薛凌燕 賈保先

(聊城大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,山東 聊城 252059)

化工行業(yè)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

薛凌燕 賈保先

(聊城大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,山東 聊城 252059)

針對(duì)化工企業(yè)發(fā)酵罐補(bǔ)料需人工估測(cè)、效率低的問(wèn)題,采用嵌入式技術(shù)建立控制系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作?？紤]化工生產(chǎn)中安全的重要性,對(duì)各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)不及時(shí)、不能實(shí)時(shí)報(bào)警的問(wèn)題,建立基于工業(yè)以太網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升了企業(yè)的自動(dòng)化管理水平,從而整個(gè)化工企業(yè)成為集安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警于一體的綜合網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效提升企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制水平和信息化管理水平,并將企業(yè)的安全預(yù)警水平提升到一個(gè)新的高度。

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

0 引言

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前在化工行業(yè)中,一些生產(chǎn)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(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來(lái)進(jìn)行。這種依靠經(jīng)驗(yàn)的操作管理方式受到工作人員的能力、素質(zhì)和專業(yè)知識(shí)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(shí),許多化工企業(yè)的安全預(yù)警機(jī)制薄弱,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患,關(guān)系到企業(yè)、國(guó)家的經(jīng)濟(jì)利益,乃至工人的人身安全,成為亟待解決的問(wèn)題。

近年來(lái),隨著嵌入式技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)高新技術(shù)的飛速發(fā)展,化工行業(yè)中的這些依靠人力的非自動(dòng)化模式,轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄艿摹⒏咝У?、自?dòng)化的、一體化的生產(chǎn)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)成為了可能。因此,本文針對(duì)化工行業(yè)中亟需改進(jìn)的一些問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 企業(yè)面臨的問(wèn)題

1.1 發(fā)酵罐補(bǔ)料問(wèn)題

在化肥的生產(chǎn)過(guò)程中,發(fā)酵罐是進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的主要設(shè)備。發(fā)酵是一個(gè)典型的多變量、強(qiáng)耦合、非線性的流加工工業(yè)過(guò)程,其中操作變量包括發(fā)酵溫度、通風(fēng)量、pH值、補(bǔ)料量、攪拌速度等。一直以來(lái)對(duì)于發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中起重要作用的補(bǔ)料量的控制也多是靠操作人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)人工進(jìn)行[2]。因此,建立發(fā)酵過(guò)程中補(bǔ)料的預(yù)估模型,實(shí)現(xiàn)發(fā)酵中分批補(bǔ)料的自動(dòng)控制,能大大節(jié)省人力,提高生產(chǎn)的效率。

1.2 生產(chǎn)參數(shù)檢測(cè)問(wèn)題

化工企業(yè)中,各種化工產(chǎn)品像二氯甲烷、四氯乙烯、氯堿等的生產(chǎn)過(guò)程中,安全是至關(guān)重要的。因此,對(duì)于氯氣等有毒氣體的泄漏都會(huì)有自動(dòng)監(jiān)測(cè)及報(bào)警。而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)反應(yīng)釜的溫度、壓力等指標(biāo)一般就需要手動(dòng)操控。工作人員不時(shí)地進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)反應(yīng)釜的溫度或壓力出現(xiàn)異常時(shí),通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水閥門或壓力閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜溫度或壓力的調(diào)整,從而保證反應(yīng)釜內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)能正常進(jìn)行[3]。因此,實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)整變得尤為重要。

1.3 企業(yè)自動(dòng)化管理問(wèn)題

化工企業(yè)大都車間多,部門多,為了進(jìn)一步提高企業(yè)的綜合管理水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力,實(shí)現(xiàn)以信息化帶動(dòng)工業(yè)化,保障安全生產(chǎn),必須要對(duì)企業(yè)進(jìn)行綜合自動(dòng)化改造,建立安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警一體化系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制的信息化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化,建成一個(gè)易于擴(kuò)充、升級(jí)和管理使用的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)綜合管理平臺(tái)。

針對(duì)化工企業(yè)目前存在的以上幾個(gè)方面的問(wèn)題,這里給出相關(guān)的解決方案。

2 解決方案

2.1 嵌入式技術(shù)的應(yīng)用

嵌入式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[4]。

圖1 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the embedded system

對(duì)于化肥發(fā)酵罐的補(bǔ)料問(wèn)題,需要利用人工智能技術(shù)對(duì)發(fā)酵過(guò)程中測(cè)量的各種參數(shù)進(jìn)行分析,建立發(fā)酵中補(bǔ)料的預(yù)估動(dòng)態(tài)模型。然后利用嵌入式技術(shù)建立一個(gè)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(yīng)用廣泛的ARM系列。另外,控制板上帶有SDRAM、Flash存儲(chǔ)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(guò)對(duì)預(yù)估動(dòng)態(tài)模型中數(shù)據(jù)的處理,需要將補(bǔ)料量、補(bǔ)料時(shí)間等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給執(zhí)行模塊,由執(zhí)行模塊完成補(bǔ)料的定時(shí),并且驅(qū)動(dòng)補(bǔ)料泵工作來(lái)自動(dòng)完成操作。

對(duì)于執(zhí)行模塊,由51單片機(jī)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)。而對(duì)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(wú)線通信模塊,如RF1100SE來(lái)實(shí)現(xiàn)。微功率無(wú)線數(shù)傳模塊RF1100SE,采用Chipcon公司的高性能CC1100無(wú)線通信芯片。CC1100最大傳輸速率達(dá)500 kbit/s,可實(shí)現(xiàn)極低功率的無(wú)線收發(fā),并可軟件修改波特率;開(kāi)闊的傳輸距離,達(dá)到300 m;具有無(wú)線喚醒等功能,靈敏度達(dá)到-110 dBm,可靠性高;同時(shí)省去了布線的麻煩。

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用

利用分布式工業(yè)以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)化工企業(yè)的綜合自動(dòng)化控制[5]。在車間內(nèi),采用工業(yè)以太網(wǎng)作為自動(dòng)化控制的平臺(tái),只需要完成通信控制網(wǎng)絡(luò)的布線,即可將整個(gè)車間內(nèi)的設(shè)備都納入到這個(gè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中[6];對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)都能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)整,不僅組網(wǎng)成本低,而且還有利于系統(tǒng)的后期維護(hù)[7]。

某車間的以太網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)分為五個(gè)層次,分別為傳感器層、數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)層、驅(qū)動(dòng)設(shè)備層和執(zhí)行設(shè)備層。

首先選用合適的傳感器對(duì)溫度、壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),一般傳感器將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流或電壓信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)這些信號(hào)執(zhí)行隔離等處理后,通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。連接在網(wǎng)絡(luò)上的PC終端通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示,提供人機(jī)交互界面,并且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、查詢、存儲(chǔ)、生成報(bào)表等管理功能。

當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí),PC終端將對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備層發(fā)出控制命令,由驅(qū)動(dòng)設(shè)備層驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備,實(shí)現(xiàn)報(bào)警或相應(yīng)的降壓、冷卻等操作。直到監(jiān)測(cè)參數(shù)回到正常數(shù)據(jù)范圍內(nèi),PC終端停止命令,繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of the monitoring system

在整個(gè)化工企業(yè),采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)化改造,建立一個(gè)集安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警一體化的綜合網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)將能實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和報(bào)警、各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及傳輸、數(shù)據(jù)資料的存儲(chǔ)與檢索、人機(jī)交互、遠(yuǎn)程管理、系統(tǒng)擴(kuò)充等功能。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路,以各個(gè)車間作為監(jiān)測(cè)模塊聯(lián)網(wǎng)到主控中心集中管理,這樣整個(gè)化工企業(yè)形成一個(gè)基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)還可以根據(jù)企業(yè)項(xiàng)目的改動(dòng)和規(guī)模的調(diào)整進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)充和升級(jí),使系統(tǒng)不斷更新。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在企業(yè)安全生產(chǎn)在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警方面也能發(fā)揮重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)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(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[8-9]。

在化工企業(yè)中,針對(duì)其重大的危險(xiǎn)源、典型工藝的關(guān)鍵裝置和生產(chǎn)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)等,運(yùn)用無(wú)線傳感器或射頻識(shí)別等技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)。結(jié)合視頻顯示技術(shù),對(duì)異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警,并對(duì)溫度、液位及泄漏氣體濃度設(shè)置多級(jí)閾值,實(shí)現(xiàn)參數(shù)超限報(bào)警和分級(jí)報(bào)警功能,以及不同級(jí)別的裝置安全報(bào)警[10]。當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)到報(bào)警閾值時(shí),設(shè)備就會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲、光或短信報(bào)警及控制信號(hào),同時(shí)自動(dòng)觸發(fā)該報(bào)警點(diǎn)或區(qū)域內(nèi)的對(duì)應(yīng)視頻。對(duì)報(bào)警點(diǎn)或區(qū)域視頻進(jìn)行自動(dòng)錄制和報(bào)警提示,實(shí)現(xiàn)參數(shù)報(bào)警和視頻報(bào)警聯(lián)動(dòng),以便監(jiān)控中心人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況,對(duì)后果及時(shí)進(jìn)行評(píng)估,從而迅速作出應(yīng)急預(yù)案,將損失降到最低。

同時(shí),在基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè),將會(huì)大大提高企業(yè)的安全預(yù)警機(jī)制,這對(duì)化工行業(yè)是至關(guān)重要的。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合化工企業(yè)存在的自動(dòng)化程度較低以及安全預(yù)警機(jī)制薄弱的問(wèn)題,詳細(xì)探討了利用嵌入式技術(shù)、分布式工業(yè)以太網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在化工領(lǐng)域進(jìn)行綜合自動(dòng)化改造,建立智能的、高效的、一體化的集安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能于一體的綜合網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。文中給出了系統(tǒng)的架構(gòu)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)的實(shí)施可有效提升化工企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制水平和信息化管理水平,將企業(yè)的安全預(yù)警水平提升到一個(gè)新的高度,因此該系統(tǒng)在化工領(lǐng)域值得廣泛推廣和應(yīng)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(xué)校科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào):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(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院,獲碩士學(xué)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。