竇宇雄 劉妍君 陳子鵬 馮杰 倫巨廈 杜建華 郭永恒

（1.中鋼武漢安環(huán)院綠世紀安全管理顧問有限公司 武漢 430081；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院 武漢 430074；3.中南財經(jīng)政法大學(xué) 武漢 430060；4.湖北省應(yīng)急救援中心 武漢 430070；5.東西湖區(qū)應(yīng)急管理局安全監(jiān)督管理科 武漢 430048；6.湖北武漢雙匯食品有限公司 武漢 430040）

0 引言

依據(jù)安全生產(chǎn)專項整治三年行動方案中附件32《工貿(mào)行業(yè)重點企業(yè)在線監(jiān)管工程》，至2022年底，要求在工貿(mào)行業(yè)重點領(lǐng)域（含生產(chǎn)、使用、存儲煤氣，粉塵涉爆，涉氨制冷，重大危險源，高溫熔融金屬，危險化學(xué)品使用、貯存等企業(yè)）視頻采集人員作業(yè)、環(huán)境情況；傳感器采集溫度、壓力、濃度等監(jiān)測指標(biāo)情況進行綜合分析并實施風(fēng)險分級預(yù)警，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至應(yīng)急管理廳綜合信息平臺工貿(mào)安全監(jiān)管信息系統(tǒng)，建立分級監(jiān)督和管理制度，有效遏制工貿(mào)企業(yè)較大及以上事故。中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院有限公司受委托，負責(zé)承擔(dān)組織重點工貿(mào)企業(yè)信息化建設(shè)試點工作。

1 影響信息化進程的因素與解決辦法探討

在試點系統(tǒng)建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著國家信息化產(chǎn)業(yè)技術(shù)突飛猛進，試點企業(yè)近年來大量信息化系統(tǒng)建設(shè)項目倉促投資上馬，因為缺乏統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范，企業(yè)無法結(jié)合實際對信息化建設(shè)項目進行全面設(shè)計、技術(shù)論證和投產(chǎn)施工，一個企業(yè)信息化系統(tǒng)由多個企業(yè)、多種數(shù)據(jù)采集方式分階段完成的現(xiàn)象比比皆是。一些項目建設(shè)方受經(jīng)濟利益的推動和驅(qū)使，以保密的借口不公開重要技術(shù)指標(biāo)和接口代碼，導(dǎo)致后期系統(tǒng)升級和運維成本居高不下，造成大量“信息孤島”無法利用，因此應(yīng)急管控所需的信息庫與案例分析資源不足，危險源綜合評估辨識與智能預(yù)測預(yù)警方面技術(shù)欠缺，缺乏互聯(lián)互通，難以實現(xiàn)資源共享。前期的工貿(mào)試點行業(yè)信息化建設(shè)在企業(yè)基礎(chǔ)傳感控制設(shè)施改造時，存在各信息資源整合難、共享難、管理難、技術(shù)溝通難等欠缺，嚴重影響試點企業(yè)安全風(fēng)險管控能力和信息化建設(shè)發(fā)展進程。

為突破這一技術(shù)瓶頸，課題小組組織專業(yè)人員，以湖北武漢雙匯食品有限公司為實施試點，以以上關(guān)鍵技術(shù)難點為導(dǎo)向，于2021年8月組織專項攻關(guān)，尋求探索不依靠項目原建設(shè)方技術(shù)支持，不改變原傳感器安裝位置、數(shù)量和技術(shù)指標(biāo)，將企業(yè)關(guān)健數(shù)據(jù)涉及的所有原傳感器、控制器信號接入工貿(mào)安全監(jiān)管信息系統(tǒng)的技術(shù)改造辦法。至2022年初，該項目的研發(fā)的系統(tǒng)建設(shè)已順利實施完成，為其他行業(yè)領(lǐng)域信息化建設(shè)提供可參考的實施模式。

2 系統(tǒng)實施流程

系統(tǒng)實施流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實施流程

3 現(xiàn)有傳感器指標(biāo)及研發(fā)目標(biāo)

3.1 現(xiàn)有傳感器指標(biāo)

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)工藝設(shè)備及相關(guān)規(guī)范，確定監(jiān)測關(guān)鍵風(fēng)險點，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，企業(yè)原系統(tǒng)風(fēng)險感知傳感器設(shè)備共4種16只，滿足相關(guān)監(jiān)測指標(biāo)要求，其中氨氣濃度傳感器12只、壓力傳感器1只、溫度傳感器1只、液位計2只；信號類型分別為：4～20 mA、PT1000和RS485等。

3.2 研發(fā)目標(biāo)

研究目標(biāo)主要包括三個部分：首先在不追加設(shè)備投入情況下，通過信號復(fù)制實現(xiàn)不同類型監(jiān)測設(shè)備的組網(wǎng)；其次根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)線布局及相關(guān)技術(shù)規(guī)范開法監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；然后根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至省應(yīng)急管理廳綜合信息平臺工貿(mào)安全監(jiān)管信息系統(tǒng)。

4 方案設(shè)計

4.1 建設(shè)原則

根據(jù)企業(yè)現(xiàn)狀及傳感器相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)多方研究討論，選擇依托企業(yè)原有監(jiān)測系統(tǒng)進行信號接駁，不改變企業(yè)原系統(tǒng)及傳感器安裝狀態(tài)，企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施改建方便快捷，線路敷設(shè)簡單，信息化項目易于實施執(zhí)行。

4.2 組網(wǎng)模式

系統(tǒng)建設(shè)需要集成不同信號類型的傳感器，不同類型信號傳輸優(yōu)缺點如表1所示。

表1 信號不同傳輸類型優(yōu)缺點對比

經(jīng)對傳感器信號強度、線纜阻抗等指標(biāo)檢測，從監(jiān)測系統(tǒng)信號準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、易于維護角度出發(fā)，不改變原信息系統(tǒng)設(shè)置，在傳感器線纜進入信號處理終端將電信號（電流、電壓）轉(zhuǎn)為數(shù)字信號并網(wǎng)傳輸為最優(yōu)選擇，本項目傳感器改造及組網(wǎng)技術(shù)框架見圖2。

圖2 傳感器改造及組網(wǎng)示意

4.3 主要特點

1）電流（電壓）模擬量轉(zhuǎn)換模塊將各傳感器信號直接轉(zhuǎn)化為485數(shù)字信號并網(wǎng)傳輸。

2）多信號源可以多個模塊2芯屏蔽線并聯(lián)。

3）數(shù)據(jù)直接連入工控機，兼容多種模態(tài)軟件。

4）組網(wǎng)更加靈活，布線方便，能夠適應(yīng)不同的場地分布。

按無菌操作將各個菌株接種于對應(yīng)的固體培養(yǎng)基，36 ℃培養(yǎng)48 h，觀察菌落大小、形態(tài)、顏色、光澤度、透明度等，做好記錄。

5 硬件組成

系統(tǒng)硬件部分主要由協(xié)議轉(zhuǎn)換層、核心服務(wù)層組成。

5.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換層

12路氨氣傳感器和1路壓力傳感器輸出的信號為4～20 mA電流信號，需要進行傳感器改造，本項目進行了2次信號轉(zhuǎn)換，首先使用DAM1600AI模擬量采集器將4～20 mA信號轉(zhuǎn)為485信號，再使用串口服務(wù)器將485信號轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)信號上傳至工業(yè)電腦主機。

溫度傳感器輸出的信號為PT1000，采用PT1000轉(zhuǎn)485信號的模塊將其轉(zhuǎn)化為485信號后，通過串口服務(wù)器轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)信號上傳至工控機。

液位傳感器由于通過485直接與現(xiàn)場的控制主機相連接，直接采用串口服務(wù)器對其進行偵聽，將偵聽到的數(shù)據(jù)傳至工業(yè)電腦主機進行數(shù)據(jù)清洗，將16路信號三維動態(tài)展示并且上傳至省應(yīng)急管理廳綜合信息平臺。

為實現(xiàn)以上功能，在協(xié)議轉(zhuǎn)換層選取以DAM1600AI模擬量采集器、4～20 mA隔離模塊為核心的硬件設(shè)計方案。

5.2 模擬量采集器

DAM1600AI型模擬量采集器實現(xiàn)從傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收數(shù)據(jù)功能，4～20 mA隔離模塊實現(xiàn)接入信號的復(fù)制，一路輸出至工業(yè)電腦主機進行三維數(shù)據(jù)展示并上傳，一路回傳到現(xiàn)場的PLC。

采集器最多可以同時支持16路模擬信號接入，并且在輸出端支持包括RS232接口、RS485接口的通訊接口，具備寬電壓供電、抗干擾能力強、精度高、過流過壓和防反接保護。

5.3 信號隔離器

4～20 mA信號隔離器采用的型號為MIK-401Y，可以將一路輸入進來的4～20 mA信號復(fù)制，轉(zhuǎn)為兩路相同的4～20信號輸出，同時支持二線、三線、四線制的傳感器接入，信號隔離穩(wěn)定可靠，精度為0.1%FS，響應(yīng)時間小于50 ms，電磁兼容性和各項指標(biāo)符合相關(guān)國標(biāo)。

5.4 PT1000熱電阻中繼器與轉(zhuǎn)485模塊

系統(tǒng)采用PT1000熱電阻隔離器將現(xiàn)場溫度傳感器的輸出信號復(fù)制，其中一路傳至企業(yè)電腦主機，另一路上傳至綜合信息平臺，同時使用PT1000轉(zhuǎn)485的模塊，將輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)?85數(shù)字信號便于長距離傳輸。

5.5 監(jiān)測設(shè)備集成

系統(tǒng)采用JY-TCPCOM-601串口服務(wù)器，將從各個傳感器收集來的數(shù)據(jù)傳到集控平臺進行下一步處理，服務(wù)器提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，能夠?qū)S-232/485串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)RS-232/485串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。這使得串口設(shè)備能夠立即具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口功能，連接網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信，極大地擴展串口設(shè)備的通信距離。

5.6 核心服務(wù)層

采用具備IP指標(biāo)的工業(yè)控制機實現(xiàn)，機器采用無風(fēng)扇散熱設(shè)計，具備穩(wěn)定的運作性能，I/O接口滿足不同信號交換、傳輸?shù)裙δ?，主要功能包括客戶端遠程訪問、遠程配置和升級，系統(tǒng)管理和預(yù)警信息查詢，具備防火墻等網(wǎng)絡(luò)防護設(shè)備，實時推送、斷點續(xù)傳和API標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)主機數(shù)據(jù)等功能。

核心板塊為工業(yè)電腦主機，采用X86架構(gòu)，CPU為J3455主機，能夠?qū)f(xié)議轉(zhuǎn)換層提交的數(shù)據(jù)進行打包、數(shù)據(jù)解析等數(shù)據(jù)服務(wù)，下轄傳感器節(jié)點互相獨立，當(dāng)某一區(qū)域數(shù)據(jù)或操作出現(xiàn)錯誤時，不會影響到同層級其他區(qū)域。支持多重安全保障機制，包括流量清洗、企業(yè)級IPSec VPN安全技術(shù)、日志記錄、SSL/TLS安全技術(shù)等。

6 軟件設(shè)計

軟件部分主要由網(wǎng)關(guān)微服務(wù)系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)管理平臺組成。系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)支持多種協(xié)議以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中不同的傳感器設(shè)備進行管理和在線配置；完成不同協(xié)議的傳輸數(shù)據(jù)的自定義解析操作，將碎片化的信息整合并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的邊緣進行處理，通過交互接口將網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)管理平臺數(shù)據(jù)共享。

6.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于微服務(wù)框架構(gòu)建具有多協(xié)議融合通信、邊緣計算和動態(tài)管理三大特點的網(wǎng)關(guān)微服務(wù)系統(tǒng)。微服務(wù)系統(tǒng)主要包括三層結(jié)構(gòu)，分別是數(shù)據(jù)接收層、數(shù)據(jù)處理層與數(shù)據(jù)發(fā)送層，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

6.2 軟件構(gòu)成

6.2.1 數(shù)據(jù)接收層

項目采用多種通信協(xié)議接收來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，其中包括TCP協(xié)議、Modbus協(xié)議、UDP協(xié)議、MQTT協(xié)議、PLC協(xié)議、串口及OPC協(xié)議。

根據(jù)通信模式的不同，設(shè)計將該項目通信模式分為同步通信模式和異步通信模式兩種類型，從4個方面進行適配。通過協(xié)議驅(qū)動對協(xié)議數(shù)據(jù)包進行接收，并根據(jù)解析規(guī)則將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。當(dāng)上層請求發(fā)送至數(shù)據(jù)接收層時，數(shù)據(jù)接收層將協(xié)議轉(zhuǎn)化為驅(qū)動程序能夠識別的格式。

6.2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送層

系統(tǒng)支持多協(xié)議發(fā)送。通過內(nèi)部消息傳輸機制將處理后的數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)中開啟的服務(wù)通道進行發(fā)送，可將數(shù)據(jù)通過不同的端口一次或多次發(fā)出，實現(xiàn)透明傳輸。

6.2.3 遠程配置

網(wǎng)關(guān)的遠程配置包括網(wǎng)關(guān)狀態(tài)的遠程獲取及網(wǎng)關(guān)的遠程配置兩個部分。網(wǎng)關(guān)狀態(tài)的遠程獲取是指獲取網(wǎng)關(guān)的基本信息和運行狀態(tài)，如網(wǎng)關(guān)的唯一標(biāo)識符、CPU使用率等各個微服務(wù)運行情況；網(wǎng)關(guān)的遠程配置指的是在網(wǎng)關(guān)運行的過程中動態(tài)修改配置信息，如對網(wǎng)關(guān)的IP地址進行修改和對網(wǎng)關(guān)上繼承的通信模塊如TCP服務(wù)或者UDP服務(wù)進行配置等。

6.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

開啟一路TCP服務(wù)通道，作為客戶端連接TCP server端，接收12個氨氣濃度、1個排氣壓力、1個溫度傳感器數(shù)據(jù)；開啟一路TCP服務(wù)通道，作為客戶端連接TCP server端，監(jiān)聽2個儲氨罐液位傳感器數(shù)據(jù)；將兩路TCP服務(wù)通道接收的數(shù)據(jù)進行處理，將電流信號轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的實際監(jiān)測值，并存入數(shù)據(jù)庫；定時接收物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)管理模塊，將風(fēng)險源點管理、監(jiān)測對象管理、監(jiān)測指標(biāo)管理與用戶信息四個部分，采用前后端通信技術(shù)通過TCP服務(wù)通道連接至工貿(mào)安全監(jiān)管信息系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)急預(yù)警。

7 預(yù)警試驗

系統(tǒng)完成后，按《氨制冷企業(yè)安全規(guī)范》（AQ 7015—2018）中針對涉氨制冷企業(yè)數(shù)據(jù)接入要求，作業(yè)環(huán)境中氨最高報警濃度不高于1.5×10-4，系統(tǒng)依據(jù)企業(yè)要求將氨釋放報警閾值分別設(shè)置為0.25×10-4、0.5×10-4、1×10-4和1.5×10-4四組數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)“紅、橙、黃、藍”四級預(yù)警，于2022年1月14日上午10：30分進行模擬氨泄露事故，同時比對系統(tǒng)平臺和現(xiàn)場監(jiān)測兩組數(shù)據(jù)和對應(yīng)的預(yù)警狀態(tài)。經(jīng)校驗對比，該系統(tǒng)能滿足企業(yè)氨氣泄露信息上傳響應(yīng)時間、精度和穩(wěn)定性各項指標(biāo)，同步實現(xiàn)預(yù)警信息接收、推送、發(fā)布、評估，為應(yīng)急指揮中心遠程輔助決策組織市、縣、應(yīng)急機構(gòu)、企業(yè)四級應(yīng)急預(yù)案的啟動、響應(yīng)、聯(lián)動等應(yīng)急處置措施爭取了寶貴的時間。

8 結(jié)語

以上項目的順利實施，圓滿地完成了目前工貿(mào)信息化建設(shè)領(lǐng)域亟待解決的三個方面的問題：一是減少了信息化建設(shè)項目試點企業(yè)前期改造和對接準(zhǔn)備工作，節(jié)省了時間；二是關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集主要依托企業(yè)原有網(wǎng)絡(luò)和裝備，節(jié)約了項目投資；三是隨著這種模式的總結(jié)和推廣，進一步為全省其他工貿(mào)重點行業(yè)領(lǐng)域信息化建設(shè)的統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一改造升級提供了可靠的實踐驗證，加快推進了我省工貿(mào)企業(yè)信息化建設(shè)進程。該項研究對完善工貿(mào)行業(yè)安全管理工作體制、機制，加強作業(yè)流程動態(tài)安全信息化管理體系建設(shè)等方面意義重大，具有十分廣泛的科技應(yīng)用前景。