基于智能傳感器的煙草倉庫電氣安全監測系統

郭倩玉，張 琪，趙忠帥，何召明，李鴻軒

（山東中煙工業有限責任公司青州卷煙廠，山東 青州 262500）

煙草作為重要的經濟作物，其安全高效的倉儲與運輸對保證煙草供應鏈的連續性和國民經濟的發展具有重要意義。然而，由于煙草的易燃性，煙草倉庫一旦發生火災，后果極其嚴重。近年我國多起煙草倉庫火災引發重大人員傷亡和經濟損失。經分析認為，電氣系統故障是導致倉庫火災的重要原因之一[1]。因此，開發煙草倉庫專用的電氣安全監測預警系統，對實時監測電氣系統的運行參數，評估系統狀態，發現故障隱患，并及時預警報警，能夠有效減少火災事故的發生，保障生產安全與產品質量，具有重要的社會價值和應用前景。

1 煙草倉庫電氣安全監測需求

煙草倉庫電氣安全監測的需求主要來自煙草倉庫的特殊性。煙草屬于易燃品，倉庫內存放大量煙草，一旦發生火災，后果極其嚴重。近年來我國發生的煙草倉庫火災多達數十起，造成的經濟損失高達數億元，嚴重影響國家煙草產業安全。與普通倉庫相比，煙草倉庫存在以下特殊性：

1.倉庫內存放大量易燃物質。煙草的可燃性非常強，一旦起火，燃燒迅速、熱量大，這使得火災帶來的危害更大。

2.電氣系統負荷大。倉庫使用大量電氣設備，如煙機、傳送帶等，系統負荷高、故障率也較一般倉庫為高。電氣故障是引發火災的嚴重隱患。

3.環境溫濕度要求高。煙草倉儲要保證一定的溫濕度，避免質量問題，這對電氣系統的運行提出更高要求。

因此，對煙草倉庫電氣系統的安全運行進行監測預警是必要的。

具體的監測內容應包括：電氣線路及設備的工作狀態，發現故障隱患[2]；環境溫度、濕度，防止條件異常，影響煙草質量；倉庫內是否有煙霧，及時發現起火狀況。設立智能化的電氣安全預警系統，在監測參數超過設定閾值時，發出聲光報警，并通過消息提醒相關負責人。實時監測和預警是保證煙草倉庫電氣安全、防止火災的關鍵措施，對減少生產事故損失，保障煙草供應鏈安全都有重要意義。

2 系統總體設計思路

2.1 系統架構

煙草倉庫電氣安全監測系統的總體架構采用四級布局的分散式結構。

一級為采集級，主要包括智能煙霧探測器、溫濕度傳感器、電流、電壓、漏電流檢測器等。這些傳感器和探測器布置在煙草倉庫的關鍵區域，如臨界區域、輸送區域、制造區域等，實現對環境參數和電氣輸配系統的全面采集。

二級為采集站級，主要完成對一級采集節點數據的聚合與預處理。采集站通過RS485 總線連接各采集節點，并會定期收集各節點的監測數據，進行濾波、歸一化、格式化轉換等預處理工作，然后通過以太網上傳輸到監控中心。

三級為監控中心級，由工業計算機等組成，安裝數據庫服務器、監控服務器、報警服務器等。該級負責對采集站的數據進行持久化存儲，實時監控和狀態評估，智能分析判斷并由此產生控制指令和預警信息。所有監測與控制的核心處理功能均在此級完成。

四級為監控顯示級，包括監控顯示終端和控制面板等。負責人機交互、接收監控中心的告警信息、顯示報表、參數設置等。同時可向監控中心發送控制指令，實現人為干預和狀態調節。該架構充分考慮系統的分布特點和數據處理的等級規律，能夠實現對煙草倉庫區域的分散監測與集中控制，既能保證數據的全面采集，也能實現信息的有效處理與利用，總體合理、高效[3]。

2.2 系統功能模塊

煙草倉庫電氣安全監測系統的功能模塊設計緊密結合監測目標和應用需求，主要包括：數據采集模塊、數據傳輸模塊、參數分析診斷模塊、智能控制模塊、人機交互模塊。

1.數據采集模塊負責組織和管理各類電氣及環境監測傳感器，對煙草倉庫區域的溫度、濕度、煙霧濃度、電流、電壓、漏電流等數據進行高效可靠的采集。

2.數據傳輸模塊基于有線和無線通信設備或網絡，實現監測數據從采集端到中央監控平臺的傳輸。支持多種網絡模式如WiFi、4G、以太網等。

3.參數分析診斷模塊利用數據庫管理、數據挖掘、智能算法等對監測參數進行多維度分析，實現對電氣系統運行狀態和潛在故障隱患的智能識別與評估。

4.智能控制模塊根據系統狀態評估結果，利用PLC、操作終端等設備，對倉庫區域的電氣系統實施智能化的狀態調節或故障防護控制。

5.人機交互模塊提供圖形化的監控頁面，實現對系統運行的參數實時監視，并進行人為干預或設備控制，確保電氣系統的安全可靠運行。

上述模塊間數據互聯、功能協同，構成一個信息閉環，實現對煙草倉庫電氣系統全生命周期的智能化監管。

3 系統軟硬件設計

3.1 硬件設計

1.溫濕度傳感器：選擇測量范圍廣（-40℃～125℃，0～100%RH），溫度精度±0.3℃，濕度精度±2%RH 的數字輸出產品。傳感器采用精密的鉑電阻和電容式濕敏元件，內置高速MCU 和A/D 轉換電路，通過mature的溫濕度復合測量算法實現參數獲取。支持多種通信接口如UART 串口、I2C、SPI 等，實現采集端的靈活連接。同時配置可編程非易失存儲器，自定義設置數據存儲周期，如1min～60min 范圍內可調，保證關鍵參數的歷史曲線跟蹤。傳感器工作穩定可靠，校準周期長達2 年，滿足煙草倉儲對環境準確監控的需求。

2.煙霧傳感器：選擇煙霧檢測技術成熟的光電互補式產品，采用精密的微處理器，配合云臺式光電靈敏探測器，實現360°全方位靈敏檢測。具有自動跟蹤補償算法，在溫度-40℃～60℃、相對濕度10%～95%變化大的環境下，保證檢測性能穩定。具有兩級火災預警功能，預警點自動跟蹤調整，實現極早期火災報警。同時配置智能診斷電路，提供工作狀態和故障提示。配件標準化，現場安裝和調試簡便[4]。

3.電流互感器：考慮到線路電流的準確測量和監測系統的抗干擾需求，選用閉環互感器方案。采用導磁系數穩定、溫漂優異的鎳鐵基南氏體材料，測量范圍0～3000A，轉換精度高達0.2 級。互感器作為一種“絕對式”傳感器，不需要運放，轉換誤差低，滿足煙草生產線各類電機、頻變器等負載設備電流的準確檢測。

4.電壓采集器：選擇寬量程（15V～1000V）、高精度（0.1 級）的電壓采集模塊，內部集成電磁隔離、信號調理、A/D 轉換功能，通過標準電壓信號采集電源電壓，保證數據采集和設備安全。模塊結構緊湊，直流供電設計，適合工業現場苛刻的工作環境。

3.2 軟件設計

數據采集處理軟件基于工業控制計算機和可編程邏輯控制器構成，利用面向對象的高級語言和關系型數據庫進行開發。軟件具備穩定的驅動框架，對各類智能化監測傳感器提供標準接口，實現溫度、濕度、煙霧濃度、電壓、電流等多源異構數據的透明采集。通過配置不同的驅動程序，快速接入監測網絡。數據采集管理實現對時間同步、檢測質量（SNR）和采樣頻率等參數的調度優化，保證信號的有效提取。使用高性能數據緩存和獨立的解析、濾波任務，對采集數據進行驗證、去噪、壓縮和校準等在線處理，提高傳輸效率。采集內容按既定的數據格式和文本協議進行組裝和編碼，持久化存儲到關系數據庫中，并建立完善的表結構，支持多維組合查詢分析。軟件全面支持OPC開放協議和Modbus 現場總線規約，實現與各類智能檢測設備的靈活接入與集成，構建橫向可擴展的監測網絡，是數據采集處理的核心[5]。

監控管理軟件基于B/S 三層瀏覽器/服務器模式構建，服務器端應用JAVA 語言和關系數據庫ACCESS 開發。軟件實現用戶權限管理和基于角色的訪問控制機制，保障系統數據和功能的安全。采用AJAX 技術實現富客戶端監測界面，支持多窗口并行顯示。使用 SVG、Canvas 等高級繪制技術，通過動態曲線、層疊柱狀圖等直觀形式，展示監測參數的實時變化和歷史趨勢，時間范圍可靈活配置。優化的大數據讀取算法，支持快速提示實時預警信息，并自動生成PDF 格式的定期監測報表。軟件全面支持Web 頁面訪問和移動客戶端，可使用PC、平板等多終端進行遠程監控瀏覽。統一的軟件平臺，實現對倉儲電氣系統運行的集中管理和決策支持。

4 系統可靠性分析與應用效果

4.1 可靠性分析

煙草倉庫電氣安全監測系統通過針對軟硬件的可靠性分析和測試，全面驗證系統的高可用性。主要試驗內容和結果如表1 所示。

表1 煙草倉庫電氣安全監測系統的可靠性測試匯總表

從表1 中可以看出，監測系統的各項指標均達到或超過設計規范要求。具體分析如下：系統選用的監測設備、采集終端和網絡設備可靠性高，其平均故障間隔均在4.5 年以上，完全滿足長周期穩定運行的需求。在軟件過程和開發測試方面，執行嚴格的質量控制，包括代碼Review、詳盡的單元測試等措施。測試覆蓋率和可用性監測指標顯示軟件設計和實現達到高水準。連續運行試驗在全負荷條件下持續超過8000 小時沒有出現異常。表明軟件具有足夠的魯棒性和容錯能力。環境試驗驗證系統工作的適應性，能適應倉儲空間的溫度、濕度及振動變化，沒有超過允許誤差范圍，運用條件得到驗證。通過一系列全面的可靠性測試，軟硬件指標均達到國際先進水平，完全滿足煙草倉儲對監測系統高可用性的需求，長期穩定可靠地運行。

4.2 應用效果評估

煙草倉庫電氣安全監測系統投入使用一年來，各項監控性能指標穩步提升，在減少事故損失、提高系統可靠性等方面展現出良好的應用效果。主要效果匯總如表2 所示。

表2 煙草倉庫電氣安全監測系統的應用效果

從應用統計數據可見，新型監測系統具有明顯的事故防范和系統優化作用。具體來說：電氣故障相關的安全事故和設備損壞大幅減少，降低90%以上的物資和生產損失，保證煙草質量安全。借助系統的實時監測和智能分析，電氣設備的檢修響應速度顯著加快，停機時間縮短70%，系統可用性和生產效率明顯提升。精準的狀態評估分析實現設備保養的轉變，將保養周期擴大60%，設備運維的經濟性大幅提高。綜合測算投資回收期不足1.5 年，新系統具有良好的經濟效益。可見煙草倉庫專用電氣安全監測系統性能優越，總體應用效果顯著，值得進一步推廣應用。

5 總結

本文針對煙草倉庫電氣系統的安全監測需求，設計了一套基于智能傳感器的安全監測預警系統。系統采用分散式架構，能夠實現對電氣線路、溫濕度及煙霧濃度的全面監測和數據采集。通過工控機和可編程邏輯控制器構成的數據處理平臺，對監測信息進行分析處理，實時評估電氣系統的安全狀態。同時借助監控管理平臺，實現對系統的遠程監視與控制。該方案經過可靠性分析和效果評估，軟硬件指標均達國際先進水平，在防范電氣事故、減少損失等方面展現出良好效果。