基于物聯網云平臺的遙控正壓防爆柜控制系統設計

關鍵詞：防爆正壓控制柜；窄帶物聯網；阿里云；遠程監控

中圖分類號：TP277－1 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）03-0096-04 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0引言

在一些特殊工業生產場景中存在大量的腐蝕性氣體或者爆炸性氣體，這些環境中，電氣設備容易受到腐蝕或者由于電弧、火花、高溫等產生爆炸危險，必須按防爆要求設計制造，正壓防爆基本原理就是在電氣設備內保持惰性氣體或純凈氣體的正壓，隔離腐蝕性氣體或者爆炸性氣體，從而阻止點燃源與爆炸性環境的接觸，達到防爆的目的[1]。正壓防爆技術由于高效、價格低廉、操作方便、適應性能強等優點被廣泛采用到石油化工行業、天然氣生產運輸、煤炭生產行業等涉及大量易燃易爆化學物質的場景中，確保特殊生產過程的防爆安全[2]。在實際生產過程中，正壓控制柜設備報警一般采用聲光報警，依靠現場人員及時處理報警信息才能保障設備安全性，而惡劣的環境常常導致報警信息不能遠距離傳送，存在部分報警維護不及時等問題，生產安全性受到挑戰[3]。為了降低事故風險的發生概率，有效保障安全生產，迫切需要加強對正壓控制柜設備進行全生命周期的遠程運維管理，基于物聯網技術，本文設計一種能夠實現遠程監控的正壓防爆柜控制系統，進一步提升系統的安全性。

隨著物聯網技術的發展，其應用成為工業領域發展的熱點，基于物聯網云平臺實現防爆正壓柜的智能化遠程運維為防爆設備提升產品服務質量提供了可能，本文基于物聯網云平臺對正壓防爆控制柜的工作狀態遠程檢測與控制，通過歷史數據進行未來防爆安全預警，進一步提升了正壓防爆設備的防爆能力。本文采用窄帶物聯網（Narrow Band-Internet of Things， NB-IoT） 實現設備遠程數據傳輸，相比傳統物聯網技術如 Wi-Fi、藍牙、ZigBee 等存在的數據通信距離短、通信覆蓋能力有限等問題，NB-IoT技術具有低功耗、短延時，特別適合小數據量遠程傳輸，具有廣域覆蓋、海量連接的優點，由運營商專門實現物理信道的建設和維護，無需公司自建網絡，因而得到更廣泛的應用[4]。將現代物聯網技術和防爆正壓控制柜控制系統相結合，實現基于NB-IoT的遠程監控正壓防爆控制系統設計，對正壓防爆柜進行遠程工作狀態監控，同時在危險環境下可通過遠程控制操作，擴展設備使用范圍，提升設備防爆水平，為防爆裝備智能化發展提供方向。

1系統總體架構

本系統主要由正壓柜控制系統、數據傳輸模塊、云服務器、云監控端和手機程序端組成。

正壓控制系統通過采集正壓柜內氣體壓力和溫度，實現對氣泵控制保持柜內壓力，實現柜內其他和柜外易爆氣體的隔絕，實現防爆功能[5]。正壓控制系統把系統當前工作狀態以及柜內的溫度和氣體壓力數據通過數據傳輸模塊上傳云服務器，通過云監控端把數據展示在PC端，手機App端與云服務器通過無線連接實現數據顯示，同時也可通過手機App和PC 端上傳到云服務器，由云服務器把控制信息通過云服務器下傳到數據傳輸模塊，再傳輸到正壓控制系統，在云監控端實現對正壓控制柜的遠程控制。

2硬件設計

智能正壓防爆柜控制系統硬件實現框圖如圖2所示。由七部分組成，按鍵模塊、溫度傳感器模塊、壓力傳感器模塊、繼電器輸出模塊、LED工作指示燈模塊、顯示屏和無線傳輸模塊。

2.1 主控模塊

正壓控制系統主控采用STM32f103RCT6芯片，該芯片64個引腳，具有外設資源豐富和運算速度快的優點：2輸入通道的片上12位ADC可實現兩路模擬信號輸入，5個片上USART串口，可實現與外部模塊串口通訊，51個通用GPIO端口，可用于外部設備開關控制和開關信號輸入，8個定時器可用于實現系統運行時間控制，運算速度快，FLASH程序存儲器256K的大容量，48K的RAM存儲器，正壓控制系統需要多個定時器實現系統啟動時間控制，同時需要至少3個串口：實現屏幕顯示、無線模塊連接、調試窗口通訊，STM32f103RCT6芯片完全能夠滿足系統功能設計的需要。

2.2 繼電器模塊

系統共有5路繼電器控制電路設計，5路輸出分別為進氣閥、排氣閥、高壓報警、低壓報警、送電。輸出端連接的進氣閥、排氣閥選用常閉電磁閥（可長時間通電） 。

2.3 指示燈模塊

智能正壓防爆柜控制器上方有 5 個指示燈，自左至右分別為進氣閥指示燈、排氣閥指示燈、報警指示燈、送電指示燈、控制器工作指示燈。前4個指示燈與相對應的繼電器關聯，當繼電器閉合時對應的指示燈點亮，當繼電器斷開時對應的指示燈熄滅。控制器電源指示燈點亮證明控制器上電正常。

2.4 按鍵模塊

控制器有3個按鍵，自左至右分別為 KEY1、KEY2、KEY3，每個按鍵單獨操作時的功能對應于液晶屏下方文字顯示的功能。在待機界面同時按下 KEY2+KEY3，則系統進入傳感器校準功能。在待機界面同時按下3個按鍵，此時5個繼電器與其對應的指示燈會依次跳變，用于測試。在參數設置界面KKEEYY13+同KE時Y按2 下同為時“按保下存為設“置不參保數存退參出數”退。出”，KEY2+2.5 壓力采集模塊采用壓力傳感器MP3V5004DP，實現壓力轉化為電壓，經過電壓調整電路得到0～5V的電壓，輸出電壓經過電壓電流轉換芯片XTR115UA/2K5實現4～20mA電流輸出，經長導線接入Header進入主控電路，經過電阻轉換為0～3V的電壓輸入主控片上ADC實現數字信號采集。電路如圖3所示：

2.6溫度采集模塊

采用PT100溫度傳感器進行溫度檢測，通過電阻橋式電路輸出電壓，經過放大后由PA4送入主控ADC 實現溫度采集。如圖4 溫度轉換電路。

2.7顯示屏模塊

顯示屏采用串口屏實現顯示。如圖5所示電路。

2.8 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用移遠通訊的BC26模組芯片，該模組既可以工作在OPENCPU模式即單獨作為CPU 主控進行控制和移動通訊開發，也可以內嵌各種通訊協議，通過串口通訊由主控發送數據，BC26作為無線通訊功能模塊實現無線遠程通訊，本設計采用后者，BC26通訊模組可支持中國移動OneNET/Andlink、中國電信IoT/AEP以及阿里云IoT等物聯網云平臺，開發非常方便，與主控通過硬件連接。電路如圖6所示。

3軟件設計

3.1正壓控制器系統設計

正壓控制器系統有待機、換氣、充氣、正常運行、調試、系統設置6個狀態。待機狀態系統不工作，在換氣工作時長內，換氣狀態通過控制排氣繼電器和進氣繼電器實現，充氣狀態通過排氣繼電器關閉，進氣繼電器打開實現，充氣狀態取決于氣壓值是否在正常壓力范圍，正常運行狀態供電繼電器工作，正常運行時，氣壓過高或溫度過高通過打開相應的聲光繼電器實現報警，同時排氣繼電器打開，氣壓過低時進氣繼電器打開，同樣通過聲光繼電器實現報警，同時計時10秒，低壓連續保持10秒關斷供電繼電器，進入待機狀態。調試實現對溫度和氣壓傳感器的校準，系統設置實現氣壓下限，氣壓上限，溫度上限、換氣時長設置，通過按鍵實現輸入和退出。控制系統的程序流程如圖7所示。

3.2與BC26通訊設計

控制系統通過串口實現與BC26通訊，運行狀態時每隔1分鐘發送一次數據，數據包含當前工作狀態，溫度，氣壓等信息，狀態發生變換或者發生報警時也要發送數據，通過中斷接收BC26傳輸過來數據，接收到數據包含工作狀態，繼電器工作狀態設置。程序流程如圖8所示。

3.3 BC26接入阿里云

本設計采用阿里云服務器實現物聯網接入，采用MQTT協議[6]如圖9所示。

4系統調試與實現

系統實現包括基于STM32F103芯片的正壓防爆柜控制系統設計和手機App程序設計，控制系統設計基于Keil uvision5軟件開發，與傳統正壓防爆柜控制系統相比增加的無線聯網功能，通過阿里云物聯網平臺，適時上傳云端系統工作狀態以及重要參數，輸入云平臺數據庫備份，通過手機App和云服務器PC端可以實時遠程監控設備工作狀態，查看系統歷史數據。手機App通過Android SDK進行開發，通過阿里云MQTT協議實現二者之間的信息交換和遠程控制，手機端可以實現參數遠程設定，系統運行控制，設備運行狀態監測等功能，經過軟硬件調試之后，正常運行。

控制系統實現如圖10所示。

手機App設計實現如圖11。

5總結

本文基于阿里云物聯網平臺，設計實現了防爆正壓控制柜控制系統的遠程監控、工作狀態及關鍵參數實時保存，實時了解系統工作狀態，進一步保證了設備的安全性。相對于傳統控制系統，采用遠程物聯網技術實現對正壓控制柜的數據遠程監測和控制，一方面采集正壓控制柜的工作狀態數據上傳物聯網云服務器存儲，以便對監測數據進行分析處理和關鍵事件追溯；另一方面通過手機App或遠程PC終端實現遠程控制。通過物聯網技術與傳統正壓防爆控制柜控制系統相結合，提升了防爆正壓控制柜信息采集、存儲、處理能力，增加了遠程控制功能。通過調取歷史數據一方面可以實現在線防爆正壓柜故障監測；另一方面通過歷史數據預測產品壽命，對于提升防爆正壓柜安全性和穩定性具有重要意義。

防爆設備涉及生產安全和人員人身安全，利用物聯網技術實現對防爆裝備進行工作狀態監測甚至遠程控制，進一步增強設備工作的安全性和穩定性具有重要意義。本文實現了對防爆正壓柜控制系統遠程在線監控，不足之處在于在線工作狀態預測和故障診斷模型也未能實現。未來工作方向是對防爆正壓柜的工作狀態預測模型和故障診斷模型進行研究，進一步實現防爆正壓柜設備的智能化水平[7]。防爆設備與深度學習模型相結合，建立基于數據驅動的智能算法對歷史數據及當前數據進行設備工作狀態預測和故障診斷，進一步提升裝備可靠性和安全性，最終實現防爆裝備的智能化是大型防爆裝備未來發展的必然趨勢[8]。