危化品监测装置及方法与流程

本发明涉及危化品，特别涉及危化品监测装置及方法。

背景技术：

危险化学品重大危险源(以下简称“重大危险源”)是指长期地或临时地生产、加工、搬用、使用或储存危险物质，且危险物质的数量等于或超过临界值的生产装置、设施或场所。重大危险源中的危险物质一般是一种或若干种物质的混合物，它的化学、物理或毒性特性，使其具有容易导致火灾、爆炸或中毒的危险。

近年来，由重大危险源引发的特重大事故时有发生，如“天津港8.12瑞海公司危化品仓库特重大火灾事故”、江苏昆山8.2中荣金属制品有限公司粉尘爆炸“等等。这些事故都造成了重大的人员伤亡和巨大的财产损失，事故并震惊了全国。与此同时，全国各地尤其是工业发达地区的各类III、IV级的重大危险源事故每年都层出不穷。

减少重大危险源引发的安全事故，最根本的解决办法是通过科技的力量。在重大危险源安装监测预警系统，对重大危险源进行实时监控、动态监管，对可能造成事故的风险进行预测预警，并即时向安全管理部门发出警报，同时联动相关的报警联动装置，就能有效避免事故的发生。

现有的国内部分地区已经陆续安装了一些重大危险源监测系统。这些监控系统有两种技术路线

一.基于“网络数据库接口技术”的监测装置

重大危险源生产企业一般都有DCS(离散控制系统)和用于管理生产数据的实时数据库。此类装置一般由远程服务器和监测预警软件组成，远程服务器基于ODBC等网络数据接口技术通过网络直接从企业生产数据库中获取重大危险源监测数据，监测预警软件基于这些数据进行监测预警。此方法有以下缺点

1.不能确保企业的信息安全

企业生产数据库涉及企业的商业机密和核心技术。外部的远程服务器通过网络访问企业的生产数据库，可能导致商业机密泄漏和网络攻击，从而降低了了企业的信息安全水平。

2.无法联动现场的安全装置

在重大危险源现场一般都有警报器、监控摄像机以及自动灭火系统等等安全装置。此类监测预警装置无法通过网络对现场的安全装置进行联动控制。

二.基于“现场实时数据采集”技术的监测预警装置

此类监测预警装置由现场数据采集装置、远程服务器和监测预警平台软件构成。数据采集装置从二次仪表中采集重大危险源的液位、压力、危险气体浓度等数据，并通过有线或无线网络将数据传输安监管理部门的远程服务器上，由服务器上运行的软件进行监测预警计算。此方法虽然解决了“技术路线一”的部分问题，但仍存在以下缺点：

1.影响了企业工控仪表的使用安全

从现场的二次仪表采集数据虽然实时性好，然而采集系统与二次仪表在电气上不隔离，采集系统的电气故障和电磁干扰容易导致二次仪表的失效，给企业带来经济损失。

2.预测预警的实时性差

现场的数据采集装置不能根据历史数据和实时数据对未来趋势和潜在风险进行动态评估，因此不具备本地化的预测预警功能。所有的预测预警都要由远程服务器上运行的软件完成，如果在事故即将发生时，发生网络堵塞等情况，装置将不能及时联动现场安全装置进行处置。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种安全、及时、可靠的危化品监测装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种危化品监测装置，所述危化品监测装置包括：

传感器，所述传感器输出的涉及所述危化品的信号传送到接口单元；

接口单元，所述接口单元将接收到的信号分出两路相互隔离、相同的信号；其中一路信号送下游应用，另一路送数据采集单元；

数据采集单元，所述数据采集单元采集传感器的信号，获得的所述危化品的参数并存储。

根据上述的危化品监测装置，可选地，所述接口单元包括：

接口保护电路，所述传感器的模拟量输出信号、总线信号、开关量信号送所述接口保护电路；

模数转换器，从所述接口保护电路输出的传感器的模拟量输出信号送模数转换器，输出的数字信号送微控制器；

微控制器，所述微控制器将所述数字信号变换为两路相同的脉宽调制信号；

光耦，所述光耦隔离所述两路相同的脉宽调制信号。

根据上述的危化品监测装置，可选地，所述接口单元进一步包括：

低通滤波器，所述低通滤波器将相互隔离的两路相同的脉宽调制信号转换为模拟信号；隔离后的一路信号送下游应用，另一路送数据采集单元。

根据上述的危化品监测装置，可选地，所述接口单元进一步包括：

闭合检测电路，所述闭合检测电路将输出接口单元的传感器的开关量信号转换为两路有源开关信号，一路信号送下游应用，另一路送数据采集单元。

根据上述的危化品监测装置，可选地，所述接口单元进一步包括：

双向总线缓冲器，所述双向总线缓冲器将输出接口单元的传感器的总线信号转换为相同的两路信号，一路信号送下游应用，另一路送数据采集单元。

根据上述的危化品监测装置，可选地，所述危化品监测装置进一步包括：

预测单元，所述预测单元根据数据采集单元中存储的危化品的参数给出参数的预测值。

本发明还提供了危化品监测方法，该发明目的是通过以下技术方案实现的：

危化品监测方法，所述危化品监测方法包括以下步骤：

(A1)传感器输出的涉及所述危化品的信号传送到接口单元；

(A2)接口单元将接收到的信号分出两路相互隔离、相同的信号；其中一路信号送下游应用，另一路送数据采集单元；

(A3)数据采集单元采集传感器的信号，获得的所述危化品的参数并存储。

根据上述的危化品监测方法，可选地，所述危化品监测方法进一步包括以下步骤：

(A4)预测单元根据数据采集单元中存储的危化品的参数给出参数的预测值。

根据上述的危化品监测方法，可选地，步骤(A4)进一步包括：

报警联动单元判断危化品的当前参数是否超出阈值，如超出阈值，提示报警。

根据上述的危化品监测方法，优选地，使用指数平滑二次曲线预测法预测参数。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1.不降低企业的信息安全水平

可直接接入现场传感器，与企业生产数据库没有任何数据接口，不会降低企业的信息安全水平；

2.确保企业的仪表使用安全

在接入现场传感器后，通过“传感信号复制隔离单元”将输入信号复制为2路电气隔离的信号，与企业的DCS仪表没有任何电气连接，因此确保了企业的仪表使用安全；

3.嵌入式预测预警动作更加及时、可靠

预测预警模型存储在装置中，相关计算都在嵌入软件中完成，不必通过远程服务器。计算不会受到网络影响，因此预警和报警动作更加及时、可靠；

4.报警时自动联动现场的安全装置

对可判断报警级别，在报警发生后，可以根据报警级别自动联动现场的安全设备，减轻事故造成的破坏。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例的危化品监测装置的结构简图；

图2是根据本发明实施例的接口单元的结构简图；

图3是根据本发明实施例的报警和联动的流程图。

具体实施方式

图1-3和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本发明实施例的危化品监测装置的结构简图，如图1所示，所述危化品监测装置包括：

传感器，如浓度传感器、压力传感器、温度传感器、火焰传感器等，所述传感器输出的涉及所述危化品的信号传送到接口单元；

图2示意性地给出了本发明实施例的传感器接口单元的结构简图，如图1所示，所述接口单元将接收到的信号分出两路相互隔离、相同的信号；其中一路信号送下游应用，如二次仪表或PLC等，另一路送数据采集单元；所述接口单元具体包括：

接口保护电路，所述传感器的模拟量输出信号、总线信号、开关量信号送所述接口保护电路；

模数转换器，从所述接口保护电路输出的传感器的模拟量输出信号送模数转换器，输出的数字信号送微控制器；

微控制器，所述微控制器将所述数字信号变换为两路相同的脉宽调制信号；

第一光耦和第二光耦，所述第一光耦和第二光耦隔离所述两路相同的脉宽调制信号；

低通滤波器，所述低通滤波器将相互隔离的两路相同的脉宽调制信号转换为模拟信号；隔离后的一路信号送下游应用，另一路送数据采集单元；

闭合检测电路，所述闭合检测电路将输出接口单元的传感器的开关量信号转换为两路有源开关信号；

第三光耦和第四光耦，所述第三光耦和第四光耦隔离所述两路有源开关信号，一路信号送下游应用，另一路送数据采集单元；

双向总线缓冲器，所述双向总线缓冲器将输出接口单元的传感器的总线信号转换为相同的两路信号；

第五光耦和第六光耦，所述第五光耦和第六光耦隔离所述双向总线缓冲器输出的两路信号，其中一路信号送下游应用，另一路送数据采集单元；

数据采集单元，所述数据采集单元采集传感器的信号，获得的所述危化品的参数并存储；

预测单元，所述预测单元根据数据采集单元中存储的危化品的参数给出参数的预测值，如通过指数平滑二次曲线预测法；并判断所述预测值是否符合报警条件，如果符合，发出预警信号；

报警联动单元，所述报警联动单元分析当前监测值是否符合报警条件，如果符合报警条件，将根据预设的报警动作和联动方式进行报警联动，以及时通知相关单位和管理人员，并通过安全装置减小事故影响；

网络通讯单元，所述网络通讯单元平时向远程服务器上报实时监测数据、装置的运行状态，并接受远程服务器的查询和设置。当预警和报警发生时，该单元还负责向远程服务器发送预警信息(包括预警级别、预警详情等)和报警信息(包括报警信息、报警详情)等。同时，在有线VPN网络阻塞使得信息不能及时上报时，装置将切换到备用无线移动网络向服务器上传数据和预警报警信息。

电源单元，所述电源单元为装置提供所有电源，当主电源由于现场线路故障停止供电时，将自动切换到由蓄电池供电的备用电源，继续为装置提供电力。

本发明实施例的危化品监测方法，也即应用上述危化品监测装置的工作过程，所述危化品监测方法包括以下步骤：

(A1)传感器输出的涉及所述危化品的信号传送到接口单元；

(A2)接口单元将接收到的信号分出两路相互隔离、相同的信号；其中一路信号送下游应用，另一路送数据采集单元；

(A3)数据采集单元采集传感器的信号，获得的所述危化品的参数并存储；

(A4)预测单元根据数据采集单元中存储的危化品的参数给出参数的预测值，并判断所述预测值是否符合报警条件，如果符合，发出预警信号；

报警联动单元判断危化品的当前参数是否超出阈值，如超出阈值，提示报警。

实施例2：

根据本发明实施例1的危化品监测装置及方法在液态苯监测中的应用例。

如图1所示，在该应用例中，苯的危险性分析:

苯的闪点为﹣11℃，沸点为80.1℃，引燃温度为560℃，爆炸极限为1.2％-8.0％，其火灾危险性为甲级。

易燃性

苯的闪点极低，苯的蒸气与空气混合，容易形成爆炸性混合物。罐区常见的潜在点火源及能量都大大超过苯的最小点燃能量。

易爆性

苯的爆炸下限为1.2％，爆炸的危险性很大，而且可燃气体的点燃能量很小。罐区除了明火之外，还可能遭遇高温气流、静电、雷击等均可能引起爆炸。

易蒸发性

苯在常温下具有较大的蒸汽压，26℃时的饱和蒸汽压为13.33Kpa，容易铜鼓蒸发产生引起燃烧所需的最低限度的蒸发量，从而增大了火灾危险性。温度越高，蒸发越快，蒸发面积越大，蒸发量也越大。如果苯蒸汽发生泄漏会沿着地表面扩散，极易在储存处或作业场地的低洼处聚集，从而增加了火灾、爆炸的危险因素。

易泄漏扩散

苯的装卸、储运作业都是在压力状态下进行，在生产中，容易发生泄漏事故，苯一旦发生泄漏，在环境温度下将由液相变为气相，体积急剧膨胀，并与空气混合，向周围扩散。

易中毒

高浓度苯对中枢神经系统具有麻醉效果，可引发急性中毒并扰乱神经中枢。长期接触苯对造血系统有损害、

苯储罐的事故原因和安全防护措施

根据分析，苯储罐区的火灾爆炸事故多是由于泄漏所致。当苯泄漏到空气中时，当苯蒸汽的浓度超过了爆炸下限，一旦遇到超过最小燃烧量的点燃源，就会发生燃烧或爆炸。

基于上述分析，需要提供压力、液位、气体、火焰和阀位等传感器去实时监测苯酚储罐的参数，传感器输出信号送传感器接口单元，被复制为两路完全相同的隔离信号，一路送入DCS的二次仪表或PLC中供企业生产使用，另一路送到数据采集单元中进行数据采集和存储，确保了企业生产信息安全和现场仪表的使用安全。

数据采集完成后，预测单元根据预测模型分析各监测参数的未来走势，随后根据预测数据进行预警判断。

同时，报警联动控制单元会分析当前监测值是否符合报警条件，如果符合报警条件，将根据预设的报警动作和联动方式进行报警联动，以及时通知相关单位和管理人员，并通过安全装置减小事故影响。

网络通讯单元平时负责向远程服务器上报实时监测数据、装置的运行状态，并接受远程服务器的查询和设置。当预警和报警发生时，该单元还负责向远程服务器发送预警信息(包括预警级别、预警详情等)和报警信息(包括报警信息、报警详情)等。同时，在有线VPN网络阻塞使得信息不能及时上报时，装置将切换到备用无线移动网络向服务器上传数据和预警报警信息。(详见4.3.6)；

电源单元负责为装置提供所有电源，当主电源由于现场线路故障停止供电时，将自动切换到由蓄电池供电的备用电源，继续为装置提供电力。

上述传感器接口单元的工作模式为：

模拟量输入信号(AIn)接口的工作原理如下：AIn先经过接口防护电路，防止电磁干扰和过压过流，经过ADC采样模数转换后，微控制器计算后将模数转换后的数字量变换为2路相同的PWM(脉宽调整信号)信号，PWM的占空比为转换为PWM信号后，就可以传到数字光耦的隔离侧完成信号隔离。在光耦隔离侧通过低通滤波再次转换为模拟信号AIn_1和AIn_2。

开关量输入信号(DIn)接口的工作原理如下：开关量信号一般为闭合节点，先经过接口防护电路，再通过闭合检测电路，将其转换为有源开关信号，然后通过光耦传到隔离侧，转换为DIn_1和DIn_2；

总线信号(DATAn)接口的工作原理如下：总线信号一般为差分信号，通过双向总线缓冲器将总线信号复制为相同的两路，然后通过高速光耦转换为2路相互隔离的数字信号DATAn_1和DATAn_2。

上述预测单元的工作模式为：

装置对苯储罐的压力、液位、可燃气体浓度、火焰和阀位等参数进行连续监测，并根据这些参数的历史数据和当前数据进行事故预测预警。

(1)预测方法

装置采用“指数平滑二次曲线预测法”进行预测，该方法提供的预测值是前一次预测值加上前次预测值中产生的误差的修正值。方法的优点不需要存储全部历史数据，可以大大减小数据存储空间要求。特别适合数据以随机变动为主的场合，而且采用数据平滑值作为因变量可以消除数据的偶然波动，具体的预测的方法如下：

设储罐的某个监测参数(可以是储罐压力、液位或泄漏气体浓度等)时间序列为：

P{p_t，t＝0，1，2，3..n} (1)

其中p_t代表该监测参数在不同时刻的监测数据；

p₀为监测参数初始值，此处取最初检测值；

监测参数在t时刻的一次指数平滑值为：

其中代表t时刻的一次指数滑动值，代表t-1时刻的一次指数滑动值；

α为滑动系数且0≤α≤1，α的取值应该在长期观察历史监测数据的基础上进行选择，最终使得预测值与实际值的均方误差最小；

在一次指数平均的基础上，对该监测参数在t时刻进行二次指数平滑：

其中代表t时刻的二次指数滑动值，代表t-1时刻的二次指数滑动值

在二次指数平滑的基础上，再对该监测参数在t时刻进行三次指数平滑；

其中代表t时刻的三次指数滑动值，代表t-1时刻的三次指数滑动值；

则利用三次指数平滑建立该监测参数的二次曲线趋势预测模型如下：

其中含义是该监测参数在当前监测数据为p_t时，对未来的m个预测值，

由(5)式可知，要预测某监测参数的未来趋势，只要选择合适平滑系数α，并根据该监测参数的当前监测值和1-3次历史数据指数平滑值即可预测。

(2)预警方法

由于苯储罐的各个监测参数是的超限会产生不同的影响，可以认为个监测参数是相互独立的。因此本装置针对每个监测参数采用“归一化预警分数法”进行预警。具体预警方法如下：

设某个监测参数正常运行时的历史最低值为P_min，产生报警动作的阈值为P_max，该监测参数的预测值为且则归一化预警分数

由(6)式可知，0＜S_t≤100，S_t越大则严重程度越高，预警的级别也就越高；

装置为所有监测参数预设预警区间，不同的预警区间对应不同的预警级别，可以将预警级别分为I、II、III级，当某参数的的预警分数落在某个预警区间内时，装置根据预警级别以手机短信、有线网络或无线网络的方式向相关的单位和个人发出预警通知。，

上述报警联动单元的工作模式有手动和自动方式，分别为：

1.手动报警是装置接收现场手动报警器的输入，进而做出报警动作和相关的安全联动。

2.图3示意性地给出了自动报警和安全联动的流程图，如图3所示，自动报警是装置自动根据监测参数进行在线连续监测，当监测值进入报警区间时，装置根据预设的方法完成相应报警动作和安全联动方法。