基于物联网的重大危险源监控能力的优化及应用

张文勋，吴红忠

（焦作煤业（集团）开元化工有限责任公司，河南 焦作 454191）

近年来，国家对化工企业生产过程监控管理日趋完善，针对化工生产易燃易爆、有毒有害、高温高压等危险属性，采取多种管控措施，避免在生产过程中发生危化品泄漏事故。 危化品事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点，因此可燃、有毒气体检测手段、检测设备是否齐备、有效、及时至关重要，对避免和控制事故的发生具有重要意义[1]。

焦作煤业（集团）开元化工有限责任公司（以下简称“开元化工”）成立于2009 年10 月，现有20 万t/a 离子膜烧碱装置、3 万t/a 三氯氢硅装置、3 万t/a 环氧氯丙烷和4 万t/a 环氧树脂装置。 目前生产稳定，形成产供销一体化，是河南化工集团下属骨干单位。

1 危险源区域监测现状

开元化工的重大危险源包括液氯储槽、液氯包装、化工液体罐区、树脂中间罐区及三氯氢硅罐区等，现有氯气、氢气、三氯氢硅、甲苯、环氧氯丙烷等各种气体监测报警器360 余台， 视频监控140 余个，分布于各危险源区域。 由于安装位置分散，缺乏系统性和直观性的数据支持，专业管理人员不能快速、直观、准确地掌握现场实际情况和相关报警信息，管理效率较低。 面对越来越严峻的安全形势要求，以及工业4.0、两化融合、智能工厂以及中国制造2025 等计划的推进和实施， 集团公司在安全管理工作上要求开元化工对可燃、有毒气体报警进行有效管控、提高自动化及信息化程度，提高重大危险源管控效率，确保报警有效、报警信息处理及时，满足安全生产的需要。

2 危险源区域监测存在的问题

（1）公司危险源区域已基本安装可燃、有毒气体监测传感器，但监测元件安装较为分散，管理人员不能快速、直观、准确地掌握相关检测信息，管理效率较低。

（2）当危害介质泄漏时，仅有中控调度室能够及时预警，然后通知岗位现场人员检查处理，存在片面性和滞后性，不能及时有效提醒生产现场及周围人员撤离，不能及时通知现场作业人员采取有效的防范措施，是目前安全管理中存在的一个薄弱环节。

（3）危险源区域已基本安装视频监控设施，但调度室不能实时观察各区域情况，且安装位置较为分散，往往会顾此失彼，不能实现及时、全方位监控的要求，进而导致不能及时有效进行调度决策，并发布调度指令，而调度指令的时效性决定着企业的存亡发展。

（4）消防控制室未实现可燃、有毒气体信号接入，不能及时掌握危险源报警信息。

（5）目前监管方式是通过探测器、报警控制器、控制软件系统以电缆线直线连接上传的方式来实现，一旦中间发生故障，就极有可能导致报警信息的中断，进入危险现场作业的人员很难及时发现作业现场的危险信息，无法在安全时间内采取措施撤离现场，进而发生重大的事故，造成人身和财产的损失。

3 优化目标

（1）全面梳理公司生产过程危险源监测预警、报警、处置能力存在的主要缺陷和问题。

（2）针对梳理出来的问题、缺陷，提供一套行之有效的优化方案和解决办法，实现全区域监测和布控，达到作业现场人员、控制室人员、工厂消防及安全主管部门均能做到在第一时间迅速响应，避免安全事故的发生和蔓延， 最大限度保障人员安全，将危害降到最低，最终实现安全生产的目标。

4 进度安排

（1）完成项目初步调研、资料收集、与厂家技术交流以及可行性分析、预算报送等工作。

（2）完成技术方案编制、招标及商务合同签订等工作。

（3）危险源监测预警报警、危险源可视化监视、生产区域报警、消防控制室危险源监测数据接入以及GDS 系统改造等各子模块逐步实施完成。

（4）项目各子模块完工及试运行。

（5）不断优化系统运行过程中出现的问题和缺陷，最终形成全面完善的危险源预防监控系统。

5 危险源监控优化实施内容[2]

此次优化实施内容主要包括危险源监测预警报警、生产区域报警、危险源可视化监视、GDS 系统改造、消防控制室危险源监测数据接入等模块。

5.1 危险源监测预警、报警模块

通过网络手段将安装在各危险源的各类报警器所采集的报警信息汇总，由后台软件进行智能分析和处理，当达到报警临界点时，系统通过各种提醒方式提醒值班人员进行故障和隐患排查，为各种决策及时提供数据支持，确保企业的人员和财产安全，减少企业发生危险事故的概率，提高企业的经济效益，达到企业安全生产的目标。 主要建设内容如下。

5.1.1 厂区综合监测

直观展示整个厂区概况、检测设备的位置分布信息等；展示检测器传回的实时数据、网络状态、报警信息等；智能判断设备状态、报警级别，并通过抖屏、发光、声音等多种报警效果通知、提醒用户。

5.1.2 实时及历史趋势查询

在厂区综合监测的基础上， 基于曲线监测+列表监测的方式，提供按多种组合条件对设备历史运行数据、报警信息进行综合查询，同时系统提供“曲线模式”和“列表模式”两种展现方式，查询结果应可导出供招标方进行数据分析。

5.1.3 分级预警及警情处理

根据检测器的报警级别（高高报、高报、低报、低低报） 分别设置相应的报警责任人 （可重复多选），当设备发生警情时，系统会依据预警设置通过抖屏、闪烁、声光以及短信等方式自动向不同报警级别责任人发送报警短信；相关负责人确认、处理报警的同时，可手动进行消音、复位等操作。 系统支持通过报警时间、企业、车间、监控探头等多条件、多维度组合查询出报警记录和报警处理记录，同时支持列表模式、曲线模式展示，支持报警单个和批量处理等常用便捷操作。

5.1.4 设备状态智能监测

实时监测“监测、监控设备”的工作状态，实现监控设备高高报，高报，低报，低低报，通讯故障，网络故障，通讯超时、未连接、预热、标定等在线实时监控，发生故障或报警时，可实时在系统中监控到，为故障诊断、排查提供可靠依据。

5.1.5 用户权限管理

用户实现分角色进行管理，主要包括“普通用户”和“管理员”等角色，不同的角色可进行不同的操作，满足企业日常监管需求。 其中“普通用户”对厂区进行日常巡检，同时对车间的设备及报警进行实时监测、报警通知、警情处理、综合查询、视频监控；“管理员”除具有普通用户的权限外，亦可对系统用户信息（用户权限分配、密码重置等）、设备信息（监控探头、监控视频、通信链路等）、企业信息（车间、安全员等）、系统信息（系统日志、图片信息、探测介质等）进行配置和管理。

5.1.6 智能移动终端和电脑WEB 端

本优化项目所建设管控平台应支持手机APP登录和电脑WEB 端登录查看， 手机移动端须提供Android 和IOS 双版本。 通过WEB 端和手机移动端应能够查看检测设备运行状态、报警信息、处理结果、报警时间等项目要求功能。

5.2 生产区域报警模块

针对开元化工原有的报警系统存在的片面性和滞后性，不能及时有效提醒生产现场及周围人员撤离，不能及时通知到现场作业人员采取有效的防范措施的问题，实现以下改造。

5.2.1 实施方案

区域报警由区域报警控制器和该区域的探测设备组成，此报警器只接收该区域的报警信号。 可燃、有毒气体监测报警器厂家建议在中控串接报警输出，引接至生产现场加装的联动控制柜，由控制柜控制现场高分贝防爆声光报警器。

5.2.2 项目实施

（1）对危险源区域进行划分，划分为液化、包装、合成、氯气处理、电解脱氯、三氯氢硅、环氧氯丙烷皂化、环氧树脂和化学品罐区等9 个区域。

（2）对中控制进行划分，划分为中控操作室、调度室等2 个区域。

（3）在划分的11 个区域入口处安装高分贝声光报警器。

（4）改造原有报警器机柜，在报警器控制器信号输出端将相同区域的输出信号桥接、 串联输出，接入继电器，通过继电器控制各区域入口处的高分贝声光报警器运行和停止，实现区域内任何一个报警器报警， 区域入口处高分贝声光报警器统一运行（报警）。

5.3 危险源可视化监视模块

开元化工危险源区域监测摄像头140 余台，安装位置较为分散， 且调度室不能查看各区域的监控，存在点多、面广，管理效率低下的问题。 不满足实时、全方位监控的要求，进而导致不能及时有效进行调度决策。 为适应新形势下调度指挥的要求、提高调度指挥效率及处理突发事件的工作效率、更准确及时地进行各种资源的调配、 增强综合协调的指挥能力，特对视频监控进行改造升级，旨在建立一个集日常生产管理、安全防范、事故防范以及事故应急救援指挥为一体的综合安全视频监控系统，提升危险源监测预警、报警和事故隐患排查治理能力，把事故隐患消灭在萌芽状态，防范及杜绝事故的发生；同时为事故救援提供及时、准确的救援信息，提升事故救援能力，最大限度减少事故损失。 具体建设内容如下。

（1）在中控调度室及中控操作间北墙设置电子大屏， 将厂区危险源区域视频监控信号引入其中，使调度人员能够全面、直观、及时、准确地了解区域内实时情况，实现对调度所管辖范围内的统一调度指挥、综合监控、管理和协调，为厂区和生产安全提供支持及保证。

（2）将现场采集的视频数据集中管理，优化监控系统的管理服务，设立账号，使相关人员可以通过办公电脑电脑、手机等登录监控系统，实现远程服务，实时查阅各监控画面，及时了解生产区域安全情况。

5.4 GDS 系统改造模块

开元化工有毒有害气体报警系统已运行了近十年，随着使用年限的增加，故障次数也大幅度增加，每次维保更换报警器数量较多，耗费金额较大；而且原先的型号已逐步淘汰，新的配件与旧的产品尺寸不一，造成机柜内接线复杂、混乱，存在安全隐患。 针对此情况开元化工经过内部论证后对现有GDS 系统进行升级改造， 从而实现集实时监测、预警处理、远程控制、设备管理于一体，实现对厂区内危险气体泄漏实时监测并智能判断报警，有效预防企业安全事故的发生，主要改造内容如下。

5.4.1 系统构成

改造后的GDS 系统由处理器、I/O 卡件、网络通信系统、现场检测器、显示报警站、工程师站、电源及相关辅助设备等构成，架构图见图1。

图1 GDS系统架构图

5.4.2 工程师站

在中控调度室设工程师站，用于监控全场可燃有毒气体报警器运行状态。

5.4.3 GDS 控制柜

在机柜间放置GDS 控制柜，包含处理器、I/O 卡件、网络通信系统、电源及相关辅助设备等。

此部分主要是对现场传输来的报警信号进行处理、转换，然后通过网络通信系统将相应的信息传输至工程师站，由相关人员进行处置。

5.4.4 网络通信系统

工程师站与GDS 控制柜之间的通信采用光纤传输的方式，信息传输至中控调度室的串口服务器出，信号处理、转换后传输至工程师站。

5.5 消防控制室危险源监测数据接入模块

基于新的安全形势，GB50493-2019 《石油化工可燃气体和有毒气体监测报警设计要求》第三章第三条规定：可燃气体二级报警信号、可燃气体和有毒气体的监测报警系统控制单元的故障信号应送至消防控制室。 开元化工相关报警信号未引入消防控制室，本次改造主要实施内容如下。

5.5.1 实施方案

改造前开元化工相关报警信号未引入消防控制室，厂家建议从可燃、有毒气体报警器控制室输出端输出信号，通过电缆传输的形式将信号传输至消防控制室，然后在消防控制室安装相应模块将信号汇总后引入操作站显示，但经开元化工技术人员与厂家讨论后， 决定利用在建危险源监测预警、报警平台，开放相应端口，通过WEB 登录的方式实现相应功能，此方案公司仅需配备1 台电脑、若干网线，实时费用5 000 余元，节约项目投资20 余万元。

5.5.2 项目实施

（1）在消防控制室安装1 台电脑作为操作站。

（2）通过敷设网线的方式连接中控调度室危险源监测预警、报警平台工程师站和消防控制室的操作站，实时传输数据。

（3）利用在建危险源监测预警、报警平台，开放相应端口，通过WEB 登录的方式，配置消防控制室操作站登录账号，并赋予相应权限权限，实现实时监测可燃气体二级报警信号、可燃气体和有毒气体的监测报警系统控制单元的故障信号的功能。

6 实施效果

（1）通过建设危险源监测预警、报警、警情处置平台，有效解决了现场可燃、有毒气体报警器点多、面广、管理效率低下的问题，相关管理人员可以通过电脑WEB端或手机移动端实时查看危险源区域状态，平台的建成为相关管理人员提供了直观、准确的数据支撑，减少了往返环节，极大地提升了管理效率。

（2）通过在各危险源入口处安装高分贝声光报警器，实现了区域内任何一个报警器报警，区域入口处高分贝声光报警器同时运行（报警）的功能，警情发生时不仅中控调度室人员可以及时发现，现场人员亦可以及时发现并处置， 解决了原先警情发现、处置存在的片面性和滞后性的问题，有效保障了企业的安全生产和职工人身安全。

（3）危险源可视化监控改造后，建立了一个集日常生产管理、安全防范、事故防范以及事故应急救援指挥为一体的综合安全视频监控系统，提升危险源监测预警、报警和事故隐患排查治理能力。 中控调度室人员可以实时查看各区域的状况，及时发现危险区域内的异常情况、异常事件，提高了调度指挥效率、处理突发事件的工作效率、以及综合协调的指挥能力； 同时可以为事故救援提供及时、准确的救援信息，大大提升事故救援能力，最大限度减少事故损失。

（4）通过此次改造解决了原GDS 系统故障频发、配件更换频繁、耗费金额大、新旧报警器型号尺寸不统一造成的柜内接线混乱等安全隐患；将相关报警数据接入消防控制室，使其符合相关国家、行业规范。

7 结语

开元化工通过此次优化改造项目，利用物联网与安全报警、预警管控平台相结合，有效解决重大危险源可燃、有毒气体报警器点多、面广、报警数据收集存储困难，提供历史报警记录检索、查询功能，提高管理效率；加强车间、各监测设备单独作业管理，实现集中监测、联动管理，即时、直观、形象监测预警功能，快速为相关决策提供数据支持，实现现场远程监控与指挥，提高突发事故处置效率；加强现场人员快速获取报警信息， 及时处理隐患的能力，同时及时调配各种资源、增强综合协调的指挥能力， 快速有效地将各种安全隐患消灭于初始状态，确保企业长期安全运行。