爆炸性氣體存儲監控系統設計

郭洪祥

摘要：爆炸性氣體作為一種危險物質，在存儲或使用過程當中一旦產生泄露，將會產生爆炸，引發火災，造成人身傷害或財產損失。因此，對爆炸性氣體在存儲過程當中進行監控有著重要的現實意義。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監控系統，給出了系統組成及相關的軟件設計。

關鍵詞：PLC 氣體監控系統 MCGSE組態

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0177-02

1 引言

隨著工業的發展，越來越多的試驗性氣體得到了廣泛應用。試驗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，在存儲過程中極易發生泄漏。一旦產生泄露，將會產生爆炸，引發火災，造成人身傷害或財產損失。因此，對爆炸性氣體在存儲過程當中進行監控成為一種必要[1]。本文以CH4、H2為例，設計了一種基于PLC的爆炸性氣體存儲監控系統，該系統具有靈敏度高、操作方便等優點，并已在現場得到了廣泛的應用。

2 系統設計

系統采用PLC作為數據采集與控制主體，采用觸摸屏作為顯示控制界面，選用防爆傳感器24小時全天候對存儲區域內的溫度、煙霧以及CH4、H2等爆炸性氣體濃度進行監測，以便在氣瓶發生泄漏或發生火災時發出聲光報警。本系統還可以將數據自動儲存并生成曲線和EXEL文件可供用戶隨時調閱。

2.1 系統硬件設計

由于本系統中涉及到的CH4、H2為易燃易爆氣體，在存儲過程當中有可能發生些泄漏，因此其所在的區域稱為危險區（1區），傳感器探頭采用防爆傳感器，安裝在此區域內；在無爆炸性氣體的區域稱為非危險區，即安全區[2，3]，控制箱安裝在此區域，區域內的設備采用普通電氣設備。安全區域與危險區域的傳輸信號采用安全柵進行電氣隔離。同時，對給危險區的電氣設備供電的電源采用本安電源模塊，對給安全區域電氣設備供電的電源采用普通的開關電源模塊，以防止安全區與危險區的供電串擾。

由于甲烷傳感器、氫氣傳感器、溫度傳感器的信號輸出為模擬量，此種傳感器的輸出信號需經過隔離柵隔離后分別接入PLC A/D轉換模塊的IN0、IN1、IN2通道進行數模轉換后再由PLC進行處理；而煙霧傳感器的輸出信號為開關量信號，因此煙霧傳感器的輸出信號經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分別防爆風扇和聲光報警器。其設計原理圖如圖1所示。

2.2 軟件設計

系統軟件包含兩部分：一部分為PLC程序設計，另一部分為上位機組態軟件設計。上位機組態軟件采用MCGSE組態軟件編寫，包含氣體濃度顯示、報警上限設置、輸出控制、操作按鈕等四部分，其運行主界面如圖2所示。

氣體濃度顯示（圖2綠色區）：該區域顯示各傳感器的氣體濃度、溫度的測量值。由觸摸屏實時讀取PLC中A/D轉換通道的數值后，再經過D/A轉換后進行顯示。

報警上限設置（圖2白色區）：該功能便于用戶自行設定系統產生報警信號的閾值。設定值與顯示值進行實時比較，當顯示值大于設定值時發出報警并啟動風扇，同時顯示區域相應通道的顏色由綠色變為紅色。由于顯示值與設定值可能帶有小數，而PLC軟件沒有小數比較功能，因此，在軟件處理時均采用先放大10倍進行取整后再進行數值比較的方式。

輸出控制：PLC程序采用梯形圖的形式進行編程，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警信號（當甲烷、氫氣、溫度的測量值大于各自的設定值時，分別使PLC的輔助觸點M120、M124、M128閉合；當有煙霧信號時，X000閉合）。當任何一路信號閉合時，PLC的輔助繼電器M138都會得電，從而使Y000接口（防爆風扇）和Y001接口（警號）啟動（注：輔助觸點M5默認為閉合）。

操作按鈕：操作按鈕包含傳感器電源和警號開關兩個按鈕。為了實現發生報警后在警情消失前，能夠手動關閉聲光報警器，在組態軟件中設計了警號開關按鈕。此按鈕直接控制PLC的輔助繼電器M5，在發生警情時（此時聲光報警器工作）手動按下該按鈕后，輔助觸點M5斷開，聲光報警器停止工作。當險情消失后，軟件自動將該輔助觸點M5回到閉合狀態，從而使再次發生警情后，警號又能自動打開，從而實現警號手動關閉后不必再次人為復原的功能。

針對煙霧傳感器在煙霧險情消除后其輸出信號不能自動復位的特性，在軟件界面中設計了傳感器電源開關按鈕，通過給煙霧傳感器斷電的方式來進行復位。

3 性能測試

系統設計完成后用標準氣體對系統中的各路傳感器的顯示值、系統測量值以及系統功能進行了測試，實驗數據如表1所示（此表為部分試驗數據）。

實測結果表明，系統的測量誤差符合設計預期，系統性能可靠性，運行穩定性。目前該產品已在各檢測檢驗機構及實驗室校準機構得到了大量的應用。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家檢驗檢疫總局.TSG R0006-2014氣瓶安全技術監察規程[S].北京：新華出版社，2014.

[2]國家質量技術監督局GB3836.14-2000爆炸性氣體環境用電氣設備 第14部分：危險場所分類[S].北京：中國標準出版社，2000.

[3]國家質量技術監督局GB3836.15-2000爆炸性氣體環境用電氣設備 第15部分：危險場所電氣安裝（煤礦除外）[S].北京：中國標準出版社，2001.

[4]龔運新，陳淑蘭，謝曉飛.三菱PLC實用技術教程[M].北京：北京師范大學出版社，2007：110-123.