魯紹軍，薛冬晨，謝紅艷,李 泉

（1河北省首鋼遷鋼公司動力作業(yè)部，2河北省首鋼遷鋼公司能源部，河北遷安 064404）

1 引言

煤氣是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的重要二次能源，它的主要成分是一氧化碳，煤氣的充分回收和合理利用不僅對鋼鐵企業(yè)降低成本具有重要意義，而且對于減少污染物排放具有重要的環(huán)保意義。在煤氣的回收和使用過程中，為了去除管道內(nèi)煤氣凝結(jié)的水分，需要在管道上安裝煤氣排水器，煤氣排水器的作用是收集和排出煤氣管道中的冷凝水，當(dāng)煤氣壓力頻繁波動時(shí)，若補(bǔ)水不及時(shí)，排水器容易被擊穿，將導(dǎo)致煤氣外漏。由于煤氣輸送管線長，覆蓋區(qū)域廣，管道沿線排水器較多，而且主要分布在廠區(qū)的的主干道兩側(cè)，一旦出現(xiàn)煤氣泄漏將會造成重大人員傷亡事故。

為了提高煤氣防護(hù)的能力,在煤氣水封容易泄露的地方安裝煤氣報(bào)警器,一旦發(fā)生煤氣泄漏，立即發(fā)出報(bào)警，警示路人迅速撤離。除此之外還需要立即通知專業(yè)人員進(jìn)行處理，因此還需將檢測信號傳送到專業(yè)維護(hù)值班室，由于管道沿線排水器安裝分散，區(qū)域廣大，如果采用有線通信不但投入成本高，而且施工不方便，本文所敘述的煤氣管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)采用了跳頻電臺無線網(wǎng)絡(luò)。該監(jiān)測系統(tǒng)由1個(gè)主站配有9個(gè)分站組成，72個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位.一旦現(xiàn)場發(fā)生泄漏并超過報(bào)警值，不僅現(xiàn)場配有語音聲光報(bào)警器通知附近人群，而且從測控中心同時(shí)報(bào)警并顯示泄漏位置，運(yùn)行人員第一時(shí)間接到報(bào)警通知可立即趕往現(xiàn)場進(jìn)行處理，大大減小了發(fā)生煤氣泄漏時(shí)所造成的危害。

2 系統(tǒng)原理

如圖1所示系統(tǒng)共分9個(gè)子站，每個(gè)子站帶16路模擬量輸入端，每站帶8臺煤氣探頭，分布于相鄰的4個(gè)煤氣排水器旁邊，每個(gè)排水器設(shè)置獨(dú)立的語音報(bào)警器，一個(gè)服務(wù)器接收端設(shè)在配水動力管道班，架設(shè)天線接收無線信號，子站采用密封防爆箱保護(hù)性安裝。每個(gè)探頭檢測到的4～20 mA信號用硬線送到就近子站的模擬量輸入端，信號經(jīng)過子站處理轉(zhuǎn)換后由無線電臺發(fā)送到遠(yuǎn)程主站，發(fā)生煤氣泄漏時(shí)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場和遠(yuǎn)程站同時(shí)報(bào)警。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)分三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：（1）監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)：設(shè)置在監(jiān)測區(qū)域，探測節(jié)點(diǎn)上的傳感器定時(shí)采集煤氣排水器所在區(qū)域煤氣含量，向TransNET節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，現(xiàn)場煤氣報(bào)警器將模擬信號傳給信號隔離采集器、信號隔離轉(zhuǎn)換器，經(jīng)RS232接口與MDS900無線傳輸模塊相連，通過MDS900透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)。（2）跳頻電臺遠(yuǎn)程數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)：TransNET 900建立主站與分站之間的連接，將接收到的數(shù)據(jù)封裝后，經(jīng)跳頻網(wǎng)絡(luò)傳送到測控中心。（3）上位機(jī)，測控中心的TransNET網(wǎng)絡(luò)通過全向天線接收來自各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過RS232接口與上位機(jī)連接，測控中心服務(wù)器接收到MDS900網(wǎng)絡(luò)終端傳來的連接申請，先進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過后接受傳來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)接收和處理由上位機(jī)軟件進(jìn)行管理。煤氣報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖1遷鋼動力廠無線煤氣報(bào)警系統(tǒng)示意圖

圖2 煤氣報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

4 硬件設(shè)計(jì)

無線傳輸系統(tǒng)采用的是“集中管理-分散監(jiān)測”，集散式報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)由中央管理工作站(終端監(jiān)控)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)終端、子站、從站處理站、語音聲光報(bào)警器、CO報(bào)警探測器等幾部分組成。

煤氣排水器在線監(jiān)測系統(tǒng)中，有一臺工業(yè)計(jì)算機(jī)放在管理中心，設(shè)置一臺MDS900主站，與現(xiàn)場分站通訊，現(xiàn)場放置10臺分站，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場72個(gè)煤氣探頭。集中采集煤氣泄漏值通過分站送到主站。

4.1 智能型可燃?xì)怏w檢測部分

該系統(tǒng)使用的PⅠCKETER系列現(xiàn)場檢測探頭，是采用單片機(jī)控制的智能型探測器。具有現(xiàn)場濃度顯示、現(xiàn)場報(bào)警指示燈指示、現(xiàn)場直流接點(diǎn)輸出（可連接控制現(xiàn)場報(bào)警器）、催化燃燒方式傳感器（可燃性氣體檢測探頭）、（4～20）mA 變送器、零點(diǎn)負(fù)漂移自動調(diào)整（無零點(diǎn)負(fù)漂移）、零點(diǎn)正漂移補(bǔ)償?shù)裙δ?，同時(shí)保證檢測探頭工作輸出穩(wěn)定。

在易發(fā)生泄漏的水封圍擋內(nèi)安裝語音煤氣報(bào)警探測器（含聲光報(bào)警器），當(dāng)檢測氣體濃度超標(biāo)時(shí),發(fā)出高音報(bào)警響聲及紅色危險(xiǎn)信號閃光。語音報(bào)警器由封裝好的芯片和音箱組成，當(dāng)接到報(bào)警信號時(shí)開始播放，如“有煤氣泄漏，請注意安全”（內(nèi)容可根據(jù)實(shí)際需要錄音）。也適用于夜間及噪音場所，對相關(guān)人員起到警示作用。煤氣報(bào)警探頭采用RVVP3×1.5 mm控制電纜與子站相連接，子站負(fù)責(zé)為煤氣報(bào)警探頭提供24 V直流電源。

4.2 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分由信號隔離采集器和信號隔離轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。

信號隔離采集器需要直流24 V供電，具有模擬量采集功能，可以16路信號隔離采集。把煤氣檢測探頭輸出的4～20 mA信號接到該采集器的輸入端，提供給RS485通訊接口，可以實(shí)時(shí)采集煤氣報(bào)警儀檢測到的煤氣濃度。

轉(zhuǎn)換器由直流24 V供電，該轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)把RS485信號轉(zhuǎn)換成RS232信號，目的是與MDS900分站連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。轉(zhuǎn)換原理如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊原理圖

4.3 隔離凈化電源

隔離凈化電源的作用是讓控制設(shè)備、變流設(shè)備和其它裝置與供電系統(tǒng)隔離，獨(dú)立工作。外部提供的220 V交流電，有時(shí)不太干凈，經(jīng)過隔離凈化電源后，可以濾掉干擾，提供輸出干凈的直流24 V電源，從而提高設(shè)備的安全和防護(hù)能力。凈化后的直流24 V電源輸入到直流分配器，被分為16路電源信號，每一路都獨(dú)立輸出直流24 V。當(dāng)有一路煤氣報(bào)警儀超負(fù)載時(shí)，只是這一路暫時(shí)停止，不至于將總電源燒壞，避免影響其它15路報(bào)警器的實(shí)時(shí)通訊。一旦負(fù)載正常，又開始正常供電，并且恢復(fù)正常通訊。

4.4 無線傳輸系統(tǒng)

無線傳輸系統(tǒng)采用的是“集中管理-分散監(jiān)測”，采用MDS900電臺，有一個(gè)主站和10個(gè)分站組成，該電臺具備跳頻擴(kuò)頻功能，傳輸距離可達(dá)到35 km，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場的氣體檢測數(shù)據(jù)。MDS TransNET 900是專業(yè)的數(shù)傳電臺，工作于（900～1000）MHz頻段，可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的點(diǎn)對多點(diǎn)通信，它的特點(diǎn)在于長距離、穩(wěn)定、可靠。全雙工的工作模式，采用先進(jìn)的擴(kuò)頻跳頻技術(shù)，采用了DSP芯片，具有信道編碼，前向糾錯(cuò)功能。運(yùn)用了CPFSK數(shù)字調(diào)制方式，相干解調(diào)，均衡軟判決等技術(shù)，大大提高了設(shè)備增益，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性，傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通數(shù)傳臺。設(shè)備本身為用戶提供一個(gè)115.2K的串口，串口RS-232/RS-485可選，本設(shè)計(jì)由串口RS-232接入。

4.5 全向天線

在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性；在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在移動通信系統(tǒng)中一般應(yīng)用于郊縣大區(qū)制的站型，覆蓋范圍大。全向天線可以接受來自各個(gè)角度的信號并向各個(gè)角度發(fā)射信號，應(yīng)用范圍廣泛，大部分無線產(chǎn)品都是將全向天線作為設(shè)備上的標(biāo)準(zhǔn)配置。全向天線在各個(gè)方向上的延伸性是一樣的，這些信號疊加后最終組成了一個(gè)以天線為球心的球體。

4.6 上位監(jiān)控系統(tǒng)

由一臺主機(jī)來接收MDS900主站提供的數(shù)據(jù)，通過RS232接入主機(jī)，監(jiān)測各物理煤氣檢測點(diǎn)、檢修過程跟蹤、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、事件日志、人機(jī)界面、報(bào)表生成和打印、歷史數(shù)據(jù)查詢、與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

5 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件基于WⅠNDOWS平臺，界面采用動態(tài)畫面和區(qū)域圖動態(tài)畫面，人機(jī)界面友好，功能強(qiáng)大，采用分級式煤氣報(bào)警監(jiān)測，管理人員借助煤氣監(jiān)控系統(tǒng)軟件，通過區(qū)域圖界面將看到某個(gè)位置煤氣泄漏的濃度。一級報(bào)警動態(tài)顯示在區(qū)域圖上某個(gè)地理位置上，顏色為黃色；二級報(bào)警顏色為紅色，同時(shí)發(fā)出聲音報(bào)警,并顯示此濃度值，把報(bào)警事件及濃度值紀(jì)錄下來以備將來查用。通過歷史報(bào)警數(shù)據(jù)為我們分析出什么位置極易泄漏煤氣，這樣既節(jié)約了時(shí)間，又為我們避免了不必要的直接經(jīng)濟(jì)損失。

圖4 煤氣報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu)

設(shè)置界面菜單有5個(gè)二級菜單，分別是：安裝區(qū)域名稱設(shè)置、安裝地點(diǎn)名稱設(shè)置、串口設(shè)置、棒圖最大值設(shè)置、煤氣報(bào)警二級上下限設(shè)置。

安裝區(qū)域名稱設(shè)置主要是某個(gè)區(qū)域名稱設(shè)置；安裝地點(diǎn)名稱設(shè)置是水封某個(gè)地理位置上安裝的煤氣報(bào)警儀的名稱；串口設(shè)置是接收或發(fā)送無線裝置的RS232口設(shè)置；棒圖最大值設(shè)置是煤氣濃度值最大值；煤氣報(bào)警上下限設(shè)置是煤氣報(bào)警值上限和下限的設(shè)置。

實(shí)時(shí)顯示界面菜單有三個(gè)二級菜單：棒圖實(shí)時(shí)顯示界面、區(qū)域圖實(shí)時(shí)顯示界面、主界面實(shí)時(shí)顯示。

二級菜單的棒圖實(shí)時(shí)顯示界面是顯示煤氣報(bào)警濃度值，以棒圖顯示煤氣濃度；區(qū)域圖實(shí)時(shí)顯示界面是地理位置圖，一個(gè)平面結(jié)構(gòu)地理圖一旦有報(bào)警在地理位置上將有一個(gè)暈圈在不停閃爍，證明該處有煤氣濃度超標(biāo)。黃色為一級報(bào)警，紅色為二級報(bào)警；主界面實(shí)時(shí)顯示將用文本框形式顯示從現(xiàn)場發(fā)送來的實(shí)時(shí)煤氣泄漏的濃度值。當(dāng)煤氣濃度信號及報(bào)警位置信號發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)上后，通過監(jiān)控機(jī)上的煤氣顏色顯示及報(bào)警信號，實(shí)時(shí)監(jiān)測所有點(diǎn)位的煤氣泄漏的濃度。一級報(bào)警動態(tài)顯示在區(qū)域圖上某個(gè)地理位置上顏色為黃色，二級報(bào)警顏色為紅色同時(shí)發(fā)出聲音報(bào)警,并顯示此濃度值,把報(bào)警事件及濃度值記錄下來，系統(tǒng)具有歷史報(bào)警數(shù)據(jù)保存功能以備將來查用。當(dāng)檢測氣體濃度超標(biāo)時(shí),現(xiàn)場發(fā)出語音報(bào)警響聲及紅色危險(xiǎn)信號閃光，對周圍人員起到警示作用。相關(guān)專業(yè)人員能夠立即發(fā)現(xiàn)具體的煤氣泄漏點(diǎn)的物理位置，使事故得到及時(shí)處理，避免造成重大安全事故。

遠(yuǎn)程監(jiān)控站是專用的監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

（1）實(shí)時(shí)性 — 現(xiàn)場的氣體檢測數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器，每秒采集一次現(xiàn)場數(shù)據(jù)，150 ms采集一個(gè)子站數(shù)據(jù)，每1.5s對整個(gè)環(huán)網(wǎng)所有煤氣報(bào)警探頭實(shí)現(xiàn)一次數(shù)據(jù)采集。

（2）實(shí)用性 — 氣體監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)報(bào)警，便于維護(hù)、更新、管理。

（3）應(yīng)急性 — 氣體監(jiān)測的實(shí)時(shí)報(bào)警便于應(yīng)急指揮。

（4）安全性 — 氣體監(jiān)測的實(shí)時(shí)報(bào)警能被大量存儲，便于事后分析，查找隱患、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

（5）規(guī)范性 — 安全符合國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié)語

本系統(tǒng)采用跳頻電臺無線網(wǎng)絡(luò)，把整個(gè)鋼廠的煤氣管道水封集散式的監(jiān)控起來，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以有效監(jiān)測泄漏氣體的位置及含量值，并已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中得以驗(yàn)證。該系統(tǒng)的投入使用，改變了以往依靠人工持報(bào)警儀巡檢各個(gè)管道是否有煤氣泄漏的管理模式，實(shí)現(xiàn)了煤氣在線監(jiān)測系統(tǒng)集中監(jiān)控，極大的提高了煤氣管道煤氣泄漏生產(chǎn)管理水平，是在首鋼遷鋼工業(yè)控制及監(jiān)測領(lǐng)域首次較大規(guī)模的無線遙測技術(shù)。建立煤氣水封氣體泄漏遙測遙信系統(tǒng)后，提高了煤氣管道水封氣體泄漏的預(yù)防技術(shù)水平，改善了生產(chǎn)管理模式，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

[1]馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2005.

[2何玉潔.數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]Jack S.Moderncommunicationcircuits.McGraw Hill Company,1986

[4葛紉秋.微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及其應(yīng)用.甘肅:蘭州大學(xué)出版社,1993

[5]HerbertT.Donald S.Principlesofcommunicationsystems.McGraw-Hill,1986