爆炸性气体存储监控系统设计

郭洪祥

摘要：爆炸性气体作为一种危险物质，在存储或使用过程当中一旦产生泄露，将会产生爆炸，引发火灾，造成人身伤害或财产损失。因此，对爆炸性气体在存储过程当中进行监控有着重要的现实意义。本文以甲烷（CH4）、氢气（H2）为例，介绍了一种以PLC为控制核心的爆炸性气体的存储监控系统，给出了系统组成及相关的软件设计。

关键词：PLC 气体监控系统 MCGSE组态

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0177-02

1 引言

随着工业的发展，越来越多的试验性气体得到了广泛应用。试验性气体多为气瓶高压充装，而且有些气体具有爆炸性或剧毒性，在存储过程中极易发生泄漏。一旦产生泄露，将会产生爆炸，引发火灾，造成人身伤害或财产损失。因此，对爆炸性气体在存储过程当中进行监控成为一种必要[1]。本文以CH4、H2为例，设计了一种基于PLC的爆炸性气体存储监控系统，该系统具有灵敏度高、操作方便等优点，并已在现场得到了广泛的应用。

2 系统设计

系统采用PLC作为数据采集与控制主体，采用触摸屏作为显示控制界面，选用防爆传感器24小时全天候对存储区域内的温度、烟雾以及CH4、H2等爆炸性气体浓度进行监测，以便在气瓶发生泄漏或发生火灾时发出声光报警。本系统还可以将数据自动储存并生成曲线和EXEL文件可供用户随时调阅。

2.1 系统硬件设计

由于本系统中涉及到的CH4、H2为易燃易爆气体，在存储过程当中有可能发生些泄漏，因此其所在的区域称为危险区（1区），传感器探头采用防爆传感器，安装在此区域内；在无爆炸性气体的区域称为非危险区，即安全区[2，3]，控制箱安装在此区域，区域内的设备采用普通电气设备。安全区域与危险区域的传输信号采用安全栅进行电气隔离。同时，对给危险区的电气设备供电的电源采用本安电源模块，对给安全区域电气设备供电的电源采用普通的开关电源模块，以防止安全区与危险区的供电串扰。

由于甲烷传感器、氢气传感器、温度传感器的信号输出为模拟量，此种传感器的输出信号需经过隔离栅隔离后分别接入PLC A/D转换模块的IN0、IN1、IN2通道进行数模转换后再由PLC进行处理；而烟雾传感器的输出信号为开关量信号，因此烟雾传感器的输出信号经过隔离栅隔离后直接接入PLC的输入端口X000即可。PLC的输出口Y000、Y001分别防爆风扇和声光报警器。其设计原理图如图1所示。

2.2 软件设计

系统软件包含两部分：一部分为PLC程序设计，另一部分为上位机组态软件设计。上位机组态软件采用MCGSE组态软件编写，包含气体浓度显示、报警上限设置、输出控制、操作按钮等四部分，其运行主界面如图2所示。

气体浓度显示（图2绿色区）：该区域显示各传感器的气体浓度、温度的测量值。由触摸屏实时读取PLC中A/D转换通道的数值后，再经过D/A转换后进行显示。

报警上限设置（图2白色区）：该功能便于用户自行设定系统产生报警信号的阈值。设定值与显示值进行实时比较，当显示值大于设定值时发出报警并启动风扇，同时显示区域相应通道的颜色由绿色变为红色。由于显示值与设定值可能带有小数，而PLC软件没有小数比较功能，因此，在软件处理时均采用先放大10倍进行取整后再进行数值比较的方式。

输出控制：PLC程序采用梯形图的形式进行编程，其输出控制程序（部分）如图3所示[4]：图3中X000、M120、M124、M128分别为烟雾传感器、甲烷传感器、氢气传感器、温度烟雾传感器的报警信号（当甲烷、氢气、温度的测量值大于各自的设定值时，分别使PLC的辅助触点M120、M124、M128闭合；当有烟雾信号时，X000闭合）。当任何一路信号闭合时，PLC的辅助继电器M138都会得电，从而使Y000接口（防爆风扇）和Y001接口（警号）启动（注：辅助触点M5默认为闭合）。

操作按钮：操作按钮包含传感器电源和警号开关两个按钮。为了实现发生报警后在警情消失前，能够手动关闭声光报警器，在组态软件中设计了警号开关按钮。此按钮直接控制PLC的辅助继电器M5，在发生警情时（此时声光报警器工作）手动按下该按钮后，辅助触点M5断开，声光报警器停止工作。当险情消失后，软件自动将该辅助触点M5回到闭合状态，从而使再次发生警情后，警号又能自动打开，从而实现警号手动关闭后不必再次人为复原的功能。

针对烟雾传感器在烟雾险情消除后其输出信号不能自动复位的特性，在软件界面中设计了传感器电源开关按钮，通过给烟雾传感器断电的方式来进行复位。

3 性能测试

系统设计完成后用标准气体对系统中的各路传感器的显示值、系统测量值以及系统功能进行了测试，实验数据如表1所示（此表为部分试验数据）。

实测结果表明，系统的测量误差符合设计预期，系统性能可靠性，运行稳定性。目前该产品已在各检测检验机构及实验室校准机构得到了大量的应用。

参考文献

[1]中华人民共和国国家检验检疫总局.TSG R0006-2014气瓶安全技术监察规程[S].北京：新华出版社，2014.

[2]国家质量技术监督局GB3836.14-2000爆炸性气体环境用电气设备 第14部分：危险场所分类[S].北京：中国标准出版社，2000.

[3]国家质量技术监督局GB3836.15-2000爆炸性气体环境用电气设备 第15部分：危险场所电气安装（煤矿除外）[S].北京：中国标准出版社，2001.

[4]龚运新，陈淑兰，谢晓飞.三菱PLC实用技术教程[M].北京：北京师范大学出版社，2007：110-123.