钢铁企业煤气泄漏无线监测系统的设计及应用

鲁绍军，薛冬晨，谢红艳,李 泉

（1河北省首钢迁钢公司动力作业部，2河北省首钢迁钢公司能源部，河北迁安 064404）

1 引言

煤气是钢铁企业生产过程中产生的重要二次能源，它的主要成分是一氧化碳，煤气的充分回收和合理利用不仅对钢铁企业降低成本具有重要意义，而且对于减少污染物排放具有重要的环保意义。在煤气的回收和使用过程中，为了去除管道内煤气凝结的水分，需要在管道上安装煤气排水器，煤气排水器的作用是收集和排出煤气管道中的冷凝水，当煤气压力频繁波动时，若补水不及时，排水器容易被击穿，将导致煤气外漏。由于煤气输送管线长，覆盖区域广，管道沿线排水器较多，而且主要分布在厂区的的主干道两侧，一旦出现煤气泄漏将会造成重大人员伤亡事故。

为了提高煤气防护的能力,在煤气水封容易泄露的地方安装煤气报警器,一旦发生煤气泄漏，立即发出报警，警示路人迅速撤离。除此之外还需要立即通知专业人员进行处理，因此还需将检测信号传送到专业维护值班室，由于管道沿线排水器安装分散，区域广大，如果采用有线通信不但投入成本高，而且施工不方便，本文所叙述的煤气管网在线监测系统采用了跳频电台无线网络。该监测系统由1个主站配有9个分站组成，72个监测点位.一旦现场发生泄漏并超过报警值，不仅现场配有语音声光报警器通知附近人群，而且从测控中心同时报警并显示泄漏位置，运行人员第一时间接到报警通知可立即赶往现场进行处理，大大减小了发生煤气泄漏时所造成的危害。

2 系统原理

如图1所示系统共分9个子站，每个子站带16路模拟量输入端，每站带8台煤气探头，分布于相邻的4个煤气排水器旁边，每个排水器设置独立的语音报警器，一个服务器接收端设在配水动力管道班，架设天线接收无线信号，子站采用密封防爆箱保护性安装。每个探头检测到的4～20 mA信号用硬线送到就近子站的模拟量输入端，信号经过子站处理转换后由无线电台发送到远程主站，发生煤气泄漏时可以实现现场和远程站同时报警。

3 系统结构

本系统分三个子系统构成：（1）监测传感器网络：设置在监测区域，探测节点上的传感器定时采集煤气排水器所在区域煤气含量，向TransNET节点转发，现场煤气报警器将模拟信号传给信号隔离采集器、信号隔离转换器，经RS232接口与MDS900无线传输模块相连，通过MDS900透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到无线网络。（2）跳频电台远程数传网络：TransNET 900建立主站与分站之间的连接，将接收到的数据封装后，经跳频网络传送到测控中心。（3）上位机，测控中心的TransNET网络通过全向天线接收来自各节点的数据，通过RS232接口与上位机连接，测控中心服务器接收到MDS900网络终端传来的连接申请，先进行认证，认证通过后接受传来的数据并进行处理。数据接收和处理由上位机软件进行管理。煤气报警监控系统结构拓扑图如图2所示。

图1迁钢动力厂无线煤气报警系统示意图

图2 煤气报警监控系统结构拓扑图

4 硬件设计

无线传输系统采用的是“集中管理-分散监测”，集散式报警监控系统由中央管理工作站(终端监控)、无线通信网络、现场数据终端、子站、从站处理站、语音声光报警器、CO报警探测器等几部分组成。

煤气排水器在线监测系统中，有一台工业计算机放在管理中心，设置一台MDS900主站，与现场分站通讯，现场放置10台分站，负责采集现场72个煤气探头。集中采集煤气泄漏值通过分站送到主站。

4.1 智能型可燃气体检测部分

该系统使用的PⅠCKETER系列现场检测探头，是采用单片机控制的智能型探测器。具有现场浓度显示、现场报警指示灯指示、现场直流接点输出（可连接控制现场报警器）、催化燃烧方式传感器（可燃性气体检测探头）、（4～20）mA 变送器、零点负漂移自动调整（无零点负漂移）、零点正漂移补偿等功能，同时保证检测探头工作输出稳定。

在易发生泄漏的水封围挡内安装语音煤气报警探测器（含声光报警器），当检测气体浓度超标时,发出高音报警响声及红色危险信号闪光。语音报警器由封装好的芯片和音箱组成，当接到报警信号时开始播放，如“有煤气泄漏，请注意安全”（内容可根据实际需要录音）。也适用于夜间及噪音场所，对相关人员起到警示作用。煤气报警探头采用RVVP3×1.5 mm控制电缆与子站相连接，子站负责为煤气报警探头提供24 V直流电源。

4.2 数据采集部分

数据采集部分由信号隔离采集器和信号隔离转换器构成。

信号隔离采集器需要直流24 V供电，具有模拟量采集功能，可以16路信号隔离采集。把煤气检测探头输出的4～20 mA信号接到该采集器的输入端，提供给RS485通讯接口，可以实时采集煤气报警仪检测到的煤气浓度。

转换器由直流24 V供电，该转换器负责把RS485信号转换成RS232信号，目的是与MDS900分站连接，实现远程数据的传输。转换原理如图3。

图3 数据采集模块原理图

4.3 隔离净化电源

隔离净化电源的作用是让控制设备、变流设备和其它装置与供电系统隔离，独立工作。外部提供的220 V交流电，有时不太干净，经过隔离净化电源后，可以滤掉干扰，提供输出干净的直流24 V电源，从而提高设备的安全和防护能力。净化后的直流24 V电源输入到直流分配器，被分为16路电源信号，每一路都独立输出直流24 V。当有一路煤气报警仪超负载时，只是这一路暂时停止，不至于将总电源烧坏，避免影响其它15路报警器的实时通讯。一旦负载正常，又开始正常供电，并且恢复正常通讯。

4.4 无线传输系统

无线传输系统采用的是“集中管理-分散监测”，采用MDS900电台，有一个主站和10个分站组成，该电台具备跳频扩频功能，传输距离可达到35 km，抗干扰能力强，实时采集现场的气体检测数据。MDS TransNET 900是专业的数传电台，工作于（900～1000）MHz频段，可以实现一定范围内的点对多点通信，它的特点在于长距离、稳定、可靠。全双工的工作模式，采用先进的扩频跳频技术，采用了DSP芯片，具有信道编码，前向纠错功能。运用了CPFSK数字调制方式，相干解调，均衡软判决等技术，大大提高了设备增益，产品的稳定性、可靠性、抗干扰性，传输速率远远超过普通数传台。设备本身为用户提供一个115.2K的串口，串口RS-232/RS-485可选，本设计由串口RS-232接入。

4.5 全向天线

在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性；在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用于郊县大区制的站型，覆盖范围大。全向天线可以接受来自各个角度的信号并向各个角度发射信号，应用范围广泛，大部分无线产品都是将全向天线作为设备上的标准配置。全向天线在各个方向上的延伸性是一样的，这些信号叠加后最终组成了一个以天线为球心的球体。

4.6 上位监控系统

由一台主机来接收MDS900主站提供的数据，通过RS232接入主机，监测各物理煤气检测点、检修过程跟踪、实时数据收集、事件日志、人机界面、报表生成和打印、历史数据查询、与其他系统的数据通信。

5 软件系统结构

系统软件基于WⅠNDOWS平台，界面采用动态画面和区域图动态画面，人机界面友好，功能强大，采用分级式煤气报警监测，管理人员借助煤气监控系统软件，通过区域图界面将看到某个位置煤气泄漏的浓度。一级报警动态显示在区域图上某个地理位置上，颜色为黄色；二级报警颜色为红色，同时发出声音报警,并显示此浓度值，把报警事件及浓度值纪录下来以备将来查用。通过历史报警数据为我们分析出什么位置极易泄漏煤气，这样既节约了时间，又为我们避免了不必要的直接经济损失。

图4 煤气报警监控系统软件基本结构

设置界面菜单有5个二级菜单，分别是：安装区域名称设置、安装地点名称设置、串口设置、棒图最大值设置、煤气报警二级上下限设置。

安装区域名称设置主要是某个区域名称设置；安装地点名称设置是水封某个地理位置上安装的煤气报警仪的名称；串口设置是接收或发送无线装置的RS232口设置；棒图最大值设置是煤气浓度值最大值；煤气报警上下限设置是煤气报警值上限和下限的设置。

实时显示界面菜单有三个二级菜单：棒图实时显示界面、区域图实时显示界面、主界面实时显示。

二级菜单的棒图实时显示界面是显示煤气报警浓度值，以棒图显示煤气浓度；区域图实时显示界面是地理位置图，一个平面结构地理图一旦有报警在地理位置上将有一个晕圈在不停闪烁，证明该处有煤气浓度超标。黄色为一级报警，红色为二级报警；主界面实时显示将用文本框形式显示从现场发送来的实时煤气泄漏的浓度值。当煤气浓度信号及报警位置信号发送至远程监控计算机上后，通过监控机上的煤气颜色显示及报警信号，实时监测所有点位的煤气泄漏的浓度。一级报警动态显示在区域图上某个地理位置上颜色为黄色，二级报警颜色为红色同时发出声音报警,并显示此浓度值,把报警事件及浓度值记录下来，系统具有历史报警数据保存功能以备将来查用。当检测气体浓度超标时,现场发出语音报警响声及红色危险信号闪光，对周围人员起到警示作用。相关专业人员能够立即发现具体的煤气泄漏点的物理位置，使事故得到及时处理，避免造成重大安全事故。

远程监控站是专用的监控系统，系统应具有以下功能：

（1）实时性 — 现场的气体检测数据能实时发送到监控中心服务器，每秒采集一次现场数据，150 ms采集一个子站数据，每1.5s对整个环网所有煤气报警探头实现一次数据采集。

（2）实用性 — 气体监测系统的实时报警，便于维护、更新、管理。

（3）应急性 — 气体监测的实时报警便于应急指挥。

（4）安全性 — 气体监测的实时报警能被大量存储，便于事后分析，查找隐患、规避风险。

（5）规范性 — 安全符合国家标准和行业标准

6 结语

本系统采用跳频电台无线网络，把整个钢厂的煤气管道水封集散式的监控起来，结构简单、可靠性强、精度高、实时性强，可以有效监测泄漏气体的位置及含量值，并已经在实际生产中得以验证。该系统的投入使用，改变了以往依靠人工持报警仪巡检各个管道是否有煤气泄漏的管理模式，实现了煤气在线监测系统集中监控，极大的提高了煤气管道煤气泄漏生产管理水平，是在首钢迁钢工业控制及监测领域首次较大规模的无线遥测技术。建立煤气水封气体泄漏遥测遥信系统后，提高了煤气管道水封气体泄漏的预防技术水平，改善了生产管理模式，具有较大的实用价值。

[1]马明建.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社,2005.

[2何玉洁.数据库原理与应用教程[M].北京:机械工业出版社，2008.

[3]Jack S.Moderncommunicationcircuits.McGraw Hill Company,1986

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