基于PLC的食堂燃氣泄漏監控系統的實現

邱國寶 孟祥印 周 倫 唐 波

（西南交通大學機械工程學院智能機電技術研究所)

基于PLC的食堂燃氣泄漏監控系統的實現

邱國寶*孟祥印 周 倫 唐 波

（西南交通大學機械工程學院智能機電技術研究所)

某大型食堂的燃氣泄漏監控系統采用SIEMENS公司的S7-200系列CPU 224CN為控制器，配合功能擴展模塊EM231和ES2000T-C催化接觸式可燃氣體探測器，實現燃氣泄漏的檢測和供氣閥門的連鎖控制。配置的TD400C文本顯示屏實時顯示各關鍵測點的燃氣濃度，并實現參數設置和報警控制等人機交互功能。

燃氣泄漏 監控系統 可燃氣體探測器 食堂 檢測 連鎖控制

學校、大型廠區和事業單位的食堂環境嘈雜、人流量大，燃氣泄漏不易被人察覺。一旦發生爆炸事故，人員傷亡嚴重。如2014年3月3日中午12時左右，中石化東莞石油公司食堂因液化氣瓶泄漏引發爆炸，當時就造成1人死亡，20多人受傷。

為預防爆炸、火災和人身中毒事故的發生，保障人民生命財產安全，在食堂廚房安裝一套燃氣泄漏監控系統意義重大。

本文以某大型廠區的食堂為例，設計并實現了基于PLC的燃氣泄漏監控系統。系統中的可燃氣體探測器檢測燃氣泄漏的濃度，并經過PLC處理后在文本顯示器中顯示。燃氣濃度超過一定閾值時，PLC則啟動報警，并連鎖控制開啟相關軸流風機，同時切斷入口電磁閥，停止供氣。該燃氣泄漏監控系統功能可靠，經濟實用，便于推廣。

1 燃氣泄漏監控系統組成與功能

根據食堂面積、用氣量大小、泄漏探測器一般的探測范圍等因素，確定監控系統由8個 （3個備用）可燃氣體探測器、3個軸流風機、1個聲光報警器、1個燃氣入口控制電磁閥和1個帶文本顯示器的PLC控制箱組成。圖1具體地顯示了系統設備布局和各設備的相互關系。

其中一樓安裝2個探測器、1個風機聯動控制箱 （用于控制1#防爆軸流風機）。當檢測到食堂一層2個可燃氣體探測器任意一個輸出信號超出報警閾值 （一般為15%或20%LEL）時，PLC控制器自動遠程啟動食堂一層的1臺軸流風機，并切斷入口電磁閥；當2臺可燃氣體探測器輸出信號均沒有達到報警閾值時，自動遠程關閉食堂一層的軸流風機，此時可以手動復位燃氣入口電磁閥。

二樓安裝3個探測器和1個風機聯動控制箱（控制2#和3#防爆軸流風機）。當接收到食堂二層3個可燃氣體探測器任意一個輸出信號超出報警閾值時，PLC控制器自動遠程啟動食堂二層的2個0.55 kW軸流風機，切斷供氣電磁閥；當3個可燃氣體探測器輸出信號均沒有達到報警閾值時，自動遠程關閉食堂二層的2臺軸流風機，此時可手動復位供氣電磁閥。

圖1 燃氣泄漏監控系統設備布局和各設備相互關系

2 監控系統實現

2.1 系統硬件設計

系統I/O點設置如下：

模擬量輸入信號 （AI） 8個，即可燃氣體探測器信號8路 （每個探測器1路）；開關量輸出信號 （DO）5個，即聲光報警輸出1路，軸流風機控制3路，電磁切斷閥控制1路。

據此，并考慮到成本和可靠性等因素，系統選用性價比較高的西門子S7-200系列 CPU 224CN為控制器，其板載14路DI、10路DO；擴展2個模擬量輸入模塊EM231，每個模塊提供4路AI。

文本顯示設備是一種低成本的人機交互界面（HMI），特別適用于簡單操作和應用。系統選用TD400C文本顯示器，它能與S7-200 CPU無縫兼容，成本低廉，組態簡單。它能背光液晶顯示2行大字體或 4行小字體，分辨率為 192×64。通過TD/CPU電纜與 S7-200相連，電纜既用于給TD400C供電，也是二者數據通信的橋梁。

ES2000可燃氣體探測器采用進口氣體敏感元件做傳感器，具有精度高、可靠性好等特點。探測器可輸出4～20 mA標準電流信號，便與PLC自動化系統連接，隔爆型防爆，可用于1、2區危險場所。該探測器為催化接觸燃燒式，在較寬的環境溫度下能穩定工作，并能對爆炸下限的絕大多數可燃性氣體進行檢測，適用于廠區大型食堂油煙較多、濕熱較重的環境。

CPU 224CN通過模擬量輸入模塊EM231處理探測器ES2000采集的現場泄漏濃度信號，信號經AD轉換、數值變換后傳送到TD400C文本顯示屏上實時顯示。同時PLC比較泄漏濃度與報警濃度，一旦泄漏濃度達到甚至超過報警濃度值，則觸發聲光報警，啟動電磁閥切斷氣源，啟動防爆軸流風機進行送風。整個監控系統原理框圖如圖 2所示。

圖2 燃氣泄漏監控系統原理框圖

2.2 系統軟件設計

根據系統功能和要求，由PLC控制器及其擴展模塊來完成各種信號的采集、數據的處理、控制指令的傳送和外圍設備的連鎖控制，并把數據送給顯示屏來顯示現場狀態。PLC程序使用SIEMENS公司的STEP7-Micro/WIN編輯，設計中采用模塊化方式進行軟件編寫，通過組織塊、功能塊、數字塊等模塊的調用，保證程序結構簡潔明了。燃氣泄漏監控系統程序流程如圖 3所示。

圖 3 系統程序流程

PLC接收電流信號范圍為0～20 mA，可燃氣體探測器傳送的電流信號范圍為4～20 mA。查詢S7-200硬件選型手冊中關于模擬量輸入EM231模塊的技術特性，對于單極性的工程量，20 mA對應的A/D轉換值應為32 000；實際測量時若無燃氣泄漏，現場儀表輸出4 mA電流，A/D轉換后寄存器的值為6400。因此，預設的報警濃度需先經過換算程序然后才送入寄存器，再將其與現場儀表輸入電流值經A/D轉換后的實時測量值進行比較，判斷是否觸發報警。以下為該系統的換算程序部分：

其中 VD0為初始化濃度報警值；VD104、VD108、VD112均為中間計算寄存值； VW100為存放屏幕上輸入的報警濃度值對應AD轉換值。

3HMI設計

系統采用TD400C作為人機交互界面。TD400C使用TD/CPU電纜直接與S7-200 CPU連接，進行一對一網絡組態。使用TD400C的“診斷”或“TD設置”菜單可以設置網絡地址、波特率和其他參數。

TD400C的組態可以通過STEP7-Micro/WIN中的Keypad Designer實現，如自定義鍵盤，設計文本顯示屏幕和報警信息等。組態完畢后，下載到CPU中，在STEP7-Micro/WIN數據塊中會以參數塊的形式顯示TD配置信息、報警信息以及用戶信息等，在PLC程序中會自動形成兩個子程序。

子程序TD_CTRL_0由SM0.0調用以確保每個掃描周期都能實施對TD400C的所有更新 （例如報警或改變語言設置）；子程序TD_ALM_0用于調用報警信息。用戶菜單不受程序控制，可以通過面板上的按鍵修改以及查看所有已定義的畫面信息。

根據實際，本HMI設計定義了 “一樓監控狀態”、“二樓監控狀態”、“報警設置”、“歷史查看”等界面。組態后的主界面（一樓監控狀態）如圖4所示。

圖4 TD400C主界面

4 結語

以某大型廠區的食堂為對象，組建基于PLC的食堂燃氣泄漏監測報警系統，實現了燃氣泄漏濃度采集、數據處理、泄漏報警、風機控制、燃氣通道控制等功能。目前，該系統已投入使用半年，運行穩定，安全可靠，滿足了用戶需求，確保了該廠區食堂用氣安全。

Realization of PLC-based Gas Leakage Monitoring System in the Dinning Hall

Qiu Guobao Meng Xiangyin Zhou Lun Tang Bo

The CPU 224CN belong to SIEMENS S7-200 is used as controller of the gas leakage monitoring system built in a large dining hall.Combining functional extended module EM231 and the catalytic contact-type combustible gas sensor,ES2000T-C,it is capable of detecting the gas leakage and realizing the chain control for gas valves.The concentration of leaked gas at each critical checkpoint can be monitored and shown simultaneously on a TD400C text display screen.The monitoring system also provides human-computer interaction functions such as parameters setup and alarming control.

Gas leakage；Monitoring system；Combustible gas sensor；Dining hall;Detection;Chain control

TQ 056.8

2014-03-05）

*邱國寶，男，1991年生，碩士研究生。成都市，610031。