控制室空氣質量自動監控系統的設計與實現

摘? 要：石油化工領域廠區空氣成分復雜、污染物較多，各種原因導致的有毒有害氣體泄漏，容易引發安全事故。針對中國石化某石油化工有限公司中央控制室空氣質量較差、對空氣質量缺乏系統有效的監控手段，存在安全隱患的情況，設計了完整的以Zigbee無線網絡為通信核心，涵蓋了空氣質量監測、控制、凈化等功能模塊的空氣質量自動監控系統。系統主要包括：空氣質量檢測終端、無線網關、新風控制終端、空氣凈化終端及系統監控軟件。

關鍵詞：控制室;空氣質量;Zigbee;自動監控系統

中圖分類號：TP273+.5;TN925+.93? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：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

油化工行業屬高危行業，近年來，由于有毒有害氣體的泄漏、爆炸等原因引發的安全事故時有發生，危及人民生命安全，給國家濟帶來巨大的損失。中央控制室作為煉化工廠的設備控制中樞，也是人員較集中的辦公場所。筆者曾參與中國石化某石油化工有限公司的控制室空氣質量監控項目的研發，目前該企業的控制室的空氣質量監測、控制仍處于初始階段，無法形成系統、有效的數據監測及處理，存在安全隱患，也對工廠智能化管理產生一定障礙。因此，為該中央控制室設計空氣質量自動監控系統是一項尤為緊迫的工作。

該中央控制室控制自動監控系統集成了有毒有害氣體監測、新風控制、空氣凈化三大核心功能模塊，實時監測、控制和處理，發現問題及時報警，杜絕安全隱患，有效避免重大安全事故的發生。

1? 項目背景

健康、安全與環境管理體系（簡稱為HSE），為石油天然氣領域國際通用管理機制，為石油天然氣領域向國際化市場以及現代化管理發展的重要保證，作為國際石油天然氣工業通行的管理體系，是石油天然氣工業實現現代化管理，走向國際大市場的準行證。因此，實行該管理體系是石油企業發展的必經之路。

在石油化工領域中，廠區空氣成分復雜，污染物較多。中國石化某石油化工有限公司是一家較大型煉化企業，該企業的中央控制室（簡稱中控室）通風系統設計是戶外空氣經過新風系統過濾，進入空調系統，兩系統無關聯控制。夏天炎熱，新風系統如果持續工作，將把空調系統部分冷空氣排出戶外，導致室內制冷效果不好。為保證中控室內比較舒適的溫度，現場管理人員往往會停掉新風系統。由于中控室是員工集中辦公場所，人員眾多，新風系統如果停開，室內空氣質量將進一步降低，室內人員容易出現疲累，甚至頭暈的現象。長期如此將會嚴重影響員工身體健康，甚至因精神不佳引起誤操作，危及生產安全。需設計一套具有現代化管理及監控手段的控制室空氣質量自動監控系統。該系統是工業管理機制中檢測環節以及實施環節，對空氣質量進行實時檢測，同時提供新風系統與空氣凈化系統控制接口，為保持中控室空氣質量處于潔凈清新狀態提供重要保障。

2? 系統設計方案

2.1? 功能簡介

空氣質量可以通過自動監控系統進行實時監控，同時向工廠管理網絡進行實時傳送，為相關人員提供精準、及時的數據信息。系統完成空氣質量信息傳輸后，監控室PC設備會對空氣質量波動進行實時檢測，發現空氣異常現象之后，會及時啟動新風系統更換新風及啟動空氣凈化系統進行凈化處理。根據SH/T 3006—2012《石油化工控制室設計規范》的要求，本系統設計主要檢測參數涵蓋以下內容：空氣綜合質量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5等。本系統預留了一定數量的拓展接口，能夠按照實際需求對傳感器模塊進行合理調整。系統技術指標如表1所示。

2.2? 系統的整體結構設計

系統由檢測終端、無線網關以及基于PC機的監控管理軟件組成。中央控制室包括三個控制室，每個控制室根據空間面積等因素設置多個檢測終端，系統的整體結構如圖1所示。

3? 硬件設計分析

無線網關與檢測終端共同構成系統硬件。

3.1? 檢測終端

對于檢測終端空氣各參量檢測是其主要功能，涵蓋空氣綜合質量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5等內容。傳感器對檢測結果進行A/D轉換以及信號換變，之后通過微控制器進行讀入，然后轉化為工程量，借助LCD顯示屏顯示出來。再通過Zigbee無線射頻發射模塊發送給網關。檢測終端的結構如圖2所示。

3.2? 無線網關的設計

無線網關由微處理器、Zigbee無線射頻接收模塊和以太網模塊構成。Zigbee無線射頻接收模塊接收到檢測終端的數據，微處理器進行數據處理后，將檢測結果傳輸給以太網模塊。每個無線網關可設置固定的設備IP地址，監控管理軟件通過訪問該IP地址可獲取檢測終端的檢測結果。無線網關的硬件結構如圖3所示。

4? 軟件設計

上位機與下位機軟件構成系統軟件。上位機軟件通常用于接收、處理數據;下位機軟件通常用于收集、傳輸數據。

4.1? 下位機軟件

下位機軟件涵蓋以下內容：采集終端數據、傳輸數據以及硬件設備初始化處理等。一般系統會選擇Zigbee通信技術，而本系統則是以TI Z-Stack為基礎進行研發的技術。

（1）Zigbee數據采集工作。將多個傳感器設置在檢測終端中，通過微處理器對不同傳感器中的數據進行讀入處理，之后進行軟件濾波以及相應計算處理。軟件濾波屬于關鍵環節，能夠將被干擾數據有效去除，強化數據精準性。如圖4所示。

數據采集程序借助對AIR_Sensor（）、Cl2_Sensor（）、SO2 _Sensor（）、H2S_Sensor（）、Humidity（）、Temperature（）、調用PM2_5（）函數進行調用，完成空氣質量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5等檢測工作。由于系統對空氣質量情況進行實時檢測，所以，這些函數處于定時調用狀態，可以按照具體需求進行定時時間設定。

（2）硬件設備初始化。完成設備通電處理之后，應該對軟件架構與硬件平臺相關模塊展開初始化處理。初始化主要涵蓋以下內容：操作系統、應用框架層、MAC層、Flash儲存器、堆棧、系統時鐘、硬件模塊以及非易失變量的初始化、并構建MAC地址。

（3）傳輸數據。檢測終端完成上述參數采集工作后，根據一定格式對這些數據進行排列，并不是將MAC地址加到數據串前端，之后開展打包保存處理。其中，PC機完成數據包接收之后，通過MAC地址區分數據是由哪個終端進行發送的，實現多個終端設備在一個網絡中進行數據傳輸。終端完成數據打包處理，正式發送前，需要對區域中Zigbee網絡進行檢測，以確定其質量。若是存在空閑網絡，則加入網絡，并通過無線網絡傳輸數據，網絡會選擇最佳路線向無線網關傳輸數據。之后網關借助串口向以太網單元發送相關數據，安裝有監控管理軟件的PC機訪問指定IP的網關獲取檢測終端的檢測數據。

4.2? 上位機軟件的設計

上位機軟件是系統人機交互的主要方式，用戶可以從中讀取信息或者輸入命令來控制系統的工作狀態。

4.2.1? 功能設計

（1）與檢測終端建立連接并進行交互，實時監測各區域的空氣質量狀況。

（2）具有監測參數超限報警功能，對于監測數據超過用戶設定的上下限值時，對異常的數據以不同顏色進行標注，并保存在系統報警信息中，供用戶查詢。

（3）具有空氣質量超標處理功能，當監測參數超限報警時，實時啟動新風系統或空氣凈化系統進行空氣處理，保持室內空氣干潔清新。

（4）具有數據上傳功能，能將測量數據上傳至公司的管理系統或DCS等。

4.2.2? 工作流程

PC機通過網絡訪問網關接口將對各檢測終端數據進行讀入處理后，運用上位機軟件展開進一步處理，之后通過文字或是圖形等方式為用戶直觀展示數據處理結果，用戶僅需要通過監控室設備就可以對各個監測點實際空氣狀況進行全面監測。本系統通過VB語言在圖形界面中的設計特點，開展自動監控軟件控設計工作。監控軟件流程圖如圖5所示。

對于初始圖形界面，涵蓋一些內容：工作狀態初始化、通信端口初始化以及相關曲線圖、參數柱形圖等方面初始化。程序借助對VB中Winsock控件進行合理調用，向程序中讀入數據包，之后進一步解析數據包，對數據包中空氣質量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5、MAC地址等信息進行提取。對系統中MAC地址進行終端設備號轉換處理，同時按照空氣質量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5這些參數情況，進行曲線圖與柱形圖調用，進而將函數展示出來。在相應終端設備監測畫面中對空氣信息進行實時更新。同時將參數值與預定設置的報警值比較，若參數超標，則調用新風系統及凈化系統控制程序，進行新風更換及凈化處理，并在監測畫面報警提示。

5? 系統實施及使用情況

5.1? 監控布點

根據中國石化某石油化工有限公司中央控制室實際情況，參考HJT 167—2004《室內環境空氣質量監測技術規范》中的布點原則，布置12個監控區域，每個監控區域設置1臺檢測終端，以實現控制室全方位的空氣質量自動監控。

5.2? 通信網絡

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低傳輸速率的無線傳感器網絡通信技術。因為建筑物距離、結構空間存在差異，樓層與房間墻體結構等方面也存在一定差異，在網關、檢測終端之間，一些無線信號可能無法接收。根據監控布點分布和墻體的具體情況，在相近的幾個監控布點中間設置一個無線接入點網關，通過網關接入局域網內，克服了ZigBee通信距離短的缺點，為系統擴展檢測終端數量提供可靠通信條件。

5.3? 使用情況

系統自投用以來，取得了良好的應用效果。目前系統24小時全天候穩定運行，實現了監測數據網絡共享、監測報警、污染自動處理等功能（如圖6所示），信息化能力和保障水平明顯提升，監測與控制協同聯動，使控制室空氣質量時刻保持良好狀態提供可靠保障。為石化HSE管理體系的實施提供資源支持，為順利進行安全生產提供了有力保證。

6? 結? 語

中央控制室空氣質量優劣直接關系到員工呼吸健康及生產管理安全。該系統可以對監測區域中空氣情況進行準確、實時監控，同時開展數據采集工作，空氣質量出現問題時，能夠及時報警并能夠自動啟動相關設備進行污染處理，實現提前發現問題與快速解決問題的目標，進而提高生產安全性，確保工作人員生命安全。

參考文獻：

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作者簡介：吳炳志（1983—），男，漢族，廣東茂名人，工程師，畢業于廣東工業大學，本科，研究方向：教育信息化、物聯網、計算機技術。