基于智能傳感器的煙草倉庫電氣安全監(jiān)測系統(tǒng)

郭倩玉，張 琪，趙忠?guī)洠握倜鳎铠欆?/p>

（山東中煙工業(yè)有限責任公司青州卷煙廠，山東 青州 262500）

煙草作為重要的經(jīng)濟作物，其安全高效的倉儲與運輸對保證煙草供應(yīng)鏈的連續(xù)性和國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。然而，由于煙草的易燃性，煙草倉庫一旦發(fā)生火災(zāi)，后果極其嚴重。近年我國多起煙草倉庫火災(zāi)引發(fā)重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。經(jīng)分析認為，電氣系統(tǒng)故障是導(dǎo)致倉庫火災(zāi)的重要原因之一[1]。因此，開發(fā)煙草倉庫專用的電氣安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對實時監(jiān)測電氣系統(tǒng)的運行參數(shù)，評估系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障隱患，并及時預(yù)警報警，能夠有效減少火災(zāi)事故的發(fā)生，保障生產(chǎn)安全與產(chǎn)品質(zhì)量，具有重要的社會價值和應(yīng)用前景。

1 煙草倉庫電氣安全監(jiān)測需求

煙草倉庫電氣安全監(jiān)測的需求主要來自煙草倉庫的特殊性。煙草屬于易燃品，倉庫內(nèi)存放大量煙草，一旦發(fā)生火災(zāi)，后果極其嚴重。近年來我國發(fā)生的煙草倉庫火災(zāi)多達數(shù)十起，造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)億元，嚴重影響國家煙草產(chǎn)業(yè)安全。與普通倉庫相比，煙草倉庫存在以下特殊性：

1.倉庫內(nèi)存放大量易燃物質(zhì)。煙草的可燃性非常強，一旦起火，燃燒迅速、熱量大，這使得火災(zāi)帶來的危害更大。

2.電氣系統(tǒng)負荷大。倉庫使用大量電氣設(shè)備，如煙機、傳送帶等，系統(tǒng)負荷高、故障率也較一般倉庫為高。電氣故障是引發(fā)火災(zāi)的嚴重隱患。

3.環(huán)境溫濕度要求高。煙草倉儲要保證一定的溫濕度，避免質(zhì)量問題，這對電氣系統(tǒng)的運行提出更高要求。

因此，對煙草倉庫電氣系統(tǒng)的安全運行進行監(jiān)測預(yù)警是必要的。

具體的監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)包括：電氣線路及設(shè)備的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障隱患[2]；環(huán)境溫度、濕度，防止條件異常，影響煙草質(zhì)量；倉庫內(nèi)是否有煙霧，及時發(fā)現(xiàn)起火狀況。設(shè)立智能化的電氣安全預(yù)警系統(tǒng)，在監(jiān)測參數(shù)超過設(shè)定閾值時，發(fā)出聲光報警，并通過消息提醒相關(guān)負責人。實時監(jiān)測和預(yù)警是保證煙草倉庫電氣安全、防止火災(zāi)的關(guān)鍵措施，對減少生產(chǎn)事故損失，保障煙草供應(yīng)鏈安全都有重要意義。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

煙草倉庫電氣安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)采用四級布局的分散式結(jié)構(gòu)。

一級為采集級，主要包括智能煙霧探測器、溫濕度傳感器、電流、電壓、漏電流檢測器等。這些傳感器和探測器布置在煙草倉庫的關(guān)鍵區(qū)域，如臨界區(qū)域、輸送區(qū)域、制造區(qū)域等，實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)和電氣輸配系統(tǒng)的全面采集。

二級為采集站級，主要完成對一級采集節(jié)點數(shù)據(jù)的聚合與預(yù)處理。采集站通過RS485 總線連接各采集節(jié)點，并會定期收集各節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行濾波、歸一化、格式化轉(zhuǎn)換等預(yù)處理工作，然后通過以太網(wǎng)上傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

三級為監(jiān)控中心級，由工業(yè)計算機等組成，安裝數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、監(jiān)控服務(wù)器、報警服務(wù)器等。該級負責對采集站的數(shù)據(jù)進行持久化存儲，實時監(jiān)控和狀態(tài)評估，智能分析判斷并由此產(chǎn)生控制指令和預(yù)警信息。所有監(jiān)測與控制的核心處理功能均在此級完成。

四級為監(jiān)控顯示級，包括監(jiān)控顯示終端和控制面板等。負責人機交互、接收監(jiān)控中心的告警信息、顯示報表、參數(shù)設(shè)置等。同時可向監(jiān)控中心發(fā)送控制指令，實現(xiàn)人為干預(yù)和狀態(tài)調(diào)節(jié)。該架構(gòu)充分考慮系統(tǒng)的分布特點和數(shù)據(jù)處理的等級規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)對煙草倉庫區(qū)域的分散監(jiān)測與集中控制，既能保證數(shù)據(jù)的全面采集，也能實現(xiàn)信息的有效處理與利用，總體合理、高效[3]。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

煙草倉庫電氣安全監(jiān)測系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計緊密結(jié)合監(jiān)測目標和應(yīng)用需求，主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、參數(shù)分析診斷模塊、智能控制模塊、人機交互模塊。

1.數(shù)據(jù)采集模塊負責組織和管理各類電氣及環(huán)境監(jiān)測傳感器，對煙草倉庫區(qū)域的溫度、濕度、煙霧濃度、電流、電壓、漏電流等數(shù)據(jù)進行高效可靠的采集。

2.數(shù)據(jù)傳輸模塊基于有線和無線通信設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)從采集端到中央監(jiān)控平臺的傳輸。支持多種網(wǎng)絡(luò)模式如WiFi、4G、以太網(wǎng)等。

3.參數(shù)分析診斷模塊利用數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)挖掘、智能算法等對監(jiān)測參數(shù)進行多維度分析，實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)運行狀態(tài)和潛在故障隱患的智能識別與評估。

4.智能控制模塊根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)評估結(jié)果，利用PLC、操作終端等設(shè)備，對倉庫區(qū)域的電氣系統(tǒng)實施智能化的狀態(tài)調(diào)節(jié)或故障防護控制。

5.人機交互模塊提供圖形化的監(jiān)控頁面，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行的參數(shù)實時監(jiān)視，并進行人為干預(yù)或設(shè)備控制，確保電氣系統(tǒng)的安全可靠運行。

上述模塊間數(shù)據(jù)互聯(lián)、功能協(xié)同，構(gòu)成一個信息閉環(huán)，實現(xiàn)對煙草倉庫電氣系統(tǒng)全生命周期的智能化監(jiān)管。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

1.溫濕度傳感器：選擇測量范圍廣（-40℃～125℃，0～100%RH），溫度精度±0.3℃，濕度精度±2%RH 的數(shù)字輸出產(chǎn)品。傳感器采用精密的鉑電阻和電容式濕敏元件，內(nèi)置高速MCU 和A/D 轉(zhuǎn)換電路，通過mature的溫濕度復(fù)合測量算法實現(xiàn)參數(shù)獲取。支持多種通信接口如UART 串口、I2C、SPI 等，實現(xiàn)采集端的靈活連接。同時配置可編程非易失存儲器，自定義設(shè)置數(shù)據(jù)存儲周期，如1min～60min 范圍內(nèi)可調(diào)，保證關(guān)鍵參數(shù)的歷史曲線跟蹤。傳感器工作穩(wěn)定可靠，校準周期長達2 年，滿足煙草倉儲對環(huán)境準確監(jiān)控的需求。

2.煙霧傳感器：選擇煙霧檢測技術(shù)成熟的光電互補式產(chǎn)品，采用精密的微處理器，配合云臺式光電靈敏探測器，實現(xiàn)360°全方位靈敏檢測。具有自動跟蹤補償算法，在溫度-40℃～60℃、相對濕度10%～95%變化大的環(huán)境下，保證檢測性能穩(wěn)定。具有兩級火災(zāi)預(yù)警功能，預(yù)警點自動跟蹤調(diào)整，實現(xiàn)極早期火災(zāi)報警。同時配置智能診斷電路，提供工作狀態(tài)和故障提示。配件標準化，現(xiàn)場安裝和調(diào)試簡便[4]。

3.電流互感器：考慮到線路電流的準確測量和監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾需求，選用閉環(huán)互感器方案。采用導(dǎo)磁系數(shù)穩(wěn)定、溫漂優(yōu)異的鎳鐵基南氏體材料，測量范圍0～3000A，轉(zhuǎn)換精度高達0.2 級。互感器作為一種“絕對式”傳感器，不需要運放，轉(zhuǎn)換誤差低，滿足煙草生產(chǎn)線各類電機、頻變器等負載設(shè)備電流的準確檢測。

4.電壓采集器：選擇寬量程（15V～1000V）、高精度（0.1 級）的電壓采集模塊，內(nèi)部集成電磁隔離、信號調(diào)理、A/D 轉(zhuǎn)換功能，通過標準電壓信號采集電源電壓，保證數(shù)據(jù)采集和設(shè)備安全。模塊結(jié)構(gòu)緊湊，直流供電設(shè)計，適合工業(yè)現(xiàn)場苛刻的工作環(huán)境。

3.2 軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集處理軟件基于工業(yè)控制計算機和可編程邏輯控制器構(gòu)成，利用面向?qū)ο蟮母呒壵Z言和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行開發(fā)。軟件具備穩(wěn)定的驅(qū)動框架，對各類智能化監(jiān)測傳感器提供標準接口，實現(xiàn)溫度、濕度、煙霧濃度、電壓、電流等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的透明采集。通過配置不同的驅(qū)動程序，快速接入監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集管理實現(xiàn)對時間同步、檢測質(zhì)量（SNR）和采樣頻率等參數(shù)的調(diào)度優(yōu)化，保證信號的有效提取。使用高性能數(shù)據(jù)緩存和獨立的解析、濾波任務(wù)，對采集數(shù)據(jù)進行驗證、去噪、壓縮和校準等在線處理，提高傳輸效率。采集內(nèi)容按既定的數(shù)據(jù)格式和文本協(xié)議進行組裝和編碼，持久化存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，并建立完善的表結(jié)構(gòu)，支持多維組合查詢分析。軟件全面支持OPC開放協(xié)議和Modbus 現(xiàn)場總線規(guī)約，實現(xiàn)與各類智能檢測設(shè)備的靈活接入與集成，構(gòu)建橫向可擴展的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，是數(shù)據(jù)采集處理的核心[5]。

監(jiān)控管理軟件基于B/S 三層瀏覽器/服務(wù)器模式構(gòu)建，服務(wù)器端應(yīng)用JAVA 語言和關(guān)系數(shù)據(jù)庫ACCESS 開發(fā)。軟件實現(xiàn)用戶權(quán)限管理和基于角色的訪問控制機制，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)和功能的安全。采用AJAX 技術(shù)實現(xiàn)富客戶端監(jiān)測界面，支持多窗口并行顯示。使用 SVG、Canvas 等高級繪制技術(shù)，通過動態(tài)曲線、層疊柱狀圖等直觀形式，展示監(jiān)測參數(shù)的實時變化和歷史趨勢，時間范圍可靈活配置。優(yōu)化的大數(shù)據(jù)讀取算法，支持快速提示實時預(yù)警信息，并自動生成PDF 格式的定期監(jiān)測報表。軟件全面支持Web 頁面訪問和移動客戶端，可使用PC、平板等多終端進行遠程監(jiān)控瀏覽。統(tǒng)一的軟件平臺，實現(xiàn)對倉儲電氣系統(tǒng)運行的集中管理和決策支持。

4 系統(tǒng)可靠性分析與應(yīng)用效果

4.1 可靠性分析

煙草倉庫電氣安全監(jiān)測系統(tǒng)通過針對軟硬件的可靠性分析和測試，全面驗證系統(tǒng)的高可用性。主要試驗內(nèi)容和結(jié)果如表1 所示。

表1 煙草倉庫電氣安全監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性測試匯總表

從表1 中可以看出，監(jiān)測系統(tǒng)的各項指標均達到或超過設(shè)計規(guī)范要求。具體分析如下：系統(tǒng)選用的監(jiān)測設(shè)備、采集終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可靠性高，其平均故障間隔均在4.5 年以上，完全滿足長周期穩(wěn)定運行的需求。在軟件過程和開發(fā)測試方面，執(zhí)行嚴格的質(zhì)量控制，包括代碼Review、詳盡的單元測試等措施。測試覆蓋率和可用性監(jiān)測指標顯示軟件設(shè)計和實現(xiàn)達到高水準。連續(xù)運行試驗在全負荷條件下持續(xù)超過8000 小時沒有出現(xiàn)異常。表明軟件具有足夠的魯棒性和容錯能力。環(huán)境試驗驗證系統(tǒng)工作的適應(yīng)性，能適應(yīng)倉儲空間的溫度、濕度及振動變化，沒有超過允許誤差范圍，運用條件得到驗證。通過一系列全面的可靠性測試，軟硬件指標均達到國際先進水平，完全滿足煙草倉儲對監(jiān)測系統(tǒng)高可用性的需求，長期穩(wěn)定可靠地運行。

4.2 應(yīng)用效果評估

煙草倉庫電氣安全監(jiān)測系統(tǒng)投入使用一年來，各項監(jiān)控性能指標穩(wěn)步提升，在減少事故損失、提高系統(tǒng)可靠性等方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。主要效果匯總?cè)绫? 所示。

表2 煙草倉庫電氣安全監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效果

從應(yīng)用統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，新型監(jiān)測系統(tǒng)具有明顯的事故防范和系統(tǒng)優(yōu)化作用。具體來說：電氣故障相關(guān)的安全事故和設(shè)備損壞大幅減少，降低90%以上的物資和生產(chǎn)損失，保證煙草質(zhì)量安全。借助系統(tǒng)的實時監(jiān)測和智能分析，電氣設(shè)備的檢修響應(yīng)速度顯著加快，停機時間縮短70%，系統(tǒng)可用性和生產(chǎn)效率明顯提升。精準的狀態(tài)評估分析實現(xiàn)設(shè)備保養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，將保養(yǎng)周期擴大60%，設(shè)備運維的經(jīng)濟性大幅提高。綜合測算投資回收期不足1.5 年，新系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟效益。可見煙草倉庫專用電氣安全監(jiān)測系統(tǒng)性能優(yōu)越，總體應(yīng)用效果顯著，值得進一步推廣應(yīng)用。

5 總結(jié)

本文針對煙草倉庫電氣系統(tǒng)的安全監(jiān)測需求，設(shè)計了一套基于智能傳感器的安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分散式架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電氣線路、溫濕度及煙霧濃度的全面監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。通過工控機和可編程邏輯控制器構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理平臺，對監(jiān)測信息進行分析處理，實時評估電氣系統(tǒng)的安全狀態(tài)。同時借助監(jiān)控管理平臺，實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程監(jiān)視與控制。該方案經(jīng)過可靠性分析和效果評估，軟硬件指標均達國際先進水平，在防范電氣事故、減少損失等方面展現(xiàn)出良好效果。