薛凌燕 賈保先

(聊城大學計算機學院,山東 聊城 252059)

化工行業(yè)智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究

薛凌燕 賈保先

(聊城大學計算機學院,山東 聊城 252059)

針對化工企業(yè)發(fā)酵罐補料需人工估測、效率低的問題,采用嵌入式技術建立控制系統(tǒng)對補料實現(xiàn)自動操作?？紤]化工生產中安全的重要性,對各項生產參數(shù)的監(jiān)測不及時、不能實時報警的問題,建立基于工業(yè)以太網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)進行參數(shù)的實時監(jiān)測。利用物聯(lián)網(wǎng)技術提升了企業(yè)的自動化管理水平,從而整個化工企業(yè)成為集安全生產監(jiān)測預警于一體的綜合網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效提升企業(yè)生產的自動化控制水平和信息化管理水平,并將企業(yè)的安全預警水平提升到一個新的高度。

嵌入式 工業(yè)以太網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng) 智能監(jiān)測 化工行業(yè) 安全預警

0 引言

通過調研發(fā)現(xiàn),目前在化工行業(yè)中,一些生產環(huán)節(jié)及管理模式還需要憑借操作人員和管理人員的經驗和知識來進行。這種依靠經驗的操作管理方式受到工作人員的能力、素質和專業(yè)知識等的影響,其優(yōu)化控制性能也因人而異,并且差別很大[1]。同時,許多化工企業(yè)的安全預警機制薄弱,及時發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患,關系到企業(yè)、國家的經濟利益,乃至工人的人身安全,成為亟待解決的問題。

近年來,隨著嵌入式技術、工業(yè)以太網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)等相關高新技術的飛速發(fā)展,化工行業(yè)中的這些依靠人力的非自動化模式,轉變?yōu)橹悄艿摹⒏咝У?、自動化的、一體化的生產監(jiān)測管理系統(tǒng)成為了可能。因此,本文針對化工行業(yè)中亟需改進的一些問題進行了研究。

1 企業(yè)面臨的問題

1.1 發(fā)酵罐補料問題

在化肥的生產過程中,發(fā)酵罐是進行化學反應的主要設備。發(fā)酵是一個典型的多變量、強耦合、非線性的流加工工業(yè)過程,其中操作變量包括發(fā)酵溫度、通風量、pH值、補料量、攪拌速度等。一直以來對于發(fā)酵生產過程中起重要作用的補料量的控制也多是靠操作人員的知識和經驗人工進行[2]。因此,建立發(fā)酵過程中補料的預估模型,實現(xiàn)發(fā)酵中分批補料的自動控制,能大大節(jié)省人力,提高生產的效率。

1.2 生產參數(shù)檢測問題

化工企業(yè)中,各種化工產品像二氯甲烷、四氯乙烯、氯堿等的生產過程中,安全是至關重要的。因此,對于氯氣等有毒氣體的泄漏都會有自動監(jiān)測及報警。而對生產過程中的各個反應釜的溫度、壓力等指標一般就需要手動操控。工作人員不時地進行檢測,當發(fā)現(xiàn)某個反應釜的溫度或壓力出現(xiàn)異常時,通過手動調節(jié)冷卻水閥門或壓力閥門來實現(xiàn)對反應釜溫度或壓力的調整,從而保證反應釜內的化學反應能正常進行[3]。因此,實現(xiàn)各項參數(shù)的自動檢測和調整變得尤為重要。

1.3 企業(yè)自動化管理問題

化工企業(yè)大都車間多,部門多,為了進一步提高企業(yè)的綜合管理水平和核心競爭力,實現(xiàn)以信息化帶動工業(yè)化,保障安全生產,必須要對企業(yè)進行綜合自動化改造,建立安全生產監(jiān)測預警一體化系統(tǒng),從而實現(xiàn)生產控制的信息化、自動化、網(wǎng)絡化和集成化,建成一個易于擴充、升級和管理使用的遠程網(wǎng)絡綜合管理平臺。

針對化工企業(yè)目前存在的以上幾個方面的問題,這里給出相關的解決方案。

2 解決方案

2.1 嵌入式技術的應用

嵌入式控制系統(tǒng)的結構圖如圖1所示[4]。

圖1 嵌入式系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of the embedded system

對于化肥發(fā)酵罐的補料問題,需要利用人工智能技術對發(fā)酵過程中測量的各種參數(shù)進行分析,建立發(fā)酵中補料的預估動態(tài)模型。然后利用嵌入式技術建立一個嵌入式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)核心選用一塊嵌入式控制板,其核心嵌入式微處理器可選用應用廣泛的ARM系列。另外,控制板上帶有SDRAM、Flash存儲模塊、RS-232、JTAG、USB、SPI接口模塊、電源模塊,也可帶有LCD顯示模塊。嵌入式微處理器通過對預估動態(tài)模型中數(shù)據(jù)的處理,需要將補料量、補料時間等數(shù)據(jù)實時發(fā)送給執(zhí)行模塊,由執(zhí)行模塊完成補料的定時,并且驅動補料泵工作來自動完成操作。

對于執(zhí)行模塊,由51單片機系統(tǒng)即可實現(xiàn)。而對于數(shù)據(jù)的發(fā)送,即嵌入式模塊與執(zhí)行模塊之間信息的傳送,可采用無線通信模塊,如RF1100SE來實現(xiàn)。微功率無線數(shù)傳模塊RF1100SE,采用Chipcon公司的高性能CC1100無線通信芯片。CC1100最大傳輸速率達500 kbit/s,可實現(xiàn)極低功率的無線收發(fā),并可軟件修改波特率;開闊的傳輸距離,達到300 m;具有無線喚醒等功能,靈敏度達到-110 dBm,可靠性高;同時省去了布線的麻煩。

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)的應用

利用分布式工業(yè)以太網(wǎng)能夠實現(xiàn)化工企業(yè)的綜合自動化控制[5]。在車間內,采用工業(yè)以太網(wǎng)作為自動化控制的平臺,只需要完成通信控制網(wǎng)絡的布線,即可將整個車間內的設備都納入到這個自動化控制網(wǎng)絡平臺中[6];對生產過程中的各項參數(shù)都能實現(xiàn)自動檢測和調整,不僅組網(wǎng)成本低,而且還有利于系統(tǒng)的后期維護[7]。

某車間的以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖2所示。系統(tǒng)分為五個層次,分別為傳感器層、數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡層、驅動設備層和執(zhí)行設備層。

首先選用合適的傳感器對溫度、壓力等進行實時監(jiān)測,一般傳感器將采集到的信號轉化為電流或電壓信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集模塊對這些信號執(zhí)行隔離等處理后,通過工業(yè)以太網(wǎng)進行網(wǎng)絡傳輸。連接在網(wǎng)絡上的PC終端通過組態(tài)軟件實現(xiàn)對各個參數(shù)的實時顯示,提供人機交互界面,并且可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、查詢、存儲、生成報表等管理功能。

當采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時,PC終端將對驅動設備層發(fā)出控制命令,由驅動設備層驅動執(zhí)行設備,實現(xiàn)報警或相應的降壓、冷卻等操作。直到監(jiān)測參數(shù)回到正常數(shù)據(jù)范圍內,PC終端停止命令,繼續(xù)監(jiān)測。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)架構圖Fig.2 Architecture of the monitoring system

在整個化工企業(yè),采用工業(yè)以太網(wǎng)進行自動化改造,建立一個集安全生產監(jiān)測預警一體化的綜合網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。系統(tǒng)將能實現(xiàn)信號采集和報警、各個監(jiān)控點的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測及傳輸、數(shù)據(jù)資料的存儲與檢索、人機交互、遠程管理、系統(tǒng)擴充等功能。整個系統(tǒng)采用模塊化的設計思路,以各個車間作為監(jiān)測模塊聯(lián)網(wǎng)到主控中心集中管理,這樣整個化工企業(yè)形成一個基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能監(jiān)測系統(tǒng),這個系統(tǒng)還可以根據(jù)企業(yè)項目的改動和規(guī)模的調整進行相應的擴充和升級,使系統(tǒng)不斷更新。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術的應用

物聯(lián)網(wǎng)技術在企業(yè)安全生產在線監(jiān)測和預警方面也能發(fā)揮重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別(RFID)裝置、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進行信息交換和通信,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡[8-9]。

在化工企業(yè)中,針對其重大的危險源、典型工藝的關鍵裝置和生產的實際運行狀態(tài)等,運用無線傳感器或射頻識別等技術進行實時監(jiān)控檢測。結合視頻顯示技術,對異常情況進行實時報警,并對溫度、液位及泄漏氣體濃度設置多級閾值,實現(xiàn)參數(shù)超限報警和分級報警功能,以及不同級別的裝置安全報警[10]。當監(jiān)測值達到報警閾值時,設備就會自動發(fā)出聲、光或短信報警及控制信號,同時自動觸發(fā)該報警點或區(qū)域內的對應視頻。對報警點或區(qū)域視頻進行自動錄制和報警提示,實現(xiàn)參數(shù)報警和視頻報警聯(lián)動,以便監(jiān)控中心人員及時了解現(xiàn)場情況,對后果及時進行評估,從而迅速作出應急預案,將損失降到最低。

同時,在基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能檢測系統(tǒng)的基礎上,結合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測,將會大大提高企業(yè)的安全預警機制,這對化工行業(yè)是至關重要的。

3 結束語

結合化工企業(yè)存在的自動化程度較低以及安全預警機制薄弱的問題,詳細探討了利用嵌入式技術、分布式工業(yè)以太網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)技術在化工領域進行綜合自動化改造,建立智能的、高效的、一體化的集安全生產監(jiān)測預警功能于一體的綜合網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。文中給出了系統(tǒng)的架構和技術實現(xiàn)方案。系統(tǒng)的實施可有效提升化工企業(yè)生產的自動化控制水平和信息化管理水平,將企業(yè)的安全預警水平提升到一個新的高度,因此該系統(tǒng)在化工領域值得廣泛推廣和應用。

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Research on the Intelligent Monitoring System for Chemical Industry

To solve the problems of low efficiency and manual estimation being requested for fermentation tank feeding in chemical enterprises, the automated operation of control system for feeding is established by adopting embedded technology.Considering the importance of safety in chemical production,to avoid non-timely monitoring of the production parameters and alarming not in real time,the monitoring system based on industrial Ethernet is built to detect the parameters in real time.The automation management level of the enterprise is enhanced by adopting Internet of things.Thus,the overall chemical enterprise becomes an integrated network management system that consists of safety production, monitoring and warning.The system effectively enhances the automation control level and information management level,as well as enhances the safety warning level into a new stage.

Embedded Industrial Ethernet Internet of things Intelligent monitoring Chemical industry Safety warning

TP273+.5

A

山東省高等學校科技計劃基金資助項目(編號:J12LN39)。

修改稿收到日期:2014-05-13。

薛凌燕(1982-),女,2007年畢業(yè)于山東大學控制科學與工程學院,獲碩士學位,講師;主要從事嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的研究。