CN109240230A - 一种网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，包括监控中心、于生产区呈网格化分布且分别与监控中心建立通信连接的多个监控处理单元，其技术要点是：所述监控处理单元包括数据通信模块、与数据通信模块采用有线通信方式连接的空气质量监测终端、智能预警模块、通风抑尘模块和设备异常监控模块。其具有高可靠性和高易用性，从根本上解决现有工业粉尘监控系统存在的对粉尘监测终端和数据传输模块监控不利的问题，使人员手工作业内容仅局限于设备维护和故障处理，最大化地降低人为疲劳等不确定性因素对监测数据的影响，真正实现生产车间空气质量“监测‑处理”的闭环一体化构架，同时，基于工程易用性的原则考虑，独立于生产控制系统。
Description
技术领域
本发明涉及工业环境空气质量监控技术，具体为一种网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统。
背景技术
目前，大量工业企业的生产原料或产品均涉及生产过程中的粉尘防爆问题，如汽车轮毂等金属制品生产过程中的铝粉和镁粉原料、塑料制品生产过程中的塑料粉原料、乳制品的奶粉生产以及粮食产品的面粉生产等。这类企业的生产车间对于空气中的颗粒物浓度控制非常严格，其中的一个重要原因即为防止粉尘爆炸，是保证安全生产的最重要基础条件之一。
根据国家爆炸性粉尘物性标准，主要包括堆积粉尘引燃温度、粉尘云引燃温度、粉尘爆炸下限浓度、粉尘平均粒径和危险性质等5项指标。涉及粉尘原料或产品的工业企业生产车间一旦发生粉尘爆炸，其后果是不堪设想的。2010年，秦皇岛市的某淀粉生产车间发生粉尘爆炸事故，不仅造成了巨大经济损失，更导致了近20人死亡的重大人员伤亡。防止粉尘爆炸的有效手段是根据国家爆炸性粉尘物性标准，实时监测生产车间不同粒径的粉尘浓度以及温度和相对湿度，通过对比分析，进行粉尘爆炸的提前预警，与生产车间的空气净化和通风装置形成良好的“监测-处理”闭环，在粉尘爆炸危险性较高的情况下，通过通风抑尘，进行有效的应急处理。
现有的关于工业粉尘的监控系统主要由粉尘监测终端、数据传输模块、监控中心、报警模块和通风抑尘模块组成，当粉尘监测终端传送给监控中心的数据高于设定值时，监控中心输出指令给报警模块实现声光报警，同时启动通风抑尘模块降尘，直至粉尘浓度等数据低于设定值。以下专利或专利申请文件均属于这种情况：CN205280542U公开的“一种工业粉尘监控系统”、 CN203412615U公开的“一种煤矿回风巷粉尘监控及其除尘装置”、CN202900326U公开的“煤矿粉尘监控系统”、 CN206223610U公开的“作业场所粉尘监控系统”、 CN107272527A公开的“粉尘监控系统”，但根据涉爆炸性粉尘生产车间近年来的事故成因来看，现有工业粉尘监控系统包括上述专利或专利申请文件所述的技术方案均存在如下问题：生产车间空气质量的“监测-处理”仍存在薄弱环节和较大的安全隐患，原因在于，当系统中粉尘监测终端、数据传输模块出现故障，传送的监测数据不准确时，监控中心不能及时发现，而依靠人工定期定时排查不仅工作量大，也会增加人为疲劳等不确定因素。而即使粉尘监测终端采用多点分布形式，也不能彻底解决上述问题，反而增加了设备使用成本和维护成本。基于此，现有的工业粉尘监控系统和方法仍需改进。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种具有高可靠性和高易用性的网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，从根本上解决现有工业粉尘监控系统存在的对粉尘监测终端和数据传输模块监控不利的问题，使人员手工作业内容仅局限于设备维护和故障处理，最大化地降低人为疲劳等不确定性因素对监测数据的影响，真正实现生产车间空气质量“监测-处理”的闭环一体化构架，同时，基于工程易用性的原则考虑，独立于生产控制系统。
本发明的技术方案是：
一种网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，包括监控中心、于生产区呈网格化分布且分别与监控中心建立通信连接的多个监控处理单元，其技术要点是：所述监控处理单元包括数据通信模块、与数据通信模块采用有线通信方式连接的空气质量监测终端、智能预警模块、通风抑尘模块和设备异常监控模块；
每个监控处理单元所在网格布置两台空气质量监测终端，根据爆炸性粉尘的物性特征要素，同步、实时、不间断监测所在位置的粉尘监测要素、环境温度和氧气浓度，且同一单元的两台空气质量监测终端的监测结果互为对照值，用于判断是否发生设备故障，并上传异常信息至监控中心；
所述智能预警模块根据接收到的所在网格的粉尘监测要素、环境温度和氧气浓度，对比爆炸性粉尘的物性特征要素，自动分析可能导致爆炸的危险程度，并同步上传预警信息至同一单元的通风抑尘模块和监控中心，危险程度达到报警级别时，进行声光报警；
每个监控处理单元的通风抑尘模块由控制器和多组空气净化装置组成，与同一单元的智能预警模块匹配部署，根据预警信息对空气净化装置按组进行自动启停控制和功率控制；
所述设备异常监控模块用于接收同一单元的两台空气质量监测终端的监测结果后进行一致性对比，如果该单元的两台空气质量监测终端的监测结果的差距超过设定值，则识别该单元的空气质量监测终端存在异常并上传异常信息至监控中心；用于通过端口监听和问答响应机制，判别数据通信模块是否存在工作异常，当出现设备异常时自动声光报警并上传异常信息至监控中心；
所述监控中心用于汇集各个监控处理单元的监控数据，进行可视化显示，且拥有通风抑尘模块人工方式控制的最高优先级权限。
上述的网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，所述空气质量监测终端分别采用数字式传感器监测粉尘监测要素、环境温度和氧气浓度，分别通过I2C通讯协议将监测数据汇聚至核心处理器，由核心处理器按照约定的数据协议进行数据打包转发至串口I/O端，以避免生产车间的电磁环境差异性对模拟量输出类传感器的精度扰动。
上述的网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，所述数据通信模块采用有线通信方式，通过ModBus协议、串口/COM服务器和节点交换机，构建各模块间和监控中心的通信链路，以避免生产车间电磁扰动对无线通信可能产生的扰动，其中，串口/COM服务器主要用来解决大型生产车间的通信距离较大的问题。
上述的网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，所述智能预警模块包括监测要素实时防爆预警单元和监测要素变化趋势防爆预警单元；所述监测要素实时防爆预警单元，根据实时监测值，对比国家环境空气质量标准和爆炸性粉尘物性表，按监测要素类型进行分级和预警，通过LED警示指示灯和声音报警器进行防爆预警，并发送预警信息至通风抑尘模块和监控中心；所述监测要素变化趋势预警单元，采用箱线图法计算固定监测时长内的各个监测要素最大值、最小值、中位数、上四分位数、下四分位数和异常值共六种分析值，并据此描述监测要素的时序变化趋势和时序波动情况，出现时序变化呈上升趋势或时序波动较为剧烈的情况时，通过LED警示指示灯和声音报警器进行防爆预警，发送预警信息至通风抑尘模块和监控中心；所述监测要素实时防爆预警单元和监测要素变化趋势防爆预警单元分别与所在网格的通风抑尘模块连接，形成通风抑尘的直接闭环控制反馈。
上述的网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，所述设备异常监控模块，通过硬件看门口电路自动重启，对数据通信模块进行异常处理，如无法处理异常则通过LED告警指示灯闪烁和声音报警器进行设备异常警示，并保存异常信息。
上述的网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，所述监控中心汇集监控数据后，在显示器上显示各监控处理单元的空气质量实时监测数据的地图与分析图表、各监控处理单元的预警信息的地图与分析图表、各监控处理单元的设备异常监控信息的告警滚动日志与地图、各监控处理单元设备的维护和管理情况。
本发明的有益效果是：
1、由于增设了设备异常监控模块，在设备运行过程中对空气质量监测终端、数据通信模块进行实时的状态监测，从根本上解决现有工业粉尘监控系统存在的对粉尘监测终端和数据传输模块监控不利的问题，使人员手工作业内容仅局限于设备维护和故障处理，最大化地降低人为疲劳等不确定性因素对监测数据的影响，避免了因为设备故障发现不及时造成监测数据不准确，从而避免了由此引发的安全事故，真正实现生产车间空气质量“监测-处理”的闭环一体化构架，显著提高了系统的可靠性和安全性。
2、本系统与生产控制系统无关联，则工程易用性增强。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，该网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，包括监控中心、于生产区呈网格化分布且分别与监控中心建立通信连接的n个监控处理单元。其中，所述监控处理单元包括数据通信模块、与数据通信模块采用有线通信方式连接的空气质量监测终端、智能预警模块、通风抑尘模块和设备异常监控模块。
每个监控处理单元所在网格布置两台空气质量监测终端，根据爆炸性粉尘的物性特征要素，同步、实时、不间断监测所在位置的粉尘监测要素、环境温度和氧气浓度，且同一单元的两台空气质量监测终端的监测结果互为对照值，用于判断是否发生设备故障，并上传异常信息至监控中心。为避免生产车间的电磁环境差异性对模拟量输出类传感器的精度扰动，所述空气质量监测终端分别采用数字式传感器监测粉尘监测要素、环境温度和氧气浓度，分别通过I2C通讯协议将监测数据汇聚至核心处理器，由核心处理器按照约定的数据协议进行数据打包转发至串口I/O端，具体实施方式包括ModBus-RTU模式的数据校验和功能码。本实施例中，空气质量监测终端采用颗粒物浓度、环境温度和氧气浓度共3类监测要素的传感器，采用双机成套配置方式，保证空气质量监控的稳定性和可靠性。对于悬浮类颗粒物PM1.0、PM2.5和PM10，选用基于光散射原理类的传感器；温度传感器采用铂热电阻类探头，其测温范围可达-200℃—650℃；氧气浓度采用低漂移的电化学类传感器。
所述智能预警模块根据接收到的所在网格的粉尘监测要素、环境温度和氧气浓度，对比爆炸性粉尘的物性特征要素，自动分析可能导致爆炸的危险程度，并同步上传预警信息至同一单元的通风抑尘模块和监控中心，危险程度达到报警级别时，进行声光报警。本实施例中，所述智能预警模块包括监测要素实时防爆预警单元和监测要素变化趋势防爆预警单元；所述监测要素实时防爆预警单元，根据实时监测值，对比国家环境空气质量标准和爆炸性粉尘物性表，按监测要素类型进行分级和预警，通过LED警示指示灯和声音报警器进行防爆预警，并发送预警信息至通风抑尘模块和监控中心；所述监测要素变化趋势预警单元，采用箱线图法计算固定监测时长内的各个监测要素最大值、最小值、中位数、上四分位数、下四分位数和异常值共六种分析值，并据此描述监测要素的时序变化趋势和时序波动情况，出现时序变化呈上升趋势或时序波动较为剧烈的情况时，通过LED警示指示灯和声音报警器进行防爆预警，发送预警信息至通风抑尘模块和监控中心；所述监测要素实时防爆预警单元和监测要素变化趋势防爆预警单元分别与所在网格的通风抑尘模块连接，形成通风抑尘的直接闭环控制反馈，具体实施方式包括PI控制等。
每个监控处理单元的通风抑尘模块由控制器和多组空气净化装置组成，与同一单元的智能预警模块匹配部署，根据预警信息对空气净化装置按组进行自动启停控制和功率控制。
所述设备异常监控模块用于接收同一单元的两台空气质量监测终端的监测结果后进行一致性对比，如果该单元的两台空气质量监测终端的监测结果的差距超过设定值，则识别该单元的空气质量监测终端存在异常并上传异常信息至监控中心；用于通过端口监听和问答响应机制，判别数据通信模块是否存在工作异常，当出现设备异常时自动声光报警并上传异常信息至监控中心。本实施例中，采用问答的握手协议。且所述设备异常监控模块，通过硬件看门口电路自动重启，对数据通信模块进行异常处理，如无法处理异常则通过LED告警指示灯闪烁和声音报警器进行设备异常警示，并保存异常信息。
所述数据通信模块采用有线通信方式，通过ModBus协议、串口/COM服务器和节点交换机，构建各模块间和监控中心的通信链路，以避免生产车间电磁扰动对无线通信可能产生的扰动，其中，串口/COM服务器主要用来解决大型生产车间的通信距离较大的问题。ModBus协议包括：ModBus-RTU和ModBus-ASCII等。
所述监控中心用于汇集各个监控处理单元的监控数据，进行可视化显示，且拥有通风抑尘模块人工方式控制的最高优先级权限。当所述监控中心汇集监控数据后，在显示器上显示各监控处理单元的空气质量实时监测数据的地图与分析图表、各监控处理单元的预警信息的地图与分析图表、各监控处理单元的设备异常监控信息的告警滚动日志与地图、各监控处理单元设备的维护和管理情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，包括监控中心、于生产区呈网格化分布且分别与监控中心建立通信连接的多个监控处理单元，其特征在于：所述监控处理单元包括数据通信模块、与数据通信模块采用有线通信方式连接的空气质量监测终端、智能预警模块、通风抑尘模块和设备异常监控模块；
每个监控处理单元所在网格布置两台空气质量监测终端，根据爆炸性粉尘的物性特征要素，同步、实时、不间断监测所在位置的粉尘监测要素、环境温度和氧气浓度，且同一单元的两台空气质量监测终端的监测结果互为对照值，用于判断是否发生设备故障，并上传异常信息至监控中心；
所述智能预警模块根据接收到的所在网格的粉尘监测要素、环境温度和氧气浓度，对比爆炸性粉尘的物性特征要素，自动分析可能导致爆炸的危险程度，并同步上传预警信息至同一单元的通风抑尘模块和监控中心，危险程度达到报警级别时，进行声光报警；
每个监控处理单元的通风抑尘模块由控制器和多组空气净化装置组成，与同一单元的智能预警模块匹配部署，根据预警信息对空气净化装置按组进行自动启停控制和功率控制；
所述设备异常监控模块用于接收同一单元的两台空气质量监测终端的监测结果后进行一致性对比，如果该单元的两台空气质量监测终端的监测结果的差距超过设定值，则识别该单元的空气质量监测终端存在异常并上传异常信息至监控中心；用于通过端口监听和问答响应机制，判别数据通信模块是否存在工作异常，当出现设备异常时自动声光报警并上传异常信息至监控中心；
所述监控中心用于汇集各个监控处理单元的监控数据，进行可视化显示，且拥有通风抑尘模块人工方式控制的最高优先级权限。
2.根据权利要求1所述的网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，其特征在于：所述空气质量监测终端分别采用数字式传感器监测粉尘监测要素、环境温度和氧气浓度，分别通过I2C通讯协议将监测数据汇聚至核心处理器，由核心处理器按照约定的数据协议进行数据打包转发至串口I/O端。
3.根据权利要求1所述的网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，其特征在于：所述数据通信模块采用有线通信方式，通过ModBus协议、串口/COM服务器和节点交换机，构建各模块间和监控中心的通信链路。
4.根据权利要求1所述的网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，其特征在于：所述智能预警模块包括监测要素实时防爆预警单元和监测要素变化趋势防爆预警单元；所述监测要素实时防爆预警单元，根据实时监测值，对比国家环境空气质量标准和爆炸性粉尘物性表，按监测要素类型进行分级和预警，通过LED警示指示灯和声音报警器进行防爆预警，并发送预警信息至通风抑尘模块和监控中心；所述监测要素变化趋势预警单元，采用箱线图法计算固定监测时长内的各个监测要素最大值、最小值、中位数、上四分位数、下四分位数和异常值共六种分析值，并据此描述监测要素的时序变化趋势和时序波动情况，出现时序变化呈上升趋势或时序波动较为剧烈的情况时，通过LED警示指示灯和声音报警器进行防爆预警，发送预警信息至通风抑尘模块和监控中心；所述监测要素实时防爆预警单元和监测要素变化趋势防爆预警单元分别与所在网格的通风抑尘模块连接，形成通风抑尘的直接闭环控制反馈。
5.根据权利要求1所述的网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，其特征在于：所述设备异常监控模块，通过硬件看门口电路自动重启，对数据通信模块进行异常处理，如无法处理异常则通过LED告警指示灯闪烁和声音报警器进行设备异常警示，并保存异常信息。
6.根据权利要求1所述的网格化分布式的工业粉尘实时监控处理系统，其特征在于：所述监控中心汇集监控数据后，在显示器上显示各监控处理单元的空气质量实时监测数据的地图与分析图表、各监控处理单元的预警信息的地图与分析图表、各监控处理单元的设备异常监控信息的告警滚动日志与地图、各监控处理单元设备的维护和管理情况。
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