工業(yè)危害氣體泄漏安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探微

趙陽

摘 要：本文提出的工業(yè)維護(hù)氣體泄漏安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工人所處位置、活動(dòng)情況、周圍環(huán)境危害氣體濃度等信息匯集到數(shù)據(jù)服務(wù)器，監(jiān)護(hù)人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)工人所處環(huán)境的危害情況，根據(jù)危害程度不同給出預(yù)警，保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工人人身安全。

關(guān)鍵詞：危害氣體；泄漏；安全；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）可以檢測(cè)多種有毒有害氣體，例如H2S、CO、SO2、CH4、NOX等；2）采取GPS與RFID相結(jié)合的定位方式，定位精確；3）攜帶者安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)；4）支持短消息功能，方便現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全監(jiān)護(hù)預(yù)警；5）便攜式氣體檢測(cè)儀器符合安全防爆要求，可用于防爆1區(qū)；6）基于GPRS組網(wǎng)，擴(kuò)展性好，易于部署，適合于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

二、個(gè)體安全檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)

（一）硬件設(shè)計(jì)

為了達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求，個(gè)體安全檢測(cè)儀器采用工業(yè)級(jí)微處理器STM32F103為核心，外接各功能模塊實(shí)現(xiàn)所有功能要求。危害氣體傳感器經(jīng)過調(diào)理電路處理后輸出模擬信號(hào)給微處理器，實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測(cè)功能；精確定位采用GPS和RFID相結(jié)合的方式，石化生產(chǎn)裝置空曠區(qū)域采取GPS定位方式，生產(chǎn)裝置平臺(tái)或受限空間等區(qū)域（無GPS信號(hào)）采用RFID射頻卡定位方式，這兩個(gè)模塊通過兩個(gè)串口連接到微處理器；人體狀態(tài)通過三軸加速度傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)，結(jié)合濃度和區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)信息綜合判斷現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員是否發(fā)生危害情況；GPRS模塊通過串口連接到微處理器，周期上傳檢測(cè)數(shù)據(jù)到服務(wù)器。為了達(dá)到儀器攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，采取硬件分塊布局方式，儀器包括3塊電路組成：人機(jī)接口電路、氣體檢測(cè)電路和主板電路。

（二）軟件設(shè)計(jì)

個(gè)體安全檢測(cè)儀器要求及時(shí)檢測(cè)環(huán)境危害氣體濃度、攜帶者活動(dòng)狀態(tài)等，通過GPRS及時(shí)上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，同時(shí)，集成了菜單操作、各種報(bào)警、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，集成功能多，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，合理的軟件結(jié)構(gòu)是儀器穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。μC/OS-II作為一種源代碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，使用可剝奪型的內(nèi)核，所有時(shí)間要求苛刻的事件都能得到快捷、有效處理。

首先，完成μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核在STM32F103硬件平臺(tái)上的移植，相關(guān)代碼包含在文件OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.S中，重新定義與STM32F103相關(guān)的數(shù)據(jù)類型、宏、結(jié)構(gòu)體、任務(wù)堆棧初始化和上下午切換函數(shù)；之后，完成儀器各功能模塊驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，包括I/O口設(shè)置、電源管理、定時(shí)器設(shè)置、A/D轉(zhuǎn)換、危害氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)處理、跌倒檢測(cè)模塊、GPS定位、液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無線傳輸?shù)?；最后，完成了?yīng)用層程序開發(fā)，相關(guān)代碼包含在MEN-U.C、TASK_INIT.C和TASK_GUI.C三個(gè)文件中，將儀器各項(xiàng)功能分配在多個(gè)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)，并且通過OS_CFG.H、HW_CFG.H和APP_CFH.H配置操作系統(tǒng)資源、硬件資源、任務(wù)內(nèi)存和堆棧大小，保證系統(tǒng)儀器各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)和軟件穩(wěn)定運(yùn)行。

（三）防爆設(shè)計(jì)

個(gè)體安全檢測(cè)儀器防爆設(shè)計(jì)時(shí)需要處理好以下幾點(diǎn)：1）危害氣體傳感器防爆；2）電池防爆；3）電路板防爆；4）便攜式儀器結(jié)構(gòu)外殼。針對(duì)這些防爆關(guān)鍵點(diǎn)，分別采取了以下措施：1）選用國際大品牌氣體傳感器產(chǎn)品，本身已經(jīng)達(dá)到了本質(zhì)安全/隔爆要求；2）為了保證儀器足夠的續(xù)航時(shí)間，選用了大容量聚合物鋰電池，在防爆設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)了電池保護(hù)電路，并且與電池一起單獨(dú)封裝；3）其他電路設(shè)計(jì)時(shí)，避免采用大容量?jī)?chǔ)能元器件，例如大容量電容、電感等，電源充放電管理電路設(shè)計(jì)了阻塞電路，避免了短路、大電流等情況引起的防爆安全隱患；4）在儀器外殼設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡和GPRS通信卡完全密封在儀器外殼內(nèi)部，通過一體化設(shè)計(jì)方式，僅留有危害氣體傳感器與大氣聯(lián)通窗口，不僅達(dá)到了防爆要求，而且符合相應(yīng)的防護(hù)等級(jí)要求。通過以上防爆設(shè)計(jì)，整個(gè)儀器符合本質(zhì)安全隔爆要求，達(dá)到了防爆1區(qū)使用的要求。

三、安全監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)

（一）技術(shù)架構(gòu)

安全監(jiān)護(hù)管理軟件用于保存?zhèn)€體安全檢測(cè)儀器上傳的數(shù)據(jù)，同時(shí)，給安全監(jiān)護(hù)人員提供監(jiān)護(hù)界面，監(jiān)護(hù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員位置、狀態(tài)、周圍環(huán)境危害氣體濃度等。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)完成，B/S結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)不同的人員，從不同的地點(diǎn)，以不同的接入方式訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫，能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)平臺(tái)和管理訪問權(quán)限，保障數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的安全，特別是在JAVA這樣的跨平臺(tái)語言出現(xiàn)之后，B/S架構(gòu)管理軟件更是方便、快捷、高效?；贘2E架構(gòu)，采用MVC設(shè)計(jì)模式，應(yīng)用業(yè)界最佳實(shí)踐的面向服務(wù)架構(gòu)（SOA），最大程度保證整個(gè)系統(tǒng)的兼容性和開放性。

（二）監(jiān)護(hù)管理功能

安全監(jiān)護(hù)管理軟件主要功能有危害氣體種類維護(hù)、安全監(jiān)護(hù)儀器維護(hù)、射頻卡信息維護(hù)、廠區(qū)信息維護(hù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)展示、ArcGis圖形展示；報(bào)警信息實(shí)時(shí)推送、短消息推送等。危害氣體種類維護(hù)，包括物理特性、應(yīng)急措施、報(bào)警設(shè)置等子項(xiàng)；安全監(jiān)護(hù)儀器維護(hù)，包括儀器基本信息、攜帶人員、所處工作區(qū)域等子項(xiàng)；射頻卡信息維護(hù)，包括卡片編號(hào)、放置位置子項(xiàng)；檢測(cè)數(shù)據(jù)展示，可查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、廠區(qū)數(shù)據(jù)；ArcGis圖形展示，基于ArcGis地圖或者廠區(qū)平面圖實(shí)時(shí)跟蹤攜帶者位置，實(shí)時(shí)掌握區(qū)域內(nèi)攜帶者狀態(tài)、環(huán)境危害氣體濃度分布。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（一）儀器功能測(cè)試

測(cè)試選用了一臺(tái)檢測(cè)H2S和CH4兩種危害氣體濃度的儀器，在實(shí)驗(yàn)室開展了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。主要測(cè)試H2S濃度檢測(cè)、CH4濃度檢測(cè)、RFID讀卡、人機(jī)操作等功能。

（二）安全監(jiān)護(hù)功能測(cè)試

測(cè)試選用了4臺(tái)能同時(shí)檢測(cè)H2S和CH4兩種危害氣體濃度的儀器，在某煉油廠生產(chǎn)裝置現(xiàn)場(chǎng)開展測(cè)試，由工人攜帶這些儀器開展現(xiàn)場(chǎng)工作作業(yè)，通過監(jiān)測(cè)管理軟件監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全，測(cè)試無線數(shù)據(jù)傳輸、GPS定位、攜帶者跌倒檢測(cè)、報(bào)警、短消息提示等功能。

五、結(jié)論

針對(duì)石化工業(yè)生產(chǎn)過程中危害氣體泄漏，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全監(jiān)護(hù)問題，提出了一種基于STM32F103和GPRS網(wǎng)絡(luò)的氣體泄漏安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、個(gè)體安全檢測(cè)儀器軟硬件設(shè)計(jì)、安全監(jiān)護(hù)管理軟件設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行了儀器功能測(cè)試和安全監(jiān)護(hù)功能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)危害氣體濃度檢測(cè)精度高、定位精確、無線傳輸范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定，可應(yīng)用于石化氣體個(gè)體安全防護(hù)、事故應(yīng)急處置、危險(xiǎn)場(chǎng)所作業(yè)安全監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

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