物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下化工易燃檢測

李彤， 張子文

(天津渤海職業(yè)技術學院，天津300402)

隨著我國化工產(chǎn)業(yè)的日漸成熟和化工裝置的不斷改進，化工業(yè)的發(fā)展速度已經(jīng)達到了一定水平，易燃易爆化學品的安全問題已經(jīng)成為我國密切關注的問題，人們已經(jīng)越來越重視生產(chǎn)與安全倆者密切的關系。

化工車間的安全問題是該行業(yè)面臨的一大問題。在化工車間產(chǎn)物的開發(fā)和生產(chǎn)、原料到產(chǎn)品這對過程當中，具有易燃、易爆、有毒氣體等不安全隱患。化工車間生產(chǎn)過程極其復雜，高壓設備數(shù)量多且不易檢測是其中的隱患因素之一。

1 化工車間安全參數(shù)設置方法

危險化學品安全監(jiān)測的參數(shù)主要是包含了下方的六個類型：①工藝的參數(shù)；②現(xiàn)場可燃/有毒氣體的濃度；③氣象的參數(shù)；④音視頻信號和人員出入的情況；⑤明火和煙氣；⑥保護接地及供電的狀況。

化學品泄漏事故的主要原因一般是由于裝有化學品的汽車容器破裂或閥門的損壞才造成的極多的易燃與易爆、毒氣或易揮發(fā)可燃燒液體的流出。在外泄發(fā)生時，我們可以對其進行有效的檢測，從而避免意外事故的發(fā)生。

所以，我們可以在容器的一些重要的部位安裝上紅外傳感器或和溫度傳感器以實現(xiàn)對化學品泄漏的預警提醒，防患于未然。化工車間生產(chǎn)過程涉及的設備種類比較多，也就是說可能發(fā)生泄漏的位置有數(shù)以萬計個，對它的管理是十分有難度的。所以我們總結泄漏發(fā)生位置的一些規(guī)律，就可以在快速找到發(fā)生泄漏的位置，并對比較重要的化工產(chǎn)品進行妥善的管理與安排，便可以很明顯的提高控制泄漏檢測的可行性。

2 國際應用

一家名叫Keller 的公司提出了方案[1]：即在容器的內(nèi)部安裝上兩個7LD 系列的微型壓力傳感器。這種數(shù)字式傳感器能夠提供在化學品監(jiān)控過程起著重要作用的溫度信息。

通過微型壓力傳感器，遠距離信號輸送的裝置記錄下傳感器所采集到的一些數(shù)據(jù)，安裝相應APP 的用戶就可以通過物聯(lián)網(wǎng)得到其他相關的輔助信息。在該公司的這一應用中，就巧妙利用到了兩個壓力傳感器來檢測化學品容器中的壓力，實現(xiàn)了對化工車間的安全檢測。（原理：由于化學品容器內(nèi)部會產(chǎn)生相應的壓力，我們就可以利用到兩個壓力傳感器所檢測到的桶頂部位和桶底部位這倆者之間的壓力差，如有泄露所檢測到的壓力便會下降，由此計算出桶內(nèi)化學產(chǎn)品的擁有量[1]。)

來自英國的霍尼韋爾-公司推出了一款經(jīng)官方認證的檢測氣體的儀器，這一儀器為檢測暴露在有氧空氣中的易燃易爆氣體提供了較為合適的裝備[1]。

該裝備采用了可插入式的變送器時可自行配置的高科技氣體監(jiān)測傳感器，從而使它具有了操作簡單和良好的安全性的結合。為了使它具有更大的自我應變能力，我們便能夠在距離變送器附近安裝具有遠程監(jiān)測的傳感器，由此使這個檢測氣體儀成為危險的區(qū)域和比較不易發(fā)現(xiàn)位置的絕佳助手或在室外檢測室內(nèi)進行時的理想化選擇。

3 工程實踐

3.1 巧妙利用固定式有毒氣體檢測儀

該有毒氣體檢測儀是在化工生產(chǎn)車間生產(chǎn)過程中所使用較多的檢測儀。

3.1.1 裝置在固定的檢測點上對特殊的氣體意外泄漏進行有效的檢測。

3.1.2 固定式雙體式檢測儀：檢測頭是由傳感器和變送器組成，二者共同安裝在被檢測的現(xiàn)場，型號為QB2000N 儀器為不斷擴散的有毒氣體檢測濃度，使用到了國外進口的催化式燃燒傳感器，具有極好的靈敏度和很強的檢測能力。

3.1.3 適合生產(chǎn)車間使用的LED 數(shù)碼顯示器會實時顯示被檢測到的意外泄漏氣體的濃度值，超過預設的報警位置便會自行啟動聲光報警的信號和驅(qū)動式空氣轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

3.1.4 (4～20)mA 的國際標準信號可以直接傳送到工廠的DCS 系統(tǒng)中，該數(shù)字信號會與生產(chǎn)車間的上位機相連接。

3.1.5 嵌入式的微控制技術儀器，操作方便，功能較多，安全性高，性能有保障。

它們會對在車間意外泄露氣體的種類和濃度進行選擇判斷，同時注意的是將它們安裝在最可能泄漏有毒氣體的地方，比如根據(jù)氣體擴散的方向性選擇傳感器安裝在最有效的監(jiān)測位置等。

3.2 利用便攜式有毒氣體檢測

便攜式儀器—GC210。

3.2.1 操作快捷方便，體積適當，可以安裝在不同的車間位置，該檢測儀采用高性能堿性電池供電,可連續(xù)工作1000 多h。

3.2.2 新型檢測儀—LEL、PID 和復合式儀器采用到了可充電電池，所以，我們將它也作為車間的化學品安全檢測工具之一。

基于S5P 4418 的工業(yè)現(xiàn)場氣體檢測儀的設計，該檢測儀能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場的：①一氧化碳；②硫化氫；③甲烷氣體。

作用：①進行采集顯示并且通基于S5P4418的工業(yè)現(xiàn)場氣體檢測儀的設計，該檢測儀能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場的硫化氫、一氧化碳以及甲烷氣體的濃度進行采集從而在車間屏幕顯示并且通過BT/WIFI 信道頻率實時上傳到物聯(lián)網(wǎng)上；②能夠在相應有毒氣體的濃度達到預設的閾值后進行車間內(nèi)聲光報警；③能夠?qū)囬g距離泄露點最近的工作人員進行定位，從而快速處理泄露。并且BT/WIFI會實時上傳到上位機。

4 化工區(qū)安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件

打造車間環(huán)境監(jiān)控機制需要借助到物聯(lián)網(wǎng)技術，可通過物聯(lián)網(wǎng)技術進行妥善的處理。就目前的物聯(lián)網(wǎng)形勢看，已經(jīng)有越來越多的化工品制造企業(yè)車間，開始利用建立廠務環(huán)境監(jiān)控機制的物聯(lián)網(wǎng)技術，想要高精度、長時間的對車間的粉塵、二氧化碳、天然氣等有毒氣體以及水、溫濕度條件，和其他有害物質(zhì)進行預防性實時監(jiān)測，從而保障車間安全質(zhì)量，進一步優(yōu)化車間安全工作狀況。

工業(yè)上最常用的溫度檢測元件就包括了溫度傳感器熱電偶。其優(yōu)點是：

①測量精度高。溫度傳感器熱電偶會直接接觸到被測對象，與中間介質(zhì)的相互關系不大。

②測量范圍廣。

③構造簡單，使用方便。

紅外傳感這一系統(tǒng)是利用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能可分為五大類，按探測方式可分成為熱探測器、光子監(jiān)測器。優(yōu)點主要是能夠裝置在多個地點進行搜據(jù)信息，對射管陣列的間隔和陣列數(shù)目可根據(jù)需求撥取。

于是我們就可以在車間利用到它：各種物質(zhì)分子內(nèi)部結構不盡相同使得它們對不同波長光線的吸收程度不同，即不同的物質(zhì)只能吸收不同波長的光線（朗伯—比爾吸收定律）[2]。

以對二氧化碳的分析來舉例，紅外光源會射出約1～20μm 的紅外光，通過相應的時間，經(jīng)過4.26μm 波長的窄帶式濾光片后，會由紅外傳感器監(jiān)測到透過4.26μm 波長紅外光的強度，從而表示處二氧化碳氣體的濃度。

溫度傳感器選用：TMP36TMP36 為TTL/CMOS的電平兼容。

①只要該溫度傳感器電源電壓所處幅度的邏輯電源電壓相等。內(nèi)部的-TMP36 在關斷引腳（SHUTDOWN），上拉電流源與-VIN 連接。這使得關斷引腳必須從開集驅(qū)動器驅(qū)動。

②在關閉的過程當中，將溫度傳感器的向外傳輸變?yōu)樵谙蛲廨敵龉苣_的電勢。

③由外部電路所決定的高阻抗狀態(tài)不需要提供任何外部校準，在±25℃范圍內(nèi)提供±1℃的典型精度，在-40℃至+125℃范圍內(nèi)提供±2℃的典型精度.TMP36 輸出阻抗低

④其精密校準簡化至溫度控制器電路和A/D轉(zhuǎn)換器，工作電壓在2.7 至5.5V 之間，工作電流低于50μA。它的自加熱非常低，小于0.1℃。

信號采集部分是傳感器作為車間易燃氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分之一，對系統(tǒng)的技術要求包括：①靈敏度；②穩(wěn)定性；③精度。

由于傳感器的產(chǎn)品種類在市面上較多，其性能、使用時長和價格等各不相同。加之所使用氣體檢測場所環(huán)境不同，最終導致了使用效果也有較大的差異。

通過溫度傳感器和紅外傳感器的作用做出整套儀器（見圖1），經(jīng)過多次試驗得到了數(shù)據(jù)見表1。

表1

由此可見：相比市面上普遍的報警系統(tǒng)，自制研發(fā)的系統(tǒng)有效降低了報警時間，在相同濃度下，氣體擴散不足20 s 即可被監(jiān)測到。

故而，可知自我研發(fā)的系統(tǒng)成功降低了車間危險事故的發(fā)生機率，有效的維護了企業(yè)和個人的安全。

5 應急預警系統(tǒng)

圖1

想要及時高效應對化工車間內(nèi)各種突發(fā)性易燃氣體泄露事故, 可采用物聯(lián)網(wǎng)技術構建化工車間環(huán)境應急預警系統(tǒng), 當車間具有可燃性或有毒性的氣體發(fā)生了意外泄露，氣體報警器檢測到的泄露氣體濃度達到報警器設置的需要報警值時氣體報警器就會發(fā)出聲、光等報警信號，并通過云平臺傳輸?shù)绞謾C上的APP，以提醒人員采取疏散、關停車間生產(chǎn)存儲設備等安全措施。且氣體報警器可與相關的設備所連接，如在車間在生產(chǎn)、儲運中意外發(fā)生泄露，可以連接到排風、電源、消防噴淋等安全系統(tǒng)，防止發(fā)生意外爆炸、火災、中毒等危險事故，從而保障了安全生產(chǎn)。

市面上存在的大多單片機的工作溫度范圍一般約為-40C°～85C°，抗干擾的能力極強，可靠性極高，所設計的產(chǎn)品便非常適合工作在化工生產(chǎn)車間當中。

運行過程：

①無線數(shù)傳模塊接收到數(shù)據(jù)后，將接收到的信息傳入單片機經(jīng)過電路，將數(shù)據(jù)傳入到串口通信的接口電路。

②上位機的APP 界面是監(jiān)測系統(tǒng)的操作平臺，包括到了實時氣體濃度的數(shù)值、數(shù)據(jù)的快速處理及回放記憶等功能，對氣體的濃度實行了實時的監(jiān)控和分析。

③通過物聯(lián)網(wǎng)處理使工作人員能夠通過該APP，方便且快速的對車間現(xiàn)場的環(huán)境中的易燃性、易爆性、有毒性氣體進行不斷的在線監(jiān)控。

6 FPGA數(shù)據(jù)搜集

數(shù)據(jù)搜集作為信息科學技術這一范圍中的重要技術，主要指被搜集車間位置的數(shù)據(jù)信息，并通過處理程序分析過濾數(shù)據(jù)問題和記憶存之前的數(shù)據(jù)。綜合的運用數(shù)據(jù)搜集技術、計算機技術、傳感器應用技術和信號網(wǎng)絡處理技術這幾大信息技術，創(chuàng)立實時自動數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有以下特點：提供了從系統(tǒng)設計到實現(xiàn)的快速且直接的方法，即實現(xiàn)了快速原型仿真法：在MATLAB 和Simulink 的基礎上，利用并改造了RTW，因此可以利用快速原型仿真法實現(xiàn)系統(tǒng)從設計到實現(xiàn)的高性能循環(huán)。

從而結合到我們的實踐系統(tǒng)，使溫度傳感器和紅外傳感器采集到的數(shù)據(jù)能夠及時反饋到云計算，通過計算從而做出判斷，如若檢測到問題及時反映做出相應的處理。

7 結論

通過現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，不管是車間還企業(yè)，都能夠利用全自動化模式，檢測產(chǎn)品制造的過程，監(jiān)控與管理生產(chǎn)所需設備與產(chǎn)品存儲，實時聚集所采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)，使工作人員能夠?qū)崟r了解到各個生產(chǎn)產(chǎn)品在不同時刻，不同地點的溫度、壓力等參數(shù)，而這些數(shù)據(jù)也將全部經(jīng)過所設計的程序進行高速計算，隨后反饋到車間的控制中心和APP，更方便了工作人員在必要時刻對生產(chǎn)設備環(huán)境做出改進，這就使得了車間或者企業(yè)落實精確監(jiān)測產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化生產(chǎn)流水線環(huán)境等雙重效益。