防爆正壓柜控制部分冗余設計淺談

(江蘇爾樂電氣科技有限公司,江蘇 啟東 226200)

1 引言

隨著石油化工、金屬冶煉、化學制藥等行業的飛速發展，防爆正壓柜在體系控制中的利用越來越廣泛。它的防爆原理是：正壓柜(主腔內)通入一定壓力的新鮮空氣或惰性氣體，使周圍的可燃性氣體不能進入外殼內部，從而阻止點燃源與爆炸性氣體接觸，達到防止爆炸的目的。 隨著技術的進步，防爆正壓柜的技術也越來越先進，尤其是其自動控制系統，由原先壓差儀表，通過繼電器進行控制，向著微機控制方向發展，使防爆正壓柜整體的性能得到不斷提高。下面以單片機為例，對其控制系統進行適當分析。

2 防爆正壓柜的氣壓控制[1]

防爆正壓柜由柜體和正壓充氣控制系統裝置兩部分組成，防爆正壓柜氣源由正壓充氣控制裝置進入柜體充氣并達到安全起動要求(100Pa≤ Δp≤400Pa);當低壓報警時，正壓控制裝置會輸出信號報警，必要時會切斷正壓柜電源。正壓柜在控制系統的控制下，通入保護氣體，正壓柜主腔內壓力高于正壓腔外的壓力，形成微正壓的安全小環境，從而阻止了可燃性危險氣體進入正壓腔內，保證內裝普通儀表和電器元件的安全運行。

正壓柜工作時，先進行5倍正壓柜主腔容積量的換氣，此過程，是通過進氣防爆電磁閥和排氣防爆電磁閥來實現的；換氣結束，氣壓在設定值范圍內，用遵循PID控制律的小口徑防爆電磁閥來實現氣壓穩定。

3 正壓柜的氣壓控制過程的實現

正壓柜的控制系統，根據壓差儀器反饋的信號值與設定值之間的偏差，通過執行元件(防爆電磁閥)進行調節的，實現正壓柜主腔的氣壓在設定的范圍內，從而達到防爆要求。

3.1 確定換氣時間

正壓柜開始工作時，必須對其進行換氣，使其內部的爆炸性氣體排到規定的安全值范圍內。

氣體流量公式[2]

其中：

qs——自由狀態流量L/min；

S——排氣管有效截面積mm2;

p1——正壓柜殼內絕對壓力：MPa;

Δp——壓差(MPa)，Δp=p1-p0;

T1——正壓外殼內熱力學溫度K;

p0——標準大氣壓。

此處換氣的正壓值取：Δp=400Pa，可以通過公式求得氣體流量qs;由正壓柜主腔的容積V;可得5倍換氣時間t=5V/qs。這是能夠估算出大概換氣時間，以便，在實際操作中，確定較正確的換氣時間。

3.2 控制過程

通過單片機設定程序，對正壓柜的氣壓系統進行控制。正壓柜開始工作后，單片機發出開閥指令氣壓控制系統開啟進氣閥與排氣閥，進行換氣，經過設定時間t后，檢測主腔內的正壓值。如主腔的正壓值在設定的范(100Pa≤Δp≤400Pa)，則關閉進氣閥與排氣閥，并開啟工作電源(主腔通電)，使正壓柜進入工作狀態。如此時的正壓值不在設定的范圍內：(1)主腔的正壓值小于設定范圍下限(100Pa)，檢查氣源壓力，柜體及排氣管泄漏量，并作相應調整，直到主腔的正壓值在設定的范圍內，再關閉進氣閥與排氣閥， 并開啟工作電源；(2)主腔的正壓值大于設定范圍的上限(400Pa)，關閉進氣閥，直到主腔的正壓值在設定的范圍內，再關閉排氣閥，并開啟工作電源。

氣壓控制系統，進入正常工作狀態后，由PID控制系統通過小口徑防爆進氣調節閥，對正壓柜氣壓值穩態調節控制，使其正壓值維持在設定值附近(Δp=200Pa)，從而使正壓柜處于穩定的工作狀態。在特殊情況下，如正壓值不在其設定的范圍(100Pa≤Δp≤400Pa)，單片機通過設定的程序，對進氣閥與排氣閥進行調節，以達到正壓值在設定的范圍內。

3.3 PID控制過程[3]

圖1 PID控制系統結構圖

比例-積分-微分(PID)控制器是常用的控制器，特點是大多數PID控制器是現場調節的，而且，當被控對象的數學模型不知道時， PID控制就顯得特別有用。

PID控制器的一般表達式：

由于本被控對象(正壓柜)的數學模型不知，通過現場實驗進行調整，確定相關參數(Kp，Ki，Kd)，實現PID控制。

3.4 正壓柜的控制部分

由進氣閥控制，排氣閥控制，PID控制和電源控制等組成，都通過單片機運行來實現，單片機根據氣壓控制過程的要求，編制適當的的控制程序，按要求現實設定控制，從而，使正壓柜處穩定正常的工作狀態。

4 單片機冗余控制過程[2-3]

4.1 單片機控制

軟件系統設計

圖2 主程序流程圖

圖3 PID控制

其中

set1=100Pa,set2=400Pa,set3=250Pa,set4=200Pa。

5倍換氣量的時間：t(為了確保換氣充分，必要時設定1.2t作為換氣時間)，程序運行的基本過程與控制過程運行相一致；達到正常工作狀態后，進入PID控制運行狀態。

PID程序運行過程：對已進入設定的狀態(100Pa

當正壓值超過400Pa時，排氣閥開啟，進行排氣(PID控制的調節閥處于關閉狀態)，直到正壓值小于400Pa為止；當正壓值小于100Pa時，進氣閥開啟，進行進氣(PID控制的調節閥處于全開狀態)，并開啟聲光報警，提醒值班工作人員，直到正壓值大于100Pa為止；如碰到正壓值持續下降，降到50Pa以下，則自動切斷正壓柜主腔電源。

在單片機控制系統外，還設立人工操作系統(按鈕)，必要時，進行特定操作，人工操作系統(按鈕)的優先級高于單片機控制系統；一般人工操作按鈕主要是：進氣開啟與關閉按鈕，排氣開啟與關閉按鈕，電源開啟與關閉按鈕(這些按鈕是防爆的，安裝在正壓柜的副腔內)。

4.2 控制冗余設計(雙CPU并聯冗余控制)

CPU模塊是整個控制系統的核心，一旦出現故障，整個控制系統就癱瘓，為此設計用兩個功能與結構完全相同CPU模塊實現冗余控制，這樣就提高了核心控制系統的安全可靠性，又方便了調試與維修。冗余系統采用了兩套CPU處理器模塊，一個處理器模塊作為主處理器，另外一個作為從處理器。正常情況下，由主處理器執行程序，控制I/O設備，從處理器不斷監測主處理器狀態。如果主處理器出現故障，從處理器立即接管對I/O的控制，繼續執行程序，從而實現對系統的冗余控制。

兩個CPU模塊的控制輸出端，分別與兩個三態邏輯電路門相連，兩個三態邏輯電路門輸出端并聯接入相應的控制電路，兩個三態門的EN控制使能端，又分別與一個(或兩個，可以相互獨立)觸發器狀態輸出端相連，控制三態處于導通或高阻狀態，觸發器的控制端與CPU模塊故障輸出相連；當正常運行時，其中一個主要的CPU模塊，控制運行狀態，而當主要的CPU模塊發生故障時，發出故障信號，通過觸發器，使其輸出狀態發生翻轉，從而使原先處于導通狀態的三態門變成高阻狀態，先前處于高阻狀態的三態門處于導通狀態，從而完成從主要的CPU模塊控制，切換成備用的CPU模塊進行控制，使防爆正壓柜的控制系統處于連續穩定的工作狀態(即生產不受影響)。同時，由原主要的CPU模塊控制的觸發器等電路，也切換到由備用的CPU模塊控制狀態。雙CPU模塊的冗余控制，是解決一個CPU模塊發生故障時，正壓柜控制系統仍能正常運行的有效方法。

5 結論

以上所述的正壓柜控制部件的設計，是根據一般性原則進行的，其原理具有普遍通用性；而其實現方法，可由多種方式進行：(1)控制部件也可由DSP，PLC等來完成；(2)雙機并聯冗余控制電路，也可由其他的連接方式與相應的程序來實現，能實現控制系統的穩，準，快原則即可；(3)控制規律也可不同方式完成，如在知道被控對象確定參數情況下，可由狀態控制法，設計控制律，可使控制更為精準。總之，正壓柜控制部件的設計，原則上，能使正壓柜達到正常有效運行就可行。