爆炸性氣體存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭洪祥

摘要：爆炸性氣體作為一種危險(xiǎn)物質(zhì)，在存儲(chǔ)或使用過程當(dāng)中一旦產(chǎn)生泄露，將會(huì)產(chǎn)生爆炸，引發(fā)火災(zāi)，造成人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)爆炸性氣體在存儲(chǔ)過程當(dāng)中進(jìn)行監(jiān)控有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以甲烷（CH4）、氫氣（H2）為例，介紹了一種以PLC為控制核心的爆炸性氣體的存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)組成及相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PLC 氣體監(jiān)控系統(tǒng) MCGSE組態(tài)

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）08-0177-02

1 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，越來越多的試驗(yàn)性氣體得到了廣泛應(yīng)用。試驗(yàn)性氣體多為氣瓶高壓充裝，而且有些氣體具有爆炸性或劇毒性，在存儲(chǔ)過程中極易發(fā)生泄漏。一旦產(chǎn)生泄露，將會(huì)產(chǎn)生爆炸，引發(fā)火災(zāi)，造成人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)爆炸性氣體在存儲(chǔ)過程當(dāng)中進(jìn)行監(jiān)控成為一種必要[1]。本文以CH4、H2為例，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的爆炸性氣體存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有靈敏度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，并已在現(xiàn)場得到了廣泛的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PLC作為數(shù)據(jù)采集與控制主體，采用觸摸屏作為顯示控制界面，選用防爆傳感器24小時(shí)全天候?qū)Υ鎯?chǔ)區(qū)域內(nèi)的溫度、煙霧以及CH4、H2等爆炸性氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便在氣瓶發(fā)生泄漏或發(fā)生火災(zāi)時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。本系統(tǒng)還可以將數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存并生成曲線和EXEL文件可供用戶隨時(shí)調(diào)閱。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)中涉及到的CH4、H2為易燃易爆氣體，在存儲(chǔ)過程當(dāng)中有可能發(fā)生些泄漏，因此其所在的區(qū)域稱為危險(xiǎn)區(qū)（1區(qū)），傳感器探頭采用防爆傳感器，安裝在此區(qū)域內(nèi)；在無爆炸性氣體的區(qū)域稱為非危險(xiǎn)區(qū)，即安全區(qū)[2，3]，控制箱安裝在此區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的設(shè)備采用普通電氣設(shè)備。安全區(qū)域與危險(xiǎn)區(qū)域的傳輸信號(hào)采用安全柵進(jìn)行電氣隔離。同時(shí)，對(duì)給危險(xiǎn)區(qū)的電氣設(shè)備供電的電源采用本安電源模塊，對(duì)給安全區(qū)域電氣設(shè)備供電的電源采用普通的開關(guān)電源模塊，以防止安全區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)的供電串?dāng)_。

由于甲烷傳感器、氫氣傳感器、溫度傳感器的信號(hào)輸出為模擬量，此種傳感器的輸出信號(hào)需經(jīng)過隔離柵隔離后分別接入PLC A/D轉(zhuǎn)換模塊的IN0、IN1、IN2通道進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后再由PLC進(jìn)行處理；而煙霧傳感器的輸出信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，因此煙霧傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過隔離柵隔離后直接接入PLC的輸入端口X000即可。PLC的輸出口Y000、Y001分別防爆風(fēng)扇和聲光報(bào)警器。其設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包含兩部分：一部分為PLC程序設(shè)計(jì)，另一部分為上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)組態(tài)軟件采用MCGSE組態(tài)軟件編寫，包含氣體濃度顯示、報(bào)警上限設(shè)置、輸出控制、操作按鈕等四部分，其運(yùn)行主界面如圖2所示。

氣體濃度顯示（圖2綠色區(qū)）：該區(qū)域顯示各傳感器的氣體濃度、溫度的測(cè)量值。由觸摸屏實(shí)時(shí)讀取PLC中A/D轉(zhuǎn)換通道的數(shù)值后，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后進(jìn)行顯示。

報(bào)警上限設(shè)置（圖2白色區(qū)）：該功能便于用戶自行設(shè)定系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)的閾值。設(shè)定值與顯示值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，當(dāng)顯示值大于設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警并啟動(dòng)風(fēng)扇，同時(shí)顯示區(qū)域相應(yīng)通道的顏色由綠色變?yōu)榧t色。由于顯示值與設(shè)定值可能帶有小數(shù)，而PLC軟件沒有小數(shù)比較功能，因此，在軟件處理時(shí)均采用先放大10倍進(jìn)行取整后再進(jìn)行數(shù)值比較的方式。

輸出控制：PLC程序采用梯形圖的形式進(jìn)行編程，其輸出控制程序（部分）如圖3所示[4]：圖3中X000、M120、M124、M128分別為煙霧傳感器、甲烷傳感器、氫氣傳感器、溫度煙霧傳感器的報(bào)警信號(hào)（當(dāng)甲烷、氫氣、溫度的測(cè)量值大于各自的設(shè)定值時(shí)，分別使PLC的輔助觸點(diǎn)M120、M124、M128閉合；當(dāng)有煙霧信號(hào)時(shí)，X000閉合）。當(dāng)任何一路信號(hào)閉合時(shí)，PLC的輔助繼電器M138都會(huì)得電，從而使Y000接口（防爆風(fēng)扇）和Y001接口（警號(hào)）啟動(dòng)（注：輔助觸點(diǎn)M5默認(rèn)為閉合）。

操作按鈕：操作按鈕包含傳感器電源和警號(hào)開關(guān)兩個(gè)按鈕。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)生報(bào)警后在警情消失前，能夠手動(dòng)關(guān)閉聲光報(bào)警器，在組態(tài)軟件中設(shè)計(jì)了警號(hào)開關(guān)按鈕。此按鈕直接控制PLC的輔助繼電器M5，在發(fā)生警情時(shí)（此時(shí)聲光報(bào)警器工作）手動(dòng)按下該按鈕后，輔助觸點(diǎn)M5斷開，聲光報(bào)警器停止工作。當(dāng)險(xiǎn)情消失后，軟件自動(dòng)將該輔助觸點(diǎn)M5回到閉合狀態(tài)，從而使再次發(fā)生警情后，警號(hào)又能自動(dòng)打開，從而實(shí)現(xiàn)警號(hào)手動(dòng)關(guān)閉后不必再次人為復(fù)原的功能。

針對(duì)煙霧傳感器在煙霧險(xiǎn)情消除后其輸出信號(hào)不能自動(dòng)復(fù)位的特性，在軟件界面中設(shè)計(jì)了傳感器電源開關(guān)按鈕，通過給煙霧傳感器斷電的方式來進(jìn)行復(fù)位。

3 性能測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)系統(tǒng)中的各路傳感器的顯示值、系統(tǒng)測(cè)量值以及系統(tǒng)功能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示（此表為部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)）。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，系統(tǒng)的測(cè)量誤差符合設(shè)計(jì)預(yù)期，系統(tǒng)性能可靠性，運(yùn)行穩(wěn)定性。目前該產(chǎn)品已在各檢測(cè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)得到了大量的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國國家檢驗(yàn)檢疫總局.TSG R0006-2014氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京：新華出版社，2014.

[2]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局GB3836.14-2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第14部分：危險(xiǎn)場所分類[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[3]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局GB3836.15-2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第15部分：危險(xiǎn)場所電氣安裝（煤礦除外）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[4]龔運(yùn)新，陳淑蘭，謝曉飛.三菱PLC實(shí)用技術(shù)教程[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2007：110-123.