摘? 要：石油化工領域廠區(qū)空氣成分復雜、污染物較多，各種原因?qū)е碌挠卸居泻怏w泄漏，容易引發(fā)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(zhì)量較差、對空氣質(zhì)量缺乏系統(tǒng)有效的監(jiān)控手段，存在安全隱患的情況，設計了完整的以Zigbee無線網(wǎng)絡為通信核心，涵蓋了空氣質(zhì)量監(jiān)測、控制、凈化等功能模塊的空氣質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括：空氣質(zhì)量檢測終端、無線網(wǎng)關、新風控制終端、空氣凈化終端及系統(tǒng)監(jiān)控軟件。

關鍵詞：控制室;空氣質(zhì)量;Zigbee;自動監(jiān)控系統(tǒng)

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(yè)屬高危行業(yè)，近年來，由于有毒有害氣體的泄漏、爆炸等原因引發(fā)的安全事故時有發(fā)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(zhì)量監(jiān)控項目的研發(fā)，目前該企業(yè)的控制室的空氣質(zhì)量監(jiān)測、控制仍處于初始階段，無法形成系統(tǒng)、有效的數(shù)據(jù)監(jiān)測及處理，存在安全隱患，也對工廠智能化管理產(chǎn)生一定障礙。因此，為該中央控制室設計空氣質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)是一項尤為緊迫的工作。

該中央控制室控制自動監(jiān)控系統(tǒng)集成了有毒有害氣體監(jiān)測、新風控制、空氣凈化三大核心功能模塊，實時監(jiān)測、控制和處理，發(fā)現(xiàn)問題及時報警，杜絕安全隱患，有效避免重大安全事故的發(fā)生。

1? 項目背景

健康、安全與環(huán)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(xiàn)代化管理發(fā)展的重要保證，作為國際石油天然氣工業(yè)通行的管理體系，是石油天然氣工業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)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(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。

在石油化工領域中，廠區(qū)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(yè)，該企業(yè)的中央控制室（簡稱中控室）通風系統(tǒng)設計是戶外空氣經(jīng)過新風系統(tǒng)過濾，進入空調(diào)系統(tǒng)，兩系統(tǒng)無關聯(lián)控制。夏天炎熱，新風系統(tǒng)如果持續(xù)工作，將把空調(diào)系統(tǒng)部分冷空氣排出戶外，導致室內(nèi)制冷效果不好。為保證中控室內(nèi)比較舒適的溫度，現(xiàn)場管理人員往往會停掉新風系統(tǒng)。由于中控室是員工集中辦公場所，人員眾多，新風系統(tǒng)如果停開，室內(nèi)空氣質(zhì)量將進一步降低，室內(nèi)人員容易出現(xiàn)疲累，甚至頭暈的現(xiàn)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(chǎn)安全。需設計一套具有現(xiàn)代化管理及監(jiān)控手段的控制室空氣質(zhì)量自動監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是工業(yè)管理機制中檢測環(huán)節(jié)以及實施環(huán)節(jié)，對空氣質(zhì)量進行實時檢測，同時提供新風系統(tǒng)與空氣凈化系統(tǒng)控制接口，為保持中控室空氣質(zhì)量處于潔凈清新狀態(tài)提供重要保障。

2? 系統(tǒng)設計方案

2.1? 功能簡介

空氣質(zhì)量可以通過自動監(jiān)控系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，同時向工廠管理網(wǎng)絡進行實時傳送，為相關人員提供精準、及時的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)完成空氣質(zhì)量信息傳輸后，監(jiān)控室PC設備會對空氣質(zhì)量波動進行實時檢測，發(fā)現(xiàn)空氣異?，F(xiàn)象之后，會及時啟動新風系統(tǒng)更換新風及啟動空氣凈化系統(tǒng)進行凈化處理。根據(jù)SH/T 3006—2012《石油化工控制室設計規(guī)范》的要求，本系統(tǒng)設計主要檢測參數(shù)涵蓋以下內(nèi)容：空氣綜合質(zhì)量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5等。本系統(tǒng)預留了一定數(shù)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(diào)整。系統(tǒng)技術指標如表1所示。

2.2? 系統(tǒng)的整體結構設計

系統(tǒng)由檢測終端、無線網(wǎng)關以及基于PC機的監(jiān)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(jù)空間面積等因素設置多個檢測終端，系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

3? 硬件設計分析

無線網(wǎng)關與檢測終端共同構成系統(tǒng)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(zhì)量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5等內(nèi)容。傳感器對檢測結果進行A/D轉(zhuǎn)換以及信號換變，之后通過微控制器進行讀入，然后轉(zhuǎn)化為工程量，借助LCD顯示屏顯示出來。再通過Zigbee無線射頻發(fā)射模塊發(fā)送給網(wǎng)關。檢測終端的結構如圖2所示。

3.2? 無線網(wǎng)關的設計

無線網(wǎng)關由微處理器、Zigbee無線射頻接收模塊和以太網(wǎng)模塊構成。Zigbee無線射頻接收模塊接收到檢測終端的數(shù)據(jù)，微處理器進行數(shù)據(jù)處理后，將檢測結果傳輸給以太網(wǎng)模塊。每個無線網(wǎng)關可設置固定的設備IP地址，監(jiān)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(wǎng)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(tǒng)軟件。上位機軟件通常用于接收、處理數(shù)據(jù);下位機軟件通常用于收集、傳輸數(shù)據(jù)。

4.1? 下位機軟件

下位機軟件涵蓋以下內(nèi)容：采集終端數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)以及硬件設備初始化處理等。一般系統(tǒng)會選擇Zigbee通信技術，而本系統(tǒng)則是以TI Z-Stack為基礎進行研發(fā)的技術。

（1）Zigbee數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(huán)節(jié)，能夠?qū)⒈桓蓴_數(shù)據(jù)有效去除，強化數(shù)據(jù)精準性。如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集程序借助對AIR_Sensor（）、Cl2_Sensor（）、SO2 _Sensor（）、H2S_Sensor（）、Humidity（）、Temperature（）、調(diào)用PM2_5（）函數(shù)進行調(diào)用，完成空氣質(zhì)量、Cl2、SO2、H2S、濕度、溫度、PM2.5等檢測工作。由于系統(tǒng)對空氣質(zhì)量情況進行實時檢測，所以，這些函數(shù)處于定時調(diào)用狀態(tài)，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(nèi)容：操作系統(tǒng)、應用框架層、MAC層、Flash儲存器、堆棧、系統(tǒng)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(shù)據(jù)。檢測終端完成上述參數(shù)采集工作后，根據(jù)一定格式對這些數(shù)據(jù)進行排列，并不是將MAC地址加到數(shù)據(jù)串前端，之后開展打包保存處理。其中，PC機完成數(shù)據(jù)包接收之后，通過MAC地址區(qū)分數(shù)據(jù)是由哪個終端進行發(fā)送的，實現(xiàn)多個終端設備在一個網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)傳輸。終端完成數(shù)據(jù)打包處理，正式發(fā)送前，需要對區(qū)域中Zigbee網(wǎng)絡進行檢測，以確定其質(zhì)量。若是存在空閑網(wǎng)絡，則加入網(wǎng)絡，并通過無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡會選擇最佳路線向無線網(wǎng)關傳輸數(shù)據(jù)。之后網(wǎng)關借助串口向以太網(wǎng)單元發(fā)送相關數(shù)據(jù)，安裝有監(jiān)控管理軟件的PC機訪問指定IP的網(wǎng)關獲取檢測終端的檢測數(shù)據(jù)。

4.2? 上位機軟件的設計

上位機軟件是系統(tǒng)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(tǒng)的工作狀態(tài)。

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(jiān)測各區(qū)域的空氣質(zhì)量狀況。

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

（3）具有空氣質(zhì)量超標處理功能，當監(jiān)測參數(shù)超限報警時，實時啟動新風系統(tǒng)或空氣凈化系統(tǒng)進行空氣處理，保持室內(nèi)空氣干潔清新。

（4）具有數(shù)據(jù)上傳功能，能將測量數(shù)據(jù)上傳至公司的管理系統(tǒng)或DCS等。

4.2.2? 工作流程

PC機通過網(wǎng)絡訪問網(wǎng)關接口將對各檢測終端數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理結果，用戶僅需要通過監(jiān)控室設備就可以對各個監(jiān)測點實際空氣狀況進行全面監(jiān)測。本系統(tǒng)通過VB語言在圖形界面中的設計特點，開展自動監(jiān)控軟件控設計工作。監(jiān)控軟件流程圖如圖5所示。

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

5? 系統(tǒng)實施及使用情況

5.1? 監(jiān)控布點

根據(jù)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(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測技術規(guī)范》中的布點原則，布置12個監(jiān)控區(qū)域，每個監(jiān)控區(qū)域設置1臺檢測終端，以實現(xiàn)控制室全方位的空氣質(zhì)量自動監(jiān)控。

5.2? 通信網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)關、檢測終端之間，一些無線信號可能無法接收。根據(jù)監(jiān)控布點分布和墻體的具體情況，在相近的幾個監(jiān)控布點中間設置一個無線接入點網(wǎng)關，通過網(wǎng)關接入局域網(wǎng)內(nèi)，克服了ZigBee通信距離短的缺點，為系統(tǒng)擴展檢測終端數(shù)量提供可靠通信條件。

5.3? 使用情況

系統(tǒng)自投用以來，取得了良好的應用效果。目前系統(tǒng)24小時全天候穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡共享、監(jiān)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(jiān)測與控制協(xié)同聯(lián)動，使控制室空氣質(zhì)量時刻保持良好狀態(tài)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(chǎn)提供了有力保證。

6? 結? 語

中央控制室空氣質(zhì)量優(yōu)劣直接關系到員工呼吸健康及生產(chǎn)管理安全。該系統(tǒng)可以對監(jiān)測區(qū)域中空氣情況進行準確、實時監(jiān)控，同時開展數(shù)據(jù)采集工作，空氣質(zhì)量出現(xiàn)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(xiàn)提前發(fā)現(xiàn)問題與快速解決問題的目標，進而提高生產(chǎn)安全性，確保工作人員生命安全。

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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(yè)于廣東工業(yè)大學，本科，研究方向：教育信息化、物聯(lián)網(wǎng)、計算機技術。