CN105629848A - 一种抢险装备的监控方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抢险装备的监控方法及控制器，该方法通过采集抢险装备上各个位置的可燃气体浓度信息；根据各时刻可燃气体浓度信息判断当前可燃气体浓度的增速；由于气体浓度扩散较快具有一定的不确定性和突发因素，控制器对气体浓度增减的趋势进行判断，根据可燃气体浓度的增速判断抢险装备将处于危险状态的时间并提前做出动作；这种安全控制的方法解决了抢险装备在危险环境下的抢修安全作业问题，有力的保障了抢险的进行。该控制器结构简单、实现方便。

Description

一种抢险装备的监控方法及控制器

技术领域

本发明涉及工程机械领域，涉及一种抢险装备的监控方法及控制器。

背景技术

在出现可燃气体泄漏时，常见的方法是停止作业(如关闭可燃气体管道传输)，等待泄漏区域气体消散，该方法不仅效率不高，也会带来巨大的经济损失。而不停止作业时，可燃气体持续泄漏，不管是人和机器都无法靠近。抢险装备在危险环境(如可燃气体泄漏环境)运行时，国内尚无相关标准和运行的作业方法，防爆国家标准也将可燃气体泄漏环境排除在普通防爆标准以外。而现场环境气体浓度变化较快，传感器检测有滞后性，本发明针对该现象建立了相应的模型，提出了一种在危险环境下不停工的自适应抢险装备控制方法，采取了自动控制的方式，保证了装备一直在安全的环境下工作。

发明内容

本发明提供了一种抢险装备的监控方法及控制器，其目的在于，克服现有技术中抢险装备在工作过程中的存在的安全问题，实现危险环境下的安全操作。

一种抢险装备的监控方法，包括以下步骤：

步骤1：采集抢险装备所处的环境数据；

所述抢险装备所处的环境数据包括利用温度传感器采集抢险装备上的温度，分别利用风速传感器和风向标获取抢险装备所处环境的风速及和风向，利用可燃气体浓度传感器采集抢险装备上的可燃气体浓度；

步骤2：构建抢险装备所处环境的气体浓度变化模型；

所述气体浓度变化模型为：

$C(x,y,z,H)=\frac{Q_0}{2\mathrm{\π}\·{\mathrm{V\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z}\×\exp \[-\frac{y^2}{2{{\mathrm{\σ}}_y}^2}\]\×\{\exp \[-\frac{{(z-H)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_z}^2}\]+\exp \[-\frac{{(z+H)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_z}^2}\]\}$

其中，Q₀为泄漏源强，单位为kg/s；V为泄漏高度的平均速度，m/s；σ_y为侧风向扩散系数，σ_z为垂直风向扩散系数，单位均为m；H为有效源高，H＝Hs+△H；Hs为泄漏源高度，△H为抬升高度，单位均为m；

所述泄漏源强由以下公式计算获得， $Q_0=C_{d}pA\sqrt{\frac{2r}{r-1}\frac{M}{RT}\[{\left(\frac{P_0}{P}\right)}^{2/r}-{\left(\frac{P_0}{P}\right)}^{r/r+1}\]}{m}^2,$ 式中C_d为排放系数，取1.0；A为泄漏口面积，单位为m²；p为容器内气体压力单位为Pa，P₀为环境压力，单位为Pa，r为绝热指数，是等压比热容与等容比热容的比值；M为气体的分子量，单位为kg/mol；R为气体常数为8.314J/(molK)；T为容器内气体温度，单位为K；

所述风向扩散系数根据1961年的常规气象观测资料划分大气稳定度级别和估算扩散参数的方法得出；

首先从帕斯奎尔稳定度级别划分表中确定大气稳定度，应用观测到的风速、云量、云状和日照，将大气扩散稀释能力分为6个等级：A—极不稳定，B—不稳定，C—弱不稳定，D—中性，E—弱稳定，F—稳定；若稳定级别为A～B，则表示按A、B级的数据内插；

表1帕斯奎尔稳定度级别划分表

当确定稳定度级别后，扩散参数从中国油管环境评价标准采用的系数值—P-G扩散曲线幂函数数据中获取扩散系数；

步骤3：按照以下公式计算各位置可燃气体浓度的变化速度趋势v；

v＝dC/dt

步骤4：依据设定的可燃气体安全阈值，利用步骤3获得的v，判断当前抢险装备是否处于危险状态中，并发出对应的控制指令：

若v未超过设定的可燃气体浓度安全阀值，则发出控制指令，使得抢险装备工作在慢速模式，且加大排风系统功率，并释放惰性气体，稀释所在区域的可燃气体浓度；

若v大于或等于设定的可燃气体浓度安全阀值，则发出控制指令，立刻停机并加大排风系统功率和开启氮气阀释放惰性气体稀释所在区域可燃气体浓度，直到可燃气体浓度持续10秒以上低于设定的可燃气体浓度安全阀值后，重新启动抢险装备。

所述设定的可燃气体浓度安全阀值的取值范围为0-0.03585kg/m³。

所述惰性气体为氮气。

一种抢险装备控制器，包括第一获取模块、第二获取模块、第一计算模块、第二计算模块以及控制模块；

所述第一获取模块和第一计算模块相连，第二获取模块和第二计算模块相连，所述第一计算模块和第二计算模块均与所述控制模块相连；

所述第一获取模块，用于获取抢险装备所处环境的温度值；

所述第二获取模块，用于获取所述抢险装备所处环境的风向、风速及可燃气体浓度；

第一计算模块，采用上述的方法计算所述抢险装备所处环境的气体浓度变化模型；

控制模块，采用上述的方法依据所述可燃气体浓度及其趋势控制所述抢险装备。

通过风速、风向和温度等参数确定可燃气体浓度变化模型，并预测可燃气体浓度的变化，保证抢险装备一直在安全的环境中作业，保证了抢险装备的工作安全。

有益效果

本发明提供了一种抢险装备的监控方法及控制器，该方法通过采集抢险装备上各个位置的可燃气体浓度信息；根据各时刻可燃气体浓度信息判断当前可燃气体浓度的增速；由于气体浓度扩散较快具有一定的不确定性和突发因素，控制器对气体浓度增减的趋势进行判断，根据可燃气体浓度的增速判断抢险装备将处于危险状态的时间并提前做出动作；当控制器监测到机器状态危险时，若未超过安全阀值0.03585kg/m³，整车调至慢速模式、加大排风系统功率和释放惰性气体-氮气稀释所在区域气体浓度；当控制器监测到机器状态危险时，且超过安全阀值0.03585kg/m³或者根据可燃气体浓度的增速判断检测区域10秒内将超过安全阀值0.03585kg/m³，立刻停机并加大排风系统功率和释放惰性气体-氮气稀释所在区域气体浓度，等可燃气体浓度稳定且低于安全阀值方可重新启动。这种安全控制的方法解决了抢险装备在危险环境下的抢修安全作业问题，有力的保障了抢险的进行。采用该实施例的抢险装备控制方法，能够使抢险装备对突然出现的可燃气体浓度上升等突发情况及时反应，可以动态的确定可燃气体浓度变化模型并计算出装备所处环境的可燃气体浓度信息，能够使抢险装备对高危环境有更快的相应速度提高了其智能化和灵活性，在危险环境下施工时自动实现可燃气体浓度超标的自动停机和相关排风系统的启动，保证了抢险装备施工的安全性、稳定性和连续性。该控制器结构简单、实现方便，通过激光可燃气体传感器检测泄漏点各位置的可燃气体气体浓度并通过风速、风向、管道压强和温度等信息确定可燃气体浓度变化模型，能够更加实时精准的获得抢险装备所处环境的状态。

附图说明

图1为根据本发明所述方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的抢险装备控制方法的示意图；

图3是根据本发明实施例的抢险装备控制器的框图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，一种抢险装备的监控方法，包括以下步骤：

步骤1：采集抢险装备所处的环境数据；

所述抢险装备所处的环境数据包括利用温度传感器采集抢险装备上的温度，分别利用风速传感器和风向标获取抢险装备所处环境的风速及和风向，利用可燃气体浓度传感器采集抢险装备上的可燃气体浓度；

步骤2：构建抢险装备所处环境的气体浓度变化模型；

所述气体浓度变化模型为：

$C(x,y,z,H)=\frac{Q_0}{2\mathrm{\π}\·{\mathrm{V\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z}\×\exp \[-\frac{y^2}{2{{\mathrm{\σ}}_y}^2}\]\×\{\exp \[-\frac{{(z-H)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_z}^2}\]+\exp \[-\frac{{(z+H)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_z}^2}\]\}$

其中，Q₀为泄漏源强，单位为kg/s；V为泄漏高度的平均速度，m/s；，σ_y为侧风向扩散系数，σ_z为垂直风向扩散系数，单位均为m；H为有效源高，H＝Hs+△H；Hs为泄漏源高度，△H为抬升高度，单位均为m；

上述所述泄漏源强由以下公式 $Q=C_{d}pA\sqrt{\frac{2r}{r-1}\frac{M}{RT}\[{\left(\frac{P_0}{P}\right)}^{2/r}-{\left(\frac{P_0}{P}\right)}^{r/r+1}\]},$ 式中C_d为排放系数，通常取1.0；A为泄漏口面积,单位为m²，p为容器内气体压力单位为Pa，P₀为环境压力，单位为Pa，r为绝热指数，是等压比热容与等容比热容的比值；M为气体的分子量，单位为kg/mol；R为气体常数为8.314J/(molK)；T为容器内气体温度，单位为K。

上述所述风向扩散系数根据1961年总结的常规气象观测资料划分大气稳定度级别和估算扩散参数的方法得出σ_y＝γ₁x^a1、σ_z＝γ₂x^a2，在计算式，首先从帕斯奎尔稳定度级别划分表中确定大气稳定度，我国在标准GB/T13201-1991中规定，当确定稳定度级别后，当确定稳定度级别后，扩散参数从中国油管环境评价标准采用的系数值—P-G扩散曲线幂函数数据中获取扩散系数；步骤3：按照以下公式计算各位置可燃气体浓度的变化速度趋势v；

v＝dC/dt

步骤4：依据设定的可燃气体安全阈值，利用步骤3获得的v，判断当前抢险装备是否处于危险状态中，并发出对应的控制指令：

若v未超过设定的可燃气体浓度安全阀值，则发出控制指令，使得抢险装备工作在慢速模式，且加大排风系统功率，并释放惰性气体，稀释所在区域的可燃气体浓度；

若v大于或等于设定的可燃气体浓度安全阀值，则发出控制指令，立刻停机并加大排风系统功率和开启氮气阀释放惰性气体稀释所在区域可燃气体浓度，直到可燃气体浓度持续10秒以上低于设定的可燃气体浓度安全阀值后，重新启动抢险装备。

所述设定的可燃气体浓度安全阀值的取值范围为0-0.03585kg/m³。

所述惰性气体为氮气。

如图3所示，一种抢险装备控制器，包括第一获取模块、第二获取模块、第一计算模块、第二计算模块以及控制模块；

所述第一获取模块和第一计算模块相连，第二获取模块和第二计算模块相连，所述第一计算模块和第二计算模块均与所述控制模块相连；

所述第一获取模块，用于获取抢险装备所处环境的温度值；

所述第二获取模块，用于获取所述抢险装备所处环境的风向、风速及可燃气体浓度；

第一计算模块，采用上述的控制方法计算所述抢险装备所处环境的气体浓度变化模型；

控制模块，采用上述的控制方法所述可燃气体浓度及其趋势控制所述抢险装备。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现如下技术效果：能够动态地建立装备附近的可燃气体浓度变化模型，模拟并显示可燃气体浓度，通过可燃气体浓度信息和其变化趋势判断装备所处环境和危险程度，并相应的控制抢险装备的慢速模式、氮气阀、排风系统和紧急停机等状态，提高了抢险装备的灵活性和应急响应能力，保证了抢险装备施工的安全性、稳定性和连续性。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出逻辑顺序，但是在某型情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种抢险装备的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集抢险装备所处的环境数据；

所述抢险装备所处的环境数据包括利用温度传感器采集抢险装备上的温度，分别利用风速传感器和风向标获取抢险装备所处环境的风速及和风向，利用可燃气体浓度传感器采集抢险装备上的可燃气体浓度；

步骤2：构建抢险装备所处环境的气体浓度变化模型；

所述气体浓度变化模型为：

$C\left(x,y,z,H\right)=\frac{Q_0}{2\mathrm{\π}\·{\mathrm{V\σ}}_y{\mathrm{\σ}}_z}\×\exp \[-\frac{y^2}{2{{\mathrm{\σ}}_y}^2}\]\×\left\{\exp \[-\frac{{\left(z-H\right)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_z}^2}\]+\exp \[-\frac{{\left(z+H\right)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_z}^2}\]\right\}$

其中，Q₀为泄漏源强，单位为kg/s；V为泄漏高度的平均速度，m/s；σ_y为侧风向扩散系数，σ_z为垂直风向扩散系数，单位均为m；H为有效源高，H＝Hs+△H；Hs为泄漏源高度，△H为抬升高度，单位均为m；

所述泄漏源强由以下公式计算获得， $Q_0=C_{d}pA\sqrt{\frac{2r}{r-1}\frac{M}{RT}\[{\left(\frac{P_0}{P}\right)}^{2/r}-{\left(\frac{P_0}{P}\right)}^{r/r+1}\]}{m}^2,$ 式中C_d为排放系数，取1.0；A为泄漏口面积，单位为m²；p为容器内气体压力单位为Pa，P₀为环境压力，单位为Pa，r为绝热指数，是等压比热容与等容比热容的比值；M为气体的分子量，单位为kg/mol；R为气体常数为8.314J/(molK)；T为容器内气体温度，单位为K；

所述侧向风向扩散系数和垂直风向扩散系数根据1961年常规气象观测资料划分大气稳定度级别和估算扩散参数的方法得出；步骤3：按照以下公式计算各位置可燃气体浓度的变化速度趋势v；

v＝dC/dt

步骤4：依据设定的可燃气体安全阈值，利用步骤3获得的v，判断当前抢险装备是否处于危险状态中，并发出对应的控制指令：

若v未超过设定的可燃气体浓度安全阀值，则发出控制指令，使得抢险装备工作在慢速模式，且加大排风系统功率，并释放惰性气体，稀释所在区域的可燃气体浓度；

若v大于或等于设定的可燃气体浓度安全阀值，则发出控制指令，立刻停机并加大排风系统功率和开启氮气阀释放惰性气体稀释所在区域可燃气体浓度，直到可燃气体浓度持续10秒以上低于设定的可燃气体浓度安全阀值后，重新启动抢险装备。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定的可燃气体浓度安全阀值的取值范围为0-0.03585kg/m³。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气。

4.一种抢险装备控制器，其特征在于，包括第一获取模块、第二获取模块、第一计算模块、第二计算模块以及控制模块；

所述第一获取模块和第一计算模块相连，第二获取模块和第二计算模块相连，所述第一计算模块和第二计算模块均与所述控制模块相连；

所述第一获取模块，用于获取抢险装备所处环境的温度值；

所述第二获取模块，用于获取所述抢险装备所处环境的风向、风速及可燃气体浓度；

第一计算模块，采用权利要求1-3任一项所述的方法计算所述抢险装备所处环境的气体浓度变化模型；

控制模块，采用权利要求1-3任一项所述的方法依据所述可燃气体浓度及其趋势控制所述抢险装备。