制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統設計與實現

王靈龍

(1.煤礦安全技術國家重點實驗室， 遼寧 撫順 113122；2.中國煤炭科工集團 沈陽研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122)

0 引言

膜分離制氮技術是將空氣中不同的氣體迅速分離開，將其他氣體排空形成高濃度氮氣，基于該原理可以實現滅火的效果[1-2]?；谀し蛛x制氮技術的應用，導致制氮裝置市場需求量越來越多，從而使得制氮裝置出廠檢驗至關重要。實現礦用制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統將解決制氮裝置出廠檢驗現場啟動設備和手動記錄檢驗數據等危險性大、效率低的問題[3]，是推動十四五規劃精益生產管理的重要環節。目前，升級后的制氮裝置是以 PLC 為核心實現對制氮裝置自動化控制和現場觸摸屏顯示[4]。升級后的制氮裝置為搭建出廠檢驗平臺搭建了傳輸接口。

物聯網技術是中國新興技術之一，物聯網在各行各業應用較廣，為集中控制室監控檢驗管理設備帶來新方向[5]。李延香等[6]針對集中控制室提出采用網頁監控形式實現對出廠檢驗設備遠程聯網監控和智能安防。為了提高對制氮裝置出廠檢驗性能分析及智能化水平，在制氮裝置遠程監控發展現狀的基礎上，王琛琛等[7]提出了一種無人值守遠程監控系統，主要針對多套制氮設備進行遠程監控。在梳理基于物聯網技術的實驗設備監控系統研究的基礎上，沈林濤等[8]提出了網關通過串口和實驗設備進行通信，獲取設備運行參數，實現手機移動端和實驗設備之間的實時監測和控制。在梳理基于物聯網的機械設備遠程監控系統設計研究的基礎上，任彬等[9]提出了通過物聯網模塊對各類機械設備進行遠程監控，在短時間內發現并解決各類機械設備故障問題?？紤]到煤礦智能化發展趨勢[10-11]，制氮裝置出廠檢驗平臺監控軟件工作界面要求簡潔易用且實現全要素可視化，具備設備遠程一鍵安全啟動、手機推送報警等智能化操作功能。

本系統提出基于物聯網模塊、LED顯示與制氮裝置試驗相結合的出廠檢驗平臺監控系統。運用網關設備搭建物聯網云平臺與PLC控制器的通信橋梁，通過Modbus通信協議進行監控，通過視頻監控保證制氮裝置出廠檢驗安全。

1 制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統總體方案設計

系統主要用于對礦用膜分離制氮裝置出廠檢驗，采集數據實時顯示，具有歷史曲線和數據報告。為了保證制氮裝置出廠檢驗高效性和方案合理性，本系統與串行通信技術、計算機技術、物聯網技術、PLC控制技術等多項技術相結合，設計一套制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統。

1.1 制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統網絡拓撲結構

出廠檢驗時，基于傳感器對制氮裝置運行時的各種技術參數進行實時采集，PLC控制器對采集數據信息進行處理，網關模塊通過串口/網口將PLC中的數據實時傳輸到物聯網云平臺上，上位機可通過訪問物聯網云平臺查看出廠檢驗制氮裝置的運行狀態和歷史報表，基于檢測數據報表可進行分析制氮裝置性能。如果檢測到制氮裝置出現故障，系統會發出燈光閃爍和警示聲音，并通過手機短信推送提示質檢員及時到達設備試驗現場查看情況。制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統網絡拓撲結構

1.2 制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統總體結構

系統總體結構可分為制氮裝置出廠檢驗區和集中控制室兩個區域，包含了用于集中控制室的制氮裝置出廠檢驗平臺和制氮裝置出廠檢驗監控系統。制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統結構示意圖如圖2所示。

圖2 制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統結構示意圖

制氮裝置出廠檢驗監控系統的控制單元以制氮機PLC控制器為核心，PLC控制器配接制氮裝置上關鍵節點傳感器和空壓機控制器，并通過串口與網關模塊相連，網關將制氮裝置出廠調試數據通過網口實時傳輸到物聯網云平臺上，攝像頭通過以太網交換機將現場制氮裝置試驗情況上傳到上位機。

用于集中控制室的制氮裝置出廠檢驗平臺主要由以太網交換機、上位機、打印機、視頻處理器和LED顯示屏等設備組成。物聯網云平臺通過網關模塊與制氮裝置實時通信，上位機通過訪問物聯網云平臺可實時獲取制氮機膜前溫度、膜后壓力、氮氣含量、氮氣流量及空壓機排氣壓力、排氣溫度、運行時間、加載時間、螺桿溫度等數據。

1.3 制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統主要功能

系統的主要功能是對制氮裝置出廠檢驗全過程進行狀態監測和控制，針對檢驗所形成的歷史數據進行備案。主要功能如下所示：

1) 模擬量采集。系統采集制氮裝置模擬量信號，輸出為4～20 mA的電流信號。PLC控制器將所有模擬量信號通過算法轉換成數字信息，通過顯示屏顯現實際值，上位機及終端設備通過物聯網云平臺實時查看這些數據并存儲數據，實現制氮裝置出廠檢驗智能化。

2) 開關量采集。開關量信號對應制氮裝置按鈕指示狀態，系統讀取制氮裝置開關量狀態。系統通過物聯網云平臺寫入開關量數值傳輸到制氮裝置PLC控制器中，從而實現制氮裝置出廠檢驗一鍵啟動。

3) 全自動控制。制氮裝置出廠調試時，系統經過授權后可通過上位機和終端設備啟動制氮裝置，制氮裝置進入全自動監控模式，通過上位機及LED顯示屏可實時監測制氮裝置出廠檢驗的全過程。

4) 報警推送。當發現溫度、壓力或流量超過了正常范圍時，系統會認為制氮裝置出現故障，此時系統發出警示燈閃爍報警并顯示對應的故障信息。系統會以短信報警、微信報警、APP報警推送，并可以查詢報警時間和記錄，報警權限可細化。

5) 實時顯示。制氮裝置出廠檢驗時，集中控制室上位機可實時顯示制氮裝置出廠檢驗性能參數，集中控制室外安裝LED顯示大屏，通過DVI信號線與上位機實時同步顯示供相關人員觀看。

6) 視頻監控。監控系統采用以太網攝像頭通過TCP/IP協議將制氮裝置現場試驗情況以視頻監控形式傳輸到物聯網云平臺上，集中控制室上位機監控系統實時查看制氮裝置試驗環境及試驗情況。

2 制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統硬件選型及設計

系統主要包含制氮裝置出廠檢驗區和集中控制室硬件設計。制氮裝置出廠檢驗區包含智能網關電控箱、以太網攝像頭和以太網交換機三個硬件設施，其中需要對網關控制箱產品進行設計。集中控制室主要包含上位機、視屏處理器、打印機和LED顯示屏四個硬件設施，其中需要對上位機、視頻處理器、LED顯示屏進行設計選型，構建制氮裝置出廠檢驗顯示平臺。

2.1 智能網關電控箱硬件選型設計

智能網關電控箱可以通過串口通信將制氮裝置PLC中的數據傳輸到物聯網云平臺上，是監控系統的重要核心設備。智能網關電控箱由Q235外殼、GM20-DTU網關模塊、直流穩壓電源模塊、墊木板等組成。網關模塊選用GM20-DTU網關模塊，輸入電源DC 9～30V，防過流及反接保護，功率2 W，外設接口支持RS232、RS485、WAN、LAN、電源接口、天線接口等，能夠支持標準工業 Modbus-RTU、Modbus-TCP通信協議。直流穩壓電源選用輸入交流電壓220 V，輸出直流電壓24 V，額定功率36 W。

2.2 顯示平臺硬件選型設計

集中控制室建立制氮裝置出廠檢驗平臺，物聯網云平臺通過上位機和終端設備遠程監控制氮裝置，監控系統由上位機或終端設備網址訪問物料網云平臺組態界面，通過視頻處理器將信號傳輸到LED顯示平臺上，形成的檢驗數據報表可打印。LED顯示屏選用P2.5型號，按照16∶9顯示畫面設計，與上位機顯示比例一致。

3 制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統軟件設計

3.1 監控系統軟件結構

網關是制氮裝置和上位機通信的中間產物。制氮裝置PLC控制器與網關模塊之間采用Modbus協議實時通信，上位機訪問物聯網云平臺查看監控系統。網關模塊上電后，網關自動進行初始化，通過APP將網關接入指定的WiFi熱點或4G流量卡實現聯網，建立HTTP客服端并訂閱主題，當收到主題消息后，開始修改設備運行狀態，網關模塊獲取到制氮裝置運行參數后向服務器不斷發送數據。網關軟件流程如圖3所示。

制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統軟件結構主要包含系統主界面、數據報表、報警畫面、視頻監控、用戶權限管理等功能模塊。系統主界面包含數據采集、遠程監控和歷史曲線等功能；數據報表包含數據查詢和數據導出等功能；報警畫面包含報警歷史和報警提示等功能；用戶權限管理包含系統登入和退出系統功能；視頻監控包含視頻畫面功能。監控系統軟件結構框圖如圖4所示。

圖3 網關軟件流程

圖4 監控系統軟件結構框圖

3.2 監控系統界面設計

制氮裝置出廠檢驗監控軟件圖形主界面是集中顯示制氮機和空壓機的運行參數，當數據異常時，主界面將進行推送報警提示并記錄報警信息。監控系統界面設計采用EMCP物聯網云平臺組態界面，監控界面主界面集成了動態的實時數據畫面和數據曲線、歷史記錄及報警記錄等功能。系統主界面設計內容如下：

1) 頂部標識區。制氮裝置一鍵啟動按鍵、數據報表按鍵、視頻監控按鍵、顯示系統名稱、當前時間和報警指示燈等。

2) 中部數顯區。制氮機包含膜前溫度、膜后壓力、氮氣含量、氮氣流量實時數據；空壓機包括排氣壓力、排氣溫度、螺桿溫度、加載時間等實時數據。模擬制氮裝置試驗運行情況。

3) 底部曲線區。對制氮裝置4個重要數據進行歷史曲線監測，用不同顏色區分數據曲線。紅色歷史曲線代表“膜前溫度”，綠色歷史曲線代表“氮氣含量”，黃色歷史曲線代表“氮氣壓力”，藍色歷史曲線代表“瞬時流量”。

4 制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統功能測試

系統平臺搭建后，進行出廠檢驗系統調試、測試，確保系統中各項功能符合相關設計要求。針對500 m3/h制氮裝置進行本系統出廠現場試驗，制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統的主界面如圖5所示。試驗結果表明：系統運行平穩，控制功能操作簡單、安全可靠，上位機采集數據與試驗區制氮裝置傳感器采集數據一致，實現了制氮裝置出廠檢驗電子備案，試驗數據無紙化存檔。

圖5 制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統主界面

制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統能夠通過對制氮裝置出廠性能檢驗數據進行存儲備案，歷史數據可以實時導出打印。操作人員可通過監控系統主界面中的控制界面遠程一鍵啟停制氮裝置，實現了對制氮裝置的試驗監測、管理控制平臺一體化。制氮裝置出廠檢驗部分數據報表如圖6所示。

圖6 制氮裝置出廠檢驗部分數據報表

5 結論

對膜分離制氮裝置出廠檢驗過程實現遠程監控和檢驗數據以報表的形式存檔，設計了一種以網關、以太網交換機、工控機和LED顯示看板為基礎的制氮裝置出廠檢驗平臺監控系統解決方案。實現膜分離制氮裝置出廠檢驗中的數據實時監控顯示，根據設備出廠編號，對每一臺設備數據進行采集、存儲，可實現檢驗記錄無紙化操作，根據需要可隨時根據設備出廠編號調取電子檢驗記錄進行報表打印。本文可以提高制氮裝置出廠檢驗自動化程度，實現對礦用制氮裝置及其運行環境實時全方位智能化監管，提高工作效率。因實現遠程操作，大幅減少了檢驗人員在現場操作的時間，降低噪聲對檢驗人員的傷害，實現數對檢驗數據的采集、存儲，檢驗記錄實現無紙化。與此同時，對出廠檢驗系統采集的數據進行深入分析，借助相關算法，為制氮裝置性能分析提供更可靠的依據。