存儲及上傳到車載終端。

5.1 數據采集

危化品運輸設備狀態數據采集與處理是系統軟硬件設計的核心部分，主要完成各個傳感器狀態數據采集，對采集的數據進行濾波、放大、整合處理后作為數據融合的數據源。正常數據每間隔10min向車載終端上傳一次，報警數據每間隔3s向車載終端上傳一次并且啟動聲光報警[9]。

5.2 數據處理

該設計采用兩個傳感器，首先計算互相關值，當相關值大于0.7時，認為兩個傳感器數據顯著相關；小于0.7時，再采樣10次，連續小于0.7進行傳感器故障報警，這樣可以起到互相監督的作用，防止由于某一個傳感器故障引起系統失靈，根據表1的計算（數據來自文獻[10]，為兩個傳感器在酒精濃度為1×10-4g/m3下溫度變化范圍在15℃～19℃的數據，數據經過傳感器信號歸一化方法處理，由0～3.3 V的測量范圍變為輸出介于[0，1]之間），數據互相關值為0.705 8，經證明顯著相關，可以用作下一步數據源。

表1 兩個相同型號傳感器同一條件下測量值

設計中需要監測的環境參量主要是溫度、危險氣體在空氣中的含量，由于氣體傳感器受到周圍環境中溫度變化的影響很顯著，故需要采用溫度補償，這是數據處理的關鍵點。

當干擾輸出和傳感器輸出之間的數學關系已知時，則干擾可以在測量干擾變量的幅度之后，通過數字計算進行補償。該設計采用這種補償方式，即擬合出氣傳感器與溫度變化而變化的曲線，列出相應的方程式，在得到氣體傳感器、溫度傳感器信號的情況下，通過方程計算，計算出受溫度影響的量值進行補償。這樣設計的優點是具有較大的靈活性或寬范圍的擬合功能。根據得出的準確的溫度和濕度值帶入傳感器對于周圍溫度影響的特性曲線，得出變化的傳感器數據，即電壓值，進而得出由于周圍環境溫度變化對于造成的影響進行補償。

文中應用最小二乘法做曲線擬合，最小二乘法可以用來處理一組數據，可以從一組測定的數據中尋求變量之間的依賴關系，這種函數關系稱為經驗公式。在實驗中測得變量之間的n個數據（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），在 xoy 平面上，這些數據點P（xi，yi）（i=1，2，…，n）組成“散點圖”，從圖中可以粗略看出這些點大致散落在某直線近旁，認為x與y之間近似為一線性函數。應用最小二乘法計算出溫濕度曲線與傳感器之間的函數關系。表2采用文獻[10]中的部分數據。

表2 連續溫度下氣體傳感器測量電壓值

圖4 傳感器電壓與溫度關系擬合直線圖

將表2數據在Matlab中擬合后的曲線如圖4所示，得出曲線關系為y=0.0201x+0.2379。

6 結束語

該危化品運輸設備狀態實時監測系統可以實現危化品泄漏的全面探測及環境溫度等的檢測，通過實時數據處理、傳輸實現實時報警，運用技術手段實現了維護危化品運輸全程探測、監測與跟蹤，從而減少和避免事故的發生，避免和降低事故危害，提高了危化品運輸的安全性和可靠性。該系統對于危化品的陸路運輸有很好的適用性，為現代危化品物流提供了一種安全的解決方案。

[1]張永生，段戰歸，周受欽，等.危化品運輸設備狀態實時監測系統[J].交通與計算機，2007，25（6）：106-108.

[2]焦 陽，楊萬和，劉 江，等.氣體濃度監測系統的設計[J].河北工業科技，2004，21（2）：18-19.

[3]陳發云.危險化學品常壓鐵路罐車罐體常見缺陷及處理[J].鐵道運營技術，2009，15（4）：14-17.

[4]李繼兵.有害氣體運輸過程中泄漏擴散的模擬與分析[D].成都：西南交通大學，2004.

[5]徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[6]孫秋紅，張立巖，韓 穎.智能化可燃氣體泄漏檢測報警系統的設計與實現[J].河北工業科技，2008，25（1）：32-38.

[7]李志全，張淑清，時衛東，等.智能儀表設計原理及應用[M].北京：國防工業出版社，1998.

[8]王效東.TMS320F2812代碼運行性能的研究[J].單片機與嵌入式系統應用，2007（2）：77-79.

[9]祝紅軍，李軍民.基于DSP的遠程數據采集系統設計[J].西華大學學報：自然科學版，2010，29（4）：12-14，51.

[10]李 飛.小型移動機器人嗅覺定位研究[D].天津：天津大學，2006.

[11]劉建書，李人厚，常 宏.基于相關性和最小二乘的多傳感器數據融合[J].控制與決策，2006，21（6）：714-720.

[12]胡振濤，楚艷萍，劉先省.測量方差自適應的多傳感器數據融合算法[J].紅外與激光工程，2005，34（6）：714-746.

Real-time condition monitoring system of transportation equipments for hazardous chem icals based on DSP technology

YANG Yi-fan，LIN Jian-hui，LI Guo
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

This paper proposed a method to design and implement a real-time monitoring system of transportation equipments for hazardous chemicals.It combined DSP technology with wireless transmission technology to monitor the changes of the gas concentration around the tank.The general structure and implement of the system were described，the work flow of the system was explained，and the method of data acquisition and procession were introduced.This system can real-time detect the leakage situation during the transportation and alarm when necessary.This paper provides a new solution for modern transportation of hazardous chemicals.

DSP technology；hazardous chemicals；leakage monitoring

X924.3；TP277

A

1674-5124（2011）01-0060-03

2010-05-17；

2010-07-23

國家973計劃項目（2007CB714701）

楊一帆（1983-），女，四川眉山市人，碩士研究生，專業方向為檢測技術。