制氮装置出厂检验平台监控系统设计与实现

王灵龙

(1.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122；2.中国煤炭科工集团 沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122)

0 引言

膜分离制氮技术是将空气中不同的气体迅速分离开，将其他气体排空形成高浓度氮气，基于该原理可以实现灭火的效果[1-2]。基于膜分离制氮技术的应用，导致制氮装置市场需求量越来越多，从而使得制氮装置出厂检验至关重要。实现矿用制氮装置出厂检验平台监控系统将解决制氮装置出厂检验现场启动设备和手动记录检验数据等危险性大、效率低的问题[3]，是推动十四五规划精益生产管理的重要环节。目前，升级后的制氮装置是以 PLC 为核心实现对制氮装置自动化控制和现场触摸屏显示[4]。升级后的制氮装置为搭建出厂检验平台搭建了传输接口。

物联网技术是中国新兴技术之一，物联网在各行各业应用较广，为集中控制室监控检验管理设备带来新方向[5]。李延香等[6]针对集中控制室提出采用网页监控形式实现对出厂检验设备远程联网监控和智能安防。为了提高对制氮装置出厂检验性能分析及智能化水平，在制氮装置远程监控发展现状的基础上，王琛琛等[7]提出了一种无人值守远程监控系统，主要针对多套制氮设备进行远程监控。在梳理基于物联网技术的实验设备监控系统研究的基础上，沈林涛等[8]提出了网关通过串口和实验设备进行通信，获取设备运行参数，实现手机移动端和实验设备之间的实时监测和控制。在梳理基于物联网的机械设备远程监控系统设计研究的基础上，任彬等[9]提出了通过物联网模块对各类机械设备进行远程监控，在短时间内发现并解决各类机械设备故障问题。考虑到煤矿智能化发展趋势[10-11]，制氮装置出厂检验平台监控软件工作界面要求简洁易用且实现全要素可视化，具备设备远程一键安全启动、手机推送报警等智能化操作功能。

本系统提出基于物联网模块、LED显示与制氮装置试验相结合的出厂检验平台监控系统。运用网关设备搭建物联网云平台与PLC控制器的通信桥梁，通过Modbus通信协议进行监控，通过视频监控保证制氮装置出厂检验安全。

1 制氮装置出厂检验平台监控系统总体方案设计

系统主要用于对矿用膜分离制氮装置出厂检验，采集数据实时显示，具有历史曲线和数据报告。为了保证制氮装置出厂检验高效性和方案合理性，本系统与串行通信技术、计算机技术、物联网技术、PLC控制技术等多项技术相结合，设计一套制氮装置出厂检验平台监控系统。

1.1 制氮装置出厂检验平台监控系统网络拓扑结构

出厂检验时，基于传感器对制氮装置运行时的各种技术参数进行实时采集，PLC控制器对采集数据信息进行处理，网关模块通过串口/网口将PLC中的数据实时传输到物联网云平台上，上位机可通过访问物联网云平台查看出厂检验制氮装置的运行状态和历史报表，基于检测数据报表可进行分析制氮装置性能。如果检测到制氮装置出现故障，系统会发出灯光闪烁和警示声音，并通过手机短信推送提示质检员及时到达设备试验现场查看情况。制氮装置出厂检验平台监控系统的网络拓扑结构如图1所示。

图1 制氮装置出厂检验平台监控系统网络拓扑结构

1.2 制氮装置出厂检验平台监控系统总体结构

系统总体结构可分为制氮装置出厂检验区和集中控制室两个区域，包含了用于集中控制室的制氮装置出厂检验平台和制氮装置出厂检验监控系统。制氮装置出厂检验平台监控系统结构示意图如图2所示。

图2 制氮装置出厂检验平台监控系统结构示意图

制氮装置出厂检验监控系统的控制单元以制氮机PLC控制器为核心，PLC控制器配接制氮装置上关键节点传感器和空压机控制器，并通过串口与网关模块相连，网关将制氮装置出厂调试数据通过网口实时传输到物联网云平台上，摄像头通过以太网交换机将现场制氮装置试验情况上传到上位机。

用于集中控制室的制氮装置出厂检验平台主要由以太网交换机、上位机、打印机、视频处理器和LED显示屏等设备组成。物联网云平台通过网关模块与制氮装置实时通信，上位机通过访问物联网云平台可实时获取制氮机膜前温度、膜后压力、氮气含量、氮气流量及空压机排气压力、排气温度、运行时间、加载时间、螺杆温度等数据。

1.3 制氮装置出厂检验平台监控系统主要功能

系统的主要功能是对制氮装置出厂检验全过程进行状态监测和控制，针对检验所形成的历史数据进行备案。主要功能如下所示：

1) 模拟量采集。系统采集制氮装置模拟量信号，输出为4～20 mA的电流信号。PLC控制器将所有模拟量信号通过算法转换成数字信息，通过显示屏显现实际值，上位机及终端设备通过物联网云平台实时查看这些数据并存储数据，实现制氮装置出厂检验智能化。

2) 开关量采集。开关量信号对应制氮装置按钮指示状态，系统读取制氮装置开关量状态。系统通过物联网云平台写入开关量数值传输到制氮装置PLC控制器中，从而实现制氮装置出厂检验一键启动。

3) 全自动控制。制氮装置出厂调试时，系统经过授权后可通过上位机和终端设备启动制氮装置，制氮装置进入全自动监控模式，通过上位机及LED显示屏可实时监测制氮装置出厂检验的全过程。

4) 报警推送。当发现温度、压力或流量超过了正常范围时，系统会认为制氮装置出现故障，此时系统发出警示灯闪烁报警并显示对应的故障信息。系统会以短信报警、微信报警、APP报警推送，并可以查询报警时间和记录，报警权限可细化。

5) 实时显示。制氮装置出厂检验时，集中控制室上位机可实时显示制氮装置出厂检验性能参数，集中控制室外安装LED显示大屏，通过DVI信号线与上位机实时同步显示供相关人员观看。

6) 视频监控。监控系统采用以太网摄像头通过TCP/IP协议将制氮装置现场试验情况以视频监控形式传输到物联网云平台上，集中控制室上位机监控系统实时查看制氮装置试验环境及试验情况。

2 制氮装置出厂检验平台监控系统硬件选型及设计

系统主要包含制氮装置出厂检验区和集中控制室硬件设计。制氮装置出厂检验区包含智能网关电控箱、以太网摄像头和以太网交换机三个硬件设施，其中需要对网关控制箱产品进行设计。集中控制室主要包含上位机、视屏处理器、打印机和LED显示屏四个硬件设施，其中需要对上位机、视频处理器、LED显示屏进行设计选型，构建制氮装置出厂检验显示平台。

2.1 智能网关电控箱硬件选型设计

智能网关电控箱可以通过串口通信将制氮装置PLC中的数据传输到物联网云平台上，是监控系统的重要核心设备。智能网关电控箱由Q235外壳、GM20-DTU网关模块、直流稳压电源模块、垫木板等组成。网关模块选用GM20-DTU网关模块，输入电源DC 9～30V，防过流及反接保护，功率2 W，外设接口支持RS232、RS485、WAN、LAN、电源接口、天线接口等，能够支持标准工业 Modbus-RTU、Modbus-TCP通信协议。直流稳压电源选用输入交流电压220 V，输出直流电压24 V，额定功率36 W。

2.2 显示平台硬件选型设计

集中控制室建立制氮装置出厂检验平台，物联网云平台通过上位机和终端设备远程监控制氮装置，监控系统由上位机或终端设备网址访问物料网云平台组态界面，通过视频处理器将信号传输到LED显示平台上，形成的检验数据报表可打印。LED显示屏选用P2.5型号，按照16∶9显示画面设计，与上位机显示比例一致。

3 制氮装置出厂检验平台监控系统软件设计

3.1 监控系统软件结构

网关是制氮装置和上位机通信的中间产物。制氮装置PLC控制器与网关模块之间采用Modbus协议实时通信，上位机访问物联网云平台查看监控系统。网关模块上电后，网关自动进行初始化，通过APP将网关接入指定的WiFi热点或4G流量卡实现联网，建立HTTP客服端并订阅主题，当收到主题消息后，开始修改设备运行状态，网关模块获取到制氮装置运行参数后向服务器不断发送数据。网关软件流程如图3所示。

制氮装置出厂检验平台监控系统软件结构主要包含系统主界面、数据报表、报警画面、视频监控、用户权限管理等功能模块。系统主界面包含数据采集、远程监控和历史曲线等功能；数据报表包含数据查询和数据导出等功能；报警画面包含报警历史和报警提示等功能；用户权限管理包含系统登入和退出系统功能；视频监控包含视频画面功能。监控系统软件结构框图如图4所示。

图3 网关软件流程

图4 监控系统软件结构框图

3.2 监控系统界面设计

制氮装置出厂检验监控软件图形主界面是集中显示制氮机和空压机的运行参数，当数据异常时，主界面将进行推送报警提示并记录报警信息。监控系统界面设计采用EMCP物联网云平台组态界面，监控界面主界面集成了动态的实时数据画面和数据曲线、历史记录及报警记录等功能。系统主界面设计内容如下：

1) 顶部标识区。制氮装置一键启动按键、数据报表按键、视频监控按键、显示系统名称、当前时间和报警指示灯等。

2) 中部数显区。制氮机包含膜前温度、膜后压力、氮气含量、氮气流量实时数据；空压机包括排气压力、排气温度、螺杆温度、加载时间等实时数据。模拟制氮装置试验运行情况。

3) 底部曲线区。对制氮装置4个重要数据进行历史曲线监测，用不同颜色区分数据曲线。红色历史曲线代表“膜前温度”，绿色历史曲线代表“氮气含量”，黄色历史曲线代表“氮气压力”，蓝色历史曲线代表“瞬时流量”。

4 制氮装置出厂检验平台监控系统功能测试

系统平台搭建后，进行出厂检验系统调试、测试，确保系统中各项功能符合相关设计要求。针对500 m3/h制氮装置进行本系统出厂现场试验，制氮装置出厂检验平台监控系统的主界面如图5所示。试验结果表明：系统运行平稳，控制功能操作简单、安全可靠，上位机采集数据与试验区制氮装置传感器采集数据一致，实现了制氮装置出厂检验电子备案，试验数据无纸化存档。

图5 制氮装置出厂检验平台监控系统主界面

制氮装置出厂检验平台监控系统能够通过对制氮装置出厂性能检验数据进行存储备案，历史数据可以实时导出打印。操作人员可通过监控系统主界面中的控制界面远程一键启停制氮装置，实现了对制氮装置的试验监测、管理控制平台一体化。制氮装置出厂检验部分数据报表如图6所示。

图6 制氮装置出厂检验部分数据报表

5 结论

对膜分离制氮装置出厂检验过程实现远程监控和检验数据以报表的形式存档，设计了一种以网关、以太网交换机、工控机和LED显示看板为基础的制氮装置出厂检验平台监控系统解决方案。实现膜分离制氮装置出厂检验中的数据实时监控显示，根据设备出厂编号，对每一台设备数据进行采集、存储，可实现检验记录无纸化操作，根据需要可随时根据设备出厂编号调取电子检验记录进行报表打印。本文可以提高制氮装置出厂检验自动化程度，实现对矿用制氮装置及其运行环境实时全方位智能化监管，提高工作效率。因实现远程操作，大幅减少了检验人员在现场操作的时间，降低噪声对检验人员的伤害，实现数对检验数据的采集、存储，检验记录实现无纸化。与此同时，对出厂检验系统采集的数据进行深入分析，借助相关算法，为制氮装置性能分析提供更可靠的依据。