一种可燃气体在线监测报警物联网系统的设计与应用

张永东

(三明市计量所,福建 三明 365000)

0 引言

随着节能减排技术的推进,石油、煤炭等传统燃料使用不断减少,可燃气体在生产生活中被更广泛使用,不仅出现在油田、炼油厂、化工厂、液化气厂等生产领域,也出现在加气站、餐饮及家庭厨房等民生领域。这些气体的使用在给人们生产生活带来便利的同时,也带来了安全隐患,一旦发生泄漏,与空气混合后可能引发火灾甚至爆炸。因此,对可燃气体进行实时监测并报警十分有必要,能避免事故发生,或在事故失控之前及时发现并采取措施。

常见的可燃气体有天然气、液化石油气、煤气、沼气和瓦斯等。天然气的主要成分为甲烷,还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等;液化石油气的主要成分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯;煤气的主要成分为一氧化碳、氢和烷烃、烯烃、芳烃等;沼气的主要成分为甲烷,其余为二氧化碳、氧气、氮气和硫化氢;瓦斯的主要成分为甲烷。本文针对一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)两种可燃气体进行报警系统设计,并介绍该系统拓展应用于有毒气体氟化氢(HF)监测及报警的应用实例,以期提供气体报警物联网系统的设计应用思路。

1 应用实例

本文介绍的应用实例为三明市计量所团队科技特派员服务三明市海斯福化工有限责任公司的案例。三明市计量所团队科技特派员研发的报警系统(GDS)由监控软件、网络设备、GDS控制器、气体探测器及声光报警等组成,经网络至控制中心计算机形成人机界面,能实现对客户需监控位置的实时监测及集中监控。针对CO、CH4的特性和行业监测要求,该团队科技特派员完成了全厂区的报警系统安装调试工作。经验证,该系统运行良好,对CO、CH4气体的监测效果优于普通有毒气体报警系统,成功将三明市海斯福化工有限责任公司在用的280余台(套)气体报警器(含可燃气体、有毒气体、有害气体)整合成一个物联系统,实现了在线气体数据的实时监测和集中监控,为氟化工企业搭建起一张“健康防护网”,切实保障企业安全生产。

2 系统整体设计

系统使用的气体检测报警器应按《可燃气体检测报警器》(JJG 693—2011)要求进行检定。计量性能满足表1要求。

表1 气体检测报警器计量性能要求［1］

系统包括采集终端(探测器)、主机(单片机)、监测报警平台和报警终端四个部分。系统选用不同传感器,采用多通道实现对CO、CH4、丙烷(C3H8)、氧气(O2)和大气压力等进行采样;传感器配置适配的变送器,变送器通过A/D转换芯片将传感器采集的模拟量转化成数字量,并通过基于RF433协议的无线发送信号至主机;主机进行数字滤波、数据处理,将采集到的电压信号转化成对应的气体浓度值和其他参数值,并判断数据是否超过气体浓度报警设定值和其他参数值。通过GPRS/NB-Iot/Internet进行通信,发送实时数据至监测报警平台,平台发送相应的指令驱动手机、声/光和电脑等报警。系统整体框架如图1所示。

图1 系统整体框架

3 采集终端(探测器)设计

常用的可燃气体和有毒气体探测器分为多种类型,按布置方式不同可分为点式(扩散型与吸入型)、线式(开路式)和面式(红外成像式),按安装方式不同可分为固定式、移动式和便携式,按检测原理不同可分为红外光型、半导体型、电化学型、光致电离型、激光型、噪声型、催化燃烧型、热传导型等。实际生产过程中,常用的可燃气体和有毒气体探测器多为固定的点式催化燃烧型探测器、热传导型探测器、红外气体探测器、半导体型探测器、电化学型探测器、光致电离型探测器等［2］。

系统选用半导体型探测器监测CO,催化燃烧型探测器监测CH4。半导体型探测器的原理是探测器四周可燃气体浓度上升,通电预热后,由于半导体部件对敏感气体的吸附作用,内部化学反应加速,气敏半导体部件电阻值呈指数下降,电阻的变化通过转化电路转化为可测量的电信号;催化燃烧型探测器的原理是采用平衡电桥,其中一个桥臂为热敏元件,热敏元件外覆盖催化剂。当热敏桥臂空气中含有易燃气体时,会催化燃烧,使电桥产生不平衡电信号输出,输出的电信号大小与可燃气体的浓度有关。

3.1 CO终端设计

选用英国原装进口CITY CO传感器—4CM,半导体型,标准量程是0～2000μmol/mol。三电极电化学传感器,自带酸性气体过滤器,在空气中使用寿命为两年,具有响应速度快、恢复时间短等优点,尤其是在极端温湿度条件下仍可长期运行,产品尺寸如图2所示。

图2 CO探测器产品尺寸图

采用的电路图如图3所示。VS=VR>1.0V,气体浓度增加时,V0信号上升。VR和VS需要用电压基准芯片分压提供,在输出端V0增加RC滤波和一级跟随。在CO测量中,由运放构成CO传感器的馈电缓冲,作为输出端的输出缓冲采用一个运放,然后输出至ADC输入端,ADC采用单端测量模式。CO探测器实物图如图4所示。

图3 CO探测器电路图

图4 CO探测器实物图

3.2 CH4终端设计

CH4传感器选用CiTipeL系列催化燃烧型传感器,具有抗震性好和响应时间短的特性,CH4传感器结构如图5所示。

图5 CH4探测器结构图

CH4测量电路中供电3.3V,ADC处在差分测量模式。传感器的输出端P111(ADC_IN+)直接进入ADC的测量正。电阻R212、R213及电位器R216构成测量负,作为差分负端输入。电位器R216为传感器的零位调节部件,在无被检测气体存在时,调节传感器自身的零位输出。电路图如图6所示,CH4探测器实物图如图7所示。

图6 CH4探测器电路图

图7 CH4探测器实物图

4 终端软件设计(主机)

①数据实时处理。监测报警平台对实时性要求较高,每通道每秒至少采集处理1次,采集终端将实时数据发送至主机,在单片机控制中心瞬时处理。

②数据采集。根据环境具体要求,选配不同的参数组合,终端要兼容不同的采集要求。采集系统可靠性在系统中至关重要,是系统能够正确运行的保证。为保障系统的稳定性,硬件电路可设置自检程序,自检程序可对采集系统进行监测,保证系统出现异常情况时能被发现,起到预防的作用。

③终端软件设计。先对微处理器和外围器件初始化,液晶屏进入初始显示画面,开始采集数据并进行数据处理,判断是否超过设定报警值,若超过则通过无线发送报警数据至监测报警平台。平台通过物联网技术可操纵预设的电磁阀、排风机等设备,进行应急响应。

主机选用CMOS 8位单片机AT89C52,主机软件设计流程如图8所示。

图8 主机软件设计流程

5 应用系统概况

本GDS系统采用符合《可燃气体报警控制器》(GB 16808—2008)的气体报警控制器作为报警控制单元,该报警控制单元已获取消防产品认证、SIL认证,内部集成4路为一体的I/O卡件,将信号实时传输至中央控制室(CCR)的工程师站,并直观明了地呈现在人机图形界面上。当监测到可燃/有毒气体报警信号时,GDS接收现场检测器的信号,可实时显示气体浓度检测数据。当超过设定浓度时,在控制室持续发出声/光报警。

①报警控制系统的主控单元以S750 为核心,其最大回路扫描时间不大于500ms。

②能为可燃/有毒气体探测器及其附件提供可靠电源。

③能接收气体探测器的输出信号,显示气体浓度,同时可发出声/光报警。

④具有独立的报警功能,能区分和识别报警器使用的位号。

⑤所有报警控制系统具有对所有 AI、DO 进行断路和短路诊断的功能,能发出声、光故障报警信号。

⑥报警控制系统设置后备电源,具有掉电保护功能。当电源断开时,其内部存储的数据不会丢失。

⑦报警控制系统建立一套站场各区域现场设备的“电子地图”,包含每一个现场设备的位置信息。当现场设备发出报警时,全厂监视画面报警显示,并且弹出分区画面显示报警点的具体位置。

⑧报警控制系统具有事件追忆,又称事件顺序记录(Sequence Of Event,SOE)功能。

一是分辨率要等于或优于报警控制系统最小扫描时间,日计时误差不超过30s。二是所有输入输出信号、报警信号(包括系统报警)和操作信息都将作为事件追忆记录器的输入信号。三是为实现事件追忆功能的记录器的每一个输入,单独分配一个标签号和服务说明。四是归档的数据可以存储在本地硬盘、光盘等。

⑨控制系统的显示功能体现在工程师站上。报警控制系统提供下列显示内容：

一是报警部位总数显示,区分报警点时间顺序并连续显示。二是全厂平面图报警显示,提供完整的工厂总平面图,图上有各分装置的名称标注和报警显示。 三是分区平面图报警显示。分区平面图报警显示主要工艺设备和报警控制系统现场设备的平面布置,可详细观测各设备的相对位置及报警控制系统现场设备的位号、测量值、状态及相关描述。在分区平面图显示时,在显示器的左上方出现缩小的总平面图。 当现场探测器探测到危险信号时,系统发出报警声响,并且在总平面图上的相应装置区发出闪光信号。同时,系统自动弹出相对应的分区平面图,以显示出该探测器周围最详细的画面,在该画面中,探测器的图符和测量值的标注文字也发出闪光信号。当有多个探测器同时探测到危险信号时,自动分成多个较详细的画面同时显示。

6 结束语

本文提供了一种对可燃气体在线监测报警应用设计,可实现实时监测显示CO、CH4、C3H8、O2和大气压力、温度、湿度等参数的不同组合,实现通过报警平台向手机、声/光报警器、电脑等终端报警,并在三明市海斯福化工有限责任公司成功应用。该系统使用可靠,可灵活拓展至粉尘、烟气等有毒、有害环境监测参数的实时报警。