一種可燃氣體在線監(jiān)測報警物聯網系統的設計與應用

張永東

(三明市計量所,福建 三明 365000)

0 引言

隨著節(jié)能減排技術的推進,石油、煤炭等傳統燃料使用不斷減少,可燃氣體在生產生活中被更廣泛使用,不僅出現在油田、煉油廠、化工廠、液化氣廠等生產領域,也出現在加氣站、餐飲及家庭廚房等民生領域。這些氣體的使用在給人們生產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)火災甚至爆炸。因此,對可燃氣體進行實時監(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)現并采取措施。

常見的可燃氣體有天然氣、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、氮氣和硫化氫;瓦斯的主要成分為甲烷。本文針對一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)兩種可燃氣體進行報警系統設計,并介紹該系統拓展應用于有毒氣體氟化氫(HF)監(jiān)測及報警的應用實例,以期提供氣體報警物聯網系統的設計應用思路。

1 應用實例

本文介紹的應用實例為三明市計量所團隊科技特派員服務三明市海斯福化工有限責任公司的案例。三明市計量所團隊科技特派員研發(fā)的報警系統(GDS)由監(jiān)控軟件、網絡設備、GDS控制器、氣體探測器及聲光報警等組成,經網絡至控制中心計算機形成人機界面,能實現對客戶需監(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,該團隊科技特派員完成了全廠區(qū)的報警系統安裝調試工作。經驗證,該系統運行良好,對CO、CH4氣體的監(jiān)測效果優(yōu)于普通有毒氣體報警系統,成功將三明市海斯福化工有限責任公司在用的280余臺(套)氣體報警器(含可燃氣體、有毒氣體、有害氣體)整合成一個物聯系統,實現了在線氣體數據的實時監(jiān)測和集中監(jiān)控,為氟化工企業(yè)搭建起一張“健康防護網”,切實保障企業(yè)安全生產。

2 系統整體設計

系統使用的氣體檢測報警器應按《可燃氣體檢測報警器》(JJG 693—2011)要求進行檢定。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］

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

圖1 系統整體框架

3 采集終端(探測器)設計

常用的可燃氣體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式(擴散型與吸入型)、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、半導體型、電化學型、光致電離型、激光型、噪聲型、催化燃燒型、熱傳導型等。實際生產過程中,常用的可燃氣體和有毒氣體探測器多為固定的點式催化燃燒型探測器、熱傳導型探測器、紅外氣體探測器、半導體型探測器、電化學型探測器、光致電離型探測器等［2］。

系統選用半導體型探測器監(jiān)測CO,催化燃燒型探測器監(jiān)測CH4。半導體型探測器的原理是探測器四周可燃氣體濃度上升,通電預熱后,由于半導體部件對敏感氣體的吸附作用,內部化學反應加速,氣敏半導體部件電阻值呈指數下降,電阻的變化通過轉化電路轉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。當熱敏橋臂空氣中含有易燃氣體時,會催化燃燒,使電橋產生不平衡電信號輸出,輸出的電信號大小與可燃氣體的濃度有關。

3.1 CO終端設計

選用英國原裝進口CITY CO傳感器—4CM,半導體型,標準量程是0～2000μmol/mol。三電極電化學傳感器,自帶酸性氣體過濾器,在空氣中使用壽命為兩年,具有響應速度快、恢復時間短等優(yōu)點,尤其是在極端溫濕度條件下仍可長期運行,產品尺寸如圖2所示。

圖2 CO探測器產品尺寸圖

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,由運放構成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時間短的特性,CH4傳感器結構如圖5所示。

圖5 CH4探測器結構圖

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+)直接進入ADC的測量正。電阻R212、R213及電位器R216構成測量負,作為差分負端輸入。電位器R216為傳感器的零位調節(jié)部件,在無被檢測氣體存在時,調節(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 終端軟件設計(主機)

①數據實時處理。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,采集終端將實時數據發(fā)送至主機,在單片機控制中心瞬時處理。

②數據采集。根據環(huán)境具體要求,選配不同的參數組合,終端要兼容不同的采集要求。采集系統可靠性在系統中至關重要,是系統能夠正確運行的保證。為保障系統的穩(wěn)定性,硬件電路可設置自檢程序,自檢程序可對采集系統進行監(jiān)測,保證系統出現異常情況時能被發(fā)現,起到預防的作用。

③終端軟件設計。先對微處理器和外圍器件初始化,液晶屏進入初始顯示畫面,開始采集數據并進行數據處理,判斷是否超過設定報警值,若超過則通過無線發(fā)送報警數據至監(jiān)測報警平臺。平臺通過物聯網技術可操縱預設的電磁閥、排風機等設備,進行應急響應。

主機選用CMOS 8位單片機AT89C52,主機軟件設計流程如圖8所示。

圖8 主機軟件設計流程

5 應用系統概況

本GDS系統采用符合《可燃氣體報警控制器》(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品認證、SIL認證,內部集成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,并直觀明了地呈現在人機圖形界面上。當監(jiān)測到可燃/有毒氣體報警信號時,GDS接收現場檢測器的信號,可實時顯示氣體濃度檢測數據。當超過設定濃度時,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所有報警控制系統具有對所有 AI、DO 進行斷路和短路診斷的功能,能發(fā)出聲、光故障報警信號。

⑥報警控制系統設置后備電源,具有掉電保護功能。當電源斷開時,其內部存儲的數據不會丟失。

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

⑧報警控制系統具有事件追憶,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。三是為實現事件追憶功能的記錄器的每一個輸入,單獨分配一個標簽號和服務說明。四是歸檔的數據可以存儲在本地硬盤、光盤等。

⑨控制系統的顯示功能體現在工程師站上。報警控制系統提供下列顯示內容：

一是報警部位總數顯示,區(qū)分報警點時間順序并連續(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備和報警控制系統現場設備的平面布置,可詳細觀測各設備的相對位置及報警控制系統現場設備的位號、測量值、狀態(tài)及相關描述。在分區(qū)平面圖顯示時,在顯示器的左上方出現縮小的總平面圖。 當現場探測器探測到危險信號時,系統發(fā)出報警聲響,并且在總平面圖上的相應裝置區(qū)發(fā)出閃光信號。同時,系統自動彈出相對應的分區(qū)平面圖,以顯示出該探測器周圍最詳細的畫面,在該畫面中,探測器的圖符和測量值的標注文字也發(fā)出閃光信號。當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的畫面同時顯示。

6 結束語

本文提供了一種對可燃氣體在線監(jiān)測報警應用設計,可實現實時監(jiān)測顯示CO、CH4、C3H8、O2和大氣壓力、溫度、濕度等參數的不同組合,實現通過報警平臺向手機、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任公司成功應用。該系統使用可靠,可靈活拓展至粉塵、煙氣等有毒、有害環(huán)境監(jiān)測參數的實時報警。