張永東

(三明市計量所,福建 三明 365000)

0 引言

隨著節(jié)能減排技術(shù)的推進(jìn),石油、煤炭等傳統(tǒng)燃料使用不斷減少,可燃?xì)怏w在生產(chǎn)生活中被更廣泛使用,不僅出現(xiàn)在油田、煉油廠、化工廠、液化氣廠等生產(chǎn)領(lǐng)域,也出現(xiàn)在加氣站、餐飲及家庭廚房等民生領(lǐng)域。這些氣體的使用在給人們生產(chǎn)生活帶來便利的同時,也帶來了安全隱患,一旦發(fā)生泄漏,與空氣混合后可能引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。因此,對可燃?xì)怏w進(jìn)行實時監(jiān)測并報警十分有必要,能避免事故發(fā)生,或在事故失控之前及時發(fā)現(xiàn)并采取措施。

常見的可燃?xì)怏w有天然氣、液化石油氣、煤氣、沼氣和瓦斯等。天然氣的主要成分為甲烷,還含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等;液化石油氣的主要成分為丙烷、丙烯、丁烷、丁烯;煤氣的主要成分為一氧化碳、氫和烷烴、烯烴、芳烴等;沼氣的主要成分為甲烷,其余為二氧化碳、氧氣、氮?dú)夂土蚧瘹?瓦斯的主要成分為甲烷。本文針對一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)兩種可燃?xì)怏w進(jìn)行報警系統(tǒng)設(shè)計,并介紹該系統(tǒng)拓展應(yīng)用于有毒氣體氟化氫(HF)監(jiān)測及報警的應(yīng)用實例,以期提供氣體報警物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用思路。

1 應(yīng)用實例

本文介紹的應(yīng)用實例為三明市計量所團(tuán)隊科技特派員服務(wù)三明市海斯?；び邢挢?zé)任公司的案例。三明市計量所團(tuán)隊科技特派員研發(fā)的報警系統(tǒng)(GDS)由監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、GDS控制器、氣體探測器及聲光報警等組成,經(jīng)網(wǎng)絡(luò)至控制中心計算機(jī)形成人機(jī)界面,能實現(xiàn)對客戶需監(jiān)控位置的實時監(jiān)測及集中監(jiān)控。針對CO、CH4的特性和行業(yè)監(jiān)測要求,該團(tuán)隊科技特派員完成了全廠區(qū)的報警系統(tǒng)安裝調(diào)試工作。經(jīng)驗證,該系統(tǒng)運(yùn)行良好,對CO、CH4氣體的監(jiān)測效果優(yōu)于普通有毒氣體報警系統(tǒng),成功將三明市海斯福化工有限責(zé)任公司在用的280余臺(套)氣體報警器(含可燃?xì)怏w、有毒氣體、有害氣體)整合成一個物聯(lián)系統(tǒng),實現(xiàn)了在線氣體數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和集中監(jiān)控,為氟化工企業(yè)搭建起一張“健康防護(hù)網(wǎng)”,切實保障企業(yè)安全生產(chǎn)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)使用的氣體檢測報警器應(yīng)按《可燃?xì)怏w檢測報警器》(JJG 693—2011)要求進(jìn)行檢定。計量性能滿足表1要求。

表1 氣體檢測報警器計量性能要求［1］

系統(tǒng)包括采集終端(探測器)、主機(jī)(單片機(jī))、監(jiān)測報警平臺和報警終端四個部分。系統(tǒng)選用不同傳感器,采用多通道實現(xiàn)對CO、CH4、丙烷(C3H8)、氧氣(O2)和大氣壓力等進(jìn)行采樣;傳感器配置適配的變送器,變送器通過A/D轉(zhuǎn)換芯片將傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量,并通過基于RF433協(xié)議的無線發(fā)送信號至主機(jī);主機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理,將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的氣體濃度值和其他參數(shù)值,并判斷數(shù)據(jù)是否超過氣體濃度報警設(shè)定值和其他參數(shù)值。通過GPRS/NB-Iot/Internet進(jìn)行通信,發(fā)送實時數(shù)據(jù)至監(jiān)測報警平臺,平臺發(fā)送相應(yīng)的指令驅(qū)動手機(jī)、聲/光和電腦等報警。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

3 采集終端(探測器)設(shè)計

常用的可燃?xì)怏w和有毒氣體探測器分為多種類型,按布置方式不同可分為點(diǎn)式(擴(kuò)散型與吸入型)、線式(開路式)和面式(紅外成像式),按安裝方式不同可分為固定式、移動式和便攜式,按檢測原理不同可分為紅外光型、半導(dǎo)體型、電化學(xué)型、光致電離型、激光型、噪聲型、催化燃燒型、熱傳導(dǎo)型等。實際生產(chǎn)過程中,常用的可燃?xì)怏w和有毒氣體探測器多為固定的點(diǎn)式催化燃燒型探測器、熱傳導(dǎo)型探測器、紅外氣體探測器、半導(dǎo)體型探測器、電化學(xué)型探測器、光致電離型探測器等［2］。

系統(tǒng)選用半導(dǎo)體型探測器監(jiān)測CO,催化燃燒型探測器監(jiān)測CH4。半導(dǎo)體型探測器的原理是探測器四周可燃?xì)怏w濃度上升,通電預(yù)熱后,由于半導(dǎo)體部件對敏感氣體的吸附作用,內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)加速,氣敏半導(dǎo)體部件電阻值呈指數(shù)下降,電阻的變化通過轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)化為可測量的電信號;催化燃燒型探測器的原理是采用平衡電橋,其中一個橋臂為熱敏元件,熱敏元件外覆蓋催化劑。當(dāng)熱敏橋臂空氣中含有易燃?xì)怏w時,會催化燃燒,使電橋產(chǎn)生不平衡電信號輸出,輸出的電信號大小與可燃?xì)怏w的濃度有關(guān)。

3.1 CO終端設(shè)計

選用英國原裝進(jìn)口CITY CO傳感器—4CM,半導(dǎo)體型,標(biāo)準(zhǔn)量程是0～2000μmol/mol。三電極電化學(xué)傳感器,自帶酸性氣體過濾器,在空氣中使用壽命為兩年,具有響應(yīng)速度快、恢復(fù)時間短等優(yōu)點(diǎn),尤其是在極端溫濕度條件下仍可長期運(yùn)行,產(chǎn)品尺寸如圖2所示。

圖2 CO探測器產(chǎn)品尺寸圖

采用的電路圖如圖3所示。VS=VR>1.0V,氣體濃度增加時,V0信號上升。VR和VS需要用電壓基準(zhǔn)芯片分壓提供,在輸出端V0增加RC濾波和一級跟隨。在CO測量中,由運(yùn)放構(gòu)成CO傳感器的饋電緩沖,作為輸出端的輸出緩沖采用一個運(yùn)放,然后輸出至ADC輸入端,ADC采用單端測量模式。CO探測器實物圖如圖4所示。

圖3 CO探測器電路圖

圖4 CO探測器實物圖

3.2 CH4終端設(shè)計

CH4傳感器選用CiTipeL系列催化燃燒型傳感器,具有抗震性好和響應(yīng)時間短的特性,CH4傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CH4探測器結(jié)構(gòu)圖

CH4測量電路中供電3.3V,ADC處在差分測量模式。傳感器的輸出端P111(ADC_IN+)直接進(jìn)入ADC的測量正。電阻R212、R213及電位器R216構(gòu)成測量負(fù),作為差分負(fù)端輸入。電位器R216為傳感器的零位調(diào)節(jié)部件,在無被檢測氣體存在時,調(diào)節(jié)傳感器自身的零位輸出。電路圖如圖6所示,CH4探測器實物圖如圖7所示。

圖6 CH4探測器電路圖

圖7 CH4探測器實物圖

4 終端軟件設(shè)計(主機(jī))

①數(shù)據(jù)實時處理。監(jiān)測報警平臺對實時性要求較高,每通道每秒至少采集處理1次,采集終端將實時數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī),在單片機(jī)控制中心瞬時處理。

②數(shù)據(jù)采集。根據(jù)環(huán)境具體要求,選配不同的參數(shù)組合,終端要兼容不同的采集要求。采集系統(tǒng)可靠性在系統(tǒng)中至關(guān)重要,是系統(tǒng)能夠正確運(yùn)行的保證。為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性,硬件電路可設(shè)置自檢程序,自檢程序可對采集系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測,保證系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時能被發(fā)現(xiàn),起到預(yù)防的作用。

③終端軟件設(shè)計。先對微處理器和外圍器件初始化,液晶屏進(jìn)入初始顯示畫面,開始采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,判斷是否超過設(shè)定報警值,若超過則通過無線發(fā)送報警數(shù)據(jù)至監(jiān)測報警平臺。平臺通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可操縱預(yù)設(shè)的電磁閥、排風(fēng)機(jī)等設(shè)備,進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)。

主機(jī)選用CMOS 8位單片機(jī)AT89C52,主機(jī)軟件設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 主機(jī)軟件設(shè)計流程

5 應(yīng)用系統(tǒng)概況

本GDS系統(tǒng)采用符合《可燃?xì)怏w報警控制器》(GB 16808—2008)的氣體報警控制器作為報警控制單元,該報警控制單元已獲取消防產(chǎn)品認(rèn)證、SIL認(rèn)證,內(nèi)部集成4路為一體的I/O卡件,將信號實時傳輸至中央控制室(CCR)的工程師站,并直觀明了地呈現(xiàn)在人機(jī)圖形界面上。當(dāng)監(jiān)測到可燃/有毒氣體報警信號時,GDS接收現(xiàn)場檢測器的信號,可實時顯示氣體濃度檢測數(shù)據(jù)。當(dāng)超過設(shè)定濃度時,在控制室持續(xù)發(fā)出聲/光報警。

①報警控制系統(tǒng)的主控單元以S750 為核心,其最大回路掃描時間不大于500ms。

②能為可燃/有毒氣體探測器及其附件提供可靠電源。

③能接收氣體探測器的輸出信號,顯示氣體濃度,同時可發(fā)出聲/光報警。

④具有獨(dú)立的報警功能,能區(qū)分和識別報警器使用的位號。

⑤所有報警控制系統(tǒng)具有對所有 AI、DO 進(jìn)行斷路和短路診斷的功能,能發(fā)出聲、光故障報警信號。

⑥報警控制系統(tǒng)設(shè)置后備電源,具有掉電保護(hù)功能。當(dāng)電源斷開時,其內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)不會丟失。

⑦報警控制系統(tǒng)建立一套站場各區(qū)域現(xiàn)場設(shè)備的“電子地圖”,包含每一個現(xiàn)場設(shè)備的位置信息。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備發(fā)出報警時,全廠監(jiān)視畫面報警顯示,并且彈出分區(qū)畫面顯示報警點(diǎn)的具體位置。

⑧報警控制系統(tǒng)具有事件追憶,又稱事件順序記錄(Sequence Of Event,SOE)功能。

一是分辨率要等于或優(yōu)于報警控制系統(tǒng)最小掃描時間,日計時誤差不超過30s。二是所有輸入輸出信號、報警信號(包括系統(tǒng)報警)和操作信息都將作為事件追憶記錄器的輸入信號。三是為實現(xiàn)事件追憶功能的記錄器的每一個輸入,單獨(dú)分配一個標(biāo)簽號和服務(wù)說明。四是歸檔的數(shù)據(jù)可以存儲在本地硬盤、光盤等。

⑨控制系統(tǒng)的顯示功能體現(xiàn)在工程師站上。報警控制系統(tǒng)提供下列顯示內(nèi)容：

一是報警部位總數(shù)顯示,區(qū)分報警點(diǎn)時間順序并連續(xù)顯示。二是全廠平面圖報警顯示,提供完整的工廠總平面圖,圖上有各分裝置的名稱標(biāo)注和報警顯示。 三是分區(qū)平面圖報警顯示。分區(qū)平面圖報警顯示主要工藝設(shè)備和報警控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備的平面布置,可詳細(xì)觀測各設(shè)備的相對位置及報警控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備的位號、測量值、狀態(tài)及相關(guān)描述。在分區(qū)平面圖顯示時,在顯示器的左上方出現(xiàn)縮小的總平面圖。 當(dāng)現(xiàn)場探測器探測到危險信號時,系統(tǒng)發(fā)出報警聲響,并且在總平面圖上的相應(yīng)裝置區(qū)發(fā)出閃光信號。同時,系統(tǒng)自動彈出相對應(yīng)的分區(qū)平面圖,以顯示出該探測器周圍最詳細(xì)的畫面,在該畫面中,探測器的圖符和測量值的標(biāo)注文字也發(fā)出閃光信號。當(dāng)有多個探測器同時探測到危險信號時,自動分成多個較詳細(xì)的畫面同時顯示。

6 結(jié)束語

本文提供了一種對可燃?xì)怏w在線監(jiān)測報警應(yīng)用設(shè)計,可實現(xiàn)實時監(jiān)測顯示CO、CH4、C3H8、O2和大氣壓力、溫度、濕度等參數(shù)的不同組合,實現(xiàn)通過報警平臺向手機(jī)、聲/光報警器、電腦等終端報警,并在三明市海斯福化工有限責(zé)任公司成功應(yīng)用。該系統(tǒng)使用可靠,可靈活拓展至粉塵、煙氣等有毒、有害環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的實時報警。