控制室空气质量自动监控系统的设计与实现

摘  要：石油化工领域厂区空气成分复杂、污染物较多，各种原因导致的有毒有害气体泄漏，容易引发安全事故。针对中国石化某石油化工有限公司中央控制室空气质量较差、对空气质量缺乏系统有效的监控手段，存在安全隐患的情况，设计了完整的以Zigbee无线网络为通信核心，涵盖了空气质量监测、控制、净化等功能模块的空气质量自动监控系统。系统主要包括：空气质量检测终端、无线网关、新风控制终端、空气净化终端及系统监控软件。

关键词：控制室;空气质量;Zigbee;自动监控系统

中图分类号：TP273+.5;TN925+.93              文献标识码：A        文章编号：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

油化工行业属高危行业，近年来，由于有毒有害气体的泄漏、爆炸等原因引发的安全事故时有发生，危及人民生命安全，给国家济带来巨大的损失。中央控制室作为炼化工厂的设备控制中枢，也是人员较集中的办公场所。笔者曾参与中国石化某石油化工有限公司的控制室空气质量监控项目的研发，目前该企业的控制室的空气质量监测、控制仍处于初始阶段，无法形成系统、有效的数据监测及处理，存在安全隐患，也对工厂智能化管理产生一定障碍。因此，为该中央控制室设计空气质量自动监控系统是一项尤为紧迫的工作。

该中央控制室控制自动监控系统集成了有毒有害气体监测、新风控制、空气净化三大核心功能模块，实时监测、控制和处理，发现问题及时报警，杜绝安全隐患，有效避免重大安全事故的发生。

1  项目背景

健康、安全与环境管理体系（简称为HSE），为石油天然气领域国际通用管理机制，為石油天然气领域向国际化市场以及现代化管理发展的重要保证，作为国际石油天然气工业通行的管理体系，是石油天然气工业实现现代化管理，走向国际大市场的准行证。因此，实行该管理体系是石油企业发展的必经之路。

在石油化工领域中，厂区空气成分复杂，污染物较多。中国石化某石油化工有限公司是一家较大型炼化企业，该企业的中央控制室（简称中控室）通风系统设计是户外空气经过新风系统过滤，进入空调系统，两系统无关联控制。夏天炎热，新风系统如果持续工作，将把空调系统部分冷空气排出户外，导致室内制冷效果不好。为保证中控室内比较舒适的温度，现场管理人员往往会停掉新风系统。由于中控室是员工集中办公场所，人员众多，新风系统如果停开，室内空气质量将进一步降低，室内人员容易出现疲累，甚至头晕的现象。长期如此将会严重影响员工身体健康，甚至因精神不佳引起误操作，危及生产安全。需设计一套具有现代化管理及监控手段的控制室空气质量自动监控系统。该系统是工业管理机制中检测环节以及实施环节，对空气质量进行实时检测，同时提供新风系统与空气净化系统控制接口，为保持中控室空气质量处于洁净清新状态提供重要保障。

2  系统设计方案

2.1  功能简介

空气质量可以通过自动监控系统进行实时监控，同时向工厂管理网络进行实时传送，为相关人员提供精准、及时的数据信息。系统完成空气质量信息传输后，监控室PC设备会对空气质量波动进行实时检测，发现空气异常现象之后，会及时启动新风系统更换新风及启动空气净化系统进行净化处理。根据SH/T 3006—2012《石油化工控制室设计规范》的要求，本系统设计主要检测参数涵盖以下内容：空气综合质量、Cl2、SO2、H2S、湿度、温度、PM2.5等。本系统预留了一定数量的拓展接口，能够按照实际需求对传感器模块进行合理调整。系统技术指标如表1所示。

2.2  系统的整体结构设计

系统由检测终端、无线网关以及基于PC机的监控管理软件组成。中央控制室包括三个控制室，每个控制室根据空间面积等因素设置多个检测终端，系统的整体结构如图1所示。

3  硬件设计分析

無线网关与检测终端共同构成系统硬件。

3.1  检测终端

对于检测终端空气各参量检测是其主要功能，涵盖空气综合质量、Cl2、SO2、H2S、湿度、温度、PM2.5等内容。传感器对检测结果进行A/D转换以及信号换变，之后通过微控制器进行读入，然后转化为工程量，借助LCD显示屏显示出来。再通过Zigbee无线射频发射模块发送给网关。检测终端的结构如图2所示。

3.2  无线网关的设计

无线网关由微处理器、Zigbee无线射频接收模块和以太网模块构成。Zigbee无线射频接收模块接收到检测终端的数据，微处理器进行数据处理后，将检测结果传输给以太网模块。每个无线网关可设置固定的设备IP地址，监控管理软件通过访问该IP地址可获取检测终端的检测结果。无线网关的硬件结构如图3所示。

4  软件设计

上位机与下位机软件构成系统软件。上位机软件通常用于接收、处理数据;下位机软件通常用于收集、传输数据。

4.1  下位机软件

下位机软件涵盖以下内容：采集终端数据、传输数据以及硬件设备初始化处理等。一般系统会选择Zigbee通信技术，而本系统则是以TI Z-Stack为基础进行研发的技术。

（1）Zigbee数据采集工作。将多个传感器设置在检测终端中，通过微处理器对不同传感器中的数据进行读入处理，之后进行软件滤波以及相应计算处理。软件滤波属于关键环节，能够将被干扰数据有效去除，强化数据精准性。如图4所示。

数据采集程序借助对AIR_Sensor（）、Cl2_Sensor（）、SO2 _Sensor（）、H2S_Sensor（）、Humidity（）、Temperature（）、调用PM2_5（）函数进行调用，完成空气质量、Cl2、SO2、H2S、湿度、温度、PM2.5等检测工作。由于系统对空气质量情况进行实时检测，所以，这些函数处于定时调用状态，可以按照具体需求进行定时时间设定。

（2）硬件设备初始化。完成设备通电处理之后，应该对软件架构与硬件平台相关模块展开初始化处理。初始化主要涵盖以下内容：操作系统、应用框架层、MAC层、Flash储存器、堆栈、系统时钟、硬件模块以及非易失变量的初始化、并构建MAC地址。

（3）传输数据。检测终端完成上述参数采集工作后，根据一定格式对这些数据进行排列，并不是将MAC地址加到数据串前端，之后开展打包保存处理。其中，PC机完成数据包接收之后，通过MAC地址区分数据是由哪个终端进行发送的，实现多个终端设备在一个网络中进行数据传输。终端完成数据打包处理，正式发送前，需要对区域中Zigbee网络进行检测，以确定其质量。若是存在空闲网络，则加入网络，并通过无线网络传输数据，网络会选择最佳路线向无线网关传输数据。之后网关借助串口向以太网单元发送相关数据，安装有监控管理软件的PC机访问指定IP的网关获取检测终端的检测数据。

4.2  上位机软件的设计

上位机软件是系统人机交互的主要方式，用户可以从中读取信息或者输入命令来控制系统的工作状态。

4.2.1  功能设计

（1）与检测终端建立连接并进行交互，实时监测各区域的空气质量状况。

（2）具有监测参数超限报警功能，对于监测数据超过用户设定的上下限值时，对异常的数据以不同颜色进行标注，并保存在系统报警信息中，供用户查询。

（3）具有空气质量超标处理功能，当监测参数超限报警时，实时启动新风系统或空气净化系统进行空气处理，保持室内空气干洁清新。

（4）具有数据上传功能，能将测量数据上传至公司的管理系统或DCS等。

4.2.2  工作流程

PC机通过网络访问网关接口将对各检测终端数据进行读入处理后，运用上位机软件展开进一步处理，之后通过文字或是图形等方式为用户直观展示数据处理结果，用户仅需要通过监控室设备就可以对各个监测点实际空气状况进行全面监测。本系统通过VB语言在图形界面中的设计特点，开展自动监控软件控设计工作。监控软件流程图如图5所示。

对于初始图形界面，涵盖一些内容：工作状态初始化、通信端口初始化以及相关曲线图、参数柱形图等方面初始化。程序借助对VB中Winsock控件进行合理调用，向程序中读入数据包，之后进一步解析数据包，对数据包中空气质量、Cl2、SO2、H2S、湿度、温度、PM2.5、MAC地址等信息进行提取。对系统中MAC地址进行终端设备号转换处理，同时按照空气质量、Cl2、SO2、H2S、湿度、温度、PM2.5这些参数情况，进行曲线图与柱形图调用，进而将函数展示出来。在相应终端设备监测画面中对空气信息进行实时更新。同时将参数值与预定设置的报警值比较，若参数超标，则调用新风系统及净化系统控制程序，进行新风更换及净化处理，并在监测画面报警提示。

5  系统实施及使用情况

5.1  监控布点

根据中国石化某石油化工有限公司中央控制室实际情况，参考HJT 167—2004《室内环境空气质量监测技术规范》中的布点原则，布置12个监控区域，每个监控区域设置1台检测终端，以实现控制室全方位的空气质量自动监控。

5.2  通信网络

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低传输速率的无线传感器网络通信技术。因为建筑物距离、结构空间存在差异，楼层与房间墙体结构等方面也存在一定差异，在网关、检测终端之间，一些无线信号可能无法接收。根据监控布点分布和墙体的具体情况，在相近的几个监控布点中间设置一个无线接入点网关，通过网关接入局域网内，克服了ZigBee通信距离短的缺点，为系统扩展检测终端数量提供可靠通信条件。

5.3  使用情况

系统自投用以来，取得了良好的应用效果。目前系统24小时全天候稳定运行，实现了监测数据网络共享、监测报警、污染自动处理等功能（如图6所示），信息化能力和保障水平明显提升，监测与控制协同联动，使控制室空气质量时刻保持良好状态提供可靠保障。为石化HSE管理体系的实施提供资源支持，为顺利进行安全生产提供了有力保证。

6  结  语

中央控制室空气质量优劣直接关系到员工呼吸健康及生产管理安全。该系统可以对监测区域中空气情况进行准确、实时监控，同时开展数据采集工作，空气质量出现问题时，能够及时报警并能够自动启动相关设备进行污染处理，实现提前发现问题与快速解决问题的目标，进而提高生产安全性，确保工作人员生命安全。

参考文献：

[1] 中华人民共和国工业和信息化部.石油化工控制室设计规范：SH/T 3006—2012 [S].北京：中国石化出版社，2013.

[2] 国家环境保护总局.室内环境空气质量监测技术规范：HJ/T 167—2004 [S].北京：中国环境出版社，2004.

[3] 刘婷婷.微型PM2.5传感器研究和测试 [J].现代信息科技，2020，4（5）：55-57+60.

[4] 赵晨，何波，王睿.基于射频CC2420实现的ZigBee通信设计 [J].微计算机信息，2007（2）：260-261+277.

作者简介：吴炳志（1983—），男，汉族，广东茂名人，工程师，毕业于广东工业大学，本科，研究方向：教育信息化、物联网、计算机技术。