基于物聯網的危化品儲存智能監測管理平臺的開發

文/鄧術章 周兆欣 張安西 馬建文

基于物聯網的危化品儲存智能監測管理平臺的開發

文/鄧術章 周兆欣 張安西 馬建文

危化品儲存事故時有發生，危害極大。而目前危化品儲存區的監測大多為表面的視頻監控，安全隱患較大。本文通過調研分析，針對危化品儲存區安全管理工作的實際需要，借助物聯網技術，設計并開發了危化品儲存智能監測管理平臺，該平臺實現了物聯網與智能管理控制于一體，具備實時監測、自動預警、專家應急決策服務、遠程智能化管理等功能。平臺的實現為危化品企業的安全生產管理、應急決策以及政府有效監管等提供了重要手段，有力地保障了危化品企業的安全營運和經濟效益。

危化品；智能監測；管理平臺；物聯網

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，一旦危化品儲存區發生泄漏，勢必引起火災、爆炸、污染、中毒和死亡等嚴重事故發生，對社會公共安全造成重大威脅［1］。而隨著工業技術的不斷發展，危化品的使用企業數量和規模仍在不斷的擴大，盡管我國為加強危化品的安全儲存管理制定了諸多法規和相關標準，危化品儲存事故還是頻繁發生［2～3］。目前，對危化品儲存區的監測大都僅對儲罐進行視頻監控，而對儲罐液位、溫度壓力等重要實時參數仍由手工測量或人工監控現場儀表，在非作業時段更處于無人監控狀態，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、專家系統綜合指導等功能于一體的危化品儲存智能監測系統［7～8］。

為了解決目前危化品儲存區監測平臺報警機制不完善，信息共享能力欠缺，多部門聯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管能力不足等問題，構建一個基于物聯網技術的危化品儲存智能監測平臺，實現危化品儲存區與相關的管理部門之間對危化品儲存信息的實時共享，加大政府部門對危化品企業的監控力度，在最大程度上降低危化品儲存時的風險，并且可以在事故發生后以最快的速度向相關部門和專家發出報警信息，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、增強應急處理能力及提高其智能化管理水平，具有良好的經濟效益和社會效益。

1.平臺功能需求分析

針對危化品儲存區監管現狀存在的諸多不足，通過細致的企業調研和對險情、事故等信息的分析，初步確定基于物聯網的危化品智能監測平臺應具有全面的實時監測、遠程動態控制、一鍵應急處理及綜合智能管理等功能。

1.1實時監測

可以通過各種傳感器、設備和無線傳感器節點實現對危化品儲存狀態信息（罐內溫度、可燃氣體濃度、壓力、液體質量，罐外的風向風速、溫度等）的實時監測，根據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據庫，能夠安全地存儲監測到各種狀態信息，并可以實現歷史狀態數據的查詢、分析和處理，有助于掌握危化品狀態變化的趨勢，從而可有效預防類似險情、事故的再次發生。

1.2遠程動態控制

能夠實現與通信網絡的連接，建立監測中心、危化品公司、消防、公共安全、醫療救援、政府管理等各個部門的互聯平臺，將監測中心的信息數據與各個部門實時共享，提供完善的監控、管理和應急救援功能；同時，設計平臺手機客戶端系統，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危化品的狀態設置自動提醒功能。這有助于公司管理人員、政府等部門對危化品有效監管，有助于在事故發生時相關負責人及專家可以與現場人員遠程指揮、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

目前危化品儲存區監控值班人員大都是非計算機專業人員，且對危化品知識的了解較少，即使危化品監測系統報警，仍不能立即做出正確反應。針對這一現象，危化品監測平臺應設置一鍵處理功能，當監測系統通過出現報警后，在自動提示問題部位和性質，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，控制并阻止事故規模擴大。

1.4綜合智能管理

圖1　平臺監測層主界面

開發面向危化品企業的智能信息管理系統，提供企業基本信息、儲存區及設備設施信息、危化品物質信息、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，提供危化品MSDS、危化品性質、應急預案、專家庫等基礎數據庫的管理維護，包括基本的增、刪、改、查等業務操作功能［9］。另外，平臺應能夠結合在線實時監測預警功能，提供事故接警、專家決策信息生成等的全流程管理，為危化品事故應急救援指揮提供相關的應急救援知識庫、專家庫以及企業、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

基于上述危化品儲存監測功能需求分析，綜合考慮各個功能要點，根據危化品儲存區安全管理工作的實際需要，基于物聯網技術開發一套先進實用、操作簡單方便、功能全面、可擴展性廣、性能可靠地危化品智能監測平臺。

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，利用程序將平臺各個功能有效地結合在一起。平臺系統采用基于現場總線的安全相關系統設計，基于物聯網技術，由各種傳感器、邏輯運算器、最終控制單元、上位機以及網絡通訊系統組成；同時，平臺設有具有遠程訪問接口，遠程監控中心和手機客戶端可通過專用網絡或Internet，經過網絡授權管理，隨時查看儲存區的現場情況和危化品的狀態信息。

2.2平臺監測層的實現

平臺監測層通過各種傳感器對罐內溫度、液位、壓力、質量、可燃氣體濃度、泄漏狀況及罐外風向風速等進行監測。該部分采用DCS（分布式控制系統），上位機采用通用組態軟件組態王6.52作為軟件監控平臺，組態王6.52將產生的信息具體地呈現給監控中心的操作者，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、獲取數據、擴充外接組件/系統、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板卡通訊協議后，就可由總線實現上位機與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據，進而可以完成實時數據采集、數據處理、指令發送、歷史記錄存儲等控制操作，其中系統最重要的兩個模塊為實時監測和參數設置部分。平臺監測主界面如圖1所示，監測系統軟件的流程圖如圖2所示。

圖2　監測系統軟件流程圖

2.2.1平臺監測層的實時監測

平臺監測功能主要利用物聯網技術中的感知層，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外危化品的狀態信息進行數據采集。進而利用組態王6.52可在Windows系統上與多種應用程序進行動態數據交換的功能，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，在組態王的字典中建立相應的I/O變量，組態王軟件從中讀取數據，經過標度轉換，將相應數據轉換為相應信號，然后利用組態王軟件提供的控件將這些信號呈現在軟件界面上。當獲取到的參數不在正常值范圍之內時，報警窗口顯示越限時間、變量名、當前值以及界限值等。當新報警出現時，報警窗口自動滾動，窗口總是顯示最后出現的報警事件。對燈光圖片進行動畫連接和調用PlaySound函數驅動喇叭，實現聲光報警。

2.2.2平臺監測層的參數設置

監測層參數的設置主要是參照儲存物質特性和儲罐的結構形式的不同并依據國家相關標準規范［11～12］要求及危化品企業安全生產監測需求，選取相關監測參數并設置監測報警閾值，通過管理后臺，對預設報警值進行集中處理。系統將傳感器實時采集的監測數據與報警值進行對比分析，一旦超出正常范圍將在系統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動。另外，系統將自動保存歷史監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據參考。

2.3平臺專家應急決策服務層的實現

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通訊功能，除了可以與帶以太網口的PLC等控制器通訊外，還可以實現HMI之間的聯網，通過Internet或者局域網對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。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

為滿足企業需要，本部分核心功能主要包括：

（1）專家系統相關標準查詢

一是為危化品企業提供常用危化品安全技術說明書的編輯、修改、刪除和査詢管理，為危化品提供有關安全生產儲存、防護措施、應急處置及環境保護等方面的各種信息和資料，為危化品安全儲存和科學高效預防事故提供依據。二是根據不同危化品物質的特性和危化品企業儲存事故處理的經驗，為企業編制應急預案和管理標準，在企業日常的危化品儲存管理和應急響應程序中，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

對平臺監測層監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、事故的發生。

（3）專家求助功能

當危化品儲存區發生事故時，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網功能獲取危化品物質特性及實時、歷史監測數據，根據事故的性質、嚴重程度為企業提供應急處理指導。另外，操作人員還可以通過該部分與消防、醫院等部門取得通訊聯系，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

危化品企業的安全生產離不開政府的有效監督和企業的高效管控，本平臺利用EasyBuilder8000軟件的以太網聯網功能和平臺設有的網絡遠程訪問接口，實現政府相關管理部門與危化品企業的信息共享及集中統一的智能標準化遠程管理平臺。政府和企業相關部門可以通過網絡和設置的訪問權限對本企業的安全標準化管理信息進行查詢和監管。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.結論

（1）該危化品智能監測管理平臺以物聯網相關技術為基礎，借助工業領域應用廣泛的組態王軟件及EasyBuilder8000人機界面，根據目前危化品儲存企業的安全生產需要設計并成功開發。

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

（3）如在此平臺基礎上，再增加對危化品運輸船舶的運輸過程、裝卸過程等的實時監測和遠程管理，將會大大降低危化品在水路運輸、裝卸、儲存整個環節的事故率，對避免危化品事故的發生、降低事故損失具有十分重要的現實意義，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/威海市臨港危化品智能監測中心）

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山東省交通科技計劃項目“基于物聯網技術的危化品智能監測系統設計與開發”、“山東省臨港危化品安全監管機制研究”（2013YD05002），威海市科技發展計劃項目“威海市臨港危化品智能監測平臺”（2013GGH006 ）。