防爆正压柜控制部分冗余设计浅谈

(江苏尔乐电气科技有限公司,江苏 启东 226200)

1 引言

随着石油化工、金属冶炼、化学制药等行业的飞速发展，防爆正压柜在体系控制中的利用越来越广泛。它的防爆原理是：正压柜(主腔内)通入一定压力的新鲜空气或惰性气体，使周围的可燃性气体不能进入外壳内部，从而阻止点燃源与爆炸性气体接触，达到防止爆炸的目的。 随着技术的进步，防爆正压柜的技术也越来越先进，尤其是其自动控制系统，由原先压差仪表，通过继电器进行控制，向着微机控制方向发展，使防爆正压柜整体的性能得到不断提高。下面以单片机为例，对其控制系统进行适当分析。

2 防爆正压柜的气压控制[1]

防爆正压柜由柜体和正压充气控制系统装置两部分组成，防爆正压柜气源由正压充气控制装置进入柜体充气并达到安全起动要求(100Pa≤ Δp≤400Pa);当低压报警时，正压控制装置会输出信号报警，必要时会切断正压柜电源。正压柜在控制系统的控制下，通入保护气体，正压柜主腔内压力高于正压腔外的压力，形成微正压的安全小环境，从而阻止了可燃性危险气体进入正压腔内，保证内装普通仪表和电器元件的安全运行。

正压柜工作时，先进行5倍正压柜主腔容积量的换气，此过程，是通过进气防爆电磁阀和排气防爆电磁阀来实现的；换气结束，气压在设定值范围内，用遵循PID控制律的小口径防爆电磁阀来实现气压稳定。

3 正压柜的气压控制过程的实现

正压柜的控制系统，根据压差仪器反馈的信号值与设定值之间的偏差，通过执行元件(防爆电磁阀)进行调节的，实现正压柜主腔的气压在设定的范围内，从而达到防爆要求。

3.1 确定换气时间

正压柜开始工作时，必须对其进行换气，使其内部的爆炸性气体排到规定的安全值范围内。

气体流量公式[2]

其中：

qs——自由状态流量L/min；

S——排气管有效截面积mm2;

p1——正压柜壳内绝对压力：MPa;

Δp——压差(MPa)，Δp=p1-p0;

T1——正压外壳内热力学温度K;

p0——标准大气压。

此处换气的正压值取：Δp=400Pa，可以通过公式求得气体流量qs;由正压柜主腔的容积V;可得5倍换气时间t=5V/qs。这是能够估算出大概换气时间，以便，在实际操作中，确定较正确的换气时间。

3.2 控制过程

通过单片机设定程序，对正压柜的气压系统进行控制。正压柜开始工作后，单片机发出开阀指令气压控制系统开启进气阀与排气阀，进行换气，经过设定时间t后，检测主腔内的正压值。如主腔的正压值在设定的范(100Pa≤Δp≤400Pa)，则关闭进气阀与排气阀，并开启工作电源(主腔通电)，使正压柜进入工作状态。如此时的正压值不在设定的范围内：(1)主腔的正压值小于设定范围下限(100Pa)，检查气源压力，柜体及排气管泄漏量，并作相应调整，直到主腔的正压值在设定的范围内，再关闭进气阀与排气阀， 并开启工作电源；(2)主腔的正压值大于设定范围的上限(400Pa)，关闭进气阀，直到主腔的正压值在设定的范围内，再关闭排气阀，并开启工作电源。

气压控制系统，进入正常工作状态后，由PID控制系统通过小口径防爆进气调节阀，对正压柜气压值稳态调节控制，使其正压值维持在设定值附近(Δp=200Pa)，从而使正压柜处于稳定的工作状态。在特殊情况下，如正压值不在其设定的范围(100Pa≤Δp≤400Pa)，单片机通过设定的程序，对进气阀与排气阀进行调节，以达到正压值在设定的范围内。

3.3 PID控制过程[3]

图1 PID控制系统结构图

比例-积分-微分(PID)控制器是常用的控制器，特点是大多数PID控制器是现场调节的，而且，当被控对象的数学模型不知道时， PID控制就显得特别有用。

PID控制器的一般表达式：

由于本被控对象(正压柜)的数学模型不知，通过现场实验进行调整，确定相关参数(Kp，Ki，Kd)，实现PID控制。

3.4 正压柜的控制部分

由进气阀控制，排气阀控制，PID控制和电源控制等组成，都通过单片机运行来实现，单片机根据气压控制过程的要求，编制适当的的控制程序，按要求现实设定控制，从而，使正压柜处稳定正常的工作状态。

4 单片机冗余控制过程[2-3]

4.1 单片机控制

软件系统设计

图2 主程序流程图

图3 PID控制

其中

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

5倍换气量的时间：t(为了确保换气充分，必要时设定1.2t作为换气时间)，程序运行的基本过程与控制过程运行相一致；达到正常工作状态后，进入PID控制运行状态。

PID程序运行过程：对已进入设定的状态(100Pa

当正压值超过400Pa时，排气阀开启，进行排气(PID控制的调节阀处于关闭状态)，直到正压值小于400Pa为止；当正压值小于100Pa时，进气阀开启，进行进气(PID控制的调节阀处于全开状态)，并开启声光报警，提醒值班工作人员，直到正压值大于100Pa为止；如碰到正压值持续下降，降到50Pa以下，则自动切断正压柜主腔电源。

在单片机控制系统外，还设立人工操作系统(按钮)，必要时，进行特定操作，人工操作系统(按钮)的优先级高于单片机控制系统；一般人工操作按钮主要是：进气开启与关闭按钮，排气开启与关闭按钮，电源开启与关闭按钮(这些按钮是防爆的，安装在正压柜的副腔内)。

4.2 控制冗余设计(双CPU并联冗余控制)

CPU模块是整个控制系统的核心，一旦出现故障，整个控制系统就瘫痪，为此设计用两个功能与结构完全相同CPU模块实现冗余控制，这样就提高了核心控制系统的安全可靠性，又方便了调试与维修。冗余系统采用了两套CPU处理器模块，一个处理器模块作为主处理器，另外一个作为从处理器。正常情况下，由主处理器执行程序，控制I/O设备，从处理器不断监测主处理器状态。如果主处理器出现故障，从处理器立即接管对I/O的控制，继续执行程序，从而实现对系统的冗余控制。

两个CPU模块的控制输出端，分别与两个三态逻辑电路门相连，两个三态逻辑电路门输出端并联接入相应的控制电路，两个三态门的EN控制使能端，又分别与一个(或两个，可以相互独立)触发器状态输出端相连，控制三态处于导通或高阻状态，触发器的控制端与CPU模块故障输出相连；当正常运行时，其中一个主要的CPU模块，控制运行状态，而当主要的CPU模块发生故障时，发出故障信号，通过触发器，使其输出状态发生翻转，从而使原先处于导通状态的三态门变成高阻状态，先前处于高阻状态的三态门处于导通状态，从而完成从主要的CPU模块控制，切换成备用的CPU模块进行控制，使防爆正压柜的控制系统处于连续稳定的工作状态(即生产不受影响)。同时，由原主要的CPU模块控制的触发器等电路，也切换到由备用的CPU模块控制状态。双CPU模块的冗余控制，是解决一个CPU模块发生故障时，正压柜控制系统仍能正常运行的有效方法。

5 结论

以上所述的正压柜控制部件的设计，是根据一般性原则进行的，其原理具有普遍通用性；而其实现方法，可由多种方式进行：(1)控制部件也可由DSP，PLC等来完成；(2)双机并联冗余控制电路，也可由其他的连接方式与相应的程序来实现，能实现控制系统的稳，准，快原则即可；(3)控制规律也可不同方式完成，如在知道被控对象确定参数情况下，可由状态控制法，设计控制律，可使控制更为精准。总之，正压柜控制部件的设计，原则上，能使正压柜达到正常有效运行就可行。