高照良，葉 萌

(中國人民解放軍91515部隊(duì)，海南 三亞 572016)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

有害物質(zhì)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高照良，葉 萌

(中國人民解放軍91515部隊(duì)，海南 三亞 572016)

為確保有害物質(zhì)工作場所人員的安全，針對工作場所存在的有害物質(zhì)，綜合集成網(wǎng)絡(luò)通信、軟件開發(fā)、聯(lián)動(dòng)控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)的有害物質(zhì)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工作場所有害物質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、超標(biāo)即時(shí)報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制。該系統(tǒng)顯著提高了工作場所有害物質(zhì)的監(jiān)控水平和監(jiān)控效率，有效保障了工作場所人員的安全。

有害物質(zhì)；監(jiān)控；報(bào)警

N2O4、NO2屬強(qiáng)氧化劑，具有強(qiáng)烈的刺激性和腐蝕性，會(huì)對眼、呼吸道粘膜、皮膚造成傷害，嚴(yán)重時(shí)可引起急性中毒。偏二甲肼、钚是有毒物質(zhì)，會(huì)對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟造成傷害。钚、鈾、氚屬放射性有毒物質(zhì)，可對人體造成嚴(yán)重的照射傷害及化學(xué)毒性傷害。對涉及N2O4、NO2、偏二甲肼、钚、鈾、氚的危險(xiǎn)物質(zhì)場所，一旦發(fā)生事故，將會(huì)給工作場所內(nèi)的人員造成極大傷害。因此，需要在涉及上述危險(xiǎn)物質(zhì)的場所，建立一套監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對工作場所危險(xiǎn)物質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、超標(biāo)即時(shí)報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制，以確保工作場所內(nèi)人員的安全。目前常見氣體的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)相對成熟[1-3]，但綜合集成上述多種特定有害物質(zhì)的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)鮮有報(bào)道。

1 設(shè)計(jì)方案

危險(xiǎn)物質(zhì)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)由監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)、監(jiān)測與控制系統(tǒng)和聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)3個(gè)部分構(gòu)成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測與報(bào)警單元采集工作場所危險(xiǎn)物質(zhì)的特征信息，通過光纖網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)測與控制中心的計(jì)算機(jī)，監(jiān)控中心對采集到的特征數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過規(guī)定閾值時(shí)，監(jiān)控中心將發(fā)送指令信息給聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備。

監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)采用N2O4、NO2、偏二甲肼、钚、鈾、氚6個(gè)現(xiàn)場測量單元，根據(jù)工作場所內(nèi)各操作間的危險(xiǎn)物質(zhì)種類和空間布局，選擇探測器的種類和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)對有害物質(zhì)快速、準(zhǔn)確、全面的監(jiān)測。現(xiàn)場監(jiān)測單元的主要設(shè)備包括危險(xiǎn)物質(zhì)敏感探測器、顯示設(shè)備、聲光報(bào)警及譯碼器等，主要完成有害物質(zhì)特征信息的采集、分析、處理、臨時(shí)存儲(chǔ)、密碼控制校核、數(shù)據(jù)超標(biāo)就地聲光報(bào)警以及數(shù)據(jù)信息自動(dòng)上傳等功能。

監(jiān)測與控制系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)、光纖網(wǎng)絡(luò)線路和監(jiān)控軟件組成，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)接收、分析、處理以及對聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。其中監(jiān)控軟件以Windows 7為操作系統(tǒng)，采用Visual Studio C#和SQL Server 2008進(jìn)行編程；監(jiān)測與控制系統(tǒng)、監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)及聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信采取基于TCP/IP協(xié)議的光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)、聯(lián)鎖處理單元和通信網(wǎng)絡(luò)線路、終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)指令數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)接收，并依據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，通過聯(lián)鎖處理單元，即時(shí)自動(dòng)開啟相應(yīng)場所的風(fēng)機(jī)、閥門等設(shè)備。

2 系統(tǒng)布局

系統(tǒng)布局采用星型以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立基于IP的分布式監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，以便于系統(tǒng)擴(kuò)展。系統(tǒng)布局網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)監(jiān)測現(xiàn)場有害物質(zhì)的特征數(shù)據(jù)信息，將監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備設(shè)置在各操作間。監(jiān)測與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)置在數(shù)據(jù)交換中心，其中數(shù)據(jù)交換中心包含1個(gè)1級交換中心(中心機(jī)房)以及下設(shè)的4個(gè)2級交換中心。監(jiān)測與控制系統(tǒng)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)置在工作場所的總值班室；另外，中心機(jī)房的數(shù)據(jù)又通過光纖網(wǎng)絡(luò)，傳送到單位的指揮監(jiān)控大廳。聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)安裝在總值班室，聯(lián)鎖處理單元安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制間。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 功能實(shí)現(xiàn)

工作場所有害物質(zhì)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)基于C/S和B/S混合的軟件體系結(jié)構(gòu)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)有害物質(zhì)現(xiàn)場監(jiān)測與報(bào)警，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、分析與處理，聯(lián)動(dòng)控制等功能。C/S模式用于監(jiān)控中心通過網(wǎng)絡(luò)通信向各監(jiān)測點(diǎn)的在線監(jiān)測設(shè)備采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。B/S模式用于滿足客戶端查詢、統(tǒng)計(jì)和分析數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息[4]。

系統(tǒng)通信接口主要包括在線監(jiān)測設(shè)備以太網(wǎng)絡(luò)通信接口和聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)RS485總線通信接口。其中，網(wǎng)絡(luò)通信接口是雙工通信，監(jiān)測主機(jī)和監(jiān)測設(shè)備之間雙向通信；而聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制器與監(jiān)測主機(jī)是單向通信，監(jiān)測主機(jī)向聯(lián)鎖控制器單向發(fā)送報(bào)警信號(hào)，即不需要聯(lián)鎖控制器請求，監(jiān)測主機(jī)每0.5 s主動(dòng)向聯(lián)鎖控制器發(fā)送1幀數(shù)據(jù)[5-6]。

系統(tǒng)軟件依據(jù)功能需求設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)報(bào)表、應(yīng)急控制和系統(tǒng)維護(hù)六大功能模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)布局網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

構(gòu)建的面向?qū)ο蟮谋O(jiān)測與控制軟件基于Windows7系統(tǒng)，采用Visual Studio C# 2010和MS SQL Server 2008 R2語言編程實(shí)現(xiàn)，軟件界面友好、可操作性強(qiáng)、可交互性好，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息化管理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用MS SQL server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，MS SQL Server是一個(gè)全面的數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，使用集成的商業(yè)智能(BI)工具提供了企業(yè)級的數(shù)據(jù)管理。MS SQL Server 數(shù)據(jù)庫引擎為關(guān)系型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供了更安全可靠的存儲(chǔ)功能，可構(gòu)建和管理高可用和高性能的數(shù)據(jù)應(yīng)用程序[7-8]。

聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖處理單元設(shè)置3個(gè)冗余監(jiān)測通道和3個(gè)定值比較和邏輯判斷單元，其邏輯符合原理如圖4。3個(gè)監(jiān)測通道相互獨(dú)立，實(shí)行實(shí)體隔離和電氣隔離，每個(gè)通道均采用MCU(Micro Control Unit)和FPGA(Field Programmable Gate Array)[9-10]，實(shí)現(xiàn)測量通道的多樣性，防止因某個(gè)通道的設(shè)備或線路損壞而影響其他通道設(shè)備的正常運(yùn)行。該連鎖處理單元采用兩級2/3(三取二)的表決方式，解決了系統(tǒng)誤觸發(fā)的問題，提高了電氣聯(lián)動(dòng)的可靠性和靈敏度。一旦出現(xiàn)異常情況，能夠及時(shí)控制有害物質(zhì)擴(kuò)散，確保工作場所人員安全。

圖4 聯(lián)鎖處理單元邏輯符合原理圖

有害物質(zhì)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測與報(bào)警設(shè)備安裝在工作場所的各操作間，通過基于IP的星型光纖以太網(wǎng)與監(jiān)控中心的監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連，將實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控中心。同時(shí)可對現(xiàn)場設(shè)備設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，現(xiàn)場設(shè)備會(huì)立即通過自帶的報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警，便于工作人員迅速撤離。

監(jiān)控中心的監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過所安裝的監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示、分析、處理，并將采集的數(shù)據(jù)在服務(wù)器上進(jìn)行存儲(chǔ)備份。當(dāng)監(jiān)控中心采集的數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，監(jiān)控中心的報(bào)警器與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的報(bào)警器同步發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)監(jiān)控中心的監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過RS485網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)超標(biāo)報(bào)警信息及時(shí)下發(fā)給聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)，通過聯(lián)鎖處理單元，即時(shí)開啟相應(yīng)場所的風(fēng)機(jī)、閥門等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)事故的現(xiàn)場處理[11-13]。

4 結(jié)論

為確保有害物質(zhì)工作場所人員的安全，綜合集成網(wǎng)絡(luò)通信、軟件開發(fā)、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)的有害物質(zhì)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測、超標(biāo)即時(shí)報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制功能。使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，顯著提高了工作場所有害物質(zhì)監(jiān)控的水平和效率，有效保障了工作場所人員的安全，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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(責(zé)任編輯周江川)

Monitoring and Alarming System Design for Hazardous Substances

GAO Zhao-liang, YE Meng

(The No.9515thof Troop, Sanya 572016, China)

To ensure the safety of personnel in the workplace of hazardous substances, in the light of hazardous substances in the workplace, the system integrated the technology of network communication, software development technology and interlocking control, we designed the monitoring and alarming system for hazardous substances, and realized the real-time monitoring, and exceed the standard instant alarm and linkage control on hazardous substances in the workplace. The system remarkably improves the level and efficiency on monitoring hazardous materials in the workplace, and effectively protects the safety of personnel in the workplace of hazardous substances.

hazardous substances; monitoring; alarming

2016-08-11；

高照良(1978—),男，高級工程師，主要從事裝備技術(shù)與裝備保障研究。

10.11809/scbgxb2016.12.008

高照良，葉萌.有害物質(zhì)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(12):35-37.

format:GAO Zhao-liang, YE Meng.Monitoring and Alarming System Design for Hazardous Substances[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):35-37.

TP27

A

2096-2304(2016)12-0035-04

修回日期：2016-09-30